Пасека и электродный эффект приземной атмосферы.

Пасека и электродный эффект приземной атмосферы.

Для пчеловода необходимо иметь представление об электродном эффекте в приземной атмосфере. Его действием очень сильно определяется электрическая структура приземного слоя на высотах от 0,05 м до 1,55 – 2 м от поверхности земли. Это обычный высотный уровень для размещения ульев на пасеке. Отсюда следует, что физические процессы, происходящие в этом пространстве, непосредственным образом воздействуют на жизнедеятельность пчелиной семьи. Основное предназначение этой статьи на сайте – пояснить роль электродного эффекта в осеннем слёте пчёл.

Что такое электродный эффект атмосферы

Итак, пожалуй, главной особенностью имеющейся в приземной атмосфере, является наличие над сушей электродного эффекта увеличения величины полярных проводимостей при наличии положительного объемного заряда. Под электродным эффектом понимается образование объемных зарядов в некотором пространстве воздуха вблизи поверхности Земли, благодаря тому, что вертикальный ток проводимости в этом слое обусловлен в основном движением вверх положительных ионов при близких к нулю значениях тока проводимости отрицательных ионов. Точно охарактеризовать в цифрах процессы вблизи электрода (Земля), помещённого в ионизированную среду довольно сложно, так как приземная атмосфера (ионизированная среда) имеет как непрерывную естественную изменчивость, так и подвержена разнообразному влиянию извне. В таких условиях, необходимо учитывать состояние приземного слоя атмосферы и как обычное, и с учётом наличия аэрозольных частиц, при нормальной и повышенной ионизации, а так же с турбулентным эффектом и без него, в разное время суток и года.

От чего зависит объёмный заряд

Состояние электродного слоя зависит от степени ионизации воздуха, величины электрического поля и концентрации аэрозольных частиц в атмосфере. В условиях «хорошей погоды» локальные возмущения электрического поля связаны с объемным зарядом в приземном слое вследствие электродного эффекта. В обычных условиях при усилении напряжения электрического поля толщина электродного слоя увеличивается, но значение электродного эффекта практически не меняется. В условиях «хорошей погоды» объемный электрический заряд вблизи поверхности земли положителен, а территория его распространения определяется толщиной электродного слоя и достигает несколько метров. Это «классический» электродный эффект.

При появлении у поверхности земли аэрозольных частиц толщина электродного слоя уменьшается, электродный эффект остаётся прежним. Плотность заряда зависит от мощности источника ионообразования и величины электрического поля. Появление аэрозольных частиц приводит к образованию тяжелых ионов и уменьшает объемный заряд. При сильных концентрациях аэрозольных частиц в воздухе основную роль в электрическом состоянии приземного слоя играет объемный заряд, создаваемый тяжелыми положительными ионами.

При небольшом повышении ионизации вблизи поверхности земли (на высоте около 0,6 м) появляется отрицательный объемный заряд и приводит к реверсу электродного эффекта. (При большем масштабе распределения родона (порядка 1 м) реверс электродного эффекта не наблюдается.) То же самое происходит при небольшой степени ионизации воздуха, но при слабых электрических полях. С усилением электрического поля или с увеличением масштаба интенсивности ионообразования объемный заряд становится положительным.

В малых электрических полях концентрация лёгких ионов уменьшаются с высотой в слое по­рядка 1 м над поверхностью, покрытой травой. Данное уменьшение сильно вы­ражено ночью. Плотность объемного заряда на высоте около 50 см днем имеет положительный знак, а ночью — отри­цательный. В чистой атмосфере на высоте одного метра при сильных электрических полях концентрации ионов умень­шаются, в то же время «классический» электродный эффект может преобладать над влиянием турбулентности, аэрозоля и радиоактивности.

Ветряной токовый генератор

Значительные изменения электрического состояния в приземном слое возникают при движении воздушных масс. Электрическая структура в этом случае определяется действием турбулентного электродного эффекта. Воздействие ветра на под­стилающую земную поверхность приводит к формированию приземного слоя с высотой порядка 10-100 м и пограничного слоя размером около километра. Гидродинамические течения переходят в турбулентное состояние, поэтому говорят о турбулент­ном приземном и пограничном слоях. Нагрев земной поверхности солнечной радиацией приводит к возникновению конвекции, которая также имеет турбулентный характер. Эти процессы приводят к изме­нению электрического состояния в нижних слоях атмосферы: меняются распреде­ления электрической проводимости, электрического поля, плотности электриче­ского тока и электрического заряда. Возникает «воздушный токовый генератор». Качественные характеристики электрического состояния приземной атмосферы существенно зависят от величин турбулентности. При этом очень важным нюансом, который следует учитывать, является величина состояния напряженности электрического поля за пределами турбу­лентного электродного слоя при неизмен­ном значении плотности электрического тока. Смотрим, как это выглядит?

При незначительной скорости ветра (1м/с) концентрация положительных ионов очень быстро растет и на высоте около 1 м достигает своего асимптотического значения. Положительный объемный заряд вблизи поверхности в этом случае максимален.

