Что такое атмосферное электричество: Атмосферное электричество — Энергетика и промышленность России — № 09 (317) май 2017 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Атмосферное электричество — Энергетика и промышленность России — № 09 (317) май 2017 года — WWW.EPRUSSIA.RU

http://www.eprussia.ru/epr/317/5390484.htm

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 09 (317) май 2017 года

О том, что электричество можно добывать из атмосферы, люди задумывались давно. Молнии, «огни святого Эльма», наглядно демонстрировали, что электричество в воздухе есть. Вопрос, как его добыть и можно ли его использовать в практических целях?

Одним из первых проводил опыты с воздушным электричеством Бенджамин Франклин – ученый и политический деятель, знакомый нам по портрету на стодолларовой купюре. Он изучал природу молний, запуская воздушного змея в грозу. Кстати, именно он изобрел громоотвод, конструкция которого практически не изменилась до наших дней, и ряд электростатических моторов.

Одновременно подобные опыты проводились и в других странах. Так, например, в России был убит молнией сподвижник Ломоносова Георг Рихман, когда в воздух поднимали провода, чтобы продемонстрировать, что электричество накапливается в облаках.

Земля – конденсатор

Сейчас природа атмосферного электричества достаточно хорошо изучена. Однако попытки использовать ее на благо человечества не прекращаются. Что вполне понятно: задачи получения «бесплатной» энергии волновали людей всегда.

Земля – хороший проводник электричества. Как и верхний слой атмосферы – ионосфера. Нижний же слой атмосферы обычно не проводит электричество, является электрическим изолятором. По сути – диэлектриком. Таким образом, планета и слои атмосферы являются огромным конденсатором, способным накапливать электроэнергию, подобно электрическому полю. Гигантский конденсатор постоянно заряжается в одних регионах и разряжается в других, создавая глобальный электрический контур. Таким образом, вероятно, вполне возможно создать атмосферную электростанцию, чтобы получать электричество из воздуха.

В нижних слоях атмосферы Земли идут интенсивные процессы испарения, переноса тепла и влаги, образования облаков, сопровождающиеся явлениями электризации. Молнии и осадки также переносят к земле отрицательный заряд. В результате, у поверхности Земли напряженность электростатического поля достигает 100‑150 В / м летом и до 300 В / м зимой. Перед грозой регистрируют напряженность поля до десятков киловольт на метр и выше! Мы почти не чувствуем этого поля просто потому, что воздух – хороший изолятор.

Таким образом, в вероятности, вполне возможно создать атмосферную электростанцию, чтобы получать электричество из воздуха.

Станция из воздушных шаров

Как могла бы выглядеть атмосферная электростанция? Один из возможных способов ее создания состоит в запуске в атмосферу группы высотных воздушных шаров, способных притягивать электричество. Эти шары соединяются электропроводами, которые также закрепляют их на земле в резервуарах, содержащих раствор воды и электролита. Если такой шар поднимется до нижних ионизированных слоев атмосферы, постоянный электрический ток потечет по проводу через растворенный электролит, что приведет к разложению воды на водород и кислород. Далее эти газы можно будет собрать так же, как в любом другом электролитическом устройстве. Водород можно использовать в качестве горючего для топливных элементов или для автомобилей на водородном топливе.

Эксперименты с аэростатами, изготовленными из тонких листов магниево-алюминиевого сплава, покрытого очень острыми, электролитическим способом изготовленными иглами, провел в Финляндии доктор Герман Плаусон. Иглы содержали также примесь радия, чтобы увеличить местную ионизацию воздуха. Поверхность аэростата также красили цинковой амальгамой, которая в солнечную погоду давала дополнительный ток вследствие фотоэффекта.

Плаусон получил мощность 0,72 кВт от одного аэростата и 3,4 кВт от двух, поднятых на высоту 300 м. На свои устройства он в 1920‑х гг. получил патенты США, Великобритании и Германии. Его книга «Получение и применение атмосферного электричества» содержит детальное описание всей технологии.

Доводы скептиков

Но действительно ли запасы электричества Земли велики?

По мнению скептиков, множество проектов по использованию электрического поля планеты опираются на совершенно мифические механизмы отбора энергии от глобального конденсатора.

Для начала стоит заметить, что возникают противоречия в подсчете емкости конденсатора, образованного поверхностью Земли и ионосферой (расхождение результатов – более чем в 1000 раз!).

Земной конденсатор заряжен до напряжения приблизительно 300 кВ, причем поверхность Земли имеет отрицательный заряд, а ионосфера – положительный. Напряженность поля между «обкладками» такого конденсатора составляет 120‑150 В / м у поверхности и резко падает с высотой.

Как у всякого конденсатора, в нем имеются токи утечки. Эти токи очень малы. Но пересчет на всю поверхность Земли дает суммарный ток утечки около 1800 А. А электрический заряд Земли оценивается в 5,7×105 степени кулон. То есть земной конденсатор должен разрядиться всего за 8‑10 мин.

На практике мы подобной картины не наблюдаем. Значит, существует некий природный генератор, мощностью более 700 МВт, компенсирующий потерю заряда системы Земля – ионосфера.

