Атмосферное электричество — Энергетика и промышленность России — № 09 (317) май 2017 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 09 (317) май 2017 года

Одним из первых проводил опыты с воздушным электричеством Бенджамин Франклин – ученый и политический деятель, знакомый нам по портрету на стодолларовой купюре. Он изучал природу молний, запуская воздушного змея в грозу. Кстати, именно он изобрел громоотвод, конструкция которого практически не изменилась до наших дней, и ряд электростатических моторов.

Одновременно подобные опыты проводились и в других странах. Так, например, в России был убит молнией сподвижник Ломоносова Георг Рихман, когда в воздух поднимали провода, чтобы продемонстрировать, что электричество накапливается в облаках.

Земля – конденсатор

Сейчас природа атмосферного электричества достаточно хорошо изучена. Однако попытки использовать ее на благо человечества не прекращаются. Что вполне понятно: задачи получения «бесплатной» энергии волновали людей всегда.

Земля – хороший проводник электричества. Как и верхний слой атмосферы – ионосфера. Нижний же слой атмосферы обычно не проводит электричество, является электрическим изолятором. По сути – диэлектриком. Таким образом, планета и слои атмосферы являются огромным конденсатором, способным накапливать электроэнергию, подобно электрическому полю. Гигантский конденсатор постоянно заряжается в одних регионах и разряжается в других, создавая глобальный электрический контур. Таким образом, вероятно, вполне возможно создать атмосферную электростанцию, чтобы получать электричество из воздуха.

В нижних слоях атмосферы Земли идут интенсивные процессы испарения, переноса тепла и влаги, образования облаков, сопровождающиеся явлениями электризации. Молнии и осадки также переносят к земле отрицательный заряд. В результате, у поверхности Земли напряженность электростатического поля достигает 100‑150 В / м летом и до 300 В / м зимой. Перед грозой регистрируют напряженность поля до десятков киловольт на метр и выше! Мы почти не чувствуем этого поля просто потому, что воздух – хороший изолятор.

Таким образом, в вероятности, вполне возможно создать атмосферную электростанцию, чтобы получать электричество из воздуха.

Станция из воздушных шаров

Как могла бы выглядеть атмосферная электростанция? Один из возможных способов ее создания состоит в запуске в атмосферу группы высотных воздушных шаров, способных притягивать электричество. Эти шары соединяются электропроводами, которые также закрепляют их на земле в резервуарах, содержащих раствор воды и электролита. Если такой шар поднимется до нижних ионизированных слоев атмосферы, постоянный электрический ток потечет по проводу через растворенный электролит, что приведет к разложению воды на водород и кислород. Далее эти газы можно будет собрать так же, как в любом другом электролитическом устройстве. Водород можно использовать в качестве горючего для топливных элементов или для автомобилей на водородном топливе.

Эксперименты с аэростатами, изготовленными из тонких листов магниево-алюминиевого сплава, покрытого очень острыми, электролитическим способом изготовленными иглами, провел в Финляндии доктор Герман Плаусон. Иглы содержали также примесь радия, чтобы увеличить местную ионизацию воздуха. Поверхность аэростата также красили цинковой амальгамой, которая в солнечную погоду давала дополнительный ток вследствие фотоэффекта.

Плаусон получил мощность 0,72 кВт от одного аэростата и 3,4 кВт от двух, поднятых на высоту 300 м. На свои устройства он в 1920‑х гг. получил патенты США, Великобритании и Германии. Его книга «Получение и применение атмосферного электричества» содержит детальное описание всей технологии.

Доводы скептиков

Но действительно ли запасы электричества Земли велики?

По мнению скептиков, множество проектов по использованию электрического поля планеты опираются на совершенно мифические механизмы отбора энергии от глобального конденсатора.

Для начала стоит заметить, что возникают противоречия в подсчете емкости конденсатора, образованного поверхностью Земли и ионосферой (расхождение результатов – более чем в 1000 раз!).

Земной конденсатор заряжен до напряжения приблизительно 300 кВ, причем поверхность Земли имеет отрицательный заряд, а ионосфера – положительный. Напряженность поля между «обкладками» такого конденсатора составляет 120‑150 В / м у поверхности и резко падает с высотой.

Как у всякого конденсатора, в нем имеются токи утечки. Эти токи очень малы. Но пересчет на всю поверхность Земли дает суммарный ток утечки около 1800 А. А электрический заряд Земли оценивается в 5,7×105 степени кулон. То есть земной конденсатор должен разрядиться всего за 8‑10 мин.

На практике мы подобной картины не наблюдаем. Значит, существует некий природный генератор, мощностью более 700 МВт, компенсирующий потерю заряда системы Земля – ионосфера.

Современная наука оказалась бессильной объяснить механизмы подзарядки конденсатора. На сегодня существует более десяти гипотез, описывающих механизмы и процессы поддержания постоянного заряда Земли. Но экспериментальная проверка и уточненные расчеты показывают недостаточность количества вырабатываемых зарядов для поддержания стабильного значения поля Земли.

В числе кандидатов на генераторы зарядов рассматривались грозы, циркуляция токов в расплавленной мантии Земли, поток частиц от Солнца (солнечный ветер). Выдвигалась даже экзотическая гипотеза о существовании природного МГД генератора, работающего в верхних слоях атмосферы. Но сегодня наука точно не знает, откуда восполняются заряды природного конденсатора. Возможно, каждый из перечисленных механизмов дает свой вклад в пополнение заряда земного накопителя.

Попытки использовать напряженность поля Земли в утилитарных целях предпринимались более двух веков. Лучшее достижение – уже упомянутые конструкции с использованием аэростатов – позволили получить мощность около 1 кВт, а современные, реально работающие схемы позволяют лишь запитать маломощный светодиод или подзарядить мобильный телефон.

Дело в том, что проводимость атмосферного воздуха составляет только 10–14 степени Сименс / метров. Отобрать от столь высокоомного источника заметную мощность просто невозможно. Для этого детали «генератора» должны иметь более надежную изоляцию – иначе он быстро «закорачивается».

Воздушная электроэнергия

Однако доводы скептиков не останавливают экспериментаторов.

По их мнению, высокая разность потенциалов между поверхностью Земли и ионосферой приводит к формированию мощного электрического поля в тропосфере и стратосфере. Заряд в этом суперконденсаторе поддерживается за счет солнечного излучения, космических лучей, а также радиоактивности земной коры. Все эти излучения взаимодействуют с магнитным полем Земли и атомами в верхних слоях атмосферы, пополняя заряд суперконденсатора.

Постоянный заряд атмосферного суперконденсатора составляет от 250  000 до 500  000 В, что сопоставимо с напряжением высоковольтных электрических линий. Однако разница электрических потенциалов поверхности Земли и атмосферы – это постоянный ток, а не переменный. Общее среднее значение силы тока, протекающего через атмосферный суперконденсатор, только в результате гроз составляет 1500 А (по два ампера на каждую из 750 гроз). Электрическая мощность в ваттах составляет произведение силы тока в амперах на напряжение в вольтах. Приведенные выше цифры означают, что земная атмосфера постоянно рассеивает несколько сотен миллионов ватт электроэнергии. Этой мощности хватает на полное пиковое обеспечение электроэнергией среднего города.

Преимущества и недостатки атмосферных электростанций

В качестве преимуществ отмечаются следующие факторы:

• земельно-ионосферный суперконденсатор постоянно подзаряжается с помощью возобновляемых источников энергии – солнца и радиоактивных элементов земной коры;
• атмосферная электростанция не выбрасывает в окружающую среду никаких загрязнителей;
• оборудование атмосферных станций не бросается в глаза. Воздушные шары находятся слишком высоко для того, чтобы их увидеть невооруженным глазом;
• атмосферная электростанция способна вырабатывать энергию постоянно, если поддерживать шары в воздухе.

Недостатки:

• атмосферное электричество, как и энергию солнца или ветра, трудно запасать. Его необходимо либо использовать сразу же, на месте получения, либо преобразовывать в любую другую форму, например в водород;

• значительная разрядка земельно-ионосферного суперконденсатора может нарушить баланс глобального электрического контура. В этом случае последствия для окружающей среды будут непредсказуемы;
• высокое напряжение в системах атмосферных электростанций может быть опасным для обслуживающего персонала;
• воздушные шары необходимого размера сложно обслуживать и поддерживать на необходимой высоте. Кроме того, они могут представлять опасность для авиации;
• общее количество электроэнергии, которую можно получать из атмосферы, ограничено. В лучшем случае атмосферная энергетика может служить лишь незначительным дополнением к другим источникам энергии.

Если атмосферная электростанция когда‑либо будет построена, то наиболее вероятным местом ее расположения окажется некий островок в океане, а воздушные шары будут крепиться к земле двумя-тремя проводами. Попытка соорудить ее в жилом месте может привести к значительным разрушениям (например, во время торнадо).

Преимущества и недостатки атмосферных электростанций

Преимущества атмосферных электростанций

• Земельно-ионосферный суперконденсатор постоянно подзаряжается с помощью возобновляемых источников энергии — солнца и радиоактивных элементов земной коры.
• Атмосферная электростанция не выбрасывает в окружающую среду никаких загрязнителей.
• Оборудование атмосферных станций не бросается в глаза. Воздушные шары находятся слишком высоко для того, чтобы их увидеть невооруженным глазом. Для этого понадобится телескоп или бинокль.
• Атмосферная электростанция способна вырабатывать энергию постоянно, если поддерживать шары в воздухе.

Недостатки атмосферных электростанций

• Атмосферное электричество, как и энергию солнца или ветра, трудно запасать. Его необходимо либо использовать сразу же, на месте получения, либо преобразовывать в любую другую форму, например в водород.
• Значительная разрядка земельно-ионосферного суперконденсатора может нарушить баланс глобального электрического контура. В этом случае последствия для окружающей среды будут непредсказуемы.
• Высокое напряжение в системах атмосферных электростанций может быть опасным для обслуживающего персонала.
• Воздушные шары необходимого размера сложно обслуживать и поддерживать на необходимой высоте. Кроме того, они могут представлять опасность для авиации.
• Общее количество электроэнергии, которую можно получать из атмосферы, ограниченно. В лучшем случае атмосферная энергетика может служить лишь незначительным дополнением к другим источникам энергии.

Вопрос
Что произойдет, если воздушный шар вместе с проводом попадет в сильную грозу (не говоря об урагане или торнадо)?

Ответ
Параметры тока, протекающего по проводу в резервуары с электролитом, вероятнее всего, изменятся вследствие локальных грозовых электрических зарядов. Под действием турбулентных потоков воздуха провод будет испытывать серьезное механическое напряжение. Если он порвется, то его часть упадет на землю в районе «электростанции», а та, что привязана к воздушному шару, опустится на землю вместе с ним где-то далеко. Это может привести к значительным разрушениям.

Если атмосферная электростанция когда-либо будет построена, то наиболее вероятным местом ее расположения окажется некий островок в океане, а воздушные шары будут крепиться к земле двумя-тремя проводами. Так что не стоит пытаться соорудить подобную электростанцию дома.

Атмосферная энергетика.

В данной статье я хочу поговорить о способах получения энергии из атмосферы земли. Как известно – потенциал между землей и ионосферой огромен и достигает 400 кВ, а его потенциальная энергия равна миллионам гигаватт. За счет природных процессов, которые протекают у поверхности земли – получается первая обкладка конденсатора.

Основным компонентом, который формирует потенциал у поверхности планеты, является вода. За счет процессов перехода в различные агрегатные состояния (испарение, конденсация и т.д.) образуется мощное покрывало из отрицательно заряженных частиц, которые располагаются по всей поверхности планеты. Верхняя обкладка конденсатора — ионосфера. Положительные частицы образуются главным образом за счет ударной ионизации от космического излучения. Проще говоря – частицы, летящие, к примеру, от солнца, ударяясь в нейтральные частицы атмосферы – передают им свою энергию. Таким образом, в результате природных процессов на нашей планете, которые происходят миллиарды лет – образуются два разноименных заряда, Которые непрерывно насыщаются в результате ударной бомбардировки из космоса и за счет природных процессов у поверхности земли. Так же происходит и разряд обкладок конденсатора, во время пробоя диэлектрика это молния. По сути, молния не что иное, как кратковременное замыкание двух разноименных потенциалов с выделением энергии в виде света и тепла. Энергии настолько много, что разрядов молний, которые происходят постоянно и непрерывно миллионы лет на всей поверхности земли, влияет на нагрев атмосферы планеты, наравне с солнечным излучением и тепличным эффектом газов.

Рис. 1 Круговорот электрических зарядов в атмосфере.

С первого взгляда получение электричества из атмосферы выглядит достаточно простым. Имеем два потенциала, к которым можно подключиться, преобразовать энергию в электричество с необходимыми характеристиками и источник в миллиарды гигаватт у нас в руках. Для примера вся энергия, которая вырабатывается в США за год, составляет примерно 1.5% от той энергии, которая содержится в атмосфере планеты. Однако получение энергии связано с определенными трудностями. В частности электрод для забора положительных частиц из ионосферы – должен иметь большую площадь поверхности, а так же поднят на достаточно большую высоту. Помимо этого, сложности состоят в том, как преобразовать полученную энергию в напряжение с необходимыми потребителю характеристиками.

Рис. 2. Радиационный баланс и плотность тепловой энергии

Пионером в области получения электричества из атмосферы, несомненно, был Никола Тесла. Он использовал определенную частоту своего приемника энергии, которая была равна частоте земли. Так называемая частота Шумана, которая равна примерно 8Гц. Следует отметить, что приемник должен иметь настраиваемый колебательный контур, поскольку частота варьируется в зависимости от погоды, времени и времени года. Так, к 19 часам по Гринвичу — колебания достигают пика. Зимой, за счет более сухого воздуха и сильных ветров, потенциал больше, чем летом. Однако в среднем разница составляет не более 30% от среднего значения. Текущую частоту колебаний земли можно посмотреть на сайте Space Observing Systems (http://sosrff.tsu.ru) . Тесла так же применял ионизированный канал, чтобы улучшить проводимость атмосферы над приемником энергии. Если выбрасывать отрицательно заряженные частицы в атмосферу, к примеру, используя Катушку Теслы. То можно добиться локального сокращения слоя диэлектрика и образования токопроводящего канала. Это поможет разрядиться потенциалу. В общих чертах – знаменитая Башня Теслы является, по сути, буфером или если хотите, емкостью, где задающий генератор перемещает заряд из земли и обратно. Башня Теслы это антенна, в которой после соответствующих манипуляций (создание резонирующих с частотой Шумана колебаний задающим генератором, обеспечением заземления и т.д.) наводится атмосферное электричество.

Рис. 3 иллюстрация к патенту Плауссона 1922г.

Утилизатор энергии по мотивам патентов Теслы, был описан так же в работах Германа Плауссона, который в 20-е годы прошлого века проводил испытания с воздушными шарами-антеннами, а 9 июня 1925 года он запатентовал свою систему по сбору атмосферного электричества. Патент за номером 1.540.998. Самодельные аэростаты можно наполнить водородом, применив примитивную реакцию медного купороса и алюминия, при контакте этих двух компонентов происходит получение водорода с выделением тепла. Следует отметить. Что такой способ применим разве что для опытов, поскольку водород крайне огнеопасен. Использование его в аэроантеннах небезопасно. Однако то, что антенну приемника нужно поднимать как можно выше – очевидно. Так же огромную роль играет качественное заземление. Тесла в своих дневниках говорил о необходимости тщательного заземления аппаратуры. В частности он говорил, как сделать его. Следует взять большой лист металла, к которому присоединить провод. Металл следует закопать как можно глубже. Предварительно засыпав его солью для улучшения контакта с почвой. Засыпая лист – следует постоянно утрамбовывать почву. Так же Тесла просил помощника периодически поливать землю над листом водой, чтобы улучшить контакт с почвой. Качественное заземление не менее важно, чем антенна. Следует так же сказать о том, что заземляться в многоквартирных домах на трубы центрального отопления неправильно, поскольку это плохое заземление. Хоть труба и уходит под землю. Она так же идет и по всему зданию. Если представить всю систему отопления без самого здания – мы получит антенную решетку. Которая будет пагубно влиять на прием энергии. Более того. В некоторых случаях трубы электрически соединены с несущей арматурой здания. Возможно, тут можно оспорить мое мнение, однако я считаю, что лучшее заземление. Когда сама его конструкция не выходит за пределы поверхности земли.

Рис 4. Работы по получению атмосферного электричества.

Утилизировать полученную энергию можно различными способами. Большинство из них сводиться к накоплению в промежуточном конденсаторе и высвобождению через разрядник в трансформатор или напрямую. К потребителю. КПД таких устройств, к сожалению, достаточно низок. Это связано с малыми габаритами приемной антенны, а так же несовершенством конструкции. Мы еще поговорим о способах получения энергии земли.

