Ατμοσφαιρικός ηλεκτρισμός
Μέρος 1ο

Άρθρο, Νοέμβριος 2003

1ο, 2o, 3o, 4o, Επόμενο

Ο ατμοσφαιρικός ηλεκτρισμός είναι ο κλάδος της Φυσικής της ατμόσφαιρας που ασχολείται με τη μελέτη των ηλεκτρικών φαινομένων, τα οποία λαμβάνουν χώρα στην ατμόσφαιρα.

Η ατμόσφαιρα είτε ο ουρανός είναι αίθριος είτε με κακοκαιρία και με νέφη είναι πάντοτε ηλεκτρισμένη. Ο ατμοσφαιρικός ηλεκτρισμός ανακαλύφθηκε το 1752 από τον Φραγκλίνο (B. Franklin), όταν απέδειξε ότι η αστραπή είναι ένας ηλεκτρικός σπινθήρας.

Ενώ η ατμόσφαιρα είναι μονωτής (διηλεκτρικό) σε κανονικές συνθήκες, κάτω όμως από ειδικές συνθήκες (η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου μεταξύ ενός σύννεφου και της Γης να γίνει πολύ μεγάλη πχ 5 εκατομμύρια V/m) γίνεται αγώγιμη (για πολύ μικρό χρόνο της τάξεως των μsec). Αποτέλεσμα είναι τα ηλεκτρόνια στη βάση του νέφους να διαπερνούν την ατμόσφαιρα και να φτάνουν στη Γη. Έτσι δημιουργείται μια ηλεκτρική εκκένωση που συνοδεύεται και από άλλα φαινόμενα.

Από την ιστορία

Ο κεραυνός από τη μυθολογία, εθεωρείτο ότι είχε υπερφυσική προέλευση. Ήταν το μεγάλο όπλο του Δία. Για τους Βίκινγκς, η αστραπή δημιουργείται από τον θεό Thor καθώς το σφυρί του χτυπούσε ένα αμόνι, ενώ οδηγούσε το άρμα του στα σύννεφα. Στην ανατολή, τα πρώτα αγάλματα του Βούδα τον εμφανίζουν να φέρει έναν κεραυνό με βέλη σε κάθε άκρη. Οι ινδικές φυλές στη Βόρεια Αμερική θεωρούσαν ότι η αστραπή οφειλόταν στα φτερά ενός μυστικού πουλιού που αναβόσβηναν και όταν πέταγε χτυπούσαν τα φτερά κάνοντας τον ήχο της βροντής.

Ο Αμερικανός Benjamin Franklin (1706-1790) εκτέλεσε την πρώτη συστηματική, επιστημονική μελέτη της αστραπής κατά τη διάρκεια του δεύτερου μισού του 18ου αιώνα. Πριν από εκείνη την εποχή, η επιστήμη του ηλεκτρισμού είχε φτάσει στο σημείο που μπορούσαν τα θετικά και τα αρνητικά φορτία να διαχωριστούν. Οι ηλεκτρικές μηχανές θα μπορούσαν, με την τριβή δύο διαφορετικών υλικών, να αποθηκεύσουν φορτία σε πρωτόγονους πυκνωτές, όπως οι φιάλες του Leyden, από τις οποίες μπορούσαν να παραχθούν και να παρατηρηθούν σπινθήρες.

Ενώ κι άλλοι είχε σημειώσει προηγουμένως την ομοιότητα μεταξύ των εργαστηριακών σπινθήρων και της αστραπής, ο Φραγκλίνος ήταν ο πρώτος, το 1749, που σχεδίασε ένα πείραμα που απέδειξε αποφασιστικά την ηλεκτρική φύση της αστραπής.

Στο πείραμά του θεωρούσε ότι τα σύννεφα είναι φορτισμένα, άρα και η αστραπή πρέπει επίσης να οφείλεται σε ηλεκτρικό φαινόμενο. Στο πείραμα αυτό, θα έπρεπε ο πειραματιστή Φραγκλίνος να κρατάει μια σιδερένια ράβδο με το ένα χέρι για να δημιουργήσει μια ηλεκτρική αποφόρτιση μεταξύ του άλλου χεριού και του εδάφους. Εάν τα σύννεφα ήταν ηλεκτρισμένα τότε θα έπρεπε να ξεσπάσουν σπινθήρες μεταξύ της ράβδου και ενός σύρματος μέσα στη Γη, που σε αυτήν την περίπτωση, συγκρατιόνταν από ένα μονωμένο κερί.

