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

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

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).

Как украинские школьники получили электричество из воздуха и солнца и почему их сманили за границу

08 Октября, 2015, 14:00

16076

Группа украинских школьников с Кировоградщины создала десятки революционных разработок в области альтернативной энергетики. Самые известные — гибкие солнечные батареи, атмосферная электростанция, добывающая энергию из грозовых облаков, и теплоизолирующая краска. Аналогов большинству нет. Ребята могли бы остаться в Украине, но тут их проекты не нашли поддержки.  Итог банален — украинские таланты уехали в США и Европу. Однако верят, что смогут вернуться на родину и внедрить свои разработки.

Из предпринимателей в изобретатели

Юные ученые — преимущественно школьники старших классов города Александрия — проводят исследования в рамках научной секции Малой Академии наук под руководством Сергея Каминского. Он владеет одним из александрийских предприятий по производству технического оборудования и возглавляет департамент инновационных внедрений компании «ПромКонверсия».

Юные александрийские ученые с руководителем

Когда Украина вошла в критический период своей истории, Каминский решил исполнить юношескую мечту и восстановить моду на изобретателей. «Год назад отдал предприятие под оперативное управление своему другу, а сам начал собирать талантливых детей. Я и сам выпускник Малой академии. Решил заняться тем, что мне интересно. Сейчас оказался на передовой энергетической безопасности страны. Веду около 40 проектов, каждый из которых — почти прорыв в энергетике», — поведал AIN.UA Сергей.

Концентрацию внимания именно на энергетике он поясняет патриотическими побуждениями. Украина беспрецедентно зависит от внешнего сырья, преимущественно из России. «Для любой страны — это беда. А для нашей — беда в многократном размере. Наши деньги просто вымывают на энергоносители», — говорит он.

Три технологии

Только три проекта из сотни разработок можно быстро реализовать при минимальных инвестициях и с быстрой окупаемостью.

Энергия из атмосферы. Грозовые облака содержат огромные запасы энергии. Она является наиболее естественной, безопасной, дешевой и экологической. Юные ученые разработали схему для добычи электроэнергии из атмосферы с помощью искусственного ионизированного облака.

Происходит это за счет сильного электрического поля, которое излучается ионизирующей башней высотой в 50 м. Заряженные частицы накапливаются электродами высотой до 150 м, в которых один конец заземлен, а другой свободно поднимается вверх. Полученный из воздуха заряд оседает на электроды и высвобождает электрический ток. Через трансформаторы напряжения электричество направляется потребителям. Автор проекта — школьник 10-го класса Самуил Кругляк.

Самуил Кругляк

Солнечные батареи. Органическую батарею, преобразующую солнечный свет в электричество, Каминский называет батареей третьего поколения. И не зря. Хоть состав изобретения не раскрывается, его создатели уверяют, что сделать ее можно с помощью доступных органических ингредиентов даже у себя на кухне. В то же время при создании стандартной кремниевой батареи используются вредные вещества, которые просто так не утилизируешь.

По КПД органические батареи уступают кремниевым, но в десять раз дешевле и просты в утилизации. Стоимость батареи стартует от $150. Относительная дешевизна снижает окупаемость в разы, что повышает рейтинг проекта в глазах инвесторов, отмечает Каминский. Над проектом много лет работали преподаватели и ученики Александрийского филиала Малой академии наук.

Органическая солнечная батарея

Краска три в одном. Краска из несложного состава наносится в несколько слоев, например, на стены дома. Состав краски наделяет ее тремя свойствами: термоизоляция, преобразователь внешней энергии в электричество, хранение электроэнергии. Таким образом, покрашенный дом утепляется, производит и сохраняет электричество.

Энергосберегающая краска

Краска наносится квадрокоптером с распыляющим устройством и шлангом, подающим смесь. Стоимость покраски пока не озвучивается. Автор проекта — группа украинских ученых во главе с Сергеем Каминским.

Грамота и конфеты

На эксперименты энтузиаст уже потратил 600 000 грн своих и спонсорских средств (спонсорами выступают местные предприниматели). «В одиночку такие прорывные проекты не потянешь. Здесь необходимо венчурное инвестирование. В развитых странах расходы на себя берут фонды, государство. Наши инвесторы привыкли к системе «деньги-товар». Однако наука и новейшие технологии – это больше чем товар, это новый жизненный уклад, новые возможности для каждого и страны в целом» — констатирует он.

На помощь государства рассчитывать не приходится. Идеологи проекта убедились в этом на собственном опыте. Технологии, способные быстро окупиться и экономить ресурсы, не взяли даже даром. «Собрал все руководство Кировоградской области, депутатов, администрацию. Вместе с детьми презентовали 13 энергосберегающих проектов. Сказали им: мы вам дарим эти проекты, внедряйте их, страна в опасности. И попросили создать лабораторию в Александрии — поездки в киевские лаборатории за 350 км сильно выматывают. В ответ получили похвалу, грамоты и конфеты. Позже создали комиссию, которая должна была что-то решить. И на этом все закончилось», — рассказал Сергей.

Своими силами

Спустя семь месяцев после презентации работы чиновникам ничего не изменилось. Тогда вдохновители стартапа решили одну разработку поставить на коммерческую основу. Занялись строительством завода по производству органических солнечных батарей и электростанций.

На данный момент своими силами могут профинансировать менее 30% строительства завода. Единственный инвестор проекта – «ПромКонверсия». Пока опытное производство будет осуществляться на существующем заводе конвейерного оборудования в Александрии. В ноябре планируют запустить тестовую партию солнечных батарей. Спрос на продукт украинских изобретателей огромный — завод получил предварительных заказов на четыре года вперед.

Электростанция

Со строительством атмосферной электростанции возникли сложности. «Разрешающим органам трудно объяснить, что энергия может вырабатываться из атмосферы, а грозовая туча способна дать энергии на недельное электроснабжение Харькова. Поэтому решили сосредоточиться на солнечной электростанции», — рассказывает Сергей.

Вопрос имел все шансы затеряться в бюрократических коридорах александрийских чиновников. Но спустя время, благодаря настойчивости и упорству энтузиастов, сдвинулся с мертвой точки. В районе местной бывшей ТЭЦ под строительство солнечной электростанции мощностью 1 МВт выделили участок. Арендную плату за него стартаперы будут платить в казну на общих основаниях по средней ставке, без преференций.

Мозги на экспорт

Со своими проектами юные изобретатели приняли участие в нескольких научных выставках. В прошлом году александрийские школьники заняли все три призовых места на конкурсе «Майбутнє України». В июне этого года на Всемирном конкурсе GENIUS Olympiad в Нью-Йорке александриец Самуил Кругляк выборол бронзу. Он мог бы претендовать и на золото, если бы лучше знал английский – уверен его научный руководитель. Американцев заинтересовала технология производства энергии из воздуха, и Кругляку предложили стипендию в Государственном университете Нью-Йорка. В итоге мальчик остался в США вместе с половиной команды.

Интересно, что в США отношение к экспорту перспективных ученых несколько иное. Ребят из американской команды на упомянутой выставке охраняли спецслужбы. «В США талантливых детей «ведут» с детства, заботятся о семье, трудоустраивают родителей. А у нас все по-другому», — говорит  Каминский. Поэтому неудивительно, что вскоре после выставки еще двое александрийских школьников, которые работали над другими энергосберегающими проектами, выехали в Австрию и Германию.

Сергей Каминский с органической солнечной батареей

Еще одна проблемная зона для юных ученых — патентование. В мире вопрос авторских прав урегулирован намного лучше. «Наши патенты ничего не стоят. Они не защищают интеллектуальную собственность. Для нашего ученого получение патента международного образца стоит 7 000 евро. Для школьника это нереальная сумма», — говорит он.

Сергей Каминский уверен, что в Украине еще не все потеряно, и здравый смысл победит. Утечку мозгов, по его мнению, может предотвратить реальное, а не напускное внимание государства и инвесторов. «Верю, что наступит день, когда в нашей стране наладится инфраструктура альтернативной энергетики. И тогда ребята смогут вернуться в Украину. Достаточно создать необходимые условия, когда здесь будет интересно», — резюмировал он.

Созданное учеными устройство получило электричество «из воздуха»

Исследователи из Массачусетского университета в Амхерсте разработали устройство, которое может создавать электроэнергию из влаги в воздухе, используя специальный белок. Результаты работы опубликованы в Nature.

Возобновляемые источники энергии считаются сегодня одной из самых перспективных областей знания. Многие европейские страны уже заявили, что в обозримом будущем планируют отойти от использования ископаемого топлива и целиком обеспечивать свои энергетические потребности с помощью ветряных и солнечных электростанций. В масштабе страны такие источники энергии вполне применимы, но их использование в домашних хозяйствах зачастую не оправдывает себя, в том числе из-за того, что они зависят от погоды и времени суток.

В своей работе исследователи представили новое устройство, которое может генерировать электрический ток в любое время, потому что использует для этого воздух. Энергию с помощью него можно получать даже в помещениях и засушливых местах.

Разработка состоит из производимых протеобактериями Geobacter белковых нанопроволок толщиной менее 10 мкм, сложенных в пленку. Нижняя часть пленки полностью соприкасается с одним из электродов. Второй меньший электрод покрывает только часть пленки и расположен сверху.

Открытая часть белковой конструкции адсорбирует водяной пар из атмосферы. Сочетание хорошей электропроводности и определенной структуры поверхности белковых нанопроволок позволяет создавать электрический ток между двумя электродами. Исследователи говорят, что нынешнее поколение устройств, названных ими Air-gen, способно питать малогабаритную электронику, и они рассчитывают в скором времени довести изобретение до коммерческого масштаба.

На следующем этапе авторы планируют немного изменить конструкцию созданного ими источника энергии, чтобы его можно было применять в устройствах мониторинга показателей здоровья, а также в системах, где чаще всего случаются перебои в электроснабжении. Исследователи также надеются разработать Air-gen для применения в сотовых телефонах, чтобы исключить необходимость в их постоянной зарядке.

Атмосферное электричество | Энергия

Некоторые ученые полагают, что полезную электроэнергию можно добывать из атмосферного электричества. Можно вернуться ко временам Бенджамина Франклина (и его менее везучих коллег)(Франклин Бенджамин (1706—1790) — американский ученый, журналист, издатель, дипломат и политический деятель. Один из лидеров Войны за независимость США. Первый американец, ставший иностранным членом Российской академии наук. Проводил опыты, направленные на изучение электрической природы молнии, запуская воздушного змея в грозу. Независимо от Франклина аналогичные опыты в это же время осуществлялись и в других странах. В частности, в 1753 году молнией был убит работавший в России над той же проблемой, немецкий ученый Георг Рихман, соратник и друг М. В. Ломоносова, который и сам активно исследовал электричество.), когда ученые поднимали электропровода высоко в воздух, чтобы продемонстрировать на опыте, что электричество накапливается в облаках. Что если воображаемая группа инженеров решит повторить этот эксперимент, но в гораздо большем масштабе?

Глобальный электрический контур

Земля — достаточно хороший проводник электричества. Верхний слой атмосферы — ионосфера — также хороший проводник. Нижний слой атмосферы обычно не проводит электричества, т.е. является электрическим изолятором. Изолятор, заключенный между двумя проводниками, называется диэлектриком, а в целом такая система становится электрическим конденсатором, способным накапливать электроэнергию, подобно электрическому полю. Гигантский размер позволяет назвать эту систему в целом суперконденсатором. Земельно-ионосферный суперконденсатор постоянно заряжается в одних регионах и разряжается в других, формируя систему, названную глобальным электрическим контуром. Если возможность черпать полезное электричество из атмосферы когда-либо реализуется на практике, мы получим атмосферную электростанцию.

Атмосферная электростанция

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 шары на земле в резервуарах, содержащих раствор воды и электролита. Если такой шар поднимется достаточно высоко, 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. Кислород можно применять в промышленных или медицинских целях.

Скучная статья про атмосферное электричество. | Альтернативщик, кого ты лечишь!?

Всем привет!

Скучная статья про атмосферное электричество. Дело в том, что атмосферное электричество — один из китов, на которых пошатываясь стоит теория «альтернативщиков». Чтобы она продолжала стоять, «альтернативные» подгоняют под атмосферное электричество Теслу, шпили соборов, трамваи, освещение… В общем все, что можно. Давайте сами разберемся, могло ли ранее использоваться атмосферное электричество, которое потом «запретили», как говорят нам наши оппоненты.

