Terug wie ben ik  

   

mod_eprivacy  

   

Ingelogd  

   

Wie is aanwezig  

We hebben 651 gasten en geen leden online

   

Gastenboek pa2cjh  

   
×

Bericht

EU e-Privacy Directive

This website uses cookies to manage authentication, navigation, and other functions. By using our website, you agree that we can place these types of cookies on your device.

View e-Privacy Directive Documents

View GDPR Documents

You have declined cookies. This decision can be reversed.
Ster inactiefSter inactiefSter inactiefSter inactiefSter inactief
 

Beste om Gast,

Elektrische aarde
Vaak denken we dat onweer het meest voorkomt in de zomer na een warme vochtige dag die daarvoor de opmaat vormt. Weliswaar komen de zwaarste ontladingen inderdaad ’s zomers voor, maar de meeste onweersbuien zijn er bij ons in de wintertijd. Dat heeft te maken met het ontstaan van buien en de mogelijkheid daartoe wordt bepaald door de temperatuuropbouw en stabiliteit van de atmosfeer. In de tropen met veel meer warmte en vocht ontstaan altijd gemakkelijker onweersbuien. Men schat dat er dagelijks op de hele wereld 40.000 onweersbuien voorkomen. Veel bliksems gaan naar de aarde waarbij per bliksem zo’n 20 Coulomb lading wordt verplaatst. De aarde wordt daardoor steeds negatief geladen met een stroom van ongeveer 1800 Ampère. Wat gebeurt er allemaal en waar blijft de elektriciteit? Voor onweer en de elektriciteit die daarmee gemoeid is moeten we dus eerst voornamelijk kijken naar de aardse atmosfeer.
Onze aarde is een bol met een diameter van ongeveer 12800 km. De massa is ongeveer 6 x 10E24 kg. Volgens de Gravitatiewet van Newton hoort daar een zwaartekrachtsversnelling van ongeveer 10 m/s2 bij, dat komt overeen met een ontsnappingssnelheid van ruim 11 km/s. De aarde is omgeven door de atmosfeer, een dunne laag gas die voornamelijk bestaat uit stikstof en zuurstof. Ongeveer 1% bestaat uit sporegassen waaronder kooldioxide. Ook is er op lagere hoogtes een wisselende hoeveelheid waterdamp (onzichtbaar of zichtbaar als wolk) of regen aanwezig. De atmosfeer wordt gezien haar dichtheid, samenstelling en temperatuuropbouw onderverdeeld in lagen. De onderste laag –tot 10 km hoogte – is de troposfeer. Het is de laag waar de bulk van de atmosferische gassen zit en waar ook het weer zich afspeelt. De gasdruk neemt er exponentieel af van ongeveer 1 atmosfeer (1000 hPa) tot ongeveer 0,4 atmosfeer. Op die tien kilometer hoogte is er nog net voldoende zuurstof voor een mens. De temperatuur loopt in deze laag geleidelijk af van ongeveer 20 graden naar -50 graden Celsius. Het bovenste deel –het erg koude deel met tamelijk constante temperatuur– noemt men wel tropopauze. Boven deze laag bevindt zich de stratosfeer; deze laag en de lagen daarboven zijn extreem droog omdat mogelijk opstijgende waterdamp in de tropopauze wordt uitgevroren. Daarom zijn er normaliter geen wolken boven 10-12 km. De lagen erboven worden aangeduid met mesosfeer en thermosfeer. Deze gaat op een hoogte van ongeveer 700 a 800 km over in de exosfeer die geleidelijk overgaat in de leegte van de ruimte. In de lagen boven de tropopauze spelen zich ook belangrijke zaken af voor het leven op aarde en speciaal voor radioamateurs. Op ongeveer twintig kilometer hoogte bevindt zich een verhoogde concentratie ozon die schadelijke straling tegenhoudt en tussen vijftig en vierhonderd kilometer hoogte is er een aantal lagen extra geïoniseerd. De druk is daar gedaald tot minder dan 1 hPa, waardoor de moleculen, ionen en vrije electronen als een behoorlijke vrije weglengte hebben; door de soms tamelijk hoge ionisatiegraad kunnen we hier al spreken over gas-plasma. We kunnen daarin de D, E en F lagen onderscheiden die van belang zijn voor radiopropagatie. We moeten ons realiseren dat de hele atmosfeer waarin wij kunnen leven maar een uiterst dun laagje om de aarde is: met een