Современная наука оказалась бессильной объяснить механизмы подзарядки конденсатора. На сегодня существует более десяти гипотез, описывающих механизмы и процессы поддержания постоянного заряда Земли. Но экспериментальная проверка и уточненные расчеты показывают недостаточность количества вырабатываемых зарядов для поддержания стабильного значения поля Земли.

В числе кандидатов на генераторы зарядов рассматривались грозы, циркуляция токов в расплавленной мантии Земли, поток частиц от Солнца (солнечный ветер). Выдвигалась даже экзотическая гипотеза о существовании природного МГД генератора, работающего в верхних слоях атмосферы. Но сегодня наука точно не знает, откуда восполняются заряды природного конденсатора. Возможно, каждый из перечисленных механизмов дает свой вклад в пополнение заряда земного накопителя.

Попытки использовать напряженность поля Земли в утилитарных целях предпринимались более двух веков. Лучшее достижение – уже упомянутые конструкции с использованием аэростатов – позволили получить мощность около 1 кВт, а современные, реально работающие схемы позволяют лишь запитать маломощный светодиод или подзарядить мобильный телефон.

Дело в том, что проводимость атмосферного воздуха составляет только 10–14 степени Сименс / метров. Отобрать от столь высокоомного источника заметную мощность просто невозможно. Для этого детали «генератора» должны иметь более надежную изоляцию – иначе он быстро «закорачивается».

Воздушная электроэнергия

Однако доводы скептиков не останавливают экспериментаторов.

По их мнению, высокая разность потенциалов между поверхностью Земли и ионосферой приводит к формированию мощного электрического поля в тропосфере и стратосфере. Заряд в этом суперконденсаторе поддерживается за счет солнечного излучения, космических лучей, а также радиоактивности земной коры. Все эти излучения взаимодействуют с магнитным полем Земли и атомами в верхних слоях атмосферы, пополняя заряд суперконденсатора.

Постоянный заряд атмосферного суперконденсатора составляет от 250  000 до 500  000 В, что сопоставимо с напряжением высоковольтных электрических линий. Однако разница электрических потенциалов поверхности Земли и атмосферы – это постоянный ток, а не переменный. Общее среднее значение силы тока, протекающего через атмосферный суперконденсатор, только в результате гроз составляет 1500 А (по два ампера на каждую из 750 гроз). Электрическая мощность в ваттах составляет произведение силы тока в амперах на напряжение в вольтах. Приведенные выше цифры означают, что земная атмосфера постоянно рассеивает несколько сотен миллионов ватт электроэнергии. Этой мощности хватает на полное пиковое обеспечение электроэнергией среднего города.

Преимущества и недостатки атмосферных электростанций

В качестве преимуществ отмечаются следующие факторы:

• земельно-ионосферный суперконденсатор постоянно подзаряжается с помощью возобновляемых источников энергии – солнца и радиоактивных элементов земной коры;

• атмосферная электростанция не выбрасывает в окружающую среду никаких загрязнителей;

• оборудование атмосферных станций не бросается в глаза. Воздушные шары находятся слишком высоко для того, чтобы их увидеть невооруженным глазом;

• атмосферная электростанция способна вырабатывать энергию постоянно, если поддерживать шары в воздухе.

Недостатки:

• атмосферное электричество, как и энергию солнца или ветра, трудно запасать. Его необходимо либо использовать сразу же, на месте получения, либо преобразовывать в любую другую форму, например в водород;

• значительная разрядка земельно-ионосферного суперконденсатора может нарушить баланс глобального электрического контура. В этом случае последствия для окружающей среды будут непредсказуемы;

• высокое напряжение в системах атмосферных электростанций может быть опасным для обслуживающего персонала;

• воздушные шары необходимого размера сложно обслуживать и поддерживать на необходимой высоте. Кроме того, они могут представлять опасность для авиации;

• общее количество электроэнергии, которую можно получать из атмосферы, ограничено. В лучшем случае атмосферная энергетика может служить лишь незначительным дополнением к другим источникам энергии.

Если атмосферная электростанция когда‑либо будет построена, то наиболее вероятным местом ее расположения окажется некий островок в океане, а воздушные шары будут крепиться к земле двумя-тремя проводами. Попытка соорудить ее в жилом месте может привести к значительным разрушениям (например, во время торнадо).

Также читайте в номере № 09 (317) май 2017 года:

• Я смог поэтапно отследить деятельность всей энергетической компании

  Интересные перспективы могут ожидать тех, кто просто увлекается изучением нового иностранного языка. По такой «формуле» директор по эффективности производства ПАО «Энел Россия» Андрей Подсвиров попал в Италию.
  …

• «Двойной эффект»: после реконструкции котельной в выгоде оказались и «Газпром теплоэнерго», и потребители

  В Санкт-Петербурге в рамках V Российского международного энергетического форума состоялся круглый стол «Актуальные
  вопросы работы с потребителями на энергетическом рынке».
  …

• Атмосферное электричество

  О том, что электричество можно добывать из атмосферы, люди задумывались давно. Молнии, «огни святого Эльма», наглядно демонстрировали, что электричество в воздухе есть. Вопрос, как его добыть и можно ли его использовать в практических целях?…

• Сергей Чемезов: как построить госкорпорацию

  Более десяти лет Сергей Чемезов возглавляет крупнейшую госкорпорацию «Ростех». Начав с экспорта оружия, вверенное ему ведомство стало охватывать и гражданские сферы….

• Айтишник никогда не будет руководить энергосистемой

  Названы наиболее перспективные профессии энергетики будущего.
  …



Смотрите и читайте нас в

Атмосферное электричество | это… Что такое Атмосферное электричество?

ТолкованиеПеревод

Атмосферное электричество

Атмосферное электричество

— совокупность электрических явлений и процессов, происходящих в атмосфере; раздел физики, изучающий эти явления и процессы. При исследовании А. э. изучают электрические токи в атмосфере, объёмные заряды, заряды облаков и осадков, грозовые разряды и многие другие Все явления А. э. тесно связаны между собой. На их развитие сильно влияют метеорологические факторы — облака, осадки, метели и т. п. Электрическое поле атмосферы обусловлено зарядами Земли и атмосферы. У земной поверхности существует стационарное электрическое поле с напряжённостью около 130 В/м. Земля при этом имеет отрицательный заряд около 3*105 Кл, а атмосфера в целом заряжена положительно. При грозе, метелях, осадках напряжённость электрического поля может резко менять направление и значение, достигая 1000 В/м. Атмосфера непрерывно ионизуется. Образование заряженных частиц в атмосферном воздухе — ионов — происходит в основном под действием космических лучей, излучения радиоактивных веществ в земной коре и в атмосфере, ультрафиолетового и корпускулярного излучения Солнца.

Электрическое состояние облаков и осадков обусловлено зарядами облачных элементов и капель. Верхняя часть облака обычно заряжена положительно, а нижняя — отрицательно.

В атмосфере возникают электрические токи, обусловленные движением ионов и электронов под действием электрического поля (токи проводимости), переносом объёмных зарядов (конвективные токи), значит, и быстрым изменением электрического поля (токи смещения). Возникают также токи при разрядах.

Молния — электрический разряд между облаками, различными частями облака или между облаком и земной поверхностью. Возникает при напряжённости электрического поля до 25—50 кВ/м, сила тока разряда — десятки тысяч А. Наиболее часто встречается линейная молния — искровой разряд длиной 2—3 км, иногда до 20 км и более, диаметр — несколько десятков см, продолжительность — десятые доли секунды; состоит из последовательных нарастающих импульсов.

Грозы (и молнии) относятся к опасным для летательных аппарат метеорологическим явлениям. Попадание молнии в летательный аппарат может привести к разрушениям элементов конструкции, нарушению работы радиоаппаратуры и навигационных приборов, ослеплению и даже непосредственному поражению членов экипажа, в связи с чем предусматриваются меры по молниезащите летательных аппаратов. В телеграфном оповещении о грозе авиационными метеорологическими станциями указываются местоположение грозы, расстояние, направление её движения, наличие осадков на аэродроме.

Авиация: Энциклопедия. — М.: Большая Российская Энциклопедия.
Главный редактор Г.П. Свищев.
1994.

.

Поможем решить контрольную работу

• Атмосферное давление
• Атмосферные явления

Полезное

границ | От редакции: Атмосферное электричество

Атмосферное электричество связано с широким кругом дисциплин, включая глобальную атмосферную электрическую цепь (ГЭЦ), энергетическое излучение и электрификацию атмосферы, аэрозольную и облачную микрофизику, грозы, физику молнии, высокоэнергетические процессы, а также отношения к солнечно-земным явлениям и эволюции климата Земли и химии атмосферы. Исследования во многих областях атмосферного электричества быстро развиваются благодаря наземным, спутниковым и бортовым измерениям, лабораторным исследованиям в различных масштабах и химико-климатическому моделированию.

Солнечно-земные влияния исследуются в нескольких статьях. Чум и др. исследовал влияние солнечного ветра на вторичные космические лучи и атмосферное электричество. Связь между гелиосферным магнитным полем, атмосферным электрическим полем, грозовой активностью и вторичными космическими лучами исследуется с акцентом на вариации, связанные с вращением Солнца. Установлено, что колебания грозовой активности находятся в фазе и в противофазе с B _x и B _y компоненты гелиосферного/межпланетного магнитного поля, соответственно, в соответствии с предыдущими исследованиями. С другой стороны, 27-дневное вращение Солнца не было значительным в атмосферном электрическом поле, измеренном в Словакии и Чехии, и, следовательно, не было значительного влияния B _x и B _y на атмосферное электрическое поле. наблюдалось на этих среднеширотных станциях. Пилипенко и др. использовал данные и моделирование GLOCAEM для решения давней проблемы связи между возмущениями космической погоды и атмосферным электричеством. Модель предсказывает, что скорость возбуждения Е-моды магнитосферными возмущениями низка, так что только слабая Е _z отклик величиной ~несколько В/м будет вызван геомагнитными возмущениями ~100 нТл. Однако на высотах ~30 км преобладающим становится электрическое поле Е-моды. Бозоки и др. исследовать модуляцию солнечного цикла резонатора Земля-Ионосфера, который заключает в себе электромагнитное излучение постоянного тока молнии <100 Гц, явление, известное как резонансы Шумана. Показано, что для объяснения всех наблюдений необходимо учитывать влияние солнечного рентгеновского излучения и высыпаний энергичных электронов, поскольку они изменяют добротность полости в основном в высоких широтах.