Для начала самое простое: существует ли такое явление как «атмосферное электричество»? Ответ — ДА, существует. Первым об использовании этого вида энергии задумался не Никола Тесла, как думают «альтернативщики», а еще ученые XVIII века, среди которых наш Ломоносов, их Франклин и другие. Природа атмосферного электричества следующая: модель «Земля-атмосфера» представляется в виде конденсатора, в котором Земля заряжена отрицательно, а атмосфера — положительно (точнее, ионосфера). Между этими обкладками и формируется электрическое поле. В 1752г Бенджамин Франклин доказал, что атмосферным электричеством возможно зарядить т.н. лейденскую банку, вот она на картинке:

Для понимания: это устройство способно хранить заряды объемом до 1 микрокулона, то есть 1/1000000 кулона. Для XVIII века это солидно, сейчас же заряд в 1 кулон пробегает по карманному фонарику за пару минут работы. Но идем дальше. Для своего эксперимента Франклин использовал воздушного змея, который бечевой веревкой был завязан к лейденовской банке. На самом змее была закреплена проволока, заряд по которой переходил по бечевке в банку. Весь эксперимент был проделан в предгрозовую погоду.

В России же этой темой интересовался Ломоносов. Его усилиями была разработана так называемая «громовая машина», которая постоянно отслеживала наличие электричества в атмосфере. Собственно, этим и было доказано, что атмосферное электричество присутствует постоянно, а не только во время грозы (как изначально полагал Франклин). Наличие электричества он объяснял следующим принципом: причиной атмосферного электричества является трение пылинок воздуха о капельки воды на фоне восходящих и нисходящих потоков воздуха.

Теперь давайте отвлечемся и посмотрим, сколько электричества мы могли бы теоретически брать из атмосферы. Тут мы натыкаемся на первую проблему: дело в том, что у модели конденсатора есть утечки. В случае модели Земля-ионосфера они составляют порядка 1800А. При общем заряде в 5,7×105 степени кулон, вся система должна потерять заряд уже спустя несколько минут. Но этого не происходит, потому что существует непонятная на данный момент система подзарядки. А раз так, то не совсем понятно, будет ли этой подзарядки хватать, если человек (теоретически) начнет отбирать электричество в своих целях. И к каким последствия это приведет.

Но допустим, что ничего катастрофического не произойдет. Каким же образом возможно получать атмосферное электричество? Только с привязкой к Земле. На протяжении XIX века было проведено несколько экспериментов. Например: Герман Плаусон поднял на высоту 300м два аэростата, обшитых листами магниево-алюминиевого сплава. В результате, он смог получить примерную мощность 3,4кВт от двух аэростатов. Для понимания: чтобы подзарядить современный телефон, требуется мощность около 1кВт. То есть, говорить о практическом применение подобной конструкции, мягко говоря, не реалистично. Ведь есть и еще одна проблема, которая создает дополнительные трудности. Устройства для сбора электричества из атмосферы, как правило, дают высокое напряжение при весьма малом токе, поэтому необходимы преобразующие устройства для получения низкого напряжения при значительном токе. Это может сделать трансформатор, но он работает только на переменном токе, а ток из атмосферы — постоянный. Значит, требуется преобразователь постоянного тока — в переменный. И, в целом, такой преобразователь есть, его создал Тесла в 1890г. Но его конструкция весьма громоздкая и, конечно, дорогая. Но допустим, что такую конструкцию все же построили и она работает. Следующей проблемой станет неоднородность мощности атмосферного электричества. Так, во время грозы мощность резко увеличивается, что может привести к выводу из строя оборудования, а также в целом опасно для обслуживающего персонала. И это мы сейчас обсуждаем всего лишь мощность 3,4кВт, позволяющую зарядить телефон. А если мы будем говорить про масштабы Земли? Все небо должно быть усеяно аэростатами.

Иными словами, отбирать атмосферное электричество путем запуска шаров/аэростатов нереально. Возможно, есть иной путь? Здесь переходим к Тесле.

Сразу обращу внимание: именно его заслуга в нынешнем применении переменного тока. До него Томас Эдисон практиковал постоянный ток, который был ограничен расстоянием и работал в радиусе до 4км. Так вот, следующим шагом Теслы было изучение возможности передачи переменного тока на расстояние без проводов. И в этом месте подключаются «альтернативщики» и твердят про атмосферное электричество. Однако, замысел Теслы должен был работать иначе: установленный стационарный трансформатор должен вырабатывать энергию (принцип описан здесь http://electrik.info/main/fakty/1092-chto-takoe-transformator-tesla.html) и, используя верхние слои атмосферы, передаваться на расстояние, где его получит другой стационарный трансформатор. Использую эту систему, он смог зажечь 200 ламп на расстоянии 40км. Сам Тесла отмечал, что достигнуто это способом проводимости (через воздушные массы). Но ни о каком атмосферном электричестве речи нет.

Но Тесла мыслил на несколько шагов вперед и действительно размышлял о других видах получения энергии. И пусть не обольщаются «альтернативщики»: он думал о получении энергии из угля, известняка, с использованием механизмов выделение углекислоты из серной кислоты и т.д. В рамках этих размышлений он касается атмосферного электричества таким рассуждением: «…в проводе, один конец которого заземлен, а другой уходит высоко вверх, возникает ток, что происходит либо благодаря вращению Земли вокруг своей оси, или благодаря ее поступательному движению. Однако еще нет уверенности в том, что ток станет постоянно проходить по проводу до тех пор, пока электричеству не будет создана возможность просачиваться в воздух. Его истекание в большой степени облегчится, если поднятый конец провода подсоединить к терминалу с большой поверхностью и множеством острых граней и шипов. Так мы сможем получать постоянный приток электрической энергии, просто удерживая провод на высоте, но, к сожалению, количество электричества, которое может быть получено таким способом, мало» (https://dom-knig.com/read_192407-35). Выходом из этой ситуации он видел поднятие терминалов на большую высоту. Но это не высота шпиля церкви. И не те самые 300м, на которые поднял аэростаты Плаусон (и получил мощность 3,4кВт), а значительно выше.

В настоящее время изучение атмосферного электричества продолжается, так как возможность получить бесплатный вид энергии действительно весьма соблазнительна. И хоть адепты «альтернативной истории» продолжают таинственным голосом говорить о том, что «атмосферное электричество запретили энергетические компании», суть остается прежней: более 250 лет, с середины XVIII века и до нынешнего времени, этим явлением занимались виднейшие ученые, которые так и не нашли оптимального решения, способного безболезненно, безопасно и эффективно заменить стандартный принцип выработки электрической энергии. Сама физика атмосферного электричества очень слабо предназначена для наших нужд. Возможно, оно служит сугубо для функционирования системы Земли. И уж точно атмосферное электричество существует не для объяснения нежизнеспособных теорий «альтернативщиков». Про мою следующую статью — смотрите ниже списка использованных материалов.

Использованы материалы по ссылкам:

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

https://www.proza.ru/2013/02/25/44

https://dom-knig.com/read_192407-36

https://dal.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1061750#.D0.9F.D1.80.D0.BE.D0.B5.D0.BA.D1.82_.C2.AB.D0.A3.D0.BE.D1.80.D0.B4.D0.B5.D0.BD.D0.BA.D0.BB.D0.B8.D1.84.C2.BB

http://electrik.info/main/fakty/905-rezonansnyy-metod-besprovodnoy-peredachi-nikoly-tesla.html

https://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/65893/%D0%90%D1%82%D0%BC%D0%BE%D1%81%D1%84%D0%B5%D1%80%D0%BD%D0%BE%D0%B5

Моя следующая статья про количество населения на Земле https://zen.yandex.ru/media/lechish/tak-kakaia-chislennost-liudei-na-zemle-5db310ee04af1f00b25a9634

Электричество из воздуха сделать самому своими руками. Можно ли добывать электричество из воздуха

В наше время возник призрак энергетического кризиса. Человечество ищет разные ответы на этот вызов, предлагая решение в виде атомной энергии или источников альтернативной энергетики. Но что они представляют собой? Может ли «обычный» рядовой человек получить возможность наслаждаться плодами технического прогресса, собрав то, что позволит эксплуатировать источники электричества, своими руками? Да, и реализация будет показана в статье на примере ветровой энергии.

Возможности альтернативной энергетики

Но первоначально поговорим об альтернативной энергетике вообще. Её особенностью является то, что используются источники энергии, которые никак не иссякнут в ближайшем будущем. Минусом, который тормозит её повсеместное внедрение, является привязка к определённым параметрам окружающей среды и длительный срок окупаемости.

Но вышеуказанные возможности – это не то, что является главной целью статьи. Здесь будет рассказано о настолько непривычном способе получения энергии, что большинство людей про него и не знает. Итак, как получить электричество из воздуха своими руками?

Получение энергии из воздуха

А что же с ветровой энергией? Сначала всегда вспоминают про неё. Тут требуется наличие достаточно быстрых воздушных потоков, ветряных мельниц, которые будут вращаться и превращать механическую энергию ветра в электричество. Самым лучшим вариантом считается, если скорость ветрового потока составляет больше 5 м\с.
Механизм превращения заключается в том, что ветер крутит лопасти ветряной мельницы, которые соединены с генератором тока. Поскольку на него подаётся механическая энергия, то генератор превращает её в электрическую энергию.

Но самый экзотический способ добычи – это электричество из воздуха своими руками. Не с помощью воздуха, а из него. Как такое возможно? Наверное, многие из вас слышали про то, что электрические устройства создают электрические поля, так почему бы не черпать энергию из этих полей?

Что необходимо для создания простой станции получения энергии?

Как же осуществить получение электричества из воздуха? Минимум, необходимый для забора электроэнергии из воздуха, – земля и металлическая антенна. Между этими проводниками с разной полярностью устанавливается электрический потенциал, который накапливается на протяжении длительного времени. Учитывая непостоянность величины, рассчитать её силу почти невозможно. Подобная станция работает как молния: разряд тока происходит через определённое время, когда достигается максимальный потенциал. Таким способом можно получить довольно много электроэнергии, чтобы поддерживать работу электрической установки.

Схематическое изображение

Вас, наверное, интересует не только электричество из воздуха. Схема, как сделать ее — самое важное. Что ж, предлагаю взглянуть, как она выглядит. В целом ничего сложного, и на рисунке всё подписано. Только следует сказать: не вздумайте телефонную трубку называть наушниками. Если же назвали так, электричество своими руками, схема и её реализация – это пока не для вас, слишком мало опыта.

Рассмотрим плюсы и минусы конструкции.

Сначала о плюсах:

1. Простота конструкции, благодаря чему практическое повторение в домашних условиях – дело не сложное.
2. Доступность материалов, необходимых для проекта.

Теперь о недостатках:

1. Следует учитывать, что, несмотря на свою простоту, схема чрезвычайно опасна ввиду невозможности расчета примерного количества ампер и силы токового импульса.
2. Образование открытого контура заземления при работе, вследствие чего могут возникать удары молний до 2 000 Вольт. Это было главной причиной, почему установку признали небезопасной для жизни и, соответственно, не запустили ее в производство.

Поэтому электричество, полученное с помощью солнечной панели или ветрового генератора, и является более безопасным. Но приобрести механизм похожего действия можно – это люстра Чижевского (одна из самых удивительных советских разработок). Она хоть и не даёт возможность получать электричество из воздуха своими руками, но является очень интересной конструкцией.

Альтернатива Марка

Устройство также известно как генератор электричества из воздуха TPU, разработанный Стивеном Марком. Он позволяет получать различные количества электричества, чтобы питать разные цели, и делается это без необходимости подпитки из внешней среды. Но из-за некоторых особенностей она всё ещё не работает. Такая проблемка не помешает, тем не менее, рассказать вам о ней.

Принцип работы простой: в кольце создается резонанс магнитных вихрей и токов, что способствует появлению токовых ударов в металлических отводах. Чтобы собрать такой тороидальный генератор, позволяющий получить электричество из воздуха своими руками, вам нужно:

1. Основание, в качестве которого может выступить кусок фанеры, похожий на кольцо, полиуретан или отрезок резины; 2 коллекторные катушки (внешняя и внутренняя) и катушка управления. В качестве основания наилучшим образом подойдёт кольцо, у которого наружный диаметр 230 миллиметров, а внутренний 180.
2. Намотайте катушку внутри коллектора. Намотка должна быть трехвитковой и делаться многожильным проводом, сделанным из меди. Теоретически, чтобы запитать лампочку, вам должно хватить одного витка как на фотографиях. Если не получилось – сделайте ещё.
3. Управляющих катушек необходимо 4 штуки. Каждую из них следует разместить под прямым углом, чтобы не создавать помех магнитному полю. Намотка должна быть плоской, а зазор между витками не должен превышать 15 миллиметров. Меньше тоже нежелательно.
4. Чтобы намотать управляющие катушки, используйте одножильный провод. Необходимо сделать не менее 21 витка.
5. Для последней катушки используйте медный провод с изоляцией, который следует наматывать по всей площади. Основное конструирование завершено.

