Атмосферная электростанция

Для абсолютно ясной погоды, в районе экватора, вертикальная напряженность электрического поля у поверхности моря составляет ~ 130 вольт на метр. То есть, подняв руки над головой, вы получите между пальцами и ботинками, разницу напряжений, равную амплитудному напряжению в обычной розетке, около 310 вольт. Почему этого никто не замечает? Во-первых, тело - проводящий объект и его потенциал почти совпадает с потенциалом грунта. Во-вторых, воздух - отличный изолятор и электрический ток через него протекает при гораздо более высоких напряженностях. Порядка 30 киловольт/см, ага... И даже в этом случае сила тока, через воздух, неприлично мала, миллиамперы и доли миллиампера. Кто был в горах и видел, как на пальцах и остриях возникают, в непогоду, "огни святого Эльма" - тот знаком с предельным вариантом атмосферного электричества. А лично мне такие огни ещё в школе показывали, с помощью электрической машины. Стоишь себе на диэлектрическом табурете, в затемненном классе, кто-то крутит ручку агрегата, а у тебя - волосы во все стороны торчком и на растопыренных руках горят синие коронные разряды. М-дя... А если, на ту же "электрическую табуретку" поставить девчонку с длинными волосами - зрелище отпадное. Поле раздвигает прическу, "снопом" во все стороны, каждая волосинка отдельно... Визг, крики, искры...

Тот же самый эффект можно получить и совсем простыми, почти домашними средствами. Достаточно иметь под рукой высокий громоотвод или запустить в небо, на металлической проволоке, воздушный шар или змея. Простейшая арифметика. Если с каждым метром напряжение возрастает на 100-200 вольт, то уже в нескольких десятках метров над землей возникают условия для пробоя воздуха электрическим разрядом.

Можно посчитать и конкретно. Формулу громоотвода знаете? Ну, же! Ладно... понимаю, вам это в жизни никогда бы не пригодилось, потому и голову ерундой не забивали... Кто же знал, что фортуна задом повернется? Хорошо, напоминаю - "Громоотвод защищает от атмосферного разряда (молнии) площадку, в виде окружности, описанной вокруг его основания, с радиусом равным его высоте". Почему? Потому, что громоотвод является концентратором напряжения, и все силовые линии атмосферного электрического поля, которые ранее равномерно распределялись по оной площадке, теперь "стянулись" к его вершине. Туда же, при случае, ударит из грозовой тучи молния. Навстречу развивающемуся с вершины громоотвода "лидеру". В смысле, сначала над его возвышенной частью возникнет коронный разряд, а уже оттуда потянет цепочку ионов воздуха, достаточную для пробоя молнии "линейного" типа. Господи, ребята, ну почему же у вас такие хмурые рожи?

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?

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.

Возвращаемся к тому, с чего начали. Есть палка. На палке - изолированный провод к самой вершине. На конце провода - ионизатор воздуха. Да всё равно, какой... Абсолютно без разницы... Коронный разряд, накаленная проволочка, язык открытого пламени, кусок радиоактивного изотопа... Главное, что бы вокруг этого возвышенного проводника, назовем его "приемником", в атмосфере постоянно создавался избыток ионов. Свободных носителей зарядов. Ага, вижу, начинает доходить...

Воздух - субстанция подвижная. Если заряд покинул проводник и вырвался в атмосферу, то дальше его судьба нам безразлична. Поле электрическое, само собой, его по правильному адресу утащит. А раз есть поток зарядов, то в цепи течет электрический ток. Ну да, через воздух... Сила этого тока зависит только от производительности ионизатора. Сколько он ежесекундно носителей зарядов за пределы металла выбросит, столько кулонов электричества через этот проводник и протечет. Какое ещё сопротивление воздуха? А нет его, практически. Можно считать равным нулю. Всё равно, как подключились к стратосфере напрямую, все 400 киловольт небесного напряжения, висящих над головой, у нас словно бы сидят на конце громоотвода...

Непонятно? Ох, ребята и девчата, какие же вы все... Ладно, поясняю насчет сопротивления воздуха. От противного... Знаете, что такое заземление? Ну да, железный штырь, вбитый в грунт, для отвода тока от защищаемого оборудования. Если туда что попало - всё "замкнет" на землю и пропадет в земле безопасно. Теперь вопрос на засыпку. Какую величину имеет сопротивление заземления? Ну да, если взять парочку одинаковых заземлений, измерить сопротивление между ними и разделить надвое, как раз получим нужную величину. Так сколько? А вот и нет! Хорошее заземление должно иметь сопротивление порядка Ома. Да-с. В любом грунте, даже в сухом песке или скальной породе. А не волнует, сопротивление материала. Во-во... Главное - обеспечить хороший контакт с объемом пускай и плохо проводящего материала. Земля-то - она большая. Следовательно, сопротивление Земли стремится к нулю, а все потери на сопротивление - только в точке контакта с землей. Там, где носители зарядов движутся достаточно плотно. И - всё проблемы решены. Площадь сечения самого плохого "проводника", при растекании тока в объеме, с удалением от заземлителя, возрастает, как квадрат расстояния. В геометрической прогрессии... Очень быстро. И так же быстро падает его электрическое сопротивление. С непривычки - кажется парадоксом...

