Загадка земного электричества

Со времен Ломоносова ученые бьются над тайной земного электричества, но до сих пор известно не так уж много:

1. Известно,  что поверхность Земли заряжена отрицательно.
2. Положительный заряд располагается в нижних слоях атмосферы, причем его плотность падает по экспоненциальному закону с поднятием в атмосферу. Уже на высоте 5-10 км напряженность электрического поля Земли составляет мизерную часть от его напряженности у поверхности Земли.

3. Известно, что в грозовых облаках электрическое поле многократно усиливается, там сверкают молнии и гремит гром, причем в грозовых облаках не, только положительный заряд находится в атмосфере, но и отрицательный, правда порядок расположения сохраняется, положительный вверху, отрицательный ниже.

4. Бесспорным является факт гравитационного разделения зарядов в грозовой ячейке, то есть отрицательный заряд в нижнюю часть атмосферы доставляют падающие капли или льдинки.

5. Известно, что положительный заряд на высоту до 10 километров доставляют восходящие потоки воздуха, без таких потоков разделение зарядов не происходит.
6. Известно, что, как правило, над сушей электрическое поле несколько сильнее, чем над океаном, правда, данное утверждение уже должно вытекать из п.5, так как над сушей сильнее развиты восходящие потоки.

7. По неизвестным пока причинам электрическое поле Земли сильнее всего развито в средних широтах, к полюсам и к экватору его напряженность падает.

8. Наблюдается парадокс в том, что интенсивность гроз падает от экватора к полюсам, то есть пропорционально температуре атмосферы, тогда как напряженность электрического поля от экватора к средним широтам растет, а от средних широт к полюсам падает.

9. По пункту 8 нет прямой зависимости электрического поля от гроз, тогда как дневная вариация напряженности электрического поля полностью пропорционально площади гроз на планете.

10. Годовая же напряженность электрического поля усиливается зимой, когда интенсивность гроз падает, опять нарушая связь между грозами и полем.

Какие-то известные детали в наш перечень, конечно, не попали, но если удастся создать теорию, которая ответит на перечисленные факты, то с большой долей вероятности, она ответит и на другие вопросы, пока такой теории не создано, хотя со времен Ломоносова прошло  много времени. Раз более чем двухсотлетние потуги ученых физиков всея Земли не принесли желаемого результата, то что-то в подходе нужно менять кардинально, нельзя же до бесконечности муссировать данные проблемы, только оттачивая детали, как это происходило до сих пор.  Ниже мы попытаемся ответить на все перечисленные вопросы, заменив  команду ученых физиков командой ученых химиков. До настоящего времени ученые химики не встревали в проблему земного электричества, пологая, что это проблема физиков, но вот это время настало. Да здравствует  химия!

                             Теория чистой воды

   Химики хорошо знают, что даже в чистой воде всегда существует масса ионов, которая легко определяется с помощью рН воды. Нужно только концентрацию г-моль/литр, которой пользуются химики, перевести в числовую концентрацию, которой пользуются физики. Такой перевод никакой трудности не составляет, с помощью числа Авогадро он делается элементарно, здесь нет ничего нового, мы даже этим не станем заниматься. Примеси, как правило, количество ионов в воде только увеличивают, причем кислотные примеси увеличивают рН воды  и количество ионов водорода, а щелочные увеличивают количество ионов ОН.  Далее химики хорошо знают, что в воде находятся не просто ионы, а гидратированные ионы, окруженные молекулами воды и связанные с этими молекулами энергетически. Каждый ион имеет свою энергию гидратации, причем, есть конкретная энергия гидратации с первой молекулой воды и далее со всеми последующими. Как правило, самая прочная энергетическая связь возникает именно с первой молекулой воды, дальше эта связь ослабевает.

Например, самый распространенный в воде положительный ион водорода с первой молекулой воды связан энергией 724 КДж/моль [1]. Это очень прочная связь, может по этой причине ион водорода, связанный с одной молекулой воды получил даже персональное название, ион гидроксония. Далее химикам хорошо известно, что вода в земных условиях непрерывно испаряется. Параллельно происходит и другой процесс, процесс конденсации воды. При определенных условиях, всегда конкретных, наступает равенство процесса испарения и процесса конденсации воды, как говорят химики, наступает равновесие. А вот испаряются ли вместе с водой и ионы химики почему-то не посмотрели, им это не надо. Вернее, что на поверхности раздела фаз всегда существует двойной электрический слой, химики знают, но вот конкретно для воды почему-то в справочниках разность электрического потенциала на границе газ-жидкость нам найти не удалось. Придется оценку производить самостоятельно.

