Значение электрического поля земли: Электрическое поле Земли

Russian studies of atmospheric electricity in 2015–2018 | Mareev

ВВЕДЕНИЕ

В данной публикации сделан обзор результатов российских исследований в области атмосферного электричества в 2015–2018 гг. Атмосферное электричество было и остается одной из фундаментальных проблем физики атмосферы, привлекающих пристальное внимание в течение многих лет. В последние годы продолжают развиваться многие направления физики электричества хорошей погоды, процессов электризации облаков и формирования их электрической структуры, исследования взаимосвязи грозовой активности с другими опасными погодными явлениями. Экспериментальные исследования по изучению атмосферного электричества, проводимые в российских научных центрах, вносят существенный вклад в улучшение теоретических и численных моделей различных электрических процессов в атмосфере, а также моделей глобальной электрической цепи. Получены новые данные в области физики молний, включая новые результаты о строении лидерных и стримерных разрядов. Много внимания уделяется исследованию высокоэнергичных процессов, таким, как вспышки рентгеновского и гамма излучения во время грозы. Продолжаются исследования молниевой активности из космоса с помощью предназначенных для этого микроспутников. Следует особо отметить большое внимание, которое уделялось лабораторному исследованию атмосферных разрядов различных типов. Более подробно основные результаты по каждому из направлений приведены в соответствующих разделах настоящей статьи.

1. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО ХОРОШЕЙ ПОГОДЫ

В 2015–2018 гг. в России продолжалось активное изучение электричества хорошей погоды. Проявляется повышенный интерес к процессам, происходящим в конвективном атмосферном пограничном слое, что обусловлено необходимостью фундаментальных исследований формирования облачности, электрических эффектов, связанных с промышленными и природными аэрозолями. Длительные наблюдения атмосферного электрического поля позволяют выявить основные особенности суточных и сезонных вариаций [1], исследовать влияние конвекции на электрическую проводимость в приземном слое [2], оценить влияние аэрозольного и радиоактивного загрязнений атмосферы [3], экспериментально исследовать изменчивость вертикальных атмосферных электрических токов в приземном слое [4].

По результатам анализа данных длительных наблюдений атмосферного электрического поля в г. Якутске, установлено, что суточный ход имеет два максимума в весенние, летние и осенние месяцы, при этом в зимние месяцы суточный ход имеет один максимум и один минимум. Сезонный ход среднемесячных значений напряженности поля имеет максимумы в весенние и осенние месяцы и минимумы, которые приходятся на летние и зимние месяцы. В вариациях среднемесячных значений напряженности электрического поля за пятилетний период наблюдается тенденция к уменьшению амплитуды сезонных вариаций напряженности поля и общих значений величины напряженности поля [1].

На основе данных мониторинга электрических величин приземного слоя атмосферы, проведенных в г. Томск в 2006–2017 гг., исследованы их медленные вариации, связанные с прохождением кучево-дождевых облаков и сопутствующих атмосферных явлений в теплый и холодный периоды года. Проведен статистический анализ медленных вариаций градиента потенциала электрического поля. Показано, что распределение общей длительности медленных вариаций градиента потенциала описывается степенным распределением, причем полученное распределение в теплый период года аппроксимируется двумя участками, а в холодный период — одним [5].

В работе [6] с использованием результатов натурных наблюдений выявлены закономерности суточной динамики скейлинговых и энергетических характеристик аэроэлектрического поля при различных состояниях приземной атмосферы. Показано, что короткопериодные аэроэлектрические пульсации в диапазоне частот Δf = 0.001–1 Гц обладают свойством самоподобия и фрактальной размерностью D = 1.1–1.8. Обнаружены участки с перемежаемостью на временных интервалах, характеризующихся сменой стратификации атмосферного пограничного слоя. Показано, что перемежаемость аэроэлектрического поля характеризуется мультифрактальностью с шириной спектра, существенно отличной от нуля, негауссовостью распределения приращений поля, изменением показателей спектральной плотности от –2. 3 до –4 для Δf = 0.01–1 Гц.

Проведены исследования влияния солнечной активности на вариации электрического поля в приземном слое атмосферы. На основании атмосферно-электрических наблюдений в высокогорных условиях Приэльбрусья установлено проявление форбуш-эффекта в вариациях электрического поля. Исследована связь электрического поля с солнечной и геомагнитной активностью [7].

Большое внимание уделяется разработке теоретических и численных моделей формирования структуры электродного слоя в приземной атмосфере, в частности, влияния аэрозолей и конвекции на проводимость приземного слоя. В работе [8] на основании анализа результатов натурных наблюдений и численного моделирования установлено, что развитие конвекции в атмосферном пограничном слое приводит к уменьшению электрической проводимости вблизи поверхности земли. Показано, что связанное с конвекцией усиление генерации турбулентности, сопровождающееся увеличением турбулентной кинетической энергии и дисперсии флуктуаций вертикальной скорости, способствует более интенсивному вертикальному перемешиванию радона и радиоактивных дочерних продуктов. Выполнены оценки вариабельности электрической проводимости и напряженности аэроэлектрического поля, определяемых эмиссией радона, ионизацией воздуха, разделением зарядов на неоднородностях электрической проводимости, турбулентным транспортом радиоактивных элементов и объемных электрических зарядов [2].

В работах [9–11] рассмотрена электродинамическая модель горизонтально-однородного свободного от аэрозоля приземного слоя, состоящая из уравнений баланса для положительных и отрицательных легких ионов (аэроионов) и уравнения Пуассона. Получены аналитические выражения для стационарных распределений концентраций аэроионов, электрического поля и плотности электрического заряда в приближениях классического и турбулентного электродного эффекта [9]. Установлено, что высота классического электродного слоя в свободной от аэрозоля атмосфере составляет около 10 м, а его структура в основном определяется электрическим полем. При усилении электрического поля высота электродного слоя и, следовательно, масштаб распределения электрических величин увеличиваются. При переходе к турбулентному режиму в приземной атмосфере высота электродного слоя увеличивается и достигает нескольких десятков метров [10]. Высота турбулентного электродного слоя определяется как электрическим полем, так и степенью турбулентного перемешивания. Усиление внешнего электрического поля ослабляет влияние турбулентности. Получены распределения электрических характеристик приземного слоя в зависимости от значений концентрации аэрозольных частиц в атмосфере и степени турбулентного перемешивания [11].

2. ГЛОБАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ

Концепция глобальной электрической цепи (ГЭЦ) играет фундаментальную роль в исследованиях атмосферного электричества, поскольку она объединяет все электрические процессы, происходящие в атмосфере, в единую концепцию. В последние годы интерес к изучению ГЭЦ постепенно увеличивается.Большое внимание в настоящее время уделяется численному моделированию ГЭЦ. Обычно входные данные моделей ГЭЦ состоят из распределений проводимости и плотности тока источника (представляющих разделение зарядов внутри грозы и электрифицированных ливневых облаков), поэтому параметризация этих величин является наиболее важной частью каждой модели ГЭЦ. В [12] была предложена новая параметризация проводимости на разных стадиях солнечного цикла, которая использовалась для оценки изменения параметров ГЭЦ из-за крупномасштабных изменений проводимости, связанных с солнечной активностью. Задача параметризации тока источника, соответствующего электрифицированным облакам разных типов, была рассмотрена в [13], а в [14] была предпринята попытка ввести дополнительные токи источника сейсмической природы. Проблема согласования теоретических предсказаний параметров ГЭЦ с наблюдениями обсуждалась в [15].

Гораздо более общие проблемы, касающиеся уравнений ГЭЦ, в которых используются ионосферные генераторы и анизотропная проводимость, были проанализированы с математической точки зрения в [16]. Авторы показали, что как квазистационарные, так и стационарные задачи, описывающие ГЭЦ с различными граничными условиями, корректны и удобны для реализации в численных моделях. Дальнейший анализ различных граничных условий на верхней границе атмосферы был проведен в [17], наряду с оценками возмущений, вызванных грозой в ее точке магнитного сопряжения. В [18] рассматривалась реализация грозовых напряжений в численных моделях ГЭЦ, что особенно важно для задачи теоретического объяснения изменения ГЭЦ в масштабе 11-летних солнечных циклов [12]. Роль орографии Земли в анализе ГЭЦ обсуждалась в [19].

Другим важным направлением исследований является взаимодействие ГЭЦ с ионосферными и литосферными процессами. Проникновение нестационарных ионосферных электрических полей в нижнюю атмосферу было проанализировано в [20]. Связанная с этим проблема моделирования проникновения электрического поля из земли в ионосферу была рассмотрена в [21, 22]. Электрические поля на ионосферных высотах, создаваемые грозовыми генераторами, были оценены в [23]. Проблема взаимодействия литосферы и ионосферы, особенно в контексте землетрясений, была проанализирована и обсуждена в [24, 25].

3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ОБЛАКАХ

Описание, моделирование и наблюдения электрических процессов в облаках являются важной составляющей исследований атмосферного электричества. Изучение электрических процессов в облаках охватывает широкий спектр задач, включающих теоретическое и экспериментальное исследование возникновения и эволюции конвективных систем, моделирование и прогноз развития грозовых облаков, поиск корреляций между регистрируемыми метеорологическими данными и наблюдаемой молниевой активностью.

Прогноз грозовых событий с помощью численных мезомасштабных моделей является одним из наиболее важных практических приложений моделирования электрических процессов в облаках. В работе [26] представлены статистические оценки 26 индексов неустойчивости атмосферы, широко используемых в мировой практике для прогноза грозовой активности, а также предложен новый индекс прогноза грозы с учетом вертикальной составляющей скорости ветра. В работе [27] также рассмотрены современные методы прогноза гроз с использованием численных моделей. Проведенный в цитируемой работе анализ возможности применения индекса молниевой активности LPI для прогноза возникновения молниевых вспышек показал ряд недостатков, которые приводят к ухудшению достоверности прогноза при использовании косвенных индексов, вследствие чего был предложен новый алгоритм предсказания молниевой активности, основанный на прямом расчете электрического поля. Характерные значения электрических параметров, полученные с использованием разработанной параметризации, показали хорошую корреляцию с данными натурных измерений электрического поля и потенциалов в грозовых облаках. В работе [28] представлены результаты исследования мощного грозового события 1–2 июня 2015 г. на территории Нижегородской области с помощью численной модели WRF и разработанной в [27] параметризации электрических процессов. Показаны хорошее совпадение результатов моделирования радиолокационной отражаемости с данными метеорологического радиолокатора и соответствие рассчитанных электрических параметров данным разнесенного приема и регистрации электрических полей. В работе [29] представлена модель электризации кучево-дождевых облаков, использующая результаты прогноза с помощью численной мезомасштабной модели WRF-ARW в качестве входных данных и позволяющая прогнозировать параметры электрического поля в атмосфере, и проведено сравнение результатов прогноза с наблюдаемыми грозовыми очагами. При помощи численного моделирования также проведено исследование влияния гроз в бассейне Черного моря на химический состав атмосферы [30]. Установлено, что изменения поля температуры, связанные с грозовой активностью, выше в континентальной части региона, чем над водной поверхностью. В работе [31] представлены результаты моделирования влияния аэрозольного загрязнения воздуха на мощное конвективное облако, его электрическую структуру и осадки. Продемонстрировано влияние аэрозольных примесей на динамические, микрофизические и электрические характеристики облака. Показано, что общее число ледяных кристаллов и градовых зародышей резко увеличивается (примерно в 5 и 2 раза соответственно), максимальная интенсивность ливня увеличивается в 1.4 раза, а сумма осадков — в 1.8 раза. Увеличенная концентрация естественного аэрозоля с льдообразующими свойствами изменяет пространственное распределение зарядов в облаке и создает инверсную электрическую структуру.

Особый интерес в рамках проблемы электризации облаков представляет экспериментальное и теоретическое изучение процессов электризации в интенсивных потоках пыли, песка или снега, в том числе эффектов, связанных с турбулентным перемешиванием частиц. Для проведения экспериментальных измерений флуктуаций электрического тока сальтации и концентрации сальтирующих песчинок, а также турбулентных пульсаций скорости ветра, был создан аппаратурный комплекс, позволивший выполнить синхронные измерения указанных параметров на опустыненной территории в Калмыкии [32]. Данные измерения позволили впервые получить распределение удельного заряда сальтирующих песчинок — при среднем значении 48.5 мкКл/кг удельный заряд менялся от 10 до 150 мкКл/кг. Также были установлены закономерности трансформации статистических характеристик вариаций таких параметров, как скорость ветра, концентрация песчинок, плотность электрического тока сальтации, обусловленной нелинейными процессами в ветропесчаном потоке. Выполненная в работе [33]скоростная видеосъемка ветропесчаного потока позволила обнаружить квазигоризонтальные траектории песчинок в нижнем миллиметровом слое сальтации, на основе чего была предложена модель профиля ветра для условий стационарной сальтации.

Кроме того, в 2017–2018 гг. большое внимание было уделено изучению влияния турбулентности на процессы электризации частиц в атмосфере. В работе [34] проведено теоретическое исследование вклада турбулентности в электризацию грозовых облаков, метелей и пылевых бурь, и предложена модель генерации крупномасштабного электрического поля в слабопроводящей среде, содержащей два типа частиц, заряжающихся при соударениях. Обнаружено, что влияние турбулентности существенно отличается в случае индукционного и безындукционного механизмов разделения зарядов. Однако при обоих механизмах турбулентность инициирует дополнительный рост крупномасштабного электрического поля в рассмотренных системах, что является существенным эффектом особенно в случае электрического поля, близкого к пробойному значению. Работы [35, 36] посвящены более детальному исследованию влиянию турбулентности на электризацию грозовых облаков. Выполненные в данных работах аналитические оценки возмущений электрических параметров грозового облака, обусловленных турбулентными эффектами, при различных характеристиках турбулентности и гидрометеоров были использованы для совершенствования параметризации электрических процессов и численного моделирования грозовых событий. Детальное сравнение результатов численного моделирования грозовых событий без учета и с учетом турбулентных эффектов позволило выявить ряд характерных особенностей в изменении распределений электрических параметров грозового облака.

4. ФИЗИКА МОЛНИЙ

В последние годы в России проводились активные экспериментальные и теоретические исследования в области физики молнии. Так, на площадке Комплексного высоковольтного стенда ВНИЦ ВЭИ (г. Истра) продолжались эксперименты по инициации восходящих и нисходящих лидеров при развитии длинной искры с использованием высоковольтного генератора импульсных напряжений, а также с помощью искусственного заряженного облака водного аэрозоля [37]. С помощью уникального высоковольтного оборудования (генератор импульсных напряжений до 6 МВ) и скоростной камеры с экспозицией от 0.2 нс впервые получены детальные изображения стримерных вспышек скачков положительного и отрицательного лидеров длинной искры [38]. Обнаружено сходство формы и структуры стримерных вспышек лидеров обеих полярностей в противоположность существовавшему доныне представлению об их различии. Обнаружена схожесть формы канала скачка положительного лидера с каналами длинных стримеров, что позволило выдвинуть гипотезу о формировании скачка положительного лидера в канале стримера, в отличие от скачка отрицательного лидера, формируемого в процессе роста пространственного лидера [39]. Также впервые были получены детальные оптические и ИК изображения области контакта положительного и отрицательного лидеров и сквозной фазы на основе модельных экспериментов с использованием отрицательного заряженного облака. Установлено, что скорости положительных и отрицательных лидеров внутри общей стримерной зоны совпадают и увеличиваются с ростом силы тока. Полученные результаты важны для решения фундаментальных проблем динамики главной стадии молнии [40]. В работе [41] впервые продемонстрирована возможность инициирования электрических разрядов арбалетным болтом (снарядом), движущимся в электрическом поле облака отрицательно заряженных капель воды.

В работах [42–45] приводятся результаты экспериментальных исследований формирования восходящих лидеров с моделей молниеотводов и защищаемых объектов при воздействии искусственного грозового облака отрицательной полярности. Выявлены два варианта развития восходящего лидера: непрерывный и с остановкой в промежутке. Установлено, что среднее значение тока восходящего лидера для случая непрерывного развития лидера в промежутке в 1.4 раза больше, чем для случая, где имеет место остановка лидера. Найдено, что встречный нисходящий лидер из искусственного грозового облака в целом отклоняется от вертикали больше, чем восходящий лидер с модели молниеотвода или объекта [42]. Показано существенное влияние формы и размеров моделей молниеотводов и объектов на вероятность их поражения разрядом из облака. Определены оптимальные размеры стержневых и тросовых молниеотводов, обеспечивающие опережающий старт с них восходящих лидеров по сравнению с формированием восходящих лидеров с защищаемых объектов. Анализ некоторых экспериментальных данных показал, что высокие частоты (до нескольких сотен МГц) в спектре сигналов, регистрируемых антеннами, проявляются в случаях, когда мощная стримерная корона формируется с части канала главного разряда вблизи границ заряженного и часто соответствуют облачной части формирования разряда [43]. Экспериментально показано, что группы крупных гидрометеоров различной формы значительно увеличивают вероятность инициирования канального разряда между искусственной грозовой ячейкой и землей, особенно при положительной полярности облака [44, 45]. Полученные результаты могут быть использованы при разработке метода целенаправленного искусственного инициирования молнии между грозовым облаком и землей.

Также активно обсуждаются фундаментальные проблемы физики молнии и последние достижения инструментальной (прежде всего спутниковой) регистрации разрядных явлений в атмосфере [46]. Формирование в грозовом облаке плазменных образований с параметрами, необходимыми для зарождения и развития молниевого разряда, рассматривается как индуцированный электростатическим шумом неравновесный фазовый переход [47]. В рамках новой трехмерной модели развития молнии, включающей двунаправленное распространение разряда, его динамическое вероятностное ветвление и возможность одновременного роста и/или распада периферийных ветвей, а также впервые учитывающей эволюцию проводимости, продольного электрического поля и тока разрядных каналов, продемонстрировано доминирующее влияние нижнего слоя положительного заряда на типологию и динамику молниевого разряда в грозовом облаке [48].

Впервые предложена последовательная теоретическая модель, способная объяснить близкие к логнормальным распределения пиковых токов в молниевых разрядах облако–земля, наблюдаемые при измерениях токов естественных и триггерных молний [49]. Согласно модели, распределения пиковых токов первых и последующих компонент молниевых вспышек не являются строго логнормальными, но близки к таковым в определенном диапазоне значений. В области экстремально больших пиковых токов (порядка и более 100 кА) распределение может существенно отличаться от логнормального, что важно учитывать при решении задач молниезащиты.

Особое внимание уделено исследованию такого относительно недавно открытого явления, как компактный внутриоблачный разряд в грозовом облаке. В работе [50] развивается гипотеза, согласно которой компактный внутриоблачный разряд является следствием развития лавин релятивистских убегающих электронов высоких энергий, инициируемых широким атмосферным ливнем, и пробоя на убегающих электронах. Проведено численное моделирование развития положительного стримера вокруг капель заряженной воды при атмосферном давлении, типичном для высоты грозового облака и на различных фоновых полях, размерах капель и зарядах [51].

В работах [52, 53] предложена новая фрактальная модель компактного внутриоблачного разряда, рассматривающая его как результат взаимодействия двух (или более) биполярных стримерных структур, формирующихся в сильном крупномасштабном электрическом поле грозового облака. Показано, что одиночная биполярная стримерная структура по мере своего развития накапливает вблизи своих концов значительные электрические заряды разного знака. Исследованы особенности электромагнитного излучения компактного внутриоблачного разряда в рамках предложенной модели. Показано, что высокочастотное излучение на предварительной стадии компактного разряда пренебрежимо мало по сравнению с излучением на основной стадии. Также установлено, что на предварительной стадии разряда всплеск высокочастотного излучения хорошо коррелирует с максимумом импульса низкочастотного электрического поля, а спектр высокочастотного излучения имеет степенной вид с показателем, лежащем в интервале от –2 до –1.

Схема природных пожаров климатической модели Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН (КМ ИФА РАН) расширена учетом влияния молниевой активности и плотности населения на частоту возгораний и подавление пожаров [54]. С использованием КМ ИФА РАН проведены численные эксперименты в соответствии с условиями проекта сравнения климатических моделей CMIP5 (Coupled Models Intercomparison Project, phase 5). Частота молниевых вспышек задавалась в соответствии со спутниковыми данными LIS/OTD. В результате проведенных расчетов оказалось, что доминирующую роль в возникновении природных пожаров играют антропогенные возгорания, за исключением регионов субполярных широт и в меньшей степени тропических и субтропических регионов. Учет связи числа пожаров с молниевой активностью и плотностью населения в модели усиливает влияние характеристик природных пожаров на изменения климата в тропиках и субтропиках по сравнению с версией КМ ИФА РАН без учета влияния источников возгорания на крупномасштабные характеристики природных пожаров.

5. ВЫСОТНЫЕ РАЗРЯДЫ

Исследование высотных разрядов российскими учеными продолжается достаточно активно. Проводятся спутниковые наблюдения, лабораторное и численное моделирование.Изучению вопросов инициации спрайтов посвящена работа [55]. Сферическая плазменная неоднородность, находящаяся на мезосферных высотах в квазиэлектростатическом поле грозовой тучи, рассматривается в качестве возможной причины образования спрайта. В предположении, что проводимость плазменного образования контролируется процессами ударной ионизации и прилипания электронов к нейтральным молекулам, развивается простая полуаналитическая модель ионизационной неустойчивости в квазиэлектростатическом поле. В работе [56] предложена численная радиально-симметричная самосогласованная модель спрайта на высотах от 60 до 90 км. Проведен анализ возмущения концентрации ионов, электронов, нейтральных частиц и интенсивности эмиссии фотонов на высотах мезосферы для спрайта в ночных условиях. Показано, что вследствие быстрого вытеснения электрического поля в верхней части диффузной области спрайта наблюдается тороидальная структура электрического поля и излучения спрайта. На высотах 83–87 км происходит уменьшение концентрации электронов, связанное с возрастанием роли диссоциативного прилипания к молекулярному кислороду, что существенно уменьшает проводимость на этих высотах. В работе [57] рассмотрено влияние грозовой активности на плазмохимические процессы в воздухе на высотах 95–100 км. Показано, что электрические поля облаков, заряженных униполярно после разрядов молнии, приводят к возрастанию концентрации электронов на этих высотах, что должно приводить к заметному увеличению ошибок позиционирования глобальных спутниковых систем.

Серия статей посвящена выводу на орбиту микроспутника «Чибис-М»: разработано универсальное транспортно-пусковое устройство для запуска микроспутников с массой 40–50 кг; впервые отработана схема увеличения высоты орбиты грузового корабля «Прогресс» для вывода микроспутников на орбиту после выполнения им основной задачи — доставки грузов на МКС, что обеспечило значительный экономический эффект; разработан полнофункциональный МС-комплекс; отработаны циклы его испытаний и схемы управления полетом космического аппарата [58–60]. Перспективы изучения при помощи спутников низкочастотных электромагнитных полей, генерируемых как обычными молниями в тропосфере, так и стратосферными и мезосферными электрическими разрядами типа спрайт и голубой джетанализируются в [61], определяются уровни чувствительности приборов, необходимых для регистрации различных эффектов воздействия разрядов на атмосферу. Результаты наблюдений, полученные со спутника «Вернов», в сравнении с данными со спутников «Университетский-Татьяна-1.2» анализируются в [62].

Лабораторное моделирование высотных разрядов проводится двумя российскими группами. В Институте прикладной физики РАН создана установка для экспериментального исследования высоковольтных разрядов в газе с градиентом давления [63], показана возможность моделирования спрайтов и джетов в градиенте давления в импульсном режиме на большой плазменной установке. Возможность применения для моделирования высотных разрядов с помощью так называемого «апокампического» разряда обсуждается в ряде работ [64, 65].

6. ВЫСОКОЭНЕРГИЧНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ

Изучение высокоэнергичных явлений в атмосфере Земли — молодой и стремительно развивающийся раздел атмосферной физики, тесно связанный с исследованием высотных разрядов. Феномены возникновения потоков энергичных элементарных частиц в грозовых облаках делятся на два класса, соотношение и взаимосвязь которых остается дискуссионным вопросом: гамма-вспышки земного происхождения (terrestrial gamma-ray flashes, TGF) и приземные грозовые увеличения потока энергичных частиц (thunderstorm ground enhancements, TGE).

Для получения дополнительных сведений о TGF научным коллективом ИЯФ РАН и ИКИ РАН применен комплекс аппаратуры РЭЛЕК на спутнике «Вернов». Обработка данных со спутника «Вернов» привела к составлению каталога всплесков гамма-излучения земного происхождения, опубликованного в [66]. TGF, входящие в каталог, имеют характерную длительность ~400 мкс, за которые фиксируются 10–40 гамма-квантов. Для каждого гамма-всплеска приводятся временные профили, спектральные характеристики и географическое положение, а также результат сопоставления с показаниями других приборов, установленных на спутнике «Вернов». Обсуждается кандидат в гамма-всплески земного происхождения, зарегистрированный в приполярной области над Антарктидой.

Развитие методов обработки данных об энергичных событиях в земной атмосфере отражено в публикации [67], где изложены результаты комплексного исследования архивных наблюдательных данных гамма-спектрометра SPI, накопленных за 7 лет работы обсерватории INTEGRAL. Отдельно обсуждены проблемы обработки массивов натурных данных, в том числе алгоритма поиска и методики автоматической классификации обнаруженных событий (гамма-вспышек как земного, так и космического происхождения) на основе комплекса критериев.

В работе [68] сопоставлено расположение географических областей избытка/дефицита TGF с расположением областей повышенной концентрации тропосферных примесей. В качестве меры загрязнения тропосферы были использованы данные инструмента OMI (KNMI/NASA) о содержании диоксида азота NO2 в тропосфере. Показано, что содержание NO2 в «зонах дефицита» TGF вдвое превышает соответствующее значение в «зонах избытка» TGF. Дополнительный анализ распределения концентрации NO2 вокруг локаций TGF с высоким пространственным разрешением на основе радиоданных WWLLN (World Wide Lightning Location Network) показал отсутствие особенностей в распределении NO2 на масштабе десятков километров, характерных для городских агломераций.

Состояние мировых исследований в области потоков энергичных частиц (TGEs), зарождающихся в грозовых облаках и регистрируемых наземными детекторами, определяется деятельностью, ведущейся на исследовательской станции Арагац. Огромный массив наблюдательных данных об энергичных атмосферных явлениях проанализирован в работах [69–72], краткие результаты которых состоят в следующем. Показано, что почти всегда TGE прерывается после молниевой вспышки, произошедшей в том же грозовом облаке. Анализ спектра регистрируемых наземными детекторами частиц показал, что сразу после молниевой вспышки исчезает высокоэнергичная часть TGE. Уменьшение плотности потока энергичных частиц от грозового облака на масштабе миллисекунд совпадает с молниевой вспышкой [71].

