Привет всем любителям физики и физического эксперимента! Вы знали, что земной шар заряжен отрицательно, а средняя напряжённость электрического поля вблизи поверхности Земли составляет примерно 130 В/м? Это означает, что на высоте головы взрослого человека падает напряжение порядка 200 В — но мы его никак не чувствуем. Почему же так получается? Ответят ведущие GetAClass: Алексей Колчин и Андрей Щетников.

Это наша юбилейная пятая статья на Хабре. Cпасибо всем за просмотры, плюсы и комментарии! Напоминаем, что наш проект некоммерческий и даже небольшая поддержка каждого из вас помогает нам выпускать контент и выкладывать его в открытом доступе. Становитесь нашими бустерами, мы будем вам безмерно благодарны! Приятного чтения:)

Итак, почему мы не чувствуем падение напряжения порядка 200 В? Дело в том, что наше тело является проводником, и когда мы стоим босиком на земле, наш потенциал совпадает с потенциалом земли. А как во всяком проводнике, в нашем теле электрическое поле отсутствует — вот поэтому мы ничего и не ощущаем. Но при этом происходит перераспределение зарядов — и наша голова заряжается отрицательно.

Но как же измерили это электрическое поле? Мы, конечно, можем взять две металлические пластины, разнести их по высоте на 1 м — и между ними установится разность потенциалов 130 В.

Но как её измерить? Если мы подсоединим обычный вольтметр, мы ничего не увидим: заряды очень быстро перераспределятся — и вольтметр не успеет ничего показать. Поэтому для измерения напряжённости электрического поля Земли нужны другие, более изощрённые методы.

Как измерить напряжённость электрического поля Земли

Поскольку заряд на пластинах очень небольшой и пластины при замыкании разряжаются очень быстро, идея состоит в том, чтобы производить замыкание и размыкание пластин как можно чаще и получить ток такой величины, который уже можно регистрировать.

Например, можно взять одну пластину, через провод соединить её с землёй, а потом колебать эту пластину вверх и вниз — и смотреть, какой при этом ток течёт по соединительному проводу.

А можно перемкнуть две пластины, менять их местами — и смотреть, какой ток течёт по соединительному проводу в таком случае. Понятно, что такую конструкцию проще реализовать, если две пластины будут находиться на роторе, связанном с проводом через щётки.

А ещё в одном устройстве, которое представляет собой своеобразную мельницу, пластины представляют собой сектора, которые чередуются по кругу и соединены через один. 

Над пластинами находится обтюратор, который вращается с помощью электромотора. Обтюратор поочерёдно экранирует от электрического поля Земли то одни, то другие сектора — и заряд поочерёдно перетекает с одних секторов на другие. Поскольку возникающий при этом переменный электрический ток невелик, между секторами ставится высокоомный резистор, с которого мы снимаем напряжение.

Мы сделали модель такого устройства. Измерить электрическое поле Земли здесь, в квартире, где сильны наводки от сети 220 В, мы, конечно, не сможем — но кое‑что всё‑таки покажем. Обтюратор вращается от электромотора, выходы секторов поданы на резистор 330 кОм, и напряжение с этого резистора снимается с помощью гальванометра.

Обтюратор вращается, и сигнал, который мы видим, — это наводки от сети 220 В: в квартире от них не избавишься.

А теперь мы поднесли к нашему прибору наэлектризованную пластиковую трубу — и видно, что сигнал заметно усилился. Это и есть электрическое поле, создаваемое трубой вблизи установки: подносим трубу — сигнал усиливается, относим — ослабевает. Значит, наш демонстрационный прибор работает.

А для того, чтобы измерить электрическое поле Земли, надо вынести прибор на улицу, запитать его от источника постоянного тока, фильтровать сигнал на нужной частоте — тогда мы и получим те самые примерно 130 В/м (при хорошей погоде, потому что при грозах же напряжённость электрического поля может быть заметно больше).

Земля как конденсатор

Начнём с того, что, зная электрическое поле вблизи поверхности Земли — 130 В/м, — найдём заряд земного шара. Для этого надо умножить поверхностную плотность заряда (ε₀E) на площадь поверхности Земли (S). Когда мы подставим все числа, то получим, что Земля имеет отрицательный заряд величиной 500 000 Кл.

Но оказывается, что при удалении от поверхности Земли электрическое поле быстро ослабевает и практически исчезает на высоте 10 км. Это означает, что атмосфера имеет такой же по величине положительный заряд 500 000 Кл и вместе с земным шаром образует своеобразный конденсатор.

При этом воздух является хорошим, но не идеальным изолятором, так что этот конденсатор непрерывно разряжается. Измеренная средняя плотность тока утечки у поверхности Земли составляет 2 пА/м². Полный ток — умножение этой плотности на площадь Земли — равен 1800 А.