Το πείραμά του όμως εκτελέσθηκε επιτυχώς από έναν άλλο, τον Γάλλο Thomas Francois D' Alibard τον Μάιο του 1752 όταν παρατηρήθηκαν σπινθήρες να ξεπηδούν από τη σιδερένια ράβδο κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας. Ο G. W. Richmann, ένας Σουηδός φυσικός που εργαζόταν στη Ρωσία, κατά τη διάρκεια του Ιουλίου του 1753, απέδειξε ότι τα καταιγιδοφόρα νέφη περιέχουν ηλεκτρικό φορτίο, και δυστυχώς σκοτώθηκε όταν τον χτύπησε ένας κεραυνός.

Πριν ο Φραγκλίνος ολοκληρώσει το αρχικό πείραμά του, σκέφτηκε έναν καλύτερο τρόπο να αποδειχθεί η υπόθεσή του μέσω της χρήσης ενός αετού. Ο αετός πήρε τη θέση της σιδερένιας ράβδου, δεδομένου ότι μπορούσε να βρεθεί πολύ ψηλά και μπορούσε να πετάει οπουδήποτε. Ο αετός ήταν κατασκευασμένος από μεταξωτό ύφασμα και στο σπάγκο του αετού έδεσε ένα μεταλλικό κλειδί. Κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας στην Πενσυλβάνια, το 1752, ο διασημότερος χαρταετός της ιστορίας πέταξε και προσέλκυσε αντίθετο προς αυτό φορτίο δημιουργώντας έτσι ένα μονοπάτι για τα φορτία από τον αέρα προς τη Γη.

Επίσης ο Φραγκλίνος βρήκε ότι ενώ τα σύννεφα ήταν πολύ ψηλά, το χαμηλότερο μέρος τους ήταν αρνητικά φορτισμένο.

Την ίδια χρονιά ο L. Lemonnier, επαναλαμβάνοντας το πείραμα του Φραγκλίνου, διαπίστωσε ότι ακόμη και σε μια ανέφελη και καθαρή ημέρα ο αέρας είναι ηλεκτρικά φορτισμένος.

Αργότερα, το 19ο αιώνα, έγινε σημαντική πρόοδος στην κατανόηση των ιδιοτήτων της αστραπής όταν εφευρέθηκαν η φωτογραφία και τα φασματοσκοπικά εργαλεία.

Οι μετρήσεις στα ρεύματα που μετέφερε η αστραπή έγιναν στη Γερμανία από τον Pockels (1897-1900), που ανέλυσε το μαγνητικό πεδίο που προκλήθηκε από τα ρεύματα της αστραπής για να υπολογίσει τις τιμές των ρευμάτων.

Η κλασική εικόνα του ατμοσφαιρικού ηλεκτρισμού

Η κλασική θεωρία του ατμοσφαιρικού ηλεκτρισμού διατυπώθηκε το 1920 από τον Charles Wilson (που πήρε Νόμπελ Φυσικής το 1927 για την ανακάλυψη του θαλάμου Wilson). Ο Wilson κάνοντας μακρινές παρατηρήσεις και μετρήσεις των ηλεκτρικών πεδίων των καταιγίδων συμπέρανε πρώτος για τη δομή των φορτίων μέσα στα καταιγιδοφόρα νέφη καθώς και το φορτίο που ελευθερώθηκε σε μια αστραπή. Σύμφωνα με τη θεωρία του η Γη και η ηλεκτρόσφαιρα θεωρούνται δύο οπλισμοί ενός σφαιρικού πυκνωτή, οι οποίοι χωρίζονται από την ατμόσφαιρα. Τα χαρακτηριστικά του σφαιρικού αυτού πυκνωτή είναι:

• Η Γη θεωρείται ότι είναι αρνητικά φορτισμένη ως προς την ηλεκτρόσφαιρα που είναι θετικά φορτισμένη και συντηρείται θετικά από ένα ανοδικό ρεύμα που δημιουργείται από τις καταιγίδες.

• Η ηλεκτρόσφαιρα, η οποία βρίσκεται στο κάτω μέρος της Ιονόσφαιρας, σε ύψος 50-65 km, είναι μια ισοδυναμική επιφάνεια και σχηματίζει κλωβό Faraday.

• Το ρεύμα τροφοδοσίας ισούται με το άθροισμα όλων των ηλεκτρικών ρευμάτων αέρα - Γης, τα οποία υπάρχουν σε όλες τις περιοχές της Γης που έχουν καλό καιρό. Ο ετήσιος μέσος όρος του συνολικού ρεύματος αέρα - Γης, για καλό καιρό, είναι περίπου σταθερός και έχει τιμή 1.800 Α.

