Атмосфе́рное электри́чество, 1) совокупность электрических явлений и процессов в атмосфере; 2) раздел физики атмосферы, изучающий электрические явления в атмосфере и её электрические свойства; в атмосферном электричестве исследуются электрическое поле в атмосфере, её проводимость, электрические токи и объёмные заряды в ней, заряды облаков и осадков, грозовые разряды и другие явления. Атмосферное электричество влияет на органическую жизнь на Земле и её экологию.

Наука об атмосферном электричестве зародилась в 18 в. Начало было положено американским учёным Б. Франклином, экспериментально доказавшим электрическую природу молнии, и М. В. Ломоносовым, объяснившим электризацию грозовых облаков.

Атмосферное электричество тесно связано с метеорологическими факторами: облаками, осадками, метелями, пыльными бурями и др. К области атмосферного электричества относят процессы, происходящие в тропосфере и стратосфере, и их зависимость от локальных и глобальных факторов. Территории, где отсутствуют скопления аэрозолей и другие источники сильной ионизации, рассматриваются как зоны «хорошей» погоды с преобладанием глобальных факторов. В зонах «нарушенной» погоды преобладают локальные метеорологические факторы.

Электрическое поле атмосферы

В тропосфере все облака и осадки, туманы, пыль обычно электрически заряжены. В чистой атмосфере постоянно существует электрическое поле, напряжённость которого ${\boldsymbol E}$ направлена сверху вниз. Это направление ${\boldsymbol E}$ принято считать нормальным, а вертикальный градиент электрического потенциала – положительным. У земной поверхности существует стационарное электрическое поле с ${\boldsymbol E}$, в среднем равной около ${130 \, В/м}$. Земля имеет отрицательный заряд, равный около ${3·10^5 \,Кл}$, а атмосфера в целом заряжена положительно. При грозах, осадках, пыльных бурях, метелях и т. д. напряжённость ${\boldsymbol E}$ может резко менять направление и значение, достигая иногда ${1000 \,В/м}$. Наибольшую величину ${\boldsymbol E}$ имеет в средних широтах, а к полюсу и экватору убывает. Над материками ${\boldsymbol E}$ несколько выше среднего значения, а над океанами несколько ниже. С высотой ${\boldsymbol E}$ в целом уменьшается. В слое перемешивания (${300–3000 \,м}$), где скапливаются аэрозоли, ${\boldsymbol E}$ может возрастать с высотой, выше этого слоя убывает по экспоненциальному закону.

На высоте 10 км ${\boldsymbol E}$ не превышает нескольких ${В/м}$. Это убывание ${\boldsymbol E}$ связано с наличием в атмосфере положительных объёмных зарядов, плотность которых уменьшается с высотой. Изменение величины объёмного заряда атмосферы по высоте значительно влияет на существование глобальных вариаций ${\boldsymbol E}$. Разность потенциалов между Землёй и ионосферой составляет ${200–250 \, кВ}$.

Рис. 1. Суточный ход унитарной вариации напряжённости электрического поля атмосферы.Рис. 1. Суточный ход унитарной вариации напряжённости электрического поля атмосферы.Напряжённость электрического поля ${\boldsymbol E}$ меняется во времени и имеет суточный и годовой ход. Отмечаются синхронные для всех пунктов суточные (рис. 1, кривые 1 и 2) и годовые вариации ${\boldsymbol E}$ – т. н. унитарные вариации. Их суточный ход над полярными областями и океанами имеет вид простой волны, над континентами – вид сложной волны с двумя максимумами. Градиент электрического поля атмосферы для умеренных широт Северного полушария наибольший зимой и наименьший в начале лета. Унитарные вариации связаны с изменением электрического заряда Земли в целом, локальные – с изменениями величины и распределения по высоте объёмных электрических зарядов в атмосфере в данном регионе. Величина градиента электрического поля атмосферы зависит от колебаний между максимумом и минимумом солнечной активности.