А сейчас следует упомянуть о способе преобразования, который используется в электростатическом двигателе Ефименко. Конструктивно двигатель представляет собой вертикальную ось, на которую насажен диск из электрета. Примитивный электрет можно сделать залив смесью парафина и древесной смолы круглую емкость, и подать на смесь высокое напряжение. Получившийся электрет будет сохранять свою напряженность достаточно долго. Подробнее об электретах можно почитать в интернете. Диск из электрета устанавливается на ось. К обеим поверхностям диска прикреплены две металлические пластины. На пластины через щетки подается напряжение от антенны на одну пластину и от земли на другую соответственно. Следует обратить внимание на полярность дискового электрета и правильно рапределить полярность. Более подробно об этом написано в главе «Электретные моторы» книги О. Ефименко «Электростатические моторы». При использовании дополнительных накопителей энергии такие как маховик, акб или ионистор, можно собрать преобразователь атмосферного электричества в механическое движение ротора.

Рис 6. Двигатель Ефименко О. И принцип его подключения.

Если не использовать преобразователь в механическую работу а напрямую преобразовывать в напряжение с нужными характеристиками, то следует руководствоваться патентом № RU 2 245 606 за авторством Кучер П.А. и Коломиец В.И. В патенте достаточно подробно рассказывается о строительстве электрода для приема атмосферного электричества. Так же не следует забывать и патентах Теслы и Плауссона.

Рис 7. Принципиальная схема утилизатора атмосферного электричества

Подведя итог, хочется сказать, что на данном этапе развития науки и техники — получение электроэнергии пусть даже в небольших масштабах – вещь более чем реальная. Локальные приемники энергии. Установленные за городом могут стать реальной альтернативой автономных генераторов. А проведенные опыты показали их высокую эффективность в плане освещения и питания мобильных устройств. Применяя современную элементную базу, к примеру, светодиоды для освещения, использование преобразователей типа Joulie Thief преобразования энергии и современные антенны – можно достигнуть высоких показателей КПД для такого рода источников энергии.

Сергей О. 2013г.

При перепечатке материалов указание ссылок и авторства — обязательно.

Электроэнергетика

В настоящее время основная доля электроэнергии производится за счет сжигания угля, нефти, газа, горючих сланцев, торфа, а также использования энергии рек. Любой из этих и других современных способов производства и использования энергии связан с определенными отрицательными воздействиями на окружающую среду.

Ежегодно в РФ вырабатывается около 900 млрд. кВт ч электроэнергии.

Тепловые электрические станции загрязняют воздушный бассейн продуктами сгорания, вызывают тепловое загрязнение атмосферы, загрязнение водных объектов сточными водами. Гидроэлектростанции нарушают жизнедеятельность водных экологических систем. Высоковольтные линии вызывают электромагнитное влияние, Атомные электростанции могут быть источником радиоактивных загрязнений, данные процессы сопровождаются частичным изъятием территорий из использования.

 

Наибольшему воздействию энергетической промышленности подвергаются воздушный бассейн и поверхностные воды. Заметное влияние на окружающую среду оказывает гидростроительство.
Создаваемые водохранилища электростанции регулируют речной сток, снижают опасность наводнений и эрозии почв, улучшают судоходность рек, обеспечивают снабжение водой сельскохозяйственных угодий и служат другим целям.

Однако запруживание рек и строительство водохранилищ нередко приводят к отрицательным последствиям. Водохранилища, особенно крупные, оказывают существенное влияние на изменение микроклимата регионов, в которых они расположены. При создании крупных водохранилищ происходит затопление плодородных земель и поселений. Гидросооружения влияют на уровень грунтовых вод, нередко вызывают засоление или заболачивание почв и снижение их продуктивности.
Затопление водохранилищами наземной растительности сопровождается ее разложением, приводит к непригодности водоемов для жизни.

В энергетике основными источниками загрязнения являются тепловые электростанции, производство энергии на которых сопровождается в первую очередь загрязнением атмосферного воздуха. Особое внимание уделяется воздействию на природную среду предприятий атомной энергетики. Источником потенциальной опасности является весь процесс ядерного топливного цикла — от добычи делящегося материала до переработки отработанного топлива. В последние годы производственная деятельность АЭС не оказала заметного влияния на экологическую ситуацию в районах их размещения. В настоящее время полностью исключить промышленные выбросы и окружающую среду невозможно. Определенная доля выбросов в атмосферу является объективно обусловленной современным этапом развития технологии энергетического производства. Энергетика — наиболее крупная отрасль по объему выбросов в атмосферу (26,6 % общего количества выбросов всей промыт ценности России).

Характерными выбросами энергетического комплекса являются сернистый газ (S()2), оксид углерода (СО2), оксиды азота (NO и NO2), сажа, а также наиболее токсичные ингредиенты — оксид ванадия (V2Os) и бенз(а)перен.

Основными источниками образования летучих выбросов в энергетике являются установки обогащения и брикетирования угля, углеразмольные агрегаты, энергетические и теплофикационные котельные установки. Ежегодно объем выбросов вредных веществ в атмосферный воздух энергетическими предприятиями РФ составляет около 6,0 млн. т.

Энергетика потребляет огромное количество свежей воды, 99 % которой используется на производство электрической и тепловой энергии. Ежегодно используется около 30 млрд. м воды, 65-70% экономится за счет использования оборотного водоснабжения. Большая часть воды расходуется на охлаждение различных агрегатов, поэтому тепловые электростанции являются источниками теплового загрязнения. Другим крупным потребителем воды, загрязняющим водоемы и подземные воды, является система гидроудаления золы на ТЭЦ, использующих твердое топливо — угли, сланцы, торф.

Со сточными водами в водные объекты сбрасываются следующие загрязнители: взвешенные вещества, нефтепродукты, хлориды, сульфаты, соли тяжелых металлов.

Ежегодно 53 предприятия атомной энергетики СНГ сбрасывают загрязненные воды в Мировой океан.
В водные объекты предприятиями атомной энергетики сбрасываются около 30 тыс. Ки радионуклидов, из которых 99 % имеют период полураспада от нескольких часов до одних суток. Сбрасываемые радиоактивные изотопы достаточно быстро распадаются и практически не прослеживаются в количествах, превышающих допустимые концентрации в водоемах. В последнее время на 34 предприятиях атомной энергетики в результате проведенной инвентаризации выявлено 257 мест хранения и поверхностного захоронения радиоактивных отходов. В них сосредоточено свыше 405 млн. м3 жидких и около 300 млн. т твердых отходов. Суммарная активность этих отходов превышает 1000 млн. Ки. Кроме того, в глубоких геологических формациях сосредоточено свыше 1,05 млрд. Ки жидких отходов.

Если вы любите смотреть видео, рецензия на сериал «Клиника» поможет понять о чём сериал.

Электричество из воздуха своими руками: схемы

Много лет ученые ищут идеальный альтернативный источник электроэнергии, который позволил бы добывать ток из возобновляемых ресурсов. О том, как получить статическое электричество из воздуха, задумывался еще Тесла в 19 веке, и сейчас ученые пришли к выводу, что да, это вполне реально.

Виды добычи

Альтернативное электричество может добываться из воздуха двумя способами:

1. Ветрогенераторами;
2. За счет полей, пронизывающих атмосферу.

Как известно, электрический потенциал имеет свойство накапливаться в течение определенного времени. Сейчас атмосфера изнизана различными волнами, производящимися электрическими установками, приборами, естественным полем Земли. Это позволяет говорить о том, что электричество из атмосферного воздуха можно добыть своими руками, даже не имея никаких специальных приспособлений и схем, но про особенности токопроизводства по этому варианты мы расскажем ниже.

Фото — грозовая батарея

Ветрогенераторы – это давно известные источники альтернативной энергии. Они работаю за счет преобразования силы ветра в ток. Ветряной генератор – это устройство, способное работать продолжительное время и накапливать энергию ветра. Данный вариант широко используется в различных странах: Нидерландах, России, США. Но, одной ветряной установкой можно обеспечить ограниченное количество электрических приборов, поэтому для питания городов или заводов устанавливаются целые поля ветроустановок. В использовании этого способа есть как достоинства, так и недостатки. В частности, ветер – это непостоянная величина, поэтому нельзя предугадать уровень напряжения и накопления электричества. При этом, это возобновляемый источник, работа которого совершенно не вредит окружающей среде.

Фото — ветряки

Видео: создание электричества из воздуха

Как добыть энергию из воздуха

Простейшая принципиальная схема не включает в себя никаких дополнительных накопительных устройств и преобразователей. По сути, требуется только металлическая антенна и земля. Между этими проводниками устанавливается электрический потенциал. Он со временем накапливается, поэтому это непостоянная величина и рассчитать его силу практически невозможно. Такое, вырабатывающее ток, устройство работает по принципу молнии – через определенный промежуток времени происходит разряд тока (когда потенциал достиг своего максимума). Таким образом, можно извлечь из земли и воздуха достаточно большое количество полезной электроэнергии, которой будет достаточно для работы электрической установки. Её конструкция подробно описывается в труде: «Секреты свободной энергии холодного электричества».

Фото — схема

Схема имеет свои достоинства:

1. Простота в реализации. Опыт можно с легкостью повторить в домашних условиях;
2. Доступность. Не нужно никаких приспособлений, самая обычная пластина из токопроводящего металла подойдет для реализации проекта.

Недостатки:

1. Реализация схемы очень опасна. Нельзя рассчитать даже примерное количество ампер, не говоря уже про силу токового импульса;
2. При работе образовывается своеобразный открытый контур заземления, к которому притягиваются молнии. Это является одной из самых главных причин, почему проект не «пошел в массы» — он опасен для жизни и производства. Удар молнии подчас достигает 2000 Вольт.

С этой точки зрения, свободное электричество, добытое при помощи ветрогенераторов более безопасно. Но тем ни менее, сейчас можно даже купить такой прибор (к примеру, ионизатор-люстра Чижевского).

Фото — люстра Чижевского

Но есть еще один вариант рабочей схемы – это генератор TPU электричества из воздуха от Стивена Марка. Это устройство позволяет получить определенное количество электроэнергии для питания различных потребителей, причем, делает он это без какой-либо подпитки из вне. Технология запатентована и многие ученые уже повторили опыт Стивена Марка, но из-за некоторых особенностей схемы она еще не пущена в обиход.

Принцип работы прост: в кольце генератора создается резонанс токов и магнитные вихри, они способствуют появлению в металлических отводах токовых ударов. Рассмотрим наглядно, как сделать тороидальный генератор, чтобы добыть электричество из воздуха:

1. Вам понадобится основание (это может быть кусок фанеры в форме кольца, отрезок резины, полиуретана и т. д.), две коллекторные катушки (внутренняя и внешняя) и катушки управления. Индивидуальный чертеж может иметь другие размеры, но в основании берется кольцо с наружным диаметром 230 мм, внутренним 180 мм, шириной 25 мм и толщиной 5 мм. Вырежьте из основания кольцо этого размера; Фото — основание
2. Теперь нужно намотать внутреннюю коллекторную катушку. Намотка трехвитковая, производится многожильным проводом из меди. Специалистами заявляется, что и одного витка намотки будет достаточно для запитки лампочки и проведения эксперимента;
3. Управляющих катушек – четыре штуки, каждая из них должна находиться под прямым углом, в противном случае, будут создаваться помехи магнитному полю. Намотка плоская, зазор между отдельными витками (катушками) примерно 15 мм, но это зависит от особенностей выбранного материала; Фото — четыре катушки
4. Для намотки управляющих катушек могут использоваться медные одножильные провода, на описываемый размер рекомендуется делать 21 виток;
5. Для установки последней катушки используется медный провод с изоляцией. Он наматывается по всей площади основания. Фото — конечная обмотка

На этом конструирование можно считать завершенным. Теперь нужно соединить выводы. Предварительно нужно между выводами обратной земли и земли установить конденсатор на 10 микрофарад. Для запитки схемы используются скоростные транзисторы и мультивибраторы. Они подбираются опытным путем, т. к. их характеристики зависят от размера основания, видов провода и некоторых других особенностей конструкции. Для управления схемой можно использовать стандартная кнопка питания (ВКЛ – ВЫКЛ). Для более подробной информации рекомендуем просмотреть видео по генератору Стивена Марка в Xvid или TVrip-качестве.

Не менее нашумевшим открытием стал генератор Капанадзе. Этот бестопливный источник энергии был презентован в Грузии, сейчас он тестируется. Генератор позволяет добывать электричество из воздуха без использования сторонних ресурсов.

Фото — предположительная схема генератора Капанадзе

В основе его работы лежит катушка Теслы, которая расположена в специальном корпусе, накапливающем электроэнергию. В свободном доступе есть видео с конференции и опыты, но нет никаких документов, реально подтверждающих существование этого изобретения. Схема не разглашается.

границ | Воздействие атмосферного электричества на биогеохимические процессы в почвах и отложениях

Введение

Наблюдалось, что концентрации различных химических соединений в поверхностных водах, почвах и отложениях широко варьируются как в пространстве, так и во времени, что часто обнаруживается как простые (но также и сезонные) колебания (например, Stockdale et al., 2009; Nimick et al., 2011; Смит и др., 2011). Эта изменчивость очень актуальна для организмов, которые живут в этих пространственно-временных неоднородных средах.В то время как крупные мобильные организмы взаимодействуют в более широких пространственных масштабах, можно ожидать, что небольшие и относительно неподвижные организмы, такие как бактерии, грибы или нематоды, будут особенно чувствительны к колебаниям в их непосредственной электрохимической среде. Небольшие организмы реагируют на изменения в своей физико-химической среде изменениями метаболической активности и поведения (например, Fenchel, 2002; Vanreusel et al., 2010). Удаление респираторных электронов важно для организмов для поддержания метаболической активности, которая управляет экосистемными процессами, включая дыхание и переработку органических веществ и питательных веществ (Cho and Azam, 1988).Наличие молекул, принимающих дыхательные электроны (т.е. окислительно-восстановительные условия), может, следовательно, представлять собой важное ограничение для метаболической активности организмов в почвах и отложениях (Hayes and Waldbauer, 2006).

Хотя многие исследования улучшили наше понимание процессов, управляющих подземной электрохимической средой Земли, многие наблюдаемые вариации по-прежнему трудно согласовать с известными факторами электрохимической неоднородности. Здесь мы вкратце обобщаем наше понимание движущих сил электрохимической изменчивости под землей и представляем новую концептуальную основу, связывающую вариации атмосферного электричества (АЭ) с вариациями электрохимической среды Земли и последствиями для микроорганизмов, живущих на ней.Мы представляем доказательства, подтверждающие предлагаемые связи, и определяем проблемы для будущих исследований.

Драйверы пространственно-временной изменчивости в подповерхностной электрохимии Земли

Мелкомасштабные изменения электрохимических свойств отложений и почв в основном контролируются биотическими воздействиями. Например, двигательная активность беспозвоночных, перерабатывающих почвы и отложения (биотурбация), является хорошо известным фактором окислительно-восстановительных условий микромиллиметрового масштаба как в почвах, так и в отложениях (Tokida et al., 2007; Хантинг и др., 2012). В частности, считается, что метаболическая активность бактерий в основном контролируется этой мелкомасштабной вариацией (Newman and Banfield, 2002). Колебания окислительно-восстановительного потенциала, вероятно, являются важным селективным давлением на микробы с последствиями для состава и активности сообщества (Pett-Ridge and Firestone, 2005), например, путем отбора метаболически более гибких бактериальных таксонов (DeAngelis et al., 2010). В свою очередь, бактерии могут выделять окислительно-восстановительные экссудаты (например, флавины) для поддержания благоприятных окислительно-восстановительных условий (Hunting, Kampfraath, 2013; Markelova et al., 2018), или может использовать перенос электронов на большие расстояния (> 1 см) для связи пространственно разделенных биоэлектрохимических процессов (Nielsen et al., 2010; Pfeffer et al., 2012). Фотосинтез также способствует колебаниям окислительно-восстановительных условий, вводя кислород в верхние слои почвы и донных отложений (Battin et al., 2003; Laursen and Seitzinger, 2004), что приводит к чистому дневному увеличению концентрации кислорода и чистому ночному снижению, вызванному дыхание.

