Издательство «Альпина Паблишер» представляет книгу Натальи Голубевой «Воздух. Неожиданные факты о том, без чего нельзя прожить».
Ежедневно мы пропускаем через легкие до 40 килограммов воздуха. Мы сможем обойтись без него лишь несколько минут, но редко задумываемся, из чего состоит воздух и откуда он взялся. Что такое «чистый воздух» и можно ли дышать кожей? Почему нельзя сушить белье в квартире и использовать термальную воду в самолете? А как успокоиться при помощи дыхания? Спросите у профессионалов! Наталья Голубева работает с воздухом каждый день, она — инженер-проектировщик вентиляции. В своей книге она объясняет, откуда на Земле взялась атмосфера и из чего она состоит, как состав воздуха влияет на наше самочувствие, можно ли управлять погодой и для чего нужен углекислый газ. Это увлекательная книга-энциклопедия, полная удивительных фактов о воздухе и тех, кто им дышит. Прочитав ее, вы не только расширите кругозор, но и сможете улучшить качество жизни.
Предлагаем прочитать один из разделов книги.
Атмосферное электричество
Ветер — далеко не единственный способ добыть энергию из воздуха. В атмосферной прослойке газов циркулирует электрическая энергия и даже ток. Всё верно, атмосфера умеет вырабатывать энергию самостоятельно, это называется атмосферным электричеством. Сюда входят различные явления: ионизация, электрическое поле, электрические токи, электрическая проводимость в атмосфере, а также грозовые разряды, электрические заряды облаков и осадков. Изучением атмосферного электричества занимается физика атмосферы. Давайте мы тоже немного исследуем это явление.
У нашей планеты есть электрическое поле: в самой поверхности Земли, атмосфере и околоземном космическом пространстве. Остановимся на электрическом поле атмосферы. Принято считать, что его образуют погодные явления, которые сочетаются с электрическими зарядами: облака, грозы, осадки. Плохая погода — один из источников электрического поля атмосферы Земли. Однако при ясной погоде оно тоже существует — благодаря космическим и солнечным лучам, которые пронизывают атмосферу.
Для описания электрического поля атмосферы используется понятие «напряженность электрического поля» — E, измеряемое в вольтах на метр, В/м. Эта величина циклично изменяется ежедневно и ежегодно: летом Е уменьшается, зимой — растет; ночью она больше, чем днем. А еще напряженность уменьшается с высотой. Кроме того, показатель резко меняется при плохих метеорологических условиях: осадках, метелях, бурях и грозах.
Ионизация атмосферы. Предлагаю для начала повторить терминологию.
- ИОН — атом или молекула, имеющие положительный или отрицательный заряд, то есть такие, у которой не хватает или, наоборот, есть лишние электроны.
- ИОНИЗАЦИЯ — процесс образования ионов. От нейтрально заряженных атомов или молекул отрываются электроны и присоединяются к другим атомам или молекулам. Та частица, которая «потеряла» электрон, становится отрицательной (ион –), а та, что получила, — положительно заряженной (ион +).
Ионы — естественная часть окружающей нас среды. Ионизация происходит постоянно и повсюду: в твердых породах, воде и воздухе. Существуют различные источники ионизации атмосферы. На высоте до 1 км основная причина — радиоактивные вещества, которые запускают образование ионов. Это прежде всего выходы газа радона и антропогенные события, вроде ядерных испытаний, аварий на АЭС и т. п. Выше основным источником ионов становятся космические и солнечные лучи, попавшие в атмосферу. Ионизация увеличивается с высотой, что, помимо прочего, свидетельствует о том, что воздействие космоса гораздо мощнее, чем околоземные процессы.
Кстати, о радоне. По данным ВОЗ, этот газ — основная причина развития рака легких. Он образуется в процессе распада урана в грунте, почвах и горных породах. Высвобождаясь, радон распадается с образованием радиоактивных частиц. Если человек постоянно дышит таким воздухом, у него повреждаются клетки эпителия дыхательной системы, что может привести к развитию рака. Страдают от этого прежде всего шахтеры, особенно те, кто работает на урановых рудниках. Радон тяжелее воздуха, поэтому стелется по поверхности Земли и накапливается в низинах, на первых этажах помещений, цокольных этажах и в подвалах. Концентрация радона на открытом воздухе, как правило, мала, поэтому на улице его не стоит бояться.
В атмосфере, от неба к земле, течет слабый ток, который называется электрический ток проводимости. Верхняя часть атмосферы, где особенно активны космические лучи и сильна ионизация, имеет положительный заряд. Поверхность Земли несет отрицательный заряд. Из-за этой разницы положительно заряженные атмосферные ионы начинают двигаться сверху вниз, по вертикальным силовым линиям электрического поля.
Способность атмосферы проводить электрический ток называется электрической проводимостью. Она зависит от концентрации и подвижности ионов. Чем выше количество ионов в воздухе, тем выше проводимость. Например, она увеличивается во время грозы и в тучах.
А существует ли способ разглядеть атмосферное электричество собственными глазами? Да!
