Électricité atmosphérique - Atmospheric electricity

Foudre nuage-sol . En règle générale, la foudre décharge 30 000 ampères , jusqu'à 100 millions de volts , et émet de la lumière, des ondes radio, des rayons X et même des rayons gamma . Les températures du plasma dans la foudre peuvent approcher les 28 000 kelvins .

L'électricité atmosphérique est l'étude des charges électriques dans l' atmosphère terrestre (ou celle d'une autre planète ). Le mouvement de charge entre la surface de la Terre, l'atmosphère et l' ionosphère est connu sous le nom de circuit électrique atmosphérique global . L'électricité atmosphérique est un sujet interdisciplinaire avec une longue histoire, impliquant des concepts de l' électrostatique , de la physique atmosphérique , de la météorologie et des sciences de la Terre .

Les orages agissent comme une batterie géante dans l'atmosphère, chargeant l' électrosphère à environ 400 000 volts par rapport à la surface. Cela crée un champ électrique dans toute l'atmosphère, qui diminue avec l'augmentation de l' altitude . Les ions atmosphériques créés par les rayons cosmiques et la radioactivité naturelle se déplacent dans le champ électrique, de sorte qu'un très faible courant circule dans l'atmosphère, même loin des orages. Près de la surface de la terre, l'amplitude du champ est en moyenne d'environ 100 V/m.

L'électricité atmosphérique implique à la fois les orages , qui créent des éclairs pour décharger rapidement d'énormes quantités de charge atmosphérique stockée dans les nuages ​​​​d'orage, et l'électrification continue de l'air due à l'ionisation des rayons cosmiques et de la radioactivité naturelle , qui garantissent que l'atmosphère n'est jamais tout à fait neutre.

Histoire

Des étincelles tirées de machines électriques et de jarres de Leyde ont suggéré aux premiers expérimentateurs, Hauksbee , Newton , Wall, Nollet et Gray , que la foudre était causée par des décharges électriques. En 1708, le Dr William Wall fut l'un des premiers à observer que les décharges d'étincelles ressemblaient à des éclairs miniatures, après avoir observé les étincelles d'un morceau d' ambre chargé .

Les expériences de Benjamin Franklin ont montré que les phénomènes électriques de l'atmosphère n'étaient pas fondamentalement différents de ceux produits en laboratoire , en recensant de nombreuses similitudes entre l'électricité et la foudre. En 1749, Franklin a observé que la foudre possédait presque toutes les propriétés observables dans les machines électriques.

En juillet 1750, Franklin a émis l'hypothèse que l'électricité pourrait être extraite des nuages ​​via une grande antenne métallique avec une pointe acérée. Avant que Franklin puisse mener à bien son expérience, en 1752, Thomas-François Dalibard érigea une tige de fer de 40 pieds (12 m) à Marly-la-Ville , près de Paris, tirant des étincelles d'un nuage qui passait. Avec sol - isolé antennes, un expérimentateur peut apporter un conducteur mis à la terre avec une poignée à proximité de la cire isolée à l'antenne, et à observer une décharge d'étincelle de l'antenne sur le fil de mise à la terre. En mai 1752, Dalibard affirma que la théorie de Franklin était correcte.

Vers juin 1752, Franklin aurait réalisé sa célèbre expérience de cerf-volant. L'expérience du cerf-volant a été répétée par Romas, qui a tiré d'une corde métallique des étincelles de 9 pieds (2,7 m) de long, et par Cavallo , qui a fait de nombreuses observations importantes sur l'électricité atmosphérique. Lemonnier (1752) a également reproduit l'expérience de Franklin avec une antenne, mais a remplacé le fil de terre par des particules de poussière (test d'attraction). Il a ensuite documenté le beau temps , l'électrification de l'atmosphère par temps clair et sa variation diurne . Beccaria (1775) a confirmé les données de variation diurne de Lemonnier et a déterminé que la polarité de charge de l'atmosphère était positive par beau temps. Saussure (1779) a enregistré des données relatives à la charge induite d'un conducteur dans l'atmosphère. L'instrument de Saussure (qui contenait deux petites sphères suspendues en parallèle avec deux fils minces) était un précurseur de l' électromètre . Saussure a constaté que l'électrification atmosphérique par temps clair avait une variation annuelle, et qu'elle variait également avec l'altitude. En 1785, Coulomb découvre la conductivité électrique de l'air. Sa découverte était contraire à la pensée dominante à l'époque, que les gaz atmosphériques étaient des isolants (dont ils sont dans une certaine mesure, ou du moins pas très bons conducteurs lorsqu'ils ne sont pas ionisés ). Erman (1804) a théorisé que la Terre était chargée négativement, et Peltier (1842) a testé et confirmé l'idée d'Erman.