С увеличением скорости ветра толщина электродного слоя и масштаб распределений электрических характеристик в приземном слое увеличиваются и достигают нескольких десятков метров. Электродный эффект на высоте до 2 метров увеличивается. На уровне 0 — 0,5м существует сильная зависимость увеличения проводимости воздуха с уменьшением турбулентности. На высоте 2-3 м эта зависимость исче­зает. Надо заметить, что в этом случае турбулентность расширила пространство объемного заряда, но не явилась его источником.

При скорости ветра 5 — 6 м/с объемный заряд положителен, но его значения уменьшаются.

С повышением ионизации в тонком слое у земли и небольшой скорости ветра (до 1 м/с) вблизи поверхности земли формируется отрицательный объемный заряд, при этом его площадь увеличивается (до 10 — 15 м), а величина уменьшается. Объемный заряд обратно становится положительным при дальнейшем усилении турбулентного перемешивания или увеличения электрического поля.

С увеличением электрического поля (порядка 500 В/м) в электрической структуре приземного слоя влияние турбулентности на неё ослабляется, а положительный объемный заряд увеличивается, электродный эффект усиливается и распределения электрических величин на высоте 1-2 метров становятся похожими на «классический» электродный эффект.

При сильной конвекции плотность электрического заряда резко возрастает вблизи поверхности, а затем убывает. При неустойчивой атмосферной стратификации этот скачок больше.

Концентрация аэрозольных частиц в атмосфере в диапазоне размеров (0,01 – 0,2 мкм) оказывает влияние на параметры атмосферного электричества. Значительное повышение концентрации аэрозольных частиц в атмосфере связано с антропогенной деятельностью. В настоящее время определены следующие величины концентрации ионов в природе: над океаном, вдали от берегов — (3-5)·10⁸ м־³; в континентальной сельской местности вдали от городов — (1-5)·10⁹ м־³; в сельской местности вблизи городов — (1-10)·10⁹ м ־³; в городах — (1-10)·10¹⁰ м ־³. В присутствии аэрозоля время жизни иона убывает с ростом его концентрации. В турбулентном электродном слое время жизни иона растет. Наличие небольшого количества аэрозольных частиц в турбулентном электродном слое воздуха не влияет на его характеристики. При очень больших концентрациях аэрозольных частиц в слое толщиной несколько метров возникает реверс электродного эффекта. В случае сильного турбулентного перемешивания концентрация аэроионов не зависит от напряженности электрического поля, а определяется только турбулентным обменом, процессами ионизации и рекомбинации. Присутствие аэрозольных частиц в сильном турбулентном приземном слое уменьшает характерный масштаб распределения аэроионов и увеличивает толщину электродного слоя, а усиление степени ионизации воздуха приводит к ее уменьшению. В присутствии аэрозольных частиц уменьшается напряженность электрического поля и увеличивается плотность электрического заряда, как в локаль­ном, так и в глобальном плане.

Электродный эффект на пасеке

Исходя из описанного состояния электрического поля приземной атмосферы легко объясняется принцип индуцирования тока в клубе пчёл. На первом рисунке схематически изображён ионный слой приземной атмосферы ночью или рано утром (в дневное время ионы преимущественно с отрицательным зарядом). На рисунке №1а та же ситуация, но уже на пасеке. Здесь мы отметим важный фактор. Клуб пчёл несёт отрицательный заряд. Керотин (волоски) и хитин (покров) пчёл обладают электретными свойствами. В ночное время положительный заряд, полученный днём, стекает и на теле формируется отрицательный заряд. Об этом подробно рассказывают посты про электрофизику и про электростатику пчелы.

На рисунке №2 изображено движение ионов при турбулентности, по простому, при появлении ветра. На пасеке это приведёт к идуцированию тока в клубе пчёл (рис №2а).

Вот вам, батенька, статика в действии!

Последствия индуцирования тока спровоцируют слёт пчелосемей из своего улья. Факторы способствующие этому описаны в статье «Осенний слёт (исчезновение) пчёл».

Электродный эффект в горах

Отдельно отметим электрическое поле приземной атмосферы  высокогорной и высокоширотной зон. Электрическое поле в приземном слое высотной местности зависит от изменений плотности электрического тока, который определяется колебаниями потенциала ионосферы. Так же присутствуют суточно-сезонные зависимости: суточные пики в виде утреннего минимума (зимой и весной проявляется сильнее), дневного и вечернего максимумов (пиковые значения наблюдаются летом), так же обусловленные глобальной унитарной вариацией ионосферного потенциала. Таким образом, в высокогорных условиях электрическое состояние приземной атмосферы находится в зависимости от ионосферных процессов. Причиной локальных вариаций электрического поля в горной местности является объемный заряд (играющий существенную роль в летние месяцы), создаваемый легкими ионами в приземном слое атмосферы, а так же турбулентные и конвективные процессы.

В заключение описания электродного эффекта общий вывод — нестационарность электрических процессов приземной атмосферы вызвана, как глобальными электрическими силами вне приземного слоя, так и локальными процессами, действующими внутри него.

Учитывая, что все эти электрические процессы происходят непрерывно и круглосуточно на пасеке, то неизбежно встаёт вопрос об их влиянии и последствиях для пчёл. Они, конечно, имеются, в том числе и не безобидные, как слёт пчёл.
Опубликовано Новиковым С.Н. © //www.maymed.ru , 2012.