Трактат об атмосферном электрическом поле Земли
© Ерашов В.М.
Со времен
Ломоносова ученые бьются над тайной земного электричества, но до сих пор
известно не так уж много:
1. Известно, что
поверхность Земли заряжена отрицательно.
2. Положительный
заряд располагается в нижних слоях атмосферы, причем его плотность падает по
экспоненциальному закону с поднятием в атмосферу. Уже на высоте 5-10 км
напряженность электрического поля Земли составляет мизерную часть от его
напряженности у поверхности Земли.
3. Известно, что в
грозовых облаках электрическое поле многократно усиливается, там сверкают
молнии и гремит гром, причем в грозовых облаках не только положительный заряд
находится в атмосфере, но и отрицательный, правда порядок расположения
сохраняется, положительный вверху, отрицательный ниже.
4. Бесспорным
является факт гравитационного разделения зарядов в грозовой ячейке, то есть
отрицательный заряд в нижнюю часть атмосферы доставляют падающие капли или
льдинки.
5. Известно, что
положительный заряд на высоту до 10 километров доставляют восходящие потоки
воздуха, без таких потоков разделение зарядов не происходит.
6. Известно, что, как
правило, над сушей электрическое поле несколько сильнее, чем над океаном,
правда, данное утверждение уже должно вытекать из п.5, так как над сушей
сильнее развиты восходящие потоки.
7. По неизвестным
пока причинам электрическое поле Земли сильнее всего развито в средних широтах,
к полюсам и к экватору его напряженность падает.
8. Наблюдается
парадокс в том, что интенсивность гроз падает от экватора к полюсам, то есть
пропорционально температуре атмосферы, тогда как напряженность электрического
поля от экватора к средним широтам растет, а от средних широт к полюсам падает.
9. По пункту 8 нет
прямой зависимости электрического поля от гроз, тогда как дневная вариация
напряженности электрического поля полностью пропорционально площади гроз на
планете.
10. Годовая же
напряженность электрического поля усиливается зимой, когда интенсивность гроз
падает, опять нарушая связь между грозами и полем.
Попытаемся
ответить на поставленные вопросы, но не с позиций физики, а с позиций химии,
что до нас никто не делал. И так:
Теория чистой воды
Химики хорошо знают,
что даже в чистой воде всегда существует масса ионов, которая легко
определяется с помощью рН воды. Нужно только концентрацию г-моль/литр, которой
пользуются химики, перевести в числовую концентрацию, которой пользуются
физики. Такой перевод никакой трудности не составляет, с помощью числа Авогадро
он делается элементарно, здесь нет ничего нового, мы даже этим не станем
заниматься. Примеси, как правило, количество ионов в воде только увеличивают,
причем кислотные примеси увеличивают рН воды и количество ионов водорода, а
щелочные увеличивают количество ионов ОН. Далее химики хорошо знают, что в воде
находятся не просто ионы, а гидратированные ионы, окруженные молекулами воды и
связанные с этими молекулами энергетически. Каждый ион имеет свою энергию
гидратации, причем, есть конкретная энергия гидратации с первой молекулой воды
и далее со всеми последующими. Как правило, самая прочная энергетическая связь
возникает именно с первой молекулой воды, дальше эта связь ослабевает.
Например, самый распространенный
в воде положительный ион водорода с первой молекулой воды связан энергией 724
КДж/моль [1]. Это очень прочная связь, может по этой причине ион водорода,
связанный с одной молекулой воды получил даже персональное название, ион
гидроксония. Далее химикам хорошо известно, что вода в земных условиях
непрерывно испаряется. Параллельно происходит и другой процесс, процесс
конденсации воды. При определенных условиях, всегда конкретных, наступает
равенство процесса испарения и процесса конденсации воды, как говорят химики,
наступает равновесие. А вот испаряются ли вместе с водой и ионы химики
почему-то не посмотрели, им это не надо. Вернее, что на поверхности раздела фаз
всегда существует двойной электрический слой, химики знают, но вот конкретно
для воды почему-то в справочниках разность электрического потенциала на границе
газ-жидкость нам найти не удалось. Придется оценку производить самостоятельно.
Теория электрической
разности потенциалов на границе газ-жидкость для воды
Вначале посмотрим,
как испаряются нейтральные молекулы. Например, из крекинга нефти мы знаем, что
чем меньше атомный вес соединения, тем выше его летучесть, сначала при крекинге
испаряются легкие фракции. И это не специфика нефти, а общее правило для
нейтральных молекул, потому что оно подтверждается массой примеров из жизни.