Ключевой вопрос атмосферной физики — проблема инициации молниевого разряда — подпитан новыми свидетельствами, полученными из наблюдений TGE. Временное разрешение использованной аппаратуры позволило связать динамику потока энергичных частиц с перераспределения зарядов внутри грозового облака. В работе [70] на основе рассмотрения в рамках модели лавин релятивистских убегающих электронов утверждается, что развитие события TGE в грозовом облаке благоприятствует инициации отрицательного молниевого разряда типа «облако–земля». Теоретические аспекты физики потоков энергичных частиц от грозовых облаков рассмотрены в работе [72], где утверждается достаточность для объяснения наблюдательных данных модели лавин релятивистских убегающих электронов без предложенного Двайером механизма релятивистской обратной связи.

Многолетний цикл экспериментальных работ по исследованию вариаций вторичных частиц космических лучей во время гроз, проводимых на установке «Ковер» БНО ИЯИ РАН, обеспечил основания предположить возможность протекания в атмосфере электрического пробоя на убегающих электронах в припороговом режиме [73, 74]. Пробой характеризуется наличием электрического поля в стратосфере с разностью потенциалов ~100 МВ [74]; в поле лавинообразно размножаются убегающие электроны, генерирующие гамма-кванты с энергией до 30 МэВ. Более известным аналогом предполагаемого разряда является тлеющий разряд несамостоятельного типа. В [73] рассматривается переход разряда в самостоятельное состояние путем «циклической генерации» тормозных фотонов. Область пробоя обсуждаемого типа, с большей вероятностью образующаяся в стратосфере между верхним зарядом грозового облака и ионосферой, должна сопровождаться свечением и возмущать электрическое и магнитное поле с характерным временем в несколько минут, что положено в основу принципа обнаружения разряда по данным измерений. Установлена корреляция продолжительного непрерывного свечения грозовых облаков с аномальным возмущением вторичных частиц космических лучей, регистрируемых на уровне земли. Описан случай прерывания глобальных микропульсаций геомагнитного поля в результате медленно протекающего пробоя стратосферы на убегающих электронах в припороговом режиме [73]. Зарегистрировано взаимодействие грозового фронта с высыпанием протонов в атмосферу из радиационного пояса Земли, вследствие сейсмической активности, отдельно обсуждено влияние сейсмической активности на свечение ночного неба [74].

Измерения приземных потоков энергичных частиц, производимые на станции Тянь-Шань, привели к получению новых сведений о широких атмосферных ливнях и энергичном излучении молниевых разрядов [75–77]. Изучен энергетический спектр частиц широкого атмосферного ливня в диапазоне 1014–1017 эВ. Показано, что высокоэнергичное излучение молниевого разряда наблюдается в течение 10 с  после вспышки; одновременно обнаружены гамма-излучение, энергичные электроны и нейтроны [76]. Получены временные ряды порожденного атмосферными разрядами потока нейтронов с помощью детекторов, расположенных на поверхности, а также — под землей [75, 77]. Существенная часть нейтронов излучается в короткий промежуток времени сразу после разряда (200–400 мкс). Величина временного промежутка позволяет предположить, что нейтроны в основном генерируются в плотной среде (предположительно в почве). Наблюдения на высокогорной станции Тянь-Шань позволили одновременно зарегистрировать излучение в радиочастотном (0.1–30 МГц), инфракрасном (610–800 нм), ультрафиолетовом (240–380 нм) и мягком рентгеновском (0.1–4 МэВ) диапазонах [77]. Следующим шагом в исследовании грозовых процессов на станции Тянь-Шань стала регистрация оптического, радио- и гамма-излучения, испущенного во время яркой стадии молниевого разряда. В течение сезона 2016 г. было зарегистрировано несколько сотен всплесков оптического излучения, обусловленных ночными молниями ~30 грозовых событий, на расстоянии 3–10 км от источника. Продемонстрирована важность наблюдения молниевых разрядов в широком диапазоне энергий для проверки и сравнения следствий различных теоретических моделей атмосферных разрядов, особый интерес среди которых представляет так называемый «темный разряд» («темная молния»), предположение о существовании которого основано на модели лавин релятивистских убегающих электронов. Детальное выяснение взаимосвязи потоков энергичных частиц и молниевых разрядов, а также возможных условий развития «темного разряда» — направление будущих исследований, опирающихся на ансамбль данных об энергичных событиях, который продолжает пополняться благодаря наблюдениям на высокогорных станциях Арагац и Тянь-Шань.

Обогащают набор данных об энергичных событиях в атмосфере также и наблюдения усиленных электрическим полем грозовых облаков потоков нейтронов — одной из основных компонент вторичных космических лучей. Получены предварительные результаты исследований с помощью созданного в ИКФИА СО РАН комплекса приборов для синхронной регистрации вариаций потока нейтронов, напряженности электрического поля и электромагнитного излучения во время грозовых разрядов [78]. Интенсивность потока нейтронов во время ближних молний в окрестности г. Якутска измеряется с помощью счетчиков СНМ-15 (в свинцовой оболочке и без нее) с разрешением в 10 мкс. Проанализированы вариации напряженности электрического поля и нейтронов во время метелей в заполярном Тикси, в которых наблюдались мощные снеговые заряды с сильными ветрами со скоростями до 60 м с–1. Показано, что при рассматриваемых событиях напряженность электрического поля может менять направление на противоположное, достигая величин 90 кВ м–1, что не сопровождается электрическими разрядами и всплесками нейтронов.

Данные об усилениях потока нейтронов во время грозы также с успехом применены для исследования грозовых ядерных реакций [79]. Проведена проверка предположения о том, что усиление потока нейтронов обусловлено фотоядерными реакциями за счет гамма-квантов тормозного излучения лавин убегающих электронов высоких энергий, способных развиваться в грозовом электрическом поле. Обсуждена важность различения отклика детекторов на нейтроны, электроны и гамма-кванты. Выполнены оценки вклада гроз в вариации содержания атмосферного радиоуглерода 14С, широко используемого для датировки археологических артефактов и художественных произведений [80]. Показано, что измеренные значения потока грозовых нейтронов на один разряд молнии в областях с сильной грозовой активностью обеспечивают локальную скорость наработки радиоуглерода, сопоставимую с наработкой космическим излучением. Обнаружен ранее неизвестный естественный источник не только радиоуглерода 14С, но и других изотопов в атмосфере, таких как 13N, 15N, 15O, 17O, 13С.

7. ИНТЕГРИРОВАННЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ГРОЗ

Исследование региональных особенностей электрического поля атмосферы в условиях формирования мощных конвективных (грозовых) облаков имеет существенное значение, поскольку вариации его напряженности характеризуют процессы электризации развивающихся в регионе погодных явлений и дают информацию о региональных параметрах глобальной электрической цепи. Фактических данных о влиянии опасных погодных явлений (ливни, грозы и др.), крупномасштабных атмосферных циркуляций, эффектов солнечно-земной взаимосвязи на дневные и сезонные вариации атмосферного электрического поля в регионах сегодня еще не достаточно для организации надежного штормового предупреждения.

Важной задачей является проведение совместных исследований формирования и электризации грозовых облаков путем натурных наблюдений и численного моделирования. Работы [81, 82] посвящены совместному анализу данных инструментальных наблюдений грозорегистратора LS8000, метеорологических радиолокаторов, датчиков напряженности электрического поля и результатов численного моделирования электрических параметров мощных конвективных облаков по трехмерной модели, разработанной в Высокогорном геофизическом институте, который позволил выявить особенности влияния электрических процессов на формирование микроструктурных характеристик конвективных облаков и осадков. Использовалась 3-мерная нестационарная численная модель развития мощного конвективного облака с детализированным описанием гидротермодинамических, микрофизических и электрических процессов в неустойчивой атмосфере с учетом вертикального профиля скорости и направления ветра. Данная модель определяла величину объемных зарядов облаков, электростатический потенциал облака, создаваемого этими зарядами, а также горизонтальные и вертикальные составляющие электрического поля облака в целом. Параллельно с этим, моделью рассчитывалась величина радиолокационной отражаемости облаков на длинах волн 3.2 и 10 см для сопоставления с фактическими радарными данными. Результаты расчетов на данной модели показали, что взаимодействие процессов в мощных конвективных облаках носит нелинейный характер и играет важную роль в формировании микроструктуры облака.

Для выявления взаимосвязей характеристик электрических разрядов с параметрами кучево-дождевого облака в процессе его развития на Северном Кавказе проведен анализ одновременных радиолокационных, радиометрических (с помощью радиометра SEVIRI, установленного на спутнике «Меtеоsаt») и радиопеленгационных измерений [83]. Установлены корреляция между масштабом неоднородности поля радиационной температуры облака и частотой электрических разрядов, а также увеличение частоты электрических разрядов при увеличении интенсивности осадков; при этом максимум частоты электрических разрядов достигался при интенсивности осадков около 70 мм/ч.

Проведенный в работе [84] анализ данных наблюдений радиолокатора МРЛ-5 и грозопелен-гационной системы LS8000 за развитием мощного грозо-градового облака показал наличие связи суммарного тока молний в НЧ-диапазоне с частотой молний в НЧ- и ОНЧ-диапазонах. По данным измерений общий заряд, перенесенный отрицательными молниевыми разрядами из облака на землю, составил 387 Кл, среднее значение заряда на 1 молнию — 0.44 Кл. Для исследования мощного грозо-градового облака над Пятигорском 29 мая 2012 г., сопровождавшегося сильным градом, использована трехмерная нестационарная модель конвективного облака [85]. Полученные значения характеристик облака позволили проанализировать эволюцию поля осадков и зарядовой структуры при развитии облака.

Исследования радиоизлучения близких гроз, проводимые в Нижегородском регионе, показали, что радиоизлучение сосредоточено во временных интервалах порядка долей микросекунды с промежутком в несколько микросекунд между импульсами, и не обнаруживает плавного нарастания [86]. Радиоизлучение регистрируется не только во время молниевых разрядов, но также и в промежутках между ними. В работах [87, 88] продемонстрирована и подтверждена существенная зависимость грозовой активности от типа подстилающей поверхности. Так, интенсивность гроз над мегаполисом в среднем на 46% больше, чем над слабо населенной территорией. В то же время интенсивность гроз над районами густого леса примерно в 2.4 раза больше, чем над сельхозугодьями.

В работе [89] представлены результаты 5-летнего исследования грозовой активности в различных регионах Северной Азии. Сведения об этих параметрах — плотности наземных разрядов и соответствующих токах — необходимы для более эффективной молниезащиты. Отсутствие регулярных спутниковых и наземных наблюдений в этом регионе обусловило необходимость применения данных глобальной сети WWLLN. Эффективность обнаружения этой системой молний в 2012 г. в среднем составила около 15% для разрядов «облако–земля» и более 30% для молний с пиковым значением тока свыше 100 кА. По данным авторов, средняя плотность разрядов молний выявила постепенное увеличение за этот период, а количество внутриоблачных разрядов преобладало над разрядами «облако–земля». Здесь следует отметить, что вероятность обнаружения внутриоблачных разрядов сетью WWLLN достаточно мала. В Центральной Якутии доля молний «облако–земля» составляла в летний период 40–60%. При осреднении местоположения гроз на сетке 0.25°×0.25° были обнаружены локальные максимумы повторяемости гроз, обусловленные влиянием рельефа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В 2015–2018 гг. исследования атмосферного электричества в Российской Федерации получили новый толчок к развитию. Выполнен широкий комплекс экспериментальных и теоретических исследований электричества хорошей погоды и влияния на него атмосферных ионов и аэрозолей. Проведены экспериментальные и теоретические исследования глобальной электрической цепи, в том числе с использованием климатических и химико-климатических моделей. Выполнен комплекс экспериментальных исследований в области физики молнии и молниезащиты, в том числе с использованием уникальных лабораторных стендов и натурного стенда ВЭИ в Истре. В ряде регионов России успешно продолжаются исследования климатологии атмосферных электрических явлений, региональных метеорологических особенностей гроз, совершенствуются методы моделирования и прогноза грозовых явлений. Проведены многочисленные лабораторные эксперименты по исследованию особенностей развития молниевых разрядов: как облако–земля, так и земля–ионосфера. Выведен на орбиту микроспутник «Чибис-М», главной задачей которого является исследование разрядных явлений в верхней атмосфере. Проанализированы результаты наблюдений, полученные со спутника «Вернов». Измерения приземных потоков энергичных частиц, производимые на станции Тянь-Шань, привели к получению новых сведений о широких атмосферных ливнях и энергичном излучении молниевых разрядов.

За последние 3 года были успешно проведены конференции, посвященные проблемам атмосферного электричества: V и VI Международные конференции по молниезащите (Санкт-Петербург, 2016 и 2018), Вторая и Третья Всероссийские конференции «Глобальная электрическая цепь» (Борок, Ярославская обл. , 2015 и 2017). Российские ученые (12 человек, из них 11 представителей учреждений РАН) приняли активное участие в XVI Международной конференции по атмосферному электричеству (ICAE 2018, Нара, Япония, июнь 2018 г.), которая проводится раз в 4 года и является основным международным форумом по атмосферному электричеству.

Источник финансирования. Работа выполнена в рамках государственного задания ИПФ РАН (проект № 0035-2019-0010).

Поле земли-источник энергии » Все о транспорте газа

 В природе существует уникальный альтернативный источник энергии, экологически чистый, возобновляемый, простой в использовании, который до сих пор нигде не используется. Источник этот — электрическое поле Земли.

 Ниже излагается способ получения энергии из этого источника. Способ основан на свойствах электрического поля  Земли и на базовых законах электростатики.

Атмосферное электричество

 Наша планета в электрическом отношении представляет собой подобие сферического конденсатора, заряженного примерно до 300 000 вольт. Внутренняя сфера — поверхность Земли — заряжена отрицательно, внешняя сфера — ионосфера — положительно. Изолятором служит атмосфера Земли. ( Рис.1 )

Рис. 1 Электрическая схема глобального конденсатора.

 Через атмосферу постоянно протекают ионные и конвективные токи утечки конденсатора, которые достигают многих тысяч ампер. Но несмотря на это разность потенциалов между обкладками конденсатора не уменьшается.

 А это значит, что в природе существует генератор (G), который постоянно восполняет утечку зарядов с обкладок конденсатора. Таким генератором является магнитное поле Земли, которое вращается вместе с нашей планетой в потоке солнечного ветра.

Чтобы воспользоваться энергией этого генератора, нужно каким то образом подключит к нему потребитель энергии.

 Подлючиться к отрицательному полюсу — Земле — просто. Для этого достаточно сделать надежное заземление. Подключение к положительному полюсу генератора — ионосфере -является сложной технической задачей, решением которой мы и займемся.

 Как и в любом заряженном конденсаторе, в нашем глобальном конденсаторе существует электрическое поле. Напряженность этого поля распределяется очень неравномерно по высоте: она максимальна у поверхности Земли и составляет примерно 150 В/м. С высотой она уменьшается приблизительно по закону экспоненты и на высоте 10 км составляет около 3% от значения у поверхности Земли.

Таким образом, почти всё электрическое поле сосредоточено в нижнем слое атмосферы, у поверхности Земли. Вектор напряженности эл. поля Земли E направлен в общем случае вниз. В своих рассуждениях мы будем использовать только вертикальную составляющую этого вектора. Электрическое поле Земли, как и любое электрическое поле, действует на заряды с определенной силой F, которая называется кулоновской силой. Если умножить величину заряда на напряженность эл. поля в этой точке, то получим как раз величину кулоновской силы Бкул.. Эта кулоновская сила толкает положительные заряды вниз, к земле, а отрицательные — вверх, в облака.

 Электрическое поле Земли является потенциальным полем как и любое эл. поле. Каждой точке этого поля соответствует свой потенциал. Точки с одинаковым потенциалом образуют эквипотенциальные поверхности.

Проводник в электрическом поле

 Установим на поверхности Земли вертикальный металлический проводник и заземлим его. Пусть верхняя точка проводника находится на на каком-то уровне U потенциала эл. поля Земли. Электрическое поле Земли в соответствии с законами электростатики начнет двигать электроны проводимости вверх, к верхней точке проводника, создавая там избыток отрицательных зарядов. Такое движение электронов будет продолжаться до тех пор, пока в верхней точе проводника не возникнет потенциал -U, равный по величине и противоположный по знаку потенциалу U эл. поля Земли, на котором расположена верхняя точка этого проводника.

 Этот отрицательный потенциал -U полностью компенсирует положительный потенциал U эл. поля Земли и весь проводник, включая и его верхнюю точку, приобретает потенциал Земли, который мы принимаем за ноль.

 Но избыток отрицательных зарядов в верхней точке проводника создаст свое электрическое поле.
 Мы получили систему из двух эл. полей: эл. поля Земли E1 и эл. поля избыточных зарядов в верхней точке проводника E2.

Рис.2. Электрические поля Земли (слева) и верхней точки проводника (справа).
Е -вектор напряженности эл. поля Земли. Е — то же верхней точки проводника.

На рис. 2 изображены векторы напряженности этих полей.

 Векторы напряженности эл. поля Земли E1 вблизи проводника везде одинаковы по величинен и направлению.

 Векторы же напряженности эл. поля проводника в разных точках поля имеют разную величину и направление. На рис. 2 справа изображены векторы напряженности E2 этого эл. поля. Они сходятся в верхней точке проводника, где сосредоточены избыточные электроны проводимости.

 Согласно принципу суперпозиции эл. полей напряженность результирующего эл. поля равна геометрической сумме напряженностей каждого из этих полей.
 Обратите внимание: ниже верхней точки проводника векторы напряженности E1 и E2 этих двух полей направлены в противоположных направлениях. Здесь они компенсируют друг друга и в проводнике эл. поле равно нулю.

 Выше верхней точки проводника векторы напряженности этих двух полей направлены в одном направлении — вниз. Здесь они складываются и дают суммарную напряженность эл. поля.
 Если мы сложим геометрически эти векторы и проведем эквипотенциальные линии в каждой точке поля, то получим картину, изображенную на рис.3.

 На рис.3 изображено суммарное эл. поле в сечении вертикальной плоскостью, проходящей через проводник. Примечательно, что потенциал проводника во всех его точках равен нулю и в то же время на верхней точке проводника сконцентрирована большая напряженность суммарного эл. поля Земли и проводника.

Рис. 3. Суммарное электрическое поле. Е = Е + Е — вектор напряженности суммарного эл. поля

 Именно это эл. поле и стремится вырвать электроны проводимости из верхней точки проводника. Но у электронов недостаточно энергии для того, чтобы покинуть проводник. Эта энергия называется работой выхода электрона из проводника и для большинства металлов она составляет менее 5 электронвольт — величина весьма незначительная. Но электрон в металле не может приобрести такую энергию между столкновениями с кристаллической решеткой металла и поэтому остается на поверхности проводника.

 Возникает вопрос: что произойдет с проводником, если мы поможем избыточным зарядам на верхушке проводника покинуть этот проводник ?

 Ответ простой: отрицательный заряд на верхушке проводника уменьшится, внешнее электрическое поле внутри проводника уже не будет скомпенсировано и снова начнет двигать электроны проводимости вверх к верхнему концу проводника. Значит, по нему потечет ток. И если нам удастся постоянно удалять избыточные заряды с верхней точки проводника, в нем постоянно будет течь ток. Теперь нам достаточно разрезать проводник в любом, удобном месте и включить туда нагрузку ( потребитель энергии ) — и электростанция готова.

Рис. 4. Принципиальная схема установки.

На рис.4 показана принципиальная схема такой установки.

Под действием электрического поля Земли электроны проводимости из земли движутся по проводнику через нагрузку и далее вверх к эмиттеру, который освобождает их из поверхности металла верхушки проводника и отправляет их в виде ионов в свободное плавание по атмосфере. Электрическое поле Земли в полном соответствии с законом Кулона поднимает их вверх до тех пор, пока они на свем пути не будут нейтрализованы положительными ионами, которые всегда опускаются вниз из ионосферы под действием того же поля.

Таким образом, мы замкнули электрическую цепь между обкладками глобального электрического конденсатора, который в свою очередь подключен к генератору G, и включили в эту цепь потребитель энергии ( нагрузку ). Остается решить один важный вопрос: каким образом удалять избыточные заряды с верхней точки проводника?

Эмиттер

 Для этого нужно устройство, которое бы помогало электронам проводимости покинуть проводник — излучатель электронов или эмиттер.
 Эмиттер может быть построен на базе высоковольтного генератора небольшой мощности, который способен создать коронный разряд вокруг излучающего электрода на верхушке проводника.
 Такие высоковольтные генераторы используются в промышленности в дымоулавливателях, ионизаторах воздуха, установках для электростатической окраски металлов и различных бытовых приборах.
 Генератор создает вокруг излучателя электронов проводимости искровой, коронный или кистевой разряд. Такой разряд является проводящим плазменным каналом, по которому электроны проводимости свободно стекают в атмосферу уже под действием эл.поля Земли.
 Для этой же цели можно использовать трансформатор или катушку Теслы.
 В 1891 году Никола Тесла создал свой знаменитый высокочастотный высоковольтный трансформатор, который он использовал для экспериментов и демонстрации своих опытов.

Рис. 5. Катушка Теслы.

 Сейчас это устройство называют катушкой Теслы (Tesla coil). В промышленности это изобретение не нашло применения. Оно используется главным образом для всякого рода аттракционов.

 Во время работы катушки в ее вторичной обмотке создается напряжение в несколько миллионов вольт, которое ионизирует воздух и создает различные электрические разряды — стримерные, искровые или коронный разряд в зависимости от входного напряжения.

 Каналы этих разрядов в ионизированном воздухе являюся хорошим проводником для электронов проводимости, которые стремятся вырваться из металла проводника в атмосферу. И электроны проводимости по каналам разрядов легко покидают проводник и уходят в атмосферу уже под действием эл. поля Земли, которое концентрируется на верхней точке проводника.

 Форму и интенсивность разряда катушки можно в определенных пределах регулировать от слабого коронного до мощного дугового в зависимости от интенсивности эл. поля Земли и необходимой мощности установки.

Оценка мощности установки

 Пусть верхняя точка проводника находится на высоте 100 м., средняя напряженность эл. поля по высоте проводника Еср. = 100 В/м.
Тогда разность потенциалов эл. поля между Землей и верхней точкой проводника будет численно равна:

U = h Eср. = 100 м * 100 В/м = 10 000 вольт.

 Точно такой же величины будет и отрицательный компенсирующий потенциал в верхней точке проводника. Это — совершенно реальная разность потенциалов между землей и верхней точкой проводника, которую можно измерить. Правда, обычным вольтметром с проводами измерить ее не удастся — в проводах возникнет точно такая же э. д. с., как и в проводнике, и вольтметр покажет 0.

 Сила тока в проводнике зависит в основном от эффективности работы эмиттера. Если с помощью эмиттера мы сможем получить ток 10 А., то полная мощность установки составит 100 кВт.

 При работе эмиттера освободившиеся электроны скапливаются в атмосфере над эмиттером и создают отрицательно заряженное облако. Эл. поле этого облака направлено против эл. поля Земли и уменьшает его. При наличии ветра облако сносится ветром и его влияние будет незначительным. В отсутствии ветра это облако удаляется только кулоновскими силами эл. поля над эмиттером, образуя конвективную струю, направленную вверх. В этом случае сила тока установки будет ограничиваться силой тока конвективной струи.

Особенности электрического поля

 Эл. поле над земной поверхностью обладает такими особенностями, которые обязательно нужно учитывать.
 Над ровной подстилающей поверхностью такой, как море или широкая равнина, эквипотенциальные поверхности поля расположены примерно параллельно друг другу, как показано на рис. 2 слева.
 Но как только в нем появляется заземленный проводник, это поле меняется и становится примерно таким, как показано на рис. 3.

Рис. 6. Эквипотенциальные линии поля над заземленными проводниками.

 Эффект получается таким, как будто это поле поднялось и повисло на верхушке этого проводника. Эквипотенциальные линии над проводником сконценторировались, а значит увеличился вектор напряженности эл. поля.

 В то же время у основания проводника эл. поле уменьшилось. Если два заземленных проводника расположены недалеко друг от друга, то эл. поле будет выглядеть примерно так, как показано на рис. 6. Все эл. поле располагается выше заземленных проводников. Между этими проводниками у земной поверхности эл. поле близко к нулю.
 Такими проводниками являются деревья, линии эл. передач, высокие постройки, и, конечно, все городские дома.

 Следовательно, в условиях города проводник с эмиттером необходимо поднять выше крыш городских домов и всякого рода антенн, флагштоков, деревьев и шпилей, расположенных поблизости. Еще надежней поднять проводник и эмиттер на аэростате.

О мощности глобального генератора

 Такая установка отбирает мощность у глобального генератора.

 В связи с этим возникает один очень важный вопрос — как отразится повсеместное широкое использование таких установок на электрическом поле Земли?

 Не приведет ли это к ослаблению эл. поля Земли?

 У нас нет возможности замерить мощность этого генератора. Но по некоторым косвенным признакам можно судить о его мощности.

 На Земле постоянно бушуют несколько ураганов, тропических штормов и множество циклонов. По современным представлениям и оценкам примерно треть мощности урагана приходится на его электрическую составляющую. Что же это такое — электрическая составляющая мощности урагана?

 Мощность урагана пропорциональна объему и скорости подъема теплого воздуха в его тепловой башне — центральной области урагана.

 Такой подъем воздуха проискодит в основном за счет разности плотности воздуха на периферии урагана и в его центре — тепловой башне, но не только. Часть подъемной силы (примерно одну треть.) обеспечивает электрическое поле Земли.

 Все дело в том, что испаряющаяся с поверхности штормового океана вода уносит с собой огромное количесво отрицательных зарядов.

 С точки зрения электростатики штормовой океан представляет собой огромное поле, усыпанное остриями и ребрами, на которых концентрируются отрицательные заряды и напряженность эл. поля Земли. Это — электростатический эффект острия.

 Испаряющиеся молекулы воды в таких условиях легко захватывают отрицательные заряды и уносят их с собой. А электрическое поле Земли в полном соответствии с законом Кулона двигает эти заряды вверх, добавляя воздуху подъемную силу.

 И эта добавка составляет около трети полной подъемной силы, а значит и мощности урагана. Таким образом глобальный электрический генератор расходует часть своей мощности на усиление атмосферных вихрей на планете — ураганов, штормов, циклонов и пр.

 Но такой расход мощности никак не сказывается на величине электрического поля Земли. Если учесть, что мощность среднего урагана превышает мощность всех электростанций мира, то можно заключить, что широкое и повсеместное использование этой энергии никак не скажется на электрических параметрах нашей планеты.

Выводы

 В результате наших действий мы подключили потребитель энергии к глобальному генератору электрической энергии. К отрицательному полюсу — Земле — мы подключились с помощью обычного металлического проводника (заземления), а к положительному полюсу — ионосфере — с помощью весьма специфического проводника — конвективного тока.

 Конвективные токи — это электрические токи, обусловленные упорядоченным переносом заряженных частиц. В природе они встречаются часто. Самые мощные из них — это ураганы и восходящие потоки воздуха во внутритропической зоне конвергенции, которые уносят огромное количество отрицательных зарядов в верхние слои тропосферы.

Из вышесказанного можно сделать следующие выводы:

Источник энергии является простым и удобным в использовании.

На выходе получаем самый удобный вид энергии — электроэнергию.

Источник экологически чист: никаких выбросов, никакого шума и т.п.

Установка проста в изготовлении и эксплуатации.

Исключительная дешевизна получаемой энергии и еще масса других достоинств.

Электрическое поле Земли подвержено колебаниям: зимой оно сильнее, чем летом, ежедневно оно достигает максимума в 19 часов по Гринвичу, также зависит от состояния погоды. Но эти колебания не превышают 30% от его среднего значения. В некоторых редких случаях при определенных погодных условиях напряженность этого поля может увеличиться в несколько раз.

 Во время грозы эл. поле изменяется в больших пределах и может изменить направление на противоположное, но это происходит на небольшой площади непосредственно под грозовой ячейкой и в течение короткого времени.

Курилов Юрий Михайлович

Прежде чем задать вопрос прочитайте: FAQ

Новая модель ионосферы Земли опровергла действенность одного из способов предсказания землетрясений

Ученые из Сибирского федерального университета (СФУ) вместе с российскими и австрийскими коллегами создали новую модель ионосферы — верхнего слоя атмосферы Земли. Она гораздо точнее описывает электрические поля и токи и опровергает самое популярное объяснение того, как литосфера влияет на ионосферу. Тем самым модель ставит под сомнение возможность предсказания землетрясений по колебаниям электрического поля в ионосфере. Результаты работы опубликованы в Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, исследование поддержано грантом Российского фонда фундаментальных исследований.

Прогнозирование землетрясений позволяет избежать человеческих жертв в сейсмоактивных зонах, поэтому, обнаружив всплески электрических полей в ионосфере в 100–2000 км от эпицентра катаклизма, ученые заинтересовались их причинами.

Эта модель так же, как и ранее предлагаемые, рассматривает литосферу как генератор, который создает электрические поля и токи в атмосфере, а саму атмосферу как их проводник. Однако построенные ранее математические модели формирования ионосферных предвестников землетрясений содержали упрощения, которые значительно искажали рассчитываемые поля и токи. Они должны объяснить наблюдения колебаний электрического поля в ионосфере до и после землетрясений в сравнении с его обычной напряженностью. В своей новой модели авторы учли наклон геомагнитного поля относительно вертикали. Напряженность электрического поля у поверхности Земли задается в соответствии с данными наблюдений. Для атмосферы выше 50 км модель построена с учетом того, что ее проводимость зависит от направления магнитного поля, а ниже – не зависит. Эту модель нельзя использовать для районов вблизи магнитных полюсов и магнитного экватора Земли. Дело в том, что в полярных зонах проводимость ионосферы сильно отличается от модельной, а вблизи магнитного экватора кривизна магнитного поля не позволяет считать его силовые линии параллельными, вследствие чего зависимость проводимости от координат меняется.

Некоторые ранние работы объясняют, что электрические токи проникают в ионосферу с помощью восходящих массивов воздуха, в которых есть заряженные частицы, однако в атмосфере заряды не могут существовать длительное время. В среднем всего за 15 минут они становятся почти электронейтральными, поскольку воздух имеет некоторую электропроводность. Также некоторые модели полей вблизи поверхности Земли основываются на предположениях о небольшой величине токов проводимости под ней и о том, что заряды, выносимые сторонними токами на поверхность из литосферы, создают электрическое поле вне ее. В действительности последние определяют только разницу значений перпендикулярной составляющей электрического поля по разные стороны поверхности литосферы, а сами поля зависят и от других зарядов. В новой модели нет таких грубых допущений, и получаемые оценки точнее описывают процессы, происходящие в ионосфере.

«Некоторые ученые считают, что на основе спутниковых измерений электрического поля в ионосфере можно сделать вывод о надвигающемся землетрясении в той или иной области, и в обоснование такой возможности предлагают некоторые физические механизмы литосферно-ионосферных связей. Мы же демонстрируем, что эти механизмы не работают, что ставит под сомнение такой метод прогноза землетрясения», – поясняет студент Института математики и фундаментальной информатики СФУ Семен Нестеров.

Электрическое поле Земли — Источник энергии

Глобальный конденсатор

В природе существует совершенно уникальный альтернативный источник энергии, экологически чистый, возобновляемый, простой в использовании, который до сих пор нигде не используется. Источник этот — атмосферный электрический потенциал.

Наша планета в электрическом отношении представляет собой подобие сферического конденсатора, заряженного примерно до 300 000 вольт. Внутренняя сфера — поверхность Земли — заряжена отрицательно, внешняя сфера — ионосфера — положительно. Изолятором служит атмосфера Земли (Рис.1).

Через атмосферу постоянно протекают ионные и конвективные токи утечки конденсатора, которые достигают многих тысяч ампер. Но несмотря на это разность потенциалов между обкладками конденсатора не уменьшается.

А это значит, что в природе существует генератор (G), который постоянно восполняет утечку зарядов с обкладок конденсатора. Таким генератором является магнитное поле Земли, которое вращается вместе с нашей планетой в потоке солнечного ветра.

Чтобы воспользоваться энергией этого генератора, нужно каким то образом подключит к нему потребитель энергии.

Подключиться к отрицательному полюсу — Земле — просто. Для этого достаточно сделать надежное заземление. Подключение к положительному полюсу генератора — ионосфере — является сложной технической задачей, решением которой мы и займемся.

Как и в любом заряженном конденсаторе, в нашем глобальном конденсаторе существует электрическое поле. Напряженность этого поля распределяется очень неравномерно по высоте: она максимальна у поверхности Земли и составляет примерно 150 В/м. С высотой она уменьшается приблизительно по закону экспоненты и на высоте 10 км составляет около 3% от значения у поверхности Земли.

Таким образом, почти всё электрическое поле сосредоточено в нижнем слое атмосферы, у поверхности Земли. Вектор напряженности эл. поля Земли E направлен в общем случае вниз. В своих рассуждениях мы будем использовать только вертикальную составляющую этого вектора. Электрическое поле Земли, как и любое электрическое поле, действует на заряды с определенной силой F, которая называется кулоновской силой. Если умножить величину заряда на напряженность эл. поля в этой точке, то получим как раз величину кулоновской силы Fкул.. Эта кулоновская сила толкает положительные заряды вниз, к земле, а отрицательные — вверх, в облака.

Проводник в электрическом поле

Установим на поверхности Земли металлическую мачту и заземлим ее. Внешнее электрическое поле моментально начнет двигать отрицательные заряды (электроны проводимости) вверх, к верхушке мачты, создавая там избыток отрицательных зарядов. А избыток отрицательных зарядов на верхушке мачты создаст свое электрическое поле, направленное навстречу внешнему полю. Наступает момент, когда эти поля сравняются по величине, и движение электронов прекращается. Это значит, что в проводнике, из которого сделана мачта, электрическое поле равно нулю.

Так работают законы электростатики.

Теперь нетрудно подсчитать разность потенциалов между Землей и верхушкой мачты, наведенную внешним электрическим полем (Рис.2.).

Положим высота мачты h = 100 м., средняя напряженность по высоте мачты Еср. = 100 В/м.

Тогда разность потенциалов (э.д.с.) между Землей и верхушкой мачты будет численно равна: U = h * Eср. = 100 м * 100 В/м = 10 000 вольт. (1)

Это — совершенно реальная разность потенциалов, которую можно измерить. Правда, обычным вольтметром с проводами измерить ее не удастся — в проводах возникнет точно такая же э.д.с., как и в мачте, и вольтметр покажет 0. Эта разность потенциалов направлена противоположно вектору напряженности Е электрического поля Земли и стремится вытолкнуть электроны проводимости из верхушки мачты вверх, в атмосферу. Но этого не происходит, электроны не могут покинуть проводник. У электронов недостаточно энергии для того, чтобы покинуть проводник, из которого сделана мачта. Эта энергия называется работой выхода электрона из проводника и для большинства металлов она составляет менее 5 электронвольт — величина весьма незначительная. Но электрон в металле не может приобрести такую энергию между столкновениями с кристаллической решеткой металла и поэтому остается на поверхности проводника.

Возникает вопрос: что произойдет с проводником, если мы поможем избыточным зарядам на верхушке мачты покинуть этот проводник?

Ответ простой: отрицательный заряд на верхушке мачты уменьшится, внешнее электрическое поле внутри мачты уже не будет скомпенсировано и начнет снова двигать электроны проводимости вверх к верхнему концу мачты. Значит, по мачте потечет ток. И если нам удастся постоянно удалять избыточные заряды с верхушки мачты, в ней постоянно будет течь ток. Теперь нам достаточно разрезать мачту в любом, удобном нам месте и включить туда нагрузку (потребитель энергии) — и электростанция готова.

На рис.3 показана принципиальная схема такой электростанции. Под действием электрического поля Земли электроны проводимости из земли движутся по мачте через нагрузку и далее вверх по мачте к эмиттеру, который освобождает их из поверхности металла верхушки мачты и отправляет их в виде ионов в свободное плавание по атмосфере. Электрическое поле Земли в полном соответствии с законом Кулона поднимает их вверх до тех пор, пока они на своем пути не будут нейтрализованы положительными ионами, которые всегда опускаются вниз из ионосферы под действием того же поля.

Таким образом, мы замкнули электрическую цепь между обкладками глобального электрического конденсатора, который в свою очередь подключен к генератору G, и включили в эту цепь потребитель энергии (нагрузку). Остается решить один важный вопрос: каким образом удалять избыточные заряды с верхушки мачты?

Конструкция эмиттера

Простейшим эмиттером может служить плоский диск из листового металла с множеством иголок, расположенных по его окружности. Он «насажен» на вертикальную ось и приведен во вращение.

При вращении диска набегающий влажный воздух срывает электроны с его иголок и таким образом освобождает их из металла.

Электростанция с подобным эмиттером уже существует. Правда, ее энергию никто не использует, с нею борются.
Это — вертолет, несущий на длинном металлическом стропе металлическую конструкцию при монтаже высоких строений. Здесь есть все элементы электростанции, изображенной на рис.3, за исключением потребителя энергии (нагрузки). Эмиттером являются лопасти винтов вертолета, которые обдуваются потоком влажного воздуха, мачтой служит длинный стальной строп с металлической конструкцией. И рабочие, которые устанавливают эту конструкцию на место, прекрасно знают, что прикасаться к ней голыми руками нельзя — «ударит током». И дейсвительно, они в этот момент становятся нагрузкой в цепи электростанции.

Безусловно, возможны и другие конструкции эмиттеров, более эффективные, сложные, основанные на разных принципах и физических эффектах см. рис. 4-5.

Эмиттера в виде готового изделия сейчас не существует. Каждый заинтересованный в этой идее вынужден самостоятельно сконструировать себе свой эмиттер.

В помощь таким творческим людям автор приводит ниже свои соображения по конструкции эмиттера.

Наиболее перспективными представляются следующие конструкции эмиттеров.

Первый вариант исполнения эмиттера

Молекула воды имеет хорошо выраженную полярность и может легко захватить свободный электрон. Если обдувать паром заряженную отрицательно металлическую пластину, то пар будет захватывать с поверхности пластины свободные электроны и уносить их с собой. Эмиттер представляет собой щелевое сопло, вдоль которого помещен изолированный электрод А и на который подается положительный потенциал от источника И. Электрод А и острые края сопла образуют небольшую заряженную емкость. Свободные электроны собираются на острых краях сопла под воздействием положительного изолированного электрода А. Проходящий через сопло пар срывает электроны с краев сопла и уносит их в атмосферу. На рис. 4 изображено продольное сечение этой конструкции. Поскольку электрод А изолирован от внешней среды, тока в цепи источника э.д.с. нет. И этот электрод нужен здесь только для того, чтобы вместе с острыми краями сопла создать в этом промежутке сильное электрическое поле и концентрировать электроны проводимости на краях сопла. Таким образом, электрод А с положительным потенциалом является своего рода активирующим электродом. Меняя на нем потенциал, можно добиться нужной величины силы тока эмиттера.

Возникает очень важный вопрос — сколько пара нужно подавать через сопло и не получится ли так, что всю энергию станции придется израсходовать на превращение воды в пар? Проведем небольшой подсчет.

В одной граммолекуле воды (18 мл) содержится 6,02 * 1023 молекул воды (число Авогадро). Заряд одного электрона равен 1,6 * 10 (- 19) Кулона. Перемножив эти величины, получим, что на 18 мл воды можно разместить 96 000 Кулонов электрического заряда, а на 1 литре воды — более 5 000 000 Кулонов. А это значит, что при токе 100 А одного литра воды хватит для работы установки в течение 14 часов. Для превращения в пар такого количества воды потребуется совсем небольшой процент вырабатываемой энергии.

Конечно, прицепить к каждой молекуле воды электрон — задача вряд ли выполнимая, но мы здесь определили предел, к которому можно постоянно приближаться, совершенствуя конструкцию устройства и технологии.

Кроме того, расчеты показывают, что энергетически выгоднее продувать через сопло не пар, а влажный воздух, регулируя его влажность в нужных пределах.

Второй вариант исполнения эмиттера

На вершине мачты установлен металлический сосуд с водой. Сосуд соединен с металлом мачты надежным контактом. В середине сосуда установлена стеклянная капиллярная трубка. Уровень воды в трубке выше, чем в сосуде. Это создает электростатический эффект острия — в верхней части капиллярной трубки создается максимальная концентрация зарядов и максимальная напряженность электрического поля.

Под действием электрического поля вода в капиллярной трубке поднимется и будет распыляться на мелкие капельки, унося с собой отрицательный заряд. При определенной небольшой силе тока вода в капиллярной трубке закипит, и уже пар будет уносить заряды. А это должно увеличить ток эмиттера.

В таком сосуде можно установить несколько капиллярных трубок. Сколько потребуется воды — расчеты см. выше.

Третий вариант исполнения эмиттера. Искровой эмиттер.

При пробое искрового промежутка вместе с искрой из металла выскакивает облако электронов проводимости.

На рис.5 показана принципиальная схема искрового эмиттера. От генератора высоковольтных импульсов отрицательные импульсы поступают на мачту, положительные — на на электрод, который образует искровой промежуток с верхушкой мачты. Получается нечто подобное автомобильной свече зажигания, но по устройству значительно проще.
Генератор высоковольтных импульсов принципиально мало чем отличается от обычной бытовой газовой зажигалки китайского производства с питанием от одной пальчиковой батарейки.

Главное достоинство такого устройства — возможность регулировать ток эмиттера с помощью частоты разрядов, величины искрового промежутка, можно сделать несколько искровых промежутков и пр.

Генератор импульсов можно установить в любом удобном месте, совсем не обязательно на верхушке мачты.

Но существует один недостаток — искровые разряды создают радиопомехи. Поэтому верхушку мачты с искровыми промежутками нужно экранировать цилиндрической сеткой, обязательно изолированной от мачты.

Четвертый вариант исполнения эмиттера

Еще одна возможность — создать эмиттер на принципе прямой эмиссии электронов из материала эмиттера. Для этого нужен материал с очень низкой работой выхода электрона. Такие материалы существуют давно, например, паста из оксида бария-0,99 эв. Возможно, сейчас есть что-либо получше.

В идеале это должен быть комнатнотемпературный сверхпроводник (КТСП), которых пока не существует в природе. Но по разным сообщениям он должен скоро появиться. Здесь вся надежда на нанотехнологии.

Достаточно поместить на верхушку мачты кусок КТСП — и эмиттер готов. Проходя по сверхпроводнику, электрон не встречает сопротивления и очень быстро приобретает энергию, необходимую для выхода из металла (около 5 эв.)

И еще одно важное замечание. По законам электростатики иапряженность электрического поля Земли наиболее высока на возвышенностях — на вершинах холмов, сопок, гор и т. п. В низинах, впадинах и углублениях она минимальна. Поэтому такие устройства лучше строить на самых высоких местах и подальше от высоких строений или же устанавливать их на крышах самых высоких строений.

Еще хорошая идея — поднять проводник с помощью аэростата. Эмиттер, конечно, нужно устанавливать на верху аэростата. В таком случае можно получить достаточно большой потенциал для самопроизвольной эмиссии электронов из металла, придав ему форму отрия, и, значит, никаких сложных эмиттеров в этом случае не потребуется.

Существует еще одна хорошая возможность получить эмиттер. В промышленности применяется электростатическая окраска металла. Распыленная краска, вылетая из распылителя, несет на себе электрический заряд, в силу чего и оседает на окрашиваемый металл, на который подается заряд противоположного знака. Технология отработана.

Такое устройство, которое заряжает распыленную краску, как раз и является настоящим эмиттером эл. зарядов. Остается только приспособить его к описанной выше установке и заменить краску водой, если возникнет необходимомть в воде.

Вполне возможно, что влаги, всегда содержащейся в воздухе, будет достаточно для работы эмиттера.

Не исключено, что в промышленности существуют и другие подобные устройства, которые легко можно превратить в эмиттер.

Выводы

В результате наших действий мы подключили потребитель энергии к глобальному генератору электрической энергии. К отрицательному полюсу — Земле — мы подключились с помощью обычного металлического проводника (заземления), а к положительному полюсу — ионосфере — с помощью весьма специфического проводника — конвективного тока. Конвективные токи — это электрические токи, обусловленные упорядоченным переносом заряженных частиц. В природе они встречаются часто. Это и обычные конвективные восходящие струи, которые несут отрицательные заряды в облака, это и смерчи (торнадо). которые тащат к земле сильно заряженную положительными зарядами облачную массу, это и восходящие потоки воздуха во внутритропической зоне конвергенции, которые уносят огромное количество отрицательных зарядов в верхние слои тропосферы. И такие токи достигают очень больших значений.

Если мы создадим достаточно эффективный эмиттер, который сможет освобождать из верхушки мачты (или нескольких мачт), положим, 100 кулонов зарядов в секунду (100 ампер.), то мощность построенной нами электростанции будет равна 1000 000 ватт или 1 мегаватт. Вполне достойная мощность!

Такая установка незаменима в отдаленных поселениях, на метеостанциях и других удаленных от цивилизации местах.

• Из вышесказанного можно сделать следующие выводы:

• Источник энергии является исключительно простым и удобным в использовании.

• На выходе получаем самый удобный вид энергии — электроэнергию.

• Источник экологически чист: никаких выбросов, никакого шума и т.п.

• Установка исключительно проста в изготовлении и эксплуатации.

• Исключительная дешевизна получаемой энергии и еще масса других достоинств.

Электрическое поле Земли подвержено колебаниям: зимой оно сильнее, чем летом, ежедневно оно достигает максимума в 19 часов по Гринвичу, также зависит от состояния погоды. Но эти колебания не превышают 20% от его среднего значения.

В некоторых редких случаях при определенных погодных условиях напряженность этого поля может увеличиться в несколько раз.

Во время грозы эл.поле изменяется в больших пределах и может изменить направление на противоположное, но это происходит на небольшой площади непосредственно под грозовой ячейкой.

Автор: Курилов Юрий Михайлович
Источник: http://ntpo.com/

Электрическое поле (значения)

Пользователи также искали:



чем создается электрическое поле,

электрическое поле — — это,

напряженность электрического поля формула,

свойства электрического поля,

поле,

Электрическое,

электрическое,

поля,

электрического,

напряженность электрического поля,

напряженность,

кратко,

чем создается электрическое поле,

свойства электрического поля,

свойства,

характеристики,

определение,

создается,

формула,

электрическое поле определение,

характеристики электрического поля,

электрическое поле — — это,

значения,

Электрическое поле значения,

электрическое поле кратко,

напряженность электрического поля формула,

электрическое поле (значения),

электричество. электрическое поле (значения),

Магнитное поле Земли онлайн – Наука – Коммерсантъ

Развитие наземных и космических систем глобального мониторинга, а также внедрение современной аппаратуры, обеспечивающей высокочастотную регистрацию геофизических параметров, привели к беспрецедентному росту объемов регистрируемых данных в науках о Земле. Эффективная передача, хранение и обработка геофизической информации требуют адекватных методов и алгоритмов. В Геофизическом центре РАН разработан аппаратно-программный комплекс, автоматизирующий сбор и обработку магнитограмм от российских обсерваторий.

Результаты оперативного анализа геомагнитной активности на примере данных обсерватории «Магадан» во время магнитной бури 20 декабря 2015 года. Момент внезапного начала магнитной бури отмечен черной стрелкой (предоставлено ГЦ РАН). График — исходная магнитограмма горизонтальной составляющей магнитного поля. На втором графике (ниже) показана оценка часовых амплитуд геомагнитных возмущений. Третий график характеризует меру аномальности поля, построенную на принципах нечеткой математики. На четвертом графике представлена почасовая оценка скорости изменения магнитного поля. На нижнем графике показаны результаты оперативного расчета K-индекса геомагнитной активности. На графиках перечисленных индикаторов геомагнитной активности красным цветом отмечены сильно аномальные значения, фиолетовым — аномальные значения, зеленым — слабо аномальные значения и синим — фоновые значения

Последние достижения в области и работы с «большими данными» позволяют решить проблему эффективной обработки значительных массивов геофизических измерений. Современные методы системного анализа и искусственного интеллекта позволяют реализовать автоматизированное многокритериальное распознавание экстремальных явлений различной природы. Комплексный анализ наземных и спутниковых данных позволяет оперативно и с высокой точностью моделировать элементы магнитного поля Земли, что крайне важно для решения многих фундаментальных и практических задач.

Геомагнитное поле, регистрируемое на поверхности Земли и в околоземном пространстве, можно разделить на внутреннее и внешнее. Источником внутреннего магнитного поля Земли являются процессы, протекающие в ее недрах (рис. 1а). Внутреннее поле меняется медленно — в течение десятков и сотен лет (вековые вариации). Внешнее же поле формируется сложной и крайне изменчивой пространственной структурой электрических токов в магнитосфере и ионосфере Земли, образующихся под воздействием Солнца (рис. 1б).

Геомагнитную активность формируют относительно короткопериодные вариации внешнего магнитного поля, обусловленные солнечной активностью. Эффект от магнитосферных и ионосферных токов наблюдается на

Источник магнитного поля Земли в жидком ядре (ось вращения вертикальна и центрирована) (предоставлено Scientific American)

Земле в виде отклонений параметров магнитного поля — на временных масштабах от секунд до десятков часов. Повышенный уровень геомагнитной активности и геомагнитные вариации экстремальной амплитуды могут представлять опасность для технологических систем (ЛЭП, трубопроводов, спутников и т. п.). Поэтому геомагнитный мониторинг в режиме реального времени весьма важен для обеспечения технологической безопасности. Продолжительные наблюдения за изменением внутреннего поля также важны для понимания причин его эволюции.

INTERMAGNET

Непрерывные измерения параметров геомагнитного поля выполняются на обсерваториях по всему миру. Современные магнитные обсерватории — это высокотехнологичные объекты, функционирующие продолжительное время и обеспечивающие высокоточную оперативную регистрацию магнитного поля, что позволяет определять как вековые, так и короткопериодические вариации. Наиболее развитой сетью магнитных наблюдений, предоставляющей данные высшего стандарта качества, является международная сеть ИНТЕРМАГНЕТ (INTERMAGNET — International Real-Time Magnetic Observatory Network). Она включает около 140 обсерваторий.

Визуализация результатов модельных расчетов магнитного поля Земли на сферическом экране

Фото: Геофизический центр (ГЦ) РАН

За последние годы значительные успехи были достигнуты в развитии наземных магнитных наблюдений в России. При поддержке ФГБУН «Геофизический центр РАН» (ГЦ РАН) — одной из ведущих научных организаций, выполняющих исследования в данной области, были проведены работы по модернизации обсерваторий для соответствия международным стандартам. Результатом явилось, в частности, официальное включение обсерватории «Санкт-Петербург» в сеть ИНТЕРМАГНЕТ в июне 2016 года. Также при участии ГЦ РАН в Архангельской области развернута новая обсерватория «Климовская». На рис. 2 представлена карта российской сети магнитных наблюдений. Данные от 13 обсерваторий, 9 из которых включены в ИНТЕРМАГНЕТ, передаются в аналитический Центр геомагнитных данных в ГЦ РАН.

Данные предварительные, окончательные и квазиокончательные

Оперативные магнитограммы, передаваемые обсерваториями сети ИНТЕРМАГНЕТ, имеют статус предварительных данных. Они могут содержать техногенные помехи и пропуски, однако доступны пользователям с минимальной задержкой. Магнитограммам, которые прошли сложную и трудоемкую процедуру коррекции и очистки от помех, присваивается статус окончательных данных. Подготовка окончательных данных для конкретной обсерватории за один год выполняется в основном вручную и может занимать до двух лет. Для ускорения подготовки очищенных данных несколько лет назад был представлен новый тип магнитограмм — квазиокончательные данные. По характеристикам они близки к окончательным, но на их подготовку требуется значительно меньше времени. Квазиокончательные данные формируются непосредственно на магнитных обсерваториях. Их подготовка выполняется специалистами также преимущественно вручную.

Российский АПК объединяет и автоматизирует

Разработанный в ГЦ РАН аппаратно-программный комплекс (АПК) автоматизирует и ускоряет процедуру оперативного сбора магнитограмм от российских обсерваторий и подготовки квазиокончательных и окончательных данных. Это становится возможным благодаря использованию современных алгоритмов, включающих элементы искусственного интеллекта. Большинство операций выполняется в квазиреальном времени, что дает возможность оперативной оценки магнитной активности, необходимой для формирования точных прогнозов. Разработанный АПК представляет собой первую систему, выполняющую подготовку квазиокончательных магнитограмм, а также распознавание и многокритериальную классификацию экстремальных геомагнитных явлений в автоматизированном режиме. Внедрение подобных интеллектуальных систем качественно выделяет российскую сеть обсерваторий по сравнению с мировым уровнем. Ведь на многих обсерваториях ИНТЕРМАГНЕТ и сейчас магнитограммы анализируются вручную, что приводит к существенной задержке (до двух лет) в подготовке окончательных данных.

Другим важным достоинством разработанного АПК является возможность объединения геомагнитных данных из разных источников. Наряду с наземными обсерваториями, глобальное покрытие магнитными измерениями обеспечивается низкоорбитальными спутниками. Текущая спутниковая группировка Swarm, выполняющая исследования магнитного поля Земли, была запущена в ноябре 2013 года с космодрома Плесецк при помощи российской ракеты-носителя «Рокот». Миссия Swarm состоит из трех идентичных аппаратов (рис. 3), разработанных Европейским космическим агентством. Основные цели миссии — измерение характеристик магнитного поля для исследования процессов в земном ядре, мантии, литосфере, океанах, ионосфере и магнитосфере.

Оборудование российских магнитных обсерваторий модернизируется для соответствия международным стандартам

Включение в разработанный АПК данных Swarm делает его инновационным инструментом для координированной обработки и совместного анализа наземных и спутниковых данных, тем самым существенно расширяя области его применения.

АПК является ядром аналитического Центра геомагнитных данных российского сегмента сети ИНТЕРМАГНЕТ. Комплекс базируется на последних достижениях в области мониторинга геофизических процессов и интеллектуального анализа данных. АПК построен по модульному принципу, обладает гибкостью и имеет большой потенциал для расширения функциональных возможностей. Технологические подходы, использованные при создании АПК, позволяют его легко тиражировать, превращая в стандартизированное решение.

Солнечный ветер и магнитосфера Земли (изображено не в масштабе) (предоставлено University of Waikato)

Основные функции АПК:

· автоматическая загрузка и систематизация исходных наземных и спутниковых магнитных измерений;

· автоматизированная фильтрация обсерваторских данных от искусственных помех и их верификация;

· распознавание, классификация и кодирование данных об экстремальных геомагнитных явлениях;

· модельные расчеты в режиме онлайн.

Схема функционирования АПК представлена на рис. 4.

Исходные и обработанные обсерваторские магнитограммы, данные от спутников, результаты анализа и модельных расчетов хранятся в единой реляционной базе данных под управлением СУБД. Это предоставляет большую гибкость при формировании запросов и обеспечивает удобный и гибкий интерактивный доступ ко всему массиву данных, хранящихся в базе. Такой подход реализован впервые и не имеет аналогов в зарубежных центрах.

Разработанная система обладает широкими возможностями визуализации геомагнитных данных, включая использование современного проекционного оборудования со сферическим экраном.

Концепция, заложенная в основу системы, соответствует современной парадигме развития информационных технологий в части обращения с «большими данными». АПК повышает скорость получения достоверных данных о магнитном поле Земли. Объединение информации, полученной из разных источников — наземных и спутниковых,- обеспечивает многообразие собираемых данных, а также увеличивает объем наших знаний о процессах, происходящих на планете. Функциональность АПК делает его исключительно востребованным инструментом для экспертов и представителей власти при оценке и снижении рисков, вызванных экстремальными геомагнитными явлениями.

АПК в 2014-2016 годах в рамках проекта «Разработка инновационной технологии и создание экспериментального образца аппаратно-программного комплекса для мониторинга экстремальных геомагнитных явлений с использованием наземных и спутниковых данных» (соглашение N14.607.21.0058) ФЦП Минобрнауки «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы».

Алексей Гвишиани, профессор, академик РАН, директор ФГБУН «Геофизический центр РАН»

Анатолий Александрович Соловьев, член-корреспондент РАН, заместитель директора ФГБУН «Геофизический центр РАН»

Магнитное поле Земли

Магнитосфера защищает поверхность Земли от заряженных частиц солнечного ветра и генерируется электрическими токами, расположенными во многих различных частях Земли. Он сжимается на дневной (солнечной) стороне за счет силы приходящих частиц и расширяется на ночной стороне. (Изображение не в масштабе.) Разница между магнитным севером и «истинным» севером.

Магнитное поле Земли (и поверхностное магнитное поле ) приблизительно представляет собой магнитный диполь с S-полюсом магнитного поля вблизи географического северного полюса Земли (см. Северный магнитный полюс) и другим северным полюсом магнитного поля рядом с географическим географическим полюсом Земли. южный полюс (см. Южный магнитный полюс).Благодаря этому компас можно использовать для навигации. Причину возникновения поля можно объяснить теорией динамо. Магнитное поле распространяется бесконечно, но ослабевает по мере удаления от источника. Магнитное поле Земли, также называемое геомагнитным полем , которое эффективно распространяется на несколько десятков тысяч километров в космос, формирует магнитосферу Земли. Палеомагнитное исследование австралийского красного дацита и подушечного базальта оценило возраст магнитного поля как минимум 3,5 миллиарда лет. [1] [2]

Предметное значение

Моделирование взаимодействия магнитного поля Земли с межпланетным магнитным полем.

Земля в значительной степени защищена от солнечного ветра, потока энергичных заряженных частиц, исходящих от Солнца, своим магнитным полем, которое отклоняет большинство заряженных частиц. Некоторые из заряженных частиц солнечного ветра задерживаются в радиационном поясе Ван Аллена. Меньшему количеству частиц солнечного ветра удается перемещаться, как по линии передачи электромагнитной энергии, в верхние слои атмосферы и ионосферу Земли в зонах полярных сияний.Единственный раз, когда солнечный ветер наблюдается на Земле, — это когда он достаточно силен, чтобы вызывать такие явления, как полярное сияние и геомагнитные бури. Яркие полярные сияния сильно нагревают ионосферу, заставляя ее плазму расширяться в магнитосферу, увеличивая размер плазменной геосферы и вызывая утечку атмосферного вещества в солнечный ветер. Геомагнитные бури возникают, когда давление плазмы, содержащейся внутри магнитосферы, достаточно велико, чтобы раздуваться и тем самым искажать геомагнитное поле.

Солнечный ветер отвечает за общую форму магнитосферы Земли, и колебания ее скорости, плотности, направления и увлекаемого магнитного поля сильно влияют на локальную космическую среду Земли. Например, уровни ионизирующего излучения и радиопомех могут варьироваться от сотен до тысяч раз; а форма и расположение магнитопаузы и головной ударной волны перед ней могут изменяться на несколько радиусов Земли, подвергая геосинхронные спутники прямому солнечному ветру.Эти явления собирательно называются космической погодой. Механизм атмосферного разрыва вызван захватом газа пузырьками магнитного поля, которые срываются солнечными ветрами. [3] Изменения напряженности магнитного поля коррелировали с изменением количества осадков в тропиках. [4]

Магнитные полюса и магнитный диполь

Основные статьи: Северный магнитный полюс и Южный магнитный полюс Магнитное склонение от истинного севера в 1700

Положение магнитных полюсов можно определить как минимум двумя способами [5] .

Часто магнитный (наклонный) полюс рассматривается как точка на поверхности Земли, где магнитное поле полностью вертикально. Другими словами, угол наклона поля Земли составляет 90 ° на северном магнитном полюсе и -90 ° на южном магнитном полюсе. На магнитном полюсе компас, удерживаемый в горизонтальной плоскости, указывает случайным образом, в то время как в противном случае он указывает почти на северный магнитный полюс или от Южного магнитного полюса, хотя существуют местные отклонения. Два полюса перемещаются независимо друг от друга и не находятся в прямо противоположных положениях на земном шаре.Магнитный полюс падения может быстро перемещаться, для Северного магнитного полюса [6] проводились наблюдения до 40 км в год.

Магнитное поле Земли можно точно описать полем магнитного диполя, расположенного рядом с центром Земли. Ориентация диполя определяется осью. Два положения, где ось диполя, которая лучше всего соответствует геомагнитному полю, пересекает поверхность Земли, называются Северным и Южным геомагнитными полюсами. Для наилучшего соответствия диполь, представляющий геомагнитное поле, должен быть размещен примерно в 500 км от центра Земли.Это заставляет внутренний радиационный пояс опускаться ниже в южной части Атлантического океана, где поверхностное поле является самым слабым, создавая то, что называется южноатлантической аномалией.

Если бы магнитное поле Земли было абсолютно дипольным, геомагнитный и магнитный полюса падения совпадали. Однако важные недиполярные члены в точном описании геомагнитного поля приводят к тому, что положения двух типов полюсов находятся в разных местах.

Характеристики поля

Напряженность поля у поверхности Земли составляет менее 30 микротеслов (0.3 гаусса) на территории, включающей большую часть Южной Америки и Южной Африки, до более чем 60 микротеслов (0,6 гаусса) вокруг магнитных полюсов в северной Канаде и на юге Австралии, а также в части Сибири. Средняя напряженность магнитного поля во внешнем ядре Земли составила 25 Гаусс, что в 50 раз сильнее, чем магнитное поле на поверхности. [9] [10]

Поле аналогично полю стержневого магнита. Магнитное поле Земли в основном вызвано электрическими токами в жидком внешнем ядре.Ядро Земли горячее, чем 1043 К, температура точки Кюри, выше которой ориентация спинов в железе становится случайной. Такая рандомизация приводит к потере намагниченности вещества.

Конвекция расплавленного железа во внешнем жидком ядре, наряду с эффектом Кориолиса, вызванным общим вращением планеты, имеет тенденцию организовывать эти «электрические токи» в валки, выровненные вдоль полярной оси север-юг. Когда проводящая жидкость течет через существующее магнитное поле, индуцируются электрические токи, которые, в свою очередь, создают другое магнитное поле.Когда это магнитное поле усиливает исходное магнитное поле, создается динамо-машина, которая поддерживает себя. Это называется теорией динамо, и она объясняет, как поддерживается магнитное поле Земли.

Еще одна особенность, которая магнитно отличает Землю от стержневого магнита, — это ее магнитосфера. На больших расстояниях от планеты преобладает поверхностное магнитное поле. Электрические токи, индуцированные в ионосфере, также создают магнитные поля. Такое поле всегда создается вблизи того места, где атмосфера находится ближе всего к Солнцу, вызывая ежедневные изменения, которые могут отклонять поверхностные магнитные поля на величину до одного градуса.Типичные ежедневные изменения напряженности поля составляют около 25 нанотесла (нТл) (т.е. ~ 1: 2 000), с вариациями в течение нескольких секунд, как правило, около 1 нТл (т.е. ~ 1: 50 000). [11]

Вариации магнитного поля

Геомагнитные вариации с момента последнего обращения.

Токи в ядре Земли, создающие ее магнитное поле, возникли по крайней мере 3 450 миллионов лет назад. [12] [13]

Магнитометры обнаруживают мельчайшие отклонения в магнитном поле Земли, вызванные железными артефактами, печами, некоторыми типами каменных построек и даже канавами и мусором в археологической геофизике.С помощью магнитных инструментов, адаптированных на основе бортовых детекторов магнитных аномалий, разработанных во время Второй мировой войны для обнаружения подводных лодок, были нанесены на карту магнитные вариации на дне океана. Базальт — богатая железом вулканическая порода, составляющая дно океана — содержит сильно магнитный минерал (магнетит) и может локально искажать показания компаса. Искажение было признано исландскими мореплавателями еще в конце 18 века. Что еще более важно, поскольку присутствие магнетита придает базальту измеримые магнитные свойства, эти магнитные вариации предоставили еще один способ изучения глубоководного дна океана.Когда вновь образованная порода охлаждается, такие магнитные материалы регистрируют магнитное поле Земли.

Часто магнитосфера Земли поражается солнечными вспышками, вызывающими геомагнитные бури, вызывающие проявления полярных сияний. Кратковременная нестабильность магнитного поля измеряется с помощью K-индекса.

Недавно в магнитном поле были обнаружены утечки, которые взаимодействуют с солнечным ветром Солнца способом, противоположным первоначальной гипотезе. Во время солнечных бурь это может привести к крупномасштабным отключениям электроэнергии и сбоям в работе искусственных спутников. [14]

См. Также Магнитная аномалия

Инверсия магнитного поля

Основная статья: Геомагнитная инверсия

Основываясь на изучении лавовых потоков базальта во всем мире, было предложено, что магнитное поле Земли периодически меняет направление на противоположное. от десятков тысяч до многих миллионов лет со средним интервалом примерно 300 000 лет. [15] Однако последнее подобное событие, получившее название инверсия Брюнес – Матуяма, произошло примерно 780 000 лет назад.

Нет четкой теории относительно того, как могли произойти геомагнитные инверсии. Некоторые ученые создали модели ядра Земли, в которых магнитное поле лишь квазистабильно, а полюса могут самопроизвольно перемещаться из одной ориентации в другую в течение от нескольких сотен до нескольких тысяч лет. Другие ученые предполагают, что геодинамо сначала отключается либо самопроизвольно, либо в результате какого-либо внешнего воздействия, такого как удар кометы, а затем перезапускается с магнитным «северным» полюсом, указывающим либо на север, либо на юг.Внешние события вряд ли будут обычными причинами инверсий магнитного поля из-за отсутствия корреляции между возрастом ударных кратеров и временем инверсий. Независимо от причины, когда магнитный полюс переключается из одного полушария в другое, это называется инверсией, тогда как временные изменения наклона диполя, которые перемещают ось диполя через экватор, а затем возвращаются к исходной полярности, известны как отклонения.

Исследования потоков лавы на горе Стинс, штат Орегон, показывают, что магнитное поле могло смещаться со скоростью до 6 градусов в день в какой-то момент истории Земли, что значительно усложняет популярное понимание того, как работает магнитное поле Земли. . [16]

Палеомагнитные исследования, подобные этим, обычно состоят из измерений остаточной намагниченности вулканических пород. Осадки, отложенные на дне океана, ориентируются в соответствии с местным магнитным полем, сигнал, который может быть записан по мере их застывания. Хотя залежи магматических пород в основном парамагнитны, они действительно содержат следы ферри- и антиферромагнитных материалов в виде оксидов железа, что дает им способность обладать остаточной намагниченностью.Фактически, эта характеристика довольно часто встречается во многих других типах горных пород и отложений, обнаруженных по всему миру. Один из наиболее распространенных оксидов, обнаруживаемых в природных отложениях горных пород, — магнетит.

В качестве примера того, как это свойство магматических пород позволяет нам определить, что поле Земли в прошлом менялось, рассмотрим измерения магнетизма на океанских хребтах. Прежде чем магма выйдет из мантии через трещину, она имеет чрезвычайно высокую температуру, превышающую температуру Кюри любого оксида железа, который она может содержать.Лава начинает остывать и затвердевать, когда попадает в океан, позволяя этим оксидам железа в конечном итоге восстановить свои магнитные свойства, в частности, способность удерживать остаточную намагниченность. Если предположить, что единственное магнитное поле, присутствующее в этих местах, связано с самой Землей, эта затвердевшая порода становится намагниченной в направлении геомагнитного поля. Хотя напряженность поля довольно мала, а содержание железа в типичных образцах горных пород невелико, относительно небольшая остаточная намагниченность образцов находится в пределах разрешающей способности современных магнитометров.Затем можно измерить возраст и намагниченность застывших образцов лавы, чтобы определить ориентацию геомагнитного поля в древние эпохи.

Обнаружение магнитного поля

Отклонения модели магнитного поля от данных измерений, данных, созданных спутниками с чувствительными магнитометрами

Напряженность магнитного поля Земли была измерена Карлом Фридрихом Гауссом в 1835 году и с тех пор неоднократно измерялась, показывая относительное ослабление около 10% за последние 150 лет. [17] Спутник Magsat и более поздние спутники использовали 3-осевые векторные магнитометры для исследования трехмерной структуры магнитного поля Земли. Более поздний спутник Эрстеда позволил провести сравнение, показывающее динамическое геодинамо в действии, которое, по-видимому, порождает альтернативный полюс под Атлантическим океаном к западу от Южной Африки. [18]

Правительства иногда используют подразделения, специализирующиеся на измерении магнитного поля Земли. Это геомагнитные обсерватории, обычно входящие в состав национальной геологической службы, например, обсерватория Эскдалемуир Британской геологической службы.Такие обсерватории могут измерять и прогнозировать магнитные условия, которые иногда влияют на связь, электроэнергию и другую деятельность человека. (См. Магнитную бурю.)

Международная сеть магнитных обсерваторий в реальном времени с более чем 100 взаимосвязанными геомагнитными обсерваториями по всему миру с 1991 года регистрирует магнитное поле Земли.

Военные определяют характеристики местного геомагнитного поля для обнаружения аномалии естественного фона, которые могут быть вызваны значительным металлическим объектом, например, затопленной подводной лодкой.Обычно эти детекторы магнитных аномалий используются в самолетах, таких как британский Nimrod, или буксируются в качестве инструмента или набора инструментов с надводных кораблей.

В коммерческих целях геофизические разведочные компании также используют магнитные детекторы для выявления естественных аномалий рудных тел, таких как Курская магнитная аномалия.

Животные, включая птиц и черепах, могут обнаруживать магнитное поле Земли и использовать это поле для навигации во время миграции. [19] Коровы и дикие олени склонны выстраивать свои тела с севера на юг во время отдыха, но не тогда, когда животные находятся под высоковольтными линиями электропередачи, что заставляет исследователей полагать, что причиной этого является магнетизм. Дайсон, П.Дж. (2009). «Биология: электрические коровы». Природа 458 (7237): 389. DOI: 10.1038 / 458389a. PMID 19325587.

Внешние ссылки

  • Уильям Дж. Брод, Будет ли компас на юг ?. New York Times, 13 июля 2004 г.
  • Джон Роуч, Почему меняется магнитное поле Земли ?. National Geographic, 27 сентября 2004 г.
  • Когда север идет на юг. Проекты в области научных вычислений, 1996.
  • Трехмерный симулятор заряженных частиц в магнитном поле Земли.Инструмент, предназначенный для трехмерного моделирования заряженных частиц в магнитосфере. [Требуется подключаемый модуль VRML]
  • Великий Магнит, Земля, История открытия магнитного поля Земли Дэвидом П. Стерном.
  • Исследование магнитосферы Земли, Образовательный веб-сайт Дэвида П. Стерна и Маурисио Передо

Инструменты миссии: электрические поля

Электрические поля

Описание атмосферного электрического поля
и его связи с опасностью молнии

Полевые мельницы

Mission Instruments имеют множество применений, но наиболее заметным из них является их использование для определения вероятности удара молнии поблизости.Молния вызывается разделением электрических зарядов в атмосфере. Интенсивность этого разделения зарядов может быть определена путем измерения электрического поля, которое выполняется с помощью полевой мельницы. Таким образом, мониторинг электрического поля может предупредить людей о потенциально опасной ситуации до того, как произойдет первая молния. Ниже приводится описание процесса.

В ясный день, когда атмосфера свободна от грозовых облаков, основным источником электрического заряда, создающим электрическое поле на поверхности Земли, является ионосфера.Это можно представить как большой куполообразный электрод высоко над землей, который производит положительные заряды, которые контрастируют с относительно отрицательно заряженной землей. Этот сценарий создает так называемое электрическое поле «хорошей погоды» из-за накладных расходов положительного заряда. Когда это «чистое» поле измеряется полевой мельницей EFS 1001, можно увидеть, что оно дает выходную мощность от 50 до примерно 200 вольт на метр («В / м»). Это значение меняется в зависимости от условий в атмосфере, а также изменяется из-за «местных эффектов».Такие эффекты вызываются чем-либо, что может нести электрический заряд, включая, помимо прочего, атмосферный объемный заряд, пыль, дым, мусор и т. Д. Обычно, однако, поле остается в пределах от -50 до -200 В / м во время ярмарки или без нее. Бурная погода.

Однако, когда образуются грозовые облака, процессы в их окрестностях вызывают образование отрицательных электрических зарядов (противоположных ионосфере) в основании облака. По мере накопления заряда создается электрическое поле «ненастной погоды», которое нарастает и затем начинает нейтрализовать поле «хорошей погоды».По мере того, как он строится дальше, он становится во много раз больше, чем поле хорошей погоды. Именно это электрическое поле «непогоды» усиливается до такой степени, что воздух больше не может изолировать противоположные заряды. Наконец, положительный и отрицательный заряды внезапно сближаются через любое удобное «слабое место» в атмосфере. Это энергетический разряд, который мы называем молнией.

Электрические поля в ненастную погоду могут достигать значений более 10 000 вольт на метр на земле во время шторма.

Это разделение положительных и отрицательных электрических зарядов на большие группы, что создает опасность молнии. Эти группы противоположной полярности, естественно, притягиваются друг к другу, но удерживаются друг от друга изолирующими свойствами атмосферы. По мере того, как эти группы растут во время формирования шторма, сила их притяжения может превышать способность атмосферы удерживать их разделенными. Молния — это внезапная интенсивная электрическая рекомбинация этих групп, которая происходит при достижении этой точки.Локальное электрическое поле изменяется пропорционально силе этих групп и их расстоянию от измерительного устройства, поэтому его измерение дает представление о вероятности возникновения молнии. Сильное электрическое поле указывает на то, что ситуация способствует образованию молнии.

Это слишком упрощенное объяснение того, что на самом деле является очень сложным процессом. Однако ясно, что определение местного электрического поля может сыграть важную роль в определении вероятности возникновения молнии в определенной области Земли.

Военные и другие правительственные учреждения определили, что электрические поля выше 2000 В на метр создают наибольшую угрозу молнии. Многие операционные центры имеют требования прекратить и обезопасить определенные операции, когда электрическое поле достигает этого числа, чтобы уменьшить ущерб или травмы, вызванные молнией. Сильное показание электрического поля не гарантирует, что произойдет молния, а только то, что условия способствуют ее возникновению.

Эксперименты показали, что из-за относительно большого размера грозовых облаков электрическое поле не сильно меняется на малых расстояниях.Если электрическое поле достигло значения 2000 вольт на метр в одном месте (опасный уровень), будет разумно предположить, что уровень опасен для нескольких миль, по крайней мере, в любом направлении. Аналогичным образом, если уровень ниже 500 В на метр (относительно безопасный уровень), можно предположить, что опасность невелика на протяжении по крайней мере нескольких миль.

Несмотря на то, что предсказать фактический удар молнии сложно, если не невозможно, независимо от того, какой метод используется, мониторинг местного электрического поля наряду с некоторой интерпретацией и опытом может быть одним из лучших способов определить, насколько вероятно, что молния поразит область.

Вариации электрического поля во время типичной грозы показаны на рисунке 1. До 22:40 поле слабое и положительное (полярность при хорошей погоде), но небольшие «выпуклости» указывают на далекие молнии. Вероятно, в настоящее время местная угроза все еще невысока. В 22:40 поле «пересекает ноль» и начинает расти. Вот когда нужно приготовиться укрыться. Около 2250 г. поле превышает 2 кВ / м, и угрозу следует рассматривать как серьезную. Небольшие «удары» из-за далекой молнии часто отсутствуют, особенно если скопление происходит прямо над головой и молния еще не началась.Здесь важен средний уровень поля.

По мере нарастания шторма физическое расположение заряженных тел (облаков) в сочетании с различными эффектами, которые они оказывают на местную атмосферу, может создавать различные модели нарастания электрического поля. Кроме того, когда молния ударяет либо между карманами облачных зарядов, либо между этими карманами и землей, это вызывает сильное изменение электрического поля, видимое полевой мельницей. Эти изменения, часто происходящие быстро и недолго, могут многократно перемещать поле между справедливой и опасной полярностями во время шторма, что можно наблюдать между 23:00 и 23:30.Примерно после 2341 года молний не происходит. Это типично для поведения в конце шторма, хотя серьезная угроза все еще существует. В эту фазу шторма часто случаются молнии. Для оптимальной безопасности следует подождать, пока сильные поля не спадут, примерно на 20 минут или больше. Иногда шторм может «возобновиться», или второй шторм может надвигаться, когда другой уходит. Монитор ALB 101 предназначен для поддержания активности предупреждения в течение этого времени, чтобы гарантировать, что угроза миновала.

Более подробные описания атмосферных электрических полей на уровне земли во время и вблизи гроз можно найти в многочисленных текстах и ​​научных публикациях, связанных с атмосферным электричеством.

Рисунок 1.

Калькуляторы магнитного поля Земли — Инструкции

Вычислить значения магнитного поля Земли

Онлайн-калькуляторы для оценки текущих и прошлых значений магнитного поля.

Если вам нужно только магнитное склонение (склонение) для одного дня с 1900 г. по настоящее время, посетите наш
калькулятор склонения.

Если вам нужны все семь компонентов магнитного поля для одного дня или диапазона лет с 1900 г. по настоящее время, посетите наш
Калькулятор магнитного поля. Пожалуйста, прочтите приведенные ниже инструкции перед использованием этого калькулятора.

Калькулятор исторического склонения США Этот калькулятор использует модели склонения США для вычисления склонения только для соседних США с 1750 года по настоящее время.Из-за различий в доступности данных (записанных наблюдений магнитного поля) в западной части США могут не быть значений до начала 1800-х годов.

Вы также можете
вычислить значения для области. Увидеть
инструкции для области.

Солнечные возмущения могут вызывать значительные расхождения между расчетными и фактическими значениями поля. Вы можете проверить текущие солнечные условия в NOAA.
Центр прогнозов космической погоды.

Значения вычисляются с использованием текущего Международного Геомагнетическая опорного поля, принятый
Международная ассоциация геомагнетизма и аэрономии. Значения являются оценочными, основанными на IGRF10, и обычно точны с точностью до 30 угловых минут для D и I и 100–250 нТл для силовых элементов (F, H, Z, X и Y).

Требуется ввести:

  1. Местоположение (широта и долгота), введенное в десятичных градусах или
    градусы, минуты и секунды (целые числа, разделенные пробелами).Примечание
    : если вы не знаете свою широту и долготу и живете в Соединенных Штатах, введите свой почтовый индекс в соответствующее поле и используйте кнопку «Получить местоположение» или поля выбора страны и города слева. Также предоставляются ссылки на Газетир США и Тезаурус Getty, хорошие источники информации о широте и долготе для США и мира соответственно.
  2. Высота (рекомендуется для самолетов и спутников) в футах, метрах или километрах над средним уровнем моря.
  3. Дата в году, месяце, дне (по умолчанию используется текущий день). Есть две записи даты, позволяющие вычислить значения магнитного поля в течение ряда лет. Обе даты по умолчанию равны текущему дню.
    Если вам нужны только текущие значения поля, ничего больше вводить не нужно!
    Если вы хотите узнать значения магнитного поля за определенный период (например, с 1967 по 2017 год), введите
    самая старая дата в поле «Дата начала» и самая последняя дата в поле «Дата начала».
    Поле даты окончания.
  4. Размер шага даты (используется только для диапазона лет) — это количество лет между расчетами. Например, если вы хотите знать значения магнитного поля с 1967 по 2017 год для каждых двух лет, введите 1967 в качестве года начала, 2017 в качестве года окончания и 2 для размера шага.
  5. Чтобы вычислить значения полей, нажмите Compute! Кнопка .

