Listrik atmosfer

Listrik atmosfer menggambarkan muatan listrik di atmosfer bumi (atau di planet lain). Pergerakan muatan antara permukaan bumi, atmosfer, dan ionosfer dikenal sebagai rangkaian listrik atmosfer global . Listrik atmosfer adalah topik interdisipliner dengan sejarah panjang, yang melibatkan konsep elektrostatika, fisika atmosfer, meteorologi, dan ilmu bumi .

Badai petir bertindak seperti baterai raksasa di atmosfer, mengisi elektrosfer hingga sekitar 400.000 volt terhadap permukaan. Hal ini menimbulkan medan listrik di seluruh atmosfer, yang berkurang seiring bertambahnya ketinggian . Ion atmosfer yang dihasilkan oleh sinar kosmik dan radioaktivitas alami bergerak dalam medan listrik, sehingga arus yang sangat kecil mengalir melalui atmosfer, bahkan jauh dari badai petir. Di dekat permukaan bumi, besaran medan rata-rata sekitar 100 V/m, diorientasikan sedemikian rupa sehingga mendorong muatan positif ke bawah. Listrik atmosfer melibatkan badai petir, yang menciptakan sambaran petir yang dengan cepat melepaskan sejumlah besar muatan atmosfer yang tersimpan di awan badai, dan elektrifikasi udara yang terus-menerus akibat ionisasi dari sinar kosmik dan radioaktivitas alami, yang memastikan bahwa atmosfer tidak pernah sepenuhnya netral

Sejarah

Keterangan

Listrik di atmosfer selalu ada, dan selama cuaca cerah jauh dari badai petir, udara di atas permukaan bumi bermuatan positif, sedangkan permukaan bumi bermuatan negatif. Hal ini dapat dipahami dalam kaitannya dengan perbedaan potensial antara suatu titik di permukaan bumi dan suatu titik di udara di atasnya. Karena medan listrik atmosfer berarah negatif pada cuaca cerah, konvensi ini mengacu pada gradien potensial, yang mempunyai tanda berlawanan dan sekitar 100 V/m di permukaan, jauh dari badai petir. Terdapat arus konduksi lemah ion-ion atmosfer yang bergerak dalam medan listrik atmosfer, sekitar 2 pikoampere per meter persegi, dan udara bersifat konduktif lemah karena adanya ion-ion atmosfer tersebut

Variasi

Siklus harian global dalam medan listrik atmosfer, dengan minimum sekitar 03 UT dan mencapai puncaknya sekitar 16 jam kemudian, diteliti oleh Carnegie Institution of Washington pada abad ke-20. Variasi kurva Carnegie ini digambarkan sebagai "detak jantung listrik mendasar planet ini".

Bahkan jauh dari badai petir, listrik di atmosfer dapat sangat bervariasi, namun, secara umum, medan listrik meningkat dalam kabut dan debu sedangkan konduktivitas listrik di atmosfer berkurang.

Tautan dengan biologi

Gradien potensial atmosfer menyebabkan terjadinya aliran ion dari atmosfer yang bermuatan positif ke permukaan bumi yang bermuatan negatif. Di atas lapangan datar pada hari dengan langit cerah, gradien potensial atmosfer kira-kira 120 V/m. Benda yang menonjol di bidang tersebut, misalnya bunga dan pohon, dapat meningkatkan kuat medan listrik hingga beberapa kilovolt per meter. Gaya elektrostatik dekat permukaan ini dideteksi oleh organisme seperti lebah untuk menavigasi ke bunga dan laba-laba untuk memulai penyebaran dengan cara menggelembungkan. Gradien potensial atmosfer juga diperkirakan mempengaruhi proses elektro-kimia dan mikroba di bawah permukaan.

Di sisi lain, serangga yang berkerumun dan burung dapat menjadi sumber muatan biogenik di atmosfer, yang kemungkinan besar berkontribusi terhadap sumber variabilitas listrik di atmosfer.