Электрическая проводимость атмосферы

Электрическое состояние атмосферы в значительной степени определяется её электрической проводимостью ${λ}$, которая создаётся ионами, находящимися в атмосфере. Концентрация и подвижность ионов в атмосфере определяют значение ${λ}$. Основной вклад в ${λ}$ вносят лёгкие ионы, подвижность которых ${u>}{10^{-5}\,м^2/(с·В)}$. У поверхности Земли в среднем ${λ}= (1–2)·10^{-18} (Ом·м)^{-1}$ и увеличивается с высотой примерно по экспоненциальному закону. На высоте около ${30 \, км}$ ${λ}$ почти в $150$ раз больше, чем у земной поверхности.

Основные ионизаторы атмосферы: 1) космические лучи, действующие во всей толще атмосферы; 2) излучение радиоактивных веществ, находящихся в земле и воздухе; 3) ультрафиолетовое, корпускулярное и рентгеновское излучения Солнца, ионизирующее действие которых заметно проявляется на высотах более ${60 \,км}$. Концентрация лёгких ионов растёт с высотой вследствие увеличения интенсивности ионизации, что в сочетании с нарастанием подвижности ионов при уменьшении плотности воздуха объясняет характер изменения ${λ}$ и ${\boldsymbol E}$ с высотой.

Электрический ток и объёмный заряд в атмосфере

В условиях «хорошей» погоды в атмосфере течёт вертикальный электрический ток, представляющий собой сумму токов проводимости, диффузии и конвекции. На Землю непрерывно стекает электрический ток силой около ${1800 \,А}$. Поскольку заряд Земли в среднем не меняется, существуют, очевидно, «генераторы» атмосферного электричества, заряжающие Землю. Такими «генераторами» являются пыльные бури, извержения вулканов, метели, разбрызгивание капель воды прибоем и водопадами, пар и дым промышленных источников. Электризация, проявляющаяся при перечисленных явлениях, может привести к образованию молний. Наибольший вклад в электризацию атмосферы вносят облака и осадки.

Рис. 2. Грозы над Африкой, наблюдаемые с борта Международной космической станции. 18 сентября 2016.Рис. 2. Грозы над Африкой, наблюдаемые с борта Международной космической станции. 18 сентября 2016.Электризация облака увеличивается с укрупнением его частиц, увеличением толщины, усилением осадков. В слоистых и слоисто-кучевых облаках плотность объёмных зарядов в $10$ раз превышает их плотность в чистой атмосфере. Облака заряжены положительно в верхней части и отрицательно в нижней, но могут иметь и противоположную полярность или иметь заряд преимущественно одного знака.

На плотность объёмных зарядов влияет турбулентность атмосферы. Плотность токов осадков, выпадающих на Землю из слоисто-кучевых облаков, порядка ${10^{-12} \,А/м^2}$, из грозовых облаков – порядка ${10^{-8} \,А/м^2}$. Полная сила тока, текущего на Землю от грозового облака, в средних широтах около ${0,01–0,1 \,А}$, ближе к экватору – до ${0,5–1,0 \,А}$. Сила токов, текущих в самих этих облаках, в $10–100$ раз больше токов, притекающих к Земле, т. е. гроза в электрическом отношении подобна короткозамкнутому генератору. На земном шаре одновременно происходят около $1800$ гроз (см. рис. 1, кривая 3). Облака слоистых форм, покрывающие приблизительно половину земной поверхности, также вносят существенный вклад в электрическое поле Земли.

Исследования атмосферного электричества позволяют выяснить природу процессов электризации грозовых облаков и его роль в образовании облаков и осадков. В числе прикладных задач – снижение электризации самолётов в целях повышения безопасности полётов, учёт атмосферного электричества при запуске ракет, оценка его влияния на здоровье человека. Некоторые характеристики атмосферного электричества могут служить индикаторами антропогенного воздействия на атмосферу.