Atmosferische elektriciteit

Atmosferische elektriciteit beschrijft de elektrische ladingen in de atmosfeer van de aarde (of die van een andere planeet). De beweging van lading tussen het aardoppervlak, de atmosfeer en de ionosfeer staat bekend als het mondiale atmosferische elektrische circuit. Atmosferische elektriciteit is een interdisciplinair onderwerp met een lange geschiedenis, waarbij concepten uit de elektrostatica, atmosferische fysica, meteorologie en aardwetenschappen betrokken zijn.

Onweersbuien fungeren als een gigantische batterij in de atmosfeer en laden de elektrosfeer op tot ongeveer 400.000 volt ten opzichte van het oppervlak. Hierdoor ontstaat er een elektrisch veld in de atmosfeer, dat afneemt naarmate de hoogte toeneemt. Atmosferische ionen gecreëerd door kosmische straling en natuurlijke radioactiviteit bewegen zich in het elektrische veld, zodat er een zeer kleine stroom door de atmosfeer stroomt, zelfs buiten de buurt van onweersbuien. Dichtbij het aardoppervlak is de sterkte van het veld gemiddeld ongeveer 100 V/m, zodanig georiënteerd dat het positieve ladingen naar beneden drijft.

Atmosferische elektriciteit omvat zowel onweersbuien, die bliksemschichten creëren die snel grote hoeveelheden atmosferische lading ontladen die zijn opgeslagen in stormwolken, als de voortdurende elektrificatie van de lucht als gevolg van ionisatie door kosmische straling en natuurlijke radioactiviteit,
die ervoor zorgen dat de atmosfeer nooit helemaal neutraal is.

Afbeelding rechts: Bliksem van wolk naar aarde. Doorgaans ontlaadt bliksem 30.000 ampère, bij een spanning tot 100 miljoen volt, en zendt het licht, radiogolven, röntgenstraling en zelfs gammastraling uit. Plasmatemperaturen bij bliksem kunnen de 28.000 Kelvin benaderen.

Geschiedenis

Vonken afkomstig van elektrische machines en uit Leidse potten suggereerden de vroege onderzoekers Hauksbee, Newton, Wall, Nollet en Gray dat bliksem werd veroorzaakt door elektrische ontladingen. In 1708 was Dr. William Wall een van de eersten die observeerde dat vonkontladingen op miniatuurbliksem leken, nadat hij de vonken van een geladen stuk barnsteen had waargenomen.

De experimenten van Benjamin Franklin toonden aan dat de elektrische verschijnselen in de atmosfeer niet fundamenteel verschilden van die welke in het laboratorium werden geproduceerd, door veel overeenkomsten tussen elektriciteit en bliksem op te sommen. In 1749 observeerde Franklin dat bliksem bijna alle eigenschappen bezat die waarneembaar waren in elektrische machines.

In juli 1750 veronderstelde Franklin dat elektriciteit uit wolken kon worden gehaald via een hoge metalen antenne met een scherpe punt. Voordat Franklin zijn experiment kon uitvoeren, richtte Thomas-François Dalibard in 1752 een ijzeren staaf van 12 meter op in Marly-la-Ville, nabij Parijs, waarbij hij vonken uit een passerende wolk trok. Met op de grond geïsoleerde antennes kan een onderzoeker een geaarde kabel met een geïsoleerd washandvat dicht bij de antenne brengen en een vonkontlading van de antenne naar de aardingsdraad waarnemen. In mei 1752 bevestigde Dalibard dat Franklins theorie juist was.