Соедините выводы, предварительно установив между землёй и обратной землёй конденсатор на десять микрофарад. Чтобы запитать схему, используйте мультивибраторы и транзисторы. Подбирать их придется опытным путём ввиду того, что нужны разные характеристики для разных конструкций.

Альтернатива Капанадзе

Также хочется предложить вашему вниманию схему, которая, вероятно, опишет изобретение Капанадзе. В её основе – катушка Теслы, что может накапливать электроэнергию. Так ли это – можете проверить лично.

Жайық Пресс — Парень из Уральска разработал установку для получения электричества из атмосферы  

Парень из Уральска разработал установку для получения электричества из атмосферы  

 

Электричество – является одной из самых больших ценностей современного мира. В связи с ростом стоимости энергоносителей человечество пытается находить альтернативные и доступные источники энергии, склоняясь к самым радикальным решениям. Одним из таких энтузиастов, который доказал, что можно добыть электричество из ничего, является уральский парень Талгат Мулдашев.

Установка, разработанная учеником городской Назарбаев Интеллектуальной школы физико-математического нап­равления Т. Мулдашевым, способна «отбирать» заряженные частицы из атмосферного воздуха.

Возможность добыть ценные ресурсы из воздуха интересовала ученых еще в XIX веке. Но если энтузиасты прошлых веков не имели в своем распоряжении столько технологий и изобретений, как современные исследователи, то сегодня возможности по реализации самых сложных и безумных идей выглядят вполне реально. Получить альтернативное электричество из атмосферы можно двумя методами: благодаря ветрогенераторам и с помощью полей, которые пронизывают атмосферу.

Наукой доказано, что электрический потенциал способен накапливаться воздухом за определенный промежуток времени. Сегодня атмосфера настолько пронизана различными волнами, электроприборами, а также естественным полем Земли, что получить из нее энергоресурсы можно без особых усилий или сложных изобретений, – считает начинающий физик-изобретатель Талгат Мулдашев.

Когда речь идет о получении энергии из воздуха, большинство людей думает, что это откровенный бред. Однако добыть энергоресурсы буквально из ничего вполне реально. Принцип действия системы объясняется тем, что в воздухе содержится какой-то мизерный процент статистического электричества, только его нужно научиться накапливать. Первые опыты по созданию такой установки проводились еще в далеком прошлом. В качестве яркого примера можно взять знаменитого ученого Николу Теслу, который неоднократно задумывался о доступной электроэнергии из ничего. Именно этот ученый является кумиром Талгата.

– Никола Тесла, открывший переменный ток, без которого не может существовать никакая современная электроника, мой главный учитель в мире физики. Именно к его трудам и опыту я обратился, когда увлекся идеей получить электрическую энергию из воздуха, – говорит Талгат.

У нашего героя увлечение физикой — дело семейное. Папа мальчика Умыргали Бекешев всю жизнь занимался научной работой именно в этой области. Талгат всерьез стал увлекаться физикой только в старших классах. Его настолько увлекало создание проектов, что он мог часами сидеть и работать над своими изобретениями.

Прибор, который он изобрел для получения электроэнергии из атмосферного воздуха представляет собой цилиндр, внутрь которого помещены листы фольги. Сверху что-то вроде хвоста самолета, чтобы конструкция могла поворачиваться по ветру.

-Прибор способен получать ионы, то есть заряженные частицы, из атмосферы, – объясняет суть изобретения Талгат. – Важно, чтобы он находился в воздушных потоках, движущихся в разных направлениях, поэтому ему нужен ветер. Хвост как раз помогает поворачиваться прибору в нужную сторону, – рассказывает юный изобретатель.

Потенциалы заряженных частиц и земли различаются, и из-за разницы потенциалов возникает напряжение. Чем больше контакт с воздухом, тем больше будет напряжение.

Чтобы проверить модель на практике, ее пришлось поднимать на крышу школы. И здесь экспериментаторам удалось аккумулировать энергию с напряжением около двух вольт! Этого количества вполне хватает для зарядки сотового телефона.

Чтобы установка могла работать и в безветренную погоду, Талгат решил ее усовершенствовать, установив трубы не горизонтально, а вертикально.

– Насколько известно, в вертикальных трубах существует тяга, – поясняет Талгат. – Воздух внизу всегда немного теплее, чем наверху, разница существует и между показателями давления. Следст­вием этого являются конвективные потоки: воздух по трубе всегда идет снизу вверх, – рассказывает Т. Мулдашев.

Был создан макет и сделаны все расчеты для того, чтобы доказать: если помес­тить подобную трубу на фасад многоэтажного жилого дома, то получаемую таким образом электроэнергию можно будет направить, к примеру, на освещение подъездов.

Со своим изобретением Талгат Мулдашев уже неоднократно занимал первые места на различных конкурсах изобретателей и инноваторов.

Его изобретение интересно тем, что имеет не только чисто научный интерес, а через какое-то время, будучи доработанным, вполне может применяться в повседневной жизни.

Лучия Курарару

© zhaikpress.kz

Электроэнергия, полученная из воздуха, может стать новейшим альтернативным источником энергии

ВЫШЕЛ ДЛЯ ВЫПУСКА | 25 августа 2010 г.

Примечание для журналистов: Сообщите, что это исследование было представлено на заседании Американского химического общества

БОСТОН, авг.25, 2010 — Представьте себе устройства, которые улавливают электричество из воздуха — так же, как солнечные элементы улавливают солнечный свет — и используют их для освещения дома или подзарядки электромобиля. Представьте себе использование подобных панелей на крышах зданий, чтобы предотвратить образование молнии. Как это ни странно звучит, согласно докладу, представленному сегодня на Национальном собрании Американского химического общества (ACS), ученые уже находятся на ранних стадиях разработки таких устройств.

«Наши исследования могут проложить путь к превращению электричества из атмосферы в альтернативный источник энергии в будущем», — сказал руководитель исследования Фернандо Галембек, доктор философии.Д. Его исследования могут помочь объяснить научную загадку 200-летней давности о том, как электричество производится и разряжается в атмосфере. «Подобно тому, как солнечная энергия может освободить некоторые домохозяйства от оплаты счетов за электричество, этот многообещающий новый источник энергии может иметь аналогичный эффект», — утверждает он.

Во время встречи, авг.22-26, с контактами можно связаться по телефону:
617-954-3522

«Если мы знаем, как электричество накапливается и распространяется в атмосфере, мы также можем предотвратить смерть и ущерб от ударов молнии», — сказал Галембек, отметив, что молния вызывает тысячи смертей и травм во всем мире и миллионы долларов материального ущерба.

Идея использования силы электричества, образовавшейся естественным образом, волновала ученых на протяжении веков. Они заметили, что при выходе пара из котлов образовывались искры статического электричества. Рабочие, соприкасавшиеся с паром, даже получали болезненные удары током. Например, знаменитый изобретатель Никола Тесла был среди тех, кто мечтал улавливать и использовать электричество из воздуха. Это электричество, которое образуется, например, когда водяной пар собирается на микроскопических частицах пыли и других материалов в воздухе.Но до сих пор ученым не хватало адекватных знаний о процессах, участвующих в образовании и высвобождении электричества из воды в атмосфере, сказал Галембек. Он работает в Университете Кампинаса в Кампинасе, штат Пенсильвания, Бразилия.

Ученые когда-то считали, что капли воды в атмосфере электрически нейтральны и остаются таковыми даже после контакта с электрическими зарядами на частицах пыли и каплях других жидкостей.Но новые данные свидетельствуют о том, что вода в атмосфере действительно улавливает электрический заряд.

Галембек и его коллеги подтвердили эту идею, используя лабораторные эксперименты, имитирующие контакт воды с частицами пыли в воздухе. Они использовали крошечные частицы диоксида кремния и фосфата алюминия, которые обычно переносятся по воздуху, показывая, что диоксид кремния становится более отрицательно заряженным в присутствии высокой влажности, а фосфат алюминия становится более положительно заряженным.Высокая влажность означает высокий уровень водяного пара в воздухе — пар, который конденсируется и становится видимым в виде «тумана» на окнах кондиционируемых автомобилей и зданий в жаркие летние дни.

«Это явное доказательство того, что вода в атмосфере может накапливать электрические заряды и передавать их другим материалам, с которыми соприкасается», — пояснил Галембек. «Мы называем это« гигроэлектричество », что означает« влажное электричество ».”

В будущем, добавил он, возможно, появится возможность разработать коллекторы, подобные солнечным элементам, которые собирают солнце для производства электричества, для улавливания гигроэлектричества и направления его в дома и на предприятия. Так же, как солнечные элементы лучше всего работают в солнечных регионах мира, гигроэлектрические панели будут работать более эффективно в областях с высокой влажностью, таких как северо-восток и юго-восток США и влажные тропики.

Галембек сказал, что подобный подход может помочь предотвратить образование и удар молнии. Он предполагал разместить гигроэлектрические панели на крышах зданий в регионах, где часто бывают грозы. Панели будут отводить электричество из воздуха и предотвращать накопление электрического заряда, который выделяется при молнии. Его исследовательская группа уже тестирует металлы, чтобы определить те из них, которые имеют наибольший потенциал для использования в улавливании атмосферного электричества и предотвращении ударов молний.

«Это захватывающие идеи, которые, как показывают наши исследования и другие научные группы, теперь возможны», — сказал Галембек. «Нам, безусловно, предстоит долгий путь. Но преимущества использования гигроэлектричества в большом диапазоне могут быть существенными ».

CNPq (Национальный совет по научному и технологическому развитию) и FAPESP (Исследовательский фонд штата Сан-Паулу) профинансировали исследование.

Кредит: iStock

границ | Воздействие атмосферного электричества на биогеохимические процессы в почвах и отложениях

Введение

Наблюдалось, что концентрации различных химических соединений в поверхностных водах, почвах и отложениях широко варьируются как в пространстве, так и во времени, что часто обнаруживается как обычные (но также и сезонные) колебания (например.г., Stockdale et al., 2009; Нимик и др., 2011; Смит и др., 2011). Эта изменчивость очень актуальна для организмов, которые живут в этих пространственно-временных неоднородных средах. В то время как крупные мобильные организмы взаимодействуют в более широких пространственных масштабах, можно ожидать, что небольшие и относительно неподвижные организмы, такие как бактерии, грибы или нематоды, будут особенно чувствительны к колебаниям в их непосредственной электрохимической среде. Мелкие организмы реагируют на изменения в своей физико-химической среде изменениями метаболической активности и поведения (например,г., Фенчел, 2002; Vanreusel et al., 2010). Удаление респираторных электронов важно для организмов для поддержания метаболической активности, которая управляет экосистемными процессами, включая дыхание и переработку органических веществ и питательных веществ (Cho and Azam, 1988). Наличие молекул, принимающих дыхательные электроны (т.е. окислительно-восстановительные условия), может, следовательно, создавать серьезные ограничения для метаболической активности организмов в почвах и отложениях (Hayes and Waldbauer, 2006).

Хотя многие исследования улучшили наше понимание процессов, управляющих подповерхностной электрохимической средой Земли, многие наблюдаемые вариации по-прежнему трудно согласовать с известными факторами электрохимической неоднородности.Здесь мы вкратце обобщаем наше понимание движущих сил электрохимической изменчивости под землей и представляем новую концептуальную основу, связывающую вариации атмосферного электричества (АЭ) с вариациями электрохимической среды Земли и последствиями для микроорганизмов, живущих на ней. Мы представляем доказательства, подтверждающие предлагаемые связи, и определяем проблемы для будущих исследований.

Драйверы пространственно-временной изменчивости в подповерхностной электрохимии Земли

Мелкомасштабные изменения электрохимических свойств отложений и почв в основном контролируются биотическими воздействиями.Например, двигательная активность беспозвоночных, перерабатывающих почвы и отложения (биотурбация), является хорошо известной движущей силой окислительно-восстановительных условий микромиллиметрового масштаба как в почвах, так и в отложениях (Tokida et al., 2007; Hunting et al., 2012). В частности, считается, что метаболическая активность бактерий в основном контролируется этой мелкомасштабной вариацией (Newman and Banfield, 2002). Колебания окислительно-восстановительного потенциала, вероятно, являются важным селективным давлением на микробы с последствиями для состава и активности сообщества (Pett-Ridge and Firestone, 2005), например, путем отбора метаболически более гибких бактериальных таксонов (DeAngelis et al., 2010). В свою очередь, бактерии могут выделять окислительно-восстановительные экссудаты (например, флавины) для поддержания благоприятных окислительно-восстановительных условий (Hunting and Kampfraath, 2013; Markelova et al., 2018) или могут использовать перенос электронов на большие расстояния (> 1 см) для соединения пространственно разделенные биоэлектрохимические процессы (Nielsen et al., 2010; Pfeffer et al., 2012). Фотосинтез также способствует колебаниям окислительно-восстановительных условий, вводя кислород в верхние слои почвы и донных отложений (Battin et al., 2003; Laursen and Seitzinger, 2004), что приводит к чистому дневному увеличению концентрации кислорода и чистому ночному снижению, вызванному дыхание.