Куо и др. экспериментально подтвердил, что матричный фотометр ISUAL (AP) измерил коэффициент эмиссии N ₂ 2P/1P и сравнил его с теоретически предсказанным коэффициентом эмиссии спрайтов, используя численные результаты для стримеров спрайтов. Отношения, измеренные AP в событиях гало спрайтов, согласуются с предсказанными отношениями для электрических полей головы стримера 3,7 E _k и 4,6 E _k , где E _k — электрическое поле пробоя. Большинство событий морковного спрайта инициировано на высоте 67,4 ± 7,6 км с меньшими расчетными электрическими полями 1~4 E _к . Ниже 60 км отношения, измеренные по AP, упали ниже прогнозируемого отношения ∼1 E _k .

Возмущения атмосферного электрического поля из-за крупных извержений вулканов, ядерных аварий, испытаний ядерного оружия и присутствия пустынной пыли в атмосфере рассматриваются в трех статьях. Се и др. использовать химико-климатическую модель, связанную с аэрозолем, для разработки новой глобальной модели электрической цепи. Их результаты показывают, что из-за циркуляции Брюера-Добсона существуют значительные сезонные колебания потери ионов из-за изменений в слое вулканического аэрозоля. В зимнем полушарии в высоких широтах сопротивление столба будет больше сопротивления столба в летнем полушарии. При вулканическом аэрозольном слое в фазе спада солнечной активности сопротивление столба было бы более чувствительным к флуктуациям потока электронов высыпающихся электронов от низких до средних энергий. Объединение этой модели с подмоделью глобальной цепи, включающей точное образование ионных пар за счет высыпания релятивистских электронов, могло бы прояснить связь между космической погодой и тропосферой. Кубицкий и др. проанализировать параметры атмосферного электричества, измеренные в Геофизической обсерватории в Свидере, Польша, во время крупных событий, приведших к выбросу значительного количества искусственных радиоактивных веществ в атмосферу Земли. А именно, испытания ядерного оружия 1958–1965, Чернобыльская катастрофа в 1986 г. и авария на Фукусиме в 2011 г. Mallios et al. изучали прилипание ионов к осаждающимся сферическим частицам пыли с использованием одномерной численной модели, которая оценивает приобретенный электрический заряд на частицах пыли и рассчитывает электрическую силу, действующую на них. Используя наблюдаемое распределение пыли по размерам, авторы обнаружили, что частицы приобретают заряд в диапазоне от 1 до 1000 элементарных зарядов в зависимости от их размера и плотности. Частицы становятся в основном отрицательно заряженными, но при определенных условиях частицы >100 μ m может быть положительным. Крупномасштабное электрическое поле может увеличиваться до 20 раз по сравнению со средними значениями хорошей погоды. Результаты показывают, что электрической силы недостаточно, чтобы существенно повлиять на гравитационное оседание частиц. Это указывает на то, что одного процесса присоединения ионов недостаточно для изменения динамики частиц, и указывает на необходимость включения трибоэлектрических эффектов и восходящих потоков, чтобы полностью представить влияние электричества на динамику частиц в модели.

Хантинг и др. теоретически оценить, как деревья изменяют окружающие их электрические поля, и эмпирически сравнить влияние деревьев на динамику градиента атмосферного потенциала, положительные ионы, уровень земли и электрохимические свойства почвы. Показано, что значительное увеличение градиента атмосферного потенциала лишь незначительно влияет на электрическое поле под кронами деревьев, а электрохимические свойства почвы связаны с временной динамикой положительных ионов вблизи приземной атмосферы. Деревья уменьшают временную изменчивость как концентрации положительных ионов на уровне земли, так и окислительно-восстановительного потенциала почвы. Результаты показывают, что дерево может изменять временную изменчивость атмосферного электрического поля у земли и электрохимию почвы, и поэтому возможно, что почвенные микроорганизмы, процессы и электрочувствительные организмы косвенно зависят от атмосферных электрических полей.

Tacza et al. представить измерения градиента потенциала с пяти удаленных станций в высоких широтах Южного и Северного полушария, чтобы свести к минимуму влияние местных эффектов. Они представляют первое описание новых наборов данных из Галлея, Антарктика, и Соданкюля, Финляндия, а также новые критерии для определения условий хорошей погоды на заснеженных участках. Показано, что скорость ветра всего 3 м/с может поднимать частицы снега, и что выбор места измерения является важным фактором при определении этой пороговой скорости ветра. Суточный и сезонный анализ градиента потенциала в условиях хорошей погоды показывает прекрасное совпадение с кривой Карнеги глобальной электрической цепи. Это показывает, что места в высоких широтах, в которых иногда присутствуют магнитные и солнечные влияния, также могут обеспечить глобальные репрезентативные измерения для глобальных исследований электрических цепей.