Plusieurs chercheurs ont contribué au corpus croissant de connaissances sur les phénomènes électriques atmosphériques. Francis Ronalds a commencé à observer le gradient potentiel et les courants air-terre vers 1810, notamment en réalisant des enregistrements automatisés continus . Il a repris ses recherches dans les années 1840 en tant que premier directeur honoraire de l' observatoire de Kew , où le premier ensemble de données étendu et complet des paramètres électriques et météorologiques associés a été créé. Il a également fourni son équipement à d'autres installations dans le monde dans le but de délimiter l'électricité atmosphérique à l'échelle mondiale. Le nouveau collecteur de gouttes d'eau et l' électromètre à anneau divisé de Kelvin ont été introduits à l'observatoire de Kew dans les années 1860, et l'électricité atmosphérique est restée une spécialité de l'observatoire jusqu'à sa fermeture. Pour les mesures à haute altitude, des cerfs - volants étaient autrefois utilisés, et des ballons météorologiques ou des aérostats sont toujours utilisés pour soulever l'équipement expérimental dans les airs. Les premiers expérimentateurs se sont même élevés dans des montgolfières .

Hoffert (1888) a identifié des coups de foudre individuels vers le bas en utilisant les premières caméras. Elster et Geitel , qui ont également travaillé sur l'émission thermoionique , ont proposé une théorie pour expliquer la structure électrique des orages (1885) et, plus tard, ont découvert la radioactivité atmosphérique (1899) à partir de l'existence d' ions positifs et négatifs dans l'atmosphère. Pockels (1897) a estimé l' intensité du courant de foudre en analysant les éclairs dans le basalte (vers 1900) et en étudiant les champs magnétiques restants causés par la foudre. Les découvertes sur l'électrification de l'atmosphère via des instruments électriques sensibles et les idées sur la façon dont la charge négative de la Terre est maintenue ont été développées principalement au 20ème siècle, avec CTR Wilson jouant un rôle important. Les recherches actuelles sur l'électricité atmosphérique se concentrent principalement sur la foudre, en particulier les particules à haute énergie et les événements lumineux transitoires, et le rôle des processus électriques non orageux dans le temps et le climat.

La description

L'électricité atmosphérique est toujours présente, et par beau temps loin des orages, l'air au-dessus de la surface de la Terre est chargé positivement, tandis que la charge de surface de la Terre est négative. Cela peut être compris en termes de différence de potentiel entre un point de la surface de la Terre et un point quelque part dans l'air au-dessus. Parce que le champ électrique atmosphérique est dirigé négativement par beau temps, la convention est de se référer au gradient de potentiel, qui a le signe opposé et est d'environ 100 V/m à la surface, loin des orages. Il existe un faible courant de conduction des ions atmosphériques se déplaçant dans le champ électrique atmosphérique, environ 2 picoAmpères par mètre carré, et l'air est faiblement conducteur en raison de la présence de ces ions atmosphériques.

Variantes

Les cycles quotidiens mondiaux du champ électrique atmosphérique, avec un minimum autour de 03 UT et un pic environ 16 heures plus tard, ont été étudiés par la Carnegie Institution de Washington au 20e siècle. Cette variation de la courbe de Carnegie a été décrite comme « le rythme cardiaque électrique fondamental de la planète ».

Même loin des orages, l'électricité atmosphérique peut être très variable, mais, généralement, le champ électrique est renforcé dans les brouillards et les poussières alors que la conductivité électrique atmosphérique est diminuée.

Liens avec la biologie

Le gradient de potentiel atmosphérique conduit à un flux d'ions de l'atmosphère chargée positivement à la surface de la terre chargée négativement. Sur un terrain plat un jour avec un ciel clair, le gradient potentiel atmosphérique est d'environ 120 V/m. Les objets dépassant de ces champs, par exemple les fleurs et les arbres, peuvent augmenter l'intensité du champ électrique jusqu'à plusieurs kilovolts par mètre. Ces forces électrostatiques près de la surface sont détectées par des organismes tels que le bourdon pour se diriger vers les fleurs et l'araignée pour initier la dispersion par montgolfière. On pense également que le gradient de potentiel atmosphérique affecte l'électrochimie souterraine et les processus microbiens.

Près de l'espace

La couche d' électrosphère (de dizaines de kilomètres au-dessus de la surface de la terre jusqu'à l'ionosphère) a une conductivité électrique élevée et est essentiellement à un potentiel électrique constant. L' ionosphère est le bord intérieur de la magnétosphère et est la partie de l'atmosphère qui est ionisée par le rayonnement solaire. (La photoionisation est un processus physique dans lequel un photon est incident sur un atome, un ion ou une molécule, entraînant l'éjection d'un ou plusieurs électrons.)

