Fenomenele electrice atmosferice - Ionizarea atmosferei, Descarcarile electrice din atmosfera

Fenomenele electrice atmosferice

1 Sarcina electrica

Cele mai mici particule din care este formata materia, numite particule elementare, sunt caracterizate de proprietati intrinseci cum sunt: masa, sarcina electrica, spinul, paritatea, stranietatea, etc.

Dupa cum masa determina forta de interactiune gravitationala, analog sarcina electrica determina forta de interactiune electrica. se noteaza cu Q sau q;

pentru o regiune de volum V, incarcata electric cu sarcina Q, se defineste densitatea (volumica) de sarcina electrica ce fiind sarcina electrica continuta in unitatea de volum;

Spre deosebire de masa, care este de un singur tip, sarcina electrica este negativa sau pozitiva, dupa cum atomii au exces sau deficit de electroni. Corespunzator particulelor elementare se defineste sarcina electrica elementara, egala in valoare absoluta cu sarcina electrica a electronului:

Cu ajutorul acesteia se defineste unitatea elementara de energie, electron-voltul:

care reprezinta lucrul mecanic efectuat de o sarcina electrica elementara care se deplaseaza intre doua puncte aflate la o diferenta de potential de 1V.

Ele se adauga la unitatea elementara de masa:

denumita unitate atomica de masa.

Sarcina electrica, notata curent cu Q sau q, are trei proprietati fundamentale:

- sarcina electrica se conserva, legea conservarii sarcinii electrice enuntandu-se astfel: suma algebrica a sarcinilor unui sistem fizic izolat este constanta. Aceasta lege se adauga celorlalte legi de conservare: legea conservarii impulsului, legea conservarii masei si energiei, legea conservarii momentului cinetic;

- sarcina electrica este cuantificata: toate particulele elementare au numai trei valori posibile ale sarcinii electrice: +e, 0, -e. Deoarece corpurile macroscopice sunt grupari de particule elementare, sarcinile lor electrice sunt multiplul intreg al sarcinii electrice elementare:

adica sarcina electrica este cuantificata, cuanta de sarcina electrica fiind sarcina electrica elementara;

- sarcina electrica este invarianta, adica nu depinde de viteza, spre deosebire de masa care depinde de viteza.

2 Legea lui Coulomb

Intre doua sarcini electrice se manifesta o forta de interactiune denumita forta electrica sau forta coulombiana, deoarece aceasta forta a fost studiata pentru prima data de Charles de Coulomb in 1785. Rezultatele sale sunt continute in legea care ii poarta numele si care precizeaza: forta de interactiune dintre doua sarcini punctiforma este:

- direct proportionala cu produsul sarcinilor,

- invers proportionala cu patratul distantei dintre ele,

- actioneaza in lungul liniei ce uneste sarcinile

- de respingere daca sarcinile sunt de acelasi semn sau de atractie daca sarcinile electrice sunt de semn contrar, figura 1.

Matematic aceasta lege se scrie:

(1)

unde:

    (2)

reprezinta permitivitatea electrica a vidului.

In valoare absoluta:

    (3)

iar pentru un mediu oarecare:

(4)

unde reprezinta permitivitatea electrica a mediului respect Definindu-se permitivitatea electrica relativa astfel:

(5)

atunci:

(6)

3 Campul electric

Se constata ca in jurul unei sarcini punctiforme, in repaus, Q, in orice punct, o a doua sarcina q este supusa unei forte coulombiene. Se spune ca in jurul lui Q s-a creat un camp, numit camp electric.

Campul electric este o forma de existenta a materiei, prin intermediul careia sarcinile electrice interactioneaza intre ele.

El este caracterizat, pentru inceput, de marimea fizica vectoriala numita intensitatea campului electric, notata cu si definita prin relatia:

(7)

Reciproc:

Expresia intensitatii campului electric, in baza legii lui Coulomb pentru doua sarcini punctiforme, este data de relatia:

(8)

de unde marimea devine:

(9)

Reprezentarea campului electric se poate face prin vectorii intensitate camp electric sau prin linii de camp care reprezinta curbele care au ca tangenta in fiecare punct al lor vectorul intensitate camp electric, figura 2. Prin conventie, liniile de camp se traseaza in asa fel incat numarul liniilor ce strabat unitatea de suprafata sa fie proportional cu intensitatea campului in locul unde este situata suprafata.

4 Legea lui Gauss pentru campul electric

Numarul liniilor de camp ce strabat o suprafata oarecare reprezinta, prin definitie, fluxul campului electric.

Printr-o suprafata plana si un camp electric uniform fluxul este dat de relatia:

   

Daca campul nu este uniform si suprafata nu este plana, pentru un element de suprafata se poate calcula fluxul elementar:

   

de unde fluxul pe intreaga suprafata este:

iar daca suprafata este inchisa:

   

Daca sarcina electrica este distribuita atat in interiorul cat si in exteriorul unei suprafete inchise, fluxul campului electric prin aceasta suprafata este:

   

relatie care constituie forma matematica a legii lui Gauss pentru fluxul campului electric. Aceasta lege precizeaza faptul ca: fluxul campului electric printr-o suprafata inchisa este egal cu raportul dintre sarcina totala continuta in interiorul suprafetei inchise si permitivitatea electrica a mediului. Daca, in caz particular, in interiorul suprafetei inchise nu exista sarcina electrica, atunci fluxul campului electric prin aceasta suprafata este nul. Suprafata inchisa aleasa in functie de tipul distributiei de sarcina electrica se numeste suprafata gaussiana.