Rond juni 1752 voerde Franklin naar verluidt zijn beroemde vliegerexperiment uit. Het vliegerexperiment werd herhaald door Romas, die uit een metalen touw vonken van 2,7 m lang trok, en door Cavallo, die veel belangrijke observaties deed over atmosferische elektriciteit. Lemonnier reproduceerde in 1752 ook Franklins experiment met een antenne, maar verving de aarddraad door enkele stofdeeltjes (aantrekking testen). Vervolgens documenteerde hij de mooie weersomstandigheden, de elektrificatie van de atmosfeer op heldere dagen en de dagelijkse variatie ervan.
Beccaria bevestigde in 1775 de dagelijkse variatiegegevens van Lemonnier en stelde vast dat de ladingspolariteit van de atmosfeer positief was bij mooi weer. Saussure registreerde in 1779 gegevens met betrekking tot de geïnduceerde lading van een geleider in de atmosfeer. Het instrument van Saussure (dat twee kleine bolletjes bevatte die parallel aan twee dunne draden waren opgehangen) was een voorloper van de elektrometer.
Saussure ontdekte dat de atmosferische elektrificatie onder heldere weersomstandigheden een jaarlijkse variatie kende, en dat deze ook varieerde met de hoogte. In 1785 ontdekte Coulomb de elektrische geleidbaarheid van lucht. Zijn ontdekking was in strijd met de destijds heersende gedachte dat de atmosferische gassen isolatoren waren (wat ze tot op zekere hoogte ook zijn, of in ieder geval niet erg goede geleiders als ze niet geïoniseerd zijn). Erman theoretiseerde in 1804 dat de aarde negatief geladen was, en Peltier in 1842 testte en bevestigde Ermans idee.

Verschillende onderzoekers hebben bijgedragen aan de groeiende hoeveelheid kennis over atmosferische elektrische verschijnselen. Francis Ronalds begon rond 1810 met het observeren van de potentiële gradiënt- en lucht-aardestromingen, inclusief het maken van continue geautomatiseerde opnames. Hij hervatte zijn onderzoek in de jaren 1840 als de inaugurele eredirecteur van het Kew Observatorium, waar de eerste uitgebreide en uitgebreide dataset van elektrische en daarmee samenhangende meteorologische parameters werd gecreëerd. Hij leverde zijn apparatuur ook aan andere faciliteiten over de hele wereld met als doel atmosferische elektriciteit op wereldschaal in kaart te brengen. Kelvin's nieuwe waterdruppelcollector en elektrometer met gedeelde ringen werden in de jaren 1860 geïntroduceerd bij het Kew Observatorium, en atmosferische elektriciteit bleef tot de sluiting een specialiteit van het observatorium. Voor metingen op grote hoogte werden ooit vliegers gebruikt, en weerballonnen of aerostaten worden nog steeds gebruikt om experimentele apparatuur de lucht in te tillen. Vroege onderzoekers gingen zelfs zelf
de lucht in in luchtballonnen.

Hoffert identificeerde in 1888 individuele neerwaartse blikseminslagen met behulp van vroege camera's. Elster en Geitel, die ook aan thermionische emissie werkten, stelden in 1885 een theorie voor om de elektrische structuur van onweersbuien te verklaren en ontdekten later in 1899 atmosferische radioactiviteit uit het bestaan van positieve en negatieve ionen in de atmosfeer. Pockels schatte in 1897 de intensiteit van de bliksemstroom door bliksemflitsen in basalt te analyseren (ca. 1900) en de overgebleven magnetische velden te bestuderen die door bliksem
worden veroorzaakt. Ontdekkingen over de elektrificatie van de atmosfeer via gevoelige elektrische instrumenten en ideeën over hoe de negatieve lading van de aarde in stand wordt gehouden, werden voornamelijk in de 20e eeuw ontwikkeld, waarbij CTR Wilson een belangrijke rol speelde.
Het huidige onderzoek naar atmosferische elektriciteit richt zich voornamelijk op bliksem, met name hoogenergetische deeltjes en voorbijgaande lichtgevende gebeurtenissen, en de rol van elektrische processen die niet met onweer gepaard gaan, in weer en klimaat.

