С. Кин.
В прошлой статье1) мы привели те поразительные цифры, которые характеризуют величину электрических зарядов и электрических полей, возникающих в атмосфере во время гроз. Но откуда же берутся в атмосфере эти огромные электрические заряды? Вполне исчерпывающего ответа на этот вопрос наука сейчас еще дать не может. Но существует несколько теорий, которые в большей или меньшей степени все же объясняют причины возникновения электрических зарядов и вместе с тем природу грозовых явлений. С двумя из этих теорий мы хотим познакомить наших читателей, так как вопрос о происхождении атмосферного электричества представляет несомненный интерес для всех радиолюбителей.
Одна из первых теорий, выдвинутых для обьяснения грозовых явлений, это теория конденсации. Основана она на таком явлении. Если в атмосферу, содержащую пары воды, попадают электроны, то водяные пары конденсируются на электронах — оседают на них в виде мелких капелек воды. Каждая такая капля будет содержать в себе один или несколько электронов, вокруг которых она образовалась. Это явление как будто вполне объясняет тот факт, что дождевые капли содержат в себе электрические заряды. Однако, с точки зрения теории конденсации севершенно невозможно объяснить, почему электрический заряд дождевых капель бывает так велик, и каким образом в одной дождевой капле может содержаться много миллиардов электронов. В этом слабое место теории конденсации. Если и можно считать, что она правильно объясняет происхождение электрических зарядов в дождевых каплях, то, очевидно, только для того случая, когда эта заряды очень невелики, то есть когда грозовых явлений нет.
Для объяснения же тех больших зарядов, которые возникают во время гроз, нужна какая-то другая теория. Попытку дать это объяснение делает теория Симпсона.
Теория Симпсона основана на одном очень интересном физическом явлении, которое открыто немецким физиком Ленаром. Ленар изучал действие сильной струи воздуха на водяные капли, и вот что он обнаружил. Если струя воздуха достаточно сильна, то она разбивает капли на части, но части эти не одинаковы по своим размерам и по своему электрическому заряду. При разделении водяных капель, которые вовсе не содержат в себе электрического заряда, получаются более крупные капли, заряженные положительным электричеством, и совсем мелкие капли (водяная пыль), заряженные отрицательным электричеством. Такая картина наблюдается всегда, если только ветер достаточно силен.
По теории Симпсона это именно явление и вызывает появление атмосферного электричества. Дождевые капли, образующиеся в атмосфере, сначала не несут в себе электрических зарядов. Но ветры, постоянно существующие в верхних слоях атмосферы, разбивают эти капли на неодинаковые по величине части, заряженные электричеством разного знака. Под влиянием земного притяжения эти капли разделяются — более крупные, заряженные положительно, опускаются книзу, а более мелкие, несущие отрицательный заряд, остаются наверху. Таким образом образуются заряженные электричеством облака, в которых верхняя часть облака заряжена отрицательно, а нижняя положительно.
Но в этом именно пункте заключается слабое место теории Симпсона. Такое распределение зарядов, которое вытекает из его теории (положительный заряд в нижней части облака и отрицательный в верхней), наблюдается не всегда. В большинстве случаев это распределение имеет место, но в некоторых случаях можно наблюдать и обратное распределение зарядов — верхняя часть облака оказывается заряженной положительно, а нижняя отрицательно. Очевидно, что в этих случаях появление электрических зарядов происходит не так, как рисует теория Симпсона, а как-то иначе.
В этой теории есть еще один сомнительный пункт. Для того чтобы явление Ленара происходило, нужен ветер достаточной силы. Например, для того чтобы разделить на части каплю воды, диаметром в 5 мм, нужен ветер скоростью в 10—11 метров в секунду. Это уже так называемый «свежий ветер» или ветер «силою в 3 балла». Такие ветры в верхних слоях атмосферы, конечно, могут существовать в ветреную погоду, но при спокойном дожде или снеге существование в верхних слоях атмосферы таких сильных ветров становится уже мало вероятным.
Однако, несмотря на эти возражения, все же теория Симпсона принята в современной науке, как наиболее достоверная. Правда, она не дает исчерпывающего объяснения причины возникновения электрических зарядов в атмосфере, но все же дает удовлетворительное объяснение если не всех, то большинства атмосферных электрических явлений.
После того как мы познакомились с характером электрических явлений в атмосфере и теориями, объясняющими эти явления, мы остановимся еще на одном вопросе, который представляет для радиолюбителей наибольший интерес. Это вопрос о том, какие влияния атмосферные электрические явления оказывают на приемную установку. Мы уже говорили о друх влияниях — электростатическом и индукционном. Первое из этих влияний заключается в том, что изменение электрического поля вблизи антенны вызывает появление и перемещение электрических зарядов в антенне. Если изменения полей в атмосфере происходят достаточно резко, то и движения электрических зарядов в антенне могут быть довольно сильны. Эти движения электрических зарядов (электрические токи в антенне) вызывают, конечно, появление шумов и шорохов в телефоне приемника.