5 Lucrul mecanic in camp electric

Lucrul mecanic efectuat pentru deplasarea unei sarcini punctiforme q in campul electric, , intre doua puncte, 1 si 2 ale campului, se obtine pornind de la expresia lucrului mecanic elementar:

deoarece forta coulombiana de interactiune nu este, in general, o forta constanta.

Prin integrare, intre cele doua puncte:

    (10)

adica:

deoarece, conform figurii 3, ; unde este unghiul dintre vectorul intensitate si vectorul deplasare .

Daca campul electric este creat de o sarcina electrica punctiforma Q, cu ajutorul relatiei (9), se obtine pentru lucrul mecanic expresia:

adica:

(11)

Se observa ca lucrul mecanic efectuat la deplasarea sarcinii q in campul radial creat de Q, intre doua puncte, nu depinde de drumul urmat ci numai de pozitia initiala si finala a lui q fata de Q. Deci campul electric este un camp conservativ, forta electrica este forta conservativa.

6 Potentialul campului electric

Deoarece campul electric este conservativ, lucrul mecanic efectuat la deplasarea unei sarcini electrice libere intre doua puncte ale campului este egal, conform teoremei de variatie a energiei potentiale, cu diferenta dintre energiile potentiale, pe care le are sarcina electrica care se deplaseaza, intre cele doua puncte:

(12)

adica:

de unde, comparand cu relatia (11), se obtine:

unde C este o constanta oarecare care, conform conventiei ca pentru : , se obtine C = 0.

Deci:

(13)

Se defineste functia scalara V(r), numita potentialul campului electric, ca reprezentand marimea fizica scalara numeric egala cu energia potentiala a unitatii de sarcina electrica plasata intr-un punct din acel camp, adica:

(14)

Reciproc:

de unde:

unde U reprezinta diferenta de potential sau tensiune electrica. Se observa ca unitatea de masura a tensiunii electrice este tot voltul.

Comparand relatiile (9) si (11), pentru campul electric creat de o sarcina electrica, se obtine legatura intre intensitatea campului electric si potentialul sau:

de unde: (15)

In general, stiind ca intr-un camp conservativ legatura dintre forta si energia potentiala este data de relatia:

aceasta legatura devine:

7 Conductoare in camp electric

Conductoarele aflate in camp electric la echilibru sunt caracterizate prin urmatoarele proprietati:

- Campul electric este egal cu zero in interiorul conductoarelor, iar potentialul campului este constant. In caz contrar, adica , electronii liberi din conductoare vor fi pusi in miscare sub actiunea unei forte electrice, , ceea ce ar insemna ca electronii nu se gasesc in conditii de echilibru electric ducand la aparitia unui curent electric lucru care nu s-a observat experimental. Deci campul electric in interiorul conductoarelor este nul, de unde, rezulta ca potentialul campului in interiorul conductoarelor este constant, volumul acestora fiind numit volum echipotential (volum de potential constant), respectiv suprafata acestora fiind numita suprafata echipotentiala (suprafata de potential constant);

- Daca un conductor are o cavitate, valoarea potentialului in cavitate este egala cu valoarea potentialului conductorului, figura 4 In plus, daca in interiorul cavitatii introducem un alt conductor, figura 5, acesta din urma nu este afectat de campurile electrice exterioare, fenomen numit ecranare electrica. Practic conductorul exterior poate fi o carcasa metalica care nu este nevoie sa fie inchisa ermetic. In montaje electrice aceasta carcasa, care realizeaza ecranarea electrica a unui dispozitiv electric, poarta numele de cusca lui Faraday.

- Campul electric la suprafata conductoarelor aflate in echilibru electric este totdeauna orientat normal la suprafata acestora. In caz contrar daca vectorul intensitate nu este orientat normal la suprafata, figura 6, sub actiunea componentei tangentiale sarcinile libere de pe suprafata s-ar putea deplasa generand un curent electric, situatie infirmata experimental;

- Sarcina electrica este distribuita in intregime pe suprafata conductoarelor si nu in interiorul lor. Respingerea electrica dintre sarcinile de acelasi semn determina aceasta distribuire.

Intrebarea care se pune este cum se distribuie sarcinile pe suprafata unui conductor si de cine depinde aceasta distribuire. In cazul unui conductor sferic nu exista motive ca sarcina electrica sa se repartizeze neuniform pe suprafata lui, toate punctele de pe suprafata fiind echivalente.

In cazul conductoarelor cu raze de curbura diferite, lucrurile stau altfel. Fie un conductor cu un varf ascutit, figura 7. El poate fi modelat prin doua sfere cu razele egale cu razele de curbura ale suprafetei conductorului, a si b, legate printr-un conductor, figura 8. Datorita acestuia din urma:

de unde:

sau:

Definind densitatea superficiala de sarcina electrica:

; (16)

atunci:

se obtine:

(17)

adica: raportul densitatii superficiale de sarcina electrica este invers proportional cu raza de curbura.