Действует ли данное правило для ионов, наверняка действует. Для наглядности и
убедительности мы бы это правило назвали выражением: «Летает футбольный мяч, а
не ворота». Это правило можно вывести из обмена импульсом при кинетических
соударениях, но оно настолько доказано жизнью, что теоретических доказательств
не требует.
И так ионы, как и
молекулы, должны испаряться согласно сформулированному правилу, но это не
единственный момент, который влияет на летучесть в молекулярном мире.
Температура кипения жидкостей сильно зависит от поверхностного натяжения,
например спирт испаряется гораздо легче воды, хотя его атомный вес больше, чем
у воды. То есть летучесть молекул еще зависит и от сил притяжения между молекулами,
полярные молекулы имеют меньшую летучую способность, чем неполярные, так как
между ними сильно электрическое притяжение. Какие же силы притяжения действуют
на ионы? Те же электрические, что и на полярные молекулы. То есть из этого
следует, что однозарядные ионы имеют более высокую летучую способность, чем
многозарядные. Но для ионов важную роль играет кроме заряда ионов еще и энергия
гидратации. Во-первых, гидратированые ионы в жидкости уже разделены оболочками,
и чем сильнее гидратирован ион, тем он больше удален от своего собрата с
противоположным знаком, и тем слабее электрическое взаимодействие между ними. С
этой точки зрения энергия гидратации повышает летучесть ионов, но с другой
стороны, когда ион связывается энергией гидратации с молекулами воды, он
«навешивает на себя гири», у него дилемма, либо улетучивайся вместе с
балластом, с молекулами воды, либо находи энергию на избавление от балласта.
Вот в этом моменте
важна не просто энергия гидратации, а еще и энергия гидратации с каждой
молекулой воды отдельно. Например, ион водорода, как мы выше выяснили, очень
прочно связан с первой молекулой воды, поэтому есть предположение, что ему
энергетически выгодно испаряться вместе с этой молекулой воды, тогда и атомная
масса еще не столь велика, всего на единицу выше молекулярной массы воды, и за
счет очень прочной энергетической связи есть вероятность, что на связь с
другими молекулами воды у него осталось не так уж и много сил, ведь энергия
гидратации для однозарядных ионов редко превышает 1000 КДж/моль, а, как мы
помним 724 КДж/моль гидроксоний уже использовал. В общем, теоретическая оценка
летучести ионов дело трудное, нужно знать подетальную энергию гидратации,
которая далеко не всегда имеется, но какую-то приблизительную оценку все же
дать можно. Есть еще одна возможность оценить летучесть ионов – это прировнять
летучесть ионов и их подвижность в растворе, потому как оба эти процессы
зависят от одних и тех же параметров. Здесь гидроксоний – единоличный лидер.
Следующий по списку – ион ОН, его подвижность почти в два раза ниже, чем у
гидроксония (18 против 32) [2]. Вывод из наших рассуждений такой, положительный
ион гидроксония должен иметь летучесть выше летучести других отрицательных
ионов, по трем причинам, малого молекулярного веса (19), слабой связи с другими
молекулами воды и аномально большой подвижности в растворе.
Возьмем, к примеру,
морскую воду, больше всего в ней растворено поваренной соли и сернокислотных
солей, следовательно, конкуренцию гидраксонию по летучести составляют
отрицательные ионы хлора и сернокислотного остатка. Даже если эти ионы
улетучиваться будут без гидратированой воды, то их летучесть куда ниже
летучести гидроксония, так как атомный вес превышает минимум в два раза, а
энергия гидратации возможно не меньше чем у гидроксония с другими молекулами
воды. Мы вправе предположить, что над морем существует двойной электрический
слой, в котором положительный заряд находится в атмосфере, а отрицательный в
морской воде, потому как ионов гидроксония улетучилось больше, чем
отрицательных ионов. Но ведь это только предположение, хотя и обоснованное. А
вдруг отрицательные ионы ОН еще летучее гидроксония, хотя мы и отметили, что
подвижность его ниже?
