1) совокупность электрических явлений и процессов в атмосфере,
2) раздел физики атмосферы, изучающий электрические явления в атмосфере и её электрические свойства. При исследовании А. э. изучают электрическое поле в атмосфере, её ионизациюи проводимость, электрические токи в ней, объёмные заряды, заряды облаков и осадков, грозовые разряды и многое др. Все проявления А. э. тесно связаны между собой и на их развитие сильно влияют метеорологические факторы — облака, осадки, метели и т. п. К области А. э. обычно относят процессы, происходящие в тропосфере и стратосфере.
Начало А. э. как науке было положено в 18 в. американским учёным Б. Франклином, экспериментально установившим электрическую природу молнии, и русским учёным М. В. Ломоносовым — автором первой гипотезы, объясняющей электризацию грозовых облаков. В 20 в. были открыты проводящие слои атмосферы, лежащие на высоте более 60—100 км (ионосфера, магнитосфера Земли), установлена электрическая природа полярных сиянийи обнаружен ряд других явлений, изучению которых посвящены соответствующие науки, выделившиеся из А. э. Развитие космонавтики позволило начать изучение электрических явлений в более высоких слоях атмосферы прямыми методами. Две основные современные теории А. э. были созданы английским учёным Ч. Вильсоном и советским учёным Я. И. Френкелем. Согласно теории Вильсона, Земля и ионосфера играют роль обкладок конденсатора, заряжаемого грозовыми облаками. Возникающая между обкладками разность потенциалов приводит к появлению электрического поля атмосферы. По теории Френкеля, электрическое поле атмосферы объясняется всецело электрическими явлениями, происходящими в тропосфере, — поляризацией облаков и их взаимодействием с Землёй, а ионосфера не играет существенной роли в протекании атмосферных электрических процессов.
А. э. данного района зависит от глобальных и локальных факторов. Районы, где отсутствуют скопления аэрозолей и источники сильной ионизации, рассматриваются как зоны «хорошей», или «ненарушенной» погоды, здесь преобладают глобальные факторы. В зонах «нарушенной» погоды (в районах гроз, пыльных бурь, осадков и др.) преобладают локальные факторы.
Электрическое поле атмосферы. В тропосфере все облака и осадки, туманы, пыль обычно электрически заряжены; даже в чистой атмосфере постоянно существует электрическое поле. Исследования в зонах «хорошей» погоды, начатые в 19 в., показали, что у земной поверхности существует стационарное электрическое поле с напряжённостью Е, в среднем равной около 130 в/м. Земля при этом имеет отрицательный заряд, равный около 3 105 к, а атмосфера в целом заряжена положительно. Однако при осадках и особенно грозах, метелях, пылевых бурях и т. п. напряжённость поля может резко менять направление и величину, достигая иногда 1000 в/м. Наибольшие значения Е имеет в средних широтах, а к полюсам и экватору убывает. В зонах «хорошей» погоды Е с высотой в целом уменьшается, например над океанами. Вблизи земной поверхности, в т. н. слое перемешивания толщиной 300—3000 м, где скапливаются аэрозоли, Е может с высотой возрастать (рис. 1). Выше слоя перемешивания Е убывает с высотой по экспоненциальному закону и на высоте 10 км не превышает несколько в/м. Это убывание Е связано с тем, что в атмосфере содержатся положительные объёмные заряды, плотность которых также быстро убывает с высотой.
Разность потенциалов между Землёй и ионосферой составляет 200—250 кв.
Напряжённость электрического поля Е меняется во времени. Наряду с локальными суточными и годовыми вариациями Е отмечаются синхронные для всех пунктов суточные (см. кривые 1 и 2, рис.(рисунок) 2) и годовые вариации Е — т.н. унитарные вариации. 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 районе.
Электрическая проводимость атмосферы. Электрическое состояние атмосферы в значительной степени определяется её электрической проводимостью l, которая создаётся ионами, находящимися в атмосфере. Наличие ионов в атмосфере и является причиной потери заряда изолированным заряженным телом при соприкосновении с воздухом (явление, открытое в конце 18 в. французским физиком Ш. Кулоном). Электрическая проводимость l зависит от количества ионов, содержащихся в единице объёма (их концентрации), и их подвижности. Основной вклад в l вносят лёгкие ионы, обладающие наибольшей подвижностью u > 10-5м2 сек-1 в-1.
Электрическая проводимость атмосферы очень мала и может сравниться с проводимостью хороших изоляторов. У земной поверхности в среднем l = (1 - 2)·10-18ом-1 м-1 и увеличивается с высотой примерно по экспоненциальному закону; на высоте около 30 км l достигает значений, почти в 150 раз больших, чем у земной поверхности. Выше проводимость увеличивается ещё более, причём особенно резко с высот, до которых проникают ионизующие излучения Солнца и где начинается образование ионосферы, проводимость которой приблизительно в 1012 раз больше, чем в атмосфере вблизи земной поверхности.