Dekat luar angkasa

Lapisan elektrosfer (dari puluhan kilometer di atas permukaan bumi hingga ionosfer) memiliki konduktivitas listrik yang tinggi dan pada dasarnya mempunyai potensial listrik yang konstan. Ionosfer adalah tepi dalam magnetosfer dan merupakan bagian atmosfer yang terionisasi oleh radiasi matahari. ( Fotoionisasi adalah proses fisik di mana foton mengenai atom, ion, atau molekul, yang mengakibatkan pelepasan satu atau lebih elektron.)

Radiasi kosmik

Artikel utama: Radiasi latar belakang dan Sinar kosmik

Bumi, dan hampir seluruh makhluk hidup di dalamnya, terus-menerus dibombardir oleh radiasi dari luar angkasa. Radiasi ini terutama terdiri dari ion bermuatan positif dari proton hingga besi dan sumber inti yang lebih besar yang berasal dari luar Tata Surya . Radiasi ini berinteraksi dengan atom-atom di atmosfer untuk menciptakan pancaran radiasi pengion sekunder di udara, termasuk sinar-X, muon, proton, partikel alfa, pion, dan elektron . Ionisasi dari radiasi sekunder ini memastikan bahwa atmosfer memiliki konduktifitas yang lemah, dan sedikit aliran arus dari ion-ion ini ke permukaan bumi menyeimbangkan aliran arus dari badai petir. Ion memiliki parameter karakteristik seperti mobilitas, masa pakai, dan laju pembangkitan yang bervariasi menurut ketinggian .

.

Badai petir dan kilat

Artikel utama: Badai petir dan kilat

Perbedaan potensial antara ionosfer dan bumi dipertahankan oleh badai petir, dengan sambaran petir yang menghantarkan muatan negatif dari atmosfer ke tanah.

Tabrakan antara es dan hujan es lunak (graupel) di dalam awan kumulonimbus menyebabkan pemisahan muatan positif dan negatif di dalam awan, yang penting untuk terjadinya petir. Bagaimana petir pertama kali terbentuk masih menjadi bahan perdebatan: Para ilmuwan telah mempelajari akar penyebabnya mulai dari gangguan atmosfer (angin, kelembapan, dan tekanan atmosfer ) hingga dampak angin matahari dan partikel energik.

Rata-rata sambaran petir membawa arus listrik negatif sebesar 40 kiloampere (kA) (meskipun beberapa sambaran bisa mencapai 120 kA), dan mentransfer muatan sebesar lima coulomb dan energi sebesar 500 MJ, atau energi yang cukup untuk menyalakan listrik 100 watt. bola lampu kurang dari dua bulan. Tegangannya bergantung pada panjang sambaran petir, dengan kerusakan dielektrik udara sebesar tiga juta volt per meter, dan sambaran petir seringkali memiliki panjang beberapa ratus meter. Namun, pengembangan pemimpin petir bukanlah masalah kerusakan dielektrik yang sederhana, dan medan listrik sekitar yang diperlukan untuk perambatan pemimpin petir bisa jadi beberapa kali lipat lebih kecil dari kekuatan kerusakan dielektrik. Selanjutnya, gradien potensial di dalam saluran langkah balik yang berkembang dengan baik berada pada urutan ratusan volt per meter atau kurang karena ionisasi saluran yang intens, sehingga menghasilkan keluaran daya sebenarnya pada urutan megawatt per meter untuk aliran balik yang kuat. arus pukulan 100 kA.

Jika jumlah air yang terkondensasi dan kemudian diendapkan dari awan diketahui, maka energi total badai petir dapat dihitung. Dalam badai petir rata-rata, energi yang dilepaskan berjumlah sekitar 10.000.000 kilowatt-jam (3,6 × 10¹³ joule ), yang setara dengan hulu ledak nuklir berbobot 20 kiloton . Badai petir yang besar dan hebat mungkin 10 hingga 100 kali lebih berenergi.

elepasan corona

Api St. Elmo adalah fenomena listrik di mana plasma bercahaya dihasilkan oleh pelepasan koronal yang berasal dari benda yang dibumikan . Bola petir sering disalahartikan sebagai Api St. Elmo, padahal keduanya adalah fenomena yang terpisah dan berbeda. Meskipun disebut sebagai "api", Api St. Elmo sebenarnya adalah plasma, dan diamati, biasanya selama badai petir, di puncak pohon, menara atau benda tinggi lainnya, atau di kepala binatang, sebagai kuas atau bintang cahaya.