Beschrijving

Atmosferische elektriciteit is altijd aanwezig, en bij mooi weer, weg van onweersbuien, is de lucht boven het aardoppervlak positief geladen, terwijl
de oppervlaktelading van de aarde negatief is. Dit kan worden begrepen in termen van een potentiaalverschil tussen een punt op het aardoppervlak
en een punt ergens in de lucht erboven. Omdat het atmosferische elektrische veld bij mooi weer negatief gericht is, wordt er naar de afspraak verwezen naar de potentiële gradiënt, die het tegenovergestelde teken heeft en aan de oppervlakte ongeveer 100 V/m bedraagt, weg van onweersbuien. Er is een zwakke geleidingsstroom van atmosferische ionen die in het atmosferische elektrische veld bewegen,
ongeveer 2 picoampère per vierkante meter, en de lucht is zwak geleidend vanwege de aanwezigheid van deze atmosferische ionen.

Variaties

Mondiale dagelijkse cycli in het atmosferische elektrische veld, met een minimum rond 03 UT en een piek ongeveer 16 uur later, werden in de 20e eeuw onderzocht door het Carnegie Institution of Washington. Deze variatie in de Carnegie-curve is beschreven als de fundamentele elektrische hartslag van de planeet.

Zelfs buiten onweersbuien kan de atmosferische elektriciteit zeer variabel zijn, maar over het algemeen wordt het elektrische veld versterkt in mist
en stof, terwijl de elektrische geleidbaarheid van de atmosfeer afneemt.

Verbindingen met biologie

De atmosferische potentiaalgradiënt leidt tot een ionenstroom van de positief geladen atmosfeer naar het negatief geladen aardoppervlak. Op een dag met heldere hemel is de atmosferische potentiaalgradiënt boven een vlak veld ongeveer 120 V/m. Voorwerpen die uit deze velden steken, b.v. bloemen en bomen kunnen de elektrische veldsterkte verhogen tot enkele kilovolt per meter. Deze elektrostatische krachten dichtbij het oppervlak worden gedetecteerd door organismen zoals de hommel om naar bloemen te navigeren en de spin om verspreiding te initiëren door ballonvaren. Aangenomen wordt dat de atmosferische potentiaalgradiënt ook de ondergrondse elektrochemie en microbiële processen beïnvloedt.
Aan de andere kant kunnen zwermen insecten en vogels een bron zijn van biogene lading in de atmosfeer, wat waarschijnlijk bijdraagt aan een bron van elektrische variabiliteit in de atmosfeer.

Dichtbij de ruimte

De elektrosfeerlaag (van tientallen kilometers boven het aardoppervlak tot aan de ionosfeer) heeft een hoge elektrische geleidbaarheid en bevindt zich in wezen op een constant elektrisch potentieel. De ionosfeer is de binnenrand van de magnetosfeer en is het deel van de atmosfeer dat wordt geïoniseerd door zonnestraling. Foto-ionisatie is een fysisch proces waarbij een foton invalt op een atoom, ion of molecuul, resulterend in de
uitstoot van een of meer elektronen.

Kosmische straling

De aarde, en bijna alle levende wezens daarop, worden voortdurend gebombardeerd door straling uit de ruimte. Deze straling bestaat voornamelijk uit positief geladen ionen van protonen tot bronnen van ijzer en grotere kernen buiten het zonnestelsel. Deze straling interageert met atomen in de atmosfeer en creëert een luchtregen van secundaire ioniserende straling, waaronder röntgenstraling, muonen, protonen, alfadeeltjes, pionen en elektronen. Ionisatie door deze secundaire straling zorgt ervoor dat de atmosfeer zwak geleidend is, en de lichte stroom die deze ionen over het aardoppervlak vloeien, balanceert de stroom die door onweersbuien ontstaat. Ionen hebben karakteristieke parameters zoals mobiliteit, levensduur en generatiesnelheid die variëren met de hoogte.