dikte van maar zo’n 10 kilometer beslaat het minder dan 0,1% van de aarddiameter. We weten ook dat op hoogtes van een paar honderd kilometer –de hoogte van ISS bv. – de situatie zeer onherbergzaam is. De temperatuur is er uit de zonnestraling maar enkele graden absoluut; in de zon wordt alles gemakkelijk kookhitte en de straling zowel door golven als kosmische deeltjes is binnen enkele seconden tot minuten dodelijk. Ondanks de extreem lage druk is de wrijving met gassen nog aanzienlijk. Ook de thermodynamische temperatuur van de gasmoleculen kan oplopen tot duizenden graden. In de ionosfeer heersen omstandigheden die we zoals al eerder gezegd aanduiden met plasma. De moleculen zijn deels gestript in ionen en elektronen. Dat er vrije ladingen bestaan heeft belangrijke consequenties voor de breking en reflectie van radiogolven. Dat komt door de interactie van de elektromagnetische golven met de vrij bewegende ladingen.
We kunnen de processen die in de atmosfeer plaatsvinden grosso modo onderverdelen in chemische en fysische processen. Wat de chemie betreft: we kunnen de onderste vaak gestratificeerde lagen van de atmosfeer (daar waar ook de gemiddelde wolken zich nog bevinden) zien als een groot reactievat waarin gassen stilstaan of dooreengemengd worden terwijl ze ook bestraald worden door zonlicht waardoor er dus energie beschikbaar is. De natuur maar ook de mens brengt lokaal soms grote hoeveelheden stoffen in de lucht. Wat ons niet bevalt lozen we door middel van een schoorsteen of een uitlaatpijp. Er treedt een groot aantal reacties op met als gevolg dat de lucht of wel smeriger of wel schoner wordt. Uiteindelijk wordt door menging en depositie minstens een deel van alle stoffen weer afgevoerd. Bij deze chemie spelen met name zuurstof, water en zonlicht een overheersende rol. Een kenmerk van de chemische reacties is dat ze bijna allemaal zogenaamde radicaalreacties zijn. Radicalen zijn (net als in de samenleving) gevaarlijke en agressieve agentia. Allerlei gevormde producten zijn nogal giftig. We horen ervan als er een smog-alarm is. Bij smog is nog een ander afvalproduct in het geding: zogenaamde stikstofoxiden. Die worden o.a. gevormd in verbrandingsmotoren. Een van de andere gevormde producten is troposferisch ozon. In lage concentraties is dat al zeer gevaarlijk. Op grotere hoogte – ongeveer 20-30 km – wordt ook ozon gevormd. Het is de bekende ozonlaag. Daar is ozon van groot belang. Dat komt omdat ozon effectief gevaarlijke uv-straling absorbeert; daarom kan alleen langgolviger ultraviolette straling (uv) nog doordringen tot op het aardoppervlak. Je kunt er mooi bruin van worden maar ook nog steeds door verbranden. Doordat het regelmatig voorkomt dat de ozonlaag minder intensief is, is de gemiddelde hoeveelheid uv straling op aarde toegenomen. De oorzaak van de afname komt door onder andere het vroegere, en nu verboden, gebruik van CFK’s. Nu zijn er overigens weer andere chemische stoffen in gebruik die afbraak van de ozonlaag veroorzaken. Het probleem daarbij is steeds dat het proces door deze stoffen slechts gekatalyseerd wordt waardoor ze zelf nauwelijks of niet verdwijnen. (De levensduur van gassen in de atmosfeer kan erg verschillen; CFK’s e.d. leven tientallen tot honderden jaren)
De atmosferische fysica die zich met de troposfeer bezighoudt noemen we ook wel meteorologie. Eigenlijk is dat onder te verdelen in de korte termijn wetenschap: weerkunde en het langebaanwerk de klimatologie. Op lange duur wordt weer altijd klimaat. Men kijkt naar lokale en grootschalige patronen die in de troposfeer voorkomen. We kennen allemaal begrippen als depressie en hogedruk, wind en regen. Bijna alles van wat er in de atmosfeer gebeurt is terug te voeren op de wisselwerking land/zee/lucht en temperatuur. Wat is temperatuur en waar komt de drijvende kracht vandaan?