Результаты включают семь параметров полей и текущие темпы изменения за последний год:

  • Наклонение (D) положительное на восток, в градусах и минутах

    Годовое изменение (dD) на положительный восток, в минутах в год
  • Наклон (I) положительный вниз, в градусах и минутах

    Годовое изменение (dI) положительное снижение, в минутах в год
  • Горизонтальная интенсивность (H), в нанотеслах
    Годовое изменение (dH) в нанотеслах в год
  • Север Компонент H (X), положительный север, в нанотеслах
    Годовое изменение (dX) в нанотеслах в год
  • Восток Компонент H (Y), положительный восток, в нанотеслах
    Годовое изменение (dY) в нанотеслах в год
  • Вертикальная интенсивность (Z), положительная вниз, в нанотеслах
    Годовое изменение (dZ) в нанотеслах в год
  • Общее поле (F), в нанотеслах
    Годовое изменение (dF) в нанотеслах в год

Вы можете увидеть дополнительную информацию о необходимом вводе или
полученные результаты.Для получения дополнительной информации о магнетизме, настройке компаса, вычислении пеленгов, пожалуйста, посетите наш
Страница ответов на часто задаваемые вопросы (FAQ). Перейти к
Вычислить значения поля.

Вернуться к началу страницы


Требуемый ввод

Ввод информации о местоположении

Если вас интересует местоположение в США, вы можете ввести свой почтовый индекс в отведенное для этого поле и нажать кнопку «Получить местоположение».Широта и долгота для этого почтового индекса (который хранится в Бюро переписи населения США) будут автоматически подставлены в область местоположения. Если значение не отображается, вероятно, возникла проблема с получением местоположения для введенного почтового индекса. В этом случае введите широту и долготу прямо в соответствующие поля.

Если вы вводите местоположение в градусах, минутах и ​​секундах,
введите значения для всех трех — через пробел — даже если значение равно нулю .Например, если ваше местоположение находится на широте 35 ° 30 ‘0 «, введите 35 30 0. Помните, что в минуте 60 секунд и 60 минут в градусе, поэтому 35 ° 30’ 0» эквивалентно 35,500.
Не вводите в поле обозначения N, S, E или W. Вместо этого убедитесь, что для вашего местоположения установлен правильный выбор справа от поля. N — широта северного полушария, S — широта южного полушария, W — долгота западного полушария, E — долгота восточного полушария.США (в основном) расположены в северном (северном) и западном (западном) полушарии.

Широта колеблется от 90 ° южной широты (южный полюс) до 90 ° северной широты (северный полюс), где 0 ° означает экватор. Долгота колеблется от 0 ° (Гринвич, Англия) к востоку через 90 ° восточной долготы (Бангладеш) до 180 градусов и к западу через Атлантику до 90 ° западной долготы (Джексон, Мичиган) и до 180 градусов западной долготы. Например, местоположение Луисвилля, штат Кентукки, США: 38,2247 ° с.ш., 85,7412 ° з.д., также выражаемое как 38 ° 13 ’29 «северной широты, 85 ° 44′ 28» западной долготы.

Ввод информации о дате

Имеются две записи даты, позволяющие вычислить значения магнитного поля в течение ряда лет. Если вам нужен диапазон дат, введите самую старую дату в поле «Дата начала», самую последнюю дату в поле «Дата окончания» и введите количество лет между вычислениями в поле «Размер шага даты». Например, если вы хотите знать значения магнитного поля с 1900 по 2017 год с интервалом в 3 года, введите 1900 1 1 в качестве даты начала, 2017 1 1 в качестве даты окончания и 3 в качестве размера шага.Дата окончания должна быть больше или равна дате начала. Не вводите размер шага (по умолчанию — ноль), если вы не вычисляете диапазон лет.

Модель магнитного поля IGRF обновляется каждые 5 лет, чтобы обеспечить возможность прямого вычисления магнитного поля. Например, IGRF12, принятый в 2005 году, действовал до 1 января 2020 года. Если вы введете дату окончания, превышающую допустимый период модели, вы получите сообщение об ошибке с просьбой ввести действительную дату.

Ввод отметки

Высота особенно важна при вычислении магнитного поля на самолетах или на больших высотах.Если вы не уверены в своей высоте и интересуетесь местоположением на поверхности Земли, достаточно значения по умолчанию 0. Введите высоту в километрах (от -1 до 600)

Нажмите кнопку «Вычислить» , когда будете готовы.

Вернуться к началу страницы

Площадь ввода

Чтобы вычислить значения полей для области, введите самую северную и самую южную широту, размер шага для широты, самую западную и самую восточную долготу и размер шага для долготы.Например, если вас интересует сетка склонений для континентальной части США со значениями, рассчитанными через каждые 5 градусов широты и долготы, вы должны ввести (щелкните пример, чтобы увеличить изображение):

Вернуться к началу страницы


Чтение результатов

магнитные параметры склонение, наклон, горизонтальный компонент, к северу компонента, восточный компонент, вертикальный компонент, и суммарное поле (D, I, H, X, Y, Z и Р) вычисляются на основе последнего Международные геомагнитного поля ссылки ( IGRF) модель главного магнитного поля Земли.Точность угловых составляющих (склонение, D и наклон, I) указывается в градусах и минутах дуги и обычно находится в пределах 30 минут. Точность компонентов силы (горизонтальная — H, север — X, восточная — Y, вертикальная — Z и общая сила — F) обычно находится в пределах от 100 до 250 нанотесла.
Местные нарушения и попытки использовать модель за пределами допустимого диапазона дат могут привести к большим ошибкам. Перед использованием IGRF прочтите «Предупреждение о вреде для здоровья».
Условные обозначения, используемые повсюду: склонение (D) положительное значение на восток, наклонение (I) и вертикальная интенсивность (Z) положительное значение вниз, северный компонент (X) положительный север и восточный компонент (Y) положительный восток.Горизонтальная (H) и общая (F) интенсивности всегда положительны.
Подробнее о параметрах магнитного поля Земли см.
Часто задаваемые вопросы.


Вернуться к началу страницы

Проводники и электрические поля в статическом равновесии

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Перечислите три свойства проводника в электростатическом равновесии.
  • Объясните влияние электрического поля на свободные заряды в проводнике.
  • Объясните, почему внутри проводника не может быть электрического поля.
  • Опишите электрическое поле, окружающее Землю.
  • Объясните, что происходит с электрическим полем, приложенным к нестандартному проводнику.
  • Опишите, как работает громоотвод.
  • Объясните, как металлический автомобиль может защитить находящихся внутри пассажиров от опасных электрических полей, возникающих из-за того, что сбитая линия соприкасается с автомобилем.

Проводники содержат бесплатные заряды, которые легко перемещаются. Когда на проводник помещается избыточный заряд или проводник помещается в статическое электрическое поле, заряды в проводнике быстро реагируют, достигая устойчивого состояния, называемого электростатическим равновесием.

На рис. 1 показано влияние электрического поля на свободные заряды в проводнике. Свободные заряды движутся до тех пор, пока поле не станет перпендикулярно поверхности проводника. В электростатическом равновесии не может быть компонента поля, параллельного поверхности, поскольку, если бы она была, это привело бы к дальнейшему перемещению заряда.Показан положительный свободный заряд, но свободные заряды могут быть как положительными, так и отрицательными, и, фактически, в металлах они отрицательны. Движение положительного заряда эквивалентно движению отрицательного заряда в противоположном направлении.

Рис. 1. Когда электрическое поле E приложено к проводнику, свободные заряды внутри проводника перемещаются до тех пор, пока поле не станет перпендикулярным поверхности. (а) Электрическое поле — это векторная величина, имеющая как параллельные, так и перпендикулярные компоненты. Параллельная составляющая (E∥) воздействует на свободный заряд q силой (F∥), которая перемещает заряд до тех пор, пока F∥ = 0.(б) Получающееся поле перпендикулярно поверхности. Свободный заряд был доставлен к поверхности проводника, в результате чего электростатические силы остались в равновесии.

Проводник, помещенный в электрическое поле, будет поляризован. На рисунке 2 показан результат помещения нейтрального проводника в первоначально однородное электрическое поле. Поле усиливается около проводника, но полностью исчезает внутри него.

Рис. 2. На этом рисунке показан сферический проводник в статическом равновесии с первоначально однородным электрическим полем.Свободные заряды движутся внутри проводника, поляризуя его, пока силовые линии электрического поля не станут перпендикулярны поверхности. Силовые линии заканчиваются избыточным отрицательным зарядом на одном участке поверхности и снова начинаются на избыточном положительном заряде на противоположной стороне. Внутри проводника отсутствует электрическое поле, так как свободные заряды в проводнике будут продолжать двигаться в ответ на любое поле, пока оно не будет нейтрализовано.

Предупреждение о заблуждении: электрическое поле внутри проводника

Избыточные заряды, помещенные на сферический проводник, отталкиваются и перемещаются до тех пор, пока не будут равномерно распределены, как показано на рисунке 3.Избыточный заряд выталкивается на поверхность до тех пор, пока поле внутри проводника не станет нулевым. Вне проводника поле точно такое же, как если бы проводник был заменен точечным зарядом в его центре, равным избыточному заряду.

Рис. 3. Взаимное отталкивание избыточных положительных зарядов сферического проводника равномерно распределяет их по его поверхности. Возникающее электрическое поле перпендикулярно поверхности и равно нулю внутри. Вне проводника поле идентично полю точечного заряда в центре, равного избыточному заряду.

Свойства проводника в электростатическом равновесии

  1. Электрическое поле внутри проводника равно нулю.
  2. Сразу за проводником силовые линии электрического поля перпендикулярны его поверхности и заканчиваются или начинаются на зарядах на поверхности.
  3. Любой избыточный заряд полностью находится на поверхности или поверхностях проводника.

Свойства проводника согласуются с уже обсужденными ситуациями и могут использоваться для анализа любого проводника в электростатическом равновесии.Это может привести к новым интересным открытиям, например, описанным ниже.

Как можно создать очень однородное электрическое поле? Рассмотрим систему из двух металлических пластин с противоположными зарядами на них, как показано на рисунке 4. Свойства проводников в электростатическом равновесии показывают, что электрическое поле между пластинами будет однородным по силе и направлению. За исключением краев, избыточные заряды распределяются равномерно, создавая силовые линии, равномерно распределенные (следовательно, однородные по силе) и перпендикулярные поверхностям (следовательно, однородные по направлению, поскольку пластины плоские).Краевые эффекты менее важны, когда пластины расположены близко друг к другу.

Рис. 4. Две металлические пластины с равными, но противоположными избыточными зарядами. Поле между ними одинаково по силе и направлению, за исключением краев. Одно из применений такого поля — создание равномерного ускорения зарядов между пластинами, например, в электронной пушке телевизионной лампы.

Электрическое поле Земли

Рис. 5. Электрическое поле Земли. (а) Поле хорошей погоды. Земля и ионосфера (слой заряженных частиц) являются проводниками.Они создают однородное электрическое поле около 150 Н / Кл. (Источник: Д. Х. Паркс) (б) Штормовые поля. При наличии грозовых облаков местные электрические поля могут быть больше. В очень сильных полях изолирующие свойства воздуха нарушаются, и может возникнуть молния. (кредит: Ян-Йуст Верхоф)

Землю окружает почти однородное электрическое поле приблизительно 150 N / C, направленное вниз, которое окружает Землю, и его величина немного увеличивается по мере приближения к поверхности. Что вызывает электрическое поле? На высоте около 100 км над поверхностью Земли находится слой заряженных частиц, называемый ионосферой.Ионосфера ответственна за ряд явлений, включая электрическое поле, окружающее Землю. В хорошую погоду ионосфера является положительной, а Земля в значительной степени отрицательной, поддерживая электрическое поле (рис. 5а).

В штормовых условиях образуются облака, и локализованные электрические поля могут быть больше и меняются по направлению (рис. 5b). Точное распределение заряда зависит от местных условий, и возможны вариации рисунка 5b.

Если электрическое поле достаточно велико, изолирующие свойства окружающего материала нарушаются, и он становится проводящим.Для воздуха это происходит примерно при 3 × 10 6 N / C. Воздух ионизирует ионы, и электроны рекомбинируют, и мы получаем разряд в виде искр молнии и коронного разряда.

Электрические поля на неровной поверхности

До сих пор мы рассматривали избыточные заряды на гладкой симметричной поверхности проводника. Что будет, если у проводника острые углы или заостренный? Избыточные заряды на неоднородном проводнике концентрируются в самых острых точках. Кроме того, избыточный заряд может перемещаться по проводнику или с него в самых острых местах.

Чтобы увидеть, как и почему это происходит, рассмотрим заряженный проводник на рис. 6. Электростатическое отталкивание одинаковых зарядов наиболее эффективно при раздвигании их на самой плоской поверхности, поэтому они становятся наименее концентрированными там. Это связано с тем, что силы между идентичными парами зарядов на обоих концах проводника идентичны, но компоненты сил, параллельных поверхностям, различны. Компонент, параллельный поверхности, больше всего на самой плоской поверхности и, следовательно, более эффективен при перемещении заряда.

Такой же эффект производит на проводник внешнее электрическое поле, как показано на рисунке 6c. Поскольку силовые линии должны быть перпендикулярны поверхности, их больше сосредоточено на наиболее изогнутых частях.

Рис. 6. Избыточный заряд на неоднородном проводнике больше всего концентрируется в месте наибольшей кривизны. (а) Силы между идентичными парами зарядов на обоих концах проводника идентичны, но компоненты сил, параллельных поверхности, различны.Именно F раздвигает заряды, когда они достигают поверхности. (b) F имеет наименьшее значение на более остром конце, заряды оставлены ближе друг к другу, создавая показанное электрическое поле. (c) Незаряженный проводник в первоначально однородном электрическом поле поляризован с наиболее концентрированным зарядом на его самом остром конце.

Применение проводников

Рис. 7. Заостренный проводник имеет большую концентрацию заряда на острие. Электрическое поле очень сильное в точке и может оказывать достаточно большую силу, чтобы переносить заряд на проводник или с него.Громоотводы используются для предотвращения накопления больших избыточных зарядов на конструкциях и, таким образом, являются заостренными.

На очень сильно изогнутой поверхности, такой как показано на рисунке 7, заряды так сконцентрированы в точке, что возникающее электрическое поле может быть достаточно большим, чтобы удалить их с поверхности. Это может быть полезно.

Молниеотводы работают лучше всего, когда они наиболее острыми. Большие заряды, создаваемые грозовыми облаками, вызывают противоположный заряд в здании, что может привести к удару молнии в здание.Индуцированный заряд постоянно сбрасывается с помощью громоотвода, предотвращая более драматический удар молнии.

Конечно, иногда мы хотим предотвратить передачу заряда, а не облегчить ее. В этом случае проводник должен быть очень гладким и иметь как можно больший радиус кривизны. (См. Рис. 8.) Гладкие поверхности используются на высоковольтных линиях электропередачи, например, для предотвращения утечки заряда в воздух.

Еще одно устройство, использующее некоторые из этих принципов, — клетка Фарадея.Это металлический экран, закрывающий объем. Все электрические заряды будут находиться на внешней поверхности этого экрана, а внутри не будет электрического поля. Клетка Фарадея используется для предотвращения влияния паразитных электрических полей в окружающей среде на чувствительные измерения, такие как электрические сигналы внутри нервной клетки.

Во время грозы, если вы ведете машину, лучше всего оставаться внутри машины, поскольку ее металлический корпус действует как клетка Фарадея с нулевым электрическим полем внутри.Если в непосредственной близости от удара молнии, ее воздействие ощущается снаружи автомобиля, а внутренняя часть остается неизменной, если вы остаетесь полностью внутри. Это также верно, если активный («горячий») электрический провод был оборван (во время шторма или аварии) и упал на вашу машину.

Рис. 8. (a) Громоотвод направлен для облегчения передачи заряда. (предоставлено: Romaine, Wikimedia Commons) (b) Этот генератор Ван де Граафа имеет гладкую поверхность с большим радиусом кривизны, чтобы предотвратить передачу заряда и позволить генерировать большое напряжение.Взаимное отталкивание одинаковых зарядов проявляется в волосах человека при прикосновении к металлической сфере. (Источник: Джон «ShakataGaNai» Дэвис / Wikimedia Commons).

Сводка раздела

  • Проводник позволяет свободным зарядам перемещаться внутри себя.
  • Электрические силы вокруг проводника заставят свободные заряды перемещаться внутри проводника до тех пор, пока не будет достигнуто статическое равновесие.
  • Любой избыточный заряд будет собираться на поверхности проводника.
  • Проводники с острыми углами или концами собирают больше заряда в этих точках.
  • Громоотвод — это проводник с заостренными концами, который накапливает на здании избыточный заряд, вызванный грозой, и позволяет ему рассеиваться обратно в воздух.
  • Электрические бури возникают, когда электрическое поле поверхности Земли в определенных местах становится более заряженным из-за изменений изолирующего эффекта воздуха.
  • Клетка Фарадея действует как щит вокруг объекта, предотвращая проникновение электрического заряда внутрь.

Концептуальные вопросы

  1. Является ли объект на рис. 9 проводником или изолятором? Обосновать ответ.

    Рисунок 9.

  2. Линии внешнего поля, входящие в объект с одного конца и выходящие с другого, показаны линиями.
    Если бы силовые линии электрического поля на рисунке выше были перпендикулярны объекту, был бы он обязательно проводником? Объяснять.
  3. Обсуждение электрического поля между двумя параллельными проводящими пластинами в этом модуле утверждает, что краевые эффекты менее важны, если пластины расположены близко друг к другу. Что значит закрыть? То есть действительно ли решающее значение имеет фактическое разделение пластин или отношение расстояния между пластинами к площади пластины?
  4. Будет ли само созданное электрическое поле на конце заостренного проводника, такого как громоотвод, снимать положительный или отрицательный заряд с проводника? Будет ли такой же знаковый заряд быть удален с нейтрального остроконечного проводника путем приложения аналогичного внешнего электрического поля? (Ответы на оба вопроса имеют значение для точек использования переноса заряда.)
  5. Почему гольфистка с металлической клюшкой на плече уязвима для удара молнии на открытом фарватере? Будет ли ей безопаснее под деревом?
  6. Может ли пояс ускорителя Ван де Граафа быть проводником? Объяснять.
  7. Вы относительно защищены от удара молнии внутри автомобиля? Назовите две причины.
  8. Обсудите плюсы и минусы заземления громоотвода по сравнению с простым прикреплением к зданию.
  9. Используя симметрию расположения, покажите, что чистая кулоновская сила, действующая на заряд [латекс] q [/ латекс] в центре квадрата ниже (Рис. 10), равна нулю, если заряды на четырех углах точно равны.

    Рис. 10. Четыре точечных заряда q a , q b , q c и q d лежат по углам квадрата, а q находится в его центре.

  10. (a) Используя симметрию расположения, покажите, что электрическое поле в центре квадрата на Рисунке 10 равно нулю, если заряды в четырех углах точно равны. (b) Покажите, что это также верно для любой комбинации зарядов, в которой q a = q b и q b = q c
  11. (a) Каково направление полной кулоновской силы на q на рисунке 10, если q отрицательное, q a = q c и оба отрицательные, и q b = q c и оба положительный? б) Каково направление электрического поля в центре квадрата в этой ситуации?
  12. Рассматривая рисунок 10, предположим, что q a = q d и q b = q c .Сначала покажите, что q находится в статическом равновесии. (Вы можете пренебречь силой тяжести.) Затем обсудите, является ли равновесие стабильным или нестабильным, отметив, что это может зависеть от знаков зарядов и направления смещения q от центра квадрата.
  13. Если q a = 0 на рисунке 10, при каких условиях не будет чистой кулоновской силы на q?
  14. В регионах с низкой влажностью у человека развивается особая «хватка» при открывании дверей автомобиля или касании металлических дверных ручек.Для этого нужно положить на устройство как можно большую часть руки, а не только кончики пальцев. Обсудите индуцированный заряд и объясните, почему это происходит.
  15. Пункты взимания платы за проезд на дорогах и мостах обычно имеют перед собой втыканный в тротуар кусок проволоки, который при приближении касается автомобиля. Зачем это делается?
  16. Предположим, женщина несет лишний заряд. Может ли она стоять на земле в любой обуви для поддержания своего заряженного статуса? Как бы вы уволили ее? Каковы будут последствия, если она просто уйдет?

Задачи и упражнения

  1. Изобразите линии электрического поля вблизи проводника на рис. 11, учитывая, что поле изначально было однородным и параллельно длинной оси объекта.Является ли результирующее поле маленьким возле длинной стороны объекта?

    Рисунок 11

  2. Изобразите линии электрического поля вблизи проводника на рис. 12, учитывая, что поле изначально было однородным и параллельно длинной оси объекта. Является ли результирующее поле маленьким возле длинной стороны объекта?

    Рисунок 12.

  3. Изобразите электрическое поле между двумя проводящими пластинами, показанными на рисунке 13, при условии, что верхняя пластина является положительной, а на нижней пластине находится равное количество отрицательного заряда.Обязательно укажите распределение заряда на пластинах.

    Рисунок 13.

  4. Изобразите линии электрического поля вблизи заряженного изолятора на Рисунке 14, отметив его неоднородное распределение заряда.

    Рис. 14. Заряженный изолирующий стержень, который может быть использован в демонстрации в классе.

  5. Какова сила, действующая на заряд, расположенный в точке x = 8,00 см на рисунке 15a, при q = 1,00 мкКл?

    Рис. 15. (a) Точечные заряды, расположенные в точках 3.00, 8.00 и 11,0 см по оси абсцисс. (b) Точечные заряды, расположенные на расстоянии 1,00, 5,00, 8,00 и 14,0 см по оси абсцисс.

  6. (a) Найдите полное электрическое поле при x = 1,00 см на рисунке 15b, учитывая, что q = 5,00 нКл. (b) Найдите полное электрическое поле при x = 11,00 см на рисунке 15b. (c) Если заряды могут двигаться и в конечном итоге останавливаться за счет трения, какова будет окончательная конфигурация заряда? (То есть будет ли однократная зарядка, двойная зарядка и т. Д. И каковы будут их значения?)
  7. (a) Найдите электрическое поле при x = 5.00 см на рисунке 15а, при q = 1,00 мкКл. (b) В каком положении между 3,00 и 8,00 см полное электрическое поле такое же, как и для одного только −2q? (c) Может ли электрическое поле быть нулевым в диапазоне от 0,00 до 8,00 см? (d) При очень больших положительных или отрицательных значениях x электрическое поле приближается к нулю как в (a), так и (b). В каких случаях он наиболее быстро приближается к нулю и почему? (e) В каком месте справа от 11,0 см полное электрическое поле равно нулю, кроме как на бесконечности? (Подсказка: графический калькулятор может значительно помочь в решении этой проблемы.)
  8. (a) Найдите полную кулоновскую силу на заряде 2,00 нКл, расположенном в точке x = 4,00 см на рисунке 15b, учитывая, что q = 1,00 мкКл. (b) Найдите положение x, в котором электрическое поле равно нулю на рисунке 15b.
  9. Используя симметрию расположения, определите направление силы на q на рисунке ниже, учитывая, что q a = q b = +7,50 мкКл и q c = q d = -7,50 мкКл . (б) Рассчитайте величину силы, действующей на заряд q, учитывая, что квадрат равен 10.0 см сбоку и q = 2,00 мкКл.

    Рисунок 16.

  10. (a) Используя симметрию расположения, определите направление электрического поля в центре квадрата на рисунке, учитывая, что q a = q b = -1,00 мкКл и q c = q d = +1,00 мкКл. (b) Рассчитайте величину электрического поля в точке q, учитывая, что квадрат со стороной 5,00 см.
  11. Найдите электрическое поле в точке q a на рисунке 16, учитывая, что q b = q c = q d = +2.00 нКл, q = -1,00 нКл, и квадрат со стороной 20,0 см.
  12. Найдите полную кулоновскую силу, действующую на заряд q на рисунке 16, учитывая, что q = 1,00 мкКл, q a = 2,00 мкКл, q b = -3,00 мкКл, q c = -4,00 мкКл и q d = +1,00 мкКл. Сторона квадрата 50,0 см.
  13. (a) Найдите электрическое поле в точке q a на рисунке 17, учитывая, что q b = +10,00 мкКл и q c = –5,00 мкКл. (b) Какая сила действует на q a , учитывая, что q a = +1.50 нКл?

    Рис. 17. Точечные заряды, расположенные в углах равностороннего треугольника со стороной 25,0 см.

  14. (a) Найдите электрическое поле в центре треугольной конфигурации зарядов на рисунке 17, учитывая, что q a = +2,50 нКл, q b = -8,00 нКл и q c = +1,50 нКл. . (b) Существует ли какая-либо комбинация зарядов, кроме q a = q b = q c , которая создаст электрическое поле нулевой напряженности в центре треугольной конфигурации?

Глоссарий

проводник: объект со свойствами, позволяющими зарядам свободно перемещаться внутри него

бесплатный заряд: электрический заряд (положительный или отрицательный), который может перемещаться отдельно от своей основной молекулы.

электростатическое равновесие: электростатически сбалансированное состояние, в котором все свободные электрические заряды перестали двигаться примерно

поляризованный: состояние, в котором положительные и отрицательные заряды в объекте собраны в разных местах

Ионосфера: слой заряженных частиц, расположенный примерно в 100 км над поверхностью Земли, который отвечает за ряд явлений, включая электрическое поле, окружающее Землю.

Клетка Фарадея: металлический экран, предотвращающий проникновение электрического заряда на ее поверхность

Избранные решения проблем и упражнения

6.(а) E x = 1,00 см = −∞; (б) 2,12 × 10 5 N / C; (c) один заряд + q

8. а — 0,252 Н влево; (б) x = 6,07 см

10. (a) Электрическое поле в центре квадрата будет направлено вверх, поскольку q a и q b положительны, а q c и q d отрицательны и все имеют одинаковую величину. ; (б) 2,04 × 10 7 НЗ (вверх)

12. 0.102 N, в направлении −y

14.{\ circ} \\ [/ latex], ниже горизонтали; (б) №

Характеристики атмосферного электрического поля и корреляция с CO 2 в сельской местности на юге Балкан | Земля, планеты и космос

Наблюдения PG и выбор набора FW

На рис. 2 представлена ​​гистограмма почасовых средних значений PG в интервале 10 В м −1 за период с июня 2011 г. по май 2012 г. в условиях AW. Подавляющее большинство значений (93,6%) было сконцентрировано в диапазоне от -200 до 350 В · м -1 со всеми ячейками, представляющими a> 0.Частота встречаемости 1%. Среднее значение и стандартное отклонение (STD) составили 66,24 и 649,90 В · м -1 соответственно. Этот STD исключительно высок из-за возникновения условий DW, например, грозы, которые могут вызвать значения PG до 15 кВ м -1 или даже выше (MacGorman and Rust 1998), в то время как на этом участке наблюдается один из самых высоких кераунических признаков. уровни, зарегистрированные на юге Балканского полуострова (Mazarakis et al. 2008; Chronis 2012). Здесь мы отмечаем, что уровень керауны определяется как среднее количество дней в году, когда гром может быть слышен в данной области, и представляет вероятность возникновения грозы.Условия DW не ограничиваются грозами, но также включают случаи прохождения области заряженных облаков над EFM и ливневые дожди. Считается, что эти факторы вызывают значения PG, которые выходят за пределы диапазона -200 В · м -1 -1 из-за их сильной электростатической природы, составляя оставшиеся 6,4% от общего распределения.