В то время как мелкомасштабные вариации в основном вызваны биологическими процессами (Masscheleyn et al., 1991; Hayes and Waldbauer, 2006), дикие и сезонные колебания концентраций многих химических веществ, имеющих отношение к микробным процессам (например, денитрификации и метаногенезу), также часто связаны на больших расстояниях (Lee, 1977; Laursen and Seitzinger, 2004; Allen et al. , 2007; Spencer et al., 2007; Rusjan, Mikoš, 2010; Bass et al., 2013). Возникновение крупномасштабных временных флуктуаций в большом количестве экосистем предполагает, что крупномасштабные абиотические процессы также имеют отношение к электрохимическим свойствам почвы, отложений и воды (Scholefield et al., 2005). Действительно, были выявлены различные абиотические движущие силы пространственных связей и синхронизированная временная изменчивость подземных химических концентраций и микробной активности. К ним относятся солнечная активность, поток подземных вод, атмосферное давление, лунно-солнечный и приливный циклы, а также градиенты химического потенциала носителей заряда (см. Обзор Lanzerotti and Gregori, 1986; Tokida et al., 2007). Во внутренних водах и земных почвах разделение зарядов в глине или других минералах, загрязнителях и потоках грунтовых вод также влияет на электрохимическую среду (например,г., Ревиль, Джардани, 2013).

Несмотря на широту понимания процессов, управляющих подземной электрохимической средой Земли и последствий для организмов, известные движущие силы не могут объяснить все наблюдаемые электрохимические вариации. Это особенно верно для изменений в более глубоких слоях (до метров) поверхности Земли (Vorenhout et al., 2011). Например, в то время как фотосинтез может быть ответственным за полное изменение окислительно-восстановительных условий в биопленках и поверхностных (<1 см) слоях почвы и отложений (Battin et al., 2003; Laursen and Seitzinger, 2004), маловероятно, что он влияет на более глубокие среды и связанные с ними организмы, поскольку диффузия кислорода происходит медленно, а потребление гетеротрофами - быстро (Laursen and Seitzinger, 2004). Здесь мы предлагаем новую перспективу, основанную на идее о том, что вариации АЕ являются дополнительным фактором, лежащим в основе циклических вариаций электрохимии и связанных с ними микробных сообществ и активности в подземной среде Земли.

Концептуальные основы взаимосвязи между атмосферным электричеством, подповерхностной электрохимией Земли и микробными сообществами

Электрические свойства приповерхностной атмосферы (e.g., концентрации ионов и градиент атмосферного потенциала) варьируются в суточных и сезонных временных масштабах (Israelsson and Tammet, 2001; Harrison, 2004). Атмосферное электрическое поле присутствует даже в регионах с хорошей погодой как следствие глобальных потоков электрического тока, вызываемых грозовыми регионами (например, Rycroft et al., 2000; Haldoupis et al., 2017). На местном уровне условия окружающей среды, радиоактивный распад радона, заряды аэрозолей и загрязнение атмосферы могут вносить дополнительный вклад в изменение атмосферных электрических условий (Matthews et al., 2019). Комбинация глобальных и локальных вариаций АЕ приводит к вариациям в различных пространственных и временных масштабах, при этом дикие флуктуации особенно важны (Israelsson and Tammet, 2001). В универсальной диаграмме направленности вертикального тока и градиента потенциала преобладает минимум около 04 всемирного времени (UT) и максимум около 19 UT. Эта универсальная картина наиболее очевидна в чистом морском воздухе, где аэрозольное загрязнение и другие местные источники колебаний (например, простые колебания концентрации радона) сведены к минимуму.В отличие от этого, модели высот над сушей больше подвержены влиянию местных вариаций AE (Israelsson and Tammet, 2001; Harrison, 2004).

Электрические токи зависят от движения (малых) ионов в атмосферном электрическом поле и обычно находятся в диапазоне от 0,5 до 3,0 пА м. ^-2 на границе поверхности Земли, где токи впоследствии попадают на поверхность Земли как часть глобального электрического поля. цепи (Rycroft et al., 2008; Harrison, 2013). Другие геофизические процессы (например, поток грунтовых вод) влияют на электрические свойства недр Земли (Lanzerotti and Gregori, 1986; Wada and Umegaki, 2001; Revil et al., 2010). В почвах, водоемах и их отложениях токи, вызванные вариациями AE, вероятно, влияют на высвобождение респираторных электронов и движение ионов, тем самым критически влияя на окислительно-восстановительные условия с последствиями, особенно для микроорганизмов. Например, вариации AE могут вызывать вертикальное движение заряженных концевых акцепторов электронов, которые необходимы для микробного дыхания (концептуальную диаграмму см. На Рисунке 1). Терминальные акцепторы электронов, относящиеся к микроорганизмам (например,g., NO ₃ ^— , Mn ₄ ³⁺ и SO ₄ ^2- ) различаются по размеру и заряду, что позволяет предположить, что они движутся с разной скоростью в подземных средах Земли. Кроме того, на движение ионов влияет электропроводность воды, почвы и отложений. Например, поверхностные слои почвы обычно имеют проводимость 0,1–2,0 дСм / м (Rhoades and Corwin, 1981), что ниже, например, по сравнению с морской водой (∼ 4 См / м; например, Al-Shamma’a et al. al., 2004), и может препятствовать перемещению ионов на большие расстояния (Revil et al., 2010), но не на короткие расстояния (мкм — мм — см) (Wada and Umegaki, 2001; Mann et al., 2005). Такое изменение окислительно-восстановительных свойств почв и отложений, вызванное АЭ, вероятно, влияет на способность микробов избавляться от своих респираторных электронов (рис. 1). На сегодняшний день последствия изменения АЭ на электрохимические свойства подземных экосистем и живущих в них организмов остаются полностью неизученными.

Рисунок 1. Концептуальная диаграмма, изображающая предлагаемую связь между атмосферным электричеством (AE), электрохимией земной поверхности и микробными процессами. Электрические вариации катионов (+) в атмосфере определяются множеством факторов, включая космические лучи, вариации в ионосфере, радиоактивный распад радона и других элементов, глобальную грозовую активность и солнечную радиацию. Поскольку поверхность Земли заряжена отрицательно (-), возникающий вертикальный ток заставляет ионы перемещаться внутри почвы и отложений.Сюда входят основные ионы, необходимые для метаболической активности микробов в бескислородной среде. Эти изменения в обеспечении ресурсами, вызванные электрическими колебаниями в атмосфере, могут, таким образом, влиять на пространственные и временные закономерности биогеохимических процессов. Основными концевыми акцепторами электронов, используемыми в метаболизме бескислородных микробов, могут быть анионы или катионы (обозначены знаком — или + соответственно). Анионы, такие как нитрат (NO ₃ ^— ) и сульфат (SO ₄ ^2- ), движутся в атмосферу, тогда как катионы, такие как железо (Fe ²⁺ ) и марганец (Mn ²⁺ ). ) продвинуться глубже в почву или отложения.Свободные электроны, производимые микробным метаболизмом на поверхности Земли, также потенциально могут быть направлены в атмосферу, как показано изогнутой пунктирной стрелкой.

Доказательства связи между атмосферным электричеством, подповерхностной электрохимией и метаболической активностью микробов

Лабораторные эксперименты

Мы провели несколько лабораторных экспериментов, чтобы изучить влияние вариации АЕ на окислительно-восстановительные условия осадка и бактериальный метаболизм (описание экспериментального подхода см. В дополнительном материале S1).Мы обнаружили, что окислительно-восстановительный потенциал отложений ( E _h ) в водных микрокосмах эволюционировал независимо от pH отложений (макс. Изменение ± 0,1 единицы) или концентрации кислорода (макс. Изменение ± 1% насыщения) при воздействии на них экспериментально измененных уровней. концентраций атмосферных ионов. Напротив, значение E _h постепенно увеличивалось на разных глубинах отложений, начиная с момента начала ионизации, затем снижалось и быстро стабилизировалось при нарушении ионизации (рис. 2A).Контрольные микрокосмы, в которых вышележащая атмосфера не была ионизирована, вскоре достигли окислительно-восстановительного равновесия, которое оставалось постоянным на протяжении всего эксперимента (данные не показаны). Никакого воздействия на E _h в донных отложениях не было обнаружено после воздействия на микромир радиации [УФ A, B и C, а также фотосинтетически активного излучения (PAR) и инфракрасного излучения; данные не показаны]. Взятые вместе, наши эмпирические данные показывают, что колебания E _h в отложениях микромира не зависели от солнечной радиации, но на них сильно влияли регулируемые сдвиги концентраций ионов в вышележащей атмосфере.Эти данные предоставляют четкие доказательства того, что вариации АЕ могут влиять на геохимические и микробные процессы через изменения E _h .

Рис. 2. Влияние повышенных уровней атмосферных катионов на окислительно-восстановительные условия, дыхательную активность бактерий и концентрации H ₂ S (сульфатредукция) в отложениях водных микрокосмов. (A) Редокс-потенциал, E _h , был измерен на глубине осадка 1 и 6 см в ответ на изменение концентрации катионов в атмосфере. (B) Дыхательная активность бактерий, измеренная как активность системы транспорта электронов (ETS) (выраженная как относительное поглощение при 490 нм), была значительно ниже в контрольных микрокосмах, чем в микрокосмах, в которых атмосфера была ионизирована в течение 24 часов ( t -тест, p = 0,002, n = 6). (C) Изменения бактериальной концентрации H ₂ S на разных глубинах отложений в ответ на ионизацию вышележащей атмосферы (левая панель), предполагая сдвиг в производстве H ₂ S к поверхности в результате восходящего SO ₄ ^2- механизм (схематично изображен на правой панели).Заштрихованные области и (+) указывают периоды экспериментальной ионизации. Измерения одного временного ряда представлены для ясности и считаются репрезентативными для повторных ( n = 12) прогонов.

Затем мы проверили реакцию бактериальных сообществ в отложениях микрокосмов на колебания E _h , вызванные изменениями лабораторных условий АЭ за счет увеличения концентраций ионов в перекрывающей атмосфере. Мы измерили дыхание бактериального сообщества как активность ETS в верхнем слое донных отложений (<1 см) после 1 дня воздействия атмосферной ионизации и наблюдали двукратное увеличение ( t -тест, p <0.05) по сравнению с контрольными микрокосмами (рис. 2В). Однако, поскольку множественные бактериальные процессы могут способствовать активности ETS, причина увеличения остается неясной.

Для дальнейшего изучения вопроса мы экспериментально подвергли водные микрокосмы воздействию повышенных концентраций ионов в перекрывающей атмосфере и оценили концентрации H ₂ S в ответ на ионизацию атмосферы. Мы выбрали концентрацию H ₂ S в качестве наиболее информативной переменной отклика, поскольку она является прямым результатом уменьшения SO ₄ ^— .Более того, поскольку H ₂ S не несет заряда, любые изменения в H ₂ S из-за изменения AE могут быть результатом только изменений в сокращении SO ₄ ^— . Мы наблюдали постепенное увеличение концентраций H ₂ S на 4 мм ниже поверхности отложений, тогда как концентрации H ₂ S уменьшались на 6 мм ниже поверхности отложений. Отклик в концентрациях H ₂ S после начала ионизации был немного задержан (рис. 2C). Эти данные свидетельствуют о том, что глубина максимальных концентраций SO ₄ ^2- сместилась к поверхности осадка в ответ на ионизацию, при этом микробное сообщество быстро отреагировало снижением SO ₄ ^2- до H ₂ S.

Полевые наблюдения

Чтобы оценить, применимы ли связи между АЭ и подземными редокс-вариациями, наблюдаемыми в экспериментах с микрокосмом, в реальных условиях, мы измерили E _h в (1) открытом мезокосме, не содержащем или не содержащих различных комбинаций беспозвоночных, вызывающих биотурбацию поверхностных отложений; (2) пресноводные отложения на двух разных участках и (3) почвы на географически разных участках (подробности см. В дополнительном материале S1).В мелководной прибрежной зоне нетронутого озера Каданьо в Швейцарских Альпах мы наблюдали колебания диэль в E _h в соответствии с универсальным циклом градиента атмосферного потенциала с пиками, приходящимися примерно на 19 UT (рис. 3). Напротив, в канаве, испытывающей городское давление в Нидерландах, колебания диэлемента определялись местными влияниями с пиком, приходящимся примерно на 14–16 часов по местному времени (рис. 4). Однако количество катионов в приземной атмосфере, по-видимому, также зависело от осадка E _h (Рисунок 4).

Рис. 3. При хорошей погоде наблюдаются колебания окислительно-восстановительного потенциала донных отложений и AE. (A) Окислительно-восстановительный потенциал (E _h ), измеренный на глубине 10 см в естественных нетронутых отложениях за один проход в течение 3 дней в озере Каданьо, высокогорном озере в Швейцарии, в октябре 2017 года. универсальная периодичность электрических свойств атмосферы (выраженная как градиент потенциала PG между атмосферой и землей), которая видна по всему земному шару в хорошую погоду (Harrison, 2013).Все данные нанесены на график относительно всемирного времени, UT, и представляют собой измерения одного временного ряда. Пики в 19 UT указывают на то, что колебания окислительно-восстановительных условий регулируются глобальными паттернами AE.

Рис. 4. Согласованность временных изменений чистых атмосферных концентраций катионов и окислительно-восстановительных условий донных отложений. Окислительно-восстановительный потенциал (Eh) был измерен 24 октября 2013 г. на разных глубинах (1, 2, 3 и 6 см) в песчаных отложениях канавы в Нидерландах. Данные этого одиночного прогона нанесены на график по местному времени (GMT +2).

Колебания Диэля в E _h в ответ на местные вариации AE также наблюдались в отложениях пресноводных открытых мезокосмов в Нидерландах (Рисунок 5 и Дополнительный Рисунок S1). Здесь диэлиты были видны даже в присутствии беспозвоночных, перерабатывающих верхние слои отложений, и были более выражены в ясную погоду, чем в пасмурные дни (дополнительный рисунок S1). Эти ритмы не совпадают с другими протестированными метеорологическими переменными, такими как солнечная радиация, температура и атмосферное давление (данные не показаны).Этот вывод указывает на то, что постулируемая связь между АЭ и окислительно-восстановительным потенциалом отложений сохраняется даже тогда, когда исключены основные гидрологические и геофизические процессы (например, поток грунтовых вод). Это подтверждает нашу гипотезу о том, что существует прямая связь между недрами E _h и AE. Интересно, что естественное промерзание верхнего слоя воды в мезокосмах послужило незапланированным экспериментальным контролем, так как ковариация между подповерхностным слоем E _h и AE исчезла, вероятно, из-за плохих проводящих свойств льда (данные не показаны). .Наконец, E _h в почвах на трех удаленных участках также следовали образцам диэфиров в AE, влияние которых распространялось относительно глубоко в почву (обычно 50–100 см; Рисунок 6).

Рис. 5. Хорошая погода ухудшает ритмы в открытых мезокосмах с окислительно-восстановительным потенциалом отложений, испытывающих различные уровни биотурбации. Контурные графики показывают глубинные профили (0–9 мм) окислительно-восстановительного потенциала ( E _h ) в течение 4 дней в трех различных мезокосмах. Мезокосмы содержат различные комбинации беспозвоночных, которые, как известно, в разной степени перерабатывают поверхностные отложения: (A) биотурбация отсутствует: беспозвоночные отсутствуют; (B) низкий уровень биотурбации: Tubifex spp.и Asellus aquaticus ; и (C) высокий уровень биотурбации: Gammarus pulex , Asellus aquaticus , Chironomus riparius , Tubifex spp. и Lumbriculus variegatus .

Рис. 6. Ясная погода снижает ритмы окислительно-восстановительного потенциала почвы и АЭ. Окислительно-восстановительный потенциал ( E _h ), измеренный в естественных почвах: (A) на глубине 50 см в Нидерландах (52,2 ° N, 4,5 ° E; GMT + 2) с 1 по 3 мая 2011 г., (B) на глубине 50 см в Нидерландах (52.4 ° N, 6,1 ° E) в период с 1 по 3 июля 2011 г. и (C) на глубине 1 м в Бангладеш (23,8 ° N, 90,6 ° E; GMT + 6) в период с 27 по 30 марта 2010 г. Линии представляют измерения одного временного ряда. (D) Универсальная периодичность электрических свойств атмосферы (выраженная как градиент потенциала PG между атмосферой и землей), которая видна по всему земному шару в условиях хорошей погоды (Harrison, 2013). Все данные нанесены на график, UT. Пики в 19 UT (видимые на панелях B , C ) указывают на то, что колебания окислительно-восстановительных условий определяются глобальными изменениями AE (B, C) , а пики в 16 UT (видны на панели A ) указывают на то, что колебания окислительно-восстановительных условий в основном определяются местными вариациями AE (A) .