Один из эффектов атмосферного электричества на значительных высотах — полярное сияние. Солнце излучает не только свет, но и потоки заряженных частиц, называемых солнечным ветром. Когда он достигает Земли, то увлекается магнитным полем нашей планеты в полярные широты, где в верхних слоях атмосферы начинает взаимодействовать с газами. Это приводит к возбуждению атомов и молекул внутри этих газов, что визуально выглядит как свечение.
Самый распространенный и яркий цвет полярного сияния — зеленый. Он образуется из-за свечения атомарного кислорода на высоте 100 км. Красноватый оттенок вызывает ионизация атомарного кислорода на высоте 150 км. Фиолетовый цвет получается благодаря ионам молекулярного азота на высоте 80–90 км.
Полярное сияние бывает разных форм: в виде пятен, дуг, лучей, полос. Яркость и формы могут меняться. Если же небо светится спокойно и равномерно, такое явление называется тихим сиянием. Кстати, о тишине. В 2012 году финским ученым удалось доказать, что звук, сопровождающий полярное сияние, может быть услышан человеческим ухом. Он рождается при разрядке частиц, вызывающих сияние, и воспринимается как шипение, треск и тихие щелчки, похожие на звуки в неисправной розетке.
Еще одно эффектное проявление атмосферного электричества — молния. Световая вспышка, которая возникает из-за электрического разряда внутри грозового облака или между двумя тучами. Также может образовываться между облаком и поверхностью Земли. Молния, которая «прорастает» из облака и ударяет в землю, называется нисходящей. Она образуется между отрицательно заряженным облаком и положительно заряженной поверхностью Земли. Восходящая молния, наоборот, направлена снизу вверх и обычно бьет в положительно заряженное облако из несущих отрицательный заряд высоких объектов: зданий, столбов.
Я уже упоминала, что на Земле каждую секунду вспыхивает 100 молний. По цвету молнии можно определить свойства окружающего воздуха. Красная молния говорит о высокой влажности и дожде. С голубой молнией связан град, с желтой молнией — высокая концентрация пыли в атмосфере. Самая пожароопасная молния — белая, так как она случается в очень сухом воздухе. При попадании в землю такая молния вызывает возгорание и пожары.
Думаю, очевидно, что удары молний опасны. Если вы оказались во время грозы на улице, не укрывайтесь под одиноко стоящим деревом. Остерегайтесь высоких столбов, линий электропередачи, металлических остановок и предметов. Дело в том, что молния бьет в высокие объекты с хорошей проводимостью. Как насчет зонта с его металлическими спицами? Получить разряд в открытый зонт также возможно — особенно в чистом поле, на берегу водоема или на огромной и пустынной парковке крупного торгового центра.
От грозы безопаснее всего укрываться в зданиях, так как они оснащены молниезащитой. Молниеотвод, в прямом смысле этого слова, берет удар на себя и отводит его в землю. Также надежно защищает от молний автомобиль. Но есть одно условие: двери и окна должны быть закрыты. Закрытый автомобиль представляет собой заземленную «клетку Фарадея», которая экранирует электромагнитные поля. Металлическая оболочка распределяет электрический заряд по своей поверхности, поэтому электрическое поле внутри этой оболочки отсутствует. Яркий пример использования клетки Фарадея — молниезащита авиалайнеров. При попадании молнии в самолет она распределяется по корпусу, равномерно обтекая его. Молния будто скатывается с поверхности корпуса и не вредит воздушному судну.
Молнию сопровождает гром — звуковая волна, которая возникает из-за повышения давления на пути разряда. Замерив время между вспышкой молнии и громом, можно определить, на каком расстоянии от наблюдателя находится гроза. Скорость звука практически в миллион раз меньше скорости света и равна примерно 335 м/c. Если между вспышкой молнии и громом прошло 3 секунды, значит, вы в километре от грозы (3 × 335 = 1005 м).
Зарница — отдаленные вспышки молний на горизонте, при которых не слышно грома. Обычно наблюдаются в жаркое время года, вечером или ночью. Зарница может быть грозой, которая идет очень далеко от вас, или слабыми электрическими разрядами в грозовых тучах.
Шаровые молнии — светящиеся шары с большим электрическим зарядом, которые иногда внезапно появляются во время грозы, парят в воздухе, а потом исчезают. Их появление непредсказуемо, так что это одно из самых загадочных природных явлений. Ученые не могут исследовать этот феномен и потому до сих пор не нашли точной причины его возникновения. Часть исследователей считает, что шаровой молнии не существует вовсе, но очевидцы свидетельствуют об обратном.
Можно ли использовать атмосферное электричество в качестве альтернативного источника энергии? Пока официально этого сделать не удалось. Ученые и любители провели множество экспериментов, но эта область так и остается малоизученной. Сторонники заговоров утверждают, что энергию уже давно можно свободно получать из воздуха, но якобы этот факт тщательно скрывают топливные и энергетические компании. Пока доказательства того или иного не опубликованы в научных изданиях, я лично выбираю следить за развитием событий и наслаждаться красотой атмосферного электричества во время грозы. Главное — не делать это под одиноким сухим деревом в поле, договорились?