Фиг.2

a Распределения среднечасовых значений PG и b часовых стандартных отклонений (STD).Средние почасовые значения классифицируются в ячейках 10 В м -1 , а стандартные значения — в ячейках 2 В м -1 . Данные относятся к периоду с июня 2011 г. по май 2012 г. при любых погодных условиях (AW). Гистограмма STD показывает распределение STD 10-минутных средних значений в течение каждого часа

Существенным элементом распределения является количество почасовых значений, попадающих в диапазон -200 -1 , что составляет 16,9% набора данных, в отличие от данных на других сайтах, где отрицательные значения гораздо реже (Bennett, Harrison, 2007; Israelsson, Tammet, 2001).Эти часы можно отнести к условиям DW, потому что они обычно вызывают изменение PG на отрицательные значения. Большинство этих значений происходит ночью, независимо от погодных условий; это подразумевает существование локального генератора (локального источника генерации пространственного заряда), достаточно мощного для создания достаточного отрицательного пространственного заряда для обращения PG (Piper and Bennett 2012). Из-за времени и повторяемости явления наиболее вероятным источником является естественная радиоактивность.При ночной инверсии радиоактивные вещества, такие как радон и его дочерние продукты, улавливаются близко к земле, вызывая эффект обратного электрода и увеличивая отрицательную плотность изменения пространства, что впоследствии снижает PG (Hoppel et al. 1986). Предположение о том, что естественная радиоактивность является локальным генератором, вызывающим обращение PG, дополнительно подтверждается тем фактом, что площадка станции находится над гранитными месторождениями и урановыми рудами (Pergamalis et al. 1998; Pergamalis et al. 2010) и демонстрирует одни из самых высоких потоков радона. в Европе.Этот фактор, подтвержденный моделями (López-Coto et al. 2013) и недавними наблюдениями (Kourtidis et al. 2015), также может быть ответственным за повышенную проводимость вблизи земли (Latha 2007). Наряду с обычно низкими концентрациями аэрозолей, которые демонстрирует наш объект, как типичный сельский объект вдали от источников сильного загрязнения, таких как промышленность и крупные города, такие как Афины (Retalis and Retalis 1997), этот фактор был ответственным за снижение среднего значения AW на 66,24 В. м −1 (Исраэльссон, Таммет, 2001).

Для того же периода гистограмма почасовых STD, рассчитанных на основе 10-минутных средних, также представлена ​​на рис. 2. Распределение показывает ярко выраженный положительный перекос, обозначающий относительную субчасовую стабильность. Наибольший процент почасовых средних значений, 91%, демонстрирует STD <100 В · м −1 , что означает, что большинство часов соответствует критериям условий FW (Harrison 2011). Несмотря на относительную субчасовую стабильность, PG по-прежнему показывает небольшие колебания в течение каждого часа, в основном от 4 до 20 В · м −1 , отражая эффекты изменения местных факторов, таких как объемный заряд и аэрозоли.

Таким образом, очевидно, что как почасовые значения PG, так и их соответствующие STD сильно зависят от преобладающих метеорологических условий в течение этого часа (например, наличие гроз, прохождение зарядовых облаков) и наличие местных генераторов (например, радона). . Эти влияния имеют местное происхождение и способны полностью маскировать ответ PG на суточные колебания GEC. Чтобы позволить изучить суточные и сезонные изменения PG без вмешательства условий DW и условий с интенсивной ионизацией, был создан набор данных FW – PG.Для определения данных, которые должны быть включены в набор FW, использовались два простых критерия: 0 -1 и PG-STD <100 В м -1 . Отрицательные значения PG были исключены, поскольку они связаны либо с местными генераторами (естественная радиоактивность), либо с условиями DW. Более того, значения более 350 В м −1 , или ~ 2,7% распределения, были исключены, поскольку они связаны с условиями DW или событиями с высокой концентрацией аэрозоля. Дополнительный фильтр PG-STD> 100 В м -1 применялся для исключения любых часовых значений, которые в конечном итоге попадали в диапазон 0–350 В м -1 в процессе усреднения, хотя они были записаны в условиях DW .Набор FW составил 78% от общего количества почасовых средних за исследуемый период. Здесь мы отмечаем, что такой высокий процент часов FW благоприятен для станции по сравнению со станциями, расположенными дальше на север в Европе.

Метод использования статистики PG в качестве средства для определения условий, при которых она была измерена, и, в конечном итоге, для определения набора FW – PG полезен, особенно в случаях, когда данные об облачности и активности локальных генераторов недоступны в высоком разрешении. и, таким образом, можно использовать классическое определение FW (Israelsson 1978).Так обстоит дело с сайтом Ксанти. Этот метод применяется в обсерватории Марста (Исраэльссон и Таммет, 2001 г.), геофизической обсерватории Надьченк (Мэрц и Харрисон, 2003 г.) и в других местах (О’Коннор, 1976; Бернс и др., 2005) с критериями, настроенными для каждого участка.

Суточные и сезонные вариации PG

Суточные вариации FW – PG демонстрируют две характерные модели: одинарные и двойные пики (Chalmers 1967). Единственный пик (кривая Карнеги) наблюдается в средах, в которых наблюдаются локальные эффекты (например,g., загрязнение) низки или отсутствуют, например, океанические (Харрисон, 2013), полярные (Сиинг и др., 2013), горные вершины [например, пик Ванк (Рейтер, 1974)] и отдаленные изолированные участки [например, Эскдалемюр (Харрисон, 2003; Харрисон). 2004a)], изображающие глобальную грозовую активность. Более того, на некоторых станциях зимой, особенно в высоких широтах, наблюдается единственный пик (Исраэльссон и Таммет, 2001; Харрисон, 2004b), что свидетельствует о высокой корреляции с кривой Карнеги. Двойной пик наблюдается на континентальных станциях (Retalis и Retalis 1997; Harrison and Aplin 2002) и обычно синхронизируется с местным временем и интенсивностью местных эффектов (Chalmers 1967), в то время как сигнал GEC не всегда очевиден и усредняется по одному или требуется несколько недель для показа (Долезалек, 1972).

Среднее суточное изменение FW – PG в Ксанти имело типичный континентальный ход, характерный для двойного пика (рис. 3). Первичный максимум был очевиден между 11:00 и 12:00 LT, а вторичный максимум — в 21:00 LT; соответствующие предыдущие минимумы появились в 5:00 и 18:00 LT соответственно.

Рис. 3

Среднее суточное изменение ясной погоды (FW) –потенциальный градиент (PG) и всепогодное (AW) –PG за период с июня 2011 г. по май 2012 г. Столбики ошибок обозначают стандартные ошибки для каждого часа.Стрелки вверх и вниз обозначают среднее время восхода и захода солнца соответственно

Тенденция к увеличению FW – PG в утренние часы и следующий за ним первичный максимум около полудня объясняется местными факторами, а именно «эффектом восхода солнца» и аэрозолями.

Эффект восхода солнца был подробно описан Marshall et al. (1999), которые уделяли особое внимание реакции PG на положительные транспозиции пространственного заряда. Другие авторы (Ло 1963; Чалмерс 1967; Камра 1982) также упоминали эффект восхода солнца, среди которых Камра (1982) и Ло (1963) наблюдали изменение знака пространственного заряда с отрицательного на положительный в момент восхода солнца, совпадающее с увеличением PG. .По данным Marshall et al. (1999) начало утренней конвекции, вызванной солнечным нагревом, приводит к разрушению неглубокого положительно заряженного слоя (электродного слоя), который образовался за ночь и покрывает самые первые дециметры земли (Crozier 1963). Разбавление электродного слоя сразу после восхода солнца из-за увеличения турбулентности постепенно переносит все больше и больше положительных зарядов по EFM, в конечном итоге усиливая PG (Marshall et al. 1999). Со временем механизм ослабевает, и пограничный слой становится хорошо перемешанным (Moore et al.1962 г.). Увеличение PG, связанное с эффектом восхода солнца, может еще больше усилиться на нашем участке из-за расположения станции на склоне горной местности и возможности образования ячеек с замкнутой циркуляцией долинных или наземных бризов. В этом случае электродный слой, который образовался на поверхности горы в течение ночи, также разбавляется после восхода солнца, и после подъема по склону положительные заряды могут переноситься через EFM через циркуляцию возвращающихся элементов. Значение эффекта восхода солнца на утреннем пике также подчеркивалось в исследованиях для других станций, независимо от характера участка, включая типичный континентальный (Retalis and Retalis 1997), тропический континентальный (Latha 2003) или тропический остров (Kumar et al. al.2009 г.).

Аэрозоли оказывают непосредственное влияние на локальную проводимость, действуя как центры рекомбинации для ионов; в то же время аэрозоли снижают подвижность прикрепленных к ним ионов, тем самым снижая дальнейшую проводимость (Hoppel et al. 1986; Harrison and Carslaw 2003). Уменьшение локальной проводимости, учитывая постоянный ток проводимости между ионосферой и землей, вызывает увеличение PG в соответствии с законом Ома (Jayaratne and Verma 2004). Ожидается, что аэрозоли на нашем сайте будут иметь повышенную арифметическую концентрацию на уровне земли с утра до полудня, таким образом увеличивая PG.Повышенный уровень аэрозолей объясняется увеличением дорожного движения к югу от станции. Воздействие аэрозолей на PG еще больше усиливается из-за направления ветра, обычно дующего в это время с юго-востока на юго-запад, который переносит больше аэрозолей в сторону прибора EFM. Следовательно, на нашей станции возможно, что южный ветер и встречное движение по дорогам, которые становятся более интенсивными после 9: 00–10: 00 LT, привели к большей концентрации аэрозоля вокруг станции и следовали за эффектом восхода солнца.Этот процесс, возможно, спровоцировал непрерывное возрастающее влияние на PG, которое в конечном итоге достигло максимума в 11: 00–12: 00 LT.

Дополнительным фактором, который может способствовать утреннему увеличению PG, является грозовая активность в Азии, которая в то время была максимальной (Harrison 2013; Blakeslee et al. 2014). Вклад этого параметра считается довольно низким по сравнению с вышеупомянутыми факторами, но он упоминается здесь как единственный глобальный фактор, который может воздействовать на локальный первичный максимум PG.

После первичного максимума PG спала и в конечном итоге достигла минимума в 18:00 LT. Это объясняется усилением конвективных условий ближе к вечеру, что может вызвать истощение аэрозоля вблизи земли из-за разбавления. Аэрозоли транспортируются вверх, позволяя восстановить концентрацию ионов. Таким образом, местная проводимость увеличивается, а PG впоследствии уменьшается (Chalmers 1967; O’Connor 1976; Serrano et al. 2006; Silva et al. 2014) в соответствии с законом Ома при постоянном токе проводимости воздух-земля PG = J
Z / σ T , где J
Z — ток проводимости воздух – земля, σ
T — общая проводимость (Харрисон, 2006).Восходящий перенос аэрозолей постепенно обеспечивает дополнительное подавление PG за счет уменьшения тока проводимости. Поскольку не существует механизма для быстрого удаления аэрозолей, когда они находятся в приподнятом состоянии, в результате увеличивается столбчатое сопротивление, снижается ток проводимости воздух-земля (генерирующая сила PG) и, следовательно, уменьшается PG (Harrison and Bennett 2007). Учитывая момент минимума PG на нашем участке в 18:00 LT, была отмечена задержка в максимизации столбчатого сопротивления по сравнению с результатами Sagalyn и Faucher (1956), где соответствующий максимум произошел в 15:00 LT.Мы предварительно связываем эту задержку с различиями в адвективных условиях на каждом участке. В частности, максимальное столбчатое сопротивление Sagalyn и Faucher (1956) было получено в периоды низкой адвекции, тогда как на нашем участке адвекция должна была быть относительно высокой из-за расположения станции и, таким образом, изменить столбчатую аэрозольную нагрузку.

Вторичный максимум в 21:00 LT и следующий минимум в 05:00 LT совпадают с соответствующими экстремумами кривой Карнеги в 19:00 и 03:00 UTC, отображая суточные вариации глобальной грозовой активности.Однако оба экстремума восприимчивы к локальным эффектам, которые могут усилить или подавить глобальный сигнал. Условия конвекции, достигшие максимума ранее, которые привели к минимуму в 18:00 LT, постепенно ослаблялись, что приводило к увеличению концентрации аэрозоля у земли и впоследствии к увеличению PG, как описано выше (Latha 2003). Напротив, постепенный переход к ночной стратификации может вызвать улавливание радона и его дочерних продуктов, что приведет к интенсивным условиям ионизации и созданию отрицательного пространственного заряда (эффект обратного электрода), который в конечном итоге подавит PG (Hoppel et al.1986; Латха 2007). Отрицательный объемный заряд может также изменить полярность PG; однако отрицательные значения здесь не рассматривались, потому что в центре внимания находится FW – PG. Воздействие радона при ночной инверсии также может повлиять на минимум PG (05:00 LT) в определенные дни. Величину и конкретное время воздействия локальных факторов на глобальный сигнал PG определить нелегко; поэтому необходимы измерения дополнительных переменных, таких как зондирование аэрозолей, наземные аэрозоли, проводимость и радон.

Сравнение величины первичного пика с величиной того, что совпадает с пиком Карнеги, выявило очевидную существенную разницу, так что локальные эффекты преобладают в Ксанти в течение дня в гораздо большей степени, чем глобальные эффекты. Суточный ход AW – PG (рис. 3) следует тому же курсу, что и FW – PG, и большую часть дня он держится ниже кривой FW; это совпадает с поведением PG на других сайтах (O’Connor 1976; Retalis and Retalis 1997).Как видно из его нестабильного суточного цикла, AW – PG испытывает большие колебания, чем FW – PG; этот результат был ожидаемым, потому что были включены условия DW. Сильная почасовая изменчивость также была очевидна из увеличенных стандартных ошибок (SE), где SE = STD / √n. Хотя n не одинаково для всех часов, оно достаточно велико, чтобы гарантировать сопоставимые SE. Усиленный SE показал ярко выраженную интенсивность между 11:00 и 21:00 LT. В тот же период молниеносная активность усиливается над Грецией (Chronis 2012) и Ксанти, последний демонстрирует самые высокие уровни керауны в стране (Mazarakis et al.2008 г.). Молниеносная активность максимальна между 16:00 и 17:00 LT (Chronis 2012), что совпадает с наибольшей разницей двух кривых, что, в свою очередь, указывает на значительное существование условий, не связанных с FW, в AW, установленном в эти часы (O ‘ Коннор 1976). Подобные различия между двумя кривыми также были очевидны в определенные ночные часы, хотя условия, не связанные с FW, здесь, скорее всего, связаны с естественной радиоактивностью. Следовательно, хотя AW – PG обычно следовал типичным двухпиковым суточным колебаниям, условия DW на нашем участке были достаточно интенсивными и возникали часто, в результате чего минимумы и максимумы кривой были значительно более размытыми, чем у FW – PG.

Все месяцы следовали общей схеме, описанной выше, хотя в некоторых случаях оба экстремума не были очевидны (рис. 4). В теплые месяцы с июня по октябрь первичные максимумы PG наблюдались в 10: 00–11: 00 LT, тогда как в холодные месяцы с ноября по январь соответствующие максимумы переносились на 12: 00–14: 00 LT. Это перемещение объясняется более ранним возникновением конвективных условий в теплые месяцы и последующей более ранней активацией эффекта восхода солнца (Latha 2003) и согласуется с результатами на других континентальных участках (Retalis and Retalis 1997).В оставшиеся месяцы, с февраля по май, поведение было промежуточным, с максимумом в 11: 00–12: 00 LT. Вторичный максимум не ясен каждый месяц, что свидетельствует о влиянии локальных факторов на PG в момент максимизации глобальной грозы. Однако, когда вторичный максимум был очевиден в августе, сентябре, январе и мае, он произошел в пределах ± 1 часа от максимума кривой Карнеги в 19:00 по всемирному координированному времени. Разница во времени может быть связана с сезонностью местных факторов, таких как аэрозоли, региональные изменения в распределении грозы, которые могут нарушить типичный цикл GEC (Харрисон 2004a), или ионосферные возмущения (Харрисон 2004b).Наконец, два минимума не показали сезонности и были сосредоточены в 05:00 и 18:00 LT, соответственно. Поскольку месяцы, показывающие вторичный пик, охватывают весь год, этот эффект не является исключительно сезонным. Можно предположить, что это результат сочетания нескольких влияющих факторов, таких как излучение радона, турбулентность, концентрация и распределение аэрозолей по размерам. Однако в отсутствие соответствующих данных такие предположения могут быть только умозрительными.

Рис. 4

Среднее суточное изменение ясной погоды (FW) –потенциальный градиент (PG) для каждого месяца с июня 2011 года по май 2012 года.Месяцы выровнены по сезонам. Планки погрешностей обозначают стандартную ошибку

Сезонный ход FW – PG, наблюдаемый в период с февраля 2011 г. по декабрь 2014 г., с максимумами (минимумами) в холодные (теплые) месяцы (рис. 5), согласуется с результатами на других континентальных участках северного полушария ( Чалмерс 1967; Исраэльссон и Таммет 2001; Беннетт и Харрисон 2007a). Концентрации ядер Айткина у земли, которые действуют как конечный сток для малых ионов вблизи земли, максимизируются в холодные месяцы из-за пониженного вертикального перемешивания атмосферы (Adlerman and Williams 1996 и ссылки в нем).В холодные месяцы от отопления в населенных пунктах увеличивается количество аэрозолей. Однако этого факта недостаточно для объяснения повышенных концентраций аэрозолей у земли зимой, потому что основные источники тепла в окрестностях, включая город Ксанти и деревню Кимерия, не с подветренной стороны от преобладающего направления ветра, встречающегося на участке. . Кроме того, в Греции концентрация столбчатых аэрозолей обычно достигает пика весной / летом; с точки зрения интенсивности источников, летом также существуют дополнительные источники.С точки зрения загрязнения атмосферы высота пограничного слоя (BLH) является основным фактором концентрации аэрозолей у земли. Это происходит потому, что на средиземноморских участках на той же широте, что и наш участок, BLH в летнее время может быть в разы даже в 10 раз больше, чем зимой, из-за уменьшения конвекции зимой (например, Georgoulias et al. 2009). Большое количество ядер Айткина очень эффективно снижает концентрацию мелких ионов, которые доминируют в электропроводности воздуха, что приводит к уменьшению локальной проводимости и, как следствие, к максимизации PG.Обратное происходит в теплые месяцы, когда пограничный слой значительно глубже, чем зимой, и таким образом улавливает аэрозоли, находящиеся близко к земле. Вышеупомянутый механизм также согласуется с более ранними измерениями атмосферных ионов, проведенными в Афинах (Retalis 1983; Retalis et al. 2009). Эти измерения показали максимальные (минимальные) концентрации малых ионов летом (зимой). Напротив, большие ионы, которые положительно коррелируют с загрязнением и действуют как дополнительный сток для мелких ионов, следовали противоположной тенденции: тенденции PG (Retalis and Retalis 1997).

Рис. 5

Долгосрочная вариация ясной погоды (FW) — градиент потенциала (PG) за период с февраля 2011 г. по декабрь 2014 г. Среднемесячные значения рассчитывались на основе средних почасовых значений. Планки погрешностей обозначают стандартную ошибку

Следовательно, долгосрочные вариации FW – PG на нашем участке, который является типичным континентальным участком в Северном полушарии, объясняется сезонностью концентрации наземного аэрозоля. Вариабельность сроков экстремальных значений и колебания в течение месяцев между максимумом и минимумом могут быть отнесены к факторам, влияющим на концентрацию аэрозоля, таким как вертикальное перемешивание, и вероятным глобальным изменениям грозовой активности.

Локальные и глобальные эффекты

Наблюдения за GEC с одной континентальной станции — сложная задача, потому что, как упоминалось ранее, местные эффекты, такие как аэрозоли и космический заряд, могут полностью маскировать глобальные вариации (Rycroft et al. 2008). Однако локальные эффекты либо минимизируются в определенные периоды, либо существенно не меняются во времени, что позволяет наблюдать глобальные сигналы (Harrison 2004b). Попытка определить такие периоды для нашего сайта представлена ​​здесь путем сравнения FW – PG с кривой Карнеги (Rycroft et al.2008 г.).

GEC не всегда следует типичной кривой Карнеги из-за таких условий, как вариации грозовой активности и ионосферные возмущения; поэтому следует избегать строгих выводов, вытекающих из любого сравнения с кривой Карнеги (Harrison 2004b). Однако кривая Карнеги широко используется в качестве основного инструмента для определения периодов, в которых PG отражает вариацию GEC, при условии, что данные PG усредняются за достаточно длительный период (Rycroft et al. 2008).Так обстоит дело в текущей рукописи. Кроме того, хотя Харрисон (2013) сообщил о предельной широтной зависимости PG, эффект широты влияет на абсолютные значения PG. Сравнение местного PG с кривой Карнеги было проведено в настоящем исследовании с использованием соответствующих процентных значений средних. В результате такие влияния были устранены. FW – PG следует параллельным курсом к глобальным изменениям, при этом его минимум в 03:00 UTC и вторичный максимум в 19:00 UTC совпадают с экстремумами кривой Карнеги; однако срыв был очевиден во время развития первичного максимума в 04: 00–16: 00 UTC (рис.6). При оценке различий между двумя циклами (DPG = FW – PG, Xanthi как процент от среднего — кривая Карнеги PG как процент от среднего) наибольшее отклонение от кривой Карнеги происходит между 8:00 и 12:00 UTC, с максимальная разница 58% в 9:00 UTC. Это связано с эффектом восхода солнца и аэрозолями, как обсуждалось ранее. В течение 14: 00–16: 00 UTC PG на нашем участке опустился ниже кривой Карнеги, создав отрицательный DPG. Это проседание может быть связано с максимизацией конвективных условий, что вызвало увеличение столбчатой ​​аэрозольной нагрузки и последующее уменьшение тока проводимости и PG в соответствии с законом Ома (Serrano et al.2006 г.). DPG оставался отрицательным в течение 16: 00–4: 00 UTC, время, когда PG следовала той же тенденции, что и кривая Карнеги (r = 0,98, p <0,01), но постепенно уменьшалась по величине в течение ночи. Постепенное подавление пограничного слоя и связанная с этим стратификация атмосферы, которая следовала за пиком конвективных условий, возможно, еще больше усилила улавливание радона (Latha 2007). Последнее может вызвать увеличение отрицательного пространственного заряда над EFM, тем самым уменьшая PG (Israelsson and Tammet 2001).Когда переход к ночной стабильности был завершен, изменчивость факторов, которые могли вызвать большие колебания PG, таких как аэрозоли и радон, была уменьшена, что позволило PG внимательно следить за вариацией Карнеги. DPG между 21:00 и 04:00 UTC упал ниже 25%; что в 01: 00–04: 00 UTC упало ниже 15%, которые считались наиболее предпочтительными часами в течение дня для наблюдений GEC на нашем сайте. Считалось, что те же часы (01: 00–04: 00 UTC) благоприятно отражают наблюдения GEC на континентальной станции геофизической обсерватории Надьченк в Венгрии (Märcz and Harrison 2003).

Рис. 6

Среднее суточное изменение Ксанти «ясная погода» (FW) –потенциальный градиент (PG) с июня 2011 г. по май 2012 г. и стандартная кривая Карнеги. Каждая кривая представлена ​​в процентах от ее среднего значения. Данные стандартной кривой Карнеги (круизы IV, V и VI) были взяты из таблицы II Харрисона (2004c). Стрелки вверх и вниз обозначают среднее время восхода и захода солнца соответственно

Чтобы определить, какие месяцы меньше отклоняются от кривой Карнеги и, следовательно, больше подходят для наблюдений GEC, DPG между двумя суточными вариациями были рассчитаны заново для каждого месяца с июня 2011 года по май 2012 года (рис.7). Холодные месяцы с октября по март, за исключением ноября, демонстрировали отклонения от кривой Карнеги от низких до умеренных в течение всего дня, тогда как в теплые месяцы с апреля по сентябрь наблюдались большие различия, которые не ограничивались моментами основного максимума, но также наблюдались во второй половине дня и в начале вечер (рис.7). Такая тенденция снова связана с атмосферной конвекцией, которая в теплые месяцы усиливается. В холодные месяцы атмосфера более стабильна, что приводит к меньшим суточным колебаниям концентраций аэрозоля и радона.Это означает, что также уменьшаются изменчивость столбчатого сопротивления и локальной проводимости; таким образом, ионосферные изменения, вызванные глобальной грозовой активностью, могут быть показаны в суточном графике PG. Холодные месяцы также предпочтительны для наблюдений GEC на других континентах (Israelsson and Tammet 2001; Märcz and Harrison 2003; Harrison 2004a; Harrison 2004b; Serrano et al. 2006), в которых ответственным механизмом снова считается сезонность атмосферной конвекции. Отклонение ноября от общей картины холодных месяцев в течение большей части дня можно объяснить усилением атмосферного перемешивания или временным усилением местных факторов, таких как аэрозоли и объемный заряд.

Рис. 7

Разница между хорошей погодой (FW) и градиентом потенциала (PG) в Ксанти и стандартной кривой Карнеги (DPG). DPG представлен как процентная разница от среднего значения в разные месяцы и время суток за период с июня 2011 г. по май 2012 г.

PG и атмосферный CO

2

Значение микрометеорологии в атмосферном электричестве давно установлено (Israelsson and Oluwafemi 1975), и были проведены исследования корреляции микрометеорологических элементов с PG (Law 1963; Barlow and Harrison 1999; Latha 2007 ).Здесь обсуждается использование атмосферного CO 2 в качестве индикатора стратификации при оценке PG. Хотя CO 2 и PG — две переменные совершенно разной природы, на обе они влияют конвективные условия; таким образом, для интерпретации суточного цикла PG используется общий элемент.

На рис. 8 представлены среднесуточные вариации общих значений PG и CO 2 за период с июня 2011 года по май 2012 года. Используемые здесь значения PG были получены из набора данных AW, за исключением дней с дождем и дней. когда | PG | > 1 кВ м −1 , последнее указывает на существование сильно заряженных облаков (Bennett and Harrison 2007b).Вышеупомянутые значения были исключены, потому что они относятся к нарушенным условиям, которые доминируют в вариациях PG без влияния на CO 2 . Сравнение двух циклов показало обратную связь между PG и CO 2 (r
2 = 0,36, значение p <0,01), несмотря на изменчивость необычных движущих факторов, таких как аэрозоли, объемный заряд, GEC, фотосинтез и транспирация в течение дня (рис. 8).