In cazul varfurilor ascutite ale corpurilor electrizate densitatea superficiala de sarcina electrica este cea mai mare; campul electric poate fi atat de intens, incat aerul din jurul acestora se ionizeaza. Primii electroni smulsi din molecule de catre campul intens, fiind accelerati si dobandind viteze mari, ciocnesc alte molecule, producand noi ionizari. Miscarea ionilor sub actiunea campului electric constituie o descarcare, care poate fi o scanteie electrica. Se spune ca aerul este strapuns de campul electric intens.

Acest fenomen de scurgere a sarcinilor prin varfuri ascutite sta la baza folosirii paratrasnetului si a functionarii microscopului ionic. In general, formarea unei densitati electrice mari, cresterea intensitatii campului pe varfurile conductoarelor, pierderile sarcinilor electrice prin varfuri (sau asperitati), reprezinta un fenomen cunoscut sub denumirea de "puterea varfurilor", sau "efectul de varf".

Un fenomen analog are loc in jurul firelor cu diametru mic incarcate electric la tensiuni suficient de mari. Ionizarile, excitarile si dezexcitarile atomilor din vecinatatea firului produc descarcari electrice si emisii de radiatie electromagnetica, care formeaza o "teaca" luminoasa, cunoscuta sub numele de efect corona.

8 Dielectrici in camp electric

Un sistem format din doua sarcini electrice egale si de semn contrar asezate la o distanta mica una de alta formeaza un dipol electric, figura 9. Un dipol este caracterizat de marimea vectoriala numita moment electric de dipol, determinata de produsul dintre valoarea q a unei sarcini electrice a dipolului si vectorul dintre ele:

(18)

Moleculele la care centrul sarcinilor negative coincide centrul sarcinilor pozitive nu poseda dipol electric. Ele se numesc molecule nepolare. Din aceasta categorie fac parte toate moleculele monoatomice (gaze inerte, vapori metalici) si moleculele poliatomice cu o structura chimica simetrica.

Introdusa intr-un camp electric, intr-o molecula nepolara se produce o deplasare a sarcinilor electrice; electronii in sens contrar campului, iar nucleele in sensul campului, figura 10. In felul acesta moleculele nepolare se polarizeaza, fenomen numit polarizare electronica.

Momentul electric de dipol al unei molecule nepolare apare deci numai cand aceasta este plasata intr-un camp extern, constatandu-se:

, adica: (19)

unde este o constanta dependenta de natura dielectricului care poarta numele de polarizabilitate.

Prin indepartarea campului moleculele revin la starea initiala, de aceea acesti dipoli, obtinuti prin polarizatie electronica, se numesc dipoli elastici.

Moleculele cu structura chimica nesimetrica (apa, acetona, alcoolul etilic, benzenul) prezinta dipol electric deoarece la acestea centrul sarcinilor pozitive nu coincide cu cel al sarcinilor negative. Acestea se numesc moleculele polare. Pentru ele momentul electric de dipol este de ordinul: .

O molecula polara introdusa intr-un camp electric omogen este supusa unui cuplu de forte din partea campului al carui moment este:

(20)

Acesta determina rotirea dipolului incat momentul electric de dipol sa devina paralel cu vectorul intensitate camp electric, figura 11.

La rotirea dipolului cu un element de unghi energia potentiala a acestuia se modifica cu:

de unde, prin integrare, se obtine variatia energiei potentiale a dipolului la rotirea acestuia cu un unghi intr-un camp electric:

adica:

(22)

Daca intr-un camp electric omogen se introduce o molecula de apa (molecula polara) se produce o orientare a moleculei dar si o modificare a geometriei prin deplasarile atomilor. Astfel unghiul normal de 109^o format de legaturile moleculei de apa se mareste sau se micsoreaza in functie de orientarea ei in camp, figura 12. Aceasta este polarizatia atomica sau ionica.

9 Starea electrica a atmosferei

In interiorul atmosferei exista un camp electric determinat de prezenta de sarcini electrice negative pe suprafata Pamantului si a unui surplus de sarcini electrice pozitive in atmosfera. Din determinarile efectuate la suprafata Pamantului s-a obtinut ca valoarea medie a campului electric este de aproximativ 100 V/m. Pe timp de oraj[1], aceasta valoare poate creste considerabil.

Starea electrica a atmosferei isi are originea in cel putin doua fenomene. Primul este ionizarea aerului prin agenti ionizatori. Cel de-al doilea fenomen, responsabil de mentinerea sarcinii electrice superficiale a Pamantului si a campului electric corespunzator, nu a fost explicat in toate aspectele sale. Pe timp frumos, transportul de sarcini electrice pozitive la sol prin curenti de conductie, ar trebui sa neutralizeze sarcina superficiala a Pamantului in mai putin de 50 minute. Aceasta inseamna ca sarcina electrica superficiala a Pamantului se reface neincetat.

