Eksperimenti Bendžamina Frenklina 1752. godine „dobijanjem svetlosti iz oblaka“ pomoću zmaja, smatraju se začecima proučavanja atmosferskog elektriciteta. Termin „atmosferski elektricitet“ označava ranije napore u izučavanju uglavnom elektrostatičke komponente geomagnetnog polja. S obzirom da je vazduh električno provodan, električno polje u atmosferi ne može biti održivo kontinualno, već mora biti generisano neelektričnim silama. Tri izvora niskofrekventnih elektromagnetnih talasa učestvuju u ovome:
1. Oluje i s njima povezane pojave u donjim slojevima atmosfere,
2. Povezanost vetrova nastalih plimom sa jonosferskom plazmom u višim „dinamo“ slojevima atmosfere,
3. Interakcija solarnih vetrova sa magnetosferom
Ova polja prodiru u jonosfreru i podstiču električna kretanja u dinamo regionu od koje je samo magnetna komponenta detektujuća na zemlji. Kao dodatak, nestabilnosti u magnetosferi jesu razlog elektromagnetnim talasima na frekvencijama koje variraju između 0,1mHz do kHz opsega i iznad (geomagnetne oluje, geomagnetne pulsacije, i prirodna ELF, VLF i LF buka).
Atmosfera je električno provodljiv medijum u kojem struja protiče usled električne jonizacije oko zemlje. Zemljina kora sadrži radioaktivne materijale, uglavnom uranium, torium i njihove produkte poluraspada. Beta i Gama talasi emitovani iz zemlje, mogu jonizovati molekule vazduha u prvih nekoliko metara iznad zemlje. Gas Radon, koji je jedan od poluraspadnih produkata Uraniuma 238, može doseći veće visine, sve do nekoliko stotina kilometara pre no što njegov raspad izazvoe pretvaranje u Polonium, u koji se pretvara emitujući alfa čestice. Radon je shodno tome osnovni izvor jonizacije u prvih nekoliko stotina metar iznad zemlje. Naredni izvor jonizacije jesu galaktički kosmički zraci sa maksimumom srednje visine od oko 15km.
Solarno X zračenje i ekstremno snažna ultraljubičasta radijacija, jesu izvori jonizacije na visinama iznad 60-70km, sa odnosima zavisnim od geografske širine, doba dana, godišnjeg doba i solarne aktivnosti. Tokom veoma intenzivnih solarnih eksplozija, solarni protoni kosmičkih talasa mogu značajno pojačati nivo jonizacije u atmosferi. Solarna radijacija je odgovorna za formiranje različitih jonosferskih slojeva snažnog intenziteta.
Na visini od oko 100km, elektroni se povijaju pod pravim uglom u odnosu na zemljino magnetno polje dok se joni kreću u pravcu zemljinog polja. Ova oblast naglog pojačanja naponske amplitude, naziva se „dinamo oblast“ gde postoji pojas provodljivosti paralelan sa tlom, duž linija geomagnetnog polja električnog ekvipotencijala. Pravac geomagnetnog polja, menja se od horizontalnog na ekvatoru, do vertikalnog na magnetnim polovima. S obzirom da vertikalni napon ne može pobeći izvan dimano regiona, stvara se polarizacioni naboj na obe granice dinamo oblasti, izazivajući vertikalno električno polarizaciono polje u interakciji sa tlom. Pojačanje električnog napona na geomagnetnim ekvatorima, stvara se upravo u ovoj dinamo oblasti.
Oluje se ponašaju poput baterija koje su spojene jednim svojim krajem ka visoko provodljivoj jonosferi, a drugim krajem za zemlju kroz jedva provodljivu, nisku i srednju atmosferu. Pasivni električni kontinualni napon koji se kreće izvan oluje prema zemlji, jeste deo globalnog električnog kola. U mirnom vremenu, u oblastima daleko od oluja, možemo izmeriti silazni jednosmerni napon za koji se veruje da je pogonjen globalnom olujnom aktivnošću. Ovaj napon je neverovatno konstantan sa visinom. Uobičajeni potencijal između zemlje i jonosfere je 240kV (240.000V), ali varira između 180kV i 400kV. Električno polje na zemljinoj površini, usmereno je uvek pod pravim uglom u odnosu na tlo. Ovo govori da se zemljina površina ponaša kao električni ekvipotencijalni sloj za konstantna električna polja sa većom električnom gustinom na većim visinama oko površine zemlje. Generisanje napona na određenom prostoru pri zemlji, rezultat je „efekta elektrode“. Negativni joni skreću prema gore, a pozitivni joni suprotno, pod uticajem vertikalnih električnih polja.