Теоретически
окончательное решения принять трудно, нужны подробные данные по гидратации ,
которыми мы не располагаем. В таких случаях обращаются к эксперименту, можно
попытаться экспериментировать с банками Кельвина, знатоки утверждают, что на
этих банках можно разделить заряды до 12 КВ., но там схема не очень
предназначена изучать летучесть положительных и отрицательных ионов. Правда ее
можно упростить, нам для эксперимента достаточно одной банки-капельницы и
приемной банки. Принцип простой, пока капли воды летят с высоты, вода
испаряется, а вместе с молекулами воды испаряется и какое-то количество
положительных и отрицательных ионов. Померив заряд в приемной банке и определив
его знак, мы сможем сказать каких ионов испарилось больше, отрицательных или
положительных. Хотя для такого эксперимента нужно очень простое оборудование,
но на данный момент он еще не поставляет.
Далее следует
сказать, что испарение воды хоть с поверхности водоемов, хоть с поверхности
капель, летящих в воздухе, хоть с льдинок вряд ли представляет собой простой и
линейный процесс. Начнем с того, что при низких температурах вода находится в
твердом состоянии, ее молекулы образуют кристаллическую решетку. Какая-то доля
положительных ионов водорода (протонов) странствует по кристаллу в
межкристаллическом пространстве. В этом плане структура льда схожа со
структурой стекла с той лишь разницей, что в стекле странствуют в
межкристаллическом пространстве не ионы водорода, а ионы натрия и калия.
Замеряя проводимость льда, можно проводить оценку количества странствующих
ионов водорода. Можно провести аналогию между льдом и металлами с той лишь
разницей, что в металлах в межкристаллическом пространстве странствуют
электроны, а в межкристаллическом пространстве льда протоны. Для всех металлов
работа выхода электронов определена, а вот работу выхода протонов изо льда пока
никто не определял. Видно подходит время и этим заняться. Начнем с того, что
существует много признаков того, что разделение зарядов в атмосфере на льдинках
происходит эффективней, чем на каплях жидкой воды. По нашей теории это имеет
свое логическое объяснение. В структуре льда все отрицательные ионы
дополнительно связаны кристаллическими связями, что затрудняет их испарение или
выход из кристалла, а свободные (гуляющие в межкристаллическом пространстве)
протоны что во льду, что в жидкой воде примерно должны иметь близкую работу
выхода. Таким образом с поверхности льдинок испаряются почти одни протоны и
небольшое количество нейтральных молекул (белье сохнет и на морозе), а с
поверхности жидких капель испаряются как протоны так и отрицательные ионы, хотя
по количеству число протонов преобладает над количеством отрицательных ионов,
но эффективность разделения зарядов это снижает. То, что мы описали видимо
является одной из главных причин почему электрическое поле Земли зимой имеет
большую разность потенциалов, чем летом. И почему напряженность поля растет от
экватора к средним широтам. Здесь еще нужно не забывать о том, что молекулы
воды полярны и имеют большую диэлектрическую проницаемость. При понижении
температуры их ориентация относительно поля возрастает, что приводит к снижению
разности потенциалов поля при одинаковом заряде. Проведите аналогию с
простейшим конденсатором. Его емкость при других равных условиях, возрастает по
мере увеличения диэлектрической проницаемости диэлектрика, находящегося между
пластинами. Предположительно, данный эффект оказывает преобладающее
действие от средних широт к высоким, что
приводит к падению потенциала электрического поля Земли от средних широт к
высоким. В высоких широтах нет значимых восходящих потоков воздуха, что также
отрицательно сказывается на разделении зарядов. Таким образом от средних широт
к высоким электрическое поле просто обречено уменьшать разность потенциалов.
Теперь нам еще
нужно объяснить почему над океаном электрическое поле слабее, чем над
сушей. Здесь тоже очевидно решающую роль
играют восходящие потоки воздуха, которые как правило над сушей сильнее
развиты, чем над океаном. Давайте несколько слов скажем, как происходит разделение
зарядов в грозовой ячейке в восходящем потоке воздуха. Мы установили, что на
границе фаз газ-жидкость, твердая фаза- газ происходит разделение зарядов,
положительные заряды накапливаются в газовой фазе, жидкая и твердая фазы как
правило получают отрицательный заряд. Это доказано многочисленными
экспериментами и было уже известно до нас. Жидкая и твердая фаза в атмосфере
под действием гравитационных сил совершают падение по достижении определенных
размеров и уносят отрицательный заряд в нижнюю часть грозовой ячейки. Тогда как
положительный заряд, не связанный с крупными каплями, уносится восходящим потоком воздуха в верхнюю
часть облака.
