I. Одним из самых могущественных и важнейших атмосферных факторов, стоящим в тесной зависимости от периодической деятельности Солнца, является атмосферное электричество. Последнее, как известно, проявляется в явлениях двоякого рода: во-первых, статическим образом, в виде нормального электрического поля, постоянно существующего в атмосфере; во-вторых, в виде тихих или, наконец, в виде бурных разрядов, сопровождаемых молнией и громом.

Изучение атмосферного электричества началось с того времени, когда знаменитый американец Франклин (1706-1790) в июне 1752 г. впервые извлек электричество из воздуха при помощи высоко поднятого змея. В следующем году это явление было подвергнуто изучению русским академиком Рихманом (I7I1 - 1753), который поплатился за это жизнью. Он провел с крыши дома в свой кабинет изолированный железный шест, проводивший атмосферное электричество, напряжение которого он ежедневно замерял, и был убит молнией 6 августа 1753, г. во время своей работы. Вскоре после этих наблюдений было сделано открытие, что и при ясной погоде между землею и атмосферою имеется также разность потенциалов, хотя и несколько меньшая. Начиная с 1757 г. Беккариа (Beccaria) производил в Болонье наблюдения над этим явлением, называя его "электричеством хорошей погоды". Он употреблял для опытов металлический стержень,. который, присоединив сперва на короткое время к земле, соединял затем с электроскопом. Тотчас же начиналось медленное положительное заряжение стержня почти до постоянного значения. Таким образом, электроскоп показывал разность напряжения между острием стержня и землею. Из подобных наблюдений выяснилось, что при нормальном электрическом состоянии воздух как будто заряжен положительно по отношению к земле, и при этом тем сильнее, чем выше над землею помещается острие. Так, при расстоянии между острием и землею около двух метров отклонения электроскопа оказались вдвое большими, чем при расстоянии в метр.

Вслед за Пельтье (Peltier) было найдено много доказательств тому, что поверхность Земли, как суши, так и воды, имеет электрический заряд отрицательного знака, и причину этого явления стремится разрешить современная наука. Таким образом, в земном положения окружающих станцию предметов, характера местности, климата и общего влияния всех метеорологических факторов.

Ввиду того что электрическое состояние поля измеряется разностью потенциалов, то ученые прежде всего и обратили внимание на колебания разности, потенциалов определенных точек электрического поля атмосферы. По инициативе Экснера (Exner)падение потенциала выражают в вольтах на метр высоты вольт/метр. За среднее падение потенциала обычно принимают величину 100 вольт на 1 метр, называемую градиентом. Впрочем, величина градиента постоянно колеблется в ту и другую сторону в зависимости от самых разнообразных причин.

В умеренном поясе Северного полушария градиент электрического поля атмосферы больше всего зимою и меньше всего в начале лета. Приблизительно то же самое можно сказать и о годовом ходе градиента в Южном полушарии. Что касается суточного хода градиента, то последний может быть отчетливо разделен на два типа: в холодное время года (декабрь - январь) кривая колебаний градиента имеет глубокий минимум ранним утром (около 4 часов утра) и максимум после полудня. В более теплое время года (апрель-сентябрь) к указанному максимуму и минимуму, которые сохраняются и летом, присоединяется максимум перед полуднем и минимум в полдень, так что кривая суточного хода градиента приобретает явно выраженный двойной период. В остальные месяцы наблюдаются переходные стадии между обоими типами. Самым постоянным на всех кривых, полученных почти во всех местах земного шара и на различных высотах, является минимум в 4 часа утра по местному времени. По-видимому, он вызывается космической причиною - положением Земли относительно Солнца. Измерения напряжения электрического поля с высотою, произведенные с помощью воздушных шаров, принесли очень любопытные данные. Было найдено, что значения напряжения поля на первых тысячах метров высоты часто изменяются благодаря слоям пыли, тумана и облаков, в которых градиент меняется скачками под влиянием собственного заряда этих слоев. В более высоких слоях начинается быстрое уменьшение напряжения поля. На высоте 4-6 тысяч метров найдены значения градиента от 10 до 5 в/м. Для высоты 1000 метров можно принять напряжение равным около 25 в/м. Следовательно, необходимо допустить, что положительные объемные заряды атмосферы сосредоточены в ее нижних слоях до 5000 метров высоты. Зная скорость изменения градиента с высотою, можно на основании уравнения Пуассона (Poisson) из теории потенциала вычислить плотность заряда единицы воздуха. Тогда для слоев атмосферы от 1000 до 5000 метров средняя объемная плотность окажется равною 0,2*10 -9 электростатических единиц (в кубических сантиметрах).

Из постоянного возрастания по мере поднятия вверх градиента электрического поля атмосферы, по крайней мере до известной высоты, следует, что электрические силы в этом поле постоянно направлены вниз. Вследствие отрицательного заряда Земли и свободных положительных и отрицательных зарядов в атмосфере в последней имеют место постоянные электрические токи. Носители положительного электричества стремятся к Земле и отдают ей свои заряды, отрицательно заряженные частицы движутся от Земли кверху. Возникающий таким образом электрический ток Гердиен (Gerdien) назвал нормальным вертикальным током проводимости. Благодаря этим восходящим и нисходящим вертикальным токам потеря отрицательного электричества, испытываемая Землею в одних местах, восполняется в других. Если бы потеря эта не возмещалась, Земля через два часа разрядилась бы совершенно. Следовательно, мы должны представить себе, что во всей атмосфере существует постоянная циркуляция электрических токов, направленных в одних местах снизу вверх, а в других - сверху вниз. В образовании такого рода восходящих и нисходящих токов должны играть важную роль также восходящие и нисходящие течения воздушных масс, обусловленные неодинаковыми нагреваниями земной поверхности и прилежащих к ней воздушных слоев. Ввиду того, что в природе возможны лишь замкнутые электрические токи, необходимо заключить, что вышеописанные вертикальные токи в атмосфере должны замыкаться горизонтальными, слагающимися как в самой Земле и на ее поверхности, так и в верхних разреженных слоях атмосферы. Горизонтальная составляющая токов, идущих в самой Земле, может нам послужить в свою очередь для объяснения земных электрических токов, природа которых до сих пор считается не вполне выясненной.

