Atmosfærisk elektrisitet

Atmosfærisk elektrisitet eller luftelektrisitet er daglige variasjoner i det elektromagnetiske nettverket i jordens atmosfære (eller elektriske systemer i gasslagene til alle planeter). Jordoverflaten, ionosfæren og atmosfæren er kjent som den globale atmosfæriske strømkretsen.

Det er alltid fri elektrisitet i luften og i skyer, som via induksjon virker på jorden og elektromagnetiske apparater. Det atmosfæriske mediumet, som ligger omkring oss, inneholder ikke bare elektrisitet, som alle slags stoff, men også store mengder strøm i fri tilstand, stundom ladd, stundom uladd, men som en generell regel er den alltid motsatt ladd i forhold til jorden.

Forskjellige lag, ofte med kort avstand til hverandre, er ofte i forskjellige elektriske tilstander. Det finnes tre former for atmosfærisk elektrisitet, tordenvær, den kontinuerlige elektrifiseringen i lufta (som en best ser når været er fint) og i form av polarlys.

Lyn fra sky til bakke i den globale atmosfæriske strømkretsen. Dette er et ekssempel på at en kan få plasma ved jordoverflaten. Et typisk lyn gir fra seg 30 000 ampere, opp til 100 millioner volt og stråler ut lys, radiobølger, røntgenstråling og til og med gammastråling. Temperaturen i plasmaet i lynet kan nå 28 000 kelvin og elektrontettheten kan gå over 10²⁴/m³.

Historie

Tidlige eksperimenter som viste gnister fra elektriske maskiner og Leyden-krukker indikerte for tidlige forskere som Hauksbee, Newton, Wall, Nollet og Gray, at lyn og tordenvær kom av elektriske utladningaer. I 1708 var Dr. William Wall en av de første som observerte at gnister fra et ladd stykke rav så ut som små lyn.

På midten av 1700-tallet eksperimenterte Benjamin Franklin med elektriske fenomen i atmosfæren og viste at de ikke var fundamentalt annerledes enn fenomenene som kom frem i laboratoriene. I 1749 hadde Benjamin Franklin observert at lyn inneholdt nesten alle egenskapene en kan se i elektriske maskiner. Året etter la Franklin frem en hypotese om at en kunne ta strøm fra skyer via en høy og spiss metallmast. Før Franklin fikk utført eksperimentet sitt, reiste Thomas-François Dalibard i 1752 en 40 meter høy jernstang ved Marly-la-Ville, nær Paris, og trakk ut gnister fra en forbipasserende sky. Med jordede antenner kunne forskerne føre en jordet ledning med et isolert håndtak nær antennen, og observere gnister mellom de. I mai 1752 stadfestet Thomas-François Dalibard at teorien til Franklin var korrekt.

Rundt juni 1752 utførte Franklin det kjente drage-eksperimentet sitt. Drageeksperimentet ble utført på ny av Romas, som fikk 3 meter lange gnister ut av metallstrengen, og av Cavallo, som gjorde mange viktige observasjoner omkring atmosfærisk elektrisitet. L. G. Lemonnier (1752) gjorde også Franklin-eksperimentet med en antenne, men byttet ut den jordede ledningen med støvpartikler. Han dokumenterte senere elektrifiseringen av atmosfæren i finvær, og den døgnlige variasjonen av den atmosfæriske elektrisiteten. G. Beccaria (1775) viste også den døgnlige variasjonen og avgjorde at ladningen til atmosfæren var positiv i fint vær. H. B. Saussure (1779) registrerte data ved å måle den induserte ladningen til en strømførende leder i atmosfæren. Instrumentet til Saussure bestod av to små kuler med to tynne ledninger og var en forgjenger til elektrometeret. Saussure fant ut at elektrisiteten i finvær varierte gjennom året og med høyden. I 1785 oppdaget C. A. Coulomb konduktiviteten til luften. Oppdagelsen hans motbeviste den tidligere oppfatningen om at de atmosfæriske gassene var isolatorer (som de til en viss grad er fordi de ikke har gode strømførende egenskaper når de ikke er ioniserte). Forskningen hans ble uheldigvis totalt ignorert. P. Erman (1804) la fram en teori om at Jorden var negativt ladd. J. C. A. Peltier (1842) testet og stadfestet teorien til Erman. Lord Kelvin (1860-åra) foreslo at de positive ladningene i atmosfæren forklarte finværsladningen og beviste senere at det eksisterte elektriske felt i atmosfæren.

I løpet av det neste århundret medvirket mange forskere til å øke kunnskapen om atmosfærisk elektrisitet ved hjelp av idéene til Alessandro Volta og Francis Ronald. Da en fant opp et bærbart elektrometer og kelvingeneratoren, fikk en langt mer nøyaktige observasjonsdata. Mot slutten av 1800-tallet fant W. Linss (1887) ut at selv de mest isolerte lederne mister ladningen sin, som Coulomb hadde funnet ut før han, og at dette tapet var avhengig av de atmosfæriske forholdene. H. H. Hoffert (1888) identifiserte individuelle lynnedslag ved å bruke tidlige kameraer. J. Elster og H. F. Geitel, som også arbeidet med termionemisjon, la fram en teori som forklarte den elektriske strukturen til tordenvær i 1885, og oppdaget senere atmosfærisk radioaktivitet (1899). På den tiden hadde det vært klart at frie ladde positive og negative ioner alltid fantes i atmosfæren, og at en kunne samle inn utstråling. F. Pockels (1897) estimerte strømintensiteten i lyn ved å analysere lynglimt i basalt og studere det magnetiske feltet som var igjen (basalt er et ferromagnetisk mineral som blir magnetisk polarisert når det blir utsatt for store eksterne felt som det finnes mange av i lynnedslag).

Luigi Palmieri forsket på atmosfærisk elektrisitet ved hjelp av et peltierelektrometer. Nikola Tesla og Hermann Plauson forsket på strøm- og kraftproduksjon via atmosfærisk elektrisitet. Tesla foreslo også å bruke atmosfæriske strømkretser til å sende energi trådløst over store avstander. Den polske forskingsstasjonen Hornsund på Spitsbergen har forsket på storheten til det elektriske feltet til jorden og regnet ut den vertikale komponenten. På 1900-tallet ble det gjort oppdagelse av hvordan den negative ladningen til jorden ble opprettholdt. Det har foregått en del forskning på atmosfærisk elektrisitet, men vitenskapen har aldri vært utviklet fullt ut. En mener at det vil bli uforsvarlig dyrt å konstruere et apparat som kan trekke ut strøm fra atmosfæren, og at dette er en av årsakene til at fagfeltet ikke får så stor interesse.

Beskrivelse og ulike forklaringer

Normalt er feltet rettet nedover, svarende til at Jorden er negativt ladd. Det er mye atmosfærisk elektrisitet rundt oss. En finner spor av det allerede en meter opp fra jordoverflaten, men det blir mer tydelig når en flytter seg lenger bort fra overflaten. Luften over jordoverflaten er stort sett, spesielt i fint vær, positivt ladd, i det minste i forhold til jordoverflaten. I tillegg finnes det elektriske fenomen i atmosfæren, på grunn av de enorme mengdene statisk elektrisitet som samler seg opp ved friksjon i selve luftstrømmene i luften. Dette kan skape lyn og tordenvær. Andre kilder til elektrisitet i atmosfæren er fordampning fra jordoverflaten, kjemiske endringer ved jordoverflaten, kondensasjon og temperatur- og fuktvariasjoner i atmosfæren.

Ifølge M. Peltier er jorden fullstendig negativ og verdensrommet positivt, mens atmosfæren i seg selv ikke har noe elektrisitet, og bare er i en passiv tilstand. Effektene en observerer er dermed effekter som oppstod relativt til disse to enorme strømlagrene. Forskere tenker seg som regel at jorden, i det minste den faste delen av jorden, har et overskudd av negativ elektrisitet, men det ser samtidig ut fra observasjonene at atmosfæren i seg selv er positivt ladd. Denne positive elektrisiteten ser tilsynelatende ut til å oppstå fra samme sted som den negative på jorden. Det er trolig at det i hovedsak er i vanndråpene, som alltid finnes i atmosfæren, at ladningen finnes, og ikke i selve luftpartiklene.

Målinger av atmosfærisk elektrisitet er i hovedsak målinger av potensialforskjeller mellom et punkt på jordoverflaten og et punkt i luften over. Atmosfæren har i forskjellige områder forskjellig lokalt potensial, som kan variere med potensialet på jorden med så mye som 3000 volt innenfor 30 meter. Feltstyrken, spenningsfallet per m høydeforskjell, er meget variabel. Ved jordoverflaten er den i gjennomsnitt omkring 130 V/m. Den er større over land enn over hav, større om vinteren enn om sommeren, større i tørr luft enn i fuktig. I tordenvær kan den bli meget stor, flere tusen V/m, og kan da være rettet oppover istedenfor nedover. Feltstyrken avtar med høyden og er ca. 25 V/m i 3 km høyde, og ca. 4 V/m i 10 km høyde. I denne høyden, det vil si i ionosfæren, er luftens ledningsevne mye større enn ved jordoverflaten. Ledningsevnen tiltar med høyden på grunn av ioniserende stråling som kommer inn fra verdensrommet og særlig blir absorbert i høye luftlag. I de høyeste luftlagene virker også kortbølget ultrafiolett stråling fra Solen. For å forklare det elektriske feltet ved jordoverflaten er det ikke tilstrekkelig å vise til at ledningsevnen er liten. Feltet kan bare oppstå fordi Jorden, som er en god leder, har et overskudd på negativ ladning. Feltstyrken svarer til at Jorden har en negativ ladning på 5,8 · 10^5 coulomb eller 3,7 · 10^24 elementærladninger. På grunn av at feltet trekkes stadig negative ladninger oppover, og feltet kan bare opprettholdes om det samtidig tilføres jordkloden negativ ladning. Hvordan dette skjer er ikke helt klarlagt, men sannsynligvis besørges fornyelsen av ladningen vesentlig ved tordenværs-aktiviteten i atmosfæren. En del av strømmen kan skyldes at den delen av den kosmiske strålingen som når jordoverflaten, har et overskudd av negativt ladde partikler. En annen mulig forklaring er at vanndamp i høyere luftlag vesentlig kondenseres med negative ioner som kondensasjonskjerner, og at nedbøren derfor fører med seg negativ elektrisk ladning til Jorden.