Электричество атмосферное. — Почти одновременно в 1752 г. Франклин и Лемоннье обнаружили: первый, при помощи воздушного змея — электризацию облаков, второй, при помощи изолированного шеста с острием — электризацию воздуха при ясном небе. Уже первые наблюдения показали, что земля окружена электрическим полем, подобным тому полю, которое образуется вокруг всякого заряженного тела. Здесь мы также можем вообразить себе силовые линии и перпендикулярные к ним поверхности равного уровня, или равнопотенциальные поверхности, весьма удобные при изучении электростатического поля. Для измерения потенциала в данной точке или разности потенциалов между двумя точками в атмосфере употребляются различные коллекторы: металлические острия, пламена (Экснера, Exner), водяные коллекторы (Томсона, Thomson) и некоторые другие. Водяные коллекторы состоят из покоящегося на особых изолирующих подставках (Маскара, Mascart) металлического сосуда, наполненного водой; сосуд этот снабжен трубкой, из которой под постоянным давлением вода вытекает тонкой струей. В последнее время начинают входить в употребление радиевые коллекторы, состоящие из металлической коробочки с весьма малым количеством радия или полония. Все перечисленные коллекторы тем или иным способом отдают (рассевают) собственный заряд в атмосферу и принимают тот, до которого заряжен в данной точке воздух. Установленные в избранных для наблюдения пунктах коллекторы соединяются с одним из электрометров (см.): квадрантным (Маскара-Томсона и Долезалека) или с алюминиевыми листочками (Экснера, Кольбе и т. п.). Электрометры должны быть предварительно проградуированы. Если пучок лучей света, отраженных от зеркальца квадрантного электрометра, воспринять на движущуюся часовым механизмом фотографическую бумагу или механически заставить указатель этого электрометра давать метки на бумаге, то мы получим электрограф (Маскара, Бенндорфа), служащий для наблюдений за ходом изменений потенциала в данной точке. Подобно тому, как распределение электростатического поля вокруг всякого заряженного тела зависит от формы этого тела, и электрическое поле земли находится в зависимости от рельефа местности. Изопотенциальные поверхности огибают все возвышающиеся предметы и особенно скучиваются у заостренных концов их. Поэтому при выводе характерной величины для данного пункта необходимо производить наблюдения над потенциалом атмосферного электричества в возможно более открытых и ровных местах. Очень часто вместо измерения потенциала в данной точке измеряют разность потенциалов в двух точках, лежащих в одном вертикале, относительно изопотенциальных поверхностей, и вычисляется, таким образом, напряженность поля, т. е. падение потенциала на определенное расстояние (напр. на 1 метр). При исследованиях электрического поля в более высоких слоях атмосферы, производимых во время подъемов на воздушных шарах, приходится исключительно пользоваться последней величиной, так как сообщение с землей прекращается и возможно лишь измерение разности потенциалов двух коллекторов, опущенных в различных расстояниях от шара.
Выводы относительно вида электрического поля земли вследствие крайне ограниченного количества наблюдений, произведенных при этом по большей части без надлежащей систематичности, не могут претендовать на полную непреложность и весьма часто оказываются разноречивыми. Из этих выводов можно указать на следующие: 1) разность потенциалов между землей и какой-либо точкой в атмосфере в тихую и ясную погоду почти всегда положительна; 2) величина потенциала растет с высотой, разность же потенциалов на определенном расстоянии между двумя точками вначале растет (до 500 приблизительно метров), потом уменьшается. На основании этого можно сделать заключение, что земля заряжена отрицательным электричеством, воздух же — положительным. Что касается зависимости от широты, то более надежно установлено, что потенциал в средних широтах больше, чем у экватора. Относительно же полярных стран скорее надо допустить увеличение потенциала, однако пока наблюдения дали результаты разноречивые. Ход изменения напряженности атмосферного электричества в данной точке у поверхности земли представляется весьма сложным и запутанным. Не только ото дня ко дню, но очень часто на протяжении одного часа потенциал претерпевает значительные изменения, а иногда меняет и свой знак. Записи электрографов обыкновенно представляют из себя кривую, испещренную резкими и частыми колебаниями. Поэтому изучение хода потенциала весьма затруднительно и выводы, сделанные до сих пор, не могут претендовать на полную непреложность. Относительно годового хода мы можем сказать с уверенностью лишь то, что в зимние месяцы напряженность поля значительно выше, чем летом. Суточный ход, по Шаво (Chaveau), представляет обыкновенно двойное колебание с minimum’ом около 4 ч. утра, maximum’ом около 10 ч. утра, вторым minimum’ом после полудня и maximum’ом после 9 вечера. В холодное время года оба maximum’a приближаются к полудню и послеполуденный minimum ослабевает, так что двойное колебание переходит в простое. В летнее время maximum’ы раздвигаются и minimum усиливается. В полярных странах суточный ход приближается к зимнему типу, в тропических — к летнему. Сходство суточного хода атмосферного Э. с суточным ходом давления атмосферы приводит многих исследователей к предположению, что второе явление служит причиной первого. На больших высотах над уровнем земли ход потенциала оказывается более простым и в суточном ходе приближается (на башне Эйфеля — 285 метр.) к зимнему типу, представляя почти плавное простое колебание. Видимо, на ход потенциала у поверхности земли сильное влияние имеют чисто местные причины (пыль, дым, туман и т. д.).
