Электрическое поле атмосферы Земли

                Рисунки смотреть в первоисточнике
                © Владимир Ерашов

   В предыдущих работах  мы уже отмечали, что имеется связь атмосферного электрического поля Земли и солнечного ветра. Эту связь подтверждают [1]:
1. Зависимость напряженности электрического поля от 27 цикла солнечной активности (время полного оборота Солнца вокруг оси).
2. Различная качественная и количественная характеристика электрического поля в периоды солнечного минимума и в периоды солнечной активности.
3. Косвенным подтверждением связи электрического поля и солнечного ветра могут служить полярные сияния.
   Теоретически такая связь тоже просматривается. Солнечный ветер, как известно, состоит в подавляющей степени из электронов и протонов. При одинаковой величине электрического заряда масса протонов и электронов отличается более чем в тысячу раз. А  потому есть специфика взаимодействия тех и других с магнитным полем Земли. Оба вида электрических зарядов под действием силы Лоренца закручиваются вокруг магнитных силовых линий магнитного поля Земли, но закручиваются в разные стороны, одни по часовой стрелке, другие против.  Но самое главное отличие состоит в том, что траектория движения электронов имеет меньше радиус закрутки от радиуса протонов, во столько раз во сколько их масса меньше массы протонов. При таких условиях, атмосфера Земли оказывает различное сопротивление проникновению протонов и электронов. Протоны обладают намного меньшей проникающей способностью по сравнению с электронами, поэтому они задерживаются атмосферой, посредством столкновения с молекулами воздуха, еще в верхних слоях атмосферы, предположительно на высоте 50-100 км, а электроны проникают гораздо глубже. Экспериментальные данные, на какой высоте происходит поглощение электронов, в науке отсутствуют. По нашим предположениям, это интенсивно происходит на высоте от 15 км до 0 км, а часть электронов, вероятно, достигает поверхности Земли, это должно происходить вблизи полюсов. Ниже мы дадим обоснование нашим предположениям, а пока поговорим о других вещах.
     Ученым хорошо известно, что в грозовом облаке происходит разделение электрических зарядов. Но некоторые моменты из теории грозы все же нужно напомнить. Вот цитата из Фейнмановских лекций по физике(2):
 Качественно можно описать молнию следующим образом. Как показали фотоснимки, молния –  это обычно повторные электрические разряды по одному и тому же пути.  Потенциал нижней части тучи, висящей над равниной, гораздо более отрицателен, чем земная поверхность под ней. Отрицательный заряд (электроны) устремляются к Земле. Всё начинается со светящегося комка – «ступенчатого лидера». Он не такой яркий, как вспышка молнии. На снимках можно видеть вначале небольшое светлое пятнышко, выходящее из тучи и очень быстро катящееся вниз со скоростью 1/ 6 скорости света. Оно проходит всего около 50 м и останавливается. Следует  пауза около 50 мкс, а затем происходит следующий шаг. Снова остановка, а после новый шаг и т.д. Так, шаг за шагом, пятно движется к Земле по пути, показанному на рис.6.

 Лидер наполнен отрицательным зарядом. Воздух ионизуется быстро движущимися зарядами лидера и становится проводящим вдоль его пути. В момент, когда лидер коснётся поверхности земли,  получается как бы проводящая проволока, которая тянется до самой тучи и полна отрицательного электричества. Теперь отрицательные заряды из тучи мчатся на землю: сначала соскакивают электроны нижней части лидера, оставляя позади себя положительный заряд. Он притягивает электроны из более верхнего участка лидера, они тоже падают на землю и т.д. В конце концов весь отрицательный заряд этой части тучи быстро и энергично сбегает по этому каналу вниз. Так что видимая нами молния (как будто движение положительного заряда) бьёт от земли вверх (Рис. 7). Это и есть основной разряд – обратная вспышка. Она вызывает яркое свечение и выделение тепла, которое, приводя к быстрому расширению воздуха, производит громовой удар.
Конец выдержки
 Отмечу следующее, во времена написания этих лекций, считалось, что удары молнии – единственный механизм, который заряжает Землю отрицательным зарядом. В настоящее время появилось множество различных теорий, смысл которых сводится к тому, что Земля заряжается отрицательно осадками, а заряд молниями или совсем отрицается, или сводится к мизерному проценту в доле различных механизмов, заряжающих Землю.
 В свете новых представлений хотим  изложить свое видение происходящего:
 Изначальная молния бьет в Землю по описанному выше механизму. После того, как образовался проводящий канал, происходит обратный электрический удар. И здесь уже отрицательный заряд с Земли по проводящему каналу утекает в положительную область тучи. Причем этот заряд не только нейтрализует положительный заряд тучи, но и заряжает эту область отрицательно, за счет того, что отрицательный заряд с Земли притягивается положительным поясом электрического поля находящегося на высоте 50-90 км. Но дойдя до верхней части тучи отрицательный заряд с Земли выше распространиться и соединиться с положительным не может, атмосфера плохой проводник, поэтому действие обратного удара молнии в подавляющем большинстве случаев заканчивается.
 По ряду причин, например из-за какой-то повышенной локальной ионизации выше тучи могут создаться условия, когда пробой атмосферы не заканчивается верхней частью облака, а распространяется выше. Вот в этом случае синие струи, как бы принимают эстафету от молнии, которая доставила отрицательный заряд с Земли в верхнюю часть тучи и несут этот заряд еще выше. Обратите внимание, в ссылках приведенных ранее, было сказано, что синие струи распространяются снизу вверх со скоростью 100 км/сек, а дальше эстафету может подхватить спрайт. Но вот в спрайте происходят несколько иные вещи. Здесь в верхних слоях атмосферы, за счет сильного разряжения атмосферы, положительный заряд, то есть ионы имеют достаточную подвижность для того, чтобы устремиться навстречу отрицательному заряду с Земли, что они и делают. Получается своеобразная эстафета. После такой эстафетной серии разрядов, часть отрицательного заряда в верхних слоях тучи все же остается, то есть разряд заканчивается раньше, чем все электроны убегут с тучи. Откуда такой вывод. В работе (1) сказано, что после спрайта в этой области атмосферы наблюдается положительный потенциал электрического поля выше среднего значения. А это может иметь место только в том случае, когда в верхней части тучи на высоте 10 км остался остаточный отрицательный потенциал, он притягивает к себе положительные заряды. Какое время избыточный заряд в верхней части тучи существует, и какова его дальнейшая судьба, это предмет дальнейших исследований. Может оказаться, что отрицательный заряд на высоте 10 км существует всегда, нужно проводить более детальные исследования. Главное, что очень простым и логичным способом удалось объяснить ряд высокоатмосферных электрических явлений, по которым до нас не было достаточной ясности.
  Сопоставляя все выше сказанное, вырисовывается следующая картина:
   Солнечный ветер поставляет в атмосферу Земли отрицательные и положительные заряды. Магнитное поле Земли отклоняет эти заряды к полюсам, где они по магнитным силовым линиям входят в атмосферу. Из-за различных физических свойств, а именно отличия по массе, заряды движутся по различным траекториям, электроны по спирали малого радиуса, тогда как протоны по спирали большого радиуса, что значительно удлиняет их путь в атмосфере, и в конечном итоге приводит к потере проникающей способности еще в верхних слоях атмосферы. Электроны же проникают в атмосферу гораздо глубже, даже некоторые достигают Земли, заряжая ее отрицательно. Таким образом, налицо механизм разделения электрических зарядов атмосферой Земли, которая создает положительную область электрического заряда на высоте 50-100 км и отрицательную область на поверхности самой Земли и в атмосфере до высоты 10-15 км.
Не зависимо от солнечного ветра атмосферные осадки доставляют отрицательный заряд на Землю и создают положительную область электрического поля на высоте 7-10 км. Грозовая деятельность снова возвращает отрицательный заряд на высоту 7-10 км, который не только нейтрализует положительный заряд, созданный осадками, но и создает избыточный отрицательный заряд на высоте порядка 10 км. Откуда возникло данное предположение?
Рассуждения следующие:
Экспериментально установлено, что на высоте около 10 км напряженность электрического поля стремится к нулю. Это возможно если чуть выше есть область с отрицательным зарядом, выше которой величина электрического поля снова достигает гигантских размеров. То, что выше 10 км поле имеет огромный электрический потенциал свидетельствует Рис 11., который взят с работы [1]. На этом же рисунке можно наблюдать и резкий скачек потенциала поля на высоте 10 км, что тоже свидетельствует о наличии на этой высоте отрицательного заряда.

 
Рис.11. Влияние спрайта на параметры электрического контура «Земля-ионосфера».

    Просмотрев множество фотографий полярного сияния, а также достаточное количество видео мы пришли к выводу, что полярное сияние – это не свечение атмосферы при входе в нее заряженных частиц солнечного ветра, а скорее процесс обратный – электронный пробой атмосферы, направленный снизу вверх, таково направление распространения всполохов. Нижняя кромка полярного сияния всегда более четкая, чем верхняя, которая достаточно размыта. Квантовая энергия светового излучения тоже убывает снизу вверх. Все это свидетельствует о том, что данный процесс зарождается внизу и движется вверх, а никак не наоборот.
Дискретность полярного сияния по месту и по времени говорят нам о том, что связь полярного сияния с солнечным ветром не прямая, а косвенная. Солнечный ветер входит в атмосферу Земли совершено не синхронно с полярным сиянием. При чем, те же электроны солнечного ветра стремятся к земной поверхности по магнитным силовым линиям, густота которых максимальна в некотором радиусе вокруг полюсов. Тогда как полярное сияние происходит, как правило, за пределами этого радиуса (см. Рис 8 из (1))
 
Рис. 8. Вид ;-авроры: а – траектория движения спутника DE-1; б - спутника DE-2;
Что касается перемычки внутри круга, то ее появление связано с разностью потенциалов на полуночной и полуденной сторонах круга, как бы происходит сначала пробой в горизонтальной плоскости, который затем приводит и к пробою в вертикальной плоскости, то есть к полярному сиянию.
Следует добавить, полярное сияние никогда не начинается от поверхности Земли, а чаще всего с высоты 10-15 км, где по нашим представлениям как раз и находится отрицательный пояс электрического поля. Это еще одно свидетельство в пользу нашей версии.
Зададимся вопросом, почему напряженность электрического поля Земли максимальна в средних широтах. Для начала уточним, что речь идет о напряженности поля на малых высотах, уж всяко меньших 10 км (экспериментальные данные). По нашей теории отрицательный пояс электрического поля на высоте 10-15 км создают грозы и солнечный ветер, то есть те электроны, которые не достигли поверхности Земли, а поглотились атмосферой. На высоте 10-15 км электропроводность атмосферы еще имеет конечную величину, она гораздо выше, чем у поверхности Земли, но еще не такая высокая как но высоте в 50 км. В тропических областях грозовая активность максимальна, а в полярных областях максимален поток электронов к Земле и их поглощение атмосферой. Следовательно отрицательный потенциал пояса окружающего Землю на высоте 10-15 км минимален в средних широтах, положительный же пояс электрического поля на высоте 50-100 км имеет равномерно распределенный потенциал по всей поверхности за счет высокой электропроводности атмосферы на этой высоте. По этим причинам у поверхности Земли потенциал электрического поля и должен быть максимальным в средних широтах.
Несколько слов о суточной унитарной составляющей электрического поля. Электропроводность суши и океана различна. Экспериментально установлено, что в низких слоях атмосферы напряженность электрического поля над океаном ниже, чем над сушей на 20-30%. Это может быть следствием более низкой электропроводности океана, чем суши. В 19 часов по Лондонскому времени, когда Земля к Солнцу повернута Западным полушарием, в котором отношение площади океана к суше выше, чем в Восточном, отрицательный пояс на высоте 10-15 км максимально ослабляется (грозовая деятельность над сушей происходит интенсивней, чем над океаном).  Это и приводит к возрастанию напряженности электрического поля у поверхности Земли над континентами.
Наша теория также элементарно объясняет сезонные вариации электрического поля (с температурой меняется электропроводность атмосферы, она уменьшается), а напряженность электрического поля обязана вырасти, что и происходит. С помощью нашей теории можно объяснить еще и многое другое, практически все, что известно на сегодняшний день в этой области. И нет ни одного экспериментального факта, который бы этой теории противоречил.

 Литература
 1.АТМОСФЕРНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ:
 ФАКТЫ, НАБЛЮДЕНИЯ, КОРРЕЛЯЦИИ, МОДЕЛИ
 В. В. Кузнецов 1,2
 1ИГФ СО РАН (г.Новосибирск) ,
 2ИКИР ДВО РАН (с.Паратунка, Камчатская обл.)

 2. Фейнмановские лекции по физике. Том 5, стр.174-198, 1977, "Мир", М.