Korona disebabkan oleh medan listrik di sekitar benda yang mengionisasi molekul udara, sehingga menghasilkan cahaya redup yang mudah terlihat dalam kondisi cahaya redup. Sekitar 1.000 – 30.000 volt per sentimeter diperlukan untuk memicu Api St. Elmo; Namun, hal ini bergantung pada geometri objek yang dimaksud. Titik-titik tajam cenderung memerlukan tingkat tegangan yang lebih rendah untuk menghasilkan hasil yang sama karena medan listrik lebih terkonsentrasi di daerah dengan kelengkungan tinggi, sehingga pelepasan muatan lebih kuat pada ujung benda runcing. Api St. Elmo dan percikan api normal keduanya dapat muncul ketika tegangan listrik tinggi mempengaruhi gas. Api St. Elmo terlihat selama badai petir ketika tanah di bawah badai bermuatan listrik, dan terdapat tegangan tinggi di udara antara awan dan tanah. Tegangan merobek molekul udara dan gas mulai bersinar. Nitrogen dan oksigen di atmosfer bumi menyebabkan Api St. Elmo berpendar dengan cahaya biru atau ungu; ini mirip dengan mekanisme yang menyebabkan lampu neon bersinar.

Rongga Bumi-Ionosfer

Artikel utama: Resonansi Schumann

Resonansi Schumann adalah sekumpulan puncak spektrum di bagian frekuensi sangat rendah (ELF) dari spektrum medan elektromagnetik bumi. Resonansi Schumann disebabkan oleh ruang antara permukaan bumi dan ionosfer konduktif yang bertindak sebagai pemandu gelombang . Keterbatasan dimensi bumi menyebabkan pandu gelombang ini berfungsi sebagai rongga resonansi gelombang elektromagnetik. Rongga tersebut secara alami tereksitasi oleh energi dari sambaran petir.

Pengardean sistem kelistrikan

Artikel utama: Sistem pembumian

Muatan atmosfer dapat menyebabkan penumpukan muatan yang tidak diinginkan, berbahaya, dan berpotensi mematikan dalam sistem distribusi tenaga kabel listrik yang ditangguhkan. Kabel telanjang yang digantung di udara sepanjang beberapa kilometer dan diisolasi dari tanah dapat mengumpulkan muatan tersimpan dalam jumlah sangat besar pada tegangan tinggi, bahkan saat tidak terjadi badai petir atau petir. Muatan ini akan berusaha melepaskan diri melalui jalur dengan isolasi paling kecil, yang dapat terjadi ketika seseorang mengulurkan tangan untuk mengaktifkan saklar daya atau menggunakan perangkat listrik.

Untuk menghilangkan penumpukan muatan di atmosfer, satu sisi sistem distribusi listrik dihubungkan ke bumi di banyak titik di seluruh sistem distribusi, seperti pada setiap tiang penyangga . Satu kabel yang terhubung ke bumi biasanya disebut sebagai "pembumian pelindung", dan menyediakan jalur bagi potensi muatan untuk menghilang tanpa menyebabkan kerusakan, dan menyediakan redundansi jika salah satu jalur pentanahan buruk karena korosi atau konduktivitas tanah yang buruk. . Kabel pembumian listrik tambahan yang tidak mengalirkan daya memiliki peran sekunder, menyediakan jalur hubung singkat arus tinggi yang dapat dengan cepat memutuskan sekering dan membuat perangkat yang rusak menjadi aman, dibandingkan membuat perangkat yang tidak dibumikan dengan isolasi yang rusak menjadi "hidup secara elektrik" melalui catu daya jaringan, dan berbahaya jika disentuh.

Setiap trafo dalam jaringan distribusi arus bolak-balik membagi sistem pentanahan menjadi loop sirkuit baru yang terpisah. Jaringan-jaringan terpisah ini juga harus dibumikan pada satu sisi untuk mencegah penumpukan muatan di dalamnya relatif terhadap sistem lainnya, dan yang dapat menyebabkan kerusakan akibat pelepasan potensial muatan melintasi kumparan transformator ke sisi lain jaringan distribusi yang dibumikan.