Rusz et al. использовать массив микробарометров с большой апертурой для расчета местоположения источников инфразвукового излучения от грозовых разрядов, используя временные задержки между быстрыми изменениями электростатического поля и приходом инфразвуковых сигналов. Для большинства проанализированных случаев расчетное местоположение источника инфразвука соответствует местоположению молнии, определенному европейской сетью обнаружения молний EUCLID. Метод позволяет рассчитать высоту источника инфразвука, которая обычно составляет ~3–5 км. Тритакис и др. создавали искусственные помехи, такие как стрельба из винтовок, работа двигателя автомобиля, автомобильное радио и тряска аппаратуры, рядом со станциями записи ELF, чтобы определить влияние таких радиочастотных помех на записи электромагнитных волн в диапазоне шумановского резонанса <100 Гц. Такие помехи имитируют антропогенные шумы от охотников, туристов и отдыхающих, которые могут возникать вблизи удаленных станций записи ELF. Работа может помочь разграничить искусственные сигналы, созданные в результате антропогенной деятельности, и естественные сигналы, связанные с геофизическими явлениями.

Авторские вклады

И.М. разработал идею темы исследования « Атмосферное электричество ». IM, MF, KK и EM являются участниками и редакторами темы исследования « Атмосферное электричество ». KK написал первый черновик этой редакционной статьи при редактировании и дополнительном вкладе IM, MF и EM. Все перечисленные авторы внесли существенный, непосредственный и интеллектуальный вклад в работу и одобрили ее для публикации.

Финансирование

Работа И.М. в СПбГУ «Лаборатория исследования озонового слоя и верхних слоев атмосферы» выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации по договору подряда №. 075-15-2021-583. Работа MF спонсировалась грантом Королевского общества (Великобритания) NMG/R1/180252 и Советом по исследованиям окружающей среды (Великобритания) в рамках грантов NE/L012669/1 и NE/H024921/1. Работа над проектом MF получила финансирование от исследовательской и инновационной программы Horizon 2020 Европейского Союза в рамках соглашения о гранте Марии Склодовской-Кюри 722337.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Примечание издателя

Все утверждения, изложенные в этой статье, принадлежат исключительно авторам и не обязательно представляют претензии их дочерних организаций или издателя, редакторов и рецензентов. Любой продукт, который может быть оценен в этой статье, или претензии, которые могут быть сделаны его производителем, не гарантируются и не поддерживаются издателем.

Благодарности

Мы благодарим авторов статей, опубликованных в теме исследования « Атмосферное электричество », за их ценный вклад и рецензентов за важные обзоры. KK, IM и EM подтверждают действие COST CA15211 «ELECTRONET». IM выражает благодарность доктору Евгению Розанову за помощь в организации темы исследования « Атмосферное электричество ». Эта тема исследования была реализована в сотрудничестве с доктором Светланой Дементьевой. IM выражает благодарность Рошану Пателю из редакции «Frontiers in Earth Science» за поддержку в процессе редактирования.

Ключевые слова: атмосферное электричество, глобальная электрическая цепь, магнитосфера-ионосфера-атмосфера, резонансы Шумана, микрофизика аэрозолей и облаков. Фронт. наук о Земле. 10:853584. doi: 10.3389/feart.2022.853584

Поступила в редакцию: 12 января 2022 г. ; Принято: 19 января 2022 г.;
Опубликовано: 09 февраля 2022 г.

Отредактировано и проверено:

Юцин Ван, Гавайский университет в Маноа, США

Copyright © 2022 Mironova , Füllekrug, Kourtidis and Mareev. Это статья с открытым доступом, распространяемая на условиях лицензии Creative Commons Attribution License (CC BY). Использование, распространение или воспроизведение на других форумах разрешено при условии указания оригинального автора(ов) и владельца(ей) авторских прав и при условии цитирования оригинальной публикации в этом журнале в соответствии с общепринятой академической практикой. Запрещается использование, распространение или воспроизведение без соблюдения этих условий.

*Переписка: Ирина Миронова , [email protected]

Атмосферное электричество: недооцененный метеорологический элемент, определяющий биологию и благополучие человека

Атмосферное электричество: недооцененный метеорологический элемент, определяющий биологию и благополучие человека

Скачать PDF

• Редакция
• Опубликовано: 19 ноября 2020 г.

• Эллард Р. Хантинг ^1,2,3  

Международный журнал биометеорологии
том 65 , страницы 1–3 (2021)Процитировать эту статью