Onweersbuien en bliksem

Het potentiaalverschil tussen de ionosfeer en de aarde wordt in stand gehouden door onweersbuien, waarbij blikseminslagen negatieve ladingen van de atmosfeer naar de grond overbrengen.

Botsingen tussen ijs en zachte hagel (graupel) in cumulonimbuswolken veroorzaken scheiding van positieve en negatieve ladingen in de wolk, essentieel voor het genereren van bliksem. Hoe bliksem zich in eerste instantie vormt, is nog steeds een kwestie van discussie: wetenschappers hebben de onderliggende oorzaken bestudeerd, variërend van atmosferische verstoringen (wind, vochtigheid en atmosferische druk) tot de impact van zonnewind en energetische deeltjes.

Een gemiddelde bliksemschicht voert een negatieve elektrische stroom van
40 kiloampère (kA) mee (hoewel sommige bliksemschichten wel 120 kA kunnen zijn), en brengt een lading van vijf coulombs en een energie van
500 MJ over, oftewel genoeg energie om een 100 watt-apparaat van stroom te voorzien. gloeilamp voor iets minder dan twee maanden. De spanning hangt af van de lengte van de bout, waarbij de diëlektrische doorslag van lucht drie miljoen volt per meter bedraagt, en bliksemschichten vaak enkele honderden meters lang zijn.

Wereldkaart met de frequentie van blikseminslagen, in flitsen per km² per jaar (projectie met gelijke oppervlakte). Blikseminslagen komen het vaakst voor in de Democratische Republiek Congo.

De ontwikkeling van bliksemleiders is echter niet eenvoudigweg een kwestie van diëlektrische doorslag, en de elektrische omgevingsvelden die nodig zijn voor de voortplanting van bliksemleiders kunnen een paar ordes van grootte kleiner zijn dan de diëlektrische doorslagsterkte. Verder ligt de potentiële gradiënt binnen een goed ontwikkeld retourslagkanaal in de orde van honderden volts per meter of minder als gevolg van intense kanaalionisatie, resulterend in een werkelijk uitgangsvermogen in de orde van megawatts per meter voor een krachtige retourstroom. slagstroom van 100 kA.

Bliksemreeks (duur: 0,32 seconden)

Als bekend is hoeveel water er in een wolk wordt gecondenseerd en vervolgens neerslaat, kan de totale energie van een onweersbui worden berekend. Bij een gemiddelde onweersbui bedraagt de energie die vrijkomt ongeveer 10.000.000 kilowattuur (3,6 x 1013 joule), wat overeenkomt met een kernkop van 20 kiloton. Een grote, zware onweersbui kan 10 tot 100 keer energieker zijn.

Corona-ontladingen

Sint-Elmovuur is een elektrisch fenomeen waarbij lichtgevend plasma wordt gecreëerd door een coronale ontlading afkomstig van een geaard object. Bolbliksem wordt vaak ten onrechte geïdentificeerd als St. Elmo's vuur, terwijl het afzonderlijke en verschillende verschijnselen zijn. Hoewel het 'vuur' wordt genoemd, is St. Elmo's vuur in feite plasma en wordt het, meestal tijdens een onweersbui, waargenomen op de toppen van bomen, torenspitsen of andere hoge voorwerpen, of op de hoofden van dieren, als een penseel. of ster van licht.