Эти наружные измерения показывают, что изменение подповерхностного окислительно-восстановительного потенциала может следовать как за универсальным циклом diel градиента атмосферного потенциала (рис. 6), так и за местными источниками колебаний, влияющими на концентрации катионов в атмосфере на уровне земли (<1 м). Вместе с результатами наших лабораторных исследований эти полевые наблюдения показывают, что как глобальные, так и локальные вариации АЭ влияют на окислительно-восстановительные условия и микробные процессы в почвах и отложениях, в которых сильные местные влияния на окислительно-восстановительные модели могут преобладать в некоторых местах.

Последствия и перспективы

Результаты наших лабораторных экспериментов и полевых наблюдений подтверждают гипотезу о том, что вариации AE могут влиять на E _h в различных матрицах почвы и отложений с последствиями для микробных сообществ в этих средах. Однако значение этого явления в естественных условиях остается неясным, поскольку сохраняющиеся пробелы в знаниях препятствуют окончательному пониманию причинно-следственных связей между АЭ и электрической средой Земли.Задачи для будущих исследований варьируются от выяснения соответствующих масштабов физических и химических связей до того, как эти связи прямо или косвенно управляют отдельными группами организмов.

То, как конкретные химические виды и организмы реагируют на изменения AE, вероятно, зависит от относительной величины комбинации различных физических источников вариаций. К ним относятся солнечная активность, поток грунтовых вод, градиенты химического потенциала носителей заряда (обзор в Lanzerotti and Gregori, 1986; Revil and Jardani, 2013), а также электрохимические свойства почвы и отложений, включая электрическое сопротивление, размер и заряд концевые акцепторы электронов.Таким образом, выяснение абсолютных и относительных ролей региональных и глобальных факторов вариабельности АЭ (Märcz and Harrison, 2003; Harrison, 2004) и окислительно-восстановительных потенциалов в воде, отложениях и почвах было бы многообещающей, хотя и сложной областью исследований. Подземная электрохимия Земли различается по глубине, и, следовательно, в будущей работе необходимо оценить, в какой степени вариации АЭ могут трансформироваться в синхронизированные отклики подповерхностной электрохимии Земли в зависимости от условий на разных глубинах почвы и отложений (например,г., влажность, проводимость, E _h ). Точно так же необходимо разделить роль АЭ по отношению к другим основным факторам подповерхностной электрохимии Земли. Это требует скоординированных полевых экспериментов в широком диапазоне географических местоположений, чтобы оценить значимость в глобальном масштабе и важность локальных влияний в наложении универсальных ритмов.

Связь между АЭ и подповерхностной электрохимией, наблюдаемая в наших полевых и лабораторных исследованиях, также предполагает, что микроорганизмы в этих средах уязвимы для антропогенных воздействий, влияющих на вариации АЭ.В частности, антропогенное загрязнение дымом, диоксидом серы и аэрозолями может повлиять на АЭ (Retalis et al., 1991; Sheftel et al., 1994; Kamra and Deshpande, 1995). Наши результаты предполагают, что такие загрязнители могут оказывать сильное, хотя в настоящее время неизвестное, косвенное воздействие на подповерхностные микроорганизмы и процессы, влияя на временные паттерны НЯ. Кроме того, электрическое загрязнение от высоковольтных линий электропередач (в основном работающих с переменным током) является распространенным локальным фактором, влияющим на вариации АЭ (Maruvada, 2012).Возникающие в результате статические электрические поля вызывают реакции у широкого круга организмов, особенно поведенческие реакции у беспозвоночных (Petri et al., 2017; Schmiedchen et al., 2018). Однако эти исследования были ограничены летающими насекомыми и беспозвоночными на поверхности почвы, и, следовательно, потенциальное воздействие статических электрических полей на подповерхностные микроорганизмы и беспозвоночных осталось незамеченным. Тем не менее, линии электропередач могут влиять на сообщества и процессы почвы и отложений, по крайней мере, двумя способами: во-первых, выпадение ионов является вторичным источником загрязнения, которое может изменить постоянный ток и перенос ионов в местной среде с последствиями для микробных сообществ и процессов, описанных выше. .Во-вторых, сильные колебания электрических полей влияют на организмы, использующие их для ориентации (т. Е. Гальванотаксис или электротаксис). Такие поведенческие реакции наблюдались у бактерий и беспозвоночных, таких как нематоды (Беспалов и др., 1996; Chrisman et al., 2016), и могут еще больше усложнять электрохимическую среду в почвах и отложениях, которую могут изменять многие организмы (Traunspurger et al. , 1997; Weerman et al., 2011; Hunting et al., 2013, 2015; Hunting, Kampfraath, 2013). Эффекты локального электрического загрязнения легко поддаются тестированию в лабораторных условиях путем манипулирования электрическими переменными, но они также могут быть подтверждены в естественных условиях (например.г., под ЛЭП).

Заключение

Наши результаты экспериментов и полевых наблюдений показывают, что вариации АЕ могут влиять на подповерхностный химический состав Земли и на микроорганизмы в подповерхностной среде. Мы предоставили доказательства того, что вариации AE могут каскадно снижаться до изменений окислительно-восстановительных условий донных отложений, что влияет на активность микробного переноса электронов и биогеохимические процессы, такие как восстановление SO ₄ ^–. Эти идеи расширяют наше концептуальное понимание процессов в водоемах, почвах и отложениях, а также их упускаемые из виду связи с AE.Сочетание АЭ и подповерхностной электрохимии, вероятно, актуально для широкого круга организмов, в частности для тех, которые обладают электротактическим поведением, таких как многие виды микробов и нематод. Предлагаемая концепция, согласно которой НЯ может служить синусовым узлом, который задает ритм биогеохимического сердцебиения Земли, также содержит много неизвестных, которые требуют проведения различных исследований в будущем.

Авторские взносы

EH задумал, спроектировал и координировал исследование. RH и AK участвовали в начальном зачатии.EH, AB, MV и CC собрали полевые данные. HvdG и PvB участвовали в разработке исследования. HvdG, EH и AK участвовали в разработке концептуального рисунка. EH провела эксперименты и статистический анализ. Э. Х., Р. Х. и М. Г. составили рукопись. WA, PvB, AB и HvdG внесли значительный вклад в более ранние проекты. Все авторы внесли свой вклад в улучшение более ранних вариантов рукописи.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Мы благодарим Эндрю Бултона, Мартину Виджвер и Джека Мидделбурга за конструктивные комментарии к более ранним наброскам рукописи, Фрэнка Хаммехера, Джерарда Муйзера и Катарину Кусио за полезные обсуждения и помощь, а также Ханса Агему и Тийса ван Роона за техническую поддержку. Мы благодарны Dré Kampfraath и Frans Schupp за графическое оформление концептуальной диаграммы (рис. 1). Мы признательны за возможности, предоставленные Centro Biologia Alpina, Пиора.Часть этой работы была разработана при участии в программе COST Action 15211 Atmospheric Electricity Network: связь с системой Земля, климатическими и биологическими системами, поддерживаемой Программой COST (Европейское сотрудничество в области науки и технологий) Европейского Союза.

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphys.2019.00378/full#supplementary-material

Список литературы

Аллен, Д.Э., Далал, Р. К., Ренненберг, Х., Мейер, Р. Л., Ривз, С., и Шмидт, С. (2007). Пространственные и временные изменения потока закиси азота и метана между субтропическими мангровыми отложениями и атмосферой. Soil Biol. Biochem. 39, 622–631. DOI: 10.1016 / j.soilbio.2006.09.013

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Аль-Шаммаа, А. И., Шоу, А., и Саман, С. (2004). Распространение электромагнитных волн на частотах МГц через морскую воду. IEEE Trans.Антенны Propag. 52, 2843–2849. DOI: 10.1109 / TAP.2004.834449

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Басс, А. М., О’Грэйди, Д., Беркин, К., Леблан, М., Твид, С., Нельсон, П. Н. и др. (2013). Высокие суточные колебания значений растворенного неорганического C, δ13C и поверхностного оттока CO2 в сезонной тропической пойме. Environ. Chem. Lett. 11, 399–405. DOI: 10.1007 / s10311-013-0421-7

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Баттин, Т.Дж., Каплан, Л. А., Ньюболд, Дж. Д., и Хансен, К. М. (2003). Вклад микробных биопленок в экосистемные процессы в мезокосмах ручьев. Природа 426, 439–442. DOI: 10.1038 / nature02152

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Беспалов В. А., Жулин И. Б., Тейлор Б. Л. (1996). Поведенческие реакции Escherichia coli на изменения окислительно-восстановительного потенциала. Proc. Natl. Акад. Sci. USA 93, 10084–10089. DOI: 10,1073 / PNAS.93.19.10084

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Крисман, С. Д., Уэйт, К. Б., Сковилл, А. Г., и Карнелл, Л. (2016). C. elegans демонстрирует отличное поведение в фиксированном и однородном электрическом поле. PLoS One 11: e0151320. DOI: 10.1371 / journal.pone.0151320

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Куселл, К., Меттроп, И. С., ван Лун, Э. Э., Ламерс, Л. П. М., Воренхаут, М., и Коойман, А.М. (2015). Воздействие краткосрочных засух и наводнений в богатых видами болотах летом и зимой: крупномасштабные эксперименты с полевыми манипуляциями. Ecol. Англ. 77, 127–138. DOI: 10.1016 / j.ecoleng.2015.01.025

CrossRef Полный текст | Google Scholar

ДеАнджелис, К. М., Сильвер, В. Л., Томпсон, А. В., и Файерстоун, М. К. (2010). Сообщества микробов приспосабливаются к повторяющимся изменениям статуса окислительно-восстановительного потенциала почвы. Environ. Microbiol. 12, 3137–3149.DOI: 10.1111 / j.1462-2920.2010.02286.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Haldoupis, C., Rycroft, M., Williams, E., and Price, C. (2017). Является ли «конденсатор Земля-ионосфера» допустимым компонентом глобальной электрической цепи атмосферы? J. Atmos. Sol. Terr. Phys. 164, 127–131. DOI: 10.1016 / j.jastp.2017.08.012

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Харрисон, Р. Г. (2004). Глобальная электрическая цепь атмосферы и климат. Surv. Geophys. 25, 441–484. DOI: 10.1007 / s10712-004-5439-8

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хейс, Дж. М., и Вальдбауэр, Дж. Р. (2006). Углеродный цикл и связанные с ним окислительно-восстановительные процессы во времени. Philos. Пер. R. Soc. B Biol. Sci. 361, 931–950. DOI: 10.1098 / rstb.2006.1840

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Hunting, E. R., de Goeij, J. M., Asselman, M., van Soest, R. W. M., and van der Geest, H.Г. (2010). Разложение органических веществ, полученных из мангровых зарослей, в губках, связанных с мангровыми зарослями. Бык. Mar. Sci. 86, 871–877. DOI: 10.5343 / bms.2010.1001

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хантинг, Э. Р., Кампфраат, А. А. (2013). Вклад бактерий в измерения окислительно-восстановительного потенциала (Eh) в отложениях. Внутр. J. Environ. Sci. Technol. 10, 55–62. DOI: 10.1007 / s13762-012-0080-4

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Охота, Э.Р., Малдер, К., Краак, М. Х. С., Брере, А. М., и Адмираал, В. (2013). Влияние меди на взаимодействия между беспозвоночными и отложениями. Environ. Загрязнение. 180, 131–135. DOI: 10.1016 / j.envpol.2013.05.027

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хантинг, Э. Р., Вейвер, М. Г., ван дер Гест, Х. Г., Малдер, К., Краак, М. Х., Брере, А. М. и др. (2015). Перекрытие ресурсных ниш способствует стабильности метаболизма бактериального сообщества в экспериментальных микромирах. Фронт. Microbiol. 6: 105. DOI: 10.3389 / fmicb.2015.00105

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хантинг, Э. Р., Ватли, М. Х., ван дер Гест, Х. Г., Малдер, К., Краак, М. Х., Брере, А. М. и др. (2012). Следы беспозвоночных при переработке детрита, структуре бактериального сообщества и пространственно-временном окислительно-восстановительном профиле. Freshw. Sci. 31, 724–732. DOI: 10.1899 / 11-134.1

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Исраэльссон, С., и Таммет, Х. (2001). Изменение атмосферного электричества в ясную погоду в обсерватории Марста, Швеция, 1993–1998 гг. J. Atmos. Sol. Terr. Phys. 63, 1693–1703. DOI: 10.1016 / S1364-6826 (01) 00049-9

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Jeroschewski, P., Steuckart, C., and Kuhl, M. (1996). Амперометрический микросенсор для определения h3S в водной среде. Анал. Chem. 68, 4351–4357. DOI: 10.1021 / ac960091b

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Камра, А.К. и Дешпанде К. Г. (1995). Возможное вековое изменение и распространение загрязнения воздуха с суши на океан по результатам измерений электропроводности атмосферы над Бенгальским заливом. J. Geophys. Res. Атмос. 100, 7105–7110. DOI: 10.1029 / 94JD03246

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ланзеротти, Л. Дж., И Грегори, Г. П. (1986). Теллурические токи: естественная среда и взаимодействие с искусственными системами. Электрическая среда Земли .Вашингтон, округ Колумбия: National Academy Press, 232–257.

Google Scholar

Лаурсен А. Э. и Зейтцингер С. П. (2004). Суточные модели денитрификации, потребления кислорода и образования закиси азота в реках, измеренные в масштабе всего участка. Freshw. Биол. 49, 1448–1458. DOI: 10.1111 / j.1365-2427.2004.01280.x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли, Д. Р. (1977). Прибор для измерения фильтрационного потока в озерах и эстуариях. Лимнол.Oceanogr. 22, 140–147. DOI: 10.4319 / lo.1977.22.1.0140

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Манн А. В., Биррелл Р. Д., Федиков М. А. Ф. и Де Соуза Х. А. Ф. (2005). Вертикальная ионная миграция: механизмы, аномалии почвы и глубина отбора проб для разведки полезных ископаемых. Geochem. Explor. Environ. Анальный. 5, 201–210. DOI: 10.1144 / 1467-7873 / 03-045

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Märcz, F., и Harrison, R.G. (2003). Долгосрочные изменения электрических параметров атмосферы, наблюдаемые в обсерваториях Надьченк (Венгрия) и Великобритании в Эскдалемуире и Кью. Анна. Geophys. 21, 2193–2200. DOI: 10.5194 / angeo-21-2193-2003

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Маркелова, Э., Парсонс, К. Т., Кутюр, Р. М., Смитон, К. М., Маде, Б., Шарле, Л. и др. (2018). Разбор каскада окислительно-восстановительного потенциала: какую роль играют микробные экссудаты (флавины)? Environ. Chem. 14, 515–524. DOI: 10.1071 / EN17158

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Марувада, П. С. (2012). Электрическое поле и ионно-токовая среда ЛЭП постоянного тока: сравнение расчетов и измерений. IEEE Trans. Power Deliv. 27, 401–410. DOI: 10.1109 / TPWRD.2011.2172003

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Masscheleyn, P.H., Delaune, R.D., и Patrick, W.H. мл. (1991). Влияние окислительно-восстановительного потенциала и pH на состав и растворимость мышьяка в загрязненной почве. Environ. Sci. Technol. 25, 1414–1419. DOI: 10.1021 / es00020a008

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мэтьюз, Дж. К., Райт, М. Д., Кларк, Д., Морли, Э.L., Silva, A.J., Bennett, D., et al. (2019). Городские и сельские измерения градиента атмосферного потенциала. J. Electrostat. 97, 42–50. DOI: 10.1016 / j.elstat.2018.11.006

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Нильсен, Л. П., Рисгаард-Петерсен, Н., Фоссинг, Х., Кристенсен, П. Б., Саяма, М. (2010). Электрические токи связывают пространственно разделенные биогеохимические процессы в морских отложениях. Природа 463, 1071–1074. DOI: 10.1038 / nature08790

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Нимик, Д.А., Гаммонс, К. Х., Паркер, С. Р. (2011). Биогеохимические процессы Диля и их влияние на водный химический состав водотоков: обзор. Chem. Геол. 283, 3–17. DOI: 10.1016 / j.chemgeo.2010.08.017

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Петри А. К., Шмидхен К., Стандер Д., Дечент Д., Краус Т., Бейли В. Х. и др. (2017). Биологические эффекты воздействия статических электрических полей на людей и позвоночных: систематический обзор. Environ. Здоровье 16:41.DOI: 10.1186 / s12940-017-0248-y

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Петт-Ридж, Дж., И Файерстоун, М. К. (2005). Колебания окислительно-восстановительного потенциала структурируют микробные сообщества во влажной тропической почве. Заявл. Environ. Microbiol. 71, 6998–7007. DOI: 10.1128 / AEM.71.11.6998-7007.2005