Наиболее распространенное в настоящее время объяснение электрических явлений в атмосфере дает теория Пельтье-Экснера. Согласно этой теории, земной шар содержит большой избыток отрицательного электричества, которым заряжены и все находящиеся на нем предметы. Отсюда следует, что электрическое поле, окружающее Землю, должно иметь отрицательный потенциал, постепенно уменьшающийся по мере поднятия вверх. Так как мы считаем потенциал земли равным нулю, то в атмосфере мы будем иметь постепенно возрастающий положительный заряд, что мы действительно и наблюдаем в высоких слоях атмосферы. В слоях же, близких к поверхности Земли, постоянно присутствующие в атмосфере пары воды и пыль, наэлектризованные отрицательно, должны уменьшать напряженность поля и нарушать правильность его распределения. Согласно этой теории суточный и годовой ход атмосферного Э. находятся в зависимости от количества паров, заключающихся в атмосфере. Это положение в действительности подтверждается лишь в общих чертах. Эта теория была высказана впервые Пельтье (Peltie) в 1836 г., в новейшее же время разработана Экснером (Exner). Заслуживает еще упоминания теория Зонке (Sonke). Эта теория считает основной причиной атмосферного Э. электризацию капелек воды при трении их о ледяные частицы. При этом вода заряжается отрицательно, лед же положительно. Географическое распределение напряженности атмосферного Э. и годовой его ход тесно связаны поэтому с положением нулевой изотермы в атмосфере, так как лишь при прохождении через поверхность нулевого уровня температуры осуществляются условия электризации, предусмотренные теорией Зонке. В новейшее время эта теория была несколько восполнена и развита Хомма (Homma), который доказал электризацию при трении не только твердых и жидких тел, но и двух слоев воздуха различной температуры. По этим данным он весьма успешно объясняет многие особенности в ходе атмосферного Э. Что электризация при трении является одной из возмущающих причин в ходе атмосферного Э., яснее всего обнаруживается значительным зарядом снежинок, переносимых метелью, и пыли, поднятой ветром (особенно в песках Сахары). Как переход к новейшим воззрениям на сущность атмосферного Э., можно указать на работы Лемстрема (Lemström; см.). Он исследует электрические токи воздуха и с помощью особых приборов с остриями измеряет их силу. Электрические токи воздуха временами достигают и в средних широтах значительной силы, особенно же они велики в полярных странах. По мнению Лемстрема, существует непрерывная циркуляция электричества в атмосфере от экватора к полюсам; здесь она вызывает полярные сияния (см.). Теория Лемстрема уже не ограничивается статическим исследованием электрического поля Земли, но вводит понятие и о динамической циркуляции. В конце восьмидесятых годов истекшего столетия было открыто и изучено (главным образом Эльстером [Elster] и Гейтелем [Geitel]) явление электроактиничности. Это явление состоит в том, что под влиянием ультрафиолетовых лучей проводник, заряженный отрицательным электричеством, быстро теряет свой заряд. В природе это явление проявляется в том, что действие ультрафиолетовых лучей, заключающихся в солнечном спектре, способствует переходу отрицательного заряда Земли в атмосферу. Исследования показали, что актиническая радиация имеет годовой и суточный ход, обратный ходу потенциала, как это и нужно было ожидать. До очень недавнего времени атмосферный воздух считался абсолютным непроводником электричества, и лишь работы новейшего времени показали, что воздух при некоторых особых условиях становится проводящим (при нагревании, при разреживании, под действием Рентгеновских и Беккерелевых лучей и т. д.). В 1887 г. Линсс (Linss) нашел, что при обычных условиях воздух не является абсолютным диэлектриком, но слабо проводит электричество. В 1899 г. этим вопросом занялись Эльстер и Гейтель, которые для объяснения проводимости воздуха применили теорию ионизации, развитую уже ранее в приложении к вопросам сначала о проводимости жидкостей, а затем и газов. Согласно этой теории в воздухе могут образовываться при некоторых условиях ионы, т. е. особые материальные носители заряда того или другого знака. Отрицательные ионы отличаются меньшей величиной и большей скоростью поступательного движения. Приходя в соприкосновение с поверхностью заряженного тела, ионы отнимают у него равное своему заряду количество электричества и таким образом нейтрализуются. Благодаря этому процессу заряженное тело теряет свой заряд, а между двумя разноименно заряженными телами наблюдается ток, как будто через обычный проводник.
Для изучения ионизации атмосферного воздуха Эльстер и Гейтель построили особый прибор, дающий возможность определить относительное количество ионов того или другого знака, заключающихся в атмосфере. Прибор этот состоит из зачерненного металлического цилиндра, соединенного с электроскопом системы Экснера. Заряжая до некоторого потенциала цилиндр электричеством того или другого знака, наблюдают уменьшение потенциала за некоторый промежуток времени и таким образом вычисляют скорость потери заряда, как величину, характерную для суждения о степени ионизации атмосферного воздуха. Эберт (Ebert), заставляя протекать около заряженного тела определенное количество воздуха, дал возможность при помощи своего прибора определять абсолютное содержание ионов в единице объема воздуха. Произведенные до настоящего времени наблюдения показали, что 1) как и надо было ожидать, ход потенциала и ионизации противоположны друг другу; 2) степень ионизации зависит от ясности и прозрачности воздуха, от влажности и, по-видимому, и от других метеорологических факторов; 3) она значительнее в странах полярных, чем в средних широтах; на берегу моря больше, чем в глубине континентов; 4) в свободной атмосфере степень ионизации возрастает по мере поднятия вверх и т. д. Замечено также, что количество ионов того или другого знака, присутствующих в атмосфере, бывает неодинаково в зависимости от различных причин. Это явление носит название униполярности. Отрицательная униполярность, т. е. большая скорость потери отрицательного заряда, наблюдается на вершинах гор; положительная — у водопадов, на прибое волн, во время дождя, вообще там, где замечается падение воды каплями. Первое явление объясняется тем, что вершины гор, как острия, заряжены до более высокого отрицательного потенциала, чем долины, почему сюда стекаются в большем количестве положительные ионы, нейтрализующие отрицательный заряд. Второе явление ставится в связь с явлением Ленарда, который показал, что при падении через воздух капли воды электризуются отрицательно, почему происходит усиленная нейтрализация положительных ионов и отрицательные остаются в избытке. Вопрос о причинах образования свободных ионов в атмосфере до сих пор остается невыясненным: одни считают причиной действие ультрафиолетовых лучей солнца (Эберт), другие — истечение особой (радиоактивной) материи из почвы (Эльстер и Гейтель), третьи — воздействие паров воды (Томсон). Вероятнее всего, что все эти причины участвуют в природе одновременно. На основании коротко изложенных здесь фактов в настоящее время созидается новая теория атмосферного Э.: теория ионизации атмосферы. Эта теория оставляет в стороне вопрос о статическом состоянии электрического поля Земли и переходит к исследованию динамических явлений, обусловленных проводимостью атмосферы вследствие присутствия в ней свободных ионов. Было бы преждевременно излагать ее здесь подробно, так как она далеко еще не вылилась в определенную систему. Биркеланд (Birkeland), однако, применяет ее с успехом для объяснения причин полярных сияний и связи их с магнитными бурями; вообще же эта теория успешно объясняет все явления, которые до сих пор оставались загадочными.
Учение об атмосферном электричестве тесно связано с вопросом об электризации осадков. Наблюдения показывают, что по большей части осадки имеют довольно значительный отрицательный заряд. Ранее это явление пытались объяснить отрицательной электризацией воды при испарении, теория же ионизации объясняет это тем, что ионы являются центрами конденсации паров, причем отрицательные ионы конденсируют влагу в более сильной степени и потому скорее выпадают вместе с осадками. Вихри, представляющие собой частные депрессии незначительного объема, обусловленные обыкновенно местными причинами, весьма часто сопровождаются электрическими разрядами и носят тогда название гроз. Электрический разряд, происходящий при этом между двумя облаками или между облаком и землей, называется молнией, и она сопровождается обыкновенно громом. Тихий разряд между облаками или же отражение отдаленной молнии, когда гром не слышен, называется зарницей. Подробнее об этих явлениях см. Гроза, Молния и гром, Зарницы. Указанные здесь грозовые явления, равно как и полярные сияния (см.), огни святого Эльма (см.) и т. п., представляют из себя видимые проявления электрического состояния атмосферы и находят свое объяснение в тех же теоретических воззрениях.
Литература. Ни на русском, ни на иностранных языках нельзя указать специального курса по атмосферному Э. Обыкновенно этот вопрос трактуется, как составная часть физики и метеорологии, почему ему и отводятся отдельные главы в большей части учебников и руководств по физике, геофизике и метеорологии. Из более новых по времени появления в свет и более полных руководств можно указать: S. Arrhenius, «Lehrbuch der Kosmischen Physik» (II ч., стр. 881—899); S. Günther, «Handbuch der Geophysik» (2-е изд., II т., стр. 135—160; здесь же имеется подробный литературный указатель); J. Hann, «Lehrbuch der Meteorologies» (V кн., стр. 711—718); Д. А. Лачинов, «Основы метеорологии и климатологии» (2 изд., стр. 422—478). Текущая литература в виде отдельных статей, обзоров и заметок рассеяна во всех журналах, посвященных физике и метеорологии («Annalen der Physik», «Physikalische Zeitschrift», «Journal de Physique», «Meteorologische Zeitschrift», «Метеорологический вестник», «Журнал Русского физико-химического общества» и т. д.), а с 1898 г. и в специальном журнале «Terrestrial Magnetism and Athmospherical Electricity», издаваемом в Америке. В. Шипчинский.