Спрашивается, можно ли получить сходный эффект (газовый разряд на высоко поднятом электроде) в ясную, безоблачную погоду? А если можно, то, что это нам дает в практическом смысле? Ведь за пределами разряда воздух так и останется диэлектриком. Тогда зачем? Есть причина и смысл, однако… Откуда вообще берется электрический заряд атмосферы? Что его питает и поддерживает, гм… миллиарды лет? Ликбез:
Приблизительно 40 % энергии падающего на Землю солнечного света, по ходу обратного излучения в космос, на некоторое время (участок конвективного теплообмена) превращается в энергию потенциального электрического поля. Заряд тропопаузы и стратосферы производят восходящие от поверхности планеты потоки нагретого воздуха с примесью водяного пара. Естественная утечка этого заряда осуществляется за счет ионизации воздуха космическими лучами, гроз, выпадения дождя и снега на горные вершины. А вы думали, почему высокие пики всегда в снеговых шапках? Туда, то же самое электрическое поле, день и ночь тянет висящую в верхних слоях атмосферы заряженную ледяную пыль.
Однако, начнем издалека, с космоса. Температура любого небесного тела жестко задана интегральной мощностью внешнего излучения, поглощаемой его поверхностью и внутренним тепловыделением из недр. Для Земли среднегодовой поток солнечного света колеблется от 250–300 Вт/кв. метр на экваторе до 50-120 Вт/кв. метр в полярных областях. Охлаждение в вакууме, естественно, чисто радиационное.
Сумма потоков энергии, достигающих поверхности в точности равна потоку энергии излучаемой обратно в космос. Но, многие планеты Солнечной системы (в частности Земля) имеют атмосферу. У них только стратосфера (откуда тепловая радиация уходит в мировое пространство) близка к норме теплового баланса (для Земли около -25 градусов С). На поверхности небесного тела, окруженного газовой оболочкой, всегда значительно теплее. Эта штука называется "парниковым эффектом".
Любая атмосфера является спектральным фильтром с несколькими окнами прозрачности. Она может пропускать свет строго определенного диапазона. Поскольку максимум обратного (теплового) излучения с поверхности всегда сдвинут, относительно поглощенного, в длинноволновую область, то и радиационное охлаждение (подобно голым астероидам) невозможно. Излучение от поверхности не расходится, нагревая прилегающий воздух. Для удаления тепловой энергии в космос нужен очень производительный механизм с материальным теплоносителем. В плотной части газовой оболочки планет (до стратосферы включительно) теплопередача почти целиком конвективная. Тропосфера Земли (это ниже 12–17 км) содержит 90 % массы воздуха и 99 % атмосферной влаги. Тепловой поток "поверхность-космос" там идет за счет механического перемещения воздушных масс. Это — предельно грубая модель процесса. Теперь, её важная деталь.
Баланс радиационного притока энергии и конвективного оттока тепла требует быстрого вертикального движения теплоносителя. Возникает резкий перепад температуры и давления по высоте. Тепловой напор между поверхностью планеты и верхней границей тропосферы (высота 12–17 км) достаточно велик (на Земле в районе экватора от +45 градусов С на уровне моря до -70 градусов С в тропопаузе). Но, сам по себе, конвективный теплообмен всё равно не справляется с нагрузкой. Энергия тупо "застревает" в нижних слоях атмосферы. Воздух — исключительно плохой теплоноситель. В результате основная нагрузка по переносу энергии через плотные слои приземного воздуха обычно лежит на гораздо более производительном эффекте фазовых переходов, действующем параллельно с конвекционным. Атмосфера четко стратифицирована по высоте на слои, отличающиеся составом, плотностью и температурой. Двигаясь из жары в холод и обратно, часть компонентов воздушных потоков циклически меняет агрегатное состояние (испаряется, поглощая тепло, и конденсируется, его отдавая). В момент конденсации, в верхних слоях атмосферы, каждая молекула выдает квант уходящего в мировое пространство излучения. На Земле "рабочим телом" описанного теплового насоса на фазовых переходах является вода, на Венере — серная кислота, на Юпитере — аммиак.
