L'électricité atmofera. Rayons et autres

1993/10/01 Etxebarria, Jose Ramon Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Fisika
• Klima

Dans cet article et dans le « Que faire en cas de tempête ? » qui apparaîtra dans le prochain numéro, nous analyserons ce phénomène typique de la nature.

Lors de l'analyse de l'électricité dans l'atmosphère, nous nous référerons à une phénoménologie encore inconnue, dans laquelle apparaît l'une des lacunes de cette soi-disant ignorance des physiciens. À mon avis, du point de vue de l'enseignement, il est intéressant de le faire pour se référer consciemment aux limites de la connaissance, car à plus d'une fois les élèves considèrent la connaissance de la physique comme quelque chose de fait et de fini. D'autre part, lors de l'analyse théorique de la physique dans les matières de la faculté, nous sommes habitués à utiliser des modèles simplifiés et, par exemple, dans le domaine de l'électricité sont généralement considérés comme des conducteurs sphériques ou cylindriques, ou des courants linéaires. En outre, pour la simplification du modèle mathématique, on analyse souvent des corps finis ou des formes géométriques très simples, souvent avec des symétries géométriques, ce qui facilite grandement les calculs.

Cependant, les phénomènes qui apparaissent dans la réalité sont généralement beaucoup plus compliqués et les corps ne doivent pas avoir des formes géométriques connues et symétriques. Il en est de même pour les phénomènes atmosphériques, qui sont très compliqués et qui s'éloignent de modèles mathématiques simples. Dans plus d'une occasion, nous sommes seulement en mesure de faire une explication qualitative approximative des phénomènes dans ces cas. De ce type est, par exemple, le problème que nous avons avec certains phénomènes électriques dans l'atmosphère, et plus précisément en ce qui concerne les rayons qui se produisent dans les attaques de tonnerre.

Dans ce travail, en partant du souvenir historique de l'étude du sujet, nous essaierons de réaliser une analyse de certains des principaux phénomènes électriques qui ont lieu dans l'atmosphère, mais conscient qu'ils ne sont pas encore entièrement compris.

Souvenir historique

La peur et la panique des attaques de tonnerre et des conséquences des rayons ont toujours été l'humanité. On peut citer à cela les mythes de nombreux pays, dans lesquels apparaît souvent le dieu des rayons de grande puissance brisante. Cependant, les mythes nous donnent une explication inadéquate pour la physique.

La référence et l'étude scientifique de la relation entre les rayons et l'électricité est une question des derniers siècles, depuis que des questions liées à l'électricité ont été étudiées. La première mention de cette connexion a été faite par WALL (1708), qui, après avoir observé les cascades et les illuminations entre ses doigts et l'ambre chargé, a suggéré «qu'ils représentaient apparemment le processus des tonnerres et des rayons». Plus tard, le scientifique GRAY (1735) a exposé une opinion similaire sur l'observation du feu électrique, et winkler (1746) a fait une comparaison détaillée entre l'arc électrique et la décharge de foudre.

Les premières expériences sur l'électricité des nuages de tonnerre ont été faites vers 1750. À cette époque, il avait déjà inventé le pot de Leyden, qui servait à stocker et stocker la charge électrique, et Franklin a essayé d'obtenir de l'électricité des nuages de tonnerre, isolant un point du sol dans une ancienne tour. Bien que le nom de Franklin nous soit arrivé, il semble que le premier à l’obtenir soit D’ALIBARD (1752), isolant pour cela le long bâton de fer (~ 13 m) avec une bouteille de verre et maintenant les supports en bois (le jour des résultats positifs était de 1752-V-10).

Un mois plus tard, Franklin a effectué le test avec un cerf-volant qui a également obtenu des résultats positifs. De là, d'autres expériences sont arrivées jusqu'à l'invention du paratonnerre. Il faut dire qu'il n'y a pas eu un accident grave, car dans tous les cas les sources de courant étaient les locaux de décharge des petites régions de nuages et non les vrais rayons. Il n'en fut pas de même en 1753 à Saint-Pétersbourg, où le professeur RICHMANN mourut en attrapant le véritable rayon au conducteur de son expérience.

Potentiel électrique dans l'atmosphère

Commençons par présenter les résultats des mesures de l'électricité atmosphérique. Compte tenu des valeurs moyennes, sur un territoire plat ou sur la mer, lorsque le potentiel électrique de champ augmente, avec un gradient d'environ 100 V/m. La valeur du champ électrique E est de 100 V/m, avec direction verticale et sens descendant.