• 1104 доступа

• 2 Цитаты

• 2 Альтметрика

• Сведения о показателях

Атмосферное электричество изучается с начала 1700-х годов. Подпитываемые интересом к молниям, ученые стремились выяснить, содержат ли грозовые облака электричество как в лаборатории (Уолл 1708), так и в атмосфере (Франклин 1751; Далибарт 1752; де Ромас 1753; Кавалло 1776). Однако электризация воздуха была обнаружена и при хорошей погоде (Lemonnier 1752), что вызвало более широкий интерес и многовековые исследования происхождения и пространственно-временной изменчивости атмосферного электричества (подробный исторический обзор см. в Nicoll 2012). Кульминацией этого стало понимание того, что атмосферные электрические явления поддерживаются глобальной атмосферной электрической цепью (GEC), которая в основном управляется активностью грозовых и ливневых облаков (Wilson 19).06, 1920). Лишь относительно недавно ученые стали рассматривать атмосферное электричество как метеорологический параметр, потенциально способный управлять биологическими процессами. Работы в начале двадцатого века были сосредоточены, например, на том, как ионы могут влиять на здоровье человека (например, Крюгер и Смит, 1958), или на том, как атмосферное электричество может потенциально стимулировать рост растений (Лемстрем, 1890; Лодж, 1908) или влиять на вирулентность при эпидемиях гриппа. Хантингтон 1920). На сегодняшний день такие точки зрения остаются в значительной степени непроверенными и неубедительными, но остаются все более актуальными с ростом плотности населения и увеличением давления как на физическую среду, так и на климат. Этот специальный выпуск объединяет новые исследования, связывающие атмосферное электричество с биологией и благополучием человека, которые в совокупности подчеркивают важность возрождения интереса к этой области.

Изучение сложных связей между атмосферным электричеством и биологическими системами, а также их взаимодействий требует интегрирования различных параметров. Поэтому необходим мульти- и трансдисциплинарный подход, учитывающий концепции и методологии из различных научных дисциплин, начиная от науки о данных, метеорологии и физики атмосферы и заканчивая биологическими и медицинскими науками. Таким образом, важно, чтобы знания могли быть разделены между различными дисциплинами. Соответственно, Fdez-Arroyabe et al. (2020) разработали в этом специальном выпуске глоссарий соответствующих терминов и понятий, чтобы облегчить интеграцию в общие исследования и предоставить ценный ресурс для тех, кто хочет понять атмосферное электричество и его связи с биологическими системами. Аналогичным образом, для дальнейшего ретроспективного анализа имеющихся данных необходим семантический подход. С этой целью Savoska et al. (2020) разрабатывают онтологию для существующих данных об атмосферном электричестве в контексте биологических систем, распределенных по многим базам данных. Установление общей терминологии и среды для обмена данными будет способствовать обмену результатами междисциплинарных исследований и облегчит повторное использование данных исследовательскими сообществами.

Различные источники электричества распространены в атмосфере, и каждый из них имеет разную степень изменчивости и потенциальное взаимодействие с биологией. В глобальном масштабе электромагнитные поля распространены повсеместно, и их связь с биологией изучалась более широко в течение последнего столетия (например, König et al., 1981). Более локально исследования продемонстрировали биологическое воздействие ударов молнии (например, Demanèche et al. 2001; Schaller et al. 2013), образование ионов (например, Matthews et al. 2010), радионуклидов (например, Криволуцкий и Покаржевский 1992), и более широкое использование электрических технологий. Совсем недавно появились доказательства того, что биология связана со статическими электрическими полями, которые распространены во всей атмосфере Земли (например, Кларк и др., 2013; Морли и Роберт, 2018; Хантинг и др., 2019). В этом специальном выпуске Хантинг и др. (2020) представляют обзор этого широкого спектра атмосферных электрических явлений и их связей с биологией, в котором определены концептуальные и технические проблемы, а также возможности для будущих исследований. В этом специальном выпуске также представлены обзоры, в которых подробно обсуждается доступная литература по конкретным атмосферным электрическим явлениям и их значимости для биологии. Цифра и др. (2020) оценивают механизмы того, как атмосферные электромагнитные явления могут действовать на молекулярном и клеточном уровне, показывая, что подходы к многомасштабному моделированию имеют решающее значение для понимания того, усиливаются ли и каким образом изменения электрического поля на молекулярном уровне в биологических масштабах до уровня организма. Чуич и др. (2020) проводят обзор исследований, посвященных широко распространенному радионуклиду 222Rn, подчеркивая его значение как фактора, влияющего на общую дозу, полученную как людьми, так и дикими животными от естественных источников излучения. Прайс и др. (2020) обсуждают, как чрезвычайно низкие частоты могли обеспечить эволюционный электрический фон, на котором развилась клеточная электрическая активность. Эти исследования обеспечивают ценное современное понимание и подчеркивают сложность и междисциплинарный характер взаимосвязи между атмосферным электричеством и организацией и функционированием биологических систем в широком диапазоне пространственных и временных масштабов.

Здоровье человека во многом зависит от его физической и химической среды, и хорошо известно, что различные атмосферные процессы влияют на благополучие человека в различных масштабах (Fdez-Arroyabe 2015). Например, загрязнение атмосферы во всем мире ежегодно уносит примерно 9 миллионов жизней (Burnett et al. 2018). Однако роль атмосферного электричества для благополучия человека часто остается неоднозначной из-за большого количества смешанных переменных в параметрах атмосферы, географическом распределении и изменчивости образа жизни. Несмотря на это, связь между атмосферными электрическими явлениями и здоровьем человека становится все более очевидной. В этом специальном выпуске Kourtidis et al. (2020) показывают, что типы циркуляции погоды, помимо температуры и влажности, влияют на электрическое состояние атмосферы, тем самым определяя важный компонент в сложном взаимозависимом наборе физических и биологических связей. Рианчо и др. (2020) проводят обзор существующей литературы о связи между электромагнитными полями и нейродегенеративными заболеваниями и обсуждают роль электромагнитного излучения как потенциальной неинвазивной терапевтической стратегии для некоторых нейродегенеративных заболеваний. Молина-Гомес и др. (2020) анализируют данные, собранные на местах, с использованием инструментов геостатистики и машинного обучения для выявления и анализа областей, в которых основные социально-экономические условия и условия окружающей среды способствуют наличию симптомов, связанных с респираторными заболеваниями. Ссылки и статистические инструменты, представленные в этих статьях, необходимы для прогнозирования угроз для здоровья в окружающей среде и разработки систем раннего предупреждения, которые могут снизить риски для отдельных лиц и групп населения.