II. Циркуляция электрических зарядов в атмосфере и земной коре представляет собою в совокупности сложную систему замкнутых токов хотя весьма слабого напряжения, но обтекающих громадные площади и потому способных оказывать заметное действие на магнитную стрелку. Действительно, можно указать на связь электрического вертикального тока в атмосфере с колебаниями земного магнетизма. В суточном ходе этих явлений имеется известное соотношение, на что и было указано Гоккелем (Goekel) в 1912 г. Одновременные электрические и магнитные регистрирования в Потсдаме дали среднем одинаковые колебания вертикального. тока в атмосфере, горизонтальной и вертикальной составляющих силы земного магнетизма. Кроме того, земные электрические токи находятся в связи электрическим током из воздуха в землю. Так, например, суточные изменения вертикального тока в Потсдаме идут параллельно изменениям земного тока в длинных линиях (кабелях), как это было установлено Вайнштейном (Wеinstein). Таким образом, колебания вертикального тока, а следовательно, и градиента почти всегда сопровождаются колебаниями земных токов. Этот характер электрического поля атмосферы дает нам определенное представление о размещении в нем электрических масс. Мы должны принять, что вся Земля заряжена отрицательным электричеством; в самых нижних слоях атмосферы, вероятно, преобладает также некоторый избыток отрицательных зарядов, в то время как ее верхние слои должны содержать в себе избыток положительного электричества. При этом, однако, сумма всех отрицательных зарядов в Земле и атмосфере должны равняться сумме положительных зарядов в атмосфере, поэтому вся Земля как небесное тело представляется электрически нейтральной. Очень долгое время не было ничего известно о том, в каком отношении стоит величина градиента электрического поля атмосферы к колебаниям в солнцедеятельности. Между тем вопрос этот представляет существенную важность в понимании многих электрометеорологических явлений. Тот факт, что между величиной градиента атмосферного электричества и состоянием пятнообразовательного процесса существует прямое соотношение, был впервые замечен Вислиценусом (Wislizenus) на основании наблюдений в Сент-Луи в период 1861-1872 гг. Затем последовала работа Хрии (Chree), который на основании наблюдений в Кью, близ Лондона, за промежуток времени с 1898 по 1904 г. нашел обратную зависимость между этими двумя явлениями, а именно: в годы минимума солнцедеятельности градиент атмосферного электричества оказался повышенным.

Блестящими работами в данном направлении необходимо признать многолетние исследования директора Отделения земного магнетизма Института Карнеги американского ученого Л. Бауэра (L. Bayer), которому удалось установить ряд интереснейших соотношений между пятнообразовательным процессом, атмосферным электричеством, земными электрическими токами и земным магнетизмом за большой промежуток времени. На основании тщательного изучения всех собранных сведений о состоянии атмосферного электричества за семь периодов пятнообразования, т. е. начиная, приблизительно с середины прошлого века, Бауэр приходит к следующим главным заключениям:

1.Имеется весьма высокая степень вероятности, что градиент атмосферного электричества и его суточные и годичные вариации, а также воздушно-земные токи находятся под влиянием пятнообразовательного процесса. Что касается вопроса о зависимости электропроводности атмосферы от внеземных влияний, то из-за недостаточности материалов он не может быть точно разрешен.

2. Влияние воздействия солнечных пятен на градиент атмосферного электричества и на его суточные и годовые колебания выражается приблизительно таким образом, что при увеличении относительных чисел солнечных пятен на 10 влияние их увеличивается на 3%.

Таким образом, при изменении относительного числа солнечных пятен на 90 между минимумом и максимумом солнцедеятельности изменения в градиенте атмосферного электричества и в его уточных и годичных колебаниях достигают 30%.

3. В течение пяти из семи последних периодов солнцедеятельности градиент и его изменения вообще совпадали с соответствующими изменениями в пятнообразовательном процессе. В течение же двух периодов солнцедеятельности градиент и его вариации показали подъем во время падения пятнообразования.

4. Коэффициент, выражающий численные отношения между пятнообразованием и изменениями в градиенте атмосферного электричества и его суточных и годичных колебаниях, меняется в течение года и солнечного цикла таким же образом, как меняется коэффициент, выражающий численные отношения между пятнообразовательным процессом и изменениями в земном магнетизме.

5. Атмосферное электричество и ряд других связанных с ним явлений (земной магнетизм, теллурические токи, северное сияние и т.д.) претерпевают в течение года двойную периодичность: максимум явления приходится на время равноденствия (март и сентябрь), минимум - на время солнцестояния (июнь и декабрь).

Все эти заключения Бауэра, полученные в результате...
 
   Читать далее >>