Corona wordt veroorzaakt doordat het elektrische veld rond het object in kwestie de luchtmoleculen ioniseert, waardoor een zwakke gloed ontstaat die gemakkelijk zichtbaar is bij weinig licht. Er is ongeveer 1.000 – 30.000 volt per centimeter nodig om St. Elmo's vuur te veroorzaken; dit is echter afhankelijk van de geometrie van het betreffende object. Scherpe punten hebben doorgaans lagere spanningsniveaus nodig om hetzelfde resultaat te bereiken, omdat elektrische velden meer geconcentreerd zijn in gebieden met een hoge kromming, waardoor ontladingen intenser zijn aan het uiteinde van puntige voorwerpen. St. Elmo's vuur en normale vonken kunnen beide verschijnen wanneer een hoge elektrische spanning een gas beïnvloedt. St. Elmo's vuur wordt gezien tijdens onweersbuien wanneer de grond onder de storm elektrisch geladen is en er sprake is van hoge spanning in de lucht tussen de wolk en de grond. De spanning scheurt de luchtmoleculen uiteen en het gas begint te gloeien. De stikstof en zuurstof in de atmosfeer van de aarde zorgen ervoor dat Sint-Elmovuur fluoresceert met blauw of violet licht; dit is vergelijkbaar met het mechanisme dat ervoor zorgt dat neonreclames gaan gloeien.

Een afbeelding (rechts) van atmosferische elektriciteit in een stofstorm op Mars, die is voorgesteld als een mogelijke verklaring voor raadselachtige chemieresultaten van Mars

Resonantie holte van de aarde-ionosfeer

De Schumann-resonanties zijn een reeks spectrumpieken in het extreem lage frequentiegedeelte (ELF) van het elektromagnetische veldspectrum van de aarde. Schumann-resonantie wordt veroorzaakt doordat de ruimte tussen het aardoppervlak en de geleidende ionosfeer als golfgeleider fungeert. De beperkte afmetingen van de aarde zorgen ervoor dat deze golfgeleider fungeert als resonantieholte voor elektromagnetische golven. De holte wordt op natuurlijke wijze opgewonden door energie van blikseminslagen.

Aarding van het elektrische systeem

Atmosferische ladingen kunnen een ongewenste, gevaarlijke en mogelijk dodelijke opbouw van lading veroorzaken in hangende stroomdistributiesystemen voor elektriciteitsdraden. Blanke draden die vele kilometers in de lucht hangen en geïsoleerd zijn van de grond, kunnen bij hoge spanning zeer grote opgeslagen ladingen verzamelen, zelfs als er geen onweer of bliksem plaatsvindt. Deze lading zal proberen zichzelf te ontladen via de weg met de minste isolatie, wat kan gebeuren wanneer iemand zijn hand uitstrekt om een aan/uit-schakelaar in te schakelen of een elektrisch apparaat te gebruiken.

Om de opbouw van atmosferische lading af te voeren, is één kant van het elektrische distributiesysteem op veel punten in het distributiesysteem
met de aarde verbonden, net zo vaak als op elke steunpaal. De ene met de aarde verbonden draad wordt gewoonlijk de beschermende aarde genoemd en biedt een pad waarlangs het ladingspotentieel kan verdwijnen zonder schade te veroorzaken, en biedt redundantie voor het geval een van de aardpaden slecht is als gevolg van corrosie of een slechte aardgeleiding. . De extra elektrische aardingsdraad die geen stroom voert, vervult een secundaire rol en zorgt voor een kortsluitpad met hoge stroomsterkte om snel zekeringen te laten doorbranden en een beschadigd apparaat veilig te maken, in plaats van dat een niet-geaard apparaat met beschadigde isolatie "elektrisch onder spanning" komt te staan via de elektriciteitsnet en gevaarlijk bij aanraking.

Elke transformator in een wisselstroomdistributienet segmenteert het aardingssysteem in een nieuwe afzonderlijke circuitlus. Deze afzonderlijke netwerken moeten ook aan één kant worden geaard om te voorkomen dat zich daarin lading opbouwt ten opzichte van de rest van het systeem, wat schade zou kunnen veroorzaken door ladingspotentialen die via de transformatorspoelen worden ontladen naar de andere geaarde kant van het distributienetwerk.

Bronnen: Wikipedia-nl, Wikipedia-en, Wikipedia-de, Wikipedia-fr, Wikipedia-es

Categorieën: Meteorologische instrumenten I Weer A tot Z