Comme on peut le voir dans la figure, la surface terrestre se comporte comme un conducteur, avec une charge négative, formant une surface équipotentielle et le reste formant des sphères concentriques voisines. Cependant, lorsque la surface présente des irrégularités (ou des personnes), les déformations apparaissent dans le schéma ci-dessus. En fait, dans notre cas, il peut être intéressant d'analyser ce qui se passe. À première vue, comme indiqué ci-dessus, nous pouvons penser qu'il y a une grande différence de potentiel entre nous-mêmes et les pieds (~ 170 V en fonction de la hauteur de la personne). Mais les choses ne passent pas ainsi. En réalité, le corps humain est un conducteur suffisant, donc en contact avec le sol il y a une tendance à atteindre le même potentiel, c'est-à-dire à former une surface équipotentielle avec la surface terrestre. Par conséquent, la surface équipotentielle environnante est déformée, comme le montre la figure 2.

Dans ce travail, nous ne parlerons pas des méthodes de mesure du champ électrique atmosphérique, pour ce que nous pouvons partir de la référence. Cependant, en remontant vers le haut cette zone est de plus en plus lente, étant très petite à atteindre 50 km. En principe, le potentiel augmente jusqu'à cette hauteur, avec une différence de potentiel entre les points locaux et superficiels de 400.000 V, comme le montre la Figure 3. Selon votre schéma, nous pouvons considérer comme une couche supérieure positive et la couche inférieure comme négative.

Cependant, comme nous le verrons dans le paragraphe suivant, il existe un courant vertical qui, compte tenu de la totalité de la Terre, vaut dans sa totalité 1.800 A. Par conséquent, on peut penser qu'avec le temps il y aura une décharge de la couche supérieure et que finalement les deux potentiels seront égalés. Mais les choses ne sont pas ainsi, et cette différence de potentiel est assez persistante, malgré les quelques incidences. De plus, ces incidents ont une grande régularité avec une fréquence d'une journée. En fait, les mesures mondiales indiquent que l'évolution moyenne du champ électrique tout au long de la journée est indiquée dans la figure 4. Comme vous pouvez le voir, la valeur maximale est de ± 15%, mesurée à 7 heures et le minimum à 4 heures du matin (heure de Greenwich). Le plus important est peut-être de savoir que dans n'importe quelle région de la Terre on obtient des résultats similaires, à la même heure qu'à Greenwich.

Conductivité électrique de l'air. Courants électriques dans l'atmosphère

Bien que l'air soit isolant en lui-même, les mesures dans l'atmosphère indiquent qu'en plus du champ électrique, il existe un courant en direction verticale, sa densité de courant étant très faible (de l'ordre de 10-12 A/m2). D'où vient cette conductivité ?

En fait, il existe plusieurs ions dans l'air, formés par différentes origines. En définitive, deux sont les principales façons de produire des ions dans l'atmosphère. Ce qui a d'abord été compris est par radioactivité. Sur la surface terrestre et dans la poussière atmosphérique il y a un certain nombre d'éléments radioactifs naturels, et les particules de grande énergie qui sont générées dans leur désintégration ont la capacité d'ioniser des molécules d'air. Cependant, l'ionisation par éléments radioactifs est de plus en plus faible avec la hauteur, puisque la plupart des radio-isotopes se trouvent dans le sol ou dans la poussière environnante. Cependant, les mesures en ballon indiquent que l'ionisation par unité de volume augmente en fonction de la hauteur.

Ces mesures sont XX. Ils ont eu lieu dans les vingt premières années du XXe siècle et ont surpris les physiciens, qui, sans explication adéquate, croyaient que ce devait être le contraire. L'explication est venue de la main d'un nouveau phénomène inconnu, la découverte des rayons cosmiques. Aujourd'hui, nous savons que les rayons cosmiques proviennent de l'extérieur de la Terre et plus ils montent dans l'atmosphère, plus leur influence est ressentie. Ainsi, les rayons cosmiques sont l'autre moteur de la formation continue des ions et la cause que leur nombre est plus grand et plus grand.

Il convient aussi de faire une observation sur la nature des ions. D'une part, nous avons les ions créés par ionisation des molécules d'air, que nous pouvons appeler des ions “petits”, mais il faut aussi tenir compte d'autres. Ils flottent également de la poussière ou des impuretés dans l'air, qui peuvent également être chargées en formant des ions « grands ». Par exemple, pour la cause des vagues de la mer, des gouttes d'eau très petites peuvent arriver à l'atmosphère qui, en s'évaporant, peuvent rester de petits cristaux de NaCl flottant dans l'air. Chargés de ce type de cristaux, nous avons quelques «grands ions». Bien sûr, les petits ions se déplacent beaucoup plus vite que les grands ions.

En tout cas, la conductivité de l'air, basée sur la mobilité des ions, est augmentée en fonction de la hauteur de la surface terrestre, pour deux raisons consécutives. Tout d'abord, parce que l'ionisation causée par la cause des rayons cosmiques augmente en fonction de la hauteur et, deuxièmement, parce que la densité diminue, parce que les voies interceptives des ions augmentent, augmentant la conductivité.

A 50 km de hauteur, il existe une grande conductivité qui peut être assimilée en pratique à celle d'un conducteur dans cette couche. A partir de cette hauteur, nous pouvons considérer que la surface potentielle n'est pas altérée, comme indiqué précédemment dans la figure 3. Comme note, malgré un degré élevé d'ionisation, il ne faut pas mélanger cette couche avec l'ionosphère dite. L'ionosphère commence à environ 100 km de haut, étant la principale génération d'ions locaux de la photoélectricité produite par les rayons solaires, et avec une caractéristique curieuse la réflexion des ondes radio, ce qui permet la propagation des émissions de radio, qui permet de conduire les ondes radio. En tout cas, en revenant à la couche d'environ 50 km, la conductivité élevée en direction horizontale nous place dans la compréhension de l'uniformité à travers la Terre montrée dans la figure 4, considérée comme une couche conductrice de tout le globe terrestre, car elle tend à égaler rapidement le potentiel.

Cependant, bien que nous ayons clarifié en quelque sorte le pourquoi de l'uniformité du potentiel, il n'a pas encore été expliqué. En particulier, comme indiqué ci-dessus, bien que la densité de courant vers la surface terrestre soit très faible, puisque sa surface est très élevée, le courant moyen de la couche supérieure à la surface terrestre est d'environ 1.800 A. Ainsi, avec une différence de potentiel de 400.000 V, nous avons une puissance continue d'environ 720 MW. Une question peut nous venir tout de suite. Si ce courant continue à fonctionner sans renouvellement, la charge de la couche supérieure disparaîtrait bientôt, paralysant le processus. Comment est-il possible de ne pas télécharger le calque supérieur ? Où est la “machine” ou “batterie” qui maintient le processus en fonctionnement continu? Selon les théories existantes, la surface (+)/couche supérieure (-) semble constamment recharger le système, étant l'axe et l'essence du processus de charge dans les rayons de tonnerre.

Processus de charge par rayon

Selon les mesures effectuées, pendant la chute des rayons, des charges négatives sont transférées à la surface terrestre dans la plupart des cas (neuf sur dix). Ainsi, en raison des agressions de tonnerre qui se produisent tout au long de la planète Terre, la surface terrestre est constamment chargée avec un courant moyen de 1.800 A, charge qui est constamment en cours de téléchargement tout au long de la journée dans des régions de beau temps, avec une densité de courant approximative de 10-12 A/m2 mentionnée ci-dessus, gardant un équilibre quotidien (avec des montées selon le processus décrit dans la figure 4).

Combien d'attaques de tonnerre se produisent dans le monde? Il n'est pas facile de donner des données concrètes à ce sujet, notamment parce qu'il n'est pas possible de faire une observation directe dans la plupart des régions, comme dans les mers qui couvrent la majeure partie de la surface terrestre. Par ailleurs, la plus grande intensité des attaques de tonnerre dans les régions tropicales est connue. Dans tous les cas, des estimations de différents types ont été faites, selon lesquelles sur toute la Terre tombent environ 100 rayons en moyenne par seconde, étant sa plus grande activité vers 7 heures (heure de Greenwich), selon l'explication de la figure 4 ci-dessus. Apparemment, en effectuant chaque rayon dans 20 Coulomas environ, vous pouvez expliquer la valeur du courant de charge du système.

Remarque: Pour voir les images au format PDF.