Tipični olujni oblaci jesu konvektivni kumulo-nimbusi sa snažnim usponim i nisponim strujanjima. Većina, iako ne svi, akumuliraju pozitivni električni potencijal u gornjim, a negativan u donjim slojevima oblaka. Električna polja ovih napona postaju dovoljno velika da potpuno preokrenu polje mirne atmosfere iznad i ispod oblaka i da generišu električna polja koja mogu održati negativni naboj zemlje i protiv stanja mirnog vremena koje vlada oko njih. Oko 2000 oluja je aktivno na planeti u svakom trenutku. Mogli bismo ih nazvati „srcem planete“, koje reguliše pravilan protok električnog fluida neophodnog za život.
Maksimalni intenzitet napona je u poslepodnevnim satima; globalna meteorološka aktivnost pokazuje zavisnost od globalnog vremena sa maksimalnom aktivnošću koja nastaje oko 18:00h. Kada su recimo veliki kontinentni kao što su Afrika i Južna Amerika pod sunčevom aktivnošću, oba doživljavaju naponski pik koji se prenosi i na druge delove planete.
Druga vrsta napona kreće se kroz zemljinu površinu. S obzirom da se olujni maksimalni nivo očituje na niskim geografskim širinama poslepodne i uveče, ovi naponi moraju biti usmereni duž ekvatora, a prema polovima tokom noći. Ovi naponi su relativno plitki, površinski fenomeni. Intenzitet jeste odgovarajuć za snabdevanje kretanja globalnog napona mirnog vremena prema bazama oluja. Električni napon kreće se između hemisfera u svako doba, a gustina napona na određenoj lokaciji je direktna funkcija interhemisfernih napona i njihovih potencijalnih gradijenata.
Električno pražnjenje nastaje u oblastima gde elektično polje pređe 400kV/m. Pražnjenje prema zemlji je redovno negativno po polaritetu, a nastaje preskakanjem električne varnice sa donje strane oblaka prema zemlji i shodno tome je deo globalnog električnog kola. Svako pražnjenje je sastavljeno od više simultanih pražnjenja. Trajanje jedne varnice je obično 1/3 sekunde, a naziva se „odblesak“. Zasebne komponente pražnjenja, svaka trajanja nekoliko desetina mili-sekundi, naziva se „udarac groma“. Svakom udarcu groma, prethodi predpražnjenje: „lider“, koji proizvodi negativno naelektrisan jonizovan put između oblaka i zemlje, koji će elektroni slediti. Korona, koja nastaje na oko 1m u prečniku, stvara visokoprovodljiv kanal. Kada se lider približi na 5 do 50m iznad zemlje, pozitivno naelektrisano strujanje sa nekog dela zemlje, polazi prema nebu i susreće se sa liderom, te započinje povratni udarac, koji putuje ostvarenim tunelom koji je stvorio lider. Negativni naboj u kanalu ostaje bliže zemlji. Povratni udarac groma je kretanje fronta svetlosnog talasa elektrona prema gore, brzinama koje su približno 0,1 do 0,3 brzine svetlosti i sa naponom amplituda od 10 do 100kA u trenutku od nekoliko desetina mikrosekundi. Posledični povratni udarac sledi sa prosekom od dve ili tri munje, koje nastaju tokom jednog bljeska, do čak 26 koliko je detektovano često tokom oluja. Kontinualna struja od preko 100A protiče između zemlje i do negativno naelektrisanog dela oblaka u tom jednom intervalu povratnog udarca.
Svetleći efekti nastaju na temperaturama koje prelaze 10.000 stepeni Kelvina. Vidljivi spetar udarca groma sastoji se uglavnom od neutralnih emisija azota i kiseonika. Temperatua u povratnom udarcu doseže 30.000K a pritisak u kanalu može preći 106Pa. Shodno tome, oko udarca groma, stvara se „šok-talas“ koji se kreće brzinom od 3km/s. Ova brzina naglo opada kako se šok-talas širi. Akustični efekat šok talasa, čuje se kao grmljavina koja putuje brzinom zvuka (priblino 330m/s). Maksimalna spektralna amplituda signala groma je 100Hz. Srednja vrednost udaraca groma po površini planete se procenjuje na oko 100 u sekundi. Ovi udarci groma generišu radio talase na širokom spektru frekvencija.
Ovi kanali kojima se kreću elektroni na svom putu između oblaka i zemlje, jesu ogromne antene koje zrače elektromagnetnu energiju. Ovi prirodni impulsni signali na frekvencijama ispod 100kHz nastaju iz koherentno električnih struja u električnom protoku između oblaka i zemlje i zovu se „atmosferici“. Ovi signali su odašiljani u prostoru između jonosfere i zemlje. Ova zemaljska „šupljina“ shodno tome ima dva „prozora“ maksimalne aktivnosti: jedna u ELF opsegu (ekstremno niske frekvencije), a druga u VLF (veoma niskim frekvencijama). Brzina faze pojedinih modova slabi pojačavanjem frekvencije i veća je od brzine svetlosti u VLF opsegu. Transmisiona funkcija zemaljskog talasnog provodnika ima prozor na ekstremno niskim frekvencijama i impulsima koji sadrže značajne spektralne amplitude i u tom opsegu, mogu se primati širom planete gde se talasni provodnik ponaša kao prirodni rezonator. Na ELF opsegu nastaje rezonansa za talase koji su horizontalnim talasnim dužinama, višestruko veći od zemljinog obima. Spektralni signali groma su pojačani na ovim frekvencijama. Aktivnost „Šumanove rezonanse“ reflektuje globalna električna pražnjenja sa maksimalnom aktivnošću koja se dešava između 16:00h i 20:00h.
Drugi generator elektromagnetne energije u atmosferi je jonosferski dinamo. Namotaji dinama su električno provodljiva atmosfera koji se nalazi u oblasti između 80 i 200km. Sila koja ga pogoni jeste plimski vetar koji pokreće jonosfersku plazmu protiv geomagnetnog polja i indukuje električno polje i napon. Manifestacije električnog napona na zemlji su regularne varijacije geomagnetnog polja koje zavisi od solarnog i lunarnog dana.
Solarni plimski vetar je pobuđen solarnim diferencijalnim zagrevanjem atmosfere koja je praćena promenama atmosferskog pritiska i temperature tokom dana i noći. Osnovni period solarnih plima jeste „solarni dan“. Osnovna talasna dužina, jeste veličina zemlje. Modovi plimskog talasa su shodno tome zavisni od sferične i rotirajuće zemlje. U donjoj i srednjoj atmosferi, putujući talasi transportuju energiju i pogone jonosfersku plazmu u dinamo regionu tako da dolazi do horizontalnog kretanja elektriciteta. Razlike u električnom potencijalu stvara električno polarizovano polje, a magnetno polje generisano ovim naponom može se izmeriti na zemlji kao varijacije pridodane na geomagnetno polje zemljine unutrašnjosti. Kao dodatak, atmosferske lunarne plime su pobuđene gravitacionom silom koju Mesec odražava na zemlji. Njegov pritisak na zemlji je dvadeset puta manji od solarnih plima, pa ipak se sa sigurnošću može reći da lunarna plima indukuje električni napon u dinamo regionu.
Naponska konfiguracija je fiksirana na suncu, dok se zemlja kreće ispod njega, sa ukupnim protokom od oko 140kA struje. Rotacioni napon i provodljiva zemlja ponašaju se kao ogroman transformator sa dinamo regionom kao primarnim namotajem, a električno provodnom zemljom kao sekundarnim namotajem. S obzirom da napon u primaru varira sa periodom rotacije zemlje, električna struja se indukuje u zemljinu unutrašnjost i ovi sekundarni naponi se nadograđuju na megnetno polje dinamo struja. Sekundarni napon ima amplitudu 1/3 od one u primarnom. Električna polarizacija napona polja i plimskih vetrova ima primarno istočno-zapadnu komponentu na ekvatoru. Ove polarizacione promene proizvode vertikalno električno polje na ekvatoru, a shodno tome pojačavajući ukupnu struju u okolini, te shodno tome, proizvode i istočno-zapadno kretanje struja između jutarnjih i ranih poslepodnevnih sati.
Treći izvor elektromagnetne energije u atmosferi je magnetosferski hidromagnetni dinamo. Ravnomeran fluks čestica niske energije polazi sa sunca, a naziva se „solrani vetar“. Brzina solarnog vetra varira iznmeđu 300 i 900km/sec. Broj čestica u solarnom vetru smanjuje se obrnuto proporcionalno heliocentričnoj distanci i daje vrednost od 106 do 107 po kubnom metru u blizini zemlje. Magnetno polje sunca, pruža povremene fluktuacije i promene u polaritetu unutar solarnog vetra sa dobro poznatom dvadesetdvogodišnjom pojavom sunčevih pega. Oblast podele između linija sile usmerenih od sunca i onih usmerenih ka suncu, naziva se „interplanetarna neutralna granica“. Ova granica ima talasnu prirodu, kroz koju zemlja orbitira. Zemlja prolazi kroz dva ili četiri sektora suprotnog polariteta interplanetarnog magnetnog polja tokom jedne rotacije sunca, periodom od oko 27 zemaljskih dana.
Plazma solarnog vetra ne može se probiti direktno kroz zemljinu atmosferu. Ona zaobilazi geomagnetno polje i stvara - magnetosferu. Granica ove magnetosferske šupljine, zove se „magnetopauza“, a što je spoljašnji region geomagnetnog polja. S obzirom da je solarni vetar supersoničan, šok front formira se na razdaljini od nekoliko zemaljskih prečnika, ispred subsolarnog fronta. Solarni vetar je homogena, potpuno jonizovana, slabo magnetična, unidirekcionalna plazma. Geomagnetno polje okruženo plazmom solarnog vetra, je shodno tome kompresovano u šupljini, a električni napon se kreće preko površina te šupljine. Dve neutralne magnetne tačke stvaraju se na dnevnom delu magnetopauze. Ovde, solarni vetar ima direktan pristup magnetosferi. Solarni vetar takođe rasteže geomagnetno polje dalje u dug magnetni rep, koji planeta vuće za sobom, a koji se proteže duž tamne strane planete, okrenute od sunca, a dugačak je nekoliko zemaljskih prečnika.
Nekoliko pojaseva visoko-energetskih čestica (Van Allen belts), formirani su u magnetosferi i oko zemlje, u smislu jakih toroidnih polja koji se formiraju od spiralnih i krivudavih protoka protona/elektrona. Napon u dinamo oblasti je povezan sa ciklusom sumraka i svitanja. Električni napon magnetohidrodinamičkih generatora u obe hemisfere je reda veličine biliona vati energije. Skoro 10% solarne energije koja se kreće pored magnetosfere je konvertovana u električnu energiju. Superpozicija magnetnih polja nastalih od svih fluktuirajućih magnetosferskih električnih struja izmerenih na zemlji, određuje stepen geomagnetne aktivnosti. Električna provodnost u dinamo oblasti varira konstantno. Interkacije solarnog vetra sa magnetosferom, izazivaju neprestani, a snažno fluktuirajući enegetski priliv u polarne oblasti zemlje, što skoro odmah dovodi do pojačanja zemljine električne provodnosti.
Elektromagnetski i hidrodinamski talasi mogu biti pobuđeni u magnetosferi bilo interakcijom solarnog vetra sa magnetosferom, bilo unutrašnjom nestabilnosti. Magnetosfera se ponaša poput rezonantne šupljine za talase koji su bliski dimenzijama same magnetosfere. Najveća talasna dužina je 105km, što je period od 104 sekunde, a što odgovara frekvenciji od 7mHz. Mnoge rezonantne frekvencije više i niže od ove su detektovane, kako u magnetosferi, tako i na zemlji. Talasi u magnetosferi mogu biti pojačani naelektrisanim česticama uglavnom oko magnetosferskog ekvatora. Ovi talasi u VLF opsegu mogu s lakoćom prodreti u magnetosferu i proširiti se duž geomagnetnih linija sila.
Fluktuacije geomagnetnog polja sa periodom od 0,2 sekunde do više od 10 minuta, zovu se „geomagnetne pulsacije“. Ove pulsacije su zabeležene na svim geografskim dužinama sa maksimumom pojava u subaurora oblasti. Postoji jasna zavisnost prosečnog perioda geomagnetne, aktivnosti gde su solarno poremećeni uslovi jasnije i frekventnije primetni. Iznenadni pulsevi su lako osetni fenomeni na čitavoj planeti, koji se događaju skoro simultano na noćnoj, kao i na dnevnoj strani planete.
Niskofrekventni spektar elektromagnetne energije signala munja, kreće se kroz talasnu šupljinu koju smo objasnili. Deo ove energije, može se probiti kroz jonosferu i nastaviti ka magnetosferi (popularne munje od oblaka ka magnetosferi). Širok spektar pulsa munje sa maksimalnom spektralnom amplitudom od 5 do 10kHz je rasut tokom svog širenja kroz magnetosfersku plazmu. Magnetosferski regioni su obilni izvori radio emisija koje zrače niskofrekventnu talasnu energiju od oko 109W u svemir sa maksimalnim spektralnim amplitudama blizu 200kHz.
Ipak je globalni električno kolo kombinacija električne, sa snažnom geo-električnom strukturom.
Tema: Napon atmosfere po slojevima (Pročitano 7252 puta)