O ipoteza considera suprafata Pamantului si baza ionosferei armaturile unui imens condensator sferic, care sunt mentinute la o diferenta de potential putin variabila printr-o masina electrostatica de un caracter cu totul special si anume, totalitatea norilor orajosi care actioneaza pe tot globul terestru. Partea inferioara a norilor cedeaza electricitate negativa solului, in timp ce partea superioara cedeaza electricitate pozitiva ionosferei, figura 13.

Masina electrostatica incarca armaturile condensatorului prin doua rezistente R₁ si R₂, care reprezinta rezistentele electrice ale coloanelor de aer nori-sol si nori-ionosfera, fiecare coloana avand sectiunea egala cu aria ocupata de norii orajosi. Daca acest condensator urias nu s-ar descarca continuu, tensiunea dintre pamant si ionosfera ar creste pana la valori enorme. Deoarece sarcina Pamantului se mentine la o valoare constanta inseamna ca acest condensator se descarca in acelasi ritm in care se efectueaza incarcarea.

O alta ipoteza, care incearca sa explice existenta sarcinii electrice superficiale a Pamantului, este cunoscuta sub numele de teoria dinamica a electricitatii atmosferice. Aceasta teorie ia in considerare actiunea dipolului electric format de un nor asupra suprafetei Pamantului. In cazul unui nor sferic incarcat electric, situat intr-un mediu omogen, liniile de camp ale acestuia au o distributie caracteristica unui dipol, figura 14.

In apropiere de suprafata Pamantului, apare o deformare a campului electric creat de norul sferic incarcat electric. Conductibilitatea electrica a solului fiind de 10¹⁴ ori mai mare decat cea a aerului, putem considera ca aerul este izolator, iar solul conductor. In aceste conditii, actiunea campului electric creat de nor determina electrizarea suprafetei Pamantului, figura 15.

In jurul hipocentrului (proiectia centrului norului pe sol) pe o suprafata circulara cu raza de 1,5 ori raza norului, solul este incarcat negativ si liniile de camp sunt orientate in jos.

Campul electric terestru la sol si sub nor este orientat in jos si are o valoare de 10000 V/m pe timp de oraj. In schimb, in zilele senine, el are o valoare medie de 100 V/m, deci de 100 ori mai mic. Rezulta ca si sarcina electrica pe unitatea de suprafata in zonele noroase este de 100 ori mai mare decat cea in zonele senine.

10 Ionizarea atmosferei

10.1 Ionizarea atmosferei prin fotoionizare. Starea de ionizare a aerului se caracterizeaza printr-un continut determinat de ioni, variabil intre anumite limite care sunt conditionate de intensitatea agentilor ionizatori si de factorii meteorologici.

Soarele, izvorul unei uriase energii, emite atat unde electromagnetice cu un spectru larg de frecvente, cat si particule. Radiatiile ultraviolete cu lungimi de unda sub 1000 si radiatia corpusculara constituie principalii agenti ionizatori pentru gazele din atmosfera.

Intensitatea radiatiei ultraviolete care ionizeaza atmosfera Pamantului se calculeaza pe baza legii lui Planck pentru radiatia corpului negru, Soarele fiind considerat un corp absolut negru cu temperatura .

Conform legii lui Planck care da distributia spectrala a energiei radiate de un corp absolut negru la temperatura data T, cantitatea de energie radiata in intervalul de lungimi de unda este:

(24)

unde: reprezinta constanta lui Planck, constanta lui Boltzmann, iar viteza luminii in vid.

Ionizarea atmosferei cu radiatie electromagnetica se face prin fenomenul de fotoionizare. Conform teoriei efectului fotoelectric, cand un foton de energie ciocneste un electron dintr-un atom sau molecula, ii cedeaza acestuia intreaga energie. O parte din energie se consuma pentru extragerea electronului din atom, deci pentru ionizare, necesitand in acest sens, energia de ionizare E_i, iar restul de energie se regaseste sub forma de energie cinetica E_c a electronului:

    (25)

Lungimea de unda maxima la care se mai produce ionizarea, cunoscuta sub numele de lungime de unda de prag sau prag rosu, corespunde conditiei si se poate calcula pe baza relatiei (25) cunoscand energia de ionizare pentru gazele din atmosfera terestra (tabelul alaturat):

Se observa ca cea mai mica energie de ionizare are oxigenul molecular, caruia ii corespunde lungimea de unda de prag cea mai mare situata in ultravioletul scurt. Insa in atmosfera joasa ajung numai radiatii ultraviolete cu lungimea de unda mai mare de 2200 , ceea ce inseamna ca ionizarea cu radiatii ultraviolete se produce numai in atmosfera superioara.

10.2 Ionizarea atmosferei prin radiatia corpusculara. Un alt agent ionizator il reprezinta radiatia corpusculara. Ionizarea aerului cu radiatie corpusculara se realizeaza conform teoriei ciocnirilor: atomul sau molecula se ionizeaza prin ciocnirea cu un corpuscul, daca energia cinetica a corpusculului este cel putin energia de ionizare:

    (26)

Legea conservarii energiei in acest proces se scrie:

    (27)

unde E_c reprezinta electronului eliberat, m masa corpusculului in miscare cu viteza v. Radiatia corpusculara este formata in special din protoni, desi s-au pus in evidenta si nuclee mai grele, ca de exemplu, particulele .

