الكهرباء الجوية

أجرت مؤسسة كارنيجي في واشنطن أبحاثًا في القرن العشرين حول الدورات اليومية العالمية في المجال الكهربائي للغلاف الجوي، والتي تصل إلى أدنى مستوياتها حوالي الساعة 03 بالتوقيت العالمي المنسق ، وتبلغ ذروتها بعد حوالي 16 ساعة. وقد وُصف هذا التغير في منحنى كارنيجي ^{[ 16 ]} بأنه "النبض الكهربائي الأساسي للكوكب". ^{[ 17 ]}

حتى بعيدًا عن العواصف الرعدية، يمكن أن تكون الكهرباء الجوية متغيرة للغاية، ولكن بشكل عام، يتم تعزيز المجال الكهربائي في الضباب والغبار بينما تتضاءل الموصلية الكهربائية الجوية.

يؤدي تدرج الجهد الكهربائي في الغلاف الجوي إلى تدفق الأيونات من الغلاف الجوي الموجب الشحنة إلى سطح الأرض السالب الشحنة. فوق حقل مستوٍ في يوم صافٍ، يبلغ تدرج الجهد الكهربائي في الغلاف الجوي حوالي 120 فولت/متر. ^{[ 18 ]} يمكن للأجسام البارزة في هذه المجالات، كالأزهار والأشجار، أن تزيد من شدة المجال الكهربائي إلى عدة كيلوفولتات لكل متر. ^{[ 19 ]} تستشعر الكائنات الحية، كالنحلة الطنانة، هذه القوى الكهروستاتيكية القريبة من السطح لتحديد مواقع الأزهار ^{[ 19 ]} ، كما تستشعرها العناكب لبدء عملية الانتشار عن طريق التحليق . ^{[ 18 ] [ 20 ]} يُعتقد أيضًا أن تدرج الجهد الكهربائي في الغلاف الجوي يؤثر على الكيمياء الكهربائية والعمليات الميكروبية تحت السطح. ^{[ 21 ]}

من ناحية أخرى، يمكن أن تكون أسراب الحشرات ^{[ 22 ]} والطيور ^{[ 23 ]} مصدرًا للشحنة البيولوجية في الغلاف الجوي، مما يساهم على الأرجح في مصدر للتقلبات الكهربائية في الغلاف الجوي.

تتميز طبقة الإلكتروسفير (من عشرات الكيلومترات فوق سطح الأرض إلى الأيونوسفير) بموصلية كهربائية عالية، وتكون ذات جهد كهربائي ثابت تقريبًا. الأيونوسفير هي الحافة الداخلية للغلاف المغناطيسي ، وهي الجزء من الغلاف الجوي الذي يتأين بفعل الإشعاع الشمسي. ( التأين الضوئي هو عملية فيزيائية يسقط فيها فوتون على ذرة أو أيون أو جزيء، مما يؤدي إلى انبعاث إلكترون واحد أو أكثر). ^{[ 24 ]}

تتعرض الأرض، ومعظم الكائنات الحية عليها، باستمرار لقصف إشعاعي من الفضاء الخارجي. يتكون هذا الإشعاع أساسًا من أيونات موجبة الشحنة، بدءًا من البروتونات وصولًا إلى نوى الحديد والذرات الأكبر حجمًا، مصدرها خارج المجموعة الشمسية . يتفاعل هذا الإشعاع مع ذرات الغلاف الجوي مُكَوِّنًا وابلًا من الإشعاع المؤين الثانوي، بما في ذلك الأشعة السينية ، والميونات ، والبروتونات ، وجسيمات ألفا ، والبيونات ، والإلكترونات . يضمن التأين الناتج عن هذا الإشعاع الثانوي ضعف التوصيل الكهربائي للغلاف الجوي، ويُوازن التدفق الطفيف للتيار الناتج عن هذه الأيونات فوق سطح الأرض تدفق التيار الناتج عن العواصف الرعدية. ^{[ 4 ]} تتميز الأيونات بخصائص معينة، مثل الحركة ، والعمر، ومعدل التوليد، والتي تتغير بتغير الارتفاع .