Rayonnement cosmique

La Terre, et presque tous les êtres vivants qui s'y trouvent, sont constamment bombardés par les radiations de l'espace. Ce rayonnement se compose principalement d'ions chargés positivement des protons au fer et de sources dérivées de noyaux plus gros à l' extérieur de notre système solaire . Ce rayonnement interagit avec les atomes de l'atmosphère pour créer une pluie d'air de rayonnements ionisants secondaires, comprenant des rayons X , des muons , des protons , des particules alpha , des pions et des électrons . L'ionisation de ce rayonnement secondaire garantit que l'atmosphère est faiblement conductrice, et le léger courant de ces ions sur la surface de la Terre équilibre le courant des orages. Les ions ont des paramètres caractéristiques tels que la mobilité , la durée de vie et le taux de génération qui varient avec l' altitude .

Orages et éclairs

La différence de potentiel entre l' ionosphère et la Terre est entretenue par les orages , avec des éclairs délivrant des charges négatives de l'atmosphère au sol.

Carte du monde indiquant la fréquence des éclairs, en éclairs par km² et par an (projection à surface égale). La foudre frappe le plus souvent en République démocratique du Congo . Données combinées de 1995 à 2003 du détecteur de transitoires optiques et données de 1998 à 2003 du capteur d'imagerie de la foudre.

Les collisions entre la glace et la grêle molle (graupel) à l'intérieur des cumulonimbus provoquent la séparation des charges positives et négatives au sein du nuage, indispensable à la génération de la foudre. La formation initiale de la foudre est toujours un sujet de débat : les scientifiques ont étudié les causes profondes allant des perturbations atmosphériques (vent, humidité et pression atmosphérique ) à l'impact du vent solaire et des particules énergétiques.

Un éclair moyen transporte un courant électrique négatif de 40 kiloampères (kA) (bien que certains éclairs puissent atteindre 120 kA), et transfère une charge de cinq coulombs et une énergie de 500 MJ , soit suffisamment d'énergie pour alimenter un 100 watts. ampoule pendant un peu moins de deux mois. La tension dépend de la longueur du boulon, le claquage diélectrique de l'air étant de trois millions de volts par mètre, et les éclairs mesurant souvent plusieurs centaines de mètres de long. Cependant, le développement du guide de foudre n'est pas une simple question de claquage diélectrique, et les champs électriques ambiants requis pour la propagation du leader de foudre peuvent être inférieurs de quelques ordres de grandeur à la résistance au claquage diélectrique. De plus, le gradient potentiel à l'intérieur d'un canal de retour bien développé est de l'ordre de centaines de volts par mètre ou moins en raison de l'ionisation intense du canal, ce qui entraîne une véritable puissance de sortie de l'ordre de mégawatts par mètre pour un retour vigoureux. courant de course de 100 kA .

Si la quantité d'eau qui est condensée dans un nuage et ensuite précipitée d'un nuage est connue, alors l'énergie totale d'un orage peut être calculée. Dans un orage moyen, l'énergie libérée s'élève à environ 10 000 000 kilowattheures (3,6 × 10 ¹³ joules ), ce qui équivaut à une ogive nucléaire de 20 kilotonnes . Un gros orage violent peut être 10 à 100 fois plus énergique.

Séquence de foudre (Durée : 0,32 seconde)

Décharges corona

Une représentation de l'électricité atmosphérique dans une tempête de poussière martienne, qui a été suggérée comme une explication possible des résultats chimiques énigmatiques de Mars (voir aussi les expériences biologiques de l'atterrisseur viking )

Le feu de Saint-Elme est un phénomène électrique dans lequel un plasma lumineuxest créé par une décharge coronale provenant d'un objet mis à la terre . La foudre en boule est souvent identifiée à tort comme le feu de Saint-Elme, alors qu'il s'agit de phénomènes séparés et distincts. Bien qu'appelé "feu", le feu de Saint-Elme est, en fait, du plasma , et est observé, généralement lors d'un orage , au sommet des arbres, des flèches ou d'autres objets de grande taille, ou sur la tête des animaux, comme un pinceau. ou étoile de lumière.