Рис. 8

Среднее суточное изменение градиента потенциала (PG) и атмосферного CO 2 за период с июня 2011 года по май 2012 года.Значения PG были получены из набора данных о всепогодных (AW) условиях, за исключением дней с осадками или | PG | > 1 кВ м −1 . Планки погрешностей обозначают стандартную ошибку

Ночью, в 21: 00–06: 00 LT, стратификация в атмосфере ограничивала вертикальное перемешивание, что позволяло улавливать радон, что в конечном итоге привело к снижению PG за счет формирования отрицательного пространственного заряда (Latha 2007), в то время как CO 2 концентрации достигли максимума из-за дыхания и отсутствия фотосинтеза.После 6:00 LT начало условий утреннего перемешивания привело к разбавлению объемных зарядов, и начался фотосинтез, таким образом увеличивая PG и снижая концентрацию CO 2 . Между 12:00 и 16:00 LT обе кривые следовали параллельной нисходящей тенденции, поскольку вертикальная конвекция постепенно увеличивалась до максимума, дополнительно разбавляя CO 2 и уменьшая PG за счет увеличения столбчатого сопротивления и последующего уменьшения отношения воздух-земля. Текущий. Последний механизм, относящийся к PG, действовал до 18:00 LT.В течение 16: 00–21: 00 LT CO 2 увеличился из-за постепенного перехода к ночной стратификации и усиления источников CO 2 , таких как транспирация. PG показывает свой вторичный минимум в 18:00 LT, а затем увеличивается параллельно тренду CO 2 , представляя глобальную грозовую активность.

Поздний день и ранняя ночь, 18: 00–00: 00 LT, были особенно интересны. В то время ожидался пик глобального сигнала, и одновременная эволюция стратификации могла изменить или полностью замаскировать планетарный эффект за счет улавливания радона.

В качестве примера, PG, CO 2 , DΤ (DT = T
2,5 м — Т
1,5 м ), а WS в 1-минутном временном ряду были исследованы за 1–3 мая 2012 г. (рис. 9). Следует отметить, что в те дни облачность составляла <1/10, а WS в большинстве случаев составляла <5 и <4 м с −1 , что уменьшало вероятность воздействия на PG – CO 2 сравнение из-за необычных факторов, таких как заряженные облака и унесенная пыль.

Рис.9

Наблюдения градиента потенциала (PG), CO 2 , скорости ветра (WS) и вертикального градиента температуры (DT = T
2,5 м — Т
1,5 м ) в период с 1 по 3 мая 2012 г. Данные представлены с разрешением 1 мин. PG и CO 2 представлены в процентах от соответствующего среднего значения за 3 дня. Вертикальные пунктирные линии обозначают восход и закат

Описывая электродный эффект, Ло (1963) объяснил, что под влиянием FW-PG положительные ионы движутся к земле, а отрицательные ионы отталкиваются от земли, что создает дефицит отрицательных ионов и образование положительно заряженных ионов. заряженный слой близко к земле (электродный слой).В нетурбулентных условиях, таких как те, которые обычно преобладают в ночное время, электродный слой подавляется на глубину порядка нескольких дециметров (Crozier 1963). В случаях интенсивной ионизации, например, при высокой концентрации радона, вызванной захватом в условиях ночной стратификации, образовавшиеся отрицательные заряды ускользают от уровня земли и поднимаются над неглубоким электродным слоем, таким образом обращая эффект электрода и образуя отрицательный объемный заряд (перевернутый электрод слой), что впоследствии снижает PG (Latha 2007).

Приземный CO 2 и радон сильно зависят от атмосферного смешения. Таким образом, использование CO 2 в качестве индикатора улавливания радона и, следовательно, изменчивости PG в ночных нетурбулентных условиях является разумным предположением. Ло (1963) заметил, что отрицательный объемный заряд, создаваемый естественной радиоактивностью в ночное время, тесно связан с градиентом температуры и увеличивается с увеличением стабильности, что, в свою очередь, увеличивает концентрацию CO 2 .

PG и CO 2 были обратно коррелированы в ночное время в течение всех 3 дней (рис. 9). Это может быть связано с перевернутым электродным слоем, образовавшимся (разбавленным) при сильной (слабой) стратификации, и соответствующим увеличением (уменьшением) радона и CO 2 . Ожидается, что незначительные отклонения от этого обратного соотношения будут происходить в основном из-за влияния адвекции аэрозоля или пространственного заряда на PG. Здесь мы отмечаем, что, хотя стабильные ночные условия могут вызвать эффект обратного электрода, тем самым скрывая сигнал GEC, период 01: 00–04: 00 UTC по-прежнему кажется лучшим периодом для наблюдения сигнала GEC на месте (рис.7). Это может быть связано с тем, что эффект обратного электрода достигает установившегося состояния к 01 UTC (03 LT), поэтому добавляется постоянное смещение к PG и позволяет впоследствии минимизировать DPG.

Глобальные колебания PG, ожидаемые между 18:00 и 00:00 LT, не проявлялись каждый день (рис. 9). 1 мая PG показала часть вариации GEC только при нарушении условий штиля (WS> 0,5 м −1 ), что прервало относительно сильную стратификацию (DT> 0.5 ° C) при одновременном снижении CO 2 . После этого короткого периода условия штиля вернулись, что привело к повышенной устойчивости (DT увеличивается), что привело к увеличению CO 2 и уменьшению PG. Следующей ночью, 2 мая, стабильность развивалась без каких-либо серьезных нарушений до пика GEC в 21:00 LT, за исключением короткого периода сразу после захода солнца, когда расслоение немного ослабло. В течение этого короткого периода PG плавно увеличивался, реагируя на колебания GEC, тогда как скорость увеличения CO 2 была временно снижена.После этого периода CO 2 продолжил резко увеличиваться и достиг максимума, тогда как PG значительно уменьшился, изменив полярность, и не показал глобального сигнала. В последнюю ночь, 3 мая, началась ночная стратификация, которая развивалась без помех, вызывая монотонное увеличение CO 2 и полностью маскируя GEC. PG оставался низким и временами достигал отрицательных значений.

Развитие PG и CO 2 в течение этих ночей, особенно когда ожидался сигнал GEC, предполагает, что, когда CO 2 стабильно увеличивается и имеет высокие концентрации, PG подавляется и наблюдение GEC невозможно.Следовательно, изменения CO 2 в течение стабильных ночей могут быть дополнительно использованы для классификации дней как подходящих или непригодных для мониторинга GEC, при условии отсутствия факторов, которые могут исключительно изменять PG, таких как заряженные облака над головой и аэрозоли. Кроме того, одноточечные измерения CO 2 могут использоваться в качестве прокси турбулентности и могут дать информацию об эволюции электрических свойств атмосферы (т. Е. PG). Таким образом устанавливается связь между микрометеорологией, атмосферными газами и атмосферным электричеством.

Излучение: электромагнитные поля

Стандарты

установлены для защиты нашего здоровья и хорошо известны для многих пищевых добавок, концентраций химических веществ в воде или загрязнителях воздуха. Точно так же существуют полевые стандарты, ограничивающие чрезмерное воздействие уровней электромагнитного поля, присутствующего в нашей окружающей среде.

Кто определяет руководящие принципы?

Страны устанавливают свои собственные национальные стандарты воздействия электромагнитных полей. Однако большинство этих национальных стандартов основано на рекомендациях Международной комиссии по защите от неионизирующего излучения (ICNIRP).Эта неправительственная организация, официально признанная ВОЗ, оценивает научные результаты со всего мира. Основываясь на подробном обзоре литературы, ICNIRP выпускает руководящие принципы, рекомендующие пределы воздействия. Эти правила периодически пересматриваются и при необходимости обновляются.

Уровни электромагнитного поля изменяются сложным образом в зависимости от частоты. Было бы трудно понять перечисление каждого значения в каждом стандарте и на каждой частоте. Приведенная ниже таблица представляет собой краткое изложение рекомендаций по воздействию для трех областей, которые стали предметом общественного беспокойства: электричество в доме, базовые станции мобильной связи и микроволновые печи.Эти рекомендации последний раз обновлялись в апреле 1998 года.

Краткое изложение рекомендаций ICNIRP

902 900 Пределы профессионального воздействия

Европейская частота сети

Частота базовой станции мобильного телефона

Частота микроволновой печи

909 Частота

50 Гц

50 Гц

900 МГц

1,8 ГГц

2.45 ГГц

Электрическое поле (В / м)

Магнитное поле (мкТл)

Плотность мощности (Вт / м2)

Плотность мощности (Вт / м2)

Плотность мощности (Вт / м2)

Пределы воздействия на людей

5000

100

4.5

9

10 000

500

22.5

45

ICNIRP, Руководящие принципы EMF, Health Physics 74, 494-522 (1998)

Нормы воздействия могут отличаться более чем в 100 раз между некоторыми странами бывшего Советского Союза и западными странами. страны. В связи с глобализацией торговли и быстрым внедрением телекоммуникаций во всем мире возникла необходимость в универсальных стандартах. Поскольку многие страны бывшего Советского Союза сейчас рассматривают новые стандарты, ВОЗ недавно выступила с инициативой по гармонизации руководящих принципов воздействия во всем мире.Будущие стандарты будут основаны на результатах Международного проекта ВОЗ по электромагнитному полю.

На чем основаны руководящие принципы?

Важно отметить, что нормативный предел не является точным разграничением между безопасностью и опасностью. Не существует единого уровня, выше которого воздействие становится опасным для здоровья; вместо этого потенциальный риск для здоровья человека постепенно увеличивается с увеличением уровней воздействия. Руководящие принципы указывают, что ниже заданного порога воздействие электромагнитного поля является безопасным в соответствии с научными знаниями.Однако из этого автоматически не следует, что воздействие выше указанного предела является вредным.

Тем не менее, чтобы установить пределы воздействия, научные исследования должны определить пороговый уровень, при котором проявляются первые последствия для здоровья. Поскольку людей нельзя использовать для экспериментов, руководящие принципы критически полагаются на исследования на животных. Незначительные изменения в поведении животных на низких уровнях часто предшествуют более радикальным изменениям здоровья на более высоких уровнях. Аномальное поведение является очень чувствительным индикатором биологической реакции и было выбрано как наименьшее наблюдаемое неблагоприятное воздействие на здоровье.Руководящие принципы рекомендуют предотвращать уровни воздействия электромагнитного поля, при которых изменения поведения становятся заметными.

Этот пороговый уровень поведения не равен нормативному пределу. ICNIRP применяет коэффициент безопасности 10 для определения пределов профессионального воздействия и коэффициент 50 для получения нормативного значения для населения. Поэтому, например, в радиочастотном и микроволновом диапазонах частот максимальные уровни, которые могут возникнуть в окружающей среде или в вашем доме, по крайней мере в 50 раз ниже порогового уровня, при котором становятся очевидными первые изменения поведения животных.

Почему коэффициент безопасности для рекомендаций по профессиональному облучению ниже, чем для населения?

Население, подвергающееся профессиональному облучению, состоит из взрослых, которые обычно находятся в известных условиях электромагнитного поля. Эти рабочие обучены осознавать потенциальный риск и принимать соответствующие меры предосторожности. Напротив, широкая общественность состоит из людей всех возрастов и разного состояния здоровья. Во многих случаях они не знают о своем воздействии ЭМП. Более того, нельзя ожидать, что отдельные представители общественности примут меры для сведения к минимуму или предотвращения воздействия.Это основные соображения для более строгих ограничений воздействия для населения в целом, чем для населения, подвергающегося профессиональному облучению.

Как мы видели ранее, низкочастотные электромагнитные поля индуцируют токи в человеческом теле (см. Что происходит, когда вы подвергаетесь воздействию электромагнитных полей?). Но различные биохимические реакции внутри самого тела также генерируют токи. Клетки или ткани не смогут обнаружить какие-либо индуцированные токи ниже этого фонового уровня.Следовательно, при низких частотах нормы воздействия гарантируют, что уровень токов, индуцированных электромагнитными полями, ниже, чем у естественных токов тела.

Основным эффектом радиочастотной энергии является нагрев тканей. Следовательно, нормы воздействия радиочастотных полей и микроволн установлены для предотвращения последствий для здоровья, вызванных локальным нагревом или нагреванием всего тела (см. Что происходит, когда вы подвергаетесь воздействию электромагнитных полей?). Соблюдение указаний гарантирует, что тепловое воздействие достаточно мало, чтобы не причинить вреда.

Какие руководящие принципы не могут учесть

В настоящее время предположения о потенциальных долгосрочных последствиях для здоровья не могут лечь в основу выпуска руководств или стандартов. Суммируя результаты всех научных исследований, общий вес доказательств не указывает на то, что электромагнитные поля вызывают долгосрочные последствия для здоровья, такие как рак. Национальные и международные органы устанавливают и обновляют стандарты на основе последних научных знаний для защиты от известных последствий для здоровья.

Руководящие принципы установлены для среднего населения и не могут напрямую отвечать требованиям меньшинства потенциально более чувствительных людей. Например, директивы по загрязнению воздуха не основаны на особых потребностях астматиков. Точно так же правила электромагнитного поля не предназначены для защиты людей от вмешательства в имплантированные медицинские электронные устройства, такие как кардиостимуляторы. Вместо этого следует посоветоваться с производителями и клиницистом, имплантирующим устройство, по поводу ситуаций, которых следует избегать.

Каковы типичные максимальные уровни воздействия дома и в окружающей среде?

Некоторая практическая информация поможет вам соотноситься с международными нормативными значениями, указанными выше. В следующей таблице вы найдете наиболее распространенные источники электромагнитных полей. Все значения являются максимальными уровнями публичного воздействия — ваша собственная подверженность, вероятно, будет намного ниже. Для более детального изучения уровней поля вокруг отдельных электроприборов см. Раздел Типичные уровни воздействия в домашних условиях и в окружающей среде.

200966

70 (магнитное поле Земли)

10

909

0.7

Источник

Типичное максимальное воздействие на людей

Электрическое поле (В / м)

Плотность магнитного потока (мкТл)

Естественные поля
Электропитание от сети

(в домах не вблизи линий электропередач)

100

0,2

Электропитание от сети

(под большими линиями электропередач)

10 000

20

Электропоезда и трамваи

300

50

Экраны телевизоров и компьютеров

(на рабочем месте)

Типичное максимальное общественное облучение (Вт / м2)

Теле- и радиопередатчики

0,1

Базовые станции мобильной связи

0,1

90

0,2

Микроволновые печи

0,5

Источник: Европейское региональное бюро ВОЗ

Как рекомендации претворяются в жизнь и кто их проверяет?

Ответственность за исследование полей вокруг линий электропередач, базовых станций мобильной связи или любых других источников, доступных для широкой публики, лежит на государственных учреждениях и местных органах власти.Они должны обеспечить соблюдение правил.

В отношении электронных устройств производитель несет ответственность за соблюдение стандартных ограничений. Однако, как мы видели выше, природа большинства устройств гарантирует, что излучаемые поля значительно ниже пороговых значений. Кроме того, многие ассоциации потребителей регулярно проводят тесты. В случае возникновения какой-либо особой озабоченности или беспокойства свяжитесь напрямую с производителем или обратитесь в местный орган здравоохранения.

Вредно ли воздействие, превышающее нормы?

Съесть банку с клубничным вареньем до истечения срока годности совершенно безопасно, но если вы потребляете варенье позже, производитель не может гарантировать хорошее качество еды. Тем не менее, даже через несколько недель или месяцев после истечения срока годности варенье, как правило, безопасно есть. Точно так же директивы по электромагнитному полю гарантируют, что в пределах заданного предела воздействия не произойдет никаких известных неблагоприятных последствий для здоровья. Большой коэффициент безопасности применяется к уровню, который, как известно, вызывает последствия для здоровья.Следовательно, даже если вы испытываете напряженность поля в несколько раз выше заданного предельного значения, ваше воздействие все равно будет в пределах этого запаса прочности.

В повседневных ситуациях большинство людей не испытывают электромагнитных полей, превышающих нормативные пределы. Типичные экспозиции намного ниже этих значений. Однако бывают случаи, когда воздействие на человека на короткий период может приближаться к нормативам или даже превышать их. Согласно ICNIRP, радиочастотное и микроволновое воздействие следует усреднять по времени для устранения кумулятивных эффектов.В рекомендациях указан период усреднения по времени в шесть минут, и допустимы краткосрочные воздействия сверх установленных пределов.

Напротив, воздействие низкочастотных электрических и магнитных полей в руководствах не усредняется по времени. Чтобы сделать ситуацию еще более сложной, в игру вступает еще один фактор, называемый связью. Связь относится к взаимодействию между электрическим и магнитным полями и обнаженным телом. Это зависит от размера и формы тела, типа ткани и ориентации тела относительно поля.Рекомендации должны быть консервативными: ICNIRP всегда предполагает максимальную связь поля с экспонируемым человеком. Таким образом, рекомендуемые пределы обеспечивают максимальную защиту. Например, даже несмотря на то, что значения магнитного поля для фенов и электробритв превышают рекомендуемые значения, чрезвычайно слабая связь между полем и головкой предотвращает индукцию электрических токов, которые могут превышать рекомендуемые пределы.

Ключевые моменты

  • ICNIRP издает руководящие принципы на основе современных научных знаний.Большинство стран опираются на эти международные руководящие принципы для своих собственных национальных стандартов.
  • Стандарты для низкочастотных электромагнитных полей гарантируют, что наведенные электрические токи ниже нормального уровня фоновых токов внутри тела. Стандарты для радиочастоты и микроволн предотвращают воздействие на здоровье, вызванное локальным нагревом или нагреванием всего тела.
  • Рекомендации не защищают от потенциального вмешательства в электромедицинские устройства.
  • Максимальные уровни воздействия в повседневной жизни обычно намного ниже рекомендуемых пределов.
  • Из-за большого коэффициента безопасности воздействие, превышающее нормативные пределы, не обязательно вредно для здоровья. Кроме того, усреднение по времени для высокочастотных полей и предположение о максимальной связи для низкочастотных полей вносят дополнительный запас прочности.

Влияние электрических, магнитных и электромагнитных полей на циркадную систему: текущий уровень знаний

Одним из побочных эффектов работы каждого электрического устройства является электромагнитное поле, генерируемое рядом с его рабочим местом.Все организмы, включая человека, ежедневно подвергаются воздействию различных типов этого поля, характеризующегося различными физическими параметрами. Поэтому важно точно определить влияние электромагнитного поля на физиологические и патологические процессы, происходящие в клетках, тканях и органах. Многочисленные эпидемиологические и экспериментальные данные свидетельствуют о том, что чрезвычайно низкочастотное магнитное поле, создаваемое линиями электропередачи и устройствами с электрическим приводом, а также высокочастотное электромагнитное излучение, излучаемое электронными устройствами, потенциально отрицательно влияет на циркадную систему.С другой стороны, несколько исследований не обнаружили влияния этих полей на хронобиологические параметры. В соответствии с текущим уровнем знаний, некоторые ранее предложенные гипотезы, в том числе гипотеза о ключевой роли нарушения секреции мелатонина в патогенезе заболеваний, вызванных электромагнитным полем, нуждаются в пересмотре. В этой статье рассматриваются данные о влиянии электрических, магнитных и электромагнитных полей на ритмы мелатонина и кортизола — двух основных маркеров циркадной системы, а также сна.Он также предоставляет основную информацию о характере, классификации, параметрах и источниках этих полей.

1. Введение

Одним из побочных эффектов работы любого электрического устройства является электромагнитное поле, генерируемое рядом с его рабочим местом. Все организмы, включая человека, ежедневно подвергаются воздействию различных типов этого поля, характеризующегося различными физическими параметрами. Поэтому важно точно определить влияние электромагнитного поля на организмы.Все устройства с электропитанием и линии передачи генерируют низкочастотное (обычно 50 или 60 Гц) поле, которое имеет квазистационарный характер, и две его составляющие — электрическое и магнитное поле — можно анализировать отдельно. Считается, что это поле оказывает потенциально негативное воздействие на организмы, хотя механизм его биологического действия остается неизвестным. С другой стороны, электронные устройства, такие как мобильные телефоны, телевизоры или радиопередатчики, излучают электромагнитное излучение с высокими частотами (от 300 МГц до 300 ГГц).Излучение высокой энергии этого типа вызывает тепловой эффект, который может повышать температуру тканей и органов, а также вызывать серьезные повреждения клеток. Международное агентство по изучению рака (IARC) в 2002 году классифицировало чрезвычайно низкочастотное магнитное поле, создаваемое электрическими устройствами, как возможное канцерогенное для человека [1]. В 2011 году радиочастоты электромагнитных полей были квалифицированы МАИР и ВОЗ как потенциально повышающие риск развития злокачественной опухоли головного мозга [2].

Видимая часть электромагнитного излучения с относительно узкой полосой частот от 389 до 789 ТГц играет ключевую роль в регуляции суточных ритмов, влияя на активность супрахиазматического ядра через меланопсин-положительные ганглиозные клетки сетчатка [3]. Тем не менее, несколько отчетов предоставили доказательства того, что электрические и магнитные поля также влияют на циркадную систему. Было высказано предположение, что дефицит секреции мелатонина может быть ответственным за онкогенное действие электромагнитного поля [4].

Целью статьи был обзор данных о влиянии электрических, магнитных и электромагнитных полей на ритмы мелатонина и кортизола, двух основных маркеров циркадной системы, а также на сон. Мы также включили информацию о природе, физических параметрах, классификации и источниках полей, которая может быть полезна биологам и врачам.

2. Природа электрических, магнитных и электромагнитных сил

В физических науках электромагнитное поле — это состояние пространства, характеризующееся электродинамической природой сил, действующих на электрически заряженные объекты.В этом контексте электромагнитное поле можно представить как состоящее из двух независимых компонентов [5]: (i) электрическое — представленное состоянием пространства, известным как электрическое поле, в котором кулоновские силы действуют на неподвижные электрически заряженные объекты, (ii) магнитное — представленное состоянием пространства, известным как магнитное поле, в котором силы Лоренца действуют на нестационарные (движущиеся) электрически заряженные объекты (представляющие электрические токи). Может быть интересно отметить, что согласно специальной теории относительность, электрическое и магнитное поля — это два аспекта одного и того же явления в зависимости от выбранной системы отсчета наблюдения — электрическое поле в одной системе отсчета может восприниматься как магнитное поле в другой системе отсчета.

В пределах своего воздействия электромагнитные поля могут воздействовать на физические объекты, включая живые организмы. Эффекты этого влияния зависят от многих факторов. Среди них наиболее важными являются [5] (i) напряженность поля — в случае электрического поля его напряженность выражается в вольтах на метр (В / м), а в случае магнитного поля (МП) — в интенсивность выражается в амперах на метр (А / м), (ii) расстояние до объекта выражается в метрах (м), (iii) частота излучаемой энергии — в случае полей, зависящих от времени, она выражается в герцах (Гц) , в то время как для полей, не зависящих от времени, их частота равна 0, (iv) поверхностная плотность мощности (удельная мощность), представляющая интенсивность излучаемой энергии (мощности) с площадью по всей этой излучаемой энергии, выраженная в ваттах на квадратный метр (Вт / м 2 ).

Здесь стоит упомянуть, что напряженность магнитного поля выражается в амперах на метр (А / м) в соответствии со стандартами SI. Однако в литературе и научной практике очень часто вместо этого используется индукция магнитного поля, которая выражается в теслах (Тл). Эти величины — и — взаимосвязаны через магнитную проницаемость среды.

3. Электромагнитные поля в среде обитания живых организмов

Электромагнитное излучение и поля сопровождают живые организмы с самого начала жизни на Земле.Однако их нынешнюю интенсивность и повсеместность следует отнести, прежде всего, к человеческой деятельности — технологическим достижениям в современном машиностроении, связанным с разработкой и практическим использованием систем передачи электроэнергии, электрического оборудования и телекоммуникаций.

Источники электромагнитного излучения и полей можно разделить на естественные и неестественные. К естественным источникам относятся небесные тела, такие как звезды и магнитары, Земля и биологические процессы, связанные с потоком электрических импульсов в живых организмах (рис. 1).Электромагнитное излучение, которое достигает поверхности Земли из космоса в виде микроволнового фонового излучения, является следствием Большого взрыва и эволюции Вселенной в самые первые секунды ее существования. Этот тип излучения характеризуется распределением тепловой энергии как наиболее совершенное черное тело в природе и имеет почти идеальный планковский спектр при температуре около 2,7 К, в то время как максимум его поверхностной плотности мощности соответствует длине волны 272 ГГц [6 ]. Солнечное излучение, достигающее поверхности Земли, имеет относительно небольшую поверхностную плотность мощности около 3 мкВт / м 2 [6] и состоит из отличительных полос частот, так называемых атмосферных окон, представляющих те полосы частот, которые не поглощаются атмосферой Земли. .Их можно перечислить как (i) радиоокно — представленное длинами электромагнитных волн от 15 МГц до 300 ГГц, (ii) оптическое окно — представленное длинами электромагнитных волн от 150 ТГц до 1000 ТГц, (iii) микроволновое окно — представленное электромагнитными длинами волн от 23,1 ТГц до 37,5 ТГц. Магнитное поле Земли — это еще одно естественное поле, исходящее из ядра планеты, которое простирается до обширного пространства, окружающего Землю, известного как магнитосфера. Важным источником сильных электромагнитных полей являются атмосферные разряды, известные как молния.Быстрые выбросы радиации, которые сопровождают эти природные явления, характеризуются высокой плотностью мощности и высокими частотами. В живых организмах электромагнитные поля возникают из-за передачи сигналов в нервной системе и из структур, автономно генерирующих электрические импульсы (например, сердца).

История неестественных источников электромагнитного излучения и полей относительно коротка и охватывает только последние сто лет. Неестественные источники электромагнитного излучения или полей относятся к двум группам.Первая группа включает ионизирующее излучение, характеризующееся относительно высокой энергией, которое может приводить к ионизации частиц вещества. Присутствие этого вида излучения имеет в первую очередь естественные причины (статистическая годовая доза облучения составляет около 2,4 мЗв). Однако неприродные источники ионизирующего излучения, такие как технические устройства, в которых используются различные радиоактивные изотопы, в настоящее время считаются наиболее важными проблемами в охране здоровья населения. Вторая группа — это неионизирующее излучение с энергией, которая слишком мала для ионизации частиц вещества.Обычными источниками этого вида излучения являются все средства, используемые для производства, передачи и использования электроэнергии (высоковольтные линии электропередач, подстанции, двигатели, генераторы, промышленные и бытовые приборы, домашняя электропроводка и т. Д.). Очень важные источники электромагнитного излучения включают телекоммуникационные системы (радио, телевидение, Интернет и Wi-Fi), а также медицинские устройства, используемые для диагностики или терапии.