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Пфеффер К., Ларсен С., Сонг Дж., Донг М., Бесенбахер Ф., Мейер Р. Л. и др. (2012).Нитчатые бактерии переносят электроны на сантиметровые расстояния. Природа 491, 218–221. DOI: 10.1038 / природа11586

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Retalis, D., Pitta, A., and Psallidas, P. (1991). Электропроводность воздуха и другие электрические параметры по отношению к метеорологическим элементам и загрязнению воздуха в Афинах. Meteorol. Атмос. Phys. 46, 197–204. DOI: 10.1007 / BF01027345

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ревиль, А., и Джардани, А. (2013). Самопотенциальный метод: теория и приложения в экологических науках о Земле . Кембридж: Издательство Кембриджского университета, 1–385. DOI: 10.1017 / CBO978113

52

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ревиль А., Мендонса К. А., Атеквана Е. А., Кулесса Б., Хаббард С. С. и Болен К. Дж. (2010). Понимание биогеобатареи: где геофизика встречается с микробиологией. J. Geophys. Res. Biogeosci. 115, DOI: 10.1029 / 2009JG001065

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Роудс, Дж.Д. и Корвин Д. Л. (1981). Определение зависимости электропроводности почвы от глубины с помощью индуктивного электромагнитного измерителя электропроводности почвы 1. Soil Sci. Soc. Являюсь. J. 45, 255–260. DOI: 10.2136 / sssaj1981.03615995004500020006x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Русян, С., Микош, М. (2010). Сезонная изменчивость суточных колебаний концентрации нитратов в водотоке в гидрологически устойчивых условиях. Биогеохимия 97, 123–140.DOI: 10.1007 / s10533-009-9361-5

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Райкрофт, М. Дж., Харрисон, Р. Г., Николл, К. А., Мареев, Е. А. (2008). Обзор глобальной электрической цепи Земли и проводимости атмосферы. Space Sci. Ред. 137, 83–105. DOI: 10.1007 / s11214-008-9368-6

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Райкрофт, М. Дж., Исраэльссон, С., и Прайс, К. (2000). Глобальная электрическая цепь атмосферы, солнечная активность и изменение климата. J. Atmos. Sol. Terr. Phys. 62, 1563–1576. DOI: 10.1016 / S1364-6826 (00) 00112-7

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шмидхен К., Петри А. К., Дриссен С. и Бейли В. Х. (2018). Систематический обзор биологических эффектов воздействия статических электрических полей. Часть II: беспозвоночные и растения. Environ. Res. 160, 60–76. DOI: 10.1016 / j.envres.2017.09.013

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шолефилд, Д., Ле Гофф, Т., Бравен, Дж., Эбдон, Л., Лонг, Т., и Батлер, М. (2005). Согласованные суточные закономерности концентрации биогенных веществ в реках и физических условий. Sci. Total Environ. 344, 201–210. DOI: 10.1016 / j.scitotenv.2005.02.014

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шефтель, В. М., Чернышев, А. К., Чернышева, С. П. (1994). Электропроводность воздуха и атмосферное электрическое поле как индикатор антропогенного загрязнения атмосферы. Дж.Geophys. Res. Атмос. 99, 10793–10795. DOI: 10.1029 / 94JD00287

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Смит, Л., Ватцин, М. К., и Друшел, Г. (2011). Связь подвижности фосфора в донных отложениях с сезонными и уменьшающими окислительно-восстановительные колебания на границе раздела отложения и воды в эвтрофном пресноводном озере. Лимнол. Oceanogr. 56, 2251–2264. DOI: 10.4319 / lo.2011.56.6.2251

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Спенсер, Р.Г., Пеллерин, Б.А., Бергамаски Б. А., Даунинг Б. Д., Краус Т. Е., Смарт Д. Р. и др. (2007). Суточная изменчивость состава растворенного органического вещества в реках, определенная оптическими измерениями in situ в реке Сан-Хоакин (Калифорния, США). Hydrol. Процесс. 21, 3181–3189. DOI: 10.1002 / hyp.6887

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Стокдейл А., Дэвисон В. и Чжан Х. (2009). Микромасштабная биогеохимическая неоднородность в отложениях: обзор доступных технологий и наблюдаемых доказательств. Науки о Земле. Ред. 92, 81–97. DOI: 10.1016 / j.earscirev.2008.11.003

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Tokida, T., Miyazaki, T., Mizoguchi, M., Nagata, O., Takakai, F., Kagemoto, A., et al. (2007). Падение атмосферного давления как триггер выброса метана с торфяников. Glob. Биогеохим. Циклы 21, 1–8.

Google Scholar

Traunspurger, W., Bergtold, M., and Goedkoop, W. (1997). Влияние нематод на бактериальную активность и численность в пресноводных отложениях. Oecologia 112, 118–122. DOI: 10.1007 / s004420050291

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Vanreusel, A., Fonseca, G., Danovaro, R., Da Silva, M.C., Esteves, A.M., Ferrero, T., et al. (2010). Вклад неоднородности глубоководных макрофобов в глобальное разнообразие нематод. Mar. Ecol. 31, 6–20. DOI: 10.1111 / j.1439-0485.2009.00352.x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Vorenhout, M., van der Geest, H.Г. и Хантинг Э. Р. (2011). Усовершенствованный регистратор данных и новые датчики для непрерывных измерений окислительно-восстановительного потенциала на водно-болотных угодьях. Внутр. J. Environ. Анальный. Chem. 91, 801–810. DOI: 10.1080 / 03067319.2010.535123

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вада, С. И., и Умегаки, Ю. (2001). Распределение основных ионов и электрического потенциала в почве при электрокинетической реабилитации. Environ. Sci. Technol. 35, 2151–2155. DOI: 10.1021 / es001335j

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Верман, Э.J., Van Der Geest, G.H., Van Der Meulen, M.D., Manders, E.M., Van De Koppel, J., Herman, P.M. и др. (2011). Инфузории как инженеры фототрофных биопленок. Freshw. Биол. 56, 1358–1369. DOI: 10.1111 / j.1365-2427.2011.02574.x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Специальный выпуск: Атмосферное электричество

Уважаемые коллеги,

Хотя исследование атмосферного электричества имеет долгую историю, в каждый период делались эпохальные открытия.В последние десятилетия были обнаружены индуцированное молниями / грозой энергетическое излучение, кратковременные световые явления, такие как спрайты и эльфы, а также земные гамма-вспышки. В последнее время сложные исследовательские темы, такие как взаимосвязь между атмосферным электричеством и биологическими / биохимическими эффектами и взаимосвязь между атмосферным электричеством и климатом / суровой погодой, стали предметом новых и революционных исследований. Орбитальные спутники и системы обнаружения молний дают новые данные, а численное моделирование, в том числе приложения искусственного интеллекта, дает новые и захватывающие представления о природе гроз.Поэтому мы планируем специальный выпуск, посвященный статьям, охватывающим все области, связанные с атмосферным электричеством.

Таким образом, специальный выпуск об атмосферном электричестве открыт для междисциплинарных и различных исследований из традиционных областей исследований, таких как глобальная электрическая цепь, физика молний, ​​микрофизика аэрозолей и облаков и электрификация гроз, до современных областей исследований, таких как Энергетическое излучение, генерируемое молниями / грозой, кратковременные световые явления и эволюция климата Земли.

Мы приветствуем участие в различных статьях, таких как оригинальные исследования и обзоры.

Снимок сделал Оскар Ван дер-Вельде.

Проф. Д-р Масаши Камогава
Проф. Д-р Йоав Яир
Приглашенные редакторы

Информация для подачи рукописей

Рукописи должны быть представлены онлайн по адресу www.mdpi.com, зарегистрировавшись и войдя на этот сайт. После регистрации щелкните здесь, чтобы перейти к форме отправки.Рукописи можно подавать до указанного срока. Все статьи будут рецензироваться. Принятые статьи будут постоянно публиковаться в журнале (как только они будут приняты) и будут перечислены вместе на веб-сайте специального выпуска. Приглашаются исследовательские статьи, обзорные статьи, а также короткие сообщения. Для запланированных статей название и краткое резюме (около 100 слов) можно отправить в редакцию для объявления на этом сайте.

Представленные рукописи не должны были публиковаться ранее или рассматриваться для публикации в другом месте (за исключением трудов конференции).Все рукописи тщательно рецензируются в рамках процесса одинарного слепого рецензирования. Руководство для авторов и другая важная информация для подачи рукописей доступна на странице Инструкции для авторов. Atmosphere — это международный рецензируемый ежемесячный журнал с открытым доступом, публикуемый MDPI.

Пожалуйста, посетите страницу Инструкции для авторов перед отправкой рукописи. Плата за обработку статьи (APC) для публикации в этом журнале с открытым доступом составляет 1800 швейцарских франков.Представленные документы должны быть хорошо отформатированы и написаны на хорошем английском языке. Авторы могут использовать MDPI Услуги редактирования на английском языке перед публикацией или во время редактирования автора.

Теория причины атмосферного электричества

Идея о том, что Солнце испускает большое количество лучей Беккереля, нашла значительную поддержку в научном мире и использовалась для объяснения ряда трудностей, связанных, например, с космической физикой. , источник солнечной энергии и хвостов комет.Есть еще одна старая постоянная трудность, которую он, кажется, может решить, а именно. постоянное поддержание электрического поля в нижних частях земной атмосферы. Если мы примем как должное, что Солнце постоянно испускает лучи Беккереля, состоящие из положительных и отрицательных электронов, можно ожидать, что следствием этого будет следующее. Некоторые из электронов, которые достигают земной атмосферы, будут поглощаться — вероятно, в основном водяным паром и пылью в нижних слоях атмосферы — но, согласно экспериментам Резерфорда, скорее положительные, чем отрицательные; таким образом, мы можем ожидать, что большее количество отрицательных электронов достигнет поверхности, соответствующее количество положительных электронов задерживается воздухом.Мы сразу видим причину положительного заряда воздуха и соответствующего отрицательного заряда на поверхности. Если бы не было «диссипации», результатом была бы постоянная зарядка атмосферы или постоянно увеличивающийся градиент потенциала над земной поверхностью; но есть рассеяние, которое уравновешивает тенденцию к увеличению электрического поля. Если бы у нас была постоянная диссипация, результатом был бы максимальный градиент потенциала днем ​​и минимум ночью, поскольку мы должны предположить, что днем ​​больше электронов достигает атмосферы, чем ночью.Но мы знаем из измерений Эльстера и Гейтеля, что диссипация достигает максимума в полдень; это будет иметь тенденцию к уменьшению максимального градиента потенциала, который в противном случае был бы достигнут примерно в это время. Это соображение полностью согласуется с фактом, поскольку Экснер описал дневное изменение градиента потенциала как «простой дневной период, искаженный полуденной депрессией». При достаточно постоянном суточном периоде входа электронов в атмосферу главным определяющим фактором градиента потенциала будет диссипация; таким образом, мы находим максимальный градиент потенциала зимой с соответствующей минимальной диссипацией.Связь между градиентом потенциала и диссипацией была тщательно исследована Эльстером и Гейтелем, и они экспериментально обнаружили, что то, что имеет тенденцию уменьшать диссипацию, имеет тенденцию увеличивать градиент потенциала, чего и следовало ожидать от теории. Мне кажется, что эта теория может объяснить гораздо больше проблем атмосферного электричества, но изложенное выше показывает общую идею.

Атмосферное электричество | Оксфордская исследовательская энциклопедия планетологии

Молния — это кратковременный сильноточный разряд с длиной пути в несколько километров.Обычно он длится доли секунды и состоит из нескольких суб-разрядов, которые называются инсультами. Типичная амплитуда тока при таких ударах составляет 30 кА. Сильный ток вызывает внезапный нагрев канала молнии примерно до 30 000 ° C; затем воздух в канале и вокруг него быстро расширяется, вызывая звуковой сигнал, известный как гром (Умань, 1987). Вспышки молний опасны, и они всегда вызывали страх и уважение в человечестве. Это очевидно из той роли, которую молния играла в древних религиях и мифологиях.Ранние статуи Будды изображают его с молнией. Считалось, что нордический бог Тор производит молнию, ударяя молотком по наковальне. Во многих языках название пятого дня недели восходит к Тор, например, «четверг» на английском языке, «Donnerstag» (Donner = гром) на немецком или «Torsday» на датском. Считалось, что греческий бог Зевс (позже соответствующий римскому богу Юпитеру) использовал молнию как оружие, чтобы показать свою силу. В искусстве американских индейцев можно найти изображения мистической грозовой птицы, взмахи крыльев которой производили звук грома.Молния вызывает лесные пожары, и использование огня сыграло большую роль в развитии цивилизации.

Другие типы разряда имеют гораздо меньшие токи. Коронный разряд возникает, когда небольшой ток течет от электрода в окружающий воздух, создавая область ионизированного воздуха (плазмы) вокруг электрода. Такие короны часто проявляются в виде голубоватого свечения на сильно заряженных проводниках с острыми концами, и они могут вызвать значительные потери мощности для высоковольтных электрических сетей.Подобное свечение возникает и в газоразрядных лампах. Когда электрическое поле превышает пороговое значение, коронный разряд превращается в стримерный разряд с нитевидными разрядными каналами. Это происходит, когда электроны, генерируемые ионизацией, продолжают сталкиваться с другими молекулами в цепной реакции, вызывая лавину электронов. Пороговое напряжение также называется напряжением пробоя, и для сухого воздуха при давлении 1000 гПа это значение составляет 3 × 10 ⁶ В · м ^-1 (или 30 кВ для зазора в 1 см).Считалось, что локальное усиление электрических полей в грозовых облаках может привести к пробою и возникновению молнии (см. Раздел «Генерация электрических разрядов»). Однако самые сильные электрические поля, измеренные в грозовых облаках, составляют около 10 ⁵ В · м ⁻¹ , что на порядок меньше, чем при обычном поле пробоя (Dywer & Uman, 2014). Эти значения относятся к макроскопическим полям, которые измеряются при запуске воздушных шаров в развивающиеся грозы; они не обязательно представляют собой интенсивные поля, существующие в гораздо меньших масштабах.Поле пробоя также уменьшается при более низком атмосферном давлении в облаке и в присутствии гидрометеоров (жидких или твердых частиц воды, взвешенных в воздухе), но недостаточно для объяснения несоответствия между измеренными электрическими полями и существованием молнии (Дубинова и др., 2015). Есть еще одна теория, называемая «безудержный пробой». Релятивистские электроны, движущиеся почти со скоростью света, могут создавать релятивистскую лавину убегающих электронов при меньших электрических полях примерно 10 ⁵ В · м ^-1 (Гуревич, Милих, & Руссель-Дюпре, 1992).Чтобы запустить этот процесс убегания, необходимы электроны космических лучей высокой энергии.

Светящиеся разряды, называемые спрайтами, синими струями и эльфами (вместе именуемые кратковременными световыми явлениями [TLEs]), существуют над грозами. Спрайты появляются на расстоянии 40–90 км в виде больших красных или оранжевых полос с усиками. Они могут быть вызваны выходом из строя из-за сильных электростатических полей от грозы внизу. Синие струи распространяются вверх от вершины грозовых облаков в виде синих конусовидных структур.Обычно они поднимаются на высоту 40 км, но есть также гигантские джеты, которые устанавливают прямой путь электрического контакта между вершинами грозовых облаков и нижней ионосферой. Эльфы — это расширяющиеся в радиальном направлении горизонтальные круги света из точки, находящейся высоко над причинной вспышкой молнии, происходящей на высоте около 90 км (Pasko, Yair, & Kuo, 2012). Из-за низкой светимости все эти TLE были обнаружены и исследованы относительно недавно, начиная с 1990-х годов. Нобелевский лауреат К.Т. Р. Уилсон предположил на теоретических основаниях, что электрический пробой мог произойти на больших высотах, и, возможно, он также лично был свидетелем спрайта (Wilson, 1956). Первая запись спрайта была сделана случайно летом 1989 года, когда ученые из Университета Миннесоты протестировали видеокамеру при слабом освещении (Franz, Nemzek, & Winkler, 1990). Пока что TLE наблюдались только на Земле, но они могут существовать и на других планетах (Yair et al., 2009; Pérez-Invernón et al., 2017).

Шаровая молния, бусовая молния или вулканическая молния представляют собой необычные типы естественного разряда (Раков и Умань, 2003).Существует множество достоверных свидетельств о шаровой молнии, но вряд ли существует настоящая научная документация из-за ее редкости. С другой стороны, молния — это хорошо задокументированное оптическое явление, при котором видимый канал молнии распадается на светящиеся фрагменты, и эти «бусинки», кажется, служат дольше (~ 1-2 с), чем обычная молния, которая длится около 30 мкс. Впечатляющие вулканические молнии часто наблюдались в выброшенном материале над активными вулканами. Этот материал состоит из осколков породы, пепла и частиц льда, которые сталкиваются и создают статические заряды.Фрактоэмиссия также может способствовать возникновению вулканических молний, ​​производя заряд при разрушении горных пород (см., Например, Аплин, Беннет, Харрисон и Хоутон, 2016; Раков и Уман, 2003).

