วิทยาศาสตร์สมัยใหม่มีความรู้มากมายเกี่ยวกับชั้นบรรยากาศของโลกและกระบวนการที่หลากหลายที่เกิดขึ้นในนั้น ดูเหมือนว่าทั้งหมดนี้ควรได้รับการวิจัยอย่างดีและจำลองอย่างพิถีพิถันในห้องปฏิบัติการที่นักวิทยาศาสตร์ชื่นชอบ อย่างไรก็ตาม ปรากฎว่าจนถึงขณะนี้ยังไม่มีภาพที่ชัดเจนและชัดเจนของปรากฏการณ์เช่นไฟฟ้าในบรรยากาศ ตรงกันข้าม มีหลายรุ่น แต่ละรุ่นมีข้อดีและข้อเสีย
ประวัติศาสตร์เล็กน้อย
บุคคลที่ยืนอยู่ที่จุดกำเนิดของการศึกษาวิจัยและได้รับการยืนยันทางวิทยาศาสตร์ว่าแท้จริงแล้วปรากฏการณ์นี้มีอยู่จริง เป็นนักอุดมการณ์ที่มีชื่อเสียงระดับโลกในการก่อตั้งประเทศสหรัฐอเมริกา - เบนจามิน แฟรงคลิน อันที่จริงกระแสไฟฟ้าในบรรยากาศเป็นปรากฏการณ์ทางกายภาพอยู่ตรงหน้าเขาในขั้นตอนการคำนวณตามสมมุติฐาน หนึ่งในผู้ก่อตั้งบรรพบุรุษของอเมริกาเป็นคนแรกที่แสดงตนในอากาศและอธิบายเหตุผลด้วยการเกิดฟ้าผ่า สิ่งที่น่าสนใจที่สุดเกี่ยวกับเรื่องนี้คือการที่แฟรงคลินใช้ว่าวที่มีลวดแหลมพิเศษเพื่อพิสูจน์ว่าว
การเก็บไฟฟ้าด้วยวิธีนี้ทำให้เขาได้รับประกายไฟโดยเปิดกุญแจในวงจรกราวด์ที่ง่ายที่สุด วิธีง่ายๆในการพิสูจน์การมีอยู่ของอนุภาคที่มีประจุในบรรยากาศ แต่ไม่เคยเบี่ยงเบนความสนใจจากข้อดีของนักการเมืองผู้ยิ่งใหญ่คนนี้รวมถึงนักวิทยาศาสตร์ในการค้นพบปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่พิจารณาที่นี่ ต่อจากนั้น นักฟิสิกส์ทั่วโลกก็เริ่มยืนยันผลลัพธ์ด้วยการทดลองประเภทนี้
กระแสไฟฟ้าในบรรยากาศคืออะไร
นี่คือการรวมกันของกระบวนการต่าง ๆ ที่เกิดจากการปรากฏตัวของอนุภาคที่มีประจุในอากาศรอบโลก นักวิทยาศาสตร์ตรวจสอบปรากฏการณ์ต่างๆ เช่น สนามไฟฟ้าในชั้นบรรยากาศ ความเข้มของบรรยากาศ กระแสที่เกี่ยวข้องกับสิ่งนี้ ประจุในอวกาศ และจุดอื่นๆ อีกมากมาย ตัวอย่างเช่น อุตุนิยมวิทยา ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม ผลกระทบต่อกิจกรรมทางมานุษยวิทยาของมนุษย์สาขาต่างๆ: การบิน อุตสาหกรรม เกษตรกรรม ฯลฯ
การเปรียบเทียบทางกายภาพที่สะดวก
ดาวเคราะห์ของเราในการประมาณคร่าวๆ คือตัวเก็บประจุทรงกลมขนาดใหญ่ นี่เป็นอุปกรณ์ที่ง่ายที่สุดที่สามารถเก็บพลังงานไฟฟ้าได้ ไอโอโนสเฟียร์และพื้นผิวโลกนั้นถือได้ว่าเป็นเพลตของตัวเก็บประจุขนาดยักษ์ ในกรณีนี้อากาศทำหน้าที่เป็นฉนวนซึ่งภายใต้สภาวะปกติมีการนำไฟฟ้าต่ำมาก พื้นผิวโลกมีประจุลบ ในขณะที่ชั้นบรรยากาศรอบนอกมีประจุบวก