В то время как мелкомасштабные вариации в основном вызваны биологическими процессами (Masscheleyn et al., 1991; Hayes and Waldbauer, 2006), дикие и сезонные колебания концентраций многих химических веществ, имеющих отношение к микробным процессам (например, денитрификации и метаногенезу), также являются часто связаны на больших расстояниях (Lee, 1977; Laursen, Seitzinger, 2004; Allen et al., 2007; Spencer et al., 2007; Rusjan, Mikoš, 2010; Bass et al., 2013). Возникновение крупномасштабных временных флуктуаций в большом количестве экосистем предполагает, что крупномасштабные абиотические процессы также имеют отношение к электрохимическим свойствам почвы, отложений и воды (Scholefield et al., 2005). Действительно, были выявлены различные абиотические движущие силы пространственных связей и синхронизированная временная изменчивость подземных химических концентраций и микробной активности. К ним относятся солнечная активность, поток подземных вод, атмосферное давление, лунно-солнечный и приливный циклы, а также градиенты химического потенциала носителей заряда (обзор у Lanzerotti and Gregori, 1986; Tokida et al., 2007). Во внутренних водах и земных почвах разделение зарядов в глине или других минералах, загрязнителях и потоках грунтовых вод также влияет на электрохимическую среду (например,г., Ревиль, Джардани, 2013).

Несмотря на широту понимания процессов, управляющих подземной электрохимической средой Земли и последствий для организмов, известные движущие силы не могут объяснить все наблюдаемые электрохимические вариации. Это особенно верно для изменений в более глубоких слоях (до метров) поверхности Земли (Vorenhout et al., 2011). Например, в то время как фотосинтез может быть ответственным за полное изменение окислительно-восстановительных условий в биопленках и поверхностных (<1 см) слоях почвы и отложений (Battin et al., 2003; Laursen and Seitzinger, 2004), маловероятно, что он влияет на более глубокие среды и связанные с ними организмы, поскольку диффузия кислорода происходит медленно, а потребление гетеротрофами - быстро (Laursen and Seitzinger, 2004). Здесь мы предлагаем новую перспективу, основанную на идее о том, что вариации АЕ являются дополнительным фактором, лежащим в основе циклических вариаций электрохимии и связанных с ними микробных сообществ и активности в подземной среде Земли.

Концептуальные основы взаимосвязи между атмосферным электричеством, подповерхностной электрохимией Земли и микробными сообществами

Электрические свойства приповерхностной атмосферы (e.g., концентрации ионов и градиент атмосферного потенциала) изменяются в суточных и сезонных временных масштабах (Israelsson and Tammet, 2001; Harrison, 2004). Атмосферное электрическое поле присутствует даже в регионах с хорошей погодой как следствие глобальных потоков электрического тока, вызываемых грозовыми регионами (например, Rycroft et al., 2000; Haldoupis et al., 2017). На местном уровне условия окружающей среды, радиоактивный распад радона, заряды аэрозолей и загрязнение атмосферы могут вносить дополнительный вклад в изменение атмосферных электрических условий (Matthews et al., 2019). Комбинация глобальных и локальных вариаций АЕ приводит к вариациям в различных пространственных и временных масштабах, при этом дикие флуктуации особенно важны (Israelsson and Tammet, 2001). В универсальной диаграмме направленности вертикального тока и градиента потенциала преобладает минимум около 04 всемирного времени (UT) и максимум около 19 UT. Эта универсальная картина наиболее очевидна в чистом морском воздухе, где аэрозольное загрязнение и другие местные источники колебаний (например, простые колебания концентрации радона) сведены к минимуму.В отличие от этого, модели высот над сушей больше подвержены влиянию местных вариаций AE (Israelsson and Tammet, 2001; Harrison, 2004).

Электрические токи зависят от движения (малых) ионов в атмосферном электрическом поле и обычно находятся в диапазоне от 0,5 до 3,0 пА м. ^-2 на границе поверхности Земли, где токи впоследствии попадают на поверхность Земли как часть глобального электрического поля. цепи (Rycroft et al., 2008; Harrison, 2013). Другие геофизические процессы (например, поток грунтовых вод) влияют на электрические свойства недр Земли (Lanzerotti and Gregori, 1986; Wada and Umegaki, 2001; Revil et al., 2010). В почвах, водоемах и их отложениях токи, вызванные вариациями AE, вероятно, влияют на высвобождение респираторных электронов и движение ионов, тем самым критически влияя на окислительно-восстановительные условия с последствиями, особенно для микроорганизмов. Например, вариации AE могут вызывать вертикальное движение заряженных концевых акцепторов электронов, которые необходимы для микробного дыхания (концептуальную диаграмму см. На Рисунке 1). Терминальные акцепторы электронов, относящиеся к микроорганизмам (например,g., NO ₃ ^–, Mn ₄ ³⁺ и SO ₄ ^2–) различаются по размеру и заряду, что позволяет предположить, что они движутся с разной скоростью в подземных средах Земли. Кроме того, на движение ионов влияет электропроводность воды, почвы и отложений. Например, поверхностные слои почвы обычно имеют проводимость 0,1–2,0 дСм / м (Rhoades and Corwin, 1981), что ниже, например, по сравнению с морской водой (∼ 4 См / м; например, Al-Shamma’a et al. al., 2004), и может препятствовать перемещению ионов на большие расстояния (Revil et al., 2010), но не на короткие расстояния (мкм — мм — см) (Wada and Umegaki, 2001; Mann et al., 2005). Такое изменение окислительно-восстановительных свойств почв и отложений, вызванное АЭ, вероятно, влияет на способность микробов избавляться от своих респираторных электронов (рис. 1). На сегодняшний день последствия изменения АЭ на электрохимические свойства подземных экосистем и живущих в них организмов остаются полностью неизученными.

Рисунок 1. Концептуальная диаграмма, изображающая предлагаемую связь между атмосферным электричеством (AE), электрохимией земной поверхности и микробными процессами. Электрические вариации катионов (+) в атмосфере определяются множеством факторов, включая космические лучи, вариации в ионосфере, радиоактивный распад радона и других элементов, глобальную грозовую активность и солнечную радиацию. Поскольку поверхность Земли заряжена отрицательно (-), возникающий вертикальный ток заставляет ионы перемещаться внутри почвы и отложений.Сюда входят основные ионы, необходимые для метаболической активности микробов в бескислородной среде. Эти изменения в обеспечении ресурсами, вызванные электрическими колебаниями в атмосфере, могут, таким образом, влиять на пространственные и временные закономерности биогеохимических процессов. Основными концевыми акцепторами электронов, используемыми в метаболизме бескислородных микробов, могут быть анионы или катионы (обозначены знаком — или + соответственно). Анионы, такие как нитрат (NO ₃ ^—) и сульфат (SO ₄ ^2- ), движутся в атмосферу, тогда как катионы, такие как железо (Fe ²⁺ ) и марганец (Mn ²⁺ ) ) продвинуться глубже в почву или отложения.Свободные электроны, производимые микробным метаболизмом на поверхности Земли, также потенциально могут быть направлены в атмосферу, как показано изогнутой пунктирной стрелкой.

Доказательства связи между атмосферным электричеством, подповерхностной электрохимией и метаболической активностью микробов

Лабораторные эксперименты

Мы провели несколько лабораторных экспериментов, чтобы изучить влияние вариации АЕ на окислительно-восстановительные условия осадка и бактериальный метаболизм (описание экспериментального подхода см. В дополнительном материале S1).Мы обнаружили, что окислительно-восстановительный потенциал донных отложений ( E _h ) в водных микрокосмах эволюционировал независимо от pH отложений (макс. Изменение ± 0,1 единицы) или концентрации кислорода (макс. Изменение ± 1% насыщения) при воздействии на них экспериментально измененных уровней. концентраций атмосферных ионов. Напротив, E _h постепенно увеличивалось на разных глубинах отложений, начиная с момента начала ионизации, затем снижалось и быстро стабилизировалось при нарушении ионизации (рис. 2A).Контрольные микрокосмы, в которых вышележащая атмосфера не была ионизирована, вскоре достигли окислительно-восстановительного равновесия, которое оставалось постоянным на протяжении всего эксперимента (данные не показаны). Не было обнаружено никаких эффектов на E _h в донных отложениях после воздействия на микромир радиации [УФ A, B и C, а также фотосинтетически активного излучения (PAR) и инфракрасного излучения; данные не показаны]. Взятые вместе, наши эмпирические данные показывают, что колебания E _h в осадках микромира не зависели от солнечной радиации, но на них сильно влияли регулируемые сдвиги концентраций ионов в вышележащей атмосфере.Эти данные предоставляют четкие доказательства того, что вариации AE могут влиять на геохимические и микробные процессы через изменения E _h .

Рис. 2. Влияние повышенных уровней атмосферных катионов на окислительно-восстановительные условия, дыхательную активность бактерий и концентрации H ₂ S (сульфатредукция) в отложениях водных микрокосмов. (A) Редокс-потенциал, E _h , был измерен на глубине отложений 1 и 6 см в ответ на изменение концентрации катионов в атмосфере. (B) Дыхательная активность бактерий, измеренная как активность системы транспорта электронов (ETS) (выраженная как относительное поглощение при 490 нм), была значительно ниже в контрольных микрокосмах, чем в микрокосмах, в которых атмосфера была ионизирована в течение 24 часов ( t -тест, p = 0,002, n = 6). (C) Изменения бактериальной концентрации H ₂ S на разных глубинах отложений в ответ на ионизацию вышележащей атмосферы (левая панель), что свидетельствует о сдвиге продукции H ₂ S к поверхности в результате подъема SO ₄ ^2- механизм (схематично изображен на правой панели).Заштрихованные области и (+) указывают периоды экспериментальной ионизации. Измерения одного временного ряда представлены для ясности и считаются репрезентативными для повторных ( n = 12) прогонов.

Затем мы проверили реакцию бактериальных сообществ в отложениях микрокосмов на колебания E _h , вызванные изменениями лабораторных условий AE за счет увеличения концентраций ионов в перекрывающей атмосфере. Мы измерили дыхание бактериального сообщества как активность ETS в верхнем слое донных отложений (<1 см) после 1 дня воздействия атмосферной ионизации и наблюдали двукратное увеличение ( t -тест, p <0.05) по сравнению с контрольными микрокосмами (рис. 2В). Однако, поскольку множественные бактериальные процессы могут способствовать активности ETS, причина увеличения остается неясной.

Для дальнейшего изучения вопроса мы экспериментально подвергли водные микрокосмы воздействию повышенных концентраций ионов в перекрывающей атмосфере и оценили концентрации H ₂ S в ответ на ионизацию атмосферы. Мы выбрали концентрацию H ₂ S в качестве наиболее информативной переменной отклика, поскольку она является прямым результатом уменьшения SO ₄ ^–.Более того, поскольку H ₂ S не несет заряда, любые изменения в H ₂ S из-за изменения AE могут быть результатом только изменений в сокращении SO ₄ ^–. Мы наблюдали постепенное увеличение концентраций H ₂ S на 4 мм ниже поверхности отложений, тогда как концентрации H ₂ S уменьшались на 6 мм ниже поверхности отложений. Отклик в концентрациях H ₂ S после начала ионизации был немного задержан (рис. 2C). Эти данные свидетельствуют о том, что глубина максимальных концентраций SO ₄ ^2- сместилась к поверхности осадка в ответ на ионизацию, при этом микробное сообщество быстро отреагировало снижением SO ₄ ^2- до H ₂ S.

Полевые наблюдения

Чтобы оценить, применимы ли связи между АЭ и подземными редокс-вариациями, наблюдаемыми в экспериментах с микрокосмом, в реальных условиях, мы измерили E _h в (1) открытом мезокосмовом объекте, не содержащем или не содержащих различных комбинаций беспозвоночных, вызывающих биотурбацию поверхностных отложений; (2) пресноводные отложения на двух разных участках и (3) почвы на географически разных участках (подробности см. В дополнительном материале S1).В мелководной прибрежной зоне нетронутого озера Каданьо в Швейцарских Альпах мы наблюдали колебания диэль в E _h в соответствии с универсальным циклом градиента атмосферного потенциала с пиками, приходящимися примерно на 19 UT (рис. 3). Напротив, в канаве, испытывающей городское давление в Нидерландах, колебания диэлемента определялись местными влияниями с пиком, приходящимся примерно на 14–16 часов по местному времени (рис. 4). Однако количество катионов в приземной атмосфере, по-видимому, также зависело от осадка E _h (Рисунок 4).