Другое влияние, которое атмосферное электричество производит на приемные антенны, это индукционное воздействие. Если где-либо в атмосфере происходит электрический разряд (молния), то он, как и всякий электрический ток, создает вокруг себя магнитное поле. Это быстро появляющееся и быстро исчезающее магнитное поле вследствие индукции вызывает появление электрического тока во всех окружающих проводах, в том числе и в приемных антеннах, а индуцированные токи, в свою очередь, служат причиной возникловения шумов в телефоне приемника.
Но индукция, как электростатическая, так в магнитная это явления, которые очень сильно ослабляются при увеличении расстояния. Поэтому атмосферные электрические явления могли бы быть причиной сильных помех вследствие индукции только для тех приемных установок, которые расположены недалеко от «очага» атмосферных явлений, недалеко от того места, где в данный момент происходят сильные электрические процессы в атмосфере. И в таком виде атмосферные помехи представляли бы гораздо меньшее зло, чем это в действительности имеет место.
Беда вся в том, что влияние атмосферного электричества на приемные антенны не ограничивается одной только индукцей. Ведь всякий грозовой разряд (молния) это электрический ток, очень резко меняющий свою величину в течение всего разряда, и поэтому молния действует так же, как и всякая передающая антенна. Молния излучает электромагнитные волны в окружающее пространство, и эти волны, так же как и волны всякой передающей станции, действуют не только на близлежащие приемные антенны, но и на антенны, расположенные вдали. И если принять во внимание, что силы тока в молнии достигают 100 000 ампер, а напряжения 1 000 000 вольт, то станет совершенно ясно, что электромагнитные волны, созданные грозовым разрядом, должны быть гораздо сильнее тех, которые создает самая мощная из существующих радиостанций. Ведь мощность грозового разряда при напряжении в 1 000 000 вольт и токе в 100 000 ампер составляет десять миллионов киловатт. Нужно, однако, иметь в виду, что это мощность мгновенная и что разряд продолжается тысячные доли секунды, так что запас мощности в одном грозовом разряде не так уж велик — он составляет всего лишь несколько киловатт-часов. По тарифу Могэса самая «роскошная» молния обошлась бы всего в пару рублей.
Конечно, далеко не весь свой запас энергии молния излучает в виде электромагнитных волн. Но если даже 1% энергии разряда излучается в виде электромагнитной энергии, то и тогда действие молнии эквивалентно действию передающей радиостанции мощностью в 10 000 киловатт.
И, действительно, как показали расчеты и наблюдения, электромагнитное поле, созданное молнией даже на расстоянии в 3 000 километров от нее, может достигать напряженности в десятые доли вольта на метр, то есть в тысячи раз больше, чем то поле, которое необходимо для нормального радиоприема.
К этому прибавляются еще два отягчающих положение обстоятельства. Во-первых, ток молнии это не правильные синусоидальные колебания определенной частоты, а резкие толчки неправильной формы, которые действуют примерно в одинаковой степени на различные колебательные системы, независимо от того, на какую волну эти системы настроены.
После этого становится совершенно понятным тот факт, о котором мы в свое время уже сообщали нашим читателям, именно, что одни и те же атмосферные помехи можно обнаружить на ленте двух пишущих приемников, один из которых стоит на приемной станции в Америке, а другой в Европе.
Второе отягчающее обстоятельство заключается в следующем. Хотя в каждом данном пункте земного шара грозы бывают сравнительно редко, но на всем земном шаре в целом грозовые явления не прекращаются ни на одну секунду. По подсчетам английского физика Уильсона в каждый данный момент во всей оболочке земного шара происходит в среднем около 2 000 гроз. При этом каждую секунду на земном шаре происходит в среднем около 100 электрических разрядов (молний).
Это обстоятельство заставляет нас внести поправку в наши «счеты с Могэсом». Сто молний, это уже миллиард киловатт. И так как эти сто разрядов происходят ежесекундно, то значит миллиард киловатт природа «расходует» на грозовые явления каждую секунду. На то, чтобы устроить такую «иллюминацию» в земной атмосфере, не хватило бы, конечно, никаких «Могэсов». Миллиард киловатт это примерно общая мощность всех силовых установок на всем земном шаре.
Теперь любителям должно быть ясно, почему они так сильно страдают от атмосферных помех. Ведь природа тратит систематически миллиард киловатт как будто бы специально дчя того, чтобы возможно больше досадить радиолюбителям. От таких «забот», конечно, никому не поздоровится.
1) См. №10 «Радио всем».