Što je to globalni električni strujni krug?

Iz tjedna u tjedan slušamo vijesti o velikoj šteti koju čine oluje, koje su zbog globalnog zatopljenja postale razorne. Čini se da je pravo vrijeme da učenike upoznamo s elementima fizike atmosfere. Posebno je važno da učenici mogu analizirati jednostavne modele i izraditi proračune te na taj način procijeniti relevantne fizičke veličine.
U svakom trenutku na Zemaljskoj kugli ima oko tisuću grmljavinskih nevremena koje pokrivaju oko 1% Zemljine površine. Pitamo se kako nastaju munje i kuda odlazi električni naboj kada udare u zemlju, odnosno, s obzirom da je Zemlja neutralna te da vrijedi zakon očuvanja naboja, kako je zatvoren globalni električni strujni krug. Površina Zemlje je dobar električni vodič. Na oceanima struju provode otopljeni ioni, uglavnom kuhinjske soli, a na vlažnom kopnu, otopljeni ioni raznih minerala. S druge strane, Zemljina atmosfera je loš vodič električne struje, jer nema dovoljno slobodnih iona i elektrona. Sunčevo UV zračenje, a manjim dijelom i kozmičko zračenje, ioniziraju molekule zraka, ali zbog velike gustoće molekula, one se brzo neutraliziraju (rekombiniraju) ponovnim spajanjem iona i elektrona. Međutim, na velikim visinama atmosfera je vrlo rijetka pa se, nakon ionizacije, elektron i ion rijetko nađu u blizini i rekombinacija je izuzetno slaba. Zbog toga je na visinama oko 70 km atmosfera stalno u ioniziranome stanju i taj dio atmosfere zovemo ionosfera. Zbog stalnog postojanja pozitivnih iona i negativnih elektrona ionosfera je dobar električni vodič.
Površina Zemlje, zajedno s ionosferom čini sferični kondenzator. Pritom je površina Zemlje nabijena negativnim, a ionosfera pozitivnim električnim nabojem. Razlika potencijala iznosi oko 300 kV.
Kada ne bi postojao prirodni proces koji puni ovaj kondenzator, on bi se brzo ispraznio jer je atmosfera ipak, u nekoj mjeri, vodljiva. Najjednostavniji električni model Zemljine atmosfere prikazan je na slici. Ukupni otpor između površine Zemlje i površine ionosfere u našem modelu iznosi oko R = 136 Ω, a kapacitet kondenzatora je C = 0,065 F što daje vremensku konstantu τ = RC =136 Ω ∙0,065 F = 9 s. (Napomena: Stvarna vremenska konstanta je desetak puta veća jer vodljivost zraka nije konstanta i raste eksponencijalno s visinom, što znatno utječe na izračun vrijednosti R i C). U svakom slučaju Zemljin kondenzator bi se brzo ispraznio, za minutu ili dvije. Mi znamo da za lijepog vremena postoji stalno električno polje na površini Zemlje, koje iznosi oko 130 V/m. To električno polje dolazi upravo od nabijenih ploča Zemljinog kondenzatora.
Zašto se Zemljin kondenzator ne isprazni?
Ovaj kondenzator se cijelo vrijeme puni električnom energijom tisuće grmljavinskih oluja koje u svakom trenutku postoje negdje na Zemlji. Kako se to odvija? Sunce zagrijava vlažnu površinu Zemlje. Vlažni topli zrak se podiže, a kada dospije na visinu iznad 1 km, vlaga u njemu se kondenzira i/ili kristalizira stvarajući oblake. U oblacima vladaju uzlazne struje zraka koje podižu male kapljice i kristale na visinu od oko 10 km. Zbog velikog otpora zraka velike kapi i kristali se ne mogu podignuti visoko pa oni ostaju pri dnu oblaka. Proces razdvajanja velikih i malih čestica u oblaku ujedno je i proces razdvajanja naboja, jer su male čestice nabijene pozitivno, a velike negativno. Zbog toga je vrh oblaka nabijen pozitivnim, a njegovo dno negativnim nabojem. Negativni naboj prelazi na Zemlju, u obliku munje i nabijenih kišnih kapi, a pozitivni naboj prelazi u ionosferu, ponekad u obliku crvenih vilenjaka (munja hladne plazme dušikovih iona).
Na taj način zatvara se električni strujni krug u atmosferi (na slici prikazan crvenim strelicama), čiji je ekvivalentni krug prikazan desno pomoću elemenata strujnog kruga. Zemljin kondenzator se, dakle, puni energijom Sunca koja se u oblaku pretvara u električnu energiju, a prazni preko slabo vodljive atmosfere. Oblak, ne samo što kao parni stroj toplinu pretvara u kinetičku energiju zraka, nego služi i kao električni generator koji toplinu pretvara u električnu energiju stvarajući stalno električno polje Zemlje.