detekcja i lokalizacja wyładowań atmosferycznych - Instytut ...

PAWEŁ BODZAK - DETEKCJA I LOKALIZACJA WYŁADOWAŃ ATMOSFERYCZNYCH
jonosfera, przewodząca warstwa atmosfery. Przy czym powierzchnia Ziemi jest naładowana
ujemnie, tzn. ładunkiem nadmiarowym powierzchni Ziemi jest ładunek ujemny, a jonosfery
dodatni. Rolę izolatora spełnia, słabo przewodzące powietrze wypełniające obszar pomiędzy
jonosferą i powierzchnią Ziemi. Powietrze jest dobrym izolatorem, który zaczyna przewodzić
prąd tylko w specyficznych warunkach. W obszarach tzw. pięknej pogody (bezchmurne niebo
i bezwietrzna pogoda) różnice potencjałów między tymi powierzchniami wahają się od ok.
150 do ok. 600 kV [34], średnio osiągając wartość ok. 300 kV [3]. Oznacza to, że aby
utrzymać napięcie tej wielkości pomiędzy powierzchnią Ziemi i atmosferą, na powierzchni
musi znajdować ładunek ujemny rzędu ok. 10 6 C, natomiast taka sama ilość ładunku o
przeciwnym znaku musi znajdować się w atmosferze [7]. W przestrzeni między takimi
dwoma naładowanymi przeciwnie okładkami istnieje stałe, niezerowe pole elektryczne.
Wartość tego pola jest różna w zależności od aktualnego stanu warunków atmosferycznych,
czasu oraz miejsca obserwacji. W bezchmurny i bezwietrzny dzień nad płaskim pustynnym
terenem lub morzem gradient potencjału elektrycznego w miarę wznoszenia się ponad
powierzchnię rośnie o około 100 V/m [35]. Wartość pola elektrycznego przy powierzchni
Ziemi w czasie ładnej pogody wynosi od 100 do 300 V/m [34]. Średnia wartość wynosi ok. –
120 V/m [5], natomiast dla obszaru Polski wynosi ok. – 160 V/m [37]. Przy czym minus
wyznacza orientację wektora natężenia pola, który jest skierowany pionowo do dołu. Zgodnie
z prawami elektrostatyki, ponieważ Ziemia jest przewodnikiem to z powodu istnienia tego
niezerowego pola wynika, że na powierzchni Ziemi musi istnieć ładunek, którego gęstość
powierzchniową szacuje się na – 1,1 nC/m 2 [5]. Gdyby mierzyć wartość natężenia pola na
coraz wyższych wysokościach okazałoby się, że jego wartość maleje bardzo szybko, a więc w
powietrzu też istnieje ładunek przestrzenny. Oznacza to, że na pewnej, dużej wysokości
całkowity, przestrzenny ładunek dodatni, zawarty pomiędzy powierzchnią Ziemi a tym
poziomem, kompensuje ładunek na powierzchni Ziemi. Na rys. 5 przedstawiono
schematycznie czynniki składające się na globalny ziemski obwód elektryczny.
W słabo przewodzących, dolnych warstwach atmosfery ziemskiej występują
różnoimiennie naładowane molekuły gazu tzn. jony dodatnie i elektrony, spełniające rolę
głównych nośników prądu przewodzenia. Powstają one w wyniku oddziaływania
promieniowania kosmicznego, promieniowania promieniotwórczego płaszcza Ziemi oraz
gazów promieniotwórczych takich jak np.: radon. Obecność niezerowego pola elektrycznego
w atmosferze ziemskiej oraz istnienie w jej dolnych warstwach swobodnych nośników prądu,
powoduje przepływ prądu przewodzenia dostarczającego do powierzchni Ziemi w obszarach
pięknej pogody ładunek dodatni. Gęstość tego prądu osiąga wartość rzędu kilku ok. 2-3
- 23 -