Согласно Европейской комиссии, неионизирующее излучение можно разделить на несколько уровней [7]: (i) статические поля, (ii) поля крайне низкой частоты (поля СНЧ), (iii) поля промежуточной частоты (поля ПЧ), ( iv) радиочастотные поля (радиочастотные поля).Чтобы проиллюстрировать соображения авторов, типичные источники электромагнитных полей / излучения, влияющих на живые организмы и упомянутые выше, перечислены и описаны в таблице 1.


Уровень Диапазон частот Излучение источник

Статический 0 Гц Земля, видеоэкраны, магнитно-резонансная томография и другое диагностическое / научное оборудование, электролиз, сварка

Поля крайне низкой частоты 0–300 Гц Линии электропередачи, домашняя проводка, автомобильные электродвигатели , электропоезда и трамваи, сварочные аппараты

Промежуточная частота 300 Гц – 100 кГц Видеоэкраны, противоугонные устройства, используемые в автомобилях, домах, магазинах, кардридеры, металлодетекторы, магнитно-резонансная томография , сварочные аппараты

Радиочастота 100 кГц – 300 ГГц Радио, телевидение, мобильные телефоны, микроволновые печи, радары и радиопередатчики, магнитно-резонансная томография

4.Влияние электрических, магнитных и электромагнитных полей на суточный ритм секреции мелатонина

Мелатонин является основным гормоном системы циркадного ритма у всех позвоночных, включая человека [8]. Суточный ритм его секреции в шишковидной железе млекопитающих управляется супрахиазматическим ядром — центральным эндогенным осциллятором, непосредственно связанным с сетчаткой [8–10]. В физиологических условиях регуляторные механизмы обеспечивают правильное включение этого ритма в цикл свет-темнота, и, следовательно, повышенная секреция мелатонина в ночное время может служить для всех клеток организма часами и календарем [8, 11, 12].Мелатонин играет ключевую роль в контроле многих физиологических процессов, происходящих в суточных или сезонных ритмах, таких как сон, метаболизм и размножение [13]. Более того, мелатонин также участвует в регуляции иммунной системы [14], сердечно-сосудистой системы [15] и развития рака [13, 16, 17]. Это также очень мощный поглотитель свободных радикалов [18].

Следует отметить, что уровень секреции мелатонина заметно различается у разных людей, как у людей [19, 20], так и у животных [21, 22].Основываясь на измерениях мелатонина в моче, человеческая популяция может быть разделена на выделителей мелатонина с низким и высоким содержанием мелатонина [19, 20]. Исследование на овцах продемонстрировало, что индивидуальная вариабельность уровня мелатонина в плазме находится под строгим генетическим контролем и связана с массой шишковидной железы и секрецией мелатонина, но не с катаболизмом гормонов [21]. Индивидуальные суточные профили мелатонина плазмы хорошо воспроизводятся в последовательные дни, недели и месяцы как у людей, так и у животных [20, 22].Уровень ночной секреции мелатонина снижается с возрастом [23].

Некоторые факторы, такие как световое загрязнение в ночное время или перемещение по часовым поясам, могут привести к нарушению ритма секреции мелатонина и циркадной дезорганизации, что, несомненно, оказывает негативное влияние на различные аспекты здоровья [13, 14, 16, 24, 25].

Секреция мелатонина шишковидной железой обычно считается особенно чувствительной к воздействиям электрического, магнитного и электромагнитного поля.Влияние этих полей на активность пинеальной железы анализировалось в эпидемиологических исследованиях [26–41] и экспериментальных исследованиях, проводимых с использованием различных моделей in vivo [42–94] и in vitro [95–100].

4.1. Эпидемиологические исследования

Эпидемиологические исследования предоставили интересные и очень важные данные о влиянии электромагнитных полей на мелатонин и его метаболит — 6-сульфатоксимелатонин — у людей. Многие из этих исследований касались эффектов чрезвычайно низкочастотного магнитного поля (ELF-MF), которое генерируется внешними линиями электропередачи высокого и среднего напряжения, внутренним источником электропитания и электрическими приборами [25].

Связь между воздействием магнитных полей с частотой 16,7 Гц и здоровьем человека интенсивно изучалась у железнодорожников [26, 101, 102]. Pfluger и Minder [26] сравнили, используя план повторных измерений, выделение 6-сульфатоксимелатонина с мочой у 108 швейцарских железнодорожников мужского пола между периодами отдыха и днями после начала работы на двигателях с электрическим приводом или выполнения других задач. Исследование показало, что экскреция 6-сульфатоксимелатонина с мочой была ниже в рабочие дни, чем в дни отдыха у водителей двигателей, подвергавшихся воздействию 16.Магнитное поле 7 Гц со средней напряженностью 20 мкТл, но не среди других рабочих. Следует отметить, что эпидемиологические исследования швейцарских железнодорожников продемонстрировали значительно повышенную (0,9% на мкТл-год кумулятивного воздействия) смертность от лейкемии [101]. Статистические данные также предполагают связь между профессиональным воздействием магнитного поля с частотой 16,7 Гц и риском болезни Альцгеймера [102].

Люди широко подвергаются воздействию магнитных полей с частотой 50 Гц (в Европе) или 60 Гц (в Северной Америке), создаваемых источниками питания и электрическими устройствами, обычно используемыми в домах и на рабочих местах.Уменьшение экскреции 6-сульфатоксимелатонина с мочой наблюдалось у электриков, подвергавшихся воздействию магнитных полей с частотой 60 Гц [27–29]. Значительные изменения были отмечены после второго дня рабочей недели, и эффект воздействия магнитного поля был наиболее заметным у субъектов с низким уровнем освещенности на рабочем месте [28]. Кроме того, было продемонстрировано, что снижение экскреции 6-сульфатоксимелатонина происходило у рабочих, подвергавшихся воздействию более двух часов и в трехфазной среде [29].У людей, работающих в однофазной среде, изменений не обнаружено. Слабое влияние профессионального воздействия низкоинтенсивного магнитного поля на экскрецию 6-сульфатоксимелатонина также наблюдалось у работающих женщин [30].

Davis et al. [31] предположили, что домашнее воздействие магнитного поля 60 Гц снижает активность пинеальной железы у женщин, в первую очередь у женщин, принимающих лекарства. Уровень экскреции 6-сульфатоксимелатонина был ниже у младенцев, содержащихся в инкубаторах, и повышался, когда их переводили в место, свободное от электрических устройств [103].Анализ, проведенный Юутилайненом и Кумлином [32], предполагает, что воздействие магнитного поля с частотой 50 Гц может усиливать эффекты воздействия ночного света на выработку мелатонина; однако исследование проводилось на относительно небольшой группе субъектов.

Следует подчеркнуть, что небольшое количество эпидемиологических исследований не выявило влияния воздействия КНЧ-МФ на секрецию мелатонина [33–37]. Gobba et al. [33] отметили схожие уровни экскреции 6-сульфатоксимелатонина в двух группах рабочих, подвергавшихся воздействию полей ≤0.2 мкТл и> 0,2 мкТл. Никакой связи между воздействием магнитного поля 60 Гц в жилых помещениях и экскрецией 6-сульфатоксимелатонина у взрослых в возрасте 50–81 лет не наблюдалось [34]. Touitou et al. [35] показали, что длительное воздействие КНЧ-МФ не изменяет уровень и суточную секрецию мелатонина. Эти данные предполагают, что магнитные поля не обладают кумулятивным действием на секрецию мелатонина у людей.

В отличие от ELF-MF, в эпидемиологических исследованиях гораздо меньше внимания уделялось влиянию электромагнитных полей промежуточного диапазона частот (от 300 Гц до <10 МГц) и радиочастотного диапазона (от 10 МГц до 300 ГГц).Не было обнаружено изменений в экскреции 6-сульфатоксимелатонина с мочой у женщин, проживающих рядом с передатчиками радио- и телевещания [38]. Использование мобильного телефона более 25 минут в день снижает уровень секреции мелатонина [39]. Радиовещательные передатчики с коротковолновыми электромагнитными полями (6–22 МГц) снижали секрецию мелатонина на 10% [40]. Исследование, проведенное с участием 50 техников по обслуживанию электронного оборудования, подвергшихся воздействию различных видов полей, выявило значительно более низкие уровни мелатонина в сыворотке крови по сравнению с контрольной группой [41].

4.2. Экспериментальные исследования на добровольцах

В отличие от эпидемиологических исследований, большинство исследований, проведенных на добровольцах, не выявили влияния КНЧ-МФ на уровни мелатонина и / или 6-сульфатоксимелатонина [42–51]. В исследовании Warman et al. [42], 2-часовое воздействие поля 50 Гц с интенсивностью 200–300 мкТл не вызывало значительных изменений в повышении уровня мелатонина в ночное время. Аналогичным образом, воздействие на добровольцев в течение одной ночи полем 50 Гц с интенсивностью 20 мкТл не оказывало влияния на уровень мелатонина в плазме [43].Selmaoui et al. [44] продемонстрировали, что острое ночное воздействие непрерывного или прерывистого 50 Гц линейно поляризованного магнитного поля силой 10 мкТл не влияет на секрецию мелатонина у людей. В серии экспериментов, проведенных Graham et al. [45–49], ночная секреция и метаболизм мелатонина не изменились у людей при воздействии КНЧ-МП с интенсивностью в пределах профессионального диапазона воздействия в течение одной или нескольких ночей. Не было обнаружено изменений мелатонина в слюне после воздействия на добровольцев 16.Электромагнитное поле 7 Гц [50, 51]. В отличие от данных, представленных выше, Davis et al. [52] продемонстрировали, что воздействие магнитного поля на 0,5–1 мкТл, превышающего уровень окружающей среды, в течение 5 ночей подряд снижает выведение 6-сульфатоксимелатонина у женщин.

4.3. Экспериментальные исследования на животных

Большинство экспериментов in vivo по влиянию воздействия магнитного поля на активность пинеальной железы проводилось на лабораторных грызунах [53–85].

В исследованиях воздействия КНЧ-МФ были получены весьма изменчивые результаты.Непрерывное воздействие магнитного поля 10 мкТл 50 Гц на крыс Sprague-Dawley в течение 91 дня снижало уровень мелатонина в крови [53]. Однако в другом исследовании той же группы не удалось продемонстрировать стойкий эффект воздействия магнитного поля 100 мкТл 50 Гц на уровень мелатонина у крыс, поскольку не наблюдалось его снижения или отсутствия изменений [54]. Снижение активности пинеальной железы в ответ на КНЧ-МФ было отмечено и в нескольких других экспериментах, проведенных на лабораторных крысах [55–63] и джунгарских хомячках [64, 65].С другой стороны, повышенная экскреция 6-сульфатоксимелатонина наблюдалась у крыс Sprague-Dawley, подвергшихся воздействию магнитного поля с частотой 50 Гц и интенсивностью 100 мкТл в течение 24 часов [66]. Аналогичным образом Dyche et al. [67] продемонстрировали, что у крыс-самцов, подвергшихся воздействию магнитного поля 100 мкТл в течение 1 месяца, наблюдается несколько повышенная экскреция 6-сульфатоксимелатонина. Повышенная секреция мелатонина после воздействия слабого магнитного поля также была обнаружена у джунгарского хомяка Niehaus et al.[68]. В других исследованиях, проведенных на крысах и хомяках, изменений секреции мелатонина в ответ на магнитное поле с частотой 50/60 Гц не наблюдалось [69–77]. Об отсутствии влияния ELF-MF на активность пинеальной железы также сообщалось у мышей [78].

Исследования на грызунах предоставили интересные данные о влиянии радиочастотного диапазона электромагнитного поля на активность пинеальной железы. Воздействие на крыс электромагнитного поля частотой 900 МГц и удельной адсорбцией 0.9 Вт · кг −1 (мобильный телефон) в течение 2 часов в день и повторения в течение 45 дней приводили к статистически значимому снижению содержания мелатонина в пинеальной железе [81]. Кроме того, поле с частотой 1800 МГц и мощностью 200 Вт · см −2 (2 часа в сутки в течение 32 дней; 0,5762 Вт · кг −1 ) нарушало ритм секреции мелатонина у крыс [82]. Однако в другом эксперименте животных подвергали аналогичному воздействию в течение 30 минут в день, 5 дней в неделю в течение 4 недель, и никаких изменений уровня мелатонина в сыворотке крови крыс не было отмечено [83].Точно так же воздействие на джунгарских хомяков электромагнитным полем с частотами 383, 900 и 1800 МГц (80 мВт · кг -1 ) в течение 60 дней (24 часа в сутки) не приводило к изменениям секреции мелатонина. [84].

Исследования воздействия электрических и магнитных полей на негрызуны проводились лишь от случая к случаю [86–94]. Воздействие на молочный скот вертикального электрического поля 10 кВ / м и однородного горизонтального магнитного поля 30 мкТл в течение 28 дней не изменяло ночной уровень мелатонина в крови [86].Аналогичным образом не наблюдалось изменений секреции мелатонина в других экспериментах, проведенных на дойных коровах [87, 88] и ягнятах [89, 90]. Исследования американских пустельг показали, что длительное воздействие электромагнитных полей (60 Гц, 30 мкТл, 10 кВ · м −1 ) вызывает изменения секреции мелатонина [91]. Магнитное поле увеличивало уровень мелатонина в шишковидной железе и сыворотке крови форели в ночное время [92].

4.4. Исследования in vitro

Исследования in vitro влияния электромагнитных полей на секрецию мелатонина проводились на шишковидной железе джунгарских хомяков [95, 100] и крыс [96–99].Результаты экспериментов с шишковидной железой хомяка в культуре суперфузионных органов показали, что КНЧ-МФ с интенсивностью 86 мкТл и частотой 16,67 или 50 Гц вызывают снижение секреции мелатонина, активируемого изопротеренолом [95]. Снижение стимулируемой изопротеренолом секреции мелатонина и активности арилалкиламин-N-ацетилтрансферазы также было обнаружено в исследованиях пинеалоцитов крыс после воздействия КНЧ-МФ [96, 97]. Напротив, Lewy et al. [98] отметили повышенную активность ферментов, синтезирующих мелатонин, в то время как Tripp et al.[99] не обнаружили изменений секреции мелатонина в пинеалоцитах крыс в ответ на ELF-MF.

Влияние воздействия электромагнитного поля с частотой 1800 МГц на секрецию мелатонина шишковидной железой джунгарского хомячка было исследовано [100] на той же экспериментальной установке, которая использовалась в экспериментах с КНЧ-МП [95]. Это исследование продемонстрировало, что как непрерывные, так и импульсные сигналы при определенном уровне адсорбции 800 мВт · кг -1 , продолжительностью семь часов, увеличивают уровень секреции мелатонина, стимулированной изопротеренолом [100].

5. Влияние электрических, магнитных и электромагнитных полей на суточный ритм секреции кортизола

Кортизол является важным стероидным гормоном, вырабатываемым надпочечниками. Подобно мелатонину, он демонстрирует постоянный и воспроизводимый суточный ритм в физиологических условиях [104–107]. Debono et al. [105] в исследовании 33 здоровых людей с 20-минутным интервалом профилирования кортизола в течение 24 часов показали, что концентрация кортизола достигает самых низких уровней около полуночи.Затем он начал расти в 02: 00–03: 00, а пик пришелся примерно на 08:30. Затем уровень кортизола медленно снизился до надира. Максимальный уровень кортизола в крови человека составлял приблизительно 399 нмоль / л, в то время как надирный уровень кортизола был <50 нмоль / л. Как и многие другие физиологические процессы в организме, происходящие в суточных циклах, ритм секреции кортизола регулируется супрахиазматическим ядром, расположенным в гипоталамусе.

Кортизол управляет голодом и аппетитом, стрессом, воспалительной реакцией и многими другими функциями [108–110].Важность кортизола особенно очевидна, когда он становится недостаточным в состоянии, известном как надпочечниковая недостаточность [111]. Было высказано предположение, что кортизол действует как вторичный посредник между центральными и периферическими часами и может быть важным фактором синхронизации циркадных ритмов тела [111]. Изменения ритмической продукции и уровня кортизола приводят к значительным побочным эффектам [108, 112]. У детей с аутизмом часто наблюдаются большие различия в дневных моделях кортизола и значительное повышение уровня кортизола в слюне в ответ на несоциальный стрессор [113].

Люди и животные живут в среде с электромагнитными полями разного происхождения. Они подвергаются воздействию электромагнитного поля естественного происхождения, такого как магнитная сила Земли и искусственного происхождения, которое возникает в результате деятельности человека. Изменения магнитного поля Земли влияют на все живые существа на планете. Кроме того, электрические и магнитные поля, которые существуют везде, где генерируется или передается электричество, кажутся очень важными для подвергшихся воздействию организмов.

5.1. Экспериментальные исследования на животных

Результаты исследований влияния электромагнитного поля на секрецию кортизола у животных очень разнообразны. У морских свинок ELF-MF вызывал изменения уровня кортизола, который зависел от частоты и интенсивности поля [114]. Воздействие на животных в течение 2 и 4 часов в день в течение 5 дней поля с частотой 50 Гц и 0,207 мкТл показало значительное снижение уровня кортизола [114]. Однако в группах, подвергнутых воздействию поля 5 Гц и 0.013 мкТл, значительных изменений кортизола через 2 или 4 часа воздействия не наблюдалось [114]. У швейцарских мышей, непрерывно подвергавшихся воздействию низкочастотного (50 Гц) поля в течение 350 дней, снижение уровня кортизола наблюдалось на 190 день эксперимента [115]. На 90-е и 350-е сутки воздействия значимых различий отмечено не было [115]. Повышение уровня кортизола наблюдалось у крыс, подвергавшихся воздействию однородных магнитных полей 10 –3 Тл и 10 –2 Тл по 1 часу каждый день в течение десяти дней [116].Воздействие на самок хомяков мобильных телефонов, работающих на частоте 950 МГц в течение короткого (10 дней, 3 часа ежедневно) и длительных (60 дней, 3 часа ежедневно) периодов, вызывало значительное повышение уровня кортизола по сравнению с контрольной группой [117].

Сообщалось также об отсутствии влияния электромагнитного поля на концентрацию кортизола. Burchard et al. [118] не показали изменений в концентрации кортизола, что могло быть связано с воздействием на дойных коров электрического и магнитного полей (вертикальное электрическое поле 10 кВ и горизонтальное магнитное поле 30 мТл).У овцематок также не сообщалось об эффекте воздействия магнитного поля 60 Гц в течение 43 недель на уровень кортизола в сыворотке [119]. Отсутствие влияния электромагнитного поля на концентрацию кортикостерона, независимо от характеристик и продолжительности воздействия, было обнаружено также в экспериментах на крысах [120, 121].

5.2. Исследования на людях

Исследования влияния магнитной силы Земли на человеческое тело показали, что уровни кортизола в сыворотке зависят от направления головы во время сна по отношению к Северному и Южному магнитным полюсам [122].Биологический эффект воздействия антропогенных электромагнитных полей на человека был предметом нескольких исследований [123–127]. Стоматология — одна из категорий профессий, в которых часто наблюдается повышенный уровень ELF-MF. Воздействие на стоматологов полей, излучаемых кавитронами, вызывало снижение уровня кортизола в сыворотке крови по сравнению с контрольной группой [123]. Низкочастотные магнитные поля применяются в физиотерапии (магнитотерапия и магнитостимуляция). Исследования длительного применения этих процедур предполагают регулирующее влияние магнитных полей на концентрацию кортизола [124].Однако следует подчеркнуть, что многочисленные исследования не обнаружили влияния магнитных полей 50/60 Гц (1–20 мкТл) и радиочастотных электромагнитных полей на уровень кортизола, независимо от времени эксперимента, возраста или пола людей. или время выборки [125–127].

6. Влияние электрических, магнитных и электромагнитных полей на сон

Суточные ритмы генерируются внутренней системой биологических часов, которые синхронизируются с 24-часовым днем ​​под воздействием факторов окружающей среды, в первую очередь цикла свет-темнота.Многие ритмы очевидны и легко распознаются, например, цикл сна и бодрствования, двигательная активность и пищевое поведение.

Цикл сна-бодрствования, вероятно, является основным выходным ритмом циркадных часов, потому что регуляция многих форм поведения и физиологической активности зависит от того, спит ли организм или бодрствует. Предполагается, что расстройства сна — часто встречающиеся клинические симптомы — частично связаны с воздействием электромагнитного поля. В последние годы появляется все больше экспериментальных и эпидемиологических данных о влиянии неионизирующих электромагнитных полей на физиологию мозга и сон [40, 128–144].

Сон — это эндогенный самоподдерживающийся церебральный процесс. Можно измерить определенные и различимые фазы сна. Низкочастотная активность (<10 Гц) и частотная активность веретена сна (приблизительно 12-15 Гц) - это две безмолвные характеристики сна с небыстрым движением глаз (NREM), которые можно количественно оценить и использовать в качестве маркеров процессов регуляции сна [145]. Несколько экспериментов показали, что электроэнцефалографическая (ЭЭГ) спектральная мощность в альфа (8–12 Гц) и веретено (12–14 Гц) частотах увеличивается как во время, так и после воздействия импульсно-модулированного радиочастотного поля [128–133].Недавно также наблюдалось увеличение дельта-мощности (<4,5 Гц) [129]. Mann и Röschke [134] сообщили о снижении скорости сна с быстрым движением глаз (REM) и изменениях спектральной мощности ЭЭГ во время REM-сна в ответ на высокочастотное электромагнитное поле, излучаемое цифровыми мобильными радиотелефонами. Regel et al. [130] провели исследование влияния воздействия радиочастотного электромагнитного поля путем изменения интенсивности сигнала в трех экспериментальных сессиях. Анализ ЭЭГ сна выявил дозозависимое увеличение мощности в частотном диапазоне веретена во время медленного сна.Это дало первые признаки дозозависимой связи между интенсивностью поля и его влиянием на физиологию мозга. Huber et al. [137] также продемонстрировали увеличение мощности в диапазоне частот быстрого шпинделя ЭЭГ во время воздействия импульсного радиочастотного поля, но не дозозависимым образом. Следует также подчеркнуть, что во многих исследованиях [135, 139–141] не удалось показать каких-либо эффектов воздействия радиочастотного поля на сон или ЭЭГ во сне.

Несмотря на несколько сообщений, показывающих влияние импульсно-модулированного радиочастотного электромагнитного поля на ЭЭГ во сне, механизм этих изменений, вызванных воздействием, до сих пор неясен.Кроме того, нет подтверждающих доказательств того, что этот эффект связан с такими последствиями для здоровья, как изменение качества сна [128–130, 136].

На сегодняшний день проведено несколько контролируемых лабораторных исследований ЭЭГ сна в низкочастотных электрических и магнитных полях. Åkerstedt et al. [143] провели двойное слепое плацебо-контролируемое исследование с участием 18 здоровых людей, чтобы изучить влияние магнитного поля частотой 50 Гц на сон. Результаты показали, что эффективность сна, медленный сон и медленная активность, а также субъективная глубина сна были значительно снижены под воздействием СНЧ-МФ.Хотя эти результаты предполагают интерференцию низкочастотного поля, авторы подчеркивают, что эти изменения все еще находятся в пределах нормы. В двойном слепом лабораторном исследовании Graham et al. [144] исследовали влияние магнитного поля 60 Гц на сон во время непрерывного, прерывистого или фиктивного воздействия. Они продемонстрировали, что периодическое воздействие приводит к явному искажению сна и изменению архитектуры сна по сравнению с фиктивными условиями и непрерывным воздействием. Следует подчеркнуть, что напряженность поля в обоих упомянутых исследованиях [143, 144] была ниже той, которая используется для медицинских диагностических целей, таких как магнитно-резонансная томография.

Анализ эпидемиологических данных, касающихся качества сна и цикла мелатонина, собранных в течение десяти лет в районе коротковолновой (6–22 МГц) радиовещательной станции, предоставил доказательства того, что воздействие электромагнитного поля влияет только на тех, кто плохо спит, и это может быть группой людей, чувствительных к такому воздействию [40]. Это явление было описано как гиперчувствительность к электромагнитным полям, EHS. Это также наблюдалось в нескольких других сообщениях [146, 147].

Хотя биологическое объяснение связи между воздействием радиочастотного электромагнитного поля и ухудшением качества сна не было идентифицировано, предполагается, что в этом процессе может быть задействовано подавление ночной секреции мелатонина [148].Два сравнительно недавних исследования предполагают связь между снижением секреции мелатонина в ночное время и увеличением использования мобильных телефонов, излучающих радиочастотное поле [39, 149]. Однако четыре перекрестных испытания [127, 141, 150, 151] не обнаружили корреляции между воздействием мобильного телефона и секрецией мелатонина. Гипотеза о связи между циклом мелатонина и воздействием электромагнитного поля требует дальнейшего изучения [152].

7. Выводы

Результаты исследований влияния электрических, магнитных и электромагнитных полей на секрецию мелатонина и кортизола, а также на сон во многом противоречивы.Неблагоприятные данные, связанные с влиянием этих физических факторов на секрецию обоих «циркадных» гормонов, были получены во всех группах исследований, включая эпидемиологические исследования, исследования на добровольцах и исследования на животных. Более того, исследования шишковидной железы грызунов in vitro также дали противоречивые результаты. Источники расхождений остаются неизвестными; однако такие факторы, как неправильная оценка уровня воздействия, влияние других факторов, таких как свет и лекарства, различия в фазах циркадного ритма во время воздействия и индивидуальная изменчивость чувствительности к электромагнитным полям, по-видимому, заслуживают особого внимания.Идея о том, что некоторые люди более чувствительны к электромагнитному полю, чем другие, из-за генетического фона или / или текущего состояния здоровья, кажется очень привлекательной и должна стать предметом дальнейших исследований. Следует отметить, что противоречивые результаты были также получены в исследованиях, посвященных другим воздействиям электрических, магнитных и электромагнитных полей на организм, включая их опухолево-промотирующее действие [153–157].

Несмотря на расхождения в представленных результатах, КНЧ-МП и радиочастотное электромагнитное поле следует рассматривать как факторы, которые могут влиять на функцию циркадной системы, поскольку значительное количество исследований продемонстрировало изменения в секреции мелатонина и кортизола, а также во сне после экспозиция в этих областях.Из-за широко распространенного воздействия на людей и животных КНЧ-СЧ и радиочастотного электромагнитного поля исследования их биологических эффектов должны быть продолжены. Важным и до сих пор нерешенным вопросом является взаимосвязь между физическими характеристиками и биологическими эффектами полей, а также механизмами воздействия полей на циркадную систему.