Когда на верхнем конце нашего "атмосферного генератора" работает ионизатор, его сопротивление, относительно атмосферы, тоже стремится к нулю. Точнее, пренебрежимо мало. Объемный эффект, как и в случае заземления в грунте. Сила тока в цепи зависит только от производительности ионизатора.. Удобно...

Нет, горелку на верхний конец токоприемника мы громоздить не будем. И петарду - не будем. И куска радиоактивного элемента у нас нет. Оно и к лучшему, кстати... При разряде, в газовой среде, электроды теряют вес. На каждый ампер-час протекшего через газ заряда плазмой распыляется примерно кубический сантиметр материала электрода. Состав его значения не имеет. Нету стойких к плазмо-химии материалов... Хоть вольфрам ставь, хоть кремний, хоть графит. Всё горит и окисляется. Догадались? Если поставить на верхушку радиоактивный источник, то атмосферная коррозия его скоренько разъест до дыр и вся гадость распылится в окружающей среде, осядет вокруг тонким равномерным слоем. Оно нам надо? Живите проще.

Расходным набалдашником для приемника атмосферного тока, на всех громоотводах, ставят простое, экологически чистое железо. От него, кроме ржавчины, никакого вреда. Мы тоже, не будем, от коллектива отрываться... Как заставить банальную железяку испускать в воздух ионы плазмы? Есть такой способ!

Считаем площадь грунта, которую экранирует от атмосферного электрического поля штырь высотой, например, двадцать метров. Ага, вот эта самая сосенка, которую мы под стойку приемника назначили. Пи умноженное на "эр квадрат", так? Здесь "эр" - радиус площадки и высота подъема приемника. Итог - 1256 квадратных метров.

Теперь находим площадь приемного электрода, при заданных условиях достаточную для зажигания на нем коронного разряда в ясную безоблачную погоду. Это тоже просто. Напряженность поля в короне около 30 кВ/см или 3 МВ/м. Напряженность поля над ровной землей - 130 В/м. Считаем пропорцию... Примерно 500 квадратных сантиметров оголенного металла, шарик, диаметром 12-13 сантиметров, на верхотуре, уже будет окружен слабым облаком из ионизированных молекул воздуха... Если взять стержень потоньше, то и коронный разряд вокруг него будет соразмерно сильнее. Просто?

Не просто... Скорость движения свободных ионов в воздухе, при атмосферном давлении, измеряется сантиметрами в секунду. Вершину токоприемника окутает малоподвижное облачко лениво дрейфующих ионов и разряд стабилизируется, на пороге зажигания. Как это, собственно, происходит с любым реальным громоотводом. Что-то, потихоньку, вечно утекает через него в атмосферу, но этот ток почти незаметен. Его последствия можно обнаружить только косвенно, по неестественной гладкости поверхности металла. Все неровности там словно отполированы. Реально. Выступы и заусенцы тихий разряд "съедает" первыми. По аналогичной причине так ровно "подстрижена" травка на всех высокогорных "альпийских лугах". Поле атмосферного электричества в горах сильное. На каждой травинке, торчащей чуть выше остальных, может, в непогоду, загореться "корона" электрического разряда. Враз подровняет "выскочку" до уровня соседей.

Вывод? Если нужен сильный разряд, то нужно "острие". Не простое, неподвижное, а мотающееся по ветру, обдуваемое напором воздуха. Стальная фольга (в идеале) или металлизированная бумага, от влаги покрытая лаком. Длинная полоса такой фольги сейчас и трепещет на ветру. Тает, тает, тает... Расходник! А регулировка тока очень простая - положением опоры. Наклонили пониже - поле разряда ослабло. Подняли повыше - усилилось. Голь на выдумки хитра...

Поскольку земля заряжена относительно атмосферы отрицательно, а корпус установки заземлен, то на центральном электроде цементной трубы напряжение положительное. Равное с потенциалом на "приемнике". При остановках процесса эту высоковольтную деталь замыкают на корпус заземленным стальным штырем. Несколько десятков киловольт таки там присутствует. Простейший пример использования атмосферного генератора "напрямую", в качестве готового источника питания "электрофильтра". Никаких тебе согласующих устройств, никаких преобразователей. На одной стороне цепи горит коронный разряд вокруг плещущего на ветру "приемника электричества", с другой - горит коронный разряд в трубе, по которой из реактора несется пыльный газ. От центрального электрода (колючей проволоки) поток ионов продирается к окружающим заземленным стенкам. На пути он заряжает частицы цемента и они дрейфуют туда же, после разряда оседают на металле. Труба дрожит, цемент скользит по спиральной дорожке в накопитель. И ничего больше не надо. Всю конденсированную фракцию "корона" выметает из газа как невидимой метлой. Очень просто и чисто, ага... Регулировка напряжения и тока - наклоном (высотой подъема) штанги "приемника". Сколько точно напряжения в цепи - никто не знает. Желающих измерить не нашлось. Да и зачем? По выхлопному отверстию трубы видно... Если выходящий газ чист от пыли - всё работает нормально. Как только появились клубы - задирай стойку повыше. Разряд не справляется... А начали звонко щелкать в железной трубе искры пробоев - опускай пониже.