Основные ионизаторы атмосферы: 1) космические лучи, действующие во всей толще атмосферы; 2) излучение радиоактивных веществ, находящихся в Земле и воздухе; 3) ультрафиолетовое и корпускулярное излучения Солнца, ионизующее действие которых заметно проявляется на высотах более 50—60 км. Концентрация легких; ионов возрастает с увеличением интенсивности ионизации и уменьшением концентрации частиц в атмосфере, поэтому концентрация лёгких ионов растет с высотой. Этот факт в сочетании с увеличением подвижности ионов при уменьшении плотности воздуха объясняет характер изменения l и Е с изменением высоты.
Электрический ток в атмосфере. Движение ионов под действием сил электрического поля создаёт в атмосфере вертикальный ток проводимости in = El, со средней плотностью, равной около (2—3)·10-12а/м2. Т. о., в зонах «хорошей» погоды сила тока на всю поверхность Земли составляет около 1800 а. Время, в течение которого заряд Земли за счёт токов проводимости атмосферы уменьшился бы до 1/е » 0,37 от своего первоначального значения, равно ~ 500 сек. Т. к. заряд Земли в среднем не меняется, то очевидно, что существуют «генераторы» А. э., заряжающие Землю. Помимо токов проводимости, в атмосфере текут значительные электрические диффузионные и конвективные токи.
«Генераторы» атмосферного электричества. «Генераторами» А. э. в зонах нарушенной погоды являются пылевые бури и извержения вулканов, метели и разбрызгивание воды прибоем и водопадами, облака и осадки, пар и дым промышленных источников и т. д. При почти всех перечисленных явлениях электризация может проявляться весьма бурно: извержение вулканов, песчаные бури и даже метели приводят иногда к образованию молний, всё же наибольший вклад в электризацию атмосферы вносят облака и осадки.
По мере укрупнения частиц облака, увеличения его толщины, усиления осадков из него растет его электризация. Так, в слоистых и слоисто-кучевых облаках плотность объёмных зарядов r » 3 10-12к/км3, что приблизительно в 10 раз превышает их плотность в чистой атмосфере, а в грозовых облаках r доходит до 3·10-8к/м3. Облака могут быть заряжены положительно в верхней части и отрицательно в нижней, но могут иметь и противоположную полярность, а также преимущественный заряд одного знака. Плотность тока осадков на Землю из слоисто-дождевых облаков ioc = 10-12а/м2, в то время как из грозовых ioc = 10-9а/м2. Полная сила тока, текущего на Землю от одного грозового облака, в средних широтах равна около —(0,01—0,1) а, а ближе к экватору до —(0,5—1,0) а. Сила токов, текущих в самих этих облаках, в 10—100 раз больше силы токов, притекающих к Земле. Т. о., гроза в электрическом отношении подобна короткозамкнутому генератору.
При высоких значениях электрического поля у земной поверхности порядка 500—1000 в/м начинается электрический разряд с острых вытянутых предметов (травы, деревьев, мачт, труб и т.д.), который иногда становится видимым (т. н. огни св. Эльма, особенно яркие в горах и на море, см.(смотри) Эльма огни). Возникающие при метелях, ливнях и особенно грозах токи коронирования способствуют обмену зарядами между Землёй и атмосферой.
Т. о., электрическое поле Земли и ток Земля — атмосфера в зонах хорошей погоды поддерживаются процессами в зонах нарушенной погоды. На земном шаре одновременно существует около 1800 гроз (см. кривую 3, рис.(рисунок) 2); суммарная сила тока от них, заряжающего Землю отрицательным зарядом, доходит до 1000 а. Облака слоистых форм, хотя и менее активные, чем грозовые, но зато покрывающие около половины земной поверхности, также вносят существенный вклад в поддержание электрического поля Земли. Исследования А. э. позволяют выяснить природу процессов, ведущих к колоссальной электризации грозовых облаков, в целях прогноза и управления ими; выяснить роль электрических сил в образовании облаков и осадков; они дадут возможность снижения электризации самолётов и увеличения безопасности полётов, а также раскрытия тайны образования шаровой молнии.
Лит.: Френкель Я. И., Теория явлений атмосферного электричества, Л.—М. 1949; Тверской П. Н., Атмосферное электричество, Л., 1949; Имянитов И. М., Приборы и методы для изучения электричества атмосферы, М., 1957; Имянитов И. М. и Шифрин К. С., Современное состояние исследований атмосферного электричества, «Успехи физических наук», 1962, т. 76, в. 4, с. 593; Имянитов И. М. и Чубарина Е. В., Электричество свободной атмосферы, Л., 1965.