Возникновение электрических разрядов

Грозовые облака, как известно, содержат заряженные частицы с середины 18 века, когда Бенджамин Франклин провел свой знаменитый эксперимент с воздушным змеем: электрические искры выскочили от ключа, привязанного к нижней части проводящей струны воздушного змея, до его суставов. Франклин не полностью осознавал опасность своего эксперимента, поскольку прямой удар молнии по воздушному змею в грозовой туче мог убить его.Его работу также можно рассматривать как первый атмосферный электрический эксперимент (Раков, Умань, 2003). В настоящее время вспышки молний можно вызвать искусственно, запустив небольшую ракету с тонкой проволокой, которая перекрывает разрыв между землей и заряженным облаком над головой.

Основным источником молний является облако типа «кучево-дождевые». Конвективные облака образуются, когда большие массы теплого и влажного воздуха поднимаются на большую высоту, где они охлаждаются. Влага конденсируется на аэрозолях с образованием капель воды, составляющих видимое облако.При температурах от 0 до -40 ° C жидкие капли воды сосуществуют с частицами льда, и в этой смешанной фазе происходит электризация. В 21 веке наиболее распространенным процессом электрификации в грозовых облаках является перенос заряда за счет столкновений между граупелем (мягким градом) и кристаллами льда в присутствии капель воды при отрицательных температурах, в основном ниже −10 ° C (Rakov & Uman, 2003). В этом процессе более тяжелые частицы крупы обычно приобретают отрицательный заряд, тогда как более легкие кристаллы льда заряжаются положительно.Более мелкие положительно заряженные частицы переносятся на большую высоту, что приводит к облаку, которое обычно положительно заряжено в верхней части и отрицательно заряжено внизу. Типичное грозовое облако также состоит из отрицательного экранирующего слоя наверху и карманов положительного заряда внизу облака (Stolzenburg, Rust, & Marshall, 1998). Таким образом, основными составляющими образования гроз являются вертикальная конвекция теплого и влажного газа, наличие частиц, которые могут заряжаться в результате столкновений, и крупномасштабный процесс разделения зарядов.

Двумя наиболее распространенными типами грозовых разрядов являются разряды молнии внутри облака (IC) и разряды облако-земля (CG). Около 90% всех молний CG инициируется движущимся вниз отрицательно заряженным лидером молнии. (Существует также положительная молния, создаваемая положительно заряженными лидерами, идущими на землю; например, большинство спрайтов связаны с большими положительными вспышками молний.) Оптически слабый лидер создает отрицательно заряженный путь под облаком, который спускается ступенчато с типичной длиной несколько десятков метров.Ток лидера находится в диапазоне 1 кА, а несколько кулонов заряда распределены по каналу. Когда ступенчатый лидер приближается к земле, приподнятые объекты, такие как башни или деревья, могут испускать соединительные ленты, и слияние такой ленты с лидером называется «присоединением». Кончик лидера внезапно поднимается до потенциала Земли, и потенциальная волна поднимается до основания облака за несколько десятков микросекунд со скоростью до 10 ⁸ мс ^-1 .Это так называемый первый обратный ход, при котором протекает наибольший ток. За первым обратным ходом могут последовать несколько последующих обратных ударов, которые сами инициируются лидерами дротиков. Высокоскоростное видео вспышки молнии покажет слабый нисходящий ступенчатый лидер, за которым следует яркий восходящий ответный удар, поскольку интенсивность света сильно коррелирует с величиной тока (Idone & Orville, 1985).

Методы наблюдений

Различные фотоэлектрические датчики использовались для наблюдения за молниями из космоса, с самолетов и с наземных станций.Во времена аналоговой фотографии изображения молний получали с помощью полосовой камеры, которая использовала непрерывное относительное движение между линзой и пленкой для разрешения кратковременных явлений. В 21 веке, конечно, цифровая фотография захватила власть, и высокоскоростные видеокамеры могут записывать фильмы с частотой в миллионы кадров в секунду.

Молния приводит к большим изменениям электростатического поля на близких расстояниях. Изменение электростатического поля из-за вспышки на расстоянии 5 км составляет около 10 ⁴ Вм ⁻¹ , и все еще около 1 Вм ⁻¹ на расстоянии 100 км (Умань, 1987).Такие электрические поля могут быть измерены полевыми мельницами или другими системами измерения электрического поля, использующими приподнятую плоскую пластинчатую антенну. Что еще более важно, молнию можно обнаружить с больших расстояний, и известно, что она излучает значительную электромагнитную энергию в большом диапазоне частот. На чрезвычайно низких частотах вспышки молний вызывают глобальные электромагнитные резонансы, называемые резонансами Шумана, в полости, образованной поверхностью Земли и ионосферой. Их можно зарегистрировать с помощью высокочувствительных измерений электрического и магнитного поля на исследовательских станциях по всему миру, а первый фундаментальный резонанс находится на отметке 7.8 Гц. Импульсные сигналы, такие как молния, очень широкополосны, а радиоспектр молнии простирается от нескольких Гц до примерно 300 МГц с пиком в спектре плотности энергии около 10 кГц. Это связано с тем, что КГ-молнию можно рассматривать как четвертьволновую антенну со средней длиной 7–8 км, а электромагнитная волна с длиной волны 4 × 7,5 = 30 км имеет частоту 10 кГц. Радиоатмосферные сигналы, называемые «сфериками», в диапазоне ОНЧ (очень низкая частота, от 3 до 30 кГц) могут легко приниматься за тысячи километров от их источника, поскольку они в основном отражаются земной ионосферой.Однако часть энергии также может выходить из волновода Земля-ионосфера и попадать в магнитосферу. Затем сигнал рассеивается плазмой около Земли и образует так называемый свистящий сигнал, что означает, что более низкие частоты распространяются медленнее — это дает свистящий звук (при преобразовании в звуковой сигнал). Вистлеры распространяются вдоль силовых линий магнитного поля, где они могут быть обнаружены спутниками или наземной станцией в магнитно-сопряженной точке на другом полушарии. Сферики на более высоких частотах, превышающие ионосферную граничную частоту около 10 МГц, могут напрямую проходить через ионосферу и свободно распространяться к антенной системе на спутнике.Электромагнитные импульсы одиночных ударов обычно длятся всего несколько десятков микросекунд, но полная вспышка, состоящая из нескольких ударов, может длиться доли секунды. Рассеянные свистящие сигналы могут длиться даже несколько секунд.

Молния также может быть обнаружена на микроволновых частотах (от 300 МГц до 300 ГГц) и, очевидно, в видимом диапазоне (около 5 × 10 ¹⁴ Гц). На еще более высоких частотах всплески рентгеновских и гамма-лучей, генерируемые грозами, были впервые обнаружены в 1994 году в ходе эксперимента на борту обсерватории гамма-излучения Комптона, спутника НАСА (Fishman et al., 1994) и названы TGF (наземные гамма-вспышки).

Молния на Земле

Обнаружение земных молний из космоса становится все более важным. По крайней мере, дюжина спутников использовала оптические детекторы, радио инструменты или, в лучшем случае, комбинацию того и другого. Например, спутник FORTE (Быстрая запись переходных событий на орбите) и будущая миссия Taranis (Инструмент для анализа радиации от LightNIng и Sprites) имеют множество инструментов для специального исследования гроз и молний на Земле. ¹ Многие наземные системы обнаружения молний были созданы для определения местоположения, интенсивности и движения гроз в режиме реального времени. Эта информация используется авиационными и метеорологическими службами или страховыми компаниями для обнаружения повреждений, вызванных молнией. Такие сети обнаружения могут использовать множество различных методов определения местоположения, основанных на амплитудах электрического поля, определении направления магнитного поля с рамочными антеннами, времени прибытия поля излучения, отраженных сигналах радара от молнии и дождя или направлении видимого света.Всемирная сеть определения местоположения молний в настоящее время использует 70 станций ОНЧ по всему миру для создания карт грозовой активности. ² Другими важными сетями являются Национальная сеть обнаружения молний США (NLDN) или EUCLID (Европейское сотрудничество по обнаружению молний), которая является результатом сотрудничества национальных европейских сетей обнаружения молний. ³

Глобальная частота вспышек на Земле составляет около 100 вспышек в секунду, и в любой момент активно около 2000 гроз.Эти оценки были впервые сделаны Бруксом (1925) на основе «громовых дней» (дня, когда слышен гром). Современные спутниковые измерения изменили эти значения до (44 ± 5) с ⁻¹ для частоты вспышек (Christian et al., 2003) и до 1100 гроз в час (Mezuman, Price, & Galante, 2014)

.

На рисунке 1 показано глобальное распределение молний. Большая часть грозовой активности происходит над сушей, поскольку интенсивность конвекции в океанических грозах меньше, чем над сушей (Cooray, 2015).Три основных горячих точки — это тропические регионы Южной Америки, Центральной Африки и Юго-Восточной Азии. Высокая активность также наблюдается в северной Австралии и на суше вокруг Мексиканского залива. В арктических и антарктических регионах почти нет молний.

Рис. 1. Глобальное распределение молний с цветовым кодом, относящимся к годовому количеству молний на квадратный километр с данными с апреля 1995 года по февраль 2003 года, полученными с помощью оптического детектора переходных процессов и датчика изображения молний НАСА.

Предоставлено: NASA MSFC Lightning.

Планетарная молния

В следующих разделах мы обсуждаем электрические разряды на планетах земной группы Венере и Марсе, газовых гигантах Юпитере и Сатурне, а также ледяных гигантах Уране и Нептуне. Из-за разреженной атмосферы Меркурия и карликовой планеты Плутон там не должно быть молний. Молния также может существовать на некоторых из многочисленных экзопланет, обнаруженных за последние два десятилетия. Однако из-за больших расстояний экзопланетные молнии до сих пор не идентифицированы (например,г., Hodosán, Rimmer, & Helling, 2016).

Венера

Венера почти такая же большая, как Земля, и имеет значительную атмосферу, состоящую в основном из углекислого газа. Из-за близкого расстояния от Солнца (~ 0,7 а.е.) и значительного парникового эффекта температура его поверхности составляет около 470 ° C при давлении 90 бар. Считается, что молния могла произойти в густых облаках серной кислоты Венеры, расположенных на высоте около 60 км (Russell, 1993). Однако существование молний остается спорным (Yair, 2012), поскольку облака в основном стратиформные, с небольшими признаками конвекции и нестабильности, за исключением экваториальной области.Есть некоторые свидетельства в данных оптического, ОНЧ и высокочастотного радиоизлучения для молний, ​​но все наблюдения являются единичными с возможными альтернативными объяснениями, и не существует комбинированных наблюдений (например, одновременных оптических и радиоизлучений) (Fischer, Gurnett, & Яир, 2011а).

Есть два предварительных оптических обнаружения молний Венеры. Первым был создан спектрометр свечения на борту советского космического корабля «Венера-9», который зарегистрировал несколько импульсов с характерной длительностью 0.25 с (Краснопольский, 1983). Вторым было телескопическое наблюдение с Земли с помощью 153-сантиметрового телескопа и ПЗС-детектора (Hansell, Wells, & Hunten, 1995). Несмотря на огромный прогресс цифровой фотографии с 1990-х годов, многие попытки повторить этот эксперимент потерпели неудачу, равно как и поиски с помощью оптических инструментов на космических кораблях. Правильная идентификация коротких оптических вспышек не является тривиальной задачей, поскольку ошибки пикселей, столкновения космических лучей или кратковременный рассеянный свет могут привести к ложноположительным обнаружениям.Наиболее полный поиск TLE на ночной стороне Венеры был проведен недавно с использованием видимых каналов прибора VIRTIS (Visible and InfraRed Thermal Imaging Spectrometer) на борту космического корабля Venus Express (Cardesín Moinelo et al., 2016). Были обнаружены тысячи сигналов, но все они могут быть объяснены космическими лучами, падающими на детектор.

Есть больше свидетельств о молнии Венеры в радиодиапазоне. Российские корабли «Венера» зарегистрировали импульсные ОНЧ-радиосигналы при спуске на поверхность Венеры (Ксанфомалити, 1980).Детектор электрического поля орбитального аппарата Pioneer Venus Orbiter Electric Field Detector (OEFD) имел четыре частотных канала и измерял импульсные сигналы в ночной ионосфере Венеры, которые интерпретировались как свист молнии. Поскольку трудно идентифицировать вистлеры с таким ограниченным частотным разрешением, эти всплески вызвали много дискуссий (Taylor & Grebovsky, 1985). Точно так же всплески, обнаруженные магнитометром на борту Venus Express, также приписывались свистам молний (Russell et al., 2007). Прибор плазменных волн Galileo обнаружил несколько слабых импульсных всплесков на высоких частотах во время пролета Венеры в 1990 г. (Gurnett et al., 1991). Однако такие всплески не были обнаружены прибором Cassini RPWS (Radio and Plasma Wave Science) во время двух облетов Кассини в 1998 и 1999 годах (Gurnett et al., 2001). Правильная идентификация импульсных радиосигналов также является нетривиальной задачей, поскольку они могут быть легко вызваны шумом в электрических цепях, ударами частиц или другими радиочастотными помехами.

Марс

Марс, вероятно, имел гораздо более плотную атмосферу в своей истории, но со временем он был унесен солнечным ветром из-за более низкой гравитации и отсутствия значительного магнитного поля по сравнению с Землей (Haberle et al., 2017). Сегодня разреженная атмосфера Марса в основном состоит из углекислого газа с поверхностным давлением всего 6 гПа. Атмосферное электричество на Марсе не связано с его тонкими перистыми облаками, но считается, что марсианские пыльные бури являются источником электрической активности (Melnik & Parrot, 1998). Трибоэлектрическая зарядка песка и пыли может создавать сильные электрические поля в земных пыльных бурях и пыльных дьяволах (например, Harrison et al., 2016), и аналогичные явления ожидаются для Марса. Фаррелл и др. (1999) предположили, что электрические поля в марсианском пылевом дьяволе ограничены низким пробивным напряжением 10 кВм ^-1 в марсианской атмосфере низкого давления.Пробой может произойти из-за коронного разряда, тлеющего разряда или искрового разряда, подобного земной вулканической молнии. Gurnett et al. (2010) искали импульсные радиосигналы во время пыльных бурь с помощью радиолокационного приемника на борту Mars Express, но не были обнаружены, поэтому любые разряды могут быть слабыми. На Марс не было доставлено ни одного пакета инструментов, посвященного атмосферному электричеству, но будущая наземная платформа ExoMars2020 содержит инструмент, который может обнаруживать разряды молний (Колмасова, Сантолик и Скальский, 2017).

Юпитер

Газовые гиганты Юпитер и Сатурн в основном состоят из водорода и гелия. Оба имеют трехслойную структуру облаков с верхними облаками льда из аммиака (около 1000 гПа), промежуточным облачным слоем гидросульфида аммония и слоем глубоководных облаков. Температура на уровне 1000 гПа составляет около -140 ° C как для Юпитера, так и для Сатурна, но атмосфера Сатурна обычно более протяженная из-за его меньшей силы тяжести. Уровень замерзания 0 ° C находится в слое водяных облаков, 5 000–6 000 гПа для Юпитера (~ 100 км ниже вершины облаков), но 8 000–10 000 гПа для Сатурна (~ 200 км ниже вершины облаков).Ниже этого уровня частицы ледяного водяного облака постепенно превращаются в жидкие капли, причем электризация частиц и последующие разряды, как предполагается, имеют место в этой смешанной фазовой области, подобной Земле.

Существование молний на Юпитере не вызывает сомнений, поскольку многие космические аппараты регистрировали оптические вспышки на его ночной стороне. Первое свидетельство было получено с камеры «Вояджера-1» (Cook, Duxbury, & Hunt, 1979), а затем камеры на «Вояджере-2», «Галилео» и «Кассини» — все снимали вспышки.New Horizons обнаружила оптические вспышки в обоих полушариях до высоких широт 80 °, с особенно активными областями около 50 ° северной широты. Дополнительным подтверждением стало обнаружение свистов (Gurnett, Shaw, Anderson, & Kurth, 1979), а детектор молний и радиоизлучений (LRD) зонда Galileo наблюдал сферики VLF молний внутри атмосферы Юпитера во время спуска зонда (Lanzerotti et al. ., 1996). Интересно, что до сих пор не было обнаружено никаких сфериков в высокочастотном диапазоне, и это может быть связано с сильным затуханием сигналов в ионосфере Юпитера (Zarka, 1985).Последнее обнаружение молний на Юпитере произошло с космического корабля Juno, который с середины 2016 года находится на близкой полярной орбите вокруг Юпитера. Несколько свистов молний были обнаружены прибором Juno Waves (Kurth et al., 2017), и, к удивлению, микроволновым радиометром Juno (MWR) были обнаружены сигналы, приписываемые молнии на частоте около 1 ГГц (Janssen, личное сообщение).