ระหว่างเพลตของตัวเก็บประจุแบบธรรมดา สนามไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นที่นี่ ซึ่งมีลักษณะเฉพาะที่ไม่เหมือนใคร ตัวอย่างเช่น ความเข้มของมันสูงสุดใกล้พื้นผิวโลก ลดลงอย่างทวีคูณเมื่อความสูงเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม เมื่ออยู่เหนือระดับน้ำทะเล 10 กิโลเมตร มูลค่าของมันลดลง 30 เท่า ฟิลด์นี้สร้างปรากฏการณ์ที่หลากหลายโดยพื้นฐาน ภายใต้ชื่อทั่วไปว่า "กระแสไฟฟ้าในบรรยากาศ"
นี่เป็นหนึ่งในโมเดลที่พบบ่อยที่สุดในโลกวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ เรียกว่าทฤษฎีของวิลสัน นอกจากนี้ยังมีสมมติฐานที่ Frenkel นักวิทยาศาสตร์ชาวโซเวียตเสนอ โดยที่ชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ไม่ได้มีบทบาทสำคัญในการสร้างสนามไฟฟ้า เขาเชื่อว่าส่วนใหญ่ก่อตัวขึ้นจากปฏิสัมพันธ์ของพื้นผิวโลกและเมฆตลอดจนการโพลาไรซ์ของพวกมัน
กำเนิดธรรมชาติ
แต่ถ้าเรากลับไปที่รูปแบบตัวเก็บประจุซึ่งไม่เพียงแต่ให้การเปรียบเทียบที่ดี แต่ยังมีความเป็นไปได้ทางทฤษฎีสำหรับการสร้างแหล่งพลังงานที่แทบไม่มีจริง กระแสไฟฟ้าในบรรยากาศก็จะปรากฏในกระบวนการพื้นฐานเพียงไม่กี่ขั้นตอน ถือว่าสำคัญที่สุด
อย่างแรกเลย สิ่งเหล่านี้เรียกว่ากระแสรั่วไหล สำหรับตัวเก็บประจุแบบธรรมดา สิ่งเหล่านี้เป็นปรากฏการณ์กาฝากที่ลดประสิทธิภาพในการจัดเก็บประจุ ในกรณีของชั้นบรรยากาศ สิ่งเหล่านี้คือกระแสหมุนเวียนที่เกิดขึ้น ตัวอย่างเช่น ในพื้นที่พายุเฮอริเคนและพายุฝนฟ้าคะนอง ความแรงของพวกมันสูงถึงหลายหมื่นแอมแปร์ และถึงกระนั้น ความต่างศักย์ระหว่างพื้นผิวโลกกับชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ก็ไม่พบการเปลี่ยนแปลงที่มีนัยสำคัญใดๆ เลย ซึ่งแน่นอนว่าคงไว้ซึ่งความแรงของสนาม ในวงจรไฟฟ้าที่มีตัวเก็บประจุ สามารถทำได้ด้วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเพิ่มเติมเท่านั้น
ตามตรรกะ ถือว่ามีสิ่งที่คล้ายกันในกรณีของชั้นบรรยากาศโลก อันที่จริงมีแหล่งพลังงานเช่นนั้น นี่คือสนามแม่เหล็กของโลกของเราซึ่งหมุนด้วยกระแสรังสีดวงอาทิตย์ทำให้เกิดเครื่องกำเนิดที่ทรงพลัง อย่างไรก็ตาม มีแนวคิดที่จะใช้พลังงานโดยใช้กระแสไฟฟ้าในบรรยากาศเท่านั้น พลังงานอิสระเป็นตัวกระตุ้นที่ทรงพลังอย่างเหลือเชื่อสำหรับการพัฒนาความคิดทางวิทยาศาสตร์ในทุกด้านของกิจกรรมของมนุษย์ แนวโน้มนี้ไม่ได้ข้ามฟิสิกส์ของปรากฏการณ์ในชั้นบรรยากาศ แต่เพิ่มเติมในภายหลัง
พายุฝนฟ้าคะนอง