Temperatuur is geassocieerd met het bewegen van moleculen. Hoe sneller luchtmoleculen bewegen, hoe meer energie er mee gepaard is en des te hoger de temperatuur van het gas is. De kinetische gastheorie en de thermodynamica vertellen ons over allerlei wetmatigheden. Een aantal simpele wetten die we kennen als de wetten van Boyle en Gay-Lussac legt verbanden tussen druk, volume en temperatuur van een gas. Bij een bepaalde temperatuur hoort een gemiddelde snelheid van de moleculen, maar de snelheden voldoen ook aan een Gaussische verdeling. Dat betekent dat er ook langzame en heel snelle moleculen zijn. Lichte moleculen krijgen bij een bepaalde energie meer snelheid dan zware. Immers Ekin = ½ m v(gem)2 = 1/2kT per vrijheidsgraad. Gelukkig is het zo dat de snelheid van de luchtatomen bij de temperaturen die in onze atmosfeer voorkomen ver beneden de ontsnappingssnelheid liggen. De aarde houdt dus zijn atmosfeer vast. Wel zijn in de loop der eonen de lichte gassen verdampt. In de aardatmosfeer is bij voorbeeld nauwelijks meer waterstof te vinden. Als het ergens “ontstaat” diffundeert het snel naar boven. De energie op aarde komt uiteindelijk allemaal van de zon. Hoewel de aarde op 150 miljoen km afstand van de zon staat zorgt die er toch voor dat we het af en toe vrij warm krijgen. Het vermogen van de zon is ongeveer 4 x 1026 Watt; wij krijgen daarvan nog ongeveer 1400 W/m2. Dat levert uiteindelijk op aarde ongeveer 10000 keer het totale energie jaarverbruik van de wereldeconomie. In feite drijft deze warmte-energie van de zon alle processen op aarde of ze heeft dat gedaan. Ook alle weer ontstaat als afgeleide van de zonnewarmte. In de ionosfeer bepaalt de kortgolvige zonnestraling wat er gebeurt. Al de zonne-energie bereikt ons in de vorm van straling. De golflengtes en intensiteiten zijn bepaald door de stralingswetten van Wien en Stefan-Boltzmann. De atmosfeer absorbeert een deel, de rest valt op aarde en warmt deze op (Gelukkig gaat alle voor ons zichtbare licht door de atmosfeer heen, anders was het hier donker. Voor astronomen interessante straling wordt wel tegen gehouden of verstoord; vandaar telescopen in de ruimte.) Door de opwarming straalt de aarde zelf ook, maar dan voornamelijk in erg langgolvig infrarood. (Ook mensen kun je door hun warmtestraling zien met een infraroodcamera; we stralen zelfs nog radiostraling uit.) Deze straling kan niet allemaal ontsnappen omdat de atmosfeer weer een deel opvangt en terug straalt. Er ontstaat een straligs-warmte evenwicht waarbij de atmosfeer en de samenstelling ervan bepalend is. Twee gassen zijn van groot belang: waterdamp en kooldioxide. De gemiddelde atmosfeer over miljoenen jaren zorgde ervoor dat de oppervlakte temperatuur van de aarde aanzienlijk hoger was en is dan zonder. Het verschil is zo’n dertig graden; het verschil tussen een permanente ijstijd en een gematigd klimaat!! Dat effect heet het “broeikaseffect”. Intussen is er ook nog sprake van en extra opwarming doordat de atmosfeer steeds meer broeikasgassen bevat. Deze door de mens veroorzaakte verandering noemt men “versterkt broeikaseffect.” Op termijn –maar er zijn nog onzekerheden – kan de temperatuur gemiddeld enkele graden oplopen. Ondanks alle commotie en ongeloof in bepaalde kringen is er zeker wetenschappelijke consensus aangaande deze antropogene klimaatverandering.. Het klimaat warmt dus op; het weer blijft nog steeds grillig en misschien nu wel extra grillig. Waarschijnlijk op lokale schaal. (NB Het klimaatsysteem is uitermate complex, met bronnen en putten en terug- en meekoppelingen; voor een deel zijn dergelijke systemen inherent chaotisch maar wel deterministisch. Een flink deel van de causaliteit kennen we, maar we kunnen het systeem vrijwel alleen maar numeriek bepalen. Weer- en klimaatcomputers worden steeds beter. Het verband tussen CO2 (en andere broeikasgassen zoals CH4 en CFK’s en opwarming is evident; we weten niet precies hoe alles uitpakt, maar voorzichtigheid is geboden. De aarde overleeft wel, we willen dat graag met de mens erbij. Het fundamentele probleem is dat we niet weten waar een (eventueel) point of no return ligt.)