          Теория электрической разности потенциалов на границе газ-жидкость для воды

   Вначале посмотрим, как испаряются нейтральные молекулы. Например, из крекинга нефти мы знаем, что чем меньше атомный вес соединения, тем выше его летучесть, сначала при крекинге испаряются легкие фракции. И это не специфика нефти, а общее правило для нейтральных молекул, потому что оно подтверждается массой примеров из жизни. Действует ли данное правило для ионов, наверняка действует. Для наглядности и убедительности мы бы это правило назвали выражением: «Летает футбольный мяч, а не ворота». Это правило можно вывести из обмена импульсом при кинетических соударениях, но оно настолько доказано жизнью, что теоретических доказательств не требует.

И так ионы, как и молекулы, должны испаряться согласно сформулированному правилу, но это не единственный момент, который влияет на летучесть  в молекулярном мире. Температура кипения жидкостей сильно зависит от поверхностного натяжения, например спирт испаряется гораздо легче воды, хотя его атомный вес больше, чем у воды. То есть летучесть молекул еще зависит и от сил притяжения между  молекулами, полярные молекулы имеют меньшую летучую способность, чем неполярные, так как между ними сильно электрическое притяжение. Какие же силы притяжения действуют на ионы? Те же электрические, что и на полярные молекулы. То есть из этого следует, что однозарядные ионы имеют более высокую летучую способность, чем многозарядные. Но для ионов важную роль играет кроме заряда ионов еще и энергия гидратации. Во-первых, гидратированые ионы в жидкости уже разделены оболочками, и чем сильнее гидратирован ион, тем он больше удален от своего собрата с противоположным знаком, и тем слабее электрическое взаимодействие между ними. С этой точки зрения энергия гидратации повышает летучесть ионов, но с другой стороны, когда ион связывается энергией  гидратации с молекулами воды, он «навешивает на себя гири», у него дилемма, либо улетучивайся вместе с балластом, с молекулами воды, либо находи энергию на избавление от балласта.

Вот в этом моменте важна не просто энергия гидратации, а еще и энергия гидратации с каждой молекулой воды отдельно. Например, ион водорода, как мы выше выяснили, очень прочно связан с первой молекулой воды, поэтому есть предположение, что ему энергетически выгодно испаряться вместе с этой молекулой воды, тогда и атомная масса еще не столь велика, всего на единицу выше молекулярной массы воды, и за счет очень прочной энергетической связи есть вероятность, что на связь с другими молекулами воды у него осталось не так уж и много сил, ведь энергия гидратации для однозарядных ионов редко превышает 1000 КДж/моль, а, как мы помним 724 КДж/моль гидроксоний уже использовал. В общем, теоретическая оценка летучести ионов дело трудное, нужно знать подетальную энергию гидратации, которая далеко не всегда имеется, но какую-то приблизительную оценку все же дать можно. Есть еще одна возможность оценить летучесть ионов – это прировнять летучесть ионов и их подвижность в растворе, потому как оба эти процессы зависят от одних и тех же параметров. Здесь гидроксоний – единоличный лидер. Следующий по списку – ион ОН, его подвижность почти в два раза ниже, чем у гидроксония (18 против 32) [2].  Вывод из наших рассуждений такой, положительный ион гидроксония должен иметь летучесть выше летучести других отрицательных ионов, по трем причинам, малого молекулярного веса (19), слабой связи с другими молекулами воды и аномально большой подвижности в растворе.

 Возьмем, к примеру, морскую воду, больше всего в ней растворено поваренной соли и сернокислотных солей, следовательно, конкуренцию гидраксонию по летучести составляют отрицательные ионы хлора и сернокислотного остатка. Даже если эти ионы улетучиваться будут без гидратированой воды, то их летучесть куда ниже летучести гидроксония, так как атомный вес превышает минимум в два раза, а энергия гидратации возможно не меньше чем у гидроксония с другими молекулами воды. Мы вправе предположить, что над морем существует двойной электрический слой, в котором положительный заряд находится в атмосфере, а отрицательный в морской воде, потому как ионов гидроксония улетучилось больше, чем отрицательных ионов. Но ведь это только предположение, хотя и обоснованное. А вдруг отрицательные ионы ОН еще летучее гидроксония, хотя мы и отметили, что подвижность его ниже?

Теоретически окончательное решения принять трудно, нужны подробные данные по гидратации , которыми мы не располагаем.  В таких случаях обращаются к эксперименту, можно попытаться экспериментировать с банками Кельвина, знатоки утверждают, что на этих банках можно разделить заряды до 12 КВ., но там схема не очень предназначена изучать летучесть положительных и отрицательных ионов. Правда ее можно упростить, нам для эксперимента достаточно одной банки-капельницы и приемной банки. Принцип простой, пока капли воды летят с высоты, вода испаряется, а вместе с молекулами воды испаряется и какое-то количество положительных и отрицательных ионов. Померив заряд в приемной банке и определив его знак, мы сможем сказать каких ионов испарилось больше, отрицательных или положительных. Хотя для такого эксперимента нужно очень простое оборудование, но на данный момент он еще не поставляет.

У всех экспериментаторов есть пока возможность отличиться. Мы же схитрим, сами экспериментов проводить не будем, а обратимся к известным фактам. Ученым хорошо известно, что у падающего водопада всегда создается очень приличная разность электрических потенциалов, несколько десятков КВ, причем падающая вода всегда заряжается отрицательно, а окружающий воздух положительно. Никто еще этот эффект теоретически не объяснил. Получается, что сам Бог велел приписать этот эффект нашей теории испарения ионов. Действительно, что такое водопад – это в первую очередь разбрызгиватель падающей воды, падающая вода разбивается на струи, водные капли, вплоть до водяного тумана. Таким образом, многократно увеличивается площадь контакта фаз газ-жидкость и тем самым создаются благоприятные условия как для испарения молекул воды и заодно ионов, в воде содержащихся. Эксперимент с водопадом дал однозначный ответ, что испарительная способность положительных ионов в пресной воде куда как выше испарительной способности отрицательных ионов. Если в пресной воде испарительная способность положительных ионов выше чем отрицательных, то в морской воде она будет и подавно выше, потому как мы можем грубо оценить испарительную способность тех и других ионов, построив ряды по молекулярной массе. Получим:

Н3О(гидроксоний), ион натрия, магния, кальция…
ОН(Н20), Cl, SO4…

Ученым хорошо известно, это легко установить опытным путем, что над океаном образуется достаточное количество ионов натрия, магния, кальция, хлора и так далее. Эти ионы разносятся по всей земной атмосфере, они находятся и на высоте в несколько километров. Так если эти ионы разнеслись по всей атмосфере, то иону гидроксония сам Бог велел в атмосфере присутствовать, потому что его в любой воде гораздо больше, чем любых других ионов (как минимум в подкисленной среде, а среда в воде и в атмосфере почти всегда подкисленная, хотя бы угольной кислотой, да и не только), и гидроксоний как показывают теоретические рассуждения и опыт с водопадом более летуч, чем любые другие ионы.  Вот мы и пришли к выводу, что электрическое поле Земли создает процесс испарения ионов с водной жидкой фазы. В атмосфере это главным образом ионы гидроксония, хотя и другие положительные ионы, но в гораздо меньших количествах тоже присутствуют, а в океане и на поверхности земли (с земли вода и ионы тоже испаряются) остаются преимущественно отрицательные ионы. В грозовой ячейке происходит то же самое, гидроксоний испаряется, потом снова захватывается каплями и льдинками, потом снова испаряется, но в результате он оказывается либо просто в атмосфере, либо в мелких каплях и льдинках. В любом варианте он грозовой ячейкой поднимается в верхнюю часть облака, а отрицательный заряд падает в нижнюю, но часть, за счет испарений, до земли не долетает, а остается в нижней части тучи. Встает вопрос, почему атмосферные осадки имеют чаще всего слабый положительный заряд, хотя они должны быть отрицательными. Они и есть отрицательные на высоте, но пролетая в низких слоях атмосферы через «облако» гидроксония, насыщаются им и нейтрализуются.

Вспомните, характер электрического поля Земли, основной положительный заряд находится на низких высотах, вверх его плотность круто падает, за исключением грозовых ячеек. Становится понятной даже такая тонкость, предварительно любая грозовая ячейка заряжена положительно. А как может быть иначе, если в окружающей атмосфере преобладает положительный заряд?  Понятным становится и момент, что внизу и по центру грозовой тучи часто наблюдается область положительного заряда, ее туда приносит восходящий поток воздуха.

  Мы уже ответили почти на все вопросы выше изложенного перечня, осталось только объяснить, почему электрическое поле Земли самое сильное в средних широтах и почему оно усиливается зимой. Давайте вспомним диэлектрическую проницаемость воды, она 81.

Это во столько раз полярные молекулы воды могут своими диполями ослабить электрическое поле, если  не будет рассеивать тепловая энергия. Но тепловая энергия атмосферы их ориентацию рассеивает, в тропиках сильнее, там ведь теплее, в средних широтах слабее, на полюсах совсем слабо, но на полюсах и слабое испарение. Таким образом, сила электрического поля зависит от плотности электрического заряда и суммарной диэлектрической проницаемости, которая с температурой падает. Вот теперь мы ответили на все вопросы вышеизложенного перечня, будьте уверены, ответим и на любые другие. Химия – наука серьезная!


Владимир Ерашов