Электрические и плазменные явления в атмосфере (стр. 1 из 6)

Электрические и плазменные явления в атмосфере.

Строение земной атмосферы. Общие характеристики.

Состояние атмосферы определяется множеством физических факторов и процессов, химическим составом и преобразований веществ, синоптическими и климатическими характеристиками, процессами взаимодействия с внешними факторами и антропогенным взаимодействием.

Масса атмосферы составляет 5.2·10¹⁵т и практически неизменна и в основном состоит из газа. Удерживается эта газовая оболочка за счет гравитационного взаимодействия. До высоты 60 – 8 км от поверхности земли атмосфера находится в перемещенном состоянии и выполняется условие термодинамического равновесия, выше эти условия нарушаются. От поверхности Земли можно выделить основные слои атмосферы: тропосфера, тропопауза, стропосфера, стропопауза, мезосфера, мезопауза, ионосфера, термосфера, магнитосфера.

Магнитная сфера – внешний слой атмосферы, удерживается за счет взаимодействия с магнитным полем Земли.

Тропосфера занимает слой атмосферы до 10км.

В тропосфере температура убывает с высотой с градиентом 6.5 º/км. В тропосфере происходит основное преобразование солнечной энергии в кинетическую энергию молекул.

Распределение энергии спектра по λ

Солнечное излучение такое же, но есть линии фраунгофера, т.е. нет излучения в этой области.

λ_maxT=const, Т≈6000К – на поверхности Солнца.

Излучение Солнца нагревает поверхность Земли, через поверхность Земли нагревает тропосферу. Частично атмосфера нагревается за счет поглощения солнечного излучения. Тропосфера в основном состоит из N₂, O₂, Ar. 99,96% приходится на три газа. Все остольные газы составляют 0,04%. Атмосфера пронизана электрическим полем приблизительно 50км. Это электрическое поле приводит……….

E=100В/м – электрическое поле в атмосфере.

В результате возникает электрический ток с плотностью j=10^-12А/м².

Для существования такого электрического поля необходим заряд Земли q=10⁵Кл. это электрическое поле должно постоянно поддерживаться. При отсутствии ее – зарядка за 10 мин. Носителями заряда являются положительные и отрицательные ионы, которые классифицируются по массе и по их подвижности:

1. Легкие ионы: b≥10^-4м²/сВ – подвижность.

b – скорость, которую они приобретают в электрическом поле. Размер таких частиц – r ≤ 6.6 10^-8см.

2. Легкие промежуточные ионы: 10^-6м²/сВ≤b≤10^-4м²/сВ.

Раз мер – 6.6 10^-8≤r≤8 10⁸ см.

3. Тяжелые промежуточные ионы: 8 10^-8≤r≤2.5 10^-6 см.

4. Ионы Ланжевена: 2.5 10^-6≤r<5.7 10^-6 см.

5. Ультра тяжелые: r>5.7 10^-6 см.

Ионы в основном берутся в результате ионизации молекул атмосферы за счет солнечного или космического излучения.

λ – электропроводность (изменяется с высотой по экспоненциальному закону).

λ=λ₀exp(r-r₀)α

λ₀ – у поверхности Земли. r₀ – радиус Земли.

Экспоненциальная зависимость нарушается только до высоты 2 км.

α – характерный размер, который определяется как величина

α ^-1= 6.4км

Нарушение экспоненциальной зависимости объясняется наличием газотурбулентного течения, а также запыленностью.

Первая электронная модель атмосферы – модель Вильсона. Согласно этой модели поверхность Земли имеет отрицательный заряд, а атмосфера – положительный.

В таком случае имеется возможность рассматривать сферический конденсатор, через который протекает ток разрядки

I_р – ток разрядки.

Для поддержки разности потенциала электрического поля должен протекать ток зарядки I_з в обратном направлении

I_з – ток молнии (заряд между атмосферой и поверхностью Земли).

Грозовые облака у поверхности Земли носят отрицательный заряд и разряд молнии переносит отрицательный заряд на поверхность Земли. это равносильно тому, что внешняя оболочка атмосферы приобретает положительный заряд.

Для описания модели Вильсона используется уравнения Максвелла

λЕ – обусл. электропровод. атмосферы,

ρv – гидродинамическая скорость среды, т.е. электрический ток, возникающий за счет переноса ветром, т.е. скорость облака,

D_т – коэффициент турбулентной диффузии.

E – напряженность сферического конденсатора.

- сопротивление единичного столба атмосферы.

Из пропорции

λ=λ₀expα (r-r₀)

I_p=1000A – ток разрядки

φ_∞=278кВ

R_e∞=1.3·10⁷ Ом·м²

J=2·10^-12А/м².

Учитывая то, что J_p= J_з мы должны определить какие силы приводят к такому мощному J_з, работу сторонних источников.

Классификация газовых разрядов. Таундсовский пробой газа.

Электрический пробой газа – образование высоко ионизированного канала в межэлектродном пространстве, по которому протекает электрический заряд с одного электрода на другой.

Предположим, что с поверхности катода К эмитируют, т.е. вылетают с поверхности электроны концентрации n₀ в единицу времени. Тогда электрический ток еn₀=i – ток, протекает с поверхности К. Допустим, что 1 электрон на пути в 1см производит α ионизаций.

В электрическом поле электрон ускоряется и его кинетическая энергия увеличивается. Если на расстоянии равному длине свободного пробега электрон приобретает кинетическую энергию Е_к=φ ионизации атома, то при столкновении атом ионизируется.

Число ионизаций на пути dx=αdx. В этом случае dn=ndx.

Предположим 1) что объемной рекомбинацией можно принебречь,

2) скорость ионизации во всем объеме одинакова,

3) длина свободного пробега λ<<L.

Задача: Определить критические условия, при которых ток лавинообразно растет, т.е. это и есть условие пробоя.

α – первый потенциал Таундсена

Надо решить уравнение с граничными условиям

из интегрирования n=n₀e^αx.

Учитывая то, что n~i мы можем записать

i=i₀e^αx.

α играя роль параметра в экспоненте, определяющий темп ионизации атомов.

i=i₀e^αL – на расстоянии L между электродами.

Учтем следущее:

Сколько атомов ионизируется в межэлектродном пространстве

n=n₀e^αL-n₀=n^’ – концентрация атомов, которые ионизируются в межэлектродном пространстве.

Представим себе, что положительный ион, который образуется в межэлектродном пространстве двигается в сторону катода и соударяясь с ним выбивает 1 электрон. Не каждый ион может выбить электрон при соударении с катодом. Поэтому введем коэффициент γ – второй коэффициент Таундсена, который характеризует вероятность выбивания вторичного электрона ионом.

n₁ - концентрация электронов с учетом вторичной эмиссии.

γ≈ 10^-1¸10^-4 – вероятность.

В лучшем случае при столкновении 10 ионов выбивается 1 электрон.

n₁=n₀+γ(e^αL-1)

Если выполняется условие пробоя 1+γ=γе^αL, i₁→∞.

Частота ионизации и связь с первым коэффициентом Таундсена.

Частота ионизации – параметр, характеризующий скорость образования электронов.

f(ε) – функция распределения электронов по энергиям, т.е. в интервале (ε₁, ε+dε) будет количество электронов равное f(ε)dε.

Нормировка будет проведена следующим образом

ε≥I – чтобы осуществилась ионизация.

ε*≥I.

ε* - энергия электрона должна быть больше либо равна энергии ионизации атома или электрона, чтобы произошла ионизация.

,

σ_i – сечение ионизации.

- если пренебречь рекомбинацией.

.