Op lokale schaal kun je ook nu al ervaren wat zonnewarmte vermag. Op een warme dag kunnen er “zomaar” wolken ontstaan en verdwijnen. Grond kan erg warm worden. De lucht erboven wordt warm en stijgt daardoor op. Ook een “bel” lucht gedraagt zich in de omgevende lucht als luchtballon, waarvoor de wet van Archimeds geldt. De stijgsnelheid kan tientallen meters per seconde zijn. Opstijgende lucht koelt af, en wordt daardoor zwaarder. Op zeker moment kan de stijging dan niet meer doorgaan. Als de lucht waterdamp bevat kan deze door het opstijgen en afkoelen condenseren: er ontstaat een wolk. Er kan nu ook een einde komen aan het niet meer kunnen stijgen van de lucht. Als de waterdamp condenseert komt er warmte vrij; de luchtbel kan deze warmte niet kwijt – snelle uitwisseling van warmte met de omgevingslucht kan niet, het proces is adiabatisch, de lucht moet dan door blijven stijgen tot uiteindelijk de hele bel op grote hoogte in een steeds koudere omgeving terechtkomt en zelf ook zo koud is dat er waterdruppels bevriezen. Alle latente waterwarmte (condensatie en stollingswarmte) is dan verbruikt. Als het pakket lucht doorstijgt kan het onderweg dus in de bel regenen, de waterdruppels vallen omlaag door de stijgende lucht heen. Bij het doorstijgen kan het zelfs ook zover gaan dat de wolk/ de druppels bevriezen tot hagel die ook naar beneden valt in de kolom lucht. Door turbulentie in kleinere cellen kan eerst gevallen hagel of regen zelfs weer omhoog gaan. Ook kunnen druppels en hagel helemaal er doorheen vallen en op de grond komen. De druppels en hagels kunnen sterk geladen raken. Er kan een grote hoeveelheid lading in de donderwolk accumuleren die uitregent of bliksemt.
Onder normale rustige omstandigheden heerst er in de atmosfeer een elektrisch veld van ongeveer 100 V/m. De oppervlaktelading en verplaatsingsstroom daardoor is εE C/m2 .De stroom die hierdoor opgewekt wordt kunnen we meten. Het is maar enkele micro ampères. Omdat lucht een slechte geleider is kan er bijna geen stroom lopen. We merken vrijwel niks van het veld en kunnen het ook niet “aftappen”. De aarde is negatief geladen en boven in de atmosfeer heerst er een potentiaal van ongeveer +400.000 V. De stroom per vierkante meter mag dan slechts enkele micro ampères zijn, over de gehele aarde komen we op een permanente stroom van de al eerder genoemde 1800 ampère. Met het potentiaalverschil kun je dan uitrekenen dat deze aarde/atmosfeer generator een vermogen van 700 MW heeft. Zelfs als we dat konden aftappen en gebruiken is het nog een centrale van niks. Alleen al in de Eemshaven staat een vermogen van enkele Gigawatts klaar. Overigens kun je af en toe wel iets merken van de grote spanningsverschillen die er ook onder mooi weer omstandigheden in de atmosfeer heersen. Een erg goed van de aarde geïsoleerde antenne (zodat de potentiaalvlakken niet verstoord worden zoals door een met aarde verbonden geleider) kan een spanning opdoen die mede door opladen door erlangs stromende lucht gemakkelijk enkele kilovolts kan halen. Je kan dan het sproeien en de ruisstoring daarvan horen. Soms zitten er enkele harde (vonken) tikken tussen.