В разных районах планеты за счет испарения воды с поверхности и её повторного испарения в облаках (водяной аэрозоль сильно поглощает инфракрасное излучение) из тропосферы переносится в стратосферу до 10–55 % интегрального потока солнечной энергии. Среднее содержание водяного пара в атмосфере Земли не превышает 0,3–0,4 %, зато энергоемкость его испарения-конденсации огромна и совокупный вклад испарения и конденсации в работе "атмосферного теплового насоса" преобладает. Так обеспечивается более 95 % теплообмена между поверхностью и стратосферой. Процесс идет круглосуточно. Он наиболее интенсивен в тропическом поясе над океанами, но заметен даже над вечными льдами во время полярной ночи. В средних широтах, за зиму, испаряется до 25–30 % выпавшего снега.
Работа описанного атмосферного механизма сопровождается своеобразными побочными эффектами. Изменение агрегатного состояния вещества резко меняет его диэлектрическую проницаемость. На границе раздела фаз всегда возникает спонтанная электризация. Происходит преобразование части тепловой энергии компонентов воздуха в электричество… Конденсация водяных паров, в холодных верхних слоях газовой оболочки, сопровождается накоплением там большого количества положительно заряженных частиц. Так возникают объемные заряды, образующие сплошной слой в верхних слоях атмосферы Земли.
Самые верхние слои атмосферы сильно ионизированы космическим излучением и представляют собой область высокой проводимости. Результат? Заметные изменения напряженности поля над любой точкой поверхности планеты сопровождаются быстрым перераспределением зарядов в стратосфере и ионосфере. Поэтому, средняя напряженность атмосферного поля по всей планете почти стабильна.
Электрическое поле самых нижних слоев атмосферы, тем не менее, очень изменчиво. Оно связано с взвешенными в воздухе мельчайшими капельками воды и кристаллами льда. Свободные носители зарядов (ионы и электроны) в тропосфере почти отсутствуют. Это придает плотным слоям воздуха изоляционные свойства и препятствует саморазряду аэрозольной массы. В силу малой подвижности частиц конденсата, объемные электрические заряды (облака, струи тумана и пр.) крепко связаны с несущими турбулентными потоками и долго перемещаются с ними (часто неделями), пока не испаряются, не разряжаются на горные вершины или не выпадают на поверхность с осадками. Так "струйные" электрические токи в стратосфере и зеркально подобные им "теллурические" токи в верхних слоях земной коры. Результат?
В атмосфере постоянно висит положительный объемный заряд величиной около 0,57 млн. кулонов. Он создает электрическое поле с уже упомянутой средней напряженностью 130 В/м. Поле пульсирует в такт вращению планеты (максимум его напряженности в 17–00, по Гринвичу, когда на солнечной стороне парит Тихий океан). Средняя разность потенциалов между поверхностью и стратосферой составляет около 400 кВ. Это есть в любом хорошем учебнике физики.
Полный энергетический ресурс заряженной атмосферы (~ 40 % интегральной мощности солнечного излучения на земной орбите) оценивается величиной около 2,5–5 на десять в седьмой степени гигаватт. Она охватывает Землю от полюса до полюса и подобна глобальной распределительной сети постоянного тока, подключенной к вечному, бесплатному и экологически чистому источнику энергии — Солнцу. Надо?
Откуда знаю? Весь мир знает. Достаточно набрать в любом поисковике фразу — "Открытие русских ученых, закрывающая технология". Выпадет куча ссылок на очень красивый научно-популярный фильм. Авторы разработки и патент взяли. RU 2245606. Он тоже свободно в сети выложен. Кто хочет — тот найдет. Я сильно подозреваю, что, например, глава РАО ЕЭС Чубайс ничего подобного знать не желает. Зачем ему "бесплатное электричество с неба"? Да ещё навалом, в объеме на 3–4 порядка превышающем потребность человечества в энергии вообще? Угум, вот и я говорю — грустно. А президенту оно тем более не нужно, так как ставит крест на России, как "энергетической сверхдержаве"… При избытке дарового электричества — нефть с газом никому в мире не нужны. Тьфу…
Между прочим, идея получения электрической энергии из атмосферы очень старая. Согласно вполне достоверным сведениям, подтвержденным археологическими раскопками, с конструкциями, похожими на современные громоотводы экспериментировали ещё в Древнем Египте. Позднее, в Эпоху Возрождения, это была любимая игрушка многих ученых. Приблизительно с XVII века и по XIX век (а в некоторых случаях, вплоть до первой трети XX века) атмосферное электрическое поле являлось основным (единственным), источником высокого и сверхвысокого напряжения в лабораториях небогатых естествоиспытателей.