Зная полный заряд конденсатора и ток утечки, мы можем оценить время, за которое конденсатор разряжается. Это время составляет всего лишь 300 секунд, или 5 минут. Тем не менее из опыта мы знаем, что конденсатор всё время остаётся заряженным. И тогда возникает вопрос: за счёт чего происходит его подзарядка? И каков источник энергии, который эту подзарядку обеспечивает?

Как грозы заряжают земной конденсатор

Оказывается, что этот атмосферный конденсатор заряжается благодаря грозам, а источником энергии для подзарядки в конечном счёте служит Солнце. Именно Солнце прогревает поверхность земли или воды, формируется мощный восходящий поток тёплого и влажного воздуха. Воздух поднимается наверх, температура с высотой постепенно падает — и начинается конденсация водяного пара. Ещё выше этот водяной пар превращается в мелкие кристаллики льда, которые поднимаются ещё выше: высота типичного грозового облака составляет 10–12 км. Льдинки начинают слипаться, масса таких комочков увеличивается — и в итоге они начинают падать вниз.

Так формируются два потока: мелких частиц, которые летят вверх, и более крупных, которые уже падают вниз. За счёт электризации трением нижняя часть облака заряжается в основном отрицательно, а верхняя — положительно. 

Первым такую модель предложил шотландский физик Чарльз Вильсон — тот самый, который изобрёл камеру Вильсона. С точки зрения его представлений облако представляет собой огромный диполь. И хотя земной шар в целом заряжен отрицательно, непосредственно под грозовым облаком на поверхности наводится положительный заряд.

Разность потенциалов между облаком и Землёй может достигать 100 млн В — этого напряжения оказывается достаточно, чтобы произошёл электрический пробой и загорелась молния. Типичная молния переносит с облака на землю отрицательный заряд порядка 20 Кл.

По историческим наблюдениям и современным спутниковым данным, на земном шаре за секунду вспыхивает примерно 100 молний, что даёт ток зарядки около 2000 А — и этот ток как раз компенсирует токи утечки и поддерживает заряд Земли постоянным. Таким образом, грозовые облака оказываются своеобразными электрогенераторами, которые всё время подзаряжают земной конденсатор.

Куда девается положительный заряд — и почему это сложнее, чем кажется

Облако зарядилось: низ — отрицательно, верх — положительно. Потом вспыхнула молния, и отрицательный заряд снизу облака ушёл на землю — а положительный наверху так и остался? Но нам ведь нужно подзаряжать обе обкладки конденсатора: и атмосферную, и земную. Как положительный заряд оказывается потом распределён по всей атмосфере?

Дело в том, что в нашей модели мы пока не добавили один важный элемент: с высотой проводимость воздуха растёт. Это связано с тем, что в земную атмосферу попадают космические лучи и ионизируют воздух. И хотя его плотность с высотой падает, действие космических лучей становится сильнее — и слой с наибольшей проводимостью оказывается расположен примерно на высоте 18 км, то есть как раз рядом с макушкой тучи. По этому проводящему слою и растекается положительный заряд.

И конечно, нужно подчеркнуть, что атмосферная физика — весьма сложная наука, а здесь мы дали весьма упрощённую модель явлений атмосферного электричества. Сложность этой науки заключается в том, что лишь небольшое число явлений можно воспроизвести в лабораторных условиях. По большей части приходится заниматься натурными измерениями, собирать статистику со всего земного шара и проникать в тайны грозовых явлений — как об этом рассказано в книге Даниила Гранина «Иду на грозу».

Вопрос напоследок: почему над океанами так мало гроз?

А теперь мы переходим к нашему традиционному заключительному вопросу — для этого нужно посмотреть на карту распределения гроз по поверхности земного шара. 

Мы видим, что над сушей грозы происходят достаточно часто, особенно — в районе Центральной Африки. А над поверхностью морей и океанов грозы случаются редко — хотя, казалось бы, в тропических широтах есть все условия для образования грозовых облаков: Солнце там греет достаточно сильно, влажность высокая, и с поверхности воды должны подниматься потоки тёплого и влажного воздуха. И тем не менее грозы там случаются редко. Почему же так происходит? Ваши соображения пишите в комментариях.

К сожалению, наши ведущие физически не успевают отвечать на комментарии на всех площадках GetAClass. Поэтому под этой статьей предлагаем вам обсудить тему друг с другом, а если вам хочется поговорить напрямую с Андреем и Алексеем, тогда милости просим в наше сообщество на YouTube!

Видео, на основе которого подготовлен этот материал: