Электрическое поле Земли

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ

          Установленный факт: наша планета несет отрицательный электрический заряд, который составляет 570 тысяч кулон, суммарный электрический ток стекания электронов составляет 1500 ампер =1500 кулон/сек .

  Природа этого заряда имеет много гипотез.  Некоторые из гипотез доказывают, что у Земли нет заряда – она электрически нейтральна, а все существующие в атмосфере электрические заряды являются результатом поляризации. Т.е. сколько имеется зарядов отрицательных, столько имеется зарядов положительных. Перераспределению этих зарядов отдана роль молнии. Мною  предлагается альтернативный  взгляд на электрическое поле Земли, который в дальнейшем будет очень важным аргументом в понимании возникновения магнитного поля Земли, причин движения магнитных полюсов и несоответствия их географическим полюсам.
 
  Исходя из факта существующего электрического тока между поверхностью Земли и ее ионосферой, приходим к заключению, что земной отрицательный потенциал должен поддерживаться какими-то источниками эмиссии электронов. Каковы эти источники?

  Имеются несколько источников эмиссии электронов, которые, как предполагается, составляют и поддерживают отрицательный заряд планеты.

  1.Термоэлектронная эмиссия, заключающаяся в том, что при нагревании вещества до определенных температур, оно может терять свои электроны с самыми слабыми связями. Эти электроны покидают свои родительские атомы при поступлении дополнительной энергии извне. Если эта энергия по величине больше работы выхода электрона из системы атома, то электрон покидает родной атом. На этом принципе основана электронная эмиссия во всех электронных лампах, где роль подогревателя играет накал (раскаленная спираль). Для атомов различных веществ, требуется различная энергия для выхода электрона. По этой причине, чем выше температура веществ, тем больше электронов эти вещества могут отдать.

  Можно  предположить, что не только при увеличении температуры, но и при увеличении давления , атомы, уплотняясь, сбрасывают с себя электроны со слабыми связями.

  В главном реакционном слое, который находится между ядром и мантией, а также и в других реакционных слоях идет переплавка мантийного вещества. Здесь бушуют химические реакции плавления с выделением тепла – это и есть глобальный источник эмиссии электронов. Если бы в какой-то момент главный реакционный слой перестал «работать», отрицательный заряд существенно бы уменьшился и может быть, исчез бы совсем.

  В областях субдукции, при опускании тектонической плиты (эти процессы протекают толчками), в реакционном слое происходит временное охлаждение – в этот момент эмиссия электронов уменьшается и, соответственно, электрический заряд планеты уменьшается. После разогрева погруженной части плиты, эмиссия электронов снова увеличивается и электрический заряд планеты снова увеличивается. Как аналог, можно рассматривать процесс горения в печи. Когда в печь забрасывается новая порция топлива в виде дров или угля, резко падает температура очага горения – тепло идет на нагревание массы топлива до температуры возгорания. На это требуется время и дополнительная энергия. После разогрева «дров» и их загорания топка снова  набирает свою температуру горения. Новая порция топлива – снова падение температуры, потом – снова подъем температуры.

  2.Второй источник эмиссии электронов – это синтез тяжелых атомов из более легких, включая группу железных.   В тяжелом  металлическом  ядре нашей планеты имеются условия самых высоких температур и давлений –это условия сдавливания атомов до пределов их слияния с образованием более тяжелого элемента. При синтезе, легкие ядра объединяются, уплотняются, сливаются, но… при этом теряются электроны. Если посмотреть периодическую таблицу Д.Менделеева, то можно заметить, что соотношение электронов на одну атомную  единицу в тяжелых атомах меньше, чем у атомов легких. Электроны второго источника распространяются вместе с электронами первого источника и по одним и тем же каналам. Их доля неизвестна. Предполагаю, что сильные сдавливания атомов, само по себе, предполагают выдавливание слабо держащихся электронов. Это эффект синтеза и бароэлектронной эмиссии – эффект предполагаемый.

  3. Третий источник электронов – фотоэлектронная эмиссия.  Световые и тепловые излучения Солнца, воздействуя на поверхность Земли, пыль и влагу в атмосфере выбивают своими квантами электроны со слабыми связями, создавая их избыток на солнечной стороне, увеличивая долю дневного отрицательного заряда. Эта доля  отрицательного заряда очень неустойчива и исчезает с уходом Солнца. Влияние этого источника очень мало.

  4. ;- излучения создают электронный  пояс в ионосфере, максимум концентрации электронов находится на высотах от 300 до 500 км.- тоже отрицательный заряд.
 
  5. Космические лучи тоже принимают участие в создание ионосферы и увеличивая проводимость атмосферы, создают условия для уменьшения  ее отрицательного заряда.

  Определив источники эмиссии электронов, проследим  их дальнейшее перемещение. В чем здесь особенности? По закону Кулона, одноименно заряженные частицы, взаимодействуя  между собой, отталкиваются друг от друга. Преодолевая предел максимально возможного удержания электрического заряда, излишние электроны эмиссии через каналы в мантии, кору и атмосферу, перемещаются в космос.
Так как магма обладает повышенной электропроводностью, свойственной расплавам, то, в основном, она и является основным проводником электронов от главного реакционного слоя к поверхности планеты. Кроме того, исходя из этих же свойств магмы, вся астеносфера обладает огромным конденсирующим эффектом – на ее поверхности образуется неравномерно распределенный заряд электронов, который стремится выйти в атмосферу. Почему неравномерно? С учетом эквипотенциального распределения электрического заряда на поверхности и сложной формы поверхности астеносферы: где острее выпуклость, там и сильнее напряженность. Однако с учетом большой поверхности Земли покрытой соленой электропроводной водой Мирового океана, распределение заряда по водной поверхности  более равномерно. Однако переход электронов от водной поверхности Мирового океана в атмосферу происходит неравномерно. 

  Если бы поверхность Земли имела   идеальную шаровую поверхность из металла, то на ее поверхности весь заряд распределялся бы равномерно. Реальная земная  поверхность неоднородна по проводимости и рельефу. Имеется много участков поверхности, которые совершенно не электропроводны: сухие пустыни, ледники… Но большая часть земной поверхности представляет собой электропроводную водную поверхность океанов и морей. Именно эта поверхность является потенциальным участком передачи электронов в атмосферу.  Не все участки на поверхности океанов и морей  имеют одинаковые условия. Самыми благоприятными условиями передачи электронов в атмосферу являются участки интенсивного испарения воды. Электроны, присоединяясь к капелькам испаряемой воды, легко перемещаются вместе с ними в атмосфере.

  Самые неблагоприятные условия для перехода электронов в атмосферу через водную поверхность находятся в холодных водах полярных морей,  покрытых льдом.
Самые активные участки земной поверхности для перехода электронов в атмосферу находятся в районах хорошего прогревания вод. Это экваториальные  участки океанов, морей, озер, рек, болот. Они создают локальные аномалии отрицательного заряда в распределении глобального заряда планеты.

  Если говорить о стабильности параметров электрического поля, то все его составные частички не стабильны и  склонны к изменениям. «Генераторы электронов» работают импульсивно, а значит, общее значение электрического поля может меняться  – эти вариации тысячелетние.
 
  Самой чувствительной и быстроменяющейся составной частью общего  заряда  Земли является ее атмосфера.
 
  От степени влажности атмосферного воздуха меняется и электропроводность атмосферы. В зависимости от метеорологических условий, проводимость атