Ричард Фейнман - 5a. Электричество и магнетизм

• Название: 5a. Электричество и магнетизм
• Автор: Ричард Фейнман
• Жанр: Физика

---

Фиг. 9.4. Типичные характеристики элек­трических свойств чис­той атмосферы.

Раз он стекает на Землю, то должен же он как-то перекачиваться обратно? Долгое время это было одной из главных загадок атмосферного электричества.

Любая информация на этот счет может дать ключ к загадке или, по крайней мере, хоть что-то сообщить о ней. Вот одно интересное явление: если мы измеряем ток (а он, как мы знаем, устойчивее, чем градиент потенциала), скажем над морем, и при тщательном соблюдении предосторожностей, очень аккурат­но все усредняем и избавляемся от всяких ошибок, то мы обна­руживаем, что остаются все же какие-то суточные вариации. Среднее по многим измерениям над океанами обладает времен­ной вариацией примерно такой, какая показана на фиг. 9.5. Ток меняется приблизительно на ±15% и достигает наиболь­шего значения в 7 часов вечера по лондонскому времени. Самое странное здесь то, что, где бы вы ни измеряли ток — в Атланти­ческом ли океане, в Тихом ли или в Ледовитом, — его часы пик бывают тогда, когда часы в Лондоне показывают 7 вечера! По­всюду во всем мире ток достигает максимума в 19.00 по лондон­скому времени, а минимума — в 4.00 по тому же времени. Ины­ми словами, ток зависит от абсолютного земного времени, а не от местного времени в точке наблюдения.

Фиг. 9.5. Средняя су­точная вариация гради­ента потенциала атмос­феры в ясную погоду над океанами.

В одном отношении это все же не так уж странно; это вполне сходится с нашим пред­ставлением о том, что на самом верху имеется очень большая го­ризонтальная проводимость, которая и исключает местные изменения разности потенциалов между Землей и верхом. Любые изменения потенциала должны быть всемирными, и так оно и есть. Итак, теперь мы знаем, что напряжение «вверху» с изме­нением абсолютного земного времени то подымается, то падает на 15%.

§ 3. Происхождение токов в атмосфере

Теперь нужно ответить на вопрос об источнике больших отрицательных токов, которые должны течь от «верха» к земной поверхности, чтобы поддержать ее отрицательный заряд. Где же те батареи, которые это делают? «Батарея» показана на фиг. 9.6. Это гроза или вернее молнии. Оказывается, вспышки молний не «разряжают» той разности потенциалов, о которой мы говорили (и как могло бы на первый взгляд показаться). Молнии снабжают Землю отрицательным зарядом. Если мы увидали молнию, то можно поспорить на десять против одного, что она привела на Землю большое количество отрицательных зарядов. Именно грозы заряжают Землю в среднем током в 1800 а элект­ричества, которое затем разряжается в районах с хорошей по­годой.

На Земле каждые сутки гремит около 300 гроз. Их-то и мож­но считать теми батареями, которые накачивают электричество в верхние слои атмосферы и сохраняют разность потенциалов. А теперь учтите географию — полуденные грозы в Бразилии, тропические — в Африке и т. д. Ученые сделали оценки того, сколько молний ежесекундно бьет в Землю; нужно ли говорить, что их оценки более или менее согласуются с измерениями разности потенциалов: общая степень грозовой деятельности достигает на всей Земле максимума в 19.00 по лондонскому вре­мени. Однако оценки грозовой деятельности делать очень трудно; сделаны они были только после того, как стало известно, что та­кие вариации должны существовать. Трудность заключается в том, что в океанах, да и повсюду в мире не хватает наблюдений, их мало, чтобы точно установить число гроз. Но те ученые, ко­торые думают, что они «все учли правильно», уверяют, что мак­симум деятельности приходится на 19.00 по гринвичскому сред­нему времени.

Чтобы понять, как работают эти батареи, попробуем разоб­раться в грозе поглубже. Что происходит внутри грозы? Опишем грозу так, как ее сейчас представляют. Когда мы вникаем в не­обыкновенное явление природы (а не в эти столь изящно нами разобранные идеальные сферы из идеальных проводников, по­мещенных внутри других сфер), мы открываем, что не так уж много знаем.

Фиг. 9.6. Механизм, создающий электрическое поле атмосферы.

А это все очень интересно. Гроза не оставляет че­ловека равнодушным: она пугает его или восхищает; в общем возбуждает в нем какие-то чувства. А там, где в природе появ­ляются чувства, обычно сразу всплывает и сложность природы и ее таинственность. Нет никакой возможности точно описать, как происходит гроза, мы пока мало об этом знаем. Но мы все же попробуем немножко рассказать о том, что происходит.

§ 4. Грозы

1 Прежде всего следует сказать, что обычная гроза состоит из множества «ячеек», тесно примыкающих друг к другу, но почти независимых. Поэтому достаточно проанализировать одну из них. Под «ячейкой» мы подразумеваем область (имеющую в горизонтальном направлении ограниченную протяженность), в которой происходят все основные процессы. Обычно имеется несколько ячеек, расположенных одна возле другой, а в каждой из них творится примерно одно и то же, разве что с некоторым сдвигом во времени. На фиг. 9.7 в идеализированном виде представлена ячейка в начальный период грозы. Оказывается, что в воздухе в некотором месте и при некоторых условиях (мы их вскоре опишем) существует восходящий ток, все более убы­стряющийся по мере подъема. Теплый и влажный воздух снизу подымается, остывает и конденсирует влагу.

Фие. 9.7. Грозовая ячейка в ранней стадии развития.

Фиг. 9.8. Температура ат­мосферы.

а — статическая атмосфера; b — адиабатическое охлаждение сухого воздуха; с — адиабатическое охлаж­дение влажного воздуха; а — влаж­ный воздух с какой-то примесью окружающего воздуха.

На рисунке крести­ки означают снег, а точки — дождь, но поскольку восходящий ток довольно велик, а капельки очень малы, то на этой стадии ни снег, ни дождь не выпадают. Это начальная стадия, и пока это еще не настоящая гроза, в том смысле, что внизу вообще не видно, чтобы что-нибудь происходило. По мере того как теплый воздух подымается вверх, в ячейку прибывает воздух со всех сторон (весьма важное обстоятельство, которым долго пренеб­регали). Так что подымается не только тот воздух, который был внизу, но и какое-то количество другого воздуха — с разных сторон.

Отчего воздух вот так поднимается? Как вы знаете, наверху воздух прохладнее. Солнце нагревает почву, а водяной пар в верхних слоях атмосферы излучает тепло вверх; поэтому на больших высотах воздух холодный, а внизу теплый. Вы можете сказать: «Тогда все очень просто. Теплый воздух легче холод­ного; поэтому вся эта комбинация механически неустойчива, и теплый воздух поднимается». Конечно, если температура на разных высотах разная, то воздух действительно термоди­намически неустойчив. Предоставленный самому себе надолго, весь воздух примет одинаковую температуру. Но он не предо­ставлен самому себе; весь день светит солнце. Так что проблема касается не только термодинамического, но и механического равновесия. Пусть мы начертили, как на фиг. 9.8, кривую зави­симости температуры воздуха от высоты. В обычных условиях получается убывание по кривой типа а; по мере подъема темпе­ратура падает. Как же атмосфера может быть устойчивой? По­чему бы теплому воздуху просто не подняться к холодному? Ответ состоит в том, что если бы воздух начал подниматься, то давление в нем упало бы, и, рассматривая определенную пор­цию поднимающегося воздуха, мы бы увидели, что она адиаба­тически расширяется. (Тепло не уходило бы из нее и не приходило бы, потому что из-за огромных размеров не хватило бы вре­мени для больших передач тепла.) Итак, порция воздуха при подъеме охладится. Такой адиабатический процесс привел бы к такой зависимости температура — высота, как показано кривой b на

фиг. 9.8. Любой воздух, поднимающийся снизу, оказался бы холоднее, чем то место, куда он направляется. Так что теплому воздуху снизу нет резона идти вверх; если бы он всплыл, то остыл бы и стал холоднее того воздуха, который уже там есть; он оказался бы тяжелее этого воздуха, и ему бы захотелось сра­зу обратно вниз. В хороший, ясный денек, когда влажность невелика, устанавливается какая-то быстрота падения темпера­туры с высотой, и эта быстрота, вообще говоря, ниже «макси­мального устойчивого перепада», представляемого кривой b. Воздух находится в устойчивом механическом равновесии.

Но, с другой стороны, если мы возьмем воздушную ячейку, содержащую много водяных паров, то кривая ее адиабатичес­кого охлаждения будет совсем другой. При расширении и ох­лаждении этой ячейки водяной пар начнет конденсироваться, а при конденсации выделяется тепло. Поэтому влажный воздух остывает не так сильно, как сухой. Значит, когда воздух, влаж­ность которого выше средней, начнет подниматься, его темпе­ратура будет следовать кривой с на фиг. 9.8. Слегка охлаждаясь при подъеме, он все же окажется теплее окружающего его на этой высоте воздуха. Если имеется область теплого влажного воздуха и он почему-то начинает подниматься, то он все время будет оставаться легче и теплее окружающего воздуха и по-прежнему будет всплывать, пока не достигнет огромных высот. Вот тот механизм, который заставляет воздух в грозовой ячейке подниматься.