In apropierea solului, cel mai important agent ionizator il formeaza radiatiile emise de substantele radioactive din scoarta Pamantului, insa actiunea lor ionizanta scade rapid in inaltime, datorita drumului mediu al radiatiilor emise.

Ca agenti ionizatori ocazionali sau locali trebuie mentionati: fluxurile de meteoriti, fluxurile puternice de corpusculi emisi in perioada eruptiilor solare care produc si perturbatii atmosferice, pulverizarea apei sau spargerea picaturilor de apa care determina electrizarea aerului si a picaturilor (efect Lenard), furtunile de nisip si zapada, care produc electrizarea nisipului, a cristalelor de gheata si a aerului.

Insa, odata cu fenomenul de ionizare se produce o recombinare a electronilor cu ionii care dau atomi sau molecule. In prima aproximatie, cauza recombinarii este miscarea termica dezordonata a electronilor, ionilor si moleculelor, in asa fel incat electronii si ionii pozitiv se pot apropia mult unii de altii si, sub actiunea fortelor electrostatice de atractie, sa se transforme in atomi sau molecule.

11 Starea electrica a ionosferei

La inaltimi mai mari de 50 km, adica in ionosfera, exista paturi ionizate care reflecta undele electromagnetice, facand posibila propagarea lor la mare distanta. Din acest punct de vedere ionosfera este impartita in sase regiuni: C, D, E, F, heliosfera si protonosfera. Regiunea ionosferica C este in mod obisnuit parte cea mai joasa a ionosferei. Aceste regiuni sunt definite in termenii proceselor prin care sunt formate sau prin tipurile de ioni care ii contin.

In regiunile ionosferice C si D ionii pozitivi sunt in cea mai mare parte NO⁺, iar sarcina negativa este formata din electroni si . In toate regiunile inalte sarcina negativa este reprezentata aproape in intregime din electroni.

In regiunile E si F ionii pozitivi sunt in majoritate sau O⁺ si NO⁺, in heliosfera He⁺ iar in protonosfera H⁺.

Desi regiunile ionosferice nu pot fi delimitate exact, inaltimile conventionale sunt:

limita inferioara a regiunii C este la 50 km;

hotarul dintre regiunile C si D este aproximativ la 70 km;

hotarul intre D si E la 90 km;

hotarul intre E si F la 120-140 km.

Inaltimile granitelor dintre regiunea F si heliosfera, respectiv heliosfera si protonosfera sunt putin cunoscute, dar ele sunt estimate la 500 km, respectiv 800 km. Toate aceste inaltimi variaza mult in raport cu timpul zilei, anotimpul, activitatea solara si geomagnetica, inaltimile cele mai mici corespund noptii si minimului de pete solare (explozii magnetice solare), iar cele mai mari zilei si maximului de pete solare.

Regiunile C si D nu sunt asa de bine cunoscute ca alte regiuni ionosferice, pe de o parte pentru ca noaptea dispar, iar pe de alta parte undele radio pe care le-ar putea reflecta sunt puternic afectate sau absorbite.

Regiunea E este cea mai bine cunoscuta, reprezentand o regiune stabila in ionosfera.

Regiunea F nu este stabila ca inaltime si concentratie de electroni. Vara, regiunea F se descompune in doua straturi; F₁ ( si NO⁺) si F₂ (O⁺).

11.1 Aurorele polare Acest spectacol magnific de culoare are loc datorita materiei expulzate de Soare, in timpul exploziilor solare, ce interactioneaza cu campul magnetic terestru. In urma puternicelor explozii solare sunt expulzate in spatiu particule puternic incarcate energetic (ioni) ce calatoresc prin spatiu cu viteze ce variaza intre 300 si 1200 km/s. Un 'nor' de astfel de particule formeaza plasma. Fluxul de plasma ce vine de la Soare este cunoscut sub numele de vant solar. In timp ce vantul solar interactioneaza cu marginile campului magnetic terestru, unele dintre aceste particule sunt atrase de acesta. Ele urmeaza apoi liniile campului magnetic in jos spre ionosfera, strat atmosferic situat intre 60 si 600 km deasupra scoartei terestre. Cand aceste particule interactioneaza cu gazele din ionosfera produc acest impresionant spectacol de lumini, numit aurora. Cele produse la Polul Nord se numesc Boreale iar cele de la Polul Sud - Australe. Gama de culori variaza intre rosu, verde, albastru si violet.

Luminile sunt in continua 'miscare' datorita acestor interactii dintre vantul solar si campul magnetic terestru. Vantul solar genereaza de obicei puteri electrice pana la 1000000 MW intr-un astfel de spectacol, acest lucru putand cauza interferente cu liniile electrice, transmisiile radio,TV si comunicatiilor prin satelit. Prin studiul aurorelor, cercetatorii pot afla multe despre vantul solar, cum afecteaza acesta atmosfera si cum poate fi folosita aceasta energie degajata in folosul omenirii. In urma observatiilor asupra Soarelui, aurorele pot fi prezise cu destula acuratete.