Het elektrisch veld van de aarde fluctueert ongeveer 10-20 % en het is opvallend dat het maximumveld overal dagelijks optreedt rond 18.00 uur GMT. Men heeft ook ontdekt dat er wereldwijd de meeste onweersbuien voorkomen op deze tijd. Lokaal wordt de aarde dus dan steeds overal opgeladen. Om dan ook overal steeds ongeveer dezelfde potentiaalverschillen te krijgen moet de condensatorplaat bovenin ook op die tijd steeds dezelfde globale lading hebben. We kunnen dat alleen verklaren als er op grote hoogte een redelijk geleidende laag is. Immers er moet binnen een korte tijd wereldwijd veel lading worden verplaatst, We weten ook dat de hoogte van de “electrosfeer” (de diffuse bovenste condensatorplaat) zich op een hoogte van maximaal 50 km bevindt. Dat is dus veel lager dan de (relatief) goed geleidende lagen van de ionosfeer. Op lage hoogtes kan de ioniserende straling van de zon nauwelijks voor voldoende geladen deeltjes meer zorgen. De vorming van de electrosfeer kan wel voor een belangrijk deel verklaard worden door kosmische hoogenergetische deeltjes. Een stroom waaraan de aarde ook blootstaat. Door het continue stroompje van enkele micro ampères wordt er wel betrekkelijk veel lading verplaatst. De verplaatsing geschiedt zowel door elektronen en positieve en negatieve ionen de voortdurend botsend steeds tientallen kilometers afleggen. Het steeds heersende veld en de stroom geladen deeltjes zijn op hun beurt weer de motor achter het ontstaan van de lading in de donderwolk. De vallende druppels en hagels ontmoeten steeds geladen deeltjes die zich op bijzondere wijze hechten aan de hagel/druppel dipooltjes. Die dipooltjes ontstaan door polarisatie in het altijd al bestaande elektrische veld. Een druppel of hagelsteentje kan relatief veel lading vasthouden op zijn opervlak.Tijdens het hele proces wordt lading gestript en geaccumuleerd. Voor het precieze mechanisme is nog geen passende en compleet kloppende verklaring. Wel ontstaat in de meeste gevallen een donderwolk (met daarin veel water/druppels/hagel) die aan de onderkant negatief en aan de bovenkant positief is geladen. Onder de wolk wordt de aarde zeer sterk gepolariseerd. Als het potentaalverschil groot genoeg wordt ontspringt stapsgewijs –telkens in enkele tientallen microseconden met pauzes - aan de wolk een zogenaamd leaderkanaal gevuld met negatieve lading. Op zeker moment ontstaat er een contact met de aarde waarna binnen enkele microseconden de negatieve lading overgaat. Het kanaal stuwt dan als het ware de positieve “rest”lading als stroom omhoog terug. Dat is de bliksem die we zien. Binnen een fractie van tijd vult de wolk de negatieve lading boven de leader weer aan waarna het proces opnieuw kan beginnen. Een bliksem kan dus uit meerdere snelle ladingsverplaatsingen achter elkaar bestaan. Met higspeedcamera;s heeft men ontdekt dat het tot wel vijftig keer kan.
De lokale schade van bliksominslag kan desastreus zijn. Een inslag van bv 20 kA bij een spanningsverschil van 1 MV bij een duur van 5 microseconde is “maar” 0,1 MJ, maar dat is dan wel zeer lokaal. Ook 700 MW totaal lijkt niet veel, maar we moeten ons realiseren dat het ondanks het geweldig aantal buien per jaar het de meeste tijd niet onweert. Al die energie wordt weliswaar met een gemiddelde stroom van 1800 ampère geleverd maar wel in enkele piekmomenten, immers in totaal zijn alle bliksems bij elkaar nog maar enkele seconden lang dus een minieme fractie van een heel jaar. Een bui zelf bevat een bijna onvoorstelbare hoeveelheid lading als totaal, gemakkelijk meer dan 10 E15 C, waarvan maar een heel erg klein deel voor de bliksems beschikbaar komt, misschien 20.000 C d.i. minder dan 1 honderdmiljardste procent. Een lokaal buitje bevat immers een onvoorstelbaar aantal luchtmoleculen die elk een of meer elektronen kunnen wisselen. Met de meeste lucht gebeurt helemaal niets. In feite is de elektrische energie zelfs betrekkelijk klein in vergelijking met de mechanische arbeid die door de bui kan worden verricht. Je kunt op uitgebreide schaal de effecten van regen en wind zien, als het verkeerd uitpakt levert dat (kleine) rampen op. Hoe dan ook: wij staan machteloos tegen dergelijk natuurgeweld.

Dick vd Berg pa2dta

   

Website Laatst Gewijzigd

Last Modified: dinsdag 12 februari 2019, 07:50:43.
   
© 2017 Kees Haremaker