La couronne est causée par le champ électrique autour de l'objet en question ionisant les molécules d'air, produisant une faible lueur facilement visible dans des conditions de faible luminosité. Environ 1 000 à 30 000 volts par centimètre sont nécessaires pour provoquer l'incendie de Saint-Elme ; cependant, cela dépend de la géométrie de l'objet en question. Les points pointus ont tendance à nécessiter des niveaux de tension plus bas pour produire le même résultat car les champs électriques sont plus concentrés dans les zones à forte courbure, donc les décharges sont plus intenses à l'extrémité des objets pointus. Le feu de Saint-Elme et les étincelles normales peuvent tous deux apparaître lorsqu'une haute tension électrique affecte un gaz. Le feu de Saint-Elme est observé pendant les orages lorsque le sol sous l'orage est chargé électriquement et qu'il y a une haute tension dans l'air entre le nuage et le sol. La tension déchire les molécules d'air et le gaz commence à briller. L'azote et l'oxygène de l'atmosphère terrestre font que le feu de Saint-Elme devient fluorescent avec une lumière bleue ou violette; ceci est similaire au mécanisme qui fait briller les enseignes au néon.

Cavité Terre-Ionosphère

Les résonances de Schumann sont un ensemble de pics spectraux dans la partie extrêmement basse fréquence (ELF) du spectre du champ électromagnétique terrestre. La résonance de Schumann est due à l'espace entre la surface de la Terre et l'ionosphère conductrice agissant comme un guide d'ondes . Les dimensions limitées de la terre font que ce guide d'ondes agit comme une cavité résonante pour les ondes électromagnétiques. La cavité est naturellement excitée par l'énergie des coups de foudre.

Mise à la terre du système électrique

Les charges atmosphériques peuvent provoquer une accumulation de potentiel de charge indésirable, dangereuse et potentiellement mortelle dans les systèmes de distribution d'énergie à fil électrique suspendu. Des fils nus suspendus dans l'air s'étendant sur plusieurs kilomètres et isolés du sol peuvent collecter de très grandes charges stockées à haute tension, même en l'absence d'orage ou de foudre. Cette charge cherchera à se décharger par le chemin de moindre isolation, ce qui peut se produire lorsqu'une personne tend la main pour activer un interrupteur d'alimentation ou pour utiliser un appareil électrique.

Pour dissiper l'accumulation de charge atmosphérique, un côté du système de distribution électrique est connecté à la terre en de nombreux points du système de distribution, aussi souvent que sur chaque poteau de support . Le seul fil connecté à la terre est communément appelé "terre de protection", et fournit un chemin pour que le potentiel de charge se dissipe sans causer de dommages, et fournit une redondance au cas où l'un des chemins de terre est mauvais en raison de la corrosion ou d'une mauvaise conductivité au sol . Le fil de terre électrique supplémentaire qui ne transporte pas d'alimentation joue un rôle secondaire, fournissant un chemin de court-circuit à haute intensité pour faire sauter rapidement les fusibles et sécuriser un appareil endommagé, plutôt que de faire passer un appareil non mis à la terre avec une isolation endommagée "électriquement sous tension" via le alimentation du réseau et dangereux au toucher.

Chaque transformateur d'un réseau de distribution de courant alternatif segmente le système de mise à la terre en une nouvelle boucle de circuit séparée. Ces grilles séparées doivent également être mises à la terre d'un côté pour éviter l'accumulation de charge à l'intérieur d'elles par rapport au reste du système, ce qui pourrait causer des dommages dus aux potentiels de charge se déchargeant à travers les bobines du transformateur vers l'autre côté mis à la terre du réseau de distribution.

Voir également

Références et articles externes

Citations et notes

Autre lecture

Sites Internet

Lectures complémentaires

• James R. Wait , Quelques aspects électromagnétiques de base des variations de champ ULF dans l' atmosphère . Journal Pure and Applied Geophysics, Volume 114, Numéro 1 / Janvier 1976 Pages 15–28 Birkhäuser Basel ISSN 0033-4553 (Imprimé) 1420-9136 (En ligne) DOI 10.1007/BF00875488
• Conseil national de recherches (États-Unis)., & American Geophysical Union. (1986). L'environnement électrique de la Terre . Washington, DC : Prés de l'Académie nationale
• La dynamique solaire et ses effets sur l'héliosphère et la Terre Par DN Baker, International Space Science Institute
• Variabilité solaire, météo et climat Par le National Research Council (États-Unis). Comité d'étude de géophysique
• Chrée, Charles (1911). "Electricité atmosphérique"  . Dans Chisholm, Hugh (éd.). Encyclopédie Britannica . 2 (11e éd.). La presse de l'Universite de Cambridge. p. 860-870. Cela donne un résumé détaillé des phénomènes tels qu'ils étaient compris au début du 20e siècle.

Liens externes

• Courant électrique à travers l'atmosphère
• Le circuit mondial , phys.uh.edu
• S'imprégner d'électricité atmosphérique Mesures de « beau temps » importantes pour comprendre les orages. science.nasa.gov
• Page d' accueil de l' électricité atmosphérique , uah.edu
• Tjt, Électricité atmosphérique de beau temps . ava.fmi.fi
• Commission internationale sur l' électricité atmosphérique (CIEA) Page d' accueil