Dupa aspectul lor, aurorele polare se clasifica in doua categorii:

aurore polare neradiative, care o structura omogena. Pot avea aspectul unor arce imobile, cateodata observandu-se simultan mai multe arce asezate paralel intre ele. Gradul de luminozitate este intotdeauna uniform pe toata intinderea arcului;

aurore polare radiative, care pot fi arce radiante ce par a fi tesute dintr-un numar de raze scurte sau lungi dispuse perpendicular pe arc, sau aurore de flacari, care au aspectul unor unde de lumina puternice care se deplaseaza cu viteza mare spre zenit.

Aurorele polare se disting printr-o repartitie geografica cu totul deosebita; cu cat inaintam spre latitudini mai mari, cu atat se intalnesc mai des. La o anumita latitudine ele ating maximul de dezvoltare, iar apoi devin din nou rare si mai putin intense.

Zona frecventei maxime de aparitie a aurorelor polare din emisfera nordica trece de-a lungul litoralului nordic al Norvegiei, prin Novaia Zemlia, Peninsula Taimir, Alaska de Nord, Canada si capul sudic al Groelandei. Aici, aurorele polare se observa aproape permanent in timpul noptii polare.

Liniile cu aceeasi frecventa de aparitie a aurorelor polare se numesc izohasme. Izohasmele din emisfera sudica reprezinta un fel de imagine in oglinda a izohasmelor din emisfera nordica.

Masuratorile efectuate prin fotografiere sau prin radiolocatie au aratat ca limita inferioara a aurorelor se afla aproximativ la 95-110 km si depinde de intensitatea lor; cu cat aurora este mai intensa cu atat este situata mai jos. Adica, puterea de patrundere in atmosfera a particulelor care provoaca aurorele determina dimensiunile acestora.

Arcele aurorelor polare se intind de obicei de la rasarit la apus, adica pe o directie aproape perpendiculara pe meridianele geomagnetice, iar razele aurorelor polare se aseaza pe directie liniilor campului magnetic terestru.

Observatiile asupra aurorelor polare si asupra furtunilor magnetice provocate de petele solare au aratat ca ele apar deseori impreuna. Aurorele polare, ca si furtunile magnetice au tendinta sa se repete la fiecare 27 zile, ceea ce corespunde unei rotatii a Soarelui in raport cu Pamantul si au acelasi ciclu de 11 ani ca si activitatea solara. Totusi, petele solare prin ele insele nu constituie cauza aurorelor polare si a furtunilor magnetice, dar exista o corelatie intre ele. O dependenta stransa s-a descoperit intre aurorele polare si exploziile solare intense datorita ionizarii aerului de radiatia X generata in zona exploziei.

12 Electrizarea norilor

Perioada in care fenomenele atmosferice sunt insotite de descarcari electrice se numeste timp de oraj. Pe timp de oraj, starea electrica normala a atmosferei se modifica, datorita aparitiei marilor concentratii de sarcini electrice reprezentate de norii orajosi. Sub influenta campurilor electrice ale acestor mari concentratii de sarcini electrice, campul electric terestru creste considerabil. In acelasi timp, curentul electric de precipitatii creat de sarcinile electrice transportate de nori, ca si descarcarile electrice prin varfurile norilor si cele dintre nori si sol maresc considerabil transportul de sarcini electrice intre atmosfera si pamant. De asemenea, conductibilitatea electrica a aerului creste prin aparitie de noi agenti de ionizare, precum descarcarile prin varfuri, trasnetul si spargerea picaturilor de ploaie prin caderea lor la sol.

Fenomenele electrice pe timp de oraj sunt caracteristice norilor Cumulonimbus si apar cand aerul contine o mare cantitate de vapori de apa. Norii Cumulonimbus sunt mase de nori inferiori cu o mare extensiune pe directie verticala, varfurile lor strapungand uneori tropopauza. In medie, extensiunea verticala a acestor nori este de ordinul 6-8 km, iar pe orizontala de 10-15 km. Inaltimea deasupra solului a bazei norului este de aproximativ 2 km. Astfel de nori se produc mai ales in timpul verii, in cursul dupa amiezilor calduroase, deasupra uscatului si noaptea deasupra marilor.

Norii orajosi, ca si orice alt nor in general, nu pot fi considerati drept corpuri conductoare. Ionii care iau nastere in nor se fixeaza pe particule solide (cristale de gheata) si pe picaturile de apa, ceea ce nu permite o conductibilitate apreciabila.

Distributia sarcinilor electrice in interiorul norului se poate deduce din actiunea pe care o are norul asupra campului electric terestru. Din acest punct de vedere, experientele arata ca norii orajosi se pot clasifica in urmatoarele trei categorii:

nori pozitivi-polari, contin sarcini electrice pozitive in partea superioara, respectiv sarcini electrice negative in partea inferioara, figura 16, a;

nori negativi-polari, contin sarcini electrice pozitive in partea inferioara, respectiv sarcini electrice negative in partea superioara, figura 16, b;

nori tripolari, contin sarcini electrice pozitive in partea de mijloc a norului, inconjurat de sarcini electrice negative, figura 16, c.