กระบวนการที่น่าสนใจและสำคัญต่อไปในชั้นบรรยากาศคือการปล่อยก๊าซประกายไฟที่มาพร้อมกับพายุฝนฟ้าคะนอง เช่นเดียวกับกระแสพา นี่เป็นปรากฏการณ์กาฝากจากมุมมองของแบบจำลองตัวเก็บประจุของสนามไฟฟ้าที่สร้างขึ้นระหว่างพื้นผิวโลกกับชั้นบรรยากาศรอบนอก และโชคไม่ดีที่สิ่งนี้ไม่ได้จำกัดอยู่ที่ผลกระทบด้านลบของปรากฏการณ์การปลดปล่อยในชั้นบรรยากาศ ในที่นี้ควรสังเกตอันตรายจากฟ้าผ่าสำหรับวัตถุบนบกที่กระทำโดยมนุษย์ ซึ่งรวมถึงผลกระทบที่ทำลายล้างจากการกระแทกและความร้อนเกินพิกัดที่มาพร้อมกับปรากฏการณ์ที่น่าเกรงขามนี้
ซิป
หลักฐานของธรรมชาติไฟฟ้าของฟ้าผ่า พิสูจน์แล้วอย่างหรูหราแฟรงคลินสร้างคำถามเชิงตรรกะคำถามเดียว เป็นไปได้มากที่เขากังวลแม้กระทั่งคนรุ่นเดียวกันของบิดาผู้ก่อตั้ง ไฟฟ้าในบรรยากาศไฟฟ้าแรงสูงหรือแรงต่ำ
ตามรูปแบบตัวเก็บประจุที่กล่าวถึงแล้ว ความต่างศักย์ระหว่างแผ่นเปลือกโลกบนมาตราส่วนดาวเคราะห์ควรก่อให้เกิดสนามไฟฟ้า อันที่จริงพื้นผิวที่มีประจุลบของโลกในด้านหนึ่งและไอโอโนสเฟียร์ที่มีประจุบวกก่อให้เกิดสนามที่มีความเข้มสูง ปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าในเมฆทำให้เกิดประจุไฟฟ้าในอวกาศขนาดมหึมาในส่วนล่างของชั้นบรรยากาศ ดังนั้นความแรงของสนามที่พื้นผิวโลกจึงมากกว่าตัวอย่างเช่นที่ความสูง 10 กม.
แน่นอนว่าสนามไฟฟ้าที่มีความเข้มข้นนี้จะสร้างกระแสคายประจุที่ทรงพลังซึ่งผู้สังเกตการณ์ที่ไม่มีประสบการณ์สามารถมองเห็นได้ในระหว่างพายุฝนฟ้าคะนองทั่วไปในละติจูดกลาง ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าในช่องจำหน่ายจึงสูง
ไฟเซนต์เอลโม่
นอกจากประกายไฟแล้ว ยังมีการปลดปล่อยโคโรนาในบรรยากาศ ซึ่งสืบเนื่องมาจากประเพณีทางประวัติศาสตร์ เรียกว่าไฟของเซนต์เอลโม ดูเหมือนแปรงหรือคานเรืองแสงที่ปลายของวัตถุสูง เช่น เสากระโดงเรือ หอคอย ฯลฯ นอกจากนี้ ปรากฏการณ์นี้สามารถสังเกตได้เฉพาะในความมืดเท่านั้น สาเหตุของการเกิดแสงของ St. Elmo คือการเพิ่มความเข้มของสนามไฟฟ้าของสิ่งแวดล้อม เช่น เมื่อเข้าใกล้หรือระหว่างพายุฝนฟ้าคะนอง พายุ พายุหิมะ เป็นต้น
ปล่อยแบบนี้ก็ได้ค่อนข้างง่ายที่จะได้รับที่บ้าน อันที่จริงไฟฟ้าในบรรยากาศที่ต้องทำด้วยตัวเองนั้นง่ายมาก ตัวอย่างเช่น คุณสามารถถอดเสื้อสเวตเตอร์สังเคราะห์และเริ่มนำเข็มเข้าไป จากระยะหนึ่งจะเกิดการปลดปล่อยที่ปลายซึ่งสามารถสังเกตเห็นได้ชัดเจนในความมืดสนิท
ลูกไฟ
พายุฝนฟ้าคะนองอีกแบบหนึ่งคือมีก๊าซออก ปกติจะมีลักษณะเป็นทรงกลม เรากำลังพูดถึง ball lightning ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่พิเศษและหายากมาก นักวิทยาศาสตร์ยังคงไม่สามารถเห็นด้วยกับเหตุผลทางทฤษฎีที่เพียงพอสำหรับการมีอยู่ของปรากฏการณ์นี้ และจนถึงปี 2012 ก็ไม่มีเอกสารหลักฐานเกี่ยวกับความเป็นจริงของบอลฟ้าผ่าเลย อย่างไรก็ตาม นี่เป็นอีกหนึ่งความลึกลับของชั้นบรรยากาศของโลกที่นักวิทยาศาสตร์ยังคงเผชิญอยู่
ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม
ได้กล่าวไปแล้วข้างต้นเกี่ยวกับผลกระทบของฟ้าผ่าต่อกิจกรรมของมนุษย์ประเภทต่างๆ ไฟฟ้าในบรรยากาศเป็นปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมเป็นจุดที่สำคัญมากซึ่งควรจะกล่าวถึงด้วย จากมุมมองของการพัฒนามนุษย์ของทรัพยากรต่าง ๆ ที่โลกมอบให้เขา สภาพแวดล้อมทางอากาศทำให้เขามีโอกาสดำรงอยู่ในฐานะสายพันธุ์
การปรากฏตัวของสนามไฟฟ้าในบรรยากาศมีผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์มากมายสำหรับกิจกรรมของมนุษย์ บางส่วนนั้นค่อนข้างไม่เป็นอันตราย แต่การแสดงออกหลายอย่างบังคับให้จิตใจด้านวิศวกรรมที่ดีที่สุดคิดหาวิธีที่มีประสิทธิภาพในการระงับกองกำลังที่น่าเกรงขามธรรมชาติ
ความปลอดภัยในชีวิต
ไฟฟ้าในบรรยากาศและการป้องกันจากมันเป็นปัญหาที่สำคัญที่สุดที่ควรจะกล่าวถึงในบริบทของนิเวศวิทยา โดยธรรมชาติ สิ่งที่อันตรายที่สุดคือการปล่อยประกายไฟที่ทรงพลังที่สุด เช่น ฟ้าผ่า และสิ่งนี้ไม่เพียงใช้กับพันธุ์บนบกเท่านั้น ฟ้าผ่าในเมฆเป็นภัยคุกคามต่อการบินพลเรือนและทหาร ไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง ปรากฏการณ์บรรยากาศการปลดปล่อยทั้งหมดอยู่ภายใต้การสังเกตอย่างใกล้ชิดและป้องกันความเสียหายที่อาจเกิดขึ้น ทำได้โดยบริการด้านวิศวกรรมพิเศษในการบิน การต่อเรือ หรือการป้องกันฟ้าผ่าของอาคาร โรงไฟฟ้า ฯลฯ
พลังงานฟรี
สุดท้าย กลับมาที่ประเด็นเรื่องพลังงานฟรีที่กระแสไฟฟ้าในบรรยากาศสามารถให้ได้ เทสลา เจ้าแห่งสายฟ้าที่มีชื่อเสียง ได้ทำการวิจัยจำนวนมากเพื่อนำปรากฏการณ์ทางธรรมชาตินี้ไปปฏิบัติจริง การงานของเขาไม่สูญเปล่า วิศวกรสมัยใหม่จดสิทธิบัตรวิธีการผลิตพลังงานแบบต่างๆ เนื่องจากมีสนามไฟฟ้าทรงพลังอยู่ใกล้พื้นผิวโลก
ตัวอย่างที่โดดเด่นคือวงจรที่มีตัวนำไฟฟ้าที่ติดตั้งในแนวตั้งซึ่งอยู่ระหว่างปลายด้านบนและด้านล่างซึ่งมีความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นเนื่องจากการมีอยู่ของสนามเดียวกัน พลังงานที่สร้างขึ้นโดยมันสามารถสกัดได้โดยการสร้างการปลดปล่อยโคโรนาควบคุมที่ปลายด้านบนของตัวนำ เป็นผลให้สามารถรักษากระแสในตัวนำได้ ซึ่งหมายความว่าปลอดภัยในการเชื่อมต่อผู้บริโภคกับมัน
ดังนั้น กระแสไฟในบรรยากาศ แม้ว่าจะมีภัยคุกคามต่อกิจกรรมของมนุษย์ตามปกติ แต่ก็เปิดโอกาสที่ดีในการจัดหาพลังงานที่แทบไม่มีแก่มนุษยชาติ