• Μεταξύ του εσωτερικού και του εξωτερικού οπλισμού του σφαιρικού πυκνωτή, λόγω της αγωγιμότητας του αέρα, υπάρχει μια αντίσταση διαρροής R. Η ολική αντίσταση R_ολ πάνω από εκτάσεις καλού καιρού είναι περίπου 200 Ω. Η Rολ είναι ισοδύναμη προς το R/S, όπου S είναι το εμβαδόν της επιφάνειας της Γης.

Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή, μεταξύ των οπλισμών του σφαιρικού πυκνωτή ρέει κατακόρυφα ηλεκτρικό ρεύμα, το οποίο ελέγχεται και συντηρείται από την παγκόσμια δραστηριότητα των καταιγίδων.

Στη δεκαετία του '30, η έρευνα των φαινομένων της αστραπής παρακινήθηκε κατά κύριο λόγο από την ανάγκη να μειωθούν τα καταστρεπτικά αποτελέσματα της αστραπής στα ηλεκτρικά συστήματα και από την επιθυμία να γίνει κατανοητή μια σημαντική μετεωρολογική διαδικασία. Ο ρυθμός εκείνης της έρευνας ήταν αρκετά σταθερός μέχρι τη δεκαετία του '60, όταν τότε το ενδιαφέρον των επιστημόνων ανανεώθηκε λόγω της γενικά απροσδόκητης ευπάθειας των transistors από τις μεταβολές της τάσης και των ρευμάτων, από   την πτώση των κεραυνών.

Κάθε καταιγίδα, που έχει αναπτυχθεί αρκετά, δρα ως γεννήτρια παραγωγής ηλεκτρισμού.

Το ρεύμα που δημιουργείται από τις καταιγίδες ρέει κατακόρυφα προς τα πάνω μέσα στην ανώτερη ατμόσφαιρα, ονομάζεται ρεύμα τροφοδοσίας και είναι εκείνο το οποίο διατηρεί την ηλεκτρόσφαιρα σε ένα θετικό δυναμικό (σε σχέση με αυτό της Γης) περίπου 300 kV.

Κοντά στην ηλεκτρόσφαιρα, όπου η αγωγιμότητα είναι πολύ μεγάλη, η κατακόρυφη συνιστώσα εξαφανίζεται και το ρεύμα διασκορπίζεται πλάγια. Κατόπιν επιστρέφει στη Γη υπό μορφή ρεύματος αγωγιμότητας αέρα - Γης, το οποίο είναι σχεδόν ομοιόμορφα κατανεμημένο πάνω από τη Γη, όταν ο καιρός είναι καλός. Για τη συντήρηση του ρεύματος αέρα - Γης σε αίθριο καιρό απαιτείται συνεχώς η ύπαρξη μέχρι και 2.300 καταιγίδων ανά τη Γη.

Οι βασικές παράμετροι του ατμοσφαιρικού ηλεκτρισμού

Τα βασικά στοιχεία που καθορίζουν τη σύγχρονη εικόνα του ατμοσφαιρικού ηλεκτρισμού είναι τα ιόντα, η ηλεκτρική αγωγιμότητα και το ηλεκτρικό πεδίο της ατμόσφαιρας, καθώς και το κατακόρυφο ηλεκτρικό ρεύμα αέρα - Γης.

Τα ιόντα της ατμόσφαιρας παράγονται από την κοσμική ακτινοβολία, τη μικρού μήκους κύματος υπεριώδη ηλιακή ακτινοβολία και την ακτινοβολία των ραδιενεργών στοιχείων στο έδαφος ή στα χαμηλά στρώματα του αέρα-διακρίνονται σε μικρά και μεγάλα, θετικά και αρνητικά ιόντα. Στα κατώτερα ατμοσφαιρικά στρώματα, τα παραγόμενα από τον ιονισμό ευκίνητα ηλεκτρόνια προσκολλούνται σε ουδέτερα μόρια και έτσι δημιουργούνται αρνητικά ιόντα. Η συνένωση των ιόντων με ουδέτερα μόρια οδηγεί στη δημιουργία ιόντων με μοριακές διαστάσεις, που ονομάζονται μικρά ιόντα. Σε αντιδιαστολή, η συνένωση τους με αερολύματα μεγαλύτερων διαστάσεων δημιουργεί τα μεγάλα ιόντα.

Ο αριθμός των θετικών και αρνητικών μικρών ιόντων ανέρχεται κοντά στο έδαφος σε μερικές εκατοντάδες ανά κυβικό εκατοστόμετρο και επηρεάζεται σημαντικά από τη ρύπανση του αέρα.