يتم الحفاظ على فرق الجهد بين طبقة الأيونوسفير والأرض بواسطة العواصف الرعدية ، حيث تنقل ضربات البرق الشحنات السالبة من الغلاف الجوي إلى الأرض.

يؤدي تصادم الجليد مع البرد الناعم (البرد الخفيف) داخل السحب الركامية إلى فصل الشحنات الموجبة والسالبة داخل السحابة، وهو أمر ضروري لتكوين البرق. ولا يزال كيفية تشكل البرق في البداية موضع نقاش: فقد درس العلماء أسبابًا جذرية تتراوح بين الاضطرابات الجوية (الرياح والرطوبة والضغط الجوي ) وتأثير الرياح الشمسية والجسيمات النشطة.

يحمل البرق المتوسط ​​تيارًا كهربائيًا سالبًا مقداره 40 كيلو أمبير (kA) (مع أن بعض الصواعق قد تصل إلى 120 كيلو أمبير)، وينقل شحنة مقدارها خمسة كولوم وطاقة مقدارها 500 ميجا جول ، أي طاقة كافية لتشغيل مصباح كهربائي بقدرة 100 واط لمدة تقل قليلًا عن شهرين. يعتمد الجهد الكهربائي على طول البرق، حيث يبلغ جهد الانهيار العازل للهواء ثلاثة ملايين فولت لكل متر، وغالبًا ما يصل طول البرق إلى عدة مئات من الأمتار. مع ذلك، فإن تكوّن مسار البرق ليس مجرد مسألة انهيار عازل، وقد تكون المجالات الكهربائية المحيطة اللازمة لانتشار مسار البرق أقل بعدة مراتب من قوة الانهيار العازل. علاوة على ذلك، يكون تدرج الجهد داخل قناة ارتداد متطورة جيدًا في حدود مئات الفولتات لكل متر أو أقل بسبب التأين الشديد للقناة، مما ينتج عنه خرج طاقة حقيقي في حدود الميجاواط لكل متر لتيار ارتداد قوي مقداره 100 كيلو أمبير. ^{[ 12 ]}

إذا عُرفت كمية الماء التي تتكثف في السحابة ثم تتساقط منها، فإنه يمكن حساب إجمالي طاقة العاصفة الرعدية. في عاصفة رعدية متوسطة، تبلغ الطاقة المنبعثة حوالي 10 ملايين كيلوواط ساعة (3.6 × 10^ 12).^{تبلغ طاقتها 13} جولًا ، وهو ما يعادل طاقة رأس حربي نووي بقوة 20 كيلوطن . وقد تكون طاقة عاصفة رعدية كبيرة وشديدة أكبر من ذلك بعشرة إلى مئة مرة.

نار سانت إلمو هي ظاهرة كهربائية تتكونفيها بلازما مضيئة نتيجة تفريغ إكليلي ينشأ من جسم مؤرض . غالبًا ما يُخلط خطأً بين البرق الكروي ونار سانت إلمو، مع أنهما ظاهرتان منفصلتان ومتميزتان. ^{[ 26 ]} على الرغم من تسميتها "نارًا"، فإن نار سانت إلمو هي في الواقع بلازما ، وتُشاهد عادةً أثناء العواصف الرعدية ، على قمم الأشجار أو الأبراج أو غيرها من الأجسام الطويلة، أو على رؤوس الحيوانات، على شكل خصلة أو نجمة من الضوء.

تنتج الهالة عن تأين جزيئات الهواء بفعل المجال الكهربائي المحيط بالجسم ، مما يُنتج توهجًا خافتًا يسهل رؤيته في ظروف الإضاءة المنخفضة. يتطلب حدوث ظاهرة سانت إلمو ما يقارب 1000 إلى 30000 فولت لكل سنتيمتر، إلا أن هذا يعتمد على شكل الجسم. تميل الأطراف الحادة إلى الحاجة لمستويات جهد أقل لتحقيق النتيجة نفسها، لأن المجالات الكهربائية تكون أكثر تركيزًا في المناطق ذات الانحناء العالي، وبالتالي تكون التفريغات أكثر كثافة عند أطراف الأجسام المدببة. يمكن أن تظهر كل من ظاهرة سانت إلمو والشرارات العادية عندما يؤثر جهد كهربائي عالٍ على غاز. تُرى ظاهرة سانت إلمو أثناء العواصف الرعدية عندما تكون الأرض أسفل العاصفة مشحونة كهربائيًا، ويكون هناك جهد عالٍ في الهواء بين السحابة والأرض. يُمزق الجهد جزيئات الهواء ويبدأ الغاز بالتوهج. يتسبب النيتروجين والأكسجين في الغلاف الجوي للأرض في توهج ظاهرة سانت إلمو بضوء أزرق أو بنفسجي. وهذا يشبه الآلية التي تجعل لافتات النيون تتوهج.

رنين شومان هو مجموعة من قمم الطيف في الجزء ذي التردد المنخفض للغاية (ELF) من طيف المجال الكهرومغناطيسي للأرض. وينتج رنين شومان عن الفراغ بين سطح الأرض والغلاف الأيوني الموصل الذي يعمل كموجه موجي . وتؤدي الأبعاد المحدودة للأرض إلى جعل هذا الموجه الموجي بمثابة تجويف رنيني للموجات الكهرومغناطيسية. ويُثار هذا التجويف بشكل طبيعي بواسطة طاقة ضربات البرق. ^{[ 27 ]}

يمكن أن تتسبب الشحنات الجوية في تراكم شحنات كهربائية غير مرغوب فيها وخطيرة، بل ومميتة، في أنظمة توزيع الطاقة الكهربائية المعلقة. فالأسلاك العارية المعلقة في الهواء، والتي تمتد لعدة كيلومترات ومعزولة عن الأرض، قد تجمع شحنات كهربائية كبيرة جدًا عند جهد عالٍ، حتى في غياب العواصف الرعدية أو البرق. وتسعى هذه الشحنات إلى التفريغ عبر مسار العزل الأقل، وهو ما قد يحدث عندما يمد شخص يده لتشغيل مفتاح كهربائي أو استخدام جهاز كهربائي.

لتبديد الشحنات المتراكمة في الغلاف الجوي، يُوصل أحد جانبي نظام توزيع الكهرباء بالأرض في نقاط متعددة على امتداد النظام، حتى على كل عمود دعم تقريبًا. يُشار إلى السلك المتصل بالأرض عادةً باسم "التأريض الوقائي"، وهو يوفر مسارًا لتبديد الشحنة دون إحداث أي ضرر، كما يوفر حماية احتياطية في حال ضعف أي من مسارات التأريض بسبب التآكل أو ضعف التوصيل الكهربائي للأرض. أما سلك التأريض الكهربائي الإضافي الذي لا يحمل تيارًا كهربائيًا، فيؤدي دورًا ثانويًا، حيث يوفر مسارًا عالي التيار لحدوث قصر في الدائرة الكهربائية، مما يؤدي إلى احتراق الصمامات بسرعة وجعل الجهاز التالف آمنًا، بدلًا من أن يصبح الجهاز غير المؤرض ذو العزل التالف موصلًا للتيار الكهربائي عبر شبكة الكهرباء، وبالتالي يشكل خطرًا عند لمسه.

يُقسّم كل محول في شبكة توزيع التيار المتردد نظام التأريض إلى دائرة كهربائية منفصلة. يجب تأريض هذه الشبكات المنفصلة من جانب واحد لمنع تراكم الشحنات الكهربائية فيها مقارنةً ببقية النظام، مما قد يُسبب تلفًا نتيجةً لتفريغ الشحنات الكهربائية عبر ملفات المحول إلى الجانب الآخر المؤرض من شبكة التوزيع.