Сатурн

Помимо Земли, Сатурн, вероятно, является планетой, о которой больше всего известно о молниях.Это связано с длительной миссией Кассини, которая находилась на орбите Сатурна в течение 13 лет с 2004 по 2017 год. Первое указание на молнию в атмосфере Сатурна было получено в ноябре 1980 года радиоинструментом на борту «Вояджера-1», когда он пролетал мимо. Были обнаружены сильные импульсные сигналы в диапазоне частот в несколько МГц, которые были названы SED для электростатических разрядов Сатурна (Warwick et al., 1981). Однако на снимках «Вояджера» не было обнаружено соответствующих грозовых облаков. Миссия Кассини четко установила атмосферное происхождение SED, объединив изображения и радио.Его камеры обнаружили яркие образы облаков в так называемой грозовой аллее Сатурна на планетоцентрической широте 35 ° южной широты, и облака были ярче, когда скорость SED была высокой (Дюдина и др., 2007; Фишер и др., 2007). Сильная вертикальная конвекция может выталкивать частицы облака над самым верхним слоем облаков аммиака, образуя яркое пятно размером 2000 км, которое наблюдали астрономы-любители на Земле, а также Кассини (Fischer et al., 2011b). Поскольку молния Сатурна находится глубже в атмосфере, чем молния Юпитера, оптические вспышки было труднее отобразить, но это стало возможным во время равноденствия Сатурна (август 2009 г.), когда свечение колец на ночной стороне было минимизировано.Камера «Кассини» зафиксировала освещенные вспышкой вершины облаков диаметром около 200 км (Дюдина и др., 2010), как видно на левой стороне рисунка 2. Оптическая энергия составляла 10 ⁹ Дж, что аналогично оптической энергия вспышек молний Юпитера. Это говорит о том, что молнии Юпитера и Сатурна похожи на суперболты с полной энергией около 10 ¹² Дж, в то время как средняя земная вспышка имеет полную энергию всего 10 ⁹ J. SED также примерно в 10 000 раз сильнее радиоизлучения от наземных источников. молнии в диапазоне частот несколько МГц (Fischer et al., 2008). Это привело к их первому обнаружению с Земли на большом украинском радиотелескопе УТР-2 (Коноваленко и др., 2013).

Рис. 2. (Слева) изображения Кассини грозового облака Сатурна (2000 км в поперечнике) на 35 ° южной широты на ночной стороне планеты от ноября 2009 года. Яркие пятна диаметром около 200 км — это верхушки облаков, освещенные вспышками. (Справа) изображение Кассини Большого Белого Пятна (GWS) на Сатурне на 35 ° северной широты, февраль 2011 г.

Изображения из НАСА / Лаборатории реактивного движения / SSI.

SED были обнаружены прибором Cassini RPWS в более чем дюжине штормов, многие из которых располагались в «штормовом переулке» на 35 ° южной широты.Эти штормы продолжались от нескольких дней до нескольких месяцев, и был один шторм, который длился почти весь 2009 год. Были также длительные периоды затишья без SED, особенно в течение последних четырех лет миссии. Существует два разных класса гроз на Сатурне: обычные грозы размером 2000 км с частотой вспышек несколько SED в минуту (Fischer et al., 2008) и редкие и гигантские большие белые пятна (GWS) со скоростью SED 10 с ⁻¹ (Fischer et al., 2011c). GWS обычно происходит только один раз в год Сатурна (29,5 земных лет), и Кассини посчастливилось увидеть один в конце 2010 года, расположенный на 35 ° северной широты и достигающий широты 10 000 км примерно через три недели. К февралю 2011 г. у шторма образовался удлиненный, направленный на восток хвост, который охватил планету (расстояние 300 000 км) (см. Правую часть рисунка 2). В середине июня 2011 г. крайний западный центр шторма с большей частью активности SED столкнулся с большим антициклоническим вихрем, что привело к значительному падению активности SED.После столкновения SED стали прерывистыми и окончательно исчезли в конце августа 2011 года.

Cassini RPWS также искал молнии на загадочном спутнике Сатурна Титане, который имеет значительную атмосферу (1500 гПа на поверхности), состоящую в основном из азота и метана. Камеры «Кассини» зафиксировали конвективные метановые облака на Титане, но никаких радиовсплесков, которые явно указывали бы на существование молнии Титана, не было обнаружено RPWS во время многочисленных пролетов с близкого расстояния (Fischer & Gurnett, 2011).

Уран и Нептун

Ледяные гиганты Уран и Нептун имеют оболочку из водорода и гелия, но на глубоких уровнях они состоят из более тяжелых элементов, включая, скорее всего, кислород, углерод, азот и серу. Они имеют структуру облаков, аналогичную Юпитеру и Сатурну, с самым верхним слоем облаков метана. Таким образом, водяные облака также существуют на Уране и Нептуне и могут быть местом, где рождаются молнии. И Уран, и Нептун пока посещал только один космический корабль, Вояджер-2.

На Уране 140 событий, подобных SED, были обнаружены во время пролета «Вояджера-2» в январе 1986 года и названы UED для электростатических разрядов Урана (Zarka & Pedersen, 1986). Их частотный диапазон составлял от 0,9 до 40 МГц (верхний предел радиоинструмента «Вояджер») при средней продолжительности 120 мс, и они были примерно на порядок слабее, чем SED. На Уране не было обнаружено оптических сигналов молний или свистов. Во время пролета космического корабля «Вояджер-2» над Нептуном в августе 1989 года системой плазменных волн было обнаружено шестнадцать сигналов, похожих на вистлеры (Gurnett et al., 1990) в диапазоне 6–12 кГц, а четыре сферика на высоких частотах были предварительно идентифицированы Кайзером, Зарка, Дешом и Фарреллом (1991).

«Хорошая погода» Атмосферное электричество: Атмосферное электричество в регионах без штормов возникает из-за ионизации воздуха и, в некоторых случаях, из-за отдаленных штормов. Более детальное понимание атмосферных электрических процессов было естественным образом развито на Земле раньше, чем на других планетах. Кантон был первым, кто обнаружил присутствие электричества в воздухе в безоблачном небе в середине 18 века, и впоследствии было обнаружено, что воздух поддерживает электрическое поле и обладает слабой проводимостью в условиях, удаленных от гроз или ненастной погоды ( Аплин, Харрисон и Райкрофт, 2008 г.).В конечном итоге это привело к описанию атмосферного электричества «при хорошей погоде», которое используется, в отсутствие другой терминологии, для описания не грозовых электрических процессов во всех планетных атмосферах.

На Земле существует электрическое поле в хорошую погоду с магнитудой около 100 Vm ⁻¹ на поверхности (на уровне моря). Это электрическое поле происходит от концепции, которая стала известна как «глобальная электрическая цепь» или GEC (рис. 3), впервые предложенная CTR Wilson (Wilson, 1921, 1929).Грозы постоянно активны где-то на Земле и доставляют ток в ионосферу, относительно проводящую область, где солнечное УФ-излучение может ионизировать воздух. Поскольку атмосфера имеет только слабую проводимость по сравнению с ионосферой и поверхностью ( R _c на рисунке 3), между ионосферой и поверхность. Ионы, образованные космическими лучами и естественной радиоактивностью, движутся в этом электрическом поле, обеспечивая управляемую GEC плотность тока проводимости ( Дж, _c на Рисунке 3), как правило, 2 пАм ^-2 .Атмосферное электрическое поле имеет характерные суточные колебания во всемирном времени, возникающие из-за гроз, генерируемых ближе к вечеру и ранним вечером по местному времени по всему миру, в основном над континентами в трех четко определенных регионах (Юго-Восточная Азия, Африка и Южный . Америка), иногда называемые «дымоходами». Этот суточный ход с максимумом в 19 UT стал известен как «кривая Карнеги» после того, как судно для геомагнитных исследований впервые его обнаружило (например, Harrison, 2013).Для разработки концепции GEC потребовались некоторые научные предшественники, определенные Аплином и др. Как «центральные принципы». (2008), например открытие ионосферы. Планетарные GEC могут существовать и обсуждаются в Глобальных электрических цепях в планетных атмосферах.

Рисунок 3. Концептуальная схема земной глобальной электрической цепи (GEC) (Аплин и др., 2008). Красные стрелки относятся к текущему потоку в GEC. Черные стрелки относятся к ионизирующему материалу.

Атмосферные ионы и ионизация

Как объяснялось в первом разделе, энергичные частицы, называемые «космическими лучами», проникают в каждую атмосферу.Мюоны или вторичные космические лучи — единственные частицы, обладающие достаточной энергией, чтобы ионизировать глубокие атмосферы, такие как Венера и планеты-гиганты. УФ-излучение также может вызывать дневную ионизацию тропосфер планет без УФ-поглотителей, таких как Марс (например, Aplin, 2006). В профилях ионизации атмосферы преобладают космические лучи, почти всегда с минимумом у поверхности и максимумом у уровня, на котором распадается большая часть космических лучей, обычно в верхней тропосфере или нижней стратосфере (известный как максимум Пфотцера-Регенера, e.г., Carlson & Watson, 2014). Может возникнуть локальная модуляция этого профиля, например, скорость ионизации над земной поверхностью уменьшается с высотой примерно до 1 км из-за вклада радиоактивных газов, испускаемых с поверхности. Есть также эффекты широтного и солнечного цикла на планетах с магнитными полями (например, Aplin, 2006).

Состав атмосферных ионов

Энергичные частицы ионизируют атмосферу, создавая положительные ионы и электроны; что произойдет дальше, зависит от химического состава атмосферы.Положительные ионы объединяются в группы с полярными частицами посредством сложной серии реакций, чтобы стать стабильными терминальными ионами, часто сгруппированными с частицами с локально самым высоким сродством к протонам (Harrison & Carslaw, 2003; Shuman, Hunton & Viggiano, 2015). Если присутствуют электрофильные («электронолюбивые») частицы, свободные электроны быстро присоединяются к ним, создавая отрицательный ион, такой как O ₂ ^– или CO ₂ ^–. Другие полярные частицы могут затем присоединиться к остову отрицательного иона, чтобы создать кластерный ион.Поэтому атмосферы обычно содержат конечные положительные ионы и некоторые или все электроны, отрицательные ионы или отрицательные кластерные ионы. Кластерные ионы обычно описываются как X ⁺ (Y) _n для положительного иона с остовным видом X и сгруппированы лигандами Y. На Земле n составляет 2–10, но для других планет модели менее ограничены. (Аплин, 2008). Лиганды могут быть такими видами, как H ₂ O, NH ₃ , HNO ₃ и органическими веществами; есть некоторые свидетельства зависимости от влажности в кластеризации земных ионов (например,г., Харрисон и Аплин, 2007).

Поскольку данные ограничены, виды ионов в планетных атмосферах предсказываются путем моделирования, суммированного в Таблице 1. Атмосферы Земли и Венеры содержат электрофильные частицы и, следовательно, отрицательные кластерные ионы, тогда как на Нептуне и Уране ожидаются только свободные электроны, и Ожидается, что Марс и Титан будут содержать смесь электронов и отрицательных ионов. В зонде Гюйгенса 2005 года использовались химические и электрические инструменты для измерения атмосферных и поверхностных свойств, и он лучше ограничил состав положительных ионов Титана азотистыми частицами, такими как NH ₄ ⁺ (NH ₃ ) _n и HCNH ⁺ (HCN). ) _n (e.г., Аплин, 2008, 2013).

Физические свойства и актуальность

Присутствие ионов и / или электронов делает атмосферу слабопроводящей, с положительной (или отрицательной) проводимостью σ , связанной с объемной числовой концентрацией положительных (или отрицательных) ионов и / или электронов n и их средняя подвижность μ проще всего выражается как σ = ne μ.

Подвижность определяется как скорость иона в единичном электрическом поле и связана с массой (например,г., Таммет, 2012). Типичная подвижность земного поверхностного атмосферного кластерного иона составляет 10 ⁻⁴ м ² V ⁻¹ с ⁻¹ , а его размер составляет 0,5 нм. Таким образом, атмосферы, содержащие свободные электроны, на много порядков более теплопроводны, чем атмосферы, содержащие более массивные кластерные ионы. По этой причине вклады положительной и отрицательной проводимости могут быть неодинаковыми, см. Таблицу 1.

Ионы важны в физике атмосферы из-за их взаимодействия с аэрозолем (мелкими взвешенными частицами).Ионы прикрепляются к частицам аэрозоля и заряжают их, уменьшая проводимость воздуха. Заряд аэрозолей может изменить рост облаков и время жизни капель за счет таких эффектов, как повышение эффективности столкновения. Это может косвенно влиять на радиационный баланс планеты. Например, модели предполагают, что заряженный аэрозоль важен для роста частиц на Титане (например, Lindgren et al., 2017), а сильно заряженные аэрозоли в облаках Венеры могут сделать атмосферу достаточно проводящей, чтобы подавить молнию, ограничивая накопление заряд, необходимый для молнии (Michael, Tripathi, Borucki, & Whitten, 2009).

Ионы также могут способствовать росту аэрозоля (зародышеобразованию), что может повлиять на образование облаков, погоду и климат. В перенасыщенной среде, такой как камера Вильсона, конденсация на заряженных частицах усиливается (иногда называемая зародышеобразованием Вильсона в честь одноименной камеры Вильсона). На Земле концентрации водяного пара на два порядка недостаточны для того, чтобы произошло зародышеобразование по Вильсону, а роль нуклеации, индуцированной ионами, в изменении климата все еще горячо обсуждается.Заряд может способствовать зарождению (например, Hirsikko et al., 2011), но влияние на облака и климат еще предстоит полностью количественно оценить (например, Snow-Kropla et al., 2011; Pierce & Adams, 2009). В планетных средах зародышеобразование метана по Вильсону, вероятно, происходит на Нептуне (Moses, Allen, & Yung, 1992; Aplin & Harrison, 2016), Уране (Aplin & Harrison, 2017) и было предложено для серной кислоты Венеры (Aplin , 2006). Ионно-индуцированное зародышеобразование Вильсона также является единственным известным объяснением существования азотных ледяных облаков на спутнике Нептуна Тритоне (Delitsky, Turco, & Jacobson, 1990).

Измерения

Единственные измерения электрических свойств атмосферы планеты на месте были выполнены зондом «Гюйгенс» во время его спуска на поверхность Титана в январе 2005 года. Посадочный модуль содержал два типа приборов для измерения проводимости, релаксационный зонд и зонд взаимного сопротивления. Скорость перезарядки («релаксации») изолированного зонда, изначально установленного на фиксированный потенциал, связана с проводимостью воздуха. Зонд взаимного импеданса состоит из электродов, приводимых в действие переменным током, где взаимный импеданс (связанный с проводимостью) определяется отношением напряжения, измеренного на принимающем диполе, к току, подаваемому в среду соседним передающим диполем (Hamelin и другие., 2007). Релаксационный зонд может измерять более низкие удельные проводимости (и используется для наземных измерений (например, Aplin & Harrison, 2000), тогда как зонд взаимного импеданса чувствителен к более высоким проводимостям. Несмотря на потерю данных от релаксационного зонда, пиковая проводимость на Pfotzer- Максимум регенерации был зарегистрирован обоими приборами, что свидетельствует о согласованности друг с другом и с теорией.Злополучный спускаемый аппарат Скиапарелли на Exomars также включал релаксационный зонд для измерения атмосферного электрического поля и проводимости (Harrison et al., 2016). Оппортунистические измерения атмосферных ионов, проведенные электронным спектрометром на космическом корабле Кассини, показали, что массивные заряженные кластеры в верхних слоях атмосферы Титана были предшественниками его густой оранжевой дымки (Waite et al., 2007). Измерение кластерных ионов может быть возможным благодаря их свойствам поглощения инфракрасного излучения, хотя требуется работа, чтобы охарактеризовать сигнатуры каждого вида (Aplin, 2008; Aplin & Lockwood, 2015). Атмосферные электрические измерения были также предложены во время миссий к Венере (Chassefière et al., 2009) и внешних планет (Mousis et al., 2017).