Работа, представленная в этом специальном выпуске, раскрывает тесную связь атмосферного электричества с биологией. Вклады показывают, как атмосферное электричество может управлять благополучием человека, а также широкого круга организмов и процессов, которые они поддерживают, и, следовательно, служат оценкой, позволяющей рассматривать атмосферное электричество как важный прямой и косвенный двигатель биологии. Эти исследования подчеркивают междисциплинарный и сложный характер этой исследовательской области, в которой становятся видны многие захватывающие и многообещающие новые направления исследований, которые могут заложить основу для новых эмпирических исследований и столь необходимых концептуальных и операционных рамок.

Ссылки

• Бернетт Р. , Чен Х., Шишкович М., Фанн Н., Хаббелл Б., Поуп К.А. и др. (2018) Глобальные оценки смертности, связанной с долгосрочным воздействием мелкодисперсных твердых частиц на открытом воздухе. Proc Natl Acad Sci 115 (38): 9592–9597. https://doi.org/10.1073/pnas.1803222115

  Статья
  КАС

  Google ученый

• Cavallo T (1776) Необычайное электричество атмосферы, наблюдавшееся в Ислингтоне в октябре 1775 года. Phil Trans R Soc A 66:407–411

  Артикул

  Google ученый

• Цифра М., Аполлонио Ф., Либерти М., Гарсия-Санчес Т., Мир Л.М. (2020) Возможные молекулярные и клеточные механизмы, лежащие в основе биоэффектов атмосферного электромагнитного поля. Int J Biometeorol. https://doi.org/10.1007/s00484-020-01885-1

• Кларк Д., Уитни Х., Саттон Г., Роберт Д. (2013) Обнаружение и изучение цветочных электрических полей шмелями. Наука 340: 66–69. https://doi.org/10. 1126/science.1230883

  Артикул
  КАС

  Google ученый

• Чуич М., Мандич Л.Дж., Петрович Дж., Драгович Р., Джорджевич М., Джокич М., Драгович С. (2020) Радон-222: поведение в окружающей среде и воздействие на (человеческую и нечеловеческую) биоту. Int J Biometeorol 18:1–5

  Google ученый

• Dalibart TF (1752) Мемуар академии наук. Париж.

• de Romas J (1753) Mémoire où après avoir donné un moyen aisé pour elever fort haut, et a peu de frais un corps électrisable isolé, on rapporte des наблюдения frappantes qui prouvent que plus le corps isolé est éslevé de la terre, плюс le feu d’électricité est abondant. Мем Академ, Бордо

• Деманеш С., Бертолла Ф., Бурет Ф. и др. (2001) Лабораторные данные о переносе генов в почве с помощью молнии. Appl Environ Microbiol 67:3440–3444. https://doi.org/10.1128/AEM.67.8.3440-3444.2001

  Статья

  Google ученый

• Fdez-Arroyabe PF (2015) Изменение климата, местная погода и индивидуальные системы раннего предупреждения на основе биометеорологических индексов. J Earth Sci Eng 5:173–181

  Google ученый

• Фдез-Арроябе П.Ф., Куртидис К., Халдупис С., Савоська С., Мэтьюз Дж., Мир Л.М., Кассоменос П., Цифра М., Барбоса С., Чен Х., Драгович С., Консулас С., Хантинг Э.Р., Роберт Д., ван дер Вельде О.А., Аполлонио Ф., Одзимек А., Чилингарян А., Рой Д., Мкртчян Х., Прайс С., Бор Дж., Ойконому С., Бирсан М.В., Креспо-Факорро Б., Джорджевич М., Сальсинес С., Лопес-Хименес А., Доннер Р.В., Вана M, Pedersen JOP, Vorenhout M, Rycroft M (2020) Глоссарий по атмосферному электричеству и его влиянию на биологию. Int J Biometeorol 6: 1–25. https://doi.org/10.1007/s00484-020-02013-9

  Артикул

  Google ученый

• Франклин Б. (1751) Письмо г-на Франклина г-ну Питеру Коллинсону, FRS, о ​​воздействии молнии. Philos Trans R Soc Lond 1751:289

  Google ученый

• Hunting ER, Harrison RG, Bruder A, van Bodegom PM, van der Geest HG, Kampfraath AA, Vorenhout M, Admiraal W, Cusell C, Gessner MO (2019)Атмосферное электричество, влияющее на биогеохимические процессы в почвах и отложениях. Фронт Физиол 10. https://doi.org/10.3389/fphys.2019.00378

• Hunting ER, Matthews J, de Arroyabe Hernáez PF, England SJ, Kourtidis K, Koh K, Nicoll K, Harrison RG, Manser K, Price C, Dragovic S (2020). Проблемы соединения атмосферного электричества с биологическими системами. 1–14. https://doi.org/10.1007/s00484-020-01960-7

• Huntington E (1920) Борьба с пневмонией и гриппом с помощью погоды. Экология 1(1):6–23

  Статья

  Google ученый

• Кениг Х.Л., Крюгер А.П., Ланг С., Зоннинг В. (редакторы) (1981) Биологические эффекты электромагнетизма окружающей среды, вопросы физиологии окружающей среды и медицины. Springer-Verlag, Нью-Йорк, стр. 332. https://doi.org/10.1007/978-1-4612-5859-9

  Книга

  Google ученый

• Куртидис К., Сабоне Андре К., Карагиорас А., Нита И.А., Сатори Г., Бор Дж., Кастелис Н. (2020) Влияние циркуляционных типов погоды на воздействие атмосферных электрических полей на биосферу. Int J Biometeorol: 1–3. https://doi.org/10.1007/s00484-020-01923-й

• Криволуцкий Д.А., Покаржевский А.Д. (1992) Влияние радиоактивных осадков на популяции почвенных животных в 30-км зоне Чернобыльской АЭС. Sci Total Environ 112: 69–77. https://doi.org/10.1016/0048-9697(92)

  -O

  Статья

  Google ученый

• Крюгер А.П., Смит Р.Ф. (1958) Воздействие аэроионов на живую трахею млекопитающих. J Gen Physiol 42:69–82 https://dx.doi.org/10.1085%2Fjgp.42.1.69

  Артикул
  КАС

  Google ученый

• Lemonnier LG (1752) Наблюдения за электричеством в воздухе. Мем Академия наук 2:233

  Google ученый

• Лемстрем С. (1890 г.) Опыты с электрическим воздействием на овощи

• Лодж О (1908 г.) Электричество в сельском хозяйстве. Природа 78: 331–332. https://doi.org/10.1038/078331a0

  Статья

  Google ученый

• Мэтьюз Дж. К., Уорд Дж. П., Кейтч П. А., Хеншоу Д. Л. (2010) Возмущения градиента атмосферного потенциала, вызванные ионами короны, вблизи высоковольтных линий электропередач. Атмос Окружающая среда 44: 5093–5100. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2010.09.007

  Статья
  КАС

  Google ученый

• Молина-Гомес Н.И., Кальдерон-Ривера Д.С., Сьерра-Парада Р., Диас-Аревало Х.Л., Лопес-Хименес П.А. (2020) Анализ влияния качества воздуха на здоровье человека: тематическое исследование взаимосвязи между концентрациями загрязняющих веществ и респираторные заболевания в Кеннеди. Bogotá Int J Biometeorol: 1–14. https://doi.org/10.1007/s00484-020-01955-4

• Морли Э.Л., Роберт Д. (2018) Электрические поля вызывают вздутие живота у пауков. Карр Биол 28: 2324–2330.e2. https://doi.org/10.1016/j.cub.2018.05.057

  Статья
  КАС

  Google ученый

• Николл К.А. (2012) Измерения атмосферного электричества на высоте. Surv Geophys 33: 991–1057. https://doi.org/10.1007/s10712-012-9188-9

  Статья

  Google ученый

• Прайс К., Уильямс Э., Эльхалель Г., Сентман Д. (2020) Естественные поля сверхнизких частот в атмосфере и живых организмах. Int J Biometeorol 8: 1–8. https://doi.org/10.1007/s00484-020-01864-6

  Статья

  Google ученый

• Рианчо Дж., Де ла Торре Дж. Р., Паз-Фахардо Л., Лимиа С., Сантуртун А., Сифра М., Куртидис К., Фдез-Арроябе П. (2020) Роль магнитных полей в нейродегенеративных заболеваниях. Int J Biometeorol: 1–1. https://doi.org/10.1007/s00484-020-01896-й

• Савоска С., Фернандес-Арроябе Эрнаес П., Цифра М., Куртидис К., Розанов Э., Николл К., Драгович С., Мир Л.М. (2020) На пути к созданию онтологии для связи атмосферного электричества с биологическим системы. Int J Biometeorol в прессе

• Schaller J, Weiske A, Berger F (2013)Удар молнии в биогеохимии: гальванические эффекты молнии как еще один источник ремобилизации металлов. Научный представитель 3. https://doi.org/10.1038/srep03122

• Wall S (1708) Эксперименты со светящимися качествами янтаря, бриллиантов и гуммилак. Phil Trans R Soc A 26: 69–76

  Статья

  Google ученый

• Wilson CTR (1906 г.) Об измерении земно-воздушного потока и о происхождении атмосферного электричества. Proc Camb Philos Soc 13:363–382

  Google ученый

• Wilson CTR (1920) Исследование грозовых разрядов и электрического поля гроз. Philos Trans R Soc Lond A221: 73–115

  Google ученый

Ссылка на скачивание

Информация о авторе

Авторы и принадлежности

1. Школа биологических наук, Университет Бристоля, Бристоль, Великобритания

   Ellard R. Hunting

2. Biology Biology Biology Departy, Dealhess Departic Хоул, Массачусетс, США

   Эллард Р.