Остановимся на
вопросе, заряжают ли молнии Землю, как это долго было принято считать?
Разряд не может что-либо заряжать, это противоречит самым
основам электрофизики, да и законам сохранения энергии. Вывод однозначный,
молнии Землю не заряжают отрицательным электричеством, а разряжают. Приведем
еще одно доказательство этого утверждения. Вот фотография молний, на ней по углу наклона боковых
ветвей с стволу можно однозначно определить направление движения зарядов в
молнии, оно от земли к облаку. А так как в воздухе возможен только электронный
пробой, других не зафиксировано, то мы можем сказать, в молнии отрицательный
заряд движется от земли к облакам. Хотя мы допускаем, что отдельные молнии
могут бить в землю при определенных условиях, но отдельные исключения не могут
отменить правило.
Таким образом, мы
утверждаем, что основным источником атмосферного электрического поля Земли
является процесс испарения воды, а вместе с этим и процесс испарения
положительных ионов водорода. При чем, скорее всего, испаряются не отдельные
ионы водорода, а ион гидроксония, то есть ион водорода связанный с молекулой
воды. Могут испаряться и более крупные конгломераты. Дополнительным
доказательством нашей точки зрения служат атмосферные осадки. Ученые однозначно
доказали, что водяные капли и льдинки в атмосфере всегда заряжаются
отрицательно, а окружающий воздух положительно. Вот цитата [1]:
Модель испарения. Идея генерации
заряда при испарении обсуждалась во второй
половине прошлого столетия Томсоном, Пельтье
и др. очень оживленно. Тогда же было
установлено экспериментально, что струя
водяного пара несет значительный
положительный заряд (Герасименко,
1976).
Электризация капель. По данным экспериментов,
проведенных в аэрозольной камере
Института экспериментальной метеорологии,
авторами сообщения (Гирс, Шварц, 1976)
было показано, что в камере, при образовании
адиабатического тумана, накапливался
некоторый положительный объемный заряд.
Анализ знака зарядов, образующихся в
камере капель, показал, что они имели отрицательный
заряд. Авторы пришли к выводу,
что рост капель на отрицательных зародышах
эффективнее, чем на положительных.
Конец цитаты.
Если капли влаги
в атмосфере всегда заряжаются отрицательно, то и осадки, падающие на землю
казалось бы всегда должны быть отрицательными, но осадки почти нейтральные, а
иногда могут приобретать как положительный заряд так и отрицательный. Как это объяснить?
Это объяснить очень
просто, отрицательные капли осадков, падая с высоты, проходят через облако
положительного заряда, который устремляется от земли в высь, нейтрализуются, а
при определенный условиях приобретают тот или иной избыточный заряд.
Наша химическая
теория электрического поля Земли во-первых, объясняет все накопленные на данный момент
многочисленные факты атмосферного электричества, и не один факт не вступает в
противоречие с нашей теорией. Во-вторых, и современные физические теории
атмосферного электричества почти вплотную подошли именно к
испарительно-конденсационной модели образования электрического поля Земли, то
есть эти теории по главным признакам совпадают с нашей. Ближе всех к решению
данной проблемы с физической точки зрения подошел выдающийся Российский ученый
доктор технических наук В.В.Кузнецов. Его взгляды, на 90% процентов совпадающие
с нашими, полно изложены в работах [1] и
[2].
Следует сказать, что
в верхних слоях атмосферы могут к созданию электрического поля Земли
прикладывать руку и другие силы, приводящие к разделению атмосферных
электрических зарядов. Например, поток солнечного ветра, наша теория вклад
подобных сил не отрицает, но все же основным источником электрического поля
Земли является именно разделение электрических зарядов при испарении и
конденсации воды. Без учета данного явления невозможно объяснить львиную долю
накопленных фактов проявления атмосферного электричества.
Первоисточники
1. Лекция №14. Атмосферное электрическое поле.
2. В.В.Кузнецов «Атмосферное электрическое поле: факты,
наблюдения, корреляции, модели»
3. Ерашов В.М. «Загадка земного электричества»
4. Ерашов В.М. «Электрическое поле Земли – от Фейнмана до сегодня»
28.08.2017г.
↧