Глобальные электрические цепи в планетных атмосферах

Первое предположение о ГЭЦ в атмосфере другой планеты было сделано в докторской диссертации Филлингима 1998 года (более недоступной, но упоминается в Aplin, 2006) и в журнальной статье (Farrell & Desch, 2001), в которых Марс определен как подходящий кандидат в GEC. Венера и Титан также были предложены в качестве возможных хозяев Солнечной системы для земного ГЭЦ (Аплин, 2006, 2013).Планета должна соответствовать всем следующим условиям (Aplin et al., 2008), чтобы иметь GEC:

•

верхний проводящий слой

•

сбросов или осадков, чтобы «зарядить» контур

•

протекание тока в хорошую погоду для «разряда» цепи

Aplin et al. (2008) рассмотрели оптимальные измерения для идентификации GEC и пришли к выводу, что резонанс Шумана (определенный в разделе «Методы наблюдений») будет наиболее полезным параметром.Для резонанса Шумана требуются как верхний, так и нижний проводящие слои и электрические разряды, хотя обнаружение резонансов Шумана все же не доказывает существование ГЭП. Примером этого является обнаружение резонансов Шумана на Титане, которые не вызваны электрическими разрядами (в соответствии с необнаружением молнии Титана, описанной в разделе «Сатурн»). Вместо этого считается, что они возникают в результате возбуждения ионосферы Титана магнитосферой Сатурна (Beghin et al., 2007). Несмотря на это, на Титане все еще может быть GEC, но вместо электрических разрядов капли метана могут заряжать цепь (см. Aplin, 2013 и ссылки в нем). Это похоже на Землю, где заряженный дождь может составлять около 10% зарядного тока GEC (Peterson et al., 2017). У Венеры также потенциально может быть GEC, как у Земли, но для этого потребуется молния, которая еще не определена однозначно (см. Раздел «Венера»).

Как было описано в первом разделе, GEC может связывать космическую среду с тропосферой планеты, привнося влияние космической погоды на планетную погоду с помощью механизмов, описанных выше.GEC непрерывно распределяет ионы по атмосфере, расширяя область их влияния на формирование частиц и химические процессы (см. Таблицу 1). Это может быть особенно важно на планетах, удаленных от Солнца, где электрические влияния на погоду и климат относительно более значительны.

Глобальная электрическая цепь Земли | Центр естественнонаучного образования UCAR

Кредит: Park St.Анимация, Тери Истберн (UCSE) и Исследовательская группа Frontiers of Earth System Dynamics (FESD)

Трудно постичь мир до того, как электричество было использовано для питания наших домов, улиц и городов более 100 лет назад. Правда в том, что электричество всегда было с нами; до конца 1800-х годов он был просто непривязан к человеческому замыслу. Он проходит через атмосферу так же верно, как электрические синапсы соединяют мысль с чувствами, а боль — с горячей печью в нервной системе нашего собственного тела.В атмосфере электрические токи собирательно называют Глобальной электрической цепью. Фактически, вспышка молнии — не единичное событие во время грозы. Это часть этой системы, которая распространяется по всей атмосфере Земли, создавая перепад потенциала от 200 000 до 500 000 вольт (от 200 до 500 кВ) между землей и ионосферой. Одни только грозы направляют в небо ток в 1 ампер (А). Но цепь проходит через атмосферу даже в ясную погоду, когда небольшой ток в 2 пикоампера (или 0.0000000000002 A) течет вверх с каждого квадратного метра земли.

Ученые давно интересовались пониманием различных частей Глобальной электрической цепи, но система обширна и изменчива во времени и пространстве. Понимание этого в целом только началось. Но это не значит, что ученые не изучали его различные компоненты и не пытались разобраться в них.

С 1909 по 1929 год Карнеги, яхта, которая была почти полностью немагнитной и с деревянным корпусом, проплыла учеными по всему миру — почти триста тысяч миль через океаны — тщательно обнаруживая и измеряя неизвестные тогда магнитные влияния в атмосфере .Многие рейсы Карнеги были частью программы Института Карнеги, которая включала амбициозные магнитные, электрические и океанографические исследования в сочетании с магнитными и электрическими исследованиями участков суши во многих частях мира. В конце концов, он тщательно обнаружил и измерил неизвестные магнитные влияния в атмосфере и дал ученым то, что все еще используется сегодня, под названием Кривая Карнеги, характерная универсальная вариация атмосферного электрического поля.

Сегодня ученые из Национального центра атмосферных исследований, Университета Колорадо, Университета штата Пенсильвания и других стран мира работают над тем, чтобы лучше понять глобальную электрическую цепь от ее наименьшего масштаба до самого большого и с большими отклонениями во времени.По мере того, как их понимание растет, их цель построить научную модель системы будет продвигаться вперед, что, в свою очередь, позволит еще больше экспериментировать и продвигаться в понимании этой сложной системы и ее связи с другими естественными системами. Узнайте больше об этом из аудиоинтервью профессора Джеффри Форбса, Exploring How the Lower Atmosphere Influences Space Weather, и дополнительных материалов для загрузки.

Трудно поверить, что более 250 лет назад Бенджамин Франклин подозревал, но не был уверен, что молния и электричество — одно и то же.Мы определенно прошли долгий путь, но когда дело доходит до электричества в атмосфере, верно и то, что нам еще многое предстоит узнать и открыть.

Учет атмосферного электричества в климатических моделях

Электричество проходит через атмосферу вокруг нас, отражаясь между поверхностью Земли и положительно заряженной ионосферой на высоте 100 километров над уровнем моря. Этот массивный набор электрических токов известен как глобальная электрическая цепь (GEC).Грозы издавна считались генераторами ГЭЦ; Фактически, наэлектризованные облака в атмосфере помогают поддерживать разность потенциалов между землей и ионосферой около 250 киловольт, или около 28000 9-вольтных батарей.

Сегодня глобальные климатические модели учитывают большинство атмосферных процессов, но глобальную электрическую цепь часто упускают из виду. Например, проводимость обычно увеличивается от поверхности Земли к ионосфере, но облака и аэрозоли могут нарушить проводимость и изменить схему.Современные климатические модели могут разрешать только конвективные системы, простирающиеся на сотни километров, тогда как отдельные облака и штормы обычно слишком малы, чтобы современные климатические модели могли их уловить.

Представление электрических процессов, происходящих в глобальной электрической цепи. На проводимость в атмосфере влияют механизмы образования и потери ионов, в то время как глобальное распределение наэлектризованных облаков поддерживает разность потенциалов между землей и ионосферой.Предоставлено: Эллисон Дин и Грег Лукас.

. Чтобы восполнить пробел, Лукас и др. создал трехмерную модель электрических полей и токов, циркулирующих в атмосфере, которую можно включить в Модель системы Земли Сообщества (CESM1). Здесь исследователи представляют новый метод, который они использовали для выяснения параметров атмосферной проводимости для климатических моделей путем оценки воздействия космических лучей, излучения радона на поверхность Земли, солнечной активности, облаков и аэрозолей на GEC.

Команда запускала модель в течение 30 дней, а затем проверила смоделированные электрические поля, сравнив их с данными наблюдений с двух полевых станций в Востоке и Конкордии, Антарктика — единственных полярных исследовательских станциях, где были доступны наборы долгосрочных данных.

Исследование показало, что в глобальном масштабе вариации магнитосферы — области, окружающей Землю, где магнитное поле планеты взаимодействует с солнечным ветром — имеют незначительный эффект, поскольку положительные и отрицательные потенциалы уравновешивают друг друга.Но локально влияние магнитосферы на атмосферные электрические токи может быть значительным. Анализ также показал, что модель и наблюдения были достаточно хорошо согласованы с точки зрения магнитосферных процессов. Однако электрические пики были немного больше в наблюдаемых данных, что позволяет предположить, что некоторая тонкая настройка все же требуется. Тем не менее, новая модель должна предоставить ученым широкие возможности для дальнейшей характеристики GEC и процессов, которые на него воздействуют, и, возможно, выяснить, как атмосферное электричество влияет на климат.( Журнал геофизических исследований: атмосферы, DOI: 10.1002 / 2015JD023562, 2015).

—Кейт Уилинг, писатель-фрилансер

Образец цитирования: Уилинг, К. (2016), Учет атмосферного электричества в климатических моделях, Eos, 97, doi: 10.1029 / 2016EO049811. Опубликовано 7 апреля 2016 г.

Текст © 2016. Авторы. CC BY-NC-ND 3.0
Если не указано иное, изображения защищены авторским правом. Любое повторное использование без специального разрешения правообладателя запрещено.

---

Атмосферное электричество: недооцененный метеорологический элемент, определяющий биологию и благополучие человека

Бернетт Р., Чен Х., Шишкович М., Фанн Н., Хаббелл Б., Поуп К.А. и др. (2018) Глобальные оценки смертности, связанной с долгосрочными последствиями. воздействие мелких твердых частиц на открытом воздухе. Proc Natl Acad Sci 115 (38): 9592–9597. https://doi.org/10.1073/pnas.1803222115

CAS Статья Google Scholar

Cavallo T (1776) Необычайное электричество атмосферы, наблюдаемое в Ислингтоне в октябре 1775 года.Phil Trans R Soc A 66: 407–411

Статья Google Scholar

Cifra M, Apollonio F, Liberti M, García-Sánchez T, Mir LM (2020) Возможные молекулярные и клеточные механизмы в основе биоэффектов атмосферного электромагнитного поля. Int J Biometeorol. https://doi.org/10.1007/s00484-020-01885-1

Кларк Д., Уитни Х, Саттон Дж., Роберт Д. (2013) Обнаружение и изучение электрических полей цветов с помощью шмелей.Science 340: 66–69. https://doi.org/10.1126/science.1230883

CAS Статья Google Scholar

Джуич М., Мандич Л.Дж., Петрович Дж., Драгович Р., Джорджевич М., Джокич М., Драгович С. (2020) Радон-222: поведение в окружающей среде и воздействие на (человеческую и нечеловеческую) биоту. Int J Biometeorol 18: 1–5

Google Scholar

Далибарт TF (1752) Memoire lu a l’academie des Sciences.Париж.

de Romas J (1753) Mémoire où après evoir donné un moyen aisé pour elever fort haut, et a peu de frais un corps électrisable isolé, по отчету о наблюдениях frappantes qui prouvent que plus le corps isolé est éuslevé de la terre, plus le feu d’électricité est abondant. Mem Acad, Bordeux

Demanèche S, Bertolla F, Buret F et al (2001) Лабораторные доказательства переноса генов в почве, опосредованного молниями. Appl Environ Microbiol 67: 3440–3444.https://doi.org/10.1128/AEM.67.8.3440-3444.2001

Статья Google Scholar

Fdez-Arroyabe PF (2015) Изменение климата, местная погода и индивидуализированные системы раннего предупреждения на основе биометеорологических индексов. J Earth Sci Eng 5: 173–181

Google Scholar

Fdez-Arroyabe PF, Kourtidis K, Haldoupis C, Savoska S, Matthews J, Mir LM, Kassomenos P, Cifra M, Barbosa S, Chen X, Dragovic S, Consoulas C, Hunting ER, Robert D, van der Велде О.А., Аполлонио Ф., Одзимек А., Чилингарян А., Ройе Д., Мкртчян Х., Прайс С, Бор Дж., Ойкономоу С., Бирсан М.В., Креспо-Факорро Б., Джорджевич М., Салсинес С., Лопес-Хименес А., Доннер Р.В., Вана M, Pedersen JOP, Vorenhout M, Rycroft M (2020) Глоссарий по атмосферному электричеству и его влиянию на биологию.Int J Biometeorol 6: 1–25. https://doi.org/10.1007/s00484-020-02013-9

Статья Google Scholar

Франклин B (1751) Письмо г-на Франклина г-ну Питеру Коллинсону, F.R.S., относительно эффектов молнии. Philos Trans R Soc Lond 1751: 289

Google Scholar

Хантинг Э.Р., Харрисон Р.Г., Брудер А., ван Бодегом П.М., ван дер Гест Х.Г., Кампфраат А.А., Форенхаут М., Адмирал В., Кузелл С., Гесснер М.О. (2019) Атмосферное электричество, влияющее на биогеохимические процессы в почвах и отложениях.Front Physiol 10. https://doi.org/10.3389/fphys.2019.00378

Hunting ER, Matthews J, de Arróyabe Hernáez PF, England SJ, Kourtidis K, Koh K, Nicoll K, Harrison RG, Manser K, Цена C, Dragovic S (2020). Проблемы связи атмосферного электричества с биологическими системами. 1–14. https://doi.org/10.1007/s00484-020-01960-7

Хантингтон Э. (1920) Контроль пневмонии и гриппа погодными условиями. Экология 1 (1): 6–23

Статья Google Scholar

König HL, Krueger AP, Lang S, Sönning W (eds) (1981) Биологические эффекты электромагнетизма окружающей среды, темы экологической физиологии и медицины.Springer-Verlag, New York, p 332. https://doi.org/10.1007/978-1-4612-5859-9

Книга Google Scholar

Куртидис К., Сабоне Андре К., Карагиорас А., Нита И.А., Сатори Г., Бор Дж., Кастелис Н. (2020) Влияние типов циркуляционной погоды на воздействие атмосферных электрических полей на биосферу. Int J Biometeorol: 1–3. https://doi.org/10.1007/s00484-020-01923-y

Криволуцкий Д.А., Покаржевский А.Д. (1992) Воздействие радиоактивных выпадений на популяции почвенных животных в 30-километровой зоне Чернобыльской АЭС.Sci Total Environ 112: 69–77. https://doi.org/10.1016/0048-9697(92)-O

Статья Google Scholar

Крюгер А.П., Смит Р.Ф. (1958) Влияние аэроионов на трахею живых млекопитающих. J Gen Physiol 42: 69–82 https://dx.doi.org/10.1085%2Fjgp.42.1.69

CAS Статья Google Scholar

Лемонье Л.Г. (1752 г.) Наблюдения за электричеством в воздухе.Mem Acad Sci 2: 233

Google Scholar

Lemström S (1890) Эксперименты с электрическим воздействием на овощи

Lodge O (1908) Электричество в сельском хозяйстве. Природа 78: 331–332. https://doi.org/10.1038/078331a0

Статья Google Scholar

Matthews JC, Ward JP, Keitch PA, Henshaw DL (2010) Возмущения градиента атмосферного потенциала, вызванные ионами короны, вблизи высоковольтных линий электропередачи.Атмос Энвирон 44: 5093–5100. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2010.09.007

CAS Статья Google Scholar

Молина-Гомес Н.И., Кальдерон-Ривера Д.С., Сьерра-Парада Р., Диас-Аревало Ю.Л., Лопес-Хименес, Пенсильвания (2020) Анализ влияния качества воздуха на здоровье человека: тематическое исследование взаимосвязи между концентрациями загрязняющих веществ и респираторные заболевания в Кеннеди. Bogotá Int J Biometeorol: 1–14. https://doi.org/10.1007/s00484-020-01955-4

Morley EL, Robert D (2018) Электрические поля вызывают у пауков вздутие живота.Curr Biol 28: 2324–2330.e2. https://doi.org/10.1016/j.cub.2018.05.057

CAS Статья Google Scholar

Николл К.А. (2012) Измерения атмосферного электричества на высоте. Surv Geophys 33: 991–1057. https://doi.org/10.1007/s10712-012-9188-9

Статья Google Scholar

Price C, Williams E, Elhalel G, Sentman D (2020) Естественные поля СНЧ в атмосфере и в живых организмах.Int J Biometeorol 8: 1–8. https://doi.org/10.1007/s00484-020-01864-6

Статья Google Scholar

Рианчо Дж., Де ла Торре Дж. Р., Паз-Фахардо Л., Лимиа С., Сантуртун А., Сифра М., Куртидис К., Фдез-Арроябе П. (2020) Роль магнитных полей в нейродегенеративных заболеваниях. Int J Biometeorol: 1–1. https://doi.org/10.1007/s00484-020-01896-y

Savoska S, Fernández-Arróyabe Hernáez P, Cifra M, Kourtidis K, Rozanov E, Nicoll K, Dragovic S, Mir LM (2020) К созданию онтологии связи атмосферного электричества с биологическими системами.Int J Biometeorol в печати

Schaller J, Weiske A, Berger F (2013) Thunderbolt в биогеохимии: гальванические эффекты молнии как еще один источник ремобилизации металлов. Sci Rep 3. https://doi.org/10.1038/srep03122

Wall S (1708) Эксперименты со светящимися качествами янтаря, бриллиантов и гуммилака. Phil Trans R Soc A 26: 69–76

Статья Google Scholar

Wilson CTR (1906) Об измерении потока Земля-воздух и о происхождении атмосферного электричества.Proc Camb Philos Soc 13: 363–382

Google Scholar

Wilson CTR (1920) Исследование грозовых разрядов и электрического поля гроз.

No related posts.