Рис. 3. При хорошей погоде наблюдаются колебания окислительно-восстановительного потенциала донных отложений и AE. (A) Окислительно-восстановительный потенциал (E _h ), измеренный на глубине 10 см в естественных нетронутых отложениях за один проход в течение 3 дней в озере Каданьо, высокогорном озере в Швейцарии, в октябре 2017 года. (B) универсальная периодичность электрических свойств атмосферы (выраженная как градиент потенциала PG между атмосферой и землей), которая видна по всему земному шару в хорошую погоду (Harrison, 2013).Все данные нанесены на график относительно всемирного времени, UT, и представляют собой измерения одного временного ряда. Пики в 19 UT указывают на то, что колебания окислительно-восстановительных условий регулируются глобальными паттернами AE.

Рис. 4. Согласованность временных изменений чистых атмосферных концентраций катионов и окислительно-восстановительных условий донных отложений. Окислительно-восстановительный потенциал (Eh) был измерен 24 октября 2013 г. на разных глубинах (1, 2, 3 и 6 см) в песчаных отложениях канавы в Нидерландах. Данные этого одиночного прогона нанесены на график по местному времени (GMT +2).

Колебания Диэля в E _h в ответ на местные вариации AE также наблюдались в отложениях пресноводных открытых мезокосмов в Нидерландах (Рисунок 5 и Дополнительный Рисунок S1). Здесь диэлиты были видны даже в присутствии беспозвоночных, перерабатывающих верхние слои отложений, и были более выраженными в ясную погоду, чем в пасмурные дни (дополнительный рисунок S1). Эти ритмы диэля не совпадали с другими протестированными метеорологическими переменными, такими как солнечная радиация, температура и атмосферное давление (данные не показаны).Этот вывод указывает на то, что постулируемая связь между АЭ и окислительно-восстановительным потенциалом отложений сохраняется также, когда исключены основные гидрологические и геофизические процессы (например, поток грунтовых вод). Это подтверждает нашу гипотезу о существовании прямой связи между геологической средой E _h и AE. Интересно, что естественное промерзание верхнего слоя воды в мезокосмах послужило незапланированным экспериментальным контролем, поскольку ко-вариация между подземным слоем E _h и AE исчезла, вероятно, из-за плохих проводящих свойств льда (данные не показаны). .Наконец, E _h в почвах на трех удаленных участках также следовали образцам дели в AE, влияние которых распространялось относительно глубоко в почву (обычно 50–100 см; Рисунок 6).

Рис. 5. Хорошая погода снижает ритмы в открытых мезокосмах с окислительно-восстановительным потенциалом отложений, испытывающих различные уровни биотурбации. Контурные диаграммы показывают глубинные профили (0–9 мм) окислительно-восстановительного потенциала ( E _h ) в течение 4 дней в трех различных мезокосмах. Мезокосмы содержат различные комбинации беспозвоночных, которые, как известно, в разной степени перерабатывают поверхностные отложения: (A) биотурбация отсутствует: беспозвоночные отсутствуют; (B) низкий уровень биотурбации: Tubifex spp.и Asellus aquaticus ; и (C) высокий уровень биотурбации: Gammarus pulex , Asellus aquaticus , Chironomus riparius , Tubifex spp. и Lumbriculus variegatus .

Рис. 6. Ясная погода снижает ритмы окислительно-восстановительного потенциала почвы и АЭ. Окислительно-восстановительный потенциал ( E _h ), измеренный в естественных почвах: (A) на глубине 50 см в Нидерландах (52,2 ° N, 4,5 ° E; GMT + 2) с 1 по 3 мая 2011 г., (B) на глубине 50 см в Нидерландах (52.4 ° N, 6,1 ° E) в период с 1 по 3 июля 2011 г. и (C) на глубине 1 м в Бангладеш (23,8 ° N, 90,6 ° E; GMT + 6) в период с 27 по 30 марта 2010 г. Линии представляют измерения одного временного ряда. (D) Универсальная периодичность электрических свойств атмосферы (выраженная как градиент потенциала PG между атмосферой и землей), которая видна по всему земному шару в условиях хорошей погоды (Harrison, 2013). Все данные нанесены на график, UT. Пики в 19 UT (видимые на панелях B , C ) указывают на то, что колебания окислительно-восстановительных условий регулируются глобальными вариациями AE (B, C) , а пики на 16 UT (видны на панели A ) указывают на то, что колебания окислительно-восстановительных условий в основном определяются местными вариациями AE (A) .

Эти наружные измерения показывают, что изменение подповерхностного окислительно-восстановительного потенциала может следовать как за универсальным циклом diel градиента атмосферного потенциала (рис. 6), так и с местными источниками колебаний, влияющими на концентрации катионов в атмосфере на уровне земли (<1 м). Вместе с результатами наших лабораторных исследований эти полевые наблюдения показывают, что как глобальные, так и локальные вариации АЭ влияют на окислительно-восстановительные условия и микробные процессы в почвах и отложениях, в которых сильное локальное влияние на окислительно-восстановительные модели может преобладать в некоторых местах.

Значение и перспективы

Результаты наших лабораторных экспериментов и полевых наблюдений подтверждают гипотезу о том, что вариации AE могут влиять на E _h в различных матрицах почвы и отложений с последствиями для микробных сообществ в этих средах. Однако значение этого явления в естественных условиях остается неясным, поскольку сохраняющиеся пробелы в знаниях препятствуют окончательному пониманию причинно-следственных связей между АЭ и электрической средой Земли.Задачи для будущих исследований варьируются от выяснения соответствующих масштабов физических и химических связей до того, как эти связи прямо или косвенно управляют отдельными группами организмов.

То, как конкретные химические виды и организмы реагируют на изменения AE, вероятно, зависит от относительной величины комбинации различных физических источников вариаций. К ним относятся солнечная активность, поток грунтовых вод, градиенты химического потенциала носителей заряда (обзор в Lanzerotti and Gregori, 1986; Revil and Jardani, 2013), а также электрохимические свойства почвы и отложений, включая электрическое сопротивление, размер и заряд концевые акцепторы электронов.Таким образом, выяснение абсолютных и относительных ролей региональных и глобальных факторов вариабельности АЭ (Märcz and Harrison, 2003; Harrison, 2004) и окислительно-восстановительных потенциалов в воде, отложениях и почвах было бы многообещающей, хотя и сложной областью исследований. Подземная электрохимия Земли различается по глубине, и, следовательно, в будущей работе необходимо оценить, в какой степени вариации АЕ могут трансформироваться в синхронизированные отклики подповерхностной электрохимии Земли в зависимости от условий на разных глубинах почвы и отложений (например,г., влажность, проводимость, E _h ). Точно так же необходимо разделить роль АЭ по отношению к другим основным факторам подповерхностной электрохимии Земли. Это требует скоординированных полевых экспериментов в широком диапазоне географических местоположений, чтобы оценить значимость в глобальном масштабе и важность локальных влияний в наложении универсальных ритмов.

Связь между АЭ и подповерхностной электрохимией, наблюдаемая в наших полевых и лабораторных исследованиях, также предполагает, что микроорганизмы в этих средах уязвимы для антропогенных воздействий, влияющих на вариации АЭ.В частности, антропогенное загрязнение дымом, диоксидом серы и аэрозолями может повлиять на АЭ (Retalis et al., 1991; Sheftel et al., 1994; Kamra and Deshpande, 1995). Наши результаты предполагают, что такие загрязнители могут оказывать сильное, хотя в настоящее время неизвестное, косвенное воздействие на подповерхностные микроорганизмы и процессы, влияя на временные паттерны НЯ. Кроме того, электрическое загрязнение от высоковольтных линий электропередач (в основном работающих с переменным током) является распространенным локальным фактором, влияющим на вариации АЭ (Maruvada, 2012).Возникающие в результате статические электрические поля вызывают реакции у широкого круга организмов, особенно поведенческие реакции у беспозвоночных (Petri et al., 2017; Schmiedchen et al., 2018). Однако эти исследования были ограничены летающими насекомыми и беспозвоночными на поверхности почвы, и, следовательно, потенциальное воздействие статических электрических полей на подповерхностные микроорганизмы и беспозвоночных осталось незамеченным. Тем не менее, линии электропередач могут влиять на сообщества и процессы почвы и отложений, по крайней мере, двумя способами: во-первых, выпадение ионов является вторичным источником загрязнения, которое может изменить постоянный ток и перенос ионов в локальной среде с последствиями для микробных сообществ и процессов, описанных выше. .Во-вторых, сильные колебания электрических полей влияют на организмы, использующие их для ориентации (т. Е. Гальванотаксис или электротаксис). Такие поведенческие реакции наблюдались у бактерий и беспозвоночных, таких как нематоды (Беспалов и др., 1996; Chrisman et al., 2016), и могут еще больше усложнять электрохимическую среду в почвах и отложениях, которую могут изменять многие организмы (Traunspurger et al. , 1997; Weerman et al., 2011; Hunting et al., 2013, 2015; Hunting, Kampfraath, 2013). Эффекты локального электрического загрязнения легко поддаются тестированию в лабораторных условиях путем манипулирования электрическими переменными, но они также могут быть подтверждены в естественных условиях (например,г., под ЛЭП).

Заключение

Наши результаты экспериментов и полевых наблюдений показывают, что вариации АЕ могут влиять на подповерхностный химический состав Земли и на микроорганизмы в подповерхностной среде. Мы предоставили доказательства того, что вариации AE могут каскадировать до изменений окислительно-восстановительных условий донных отложений с последствиями для микробной активности транспорта электронов и биогеохимических процессов, таких как восстановление SO ₄ ^–. Эти идеи расширяют наше концептуальное понимание процессов в водоемах, почвах и отложениях, а также их упускаемые из виду связи с AE.Сочетание АЭ и подповерхностной электрохимии, вероятно, актуально для широкого круга организмов, в частности, с электротактическим поведением, таких как многие виды микробов и нематод. Предлагаемая концепция, согласно которой НЯ может служить синусовым узлом, который задает ритм биогеохимического сердцебиения Земли, также содержит много неизвестных, которые требуют проведения различных исследований в будущем.

Авторские взносы

EH задумал, спроектировал и координировал исследование. RH и AK участвовали в начальном зачатии.EH, AB, MV и CC собрали полевые данные. HvdG и PvB участвовали в разработке исследования. HvdG, EH и AK участвовали в разработке концептуального рисунка. EH провела эксперименты и статистический анализ. Э. Х., Р. Х. и М. Г. составили рукопись. WA, PvB, AB и HvdG внесли значительный вклад в более ранние проекты. Все авторы внесли свой вклад в улучшение более ранних версий рукописи.

Заявление о конфликте интересов

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

Благодарности

Мы благодарим Эндрю Бултона, Мартину Виджвер и Джека Мидделбурга за конструктивные комментарии к более ранним наброскам рукописи, Фрэнка Хаммехера, Джерарда Муйзера и Катарину Кусио за полезные обсуждения и помощь, а также Ханса Агему и Тийса ван Роона за техническую поддержку. Мы благодарны Dré Kampfraath и Frans Schupp за графическое оформление концептуальной диаграммы (рис. 1). Мы признательны за возможности, предоставленные Centro Biologia Alpina, Пиора.Часть этой работы была разработана при участии в программе COST Action 15211 Atmospheric Electricity Network: связь с системой Земля, климатическими и биологическими системами, поддерживаемой программой COST Европейского союза (Европейское сотрудничество в области науки и технологий).

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphys.2019.00378/full#supplementary-material

Список литературы

Аллен, Д.Э., Далал, Р. К., Ренненберг, Х., Мейер, Р. Л., Ривз, С., и Шмидт, С. (2007). Пространственные и временные изменения потока закиси азота и метана между субтропическими мангровыми отложениями и атмосферой. Soil Biol. Биохим. 39, 622–631. DOI: 10.1016 / j.soilbio.2006.09.013

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Аль-Шаммаа, А. И., Шоу, А., и Саман, С. (2004). Распространение электромагнитных волн на частотах МГц через морскую воду. IEEE Trans.Антенны Propag. 52, 2843–2849. DOI: 10.1109 / TAP.2004.834449

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Басс, А. М., О’Грэйди, Д., Беркин, К., Леблан, М., Твид, С., Нельсон, П. Н. и др. (2013). Высокие суточные колебания значений растворенного неорганического C, δ13C и поверхностного оттока CO2 в сезонной тропической пойме. Environ. Chem. Lett. 11, 399–405. DOI: 10.1007 / s10311-013-0421-7

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Баттин, Т.Дж., Каплан, Л. А., Ньюболд, Дж. Д., и Хансен, К. М. (2003). Вклад микробных биопленок в экосистемные процессы в мезокосмах ручьев. Природа 426, 439–442. DOI: 10.1038 / nature02152

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Беспалов В. А., Жулин И. Б., Тейлор Б. Л. (1996). Поведенческие реакции Escherichia coli на изменения окислительно-восстановительного потенциала. Proc. Natl. Акад. Sci. США 93, 10084–10089. DOI: 10.1073 / PNAS.93.19.10084

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Крисман, С. Д., Уэйт, К. Б., Сковилл, А. Г., и Карнелл, Л. (2016). C. elegans демонстрирует отличное поведение в фиксированном и однородном электрическом поле. PLoS One 11: e0151320. DOI: 10.1371 / journal.pone.0151320

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Куселл, К., Меттроп, И. С., ван Лун, Э. Э., Ламерс, Л. П. М., Воренхаут, М., и Коойман, А.М. (2015). Воздействие краткосрочных засух и наводнений в богатых видами болотах летом и зимой: крупномасштабные эксперименты с полевыми манипуляциями. Ecol. Англ. 77, 127–138. DOI: 10.1016 / j.ecoleng.2015.01.025

CrossRef Полный текст | Google Scholar

ДеАнджелис, К. М., Сильвер, В. Л., Томпсон, А. В., и Файерстоун, М. К. (2010). Сообщества микроорганизмов приспосабливаются к повторяющимся изменениям статуса окислительно-восстановительного потенциала почвы. Environ. Microbiol. 12, 3137–3149.DOI: 10.1111 / j.1462-2920.2010.02286.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Haldoupis, C., Rycroft, M., Williams, E., and Price, C. (2017). Является ли «конденсатор Земля-ионосфера» допустимым компонентом глобальной электрической цепи атмосферы? J. Atmos. Sol. Terr. Phys. 164, 127–131. DOI: 10.1016 / j.jastp.2017.08.012

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Харрисон Р. Г. (2004). Глобальная электрическая цепь атмосферы и климат. Surv. Geophys. 25, 441–484. DOI: 10.1007 / s10712-004-5439-8

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хейс, Дж. М., и Вальдбауэр, Дж. Р. (2006). Круговорот углерода и связанные с ним окислительно-восстановительные процессы во времени. Philos. Пер. R. Soc. B Biol. Sci. 361, 931–950. DOI: 10.1098 / rstb.2006.1840

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хантинг, Э. Р., де Гой, Дж. М., Ассельман, М., ван Сост, Р. В. М., и ван дер Гест, Х.Г. (2010). Разложение органического вещества, полученного из мангровых зарослей, в губках, связанных с мангровыми зарослями. Бык. Mar. Sci. 86, 871–877. DOI: 10.5343 / bms.2010.1001

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хантинг, Э. Р., Кампфраат, А. А. (2013). Вклад бактерий в измерения окислительно-восстановительного потенциала (Eh) в отложениях. Внутр. J. Environ. Sci. Technol. 10, 55–62. DOI: 10.1007 / s13762-012-0080-4

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Охота, Э.Р., Малдер, К., Краак, М. Х. С., Брере, А. М., и Адмираал, В. (2013). Влияние меди на взаимодействие беспозвоночных и донных отложений. Environ. Загрязнение. 180, 131–135. DOI: 10.1016 / j.envpol.2013.05.027

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хантинг, Э. Р., Вейвер, М. Г., ван дер Гест, Х. Г., Малдер, К., Краак, М. Х., Брере, А. М. и др. (2015). Перекрытие ресурсных ниш способствует стабильности метаболизма бактериального сообщества в экспериментальных микромирах. Фронт. Microbiol. 6: 105. DOI: 10.3389 / fmicb.2015.00105

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хантинг, Э. Р., Ватли, М. Х., ван дер Гест, Х. Г., Малдер, К., Краак, М. Х., Брере, А. М. и др. (2012). Следы беспозвоночных при переработке детрита, структуре бактериального сообщества и пространственно-временном окислительно-восстановительном профиле. Freshw. Sci. 31, 724–732. DOI: 10.1899 / 11-134.1

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Исраэльссон, С., и Таммет, Х. (2001). Изменение атмосферного электричества в хорошую погоду в обсерватории Марста, Швеция, 1993–1998 гг. J. Atmos. Sol. Terr. Phys. 63, 1693–1703. DOI: 10.1016 / S1364-6826 (01) 00049-9

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Jeroschewski, P., Steuckart, C., and Kuhl, M. (1996). Амперометрический микросенсор для определения h3S в водной среде. Анал. Chem. 68, 4351–4357. DOI: 10.1021 / ac960091b

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Камра, А.К. и Дешпанде К. Г. (1995). Возможное вековое изменение и распространение загрязнения воздуха с суши на океан по результатам измерений электропроводности атмосферы над Бенгальским заливом. J. Geophys. Res. Атмос. 100, 7105–7110. DOI: 10.1029 / 94JD03246

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ланзеротти, Л. Дж., И Грегори, Г. П. (1986). Теллурические токи: естественная среда и взаимодействие с искусственными системами. Электрическая среда Земли .Вашингтон, округ Колумбия: National Academy Press, 232–257.

Google Scholar

Лаурсен А. Э., Зейтцингер С. П. (2004). Суточные модели денитрификации, потребления кислорода и образования закиси азота в реках, измеренные в масштабе всего участка. Freshw. Биол. 49, 1448–1458. DOI: 10.1111 / j.1365-2427.2004.01280.x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли, Д. Р. (1977). Прибор для измерения фильтрационного потока в озерах и эстуариях. Лимнол.Oceanogr. 22, 140–147. DOI: 10.4319 / lo.1977.22.1.0140

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Манн А. В., Биррелл Р. Д., Федиков М. А. Ф. и Де Соуза Х. А. Ф. (2005). Вертикальная ионная миграция: механизмы, аномалии почвы и глубина отбора проб для разведки полезных ископаемых. Geochem. Explor. Environ. Анальный. 5, 201–210. DOI: 10.1144 / 1467-7873 / 03-045

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Märcz, F., и Harrison, R.G. (2003). Долгосрочные изменения электрических параметров атмосферы, наблюдаемые в обсерваториях Надьченк (Венгрия) и Великобритании в Эскдалемуире и Кью. Анна. Geophys. 21, 2193–2200. DOI: 10.5194 / angeo-21-2193-2003

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Маркелова, Э., Парсонс, К. Т., Кутюр, Р. М., Смитон, К. М., Маде, Б., Шарле, Л. и др. (2018). Разборка окислительно-восстановительного каскада: какую роль играют микробные экссудаты (флавины)? Environ. Chem. 14, 515–524. DOI: 10.1071 / EN17158

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Марувада, П. С. (2012). Электрическое поле и ионно-токовая среда ЛЭП постоянного тока: сравнение расчетов и измерений. IEEE Trans. Power Deliv. 27, 401–410. DOI: 10.1109 / TPWRD.2011.2172003

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Masscheleyn, P.H., Delaune, R.D., и Patrick, W.H. мл. (1991). Влияние окислительно-восстановительного потенциала и pH на состав и растворимость мышьяка в загрязненной почве. Environ. Sci. Technol. 25, 1414–1419. DOI: 10.1021 / es00020a008

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мэтьюз, Дж. К., Райт, М. Д., Кларк, Д., Морли, Э.L., Silva, A.J., Bennett, D., et al. (2019). Городские и сельские измерения градиента атмосферного потенциала. J. Electrostat. 97, 42–50. DOI: 10.1016 / j.elstat.2018.11.006

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Нильсен, Л. П., Рисгаард-Петерсен, Н., Фоссинг, Х., Кристенсен, П. Б. и Саяма, М. (2010). Электрические токи связывают пространственно разделенные биогеохимические процессы в морских отложениях. Природа 463, 1071–1074. DOI: 10.1038 / nature08790

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Нимик, Д.А., Гаммонс, К. Х., Паркер, С. Р. (2011). Биогеохимические процессы Диля и их влияние на водный химический состав водотоков: обзор. Chem. Геол. 283, 3–17. DOI: 10.1016 / j.chemgeo.2010.08.017

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Петри А. К., Шмидхен К., Стандер Д., Дечент Д., Краус Т., Бейли В. Х. и др. (2017). Биологические эффекты воздействия статических электрических полей на людей и позвоночных: систематический обзор. Environ. Здоровье 16:41.DOI: 10.1186 / s12940-017-0248-y

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Петт-Ридж Дж. И Файерстоун М. К. (2005). Колебания окислительно-восстановительного потенциала структурируют микробные сообщества во влажной тропической почве. Заявл. Environ. Microbiol. 71, 6998–7007. DOI: 10.1128 / AEM.71.11.6998-7007.2005

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Пфеффер, К., Ларсен, С., Сонг, Дж., Донг, М., Бесенбахер, Ф., Мейер, Р. Л. и др. (2012).Нитчатые бактерии переносят электроны на сантиметровые расстояния. Природа 491, 218–221. DOI: 10.1038 / природа11586

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Retalis, D., Pitta, A., and Psallidas, P. (1991). Электропроводность воздуха и другие электрические параметры по отношению к метеорологическим элементам и загрязнению воздуха в Афинах. Meteorol. Атмос. Phys. 46, 197–204. DOI: 10.1007 / BF01027345

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ревиль, А., и Джардани, А. (2013). Самопотенциальный метод: теория и приложения в экологических науках о Земле . Кембридж: Издательство Кембриджского университета, 1–385. DOI: 10.1017 / CBO978113

52

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ревиль А., Мендонса К. А., Атеквана Е. А., Кулесса Б., Хаббард С. С. и Болен К. Дж. (2010). Понимание биогеобатарей: где геофизика встречается с микробиологией. J. Geophys. Res. Biogeosci. 115, DOI: 10.1029 / 2009JG001065

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Роудс, Дж.Д. и Корвин Д. Л. (1981). Определение зависимости электропроводности почвы от глубины с помощью индуктивного электромагнитного измерителя электропроводности почвы 1. Soil Sci. Soc. Являюсь. J. 45, 255–260. DOI: 10.2136 / sssaj1981.03615995004500020006x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Русян, С., Микош, М. (2010). Сезонная изменчивость суточных колебаний концентрации нитратов в водотоке в гидрологически устойчивых условиях. Биогеохимия 97, 123–140.DOI: 10.1007 / s10533-009-9361-5

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Райкрофт, М. Дж., Харрисон, Р. Г., Николл, К. А., Мареев, Э. А. (2008). Обзор глобальной электрической цепи Земли и проводимости атмосферы. Космические науки. Ред. 137, 83–105. DOI: 10.1007 / s11214-008-9368-6

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Райкрофт, М. Дж., Исраэльссон, С., и Прайс, К. (2000). Глобальная электрическая цепь атмосферы, солнечная активность и изменение климата. J. Atmos. Sol. Terr. Phys. 62, 1563–1576. DOI: 10.1016 / S1364-6826 (00) 00112-7

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шмидхен, К., Петри, А. К., Дриссен, С., и Бейли, В. Х. (2018). Систематический обзор биологических эффектов воздействия статических электрических полей. Часть II: беспозвоночные и растения. Environ. Res. 160, 60–76. DOI: 10.1016 / j.envres.2017.09.013

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шолефилд, Д., Ле Гофф, Т., Бравен, Дж., Эбдон, Л., Лонг, Т., и Батлер, М. (2005). Согласованные суточные закономерности концентрации биогенных веществ в реках и физических условий. Sci. Total Environ. 344, 201–210. DOI: 10.1016 / j.scitotenv.2005.02.014

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шефтель, В. М., Чернышев, А. К., Чернышева, С. П. (1994). Электропроводность воздуха и атмосферное электрическое поле как индикатор антропогенного загрязнения атмосферы. Дж.Geophys. Res. Атмос. 99, 10793–10795. DOI: 10.1029 / 94JD00287

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Смит, Л., Ватцин, М. К., и Друшел, Г. (2011). Связь подвижности фосфора в донных отложениях с сезонными и уменьшающими окислительно-восстановительные колебания на границе раздела донные отложения и воды в эвтрофном пресноводном озере. Лимнол. Oceanogr. 56, 2251–2264. DOI: 10.4319 / lo.2011.56.6.2251

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Спенсер, Р.Г., Пеллерин, Б.А., Бергамаски Б. А., Даунинг Б. Д., Краус Т. Е., Смарт Д. Р. и др. (2007). Суточная изменчивость состава растворенного органического вещества в реках, определенная оптическими измерениями in situ в реке Сан-Хоакин (Калифорния, США). Hydrol. Процесс. 21, 3181–3189. DOI: 10.1002 / hyp.6887

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Стокдейл А., Дэвисон В. и Чжан Х. (2009). Микромасштабная биогеохимическая неоднородность в отложениях: обзор доступных технологий и наблюдаемых данных. Науки о Земле. Ред. 92, 81–97. DOI: 10.1016 / j.earscirev.2008.11.003

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Tokida, T., Miyazaki, T., Mizoguchi, M., Nagata, O., Takakai, F., Kagemoto, A., et al. (2007). Падение атмосферного давления как триггер выброса метана с торфяников. Глоб. Биогеохим. Циклы 21, 1–8.

Google Scholar

Traunspurger, W., Bergtold, M., and Goedkoop, W. (1997). Влияние нематод на бактериальную активность и численность в пресноводных отложениях. Oecologia 112, 118–122. DOI: 10.1007 / s004420050291

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Vanreusel, A., Fonseca, G., Danovaro, R., Da Silva, M.C., Esteves, A.M, Ferrero, T., et al. (2010). Вклад неоднородности глубоководных макроместообитаний в глобальное разнообразие нематод. Mar. Ecol. 31, 6–20. DOI: 10.1111 / j.1439-0485.2009.00352.x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Vorenhout, M., van der Geest, H.Г. и Хантинг Э. Р. (2011). Усовершенствованный регистратор данных и новые датчики для непрерывных измерений окислительно-восстановительного потенциала на заболоченных территориях. Внутр. J. Environ. Анальный. Chem. 91, 801–810. DOI: 10.1080 / 03067319.2010.535123

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вада, С. И., и Умегаки, Ю. (2001). Распределение основных ионов и электрического потенциала в почве при электрокинетической ремедиации. Environ. Sci. Technol. 35, 2151–2155. DOI: 10.1021 / es001335j

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Верман, Э.J., Van Der Geest, G.H., Van Der Meulen, M.D., Manders, E.M., Van De Koppel, J., Herman, P.M. и др. (2011). Инфузории как инженеры фототрофных биопленок. Freshw. Биол. 56, 1358–1369. DOI: 10.1111 / j.1365-2427.2011.02574.x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Теория причины атмосферного электричества

Идея о том, что Солнце испускает большое количество лучей Беккереля, нашла значительную поддержку в научном мире и использовалась для объяснения ряда трудностей, связанных, например, с космической физикой. , источник солнечной энергии и хвостов комет.Есть еще одна старая постоянная трудность, которую он, кажется, может решить, а именно. постоянное поддержание электрического поля в нижних частях земной атмосферы. Если мы примем как должное, что Солнце постоянно испускает лучи Беккереля, состоящие из положительных и отрицательных электронов, можно было бы ожидать, что следствием этого будет следующее. Некоторые электроны, которые достигают земной атмосферы, будут поглощаться — вероятно, в основном водяным паром и пылью в нижних слоях атмосферы — но, согласно экспериментам Резерфорда, скорее положительные, чем отрицательные; таким образом, мы можем ожидать, что большее количество отрицательных электронов достигнет поверхности, соответствующее количество положительных электронов задерживается воздухом.Мы сразу видим причину положительного заряда воздуха и соответствующего отрицательного заряда на поверхности. Если бы не было «диссипации», результатом была бы постоянная зарядка атмосферы или постоянно увеличивающийся градиент потенциала над земной поверхностью; но есть диссипация, которая уравновешивает тенденцию к увеличению электрического поля. Если бы у нас была постоянная диссипация, результатом был бы максимальный градиент потенциала днем ​​и минимум ночью, поскольку мы должны предположить, что днем ​​больше электронов достигает атмосферы, чем ночью.Но мы знаем из измерений Эльстера и Гейтеля, что диссипация достигает максимума в полдень; это приведет к уменьшению максимума градиента потенциала, который в противном случае был бы достигнут примерно в это время. Это соображение полностью согласуется с фактом, поскольку Экснер описал дневное изменение градиента потенциала как «простой дневной период, искаженный полуденной депрессией». При достаточно постоянном суточном периоде входа электронов в атмосферу основным определяющим фактором градиента потенциала будет диссипация; таким образом, мы находим максимальный градиент потенциала зимой с соответствующей минимальной диссипацией.Связь между градиентом потенциала и диссипацией была тщательно исследована Эльстером и Гейтелем, и они экспериментально обнаружили, что то, что имеет тенденцию уменьшать диссипацию, имеет тенденцию увеличивать градиент потенциала, чего и следовало ожидать от теории. Мне кажется, что эта теория может объяснить гораздо больше проблем атмосферного электричества, но изложенное выше демонстрирует общую идею.

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

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

CAS Статья Google Scholar

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

Article Google Scholar

Cifra M, Apollonio F, Liberti M, García-Sánchez T, Mir LM (2020) Возможные молекулярные и клеточные механизмы 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 электрических полей цветов с помощью шмелей. Science 340: 66–69. https://doi.org/10.1126/science.1230883

CAS Статья Google Scholar

ujić M, Mandić LJ, Petrović J, Dragović R, orević M, okić M, Dragović S (2020) Radon-222: экологическое поведение и воздействие на (человеческую и нечеловеческую) биоту.Int J Biometeorol 18: 1–5

Google Scholar

Далибарт Т.Ф. (1752) Memoire lu a l’academie des Sciences. Париж.

de Romas J (1753) Mémoire où après uneir donné un moyen aisé pour elever fort haut, et a peu de frais un corps électrisable isolé, по докладу о наблюдениях frappantes qui prouvent que plus le corps est élevé изолированно de la terre, plus le feu d’électricité est abondant. Mem Acad, Bordeux

Demanèche S, Bertolla F, Buret F et al (2001) Лабораторные доказательства переноса генов в почве, опосредованного молнией.Appl Environ Microbiol 67: 3440–3444. https://doi.org/10.1128/AEM.67.8.3440-3444.2001

Статья Google Scholar

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

Google Scholar

Fdez-Arroyabe PF, Kourtidis K, Haldoupis C, Savoska S, Matthews J, Mir LM, Kassomenos P, Cifra M, Barbosa S, Chen X, Dragovic S, Consoulas C, Hunting ER, Robert D, van der Велде О.А., Аполлонио Ф., Одзимек А., Чилингарян А., Ройе Д., Мкртчян Х., Прайс С, Бор Дж., Ойкономоу С., Бирсан М.В., Креспо-Факорро Б., Джорджевич М., Салсинес 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

Статья Google Scholar

Франклин B (1751) Письмо г-на Франклина г-ну Питеру Коллинсону, F.R.S., относительно эффектов молнии. Philos Trans R Soc Lond 1751: 289

Google Scholar

Hunting ER, Харрисон 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.Front Physiol 10. https://doi.org/10.3389/fphys.2019.00378

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

Хантингтон Э. (1920) Контроль пневмонии и гриппа погодными условиями. Экология 1 (1): 6–23

Статья Google Scholar

König HL, Krueger AP, Lang S, Sönning W (eds) (1981) Биологические эффекты электромагнетизма окружающей среды, темы экологической физиологии и медицины.Springer-Verlag, New York, p 332. https://doi.org/10.1007/978-1-4612-5859-9

Книга Google Scholar

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

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

Статья Google Scholar

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

CAS Статья Google Scholar

Lemonnier LG (1752) Наблюдения за электричеством в воздухе.Mem Acad Sci 2: 233

Google Scholar

Lemström S (1890) Эксперименты с электрическим воздействием на овощи

Lodge O (1908) Электричество в сельском хозяйстве. Природа 78: 331–332. https://doi.org/10.1038/078331a0

Статья Google Scholar

Matthews JC, Ward JP, Keitch PA, Henshaw DL (2010) Возмущения градиента атмосферного потенциала, вызванные ионами короны, вблизи высоковольтных линий электропередачи.Атмос Энвирон 44: 5093–5100. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2010.09.007

CAS Статья Google Scholar

Молина-Гомес Н.И., Кальдерон-Ривера Д.С., Сьерра-Парада Р., Диас-Аревало Ю.Л., Лопес-Хименес, Пенсильвания (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

Morley EL, Robert D (2018) Электрические поля вызывают у пауков вздутие живота.Curr Biol 28: 2324–2330.e2. https://doi.org/10.1016/j.cub.2018.05.057

CAS Статья Google Scholar

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 Scholar

Price C, Williams E, Elhalel G, Sentman D (2020) Естественные поля СНЧ в атмосфере и в живых организмах.Int J Biometeorol 8: 1–8. https://doi.org/10.1007/s00484-020-01864-6

Статья Google Scholar

Riancho J, de la Torre JR, Paz-Fajardo L, Limia C, Santurtun A, Cifra M, Kourtidis K, Fdez-Arroyabe P (2020) Роль магнитных полей в нейродегенеративных заболеваниях. Int J Biometeorol: 1–1. https://doi.org/10.1007/s00484-020-01896-y

Savoska S, Fernández-Arróyabe Hernáez P, Cifra M, Kourtidis K, Rozanov E, Nicoll K, Dragovic S, Mir LM (2020) К созданию онтологии связи атмосферного электричества с биологическими системами.Int J Biometeorol в печати

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

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

Статья Google Scholar

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

Google Scholar

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

Google Scholar

Атмосферное электричество и биосфера

Атмосфера является хозяином сложной электрической среды, от глобальной электрической цепи, генерирующей колеблющиеся атмосферные электрические поля, до локальных ударов молний и ионов.Многие экологические процессы могут взаимодействовать с атмосферным электричеством. Такие процессы включают, помимо прочего, землетрясения, атмосферные ионы, облака и климат, взаимодействия Солнца и Земли, загрязнение воздуха, молнии и т. Д. Современные исследовательские подходы остались фрагментированными, что ограничивает наше понимание взаимодействий на системном уровне.

Чтобы преодолеть недостаток координации различных исследований в этих областях, действие COST Action Атмосферная электрическая сеть: соединение с земной системой, климатическими и биологическими системами ( ELECTRONET ) было основной целью для улучшения знаний о множественные эффекты и взаимосвязи атмосферного электрического поля, в том числе на биологические системы, и его взаимосвязи с другими важными компонентами земной системы.С этой целью была запущена глобальная сеть мониторинга атмосферного электричества для климатических и геофизических исследований, а также «был запущен междисциплинарный системный подход с участием ученых, занимающихся атмосферой, землей и космосом, метеорологов, биологов и врачей с целью улучшения нашего понимания ряда проблем. электрические процессы, которые лежат на стыке наук о твердой Земле, окружающей среде, биологии, климате и солнечной / земной науке », — говорит профессор Костас Куртидис из Университета Демокрита во Фракии, возглавляющий ELECTRONET.

Результат действия включает исследования электрического заряда вдыхаемых окружающих наночастиц и его изменения в зависимости от погоды, молний в верхних слоях атмосферы и, среди прочего, исследования возмущений электрических свойств верхних слоев атмосферы перед землетрясением.

Новые существенные доказательства появились во время существования Экшена, что изменения в атмосферном электрическом поле могут влиять на биологические процессы, в том числе на работу мозга. В результате работы проекта Международный журнал биометеорологии недавно опубликовал специальный выпуск «Атмосферное электричество и биометеорология» по этой теме.

Изучение сложных связей между атмосферным электричеством и биологическими системами, а также их взаимодействия требует мульти- и трансдисциплинарного подхода, который рассматривает концепции и методологии из разрозненных научных дисциплин. Таким образом, важно, чтобы знания могли быть разделены между разными дисциплинами. Соответственно, члены Action разработали в этом специальном выпуске глоссарий соответствующих терминов и концепций, которые облегчают интеграцию в общие исследования и предоставляют ресурс для тех, кто хочет понять атмосферное электричество и его связи с биологическими системами.Аналогичным образом, чтобы обеспечить дальнейший ретроспективный анализ имеющихся данных об атмосферном электричестве в контексте биологических систем, был разработан семантический подход, устанавливающий общую терминологию и среду для обмена данными.

В специальном выпуске представлен обзор широкого спектра атмосферных электрических явлений и их связи с биологией, в котором определены концептуальные и технические проблемы, а также возможности для будущих исследований. Кроме того, представлены возможные молекулярные и клеточные механизмы, лежащие в основе биоэффектов атмосферного электромагнитного поля, 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.Другая статья сборника утверждает, что чрезвычайно низкие частоты могли обеспечить эволюционный электрический фон, на котором развивалась электрическая активность клеток. «Мы предполагаем, что на протяжении миллиардов лет эволюционной истории живых организмов на Земле естественные резонансные частоты электромагнитного излучения в атмосфере, непрерывно генерируемые глобальной молнией, обеспечивали фоновые электрические поля для развития электрической активности клеток», — говорит Колин. Прайс из Тель-Авивского университета, член Action и ведущий автор исследования.Изучаются связи между электромагнитными полями и нейродегенеративными заболеваниями, а роль электромагнитного излучения как потенциальной неинвазивной терапевтической стратегии для некоторых нейродегенеративных заболеваний обсуждается в другом месте сборника. В другом исследовании показано, что синоптические погодные условия, помимо температуры, влажности, давления и ветра, влияют также на электрическое состояние атмосферы, тем самым определяя дополнительный важный компонент в сложном взаимозависимом наборе физических и биологических связей.

Работа, представленная в вышеупомянутом специальном выпуске, «раскрывает тесную связь атмосферного электричества с биологией и благополучием человека и подчеркивает междисциплинарный и комплексный характер этой области исследований, в которой многие захватывающие и многообещающие новые направления могут заложить основу для новое эмпирическое исследование и столь необходимые концептуальные и операционные рамки », — говорит член Action Эллард Хантинг из Бристольского университета.

Помимо специального выпуска, упомянутого выше, результатом работы проекта стал специальный выпуск «Взаимосвязь атмосферного электричества с земными, космическими и антропогенными процессами: возможности измерения, моделирования и прогнозирования» в журнале Science of the Total Environment.

Статья написана командой ELECTRONET

Веб-страница

Action на веб-сайте COST: https://www.cost.eu/actions/CA15211/#tabs|Name:overview

Веб-страница

Action: https://atmospheric-electricity-net.eu/

Специальный выпуск: Атмосферное электричество

Уважаемые коллеги,

Хотя исследование атмосферного электричества имеет долгую историю, в каждый период делались эпохальные открытия. В последние десятилетия были обнаружены индуцированное молниями / грозой энергетическое излучение, кратковременные световые явления, такие как спрайты и эльфы, а также земные гамма-вспышки.В последнее время сложные исследовательские темы, такие как взаимосвязь между атмосферным электричеством и биологическими / биохимическими эффектами и взаимосвязь между атмосферным электричеством и климатом / суровой погодой, стали предметом новых и революционных исследований. Орбитальные спутники и системы обнаружения молний позволяют получать новые данные, а численное моделирование, включая приложения искусственного интеллекта, дает новые и захватывающие представления о природе гроз. Поэтому мы планируем специальный выпуск, посвященный статьям, охватывающим все области, связанные с атмосферным электричеством.

Таким образом, специальный выпуск об атмосферном электричестве открыт для междисциплинарных и различных исследований из традиционных областей исследований, таких как глобальные электрические цепи, физика молний, ​​микрофизика аэрозолей и облаков и электрификация гроз, до современных областей исследований, таких как Энергетическое излучение, генерируемое молниями / грозой, кратковременные световые явления и эволюция климата Земли.

Мы приветствуем участие в различных статьях, таких как оригинальные исследования и обзоры.

Снимок сделал Оскар Ван дер-Вельде.

Проф. Д-р Масаши Камогава
Проф. Д-р Йоав Яир
Приглашенные редакторы

Информация для подачи рукописей

Рукописи должны быть представлены онлайн по адресу www.mdpi.com, зарегистрировавшись и войдя на этот сайт. После регистрации щелкните здесь, чтобы перейти к форме отправки. Рукописи можно подавать до указанного срока. Все статьи будут рецензироваться. Принятые статьи будут постоянно публиковаться в журнале (как только они будут приняты) и вместе будут перечислены на веб-сайте специального выпуска.Приглашаются исследовательские статьи, обзорные статьи, а также короткие сообщения. Для запланированных статей название и краткое резюме (около 100 слов) можно отправить в редакцию для объявления на этом сайте.

Представленные рукописи не должны были публиковаться ранее или рассматриваться для публикации в другом месте (за исключением трудов конференции). Все рукописи тщательно рецензируются в рамках процесса простого слепого рецензирования. Руководство для авторов и другая важная информация для подачи рукописей доступна на странице Инструкции для авторов. Atmosphere — это международный рецензируемый ежемесячный журнал с открытым доступом, публикуемый MDPI.

Пожалуйста, посетите страницу Инструкции для авторов перед отправкой рукописи. Плата за обработку статьи (APC) для публикации в этом журнале с открытым доступом составляет 1800 швейцарских франков. Представленные документы должны быть хорошо отформатированы и написаны на хорошем английском языке. Авторы могут использовать MDPI Услуги редактирования на английском языке перед публикацией или во время редактирования автора.

Поглощение атмосферного электричества | Управление научной миссии

Главная страница «Новости космической науки»

Измерения
в «ясную погоду» важны для понимания грозы

Одна из серии статей, посвященных проводимой раз в четыре года Международной конференции по атмосферному электричеству, 7-11 июня 1999 г. в Гантерсвилле, штат Алабама.

15 июня 1999 г .: Хотя эксперты советуют вам оставаться в помещении, чтобы избежать удара молнии, немногие скажут вам, что вам вообще не избежать этого. Фактически, вы находитесь на обратном пути ко всем грозам, происходящим по всему миру. К счастью, напряжение небольшое, а ток почти нулевой, поэтому эффект практически невозможно измерить.

«Электричество в хорошую погоду имеет дело с электрическим полем и электрическим током в атмосфере, а также с проводимостью воздуха», — пояснил д-р.Лотар Рунке из Airborne Research Associates в Уэстоне, штат Массачусетс, недавно уволился из Военно-морской исследовательской лаборатории, но продолжает «проводить исследования для развлечения».

Открытие цепи при хорошей погоде последовало за демонстрацией Бена Франклина, что молния вызывается электричеством. (Будущие экспериментаторы прислушиваются: Старому Бену исключительно повезло. Другие, повторявшие его эксперимент, погибли, так что не пытайтесь его делать.) Позже экспериментаторы показали, что чистый спокойный воздух несет электрический ток, который, как оказалось, является обратным. путь для электрического дисплея, известный как молния.

Выше : Схема показывает «цепь» при хорошей погоде, показывая нормальный потенциал между землей и атмосферой. кредит: NASA / MSFC (Dooling)

Подпишитесь на нашу рассылку НОВОСТЕЙ ЭКСПРЕСС-НАУКИ

Его важность отмечается в названии Международной конференции по атмосферному электричеству. Большая часть его была сосредоточена на молнии и ее эффектах. Однако утреннее заседание в четверг под сопредседательством Ruhnke было посвящено вопросам электричества в хорошую погоду.

Атмосферное электричество похоже на массивную фотографическую вспышку. Электрический заряд накапливается, переключатель замыкается, и электроны проникают через газ, ионизируя его и производя свет. Но вспышка — это замкнутая схема. В случае с Землей, пояснил Рунке, атмосфера замыкает кругооборот.

Последние заголовки 3 декабря: Марс Полярный спускаемый аппарат приближается к приземлению 2 декабря: Что дальше, Леониды? , 30 ноября: Обзор миссии полярного посадочного модуля. , 30 ноября: Обучение чистому охвату космоса.

Генерация грозового заряда происходит внутри облаков.Ток течет из верхних слоев облаков — голубые струи и красные спрайты могут играть роль — и соединяется с верхними слоями атмосферы и ионосферой. В конечном итоге ток возвращается на Землю через прозрачную атмосферу. Поскольку он распространен по большей части земного шара, он также довольно слаб в любой точке.

«Все три значения очень трудно измерить», — сказал Рунке. Сила тока 10 ^-12 ампер на квадратный метр — «почти ничего». Поле составляет около 100 вольт на метр, а это означает, что электрический потенциал увеличивается примерно на 200 вольт от земли до макушки Майкла Джордана, когда он стоит на месте.Наконец, воздух — отличный изолятор, поэтому его проводимость близка к нулю.

Веб-ссылки

Human Voltage (18 июня 1999 г.) Ученые обсуждают биологию, безопасность и статистику ударов молний. Короткометражные новости с конференции по атмосферному электричеству (16 июня 1999 г.) Подведение итогов стендовых докладов об ураганах и торнадо. Поглощение атмосферного электричества (15 июня 1999 г.) Измерения «ясной погоды», важные для понимания гроз. Положение молнии во время шторма может окружать сильнейшие восходящие потоки (11 июня 1999 г.) Новое открытие может помочь в предсказании града и торнадо Молния следует за Солнцем (10 июня 1999 г.) Команда космических снимков обнаружила неожиданные предпочтения Духи другого сорта (10 июня, 1999 г.) 1999) Грозы порождают неуловимые и загадочные духи. Получение четкого изображения молнии (9 июня 1999 г.): команда из Нью-Мексико разрабатывает систему для изображения молнии в трех измерениях. Обучение диагностике плохой погоды во время полета (8 июня 1999 г.): ученые обсуждают то, что им известно о воздействии молнии на космические корабли и самолеты. Три молнии из ниоткуда (8 июня 1999 г.): фундаментальные вопросы об атмосферном электричестве, поставленные на конференции на этой неделе. лидеров молний сходятся в Алабаме (24 мая 1999 г.): превью 11-й Международной конференции по атмосферному электричеству. Что появляется во время грозы? (26 мая 1999 г.): Гамма-лучи (иногда). Исследование молний в NASA / Marshall и Глобальном центре гидрологии и климата.

«Из-за всего этого вы ничего не чувствуете», — сказал Рунке.Даже если вы стоите в электрическом поле, ваши волосы не встают дыбом. (Если бы вы были на улице, а это случилось, это означало бы, что вас вот-вот ударит молния, поэтому сразу же пригнитесь.)

«Когда вы измеряете электрическое поле в хорошую погоду, вы измеряете влияние всех гроз на Земле», — сказал он.

Но это ощущается неравномерно. Рунке сказал, что когда-то ученые думали, что эффект равномерно распространяется по всей планете, поэтому измерения в Токио были не хуже, чем в Канзасе.Оказывается, что местная турбулентность, ветры и другие колебания также вызывают небольшие изменения электрического поля в хорошую погоду.

«Это большая проблема — отсортировать местные вариации и источники от гроз», — продолжил Рунке. «Если бы вы могли разделить эти эффекты, вы могли бы отслеживать общую грозовую активность локально».

Такая мера важна для различных экологических исследований, в том числе для производства оксидов азота (NO _x ), поэтому можно измерить относительные природные и промышленные вклады.

Другой — глобальное потепление. Рунке отметил, что Ральф Марксон, коллега из Airborne Research, изучил 45-летние данные о хорошей погоде, полученные с помощью воздушных шаров от поверхности Земли до стратосферы. Одним из факторов, влияющих на существование гроз в атмосфере, является температура.

«Если произойдет какое-либо глобальное потепление, вы должны увидеть увеличение количества гроз и электрического поля», — сказал Рунке. «Марксон не видит изменений в ионосферном потенциале». По словам Рунке, из-за различий в инструментах, роста городов и других эффектов прямые измерения глобального потепления довольно сложны.

«Люди ищут косвенные методы, — продолжил он. — Поле хорошей погоды — одно».

Слева : Гроза на закате возле Абилина, штат Техас, 17 мая 1978 года. Даже без молнии в воздухе есть электричество, хотя оно настолько слабое, что ученым трудно его измерить. (NOAA)

Поле хорошей погоды также становится датчиком загрязнения воздуха, поскольку аэрозоли — капли и частицы пыли — притягивают и эффективно нейтрализуют ионы.

Он зафиксировал разницу в воздухе Гренландии и Антарктиды, где 30 лет назад он был «почти идеальным», о чем свидетельствует его ионное содержание. «Сейчас воздух во всем мире достаточно загрязнен».

В 1996 году первые в истории скоординированные одновременные измерения были выполнены в течение двух дней над Дарвином, Австралия, и Уэстоном, штат Массачусетс, — противоположными сторонами света — чтобы продемонстрировать, что одно надежное измерение может быть глобально репрезентативным.

Рунке отметил, что на хорошие погодные условия также влияет магнитосфера в полярных регионах, где магнитное поле Земли оставляет верхние слои атмосферы открытыми для космоса.Хотя многие люди пытались связать солнечную активность с земной погодой, он отметил, что окончательной связи не обнаружено.

Дополнительные ссылки

---

45-я метеорологическая эскадрилья на авиабазе Патрик, справочная страница по молниям.
Национальная лаборатория сильных штормов, Норман, OK
Численное моделирование в NSSL
Система трехмерного картирования молний Технологического института Нью-Мексико
Проект обнаружения и определения дальности молний в Космическом центре Кеннеди.
Национальная библиотека фотографий лаборатории сильных штормов, где мы получили много красивых фотографий из этих историй.

Другие заголовки в области космической науки — Исследования НАСА в Интернете

Предприятие НАСА по наукам о Земле Информация о миссиях по наукам о Земле и т.