Однако, начнем издалека, с космоса. Температура любого небесного тела жестко задана интегральной мощностью внешнего излучения, поглощаемой его поверхностью и внутренним тепловыделением из недр. Для Земли среднегодовой поток солнечного света колеблется от 250-300 Вт/кв. метр на экваторе до 50-120 Вт/кв. метр в полярных областях. Охлаждение в вакууме, естественно, чисто радиационное.
Сумма потоков энергии, достигающих поверхности в точности равна потоку энергии излучаемой обратно в космос. Но, многие планеты Солнечной системы (в частности Земля) имеют атмосферу. У них только стратосфера (откуда тепловая радиация уходит в мировое пространство) близка к норме теплового баланса (для Земли около -25 градусов С). На поверхности небесного тела, окруженного газовой оболочкой, всегда значительно теплее. Эта штука называется "парниковым эффектом".
Любая атмосфера является спектральным фильтром с несколькими окнами прозрачности. Она может пропускать свет строго определенного диапазона. Поскольку максимум обратного (теплового) излучения с поверхности всегда сдвинут, относительно поглощенного, в длинноволновую область, то и радиационное охлаждение (подобно голым астероидам) невозможно. Излучение от поверхности не расходится, нагревая прилегающий воздух. Для удаления тепловой энергии в космос нужен очень производительный механизм с материальным теплоносителем. В плотной части газовой оболочки планет (до стратосферы включительно) теплопередача почти целиком конвективная. Тропосфера Земли (это ниже 12-17 км) содержит 90% массы воздуха и 99% атмосферной влаги. Тепловой поток "поверхность-космос" там идет за счет механического перемещения воздушных масс. Это — предельно грубая модель процесса. Теперь, её важная деталь.
Баланс радиационного притока энергии и конвективного оттока тепла требует быстрого вертикального движения теплоносителя. Возникает резкий перепад температуры и давления по высоте. Тепловой напор между поверхностью планеты и верхней границей тропосферы (высота 12-17 км) достаточно велик (на Земле в районе экватора от +45 градусов С на уровне моря до -70 градусов С в тропопаузе). Но, сам по себе, конвективный теплообмен всё равно не справляется с нагрузкой. Энергия тупо "застревает" в нижних слоях атмосферы. Воздух — исключительно плохой теплоноситель. В результате основная нагрузка по переносу энергии через плотные слои приземного воздуха обычно лежит на гораздо более производительном эффекте фазовых переходов, действующем параллельно с конвекционным. Атмосфера четко стратифицирована по высоте на слои, отличающиеся составом, плотностью и температурой. Двигаясь из жары в холод и обратно, часть компонентов воздушных потоков циклически меняет агрегатное состояние (испаряется, поглощая тепло, и конденсируется, его отдавая). В момент конденсации, в верхних слоях атмосферы, каждая молекула выдает квант уходящего в мировое пространство излучения. На Земле "рабочим телом" описанного теплового насоса на фазовых переходах является вода, на Венере — серная кислота, на Юпитере — аммиак.
В разных районах планеты за счет испарения воды с поверхности и её повторного испарения в облаках (водяной аэрозоль сильно поглощает инфракрасное излучение) из тропосферы переносится в стратосферу до 10-55% интегрального потока солнечной энергии. Среднее содержание водяного пара в атмосфере Земли не превышает 0,3-0,4 %, зато энергоемкость его испарения-конденсации огромна и совокупный вклад испарения и конденсации в работе "атмосферного теплового насоса" преобладает. Так обеспечивается более 95 % теплообмена между поверхностью и стратосферой. Процесс идет круглосуточно. Он наиболее интенсивен в тропическом поясе над океанами, но заметен даже над вечными льдами во время полярной ночи. В средних широтах, за зиму, испаряется до 25-30% выпавшего снега.
Работа описанного атмосферного механизма сопровождается своеобразными побочными эффектами. Изменение агрегатного состояния вещества резко меняет его диэлектрическую проницаемость. На границе раздела фаз всегда возникает спонтанная электризация. Происходит преобразование части тепловой энергии компонентов воздуха в электричество... Конденсация водяных паров, в холодных верхних слоях газовой оболочки, сопровождается накоплением там большого количества положительно заряженных частиц. Так возникают объемные заряды, образующие сплошной слой в верхних слоях атмосферы Земли.
Самые верхние слои атмосферы сильно ионизированы космическим излучением и представляют собой область высокой проводимости. Результат? Заметные изменения напряженности поля над любой точкой поверхности планеты сопровождаются быстрым перераспределением зарядов в стратосфере и ионосфере. Поэтому, средняя напряженность атмосферного поля по всей планете почти стабильна.
Электрическое поле самых нижних слоев атмосферы, тем не менее, очень изменчиво. Оно связано с взвешенными в воздухе мельчайшими капельками воды и кристаллами льда. Свободные носители зарядов (ионы и электроны) в тропосфере почти отсутствуют. Это придает плотным слоям воздуха изоляционные свойства и препятствует саморазряду аэрозольной массы. В силу малой подвижности частиц конденсата, объемные электрические заряды (облака, струи тумана и пр.) крепко связаны с несущими турбулентными потоками и долго перемещаются с ними (часто неделями), пока не испаряются, не разряжаются на горные вершины или не выпадают на поверхность с осадками. Так "струйные" электрические токи в стратосфере и зеркально подобные им "теллурические" токи в верхних слоях земной коры. Результат?
В атмосфере постоянно висит положительный объемный заряд величиной около 0,57 млн. кулонов. Он создает электрическое поле с уже упомянутой средней напряженностью 130 В/м. Поле пульсирует в такт вращению планеты (максимум его напряженности в 17-00, по Гринвичу, когда на солнечной стороне парит Тихий океан). Средняя разность потенциалов между поверхностью и стратосферой составляет около 400 кВ. Это есть в любом хорошем учебнике физики.
Полный энергетический ресурс заряженной атмосферы (~ 40% интегральной мощности солнечного излучения на земной орбите) оценивается величиной около 2,5-5 на десять в седьмой степени гигаватт. Она охватывает Землю от полюса до полюса и подобна глобальной распределительной сети постоянного тока, подключенной к вечному, бесплатному и экологически чистому источнику энергии — Солнцу. Надо?
Откуда знаю? Весь мир знает. Достаточно набрать в любом поисковике фразу — "Открытие русских ученых, закрывающая технология". Выпадет куча ссылок на очень красивый научно-популярный фильм. Авторы разработки и патент взяли. RU 2245606. Он тоже свободно в сети выложен. Кто хочет — тот найдет. Я сильно подозреваю, что, например, глава РАО ЕЭС Чубайс ничего подобного знать не желает. Зачем ему "бесплатное электричество с неба"? Да ещё навалом, в объеме на 3-4 порядка превышающем потребность человечества в энергии вообще? Угум, вот и я говорю — грустно. А президенту оно тем более не нужно, так как ставит крест на России, как "энергетической сверхдержаве"... При избытке дарового электричества — нефть с газом никому в мире не нужны. Тьфу...
Между прочим, идея получения электрической энергии из атмосферы очень старая. Согласно вполне достоверным сведениям, подтвержденным археологическими раскопками, с конструкциями, похожими на современные громоотводы экспериментировали ещё в Древнем Египте. Позднее, в Эпоху Возрождения, это была любимая игрушка многих ученых. Приблизительно с XVII века и по XIX век (а в некоторых случаях, вплоть до первой трети XX века) атмосферное электрическое поле являлось основным (единственным), источником высокого и сверхвысокого напряжения в лабораториях небогатых естествоиспытателей.
Мощные электростатические генераторы с механическим приводом всегда стоили дорого. Их мог себе позволить не каждый. Первый простенький генератор построил в 1663 году целый бургомистр Магдебурга, Отто фон Герике. Увы, даже через сто лет, например, у М. Ломоносова в Московском университете или у Б. Франклина, в Америке, собственных таких генераторов просто не было. И? Для получения электричества из атмосферы они применяли всякие приспособления, сходные по конструкции с громоотводами. В разрыв цепи, между поднятым в воздух электродом и заземлителем, включали электрические нагрузки, накопители энергии (батареи конденсаторов), экспериментальное оборудование.
Иногда для подъема приемного электрода на достаточную высоту использовался воздушный змей или аэростат, чаще башни или возвышения. Народ ловчил. В качестве элементов защиты уже тогда применяли регулируемые сопротивления (Б. Франклин рекомендовал в этом качестве длинные отрезки особым образом приготовленной мокрой веревки), плавкие проволочные вставки и воздушные разрядники. Действовали эти городушки только в теплое время года, да и то эпизодически, перед грозой или уже во время грозы, то есть считанные минуты. При ясном небе они вообще не работали. С приближением к установке грозовой тучи, напряженность атмосферного электрического поля многократно возрастала. На конце молниеотвода при этом загорался коронный разряд и громоотвод временно превращался в высоковольтный источник тока.
Несмотря на примитивность, их техника развивала значительную мощность. Судя по воспоминаниям, энергия полученных разрядов измерялась десятками килоджоулей. Атмосферным электричеством плавили металлы, дробили камни, испаряли жидкости, даже жарили мясо. Правил безопасного обращения с высоким напряжением, естественно, ещё не существовало. Частенько происходили несчастные случаи. Лаборатории горели и взрывались. Экспериментаторы гибли. У опытов с электричеством возникла скверная репутация. Работать с постоянным током высокого напряжения вообще трудно. Подходящая для этого элементная база появилась только в середине ХХ века. Первая линия электропередачи постоянного тока напряжением 100 кВ, например, была пущена в эксплуатацию только в 1944 году (опытный участок Мисбург-Лерте). От великой нужды, под американскими бомбами. Немцы пытались найти замену воздушным ЛЭП. Многие важные проблемы в указанной области техники не решены до сих пор. Понимаете? Теперь нам придется...
Возвращаемся к тому, с чего начали. Есть палка. На палке — изолированный провод к самой вершине. На конце провода — ионизатор воздуха. Да всё равно, какой... Абсолютно без разницы... Коронный разряд, накаленная проволочка, язык открытого пламени, кусок радиоактивного изотопа... Главное, что бы вокруг этого возвышенного проводника, назовем его "приемником", в атмосфере постоянно создавался избыток ионов. Свободных носителей зарядов. Ага, вижу, начинает доходить...
Воздух — субстанция подвижная. Если заряд покинул проводник и вырвался в атмосферу, то дальше его судьба нам безразлична. Поле электрическое, само собой, его по правильному адресу утащит. А раз есть поток зарядов, то в цепи течет электрический ток. Ну да, через воздух... Сила этого тока зависит только от производительности ионизатора. Сколько он ежесекундно носителей зарядов за пределы металла выбросит, столько кулонов электричества через этот проводник и протечет. Какое ещё сопротивление воздуха? А нет его, практически. Можно считать равным нулю. Всё равно, как подключились к стратосфере напрямую, все 400 киловольт небесного напряжения, висящих над головой, у нас словно бы сидят на конце громоотвода...
Непонятно? Ох, ребята и девчата, какие же вы все... Ладно, поясняю насчет сопротивления воздуха. От противного... Знаете, что такое заземление? Ну да, железный штырь, вбитый в грунт, для отвода тока от защищаемого оборудования. Если туда что попало — всё "замкнет" на землю и пропадет в земле безопасно. Теперь вопрос на засыпку. Какую величину имеет сопротивление заземления? Ну да, если взять парочку одинаковых заземлений, измерить сопротивление между ними и разделить надвое, как раз получим нужную величину. Так сколько? А вот и нет! Хорошее заземление должно иметь сопротивление порядка Ома. Да-с. В любом грунте, даже в сухом песке или скальной породе. А не волнует, сопротивление материала. Во-во... Главное — обеспечить хороший контакт с объемом пускай и плохо проводящего материала. Земля-то — она большая. Следовательно, сопротивление Земли стремится к нулю, а все потери на сопротивление — только в точке контакта с землей. Там, где носители зарядов движутся достаточно плотно. И — всё проблемы решены. Площадь сечения самого плохого "проводника", при растекании тока в объеме, с удалением от заземлителя, возрастает, как квадрат расстояния. В геометрической прогрессии... Очень быстро. И так же быстро падает его электрическое сопротивление. С непривычки — кажется парадоксом...
Когда на верхнем конце нашего "атмосферного генератора" работает ионизатор, его сопротивление, относительно атмосферы, тоже стремится к нулю. Точнее, пренебрежимо мало. Объемный эффект, как и в случае заземления в грунте. Сила тока в цепи зависит только от производительности ионизатора.. Удобно...
Нет, горелку на верхний конец токоприемника мы громоздить не будем. И петарду — не будем. И куска радиоактивного элемента у нас нет. Оно и к лучшему, кстати... При разряде, в газовой среде, электроды теряют вес. На каждый ампер-час протекшего через газ заряда плазмой распыляется примерно кубический сантиметр материала электрода. Состав его значения не имеет. Нету стойких к плазмо-химии материалов... Хоть вольфрам ставь, хоть кремний, хоть графит. Всё горит и окисляется. Догадались? Если поставить на верхушку радиоактивный источник, то атмосферная коррозия его скоренько разъест до дыр и вся гадость распылится в окружающей среде, осядет вокруг тонким равномерным слоем. Оно нам надо? Живите проще.
Расходным набалдашником для приемника атмосферного тока, на всех громоотводах, ставят простое, экологически чистое железо. От него, кроме ржавчины, никакого вреда. Мы тоже, не будем, от коллектива отрываться... Как заставить банальную железяку испускать в воздух ионы плазмы? Есть такой способ!
Считаем площадь грунта, которую экранирует от атмосферного электрического поля штырь высотой, например, двадцать метров. Ага, вот эта самая сосенка, которую мы под стойку приемника назначили. Пи умноженное на "эр квадрат", так? Здесь "эр" — радиус площадки и высота подъема приемника. Итог — 1256 квадратных метров.
Теперь находим площадь приемного электрода, при заданных условиях достаточную для зажигания на нем коронного разряда в ясную безоблачную погоду. Это тоже просто. Напряженность поля в короне около 30 кВ/см или 3 МВ/м. Напряженность поля над ровной землей — 130 В/м. Считаем пропорцию... Примерно 500 квадратных сантиметров оголенного металла, шарик, диаметром 12-13 сантиметров, на верхотуре, уже будет окружен слабым облаком из ионизированных молекул воздуха... Если взять стержень потоньше, то и коронный разряд вокруг него будет соразмерно сильнее. Просто?
Не просто... Скорость движения свободных ионов в воздухе, при атмосферном давлении, измеряется сантиметрами в секунду. Вершину токоприемника окутает малоподвижное облачко лениво дрейфующих ионов и разряд стабилизируется, на пороге зажигания. Как это, собственно, происходит с любым реальным громоотводом. Что-то, потихоньку, вечно утекает через него в атмосферу, но этот ток почти незаметен. Его последствия можно обнаружить только косвенно, по неестественной гладкости поверхности металла. Все неровности там словно отполированы. Реально. Выступы и заусенцы тихий разряд "съедает" первыми. По аналогичной причине так ровно "подстрижена" травка на всех высокогорных "альпийских лугах". Поле атмосферного электричества в горах сильное. На каждой травинке, торчащей чуть выше остальных, может, в непогоду, загореться "корона" электрического разряда. Враз подровняет "выскочку" до уровня соседей.