Cand depozitele de sarcini electrice pozitiva si negativa devin suficient de mari, se produc descarcarile electrice. Producerea sarcinilor electrice continua, insa, drept urmare depozitele de sarcini electrice se refac repede, dand nastere la alte descarcari electrice.

Privitor la mecanismul generarii de sarcina electrica in nori, respectiv mecanismul separarii sarcinilor electrice, nici la ora actuala nu exista o teorie generala si exact demonstrabila. Dintre principalele teorii privitoare la aceste doua mecanisme, amintim:

Sub actiunea campului electric terestru normal picaturile de apa se incarca pozitiv in partea lor inferioara si negativ in cea superioara, figura 17.

Picaturile mai mari si deci mai grele se deplaseaza in jos, intalnindu-se cu picaturi mici purtate de curenti ascendenta. Prin ciocnire, picaturile mari cedeaza o parte din sarcina lor pozitiva picaturilor mici, care apoi isi continua drumul in sus. In acest fel, sarcinile negative ramase in exces pe picaturile mari se aduna in partea inferioara a norului, iar sarcinile pozitive se aduna in partea sa superioara. Separarea sarcinilor electrice este un efect al gravitatiei. Caderea picaturilor mari inceteaza cand se stabileste un echilibru intre forta electrica si cea gravitationala.

Aceasta teorie se bazeaza pe ipoteza ca fortele electrice care actioneaza asupra picaturilor de apa sunt mici in comparatie cu fortele gravitationale. Daca insa aceste forte sunt suficient de mari, separarea sub influenta fortei gravitationala este imposibila.

Curentii de aer din interiorul norului produc pulverizarea picaturilor care, conform efectului Lenard, se electrizeaza pozitiv, iar aerul inconjurator, negat Picaturile coboara la baza norului, iar aerul electrizat negativ se ridica in partile superioare. Acest proces se poate produce numai in zonele noroase unde temperatura este pozitiva. Astfel se poate explica existenta sarcinii electrice pozitive in regiunea inferioara a unor nori, figura 18.

Sub actiunea campului electric terestru normal, picaturile se incarca negativ in partea superioara si pozitiv in cea inferioara. Picaturile mari care cad colecteaza ionii negativi si resping pe cei pozitivi. In cazul picaturilor mici, care urca sub actiunea curentilor ascendenti, acestea atrag atat ionii pozitivi cat si pe cei negativi, dar numarul ionilor pozitivi va fi mai mare datorita franarii lor de catre campul electric terestru, figura 19.

Consideratii despre existenta diferentei de potential dintre faza solida si cea lichida a apei au aratat ca orice schimbare de faza este insotita de fenomene de electrizare. Astfel, pe picaturile sau particulele solide de apa, in echilibru electrostatic, apare sarcina electrica pozitiva daca picatura este in evaporare si negativa, daca este in curs de condensare. Acestor sarcini electrice le corespund in aerul inconjurator sarcini electrice egale si de semn contrar. Separarea sarcinilor se face prin coborarea picaturilor si ridicarea aerului.

Dintre toate aceste teorii ca si altele care se ocupa cu procesul de formare a electricitatii in nori, nici una nu s-a dovedit a fi destul de convingatoare pentru a explica mecanismul electrizarii in norii orajosi.

13 Descarcarile electrice din atmosfera

Descarcarile electrice din atmosfera sunt scantei electrice care se produc fie intre doi nori (fulgerul), fie intre un nor si un obiect in stare solida (trasnetul).

Dupa natura lor, descarcarile electrice atmosferice pot fi:

Descarcari intre nori, avand aspectul unei urme luminoase a carei lungime este in jur de 15 km;

Descarcari in interiorul norilor, care se produc intre centre de sarcini de semn contrar din interiorul aceluiasi nor;

Descarcari care nu ating solul. Sunt de obicei descarcari progresive in salturi, neutralizate de sarcina spatiala dintre nor si sol;

Descarcari prin partile superioare ale norilor, dirijate in sus. Asemenea descarcari se observa rar si au aspectul unei lumini difuze care apare in partile superioare ale norilor;

Descarcari intre nor si pamant, numite trasnete, sau fulgere de pamant;

Descarcari luminoase prin varfuri, bazate pe efectul corona, care apar cand campul electric atinge valori de ordinul 10⁵ V/m. Acestea dau nastere la fenomene luminoase cunoscute sub numele de focurile Sf. Elm.

Dupa forma exterioara, fulgerele pot fi:

a)    Fulgere liniare, alcatuite din fascicule in forma de benzi subtiri, stralucitoare, ramificate ori sinuoase si care se succed la intervale de sutimi de secunda. Datorita persistentei pe retina ochiului, ele dau impresia unor fasii continue. Aceste fulgere sunt cele mai des observate;

b)   Fulgere ramificate, care apar sub forma unui canal frant, cu lumina stralucitoare si o multime de ramificatii ce strapung intreaga distanta de descarcare;

c)    Fulgere in forma de banda, care au aspectul unor canale paralele, luminoase, cu putine ramificatii, de obicei contopite intre ele;

d)   Fulgere in forma de racheta, care seamana cu o dara de racheta. Se intalneste rar si se dezvolta relativ incet;

e)    Fulgere plate (difuze), au forma unei luminiscente rosiatice ce apare pe o portiune mai mare sau mai mica dintr-un nor orajos;

f)    Fulgere globulare, apar sub forma unor sfere stralucitoare de culoare alba sau rosiatica, care plutesc in aer si produc un suierat sau bazait. Sunt cazuri cand fulgerele globulare apar si in absenta norilor orajosi. Disparitia lor se poate face lent, insotita de o usoara paraitura, sau brusc, cand se produce o explozie puternica cu efecte distructive. Diametru lor este de 10-15 cm in apropierea pamantului, sau poate atinge cativa metri in atmosfera libera. Durata lor poate fi de la cateva fractiuni de secunda pana la cateva minute. Se deplaseaza de obicei independent de curentul de aer, deseori de-a lungul obiectelor bune conductoare de electricitate, cu o viteza de aproximativ 2 m/s. Relativ la natura fulgerelor globulare se fac mai multe ipoteze:

Fulgere globulare sunt formate din diferite gaze (oxigen, hidrogen), care sub actiunea fortelor electrice se aduna sub forma unui ghem;

Fulgere globulare sunt alcatuite din vartejuri de gaze care se mentin sub actiunea fortelor de tensiune superficiala. In interiorul acestora au loc reactii chimice care mentin temperaturi ridicate;

Fulgere globulare reprezinta zone de ardere ale unui gaz (hidrogen, propan) aflat in aer. In acest sens s-a demonstrat experimental ca, daca intr-un volum de aer se gaseste un asemenea gaz intr-o proportie de 3,8-9%, la trecerea unei scantei electrice se formeaza o mica sfera stralucitoare, care ulterior se transforma intr-un norisor luminiscent.

g)   Fulgere in forma de boabe (matanii), care sunt observate destul de rar. De obicei ele fac trecerea de la fulgerele liniare la cele globulare. Astfel de descarcari electrice se presupune ca ar fi rezultatul unor iluzii optice, in sensul ca descarcarea prezinta in timp, in propagarea ei, diferite intensitati luminoase. Distanta dintre boabe este aproximativ egala cu 1 m, iar diametrul lor poate atinge cativa centimetri. Durata de existenta a unui fulger in matanii nu depaseste o secunda.

14 Paratrasnetul

Principiile de protectie a instalatiilor, cladirilor, cu ajutorul paratrasnetului au ramas aproape neschimbate din anul 1750, cand B. Franklin a realizat primul paratrasnet dintr-un stalp inalt cu varf ascutit, metalic, legat la pamant.

Daca un nor incarcat cu sarcina electrica negativa trece deasupra unui paratrasnet inaltat mult deasupra solului si avand potentialul pamantului considerat egal cu zero, paratrasnetul se va incarca prin inductie electrostatica cu sarcina electrica pozitiva. Datorita varfului ascutit, intensitatea campului electric in jurul lui va fi foarte mare, ionizand aerul dintre nor si paratrasnet. Acest lucru determina efectul de descarcare dintre nor si paratrasnet. Se realizeaza astfel o descarcare electrica dirijata intre nor si pamant prin intermediul paratrasnetului, realizand astfel o zona de protectie la fulgere de pamant (trasnete), adica zona cuprinsa in jurul paratrasnetului in care un obiect este protejat de loviturile directe de trasnet, datorita orientarii acestuia spre varful paratrasnetului.

Instalatia de paratrasnet se compune din patru elemente constructive principale:

elementul de captare, care primeste nemijlocit lovitura de trasnet;

elementul de coborare (de conducere spre pamant) a curentului electric de trasnet;

dispozitivul de pamantare sau priza de legare la pamant;

legaturi electrice intre partile metalice ale constructiei si priza de pamant pentru uniformizarea potentialului pamantului.

Paratrasnetele pot fi verticale, de tip Franklin, figura 20 a, sau orizontale, figura 20 b, ambele tipuri reprezentand aparate pasive.

Datorita amplitudinii intensitatii curentului de trasnet de circa 150 kA si a intensitatii campului electric de circa 500 kV/m, se determina o distanta minima intre paratrasnet si obiectul de protejat. Aceasta nu poate fi mai mica de 3 metri. In perioada scurgerii la pamant a curentului de trasnet in instalatia de trasnet si in zonele adiacente de pe suprafata pamantului apar potentiale inalte, cel mai inalt fiind pe elementul de captare. Acestea pot fi periculoase pentru om, chiar fara ca omul sa atinga vreo piesa metalica din instalatia de paratrasnet. Daca picioarele lui se afla la distante diferite, x si y, de priza de pamant intre ele va apare o diferenta de potential, denumit tensiune de pas, exprimata prin relatia:

(28)

Aceasta tensiune devine nesemnificativa daca prizele de pamant se amplaseaza cat mai departe (cel putin 5 metri) de drumuri sau alei circulate, sau daca conductorul de coborare si priza de pamant se ingradesc. Din acelasi motiv aceste doua elemente ale paratrasnetului se amplaseaza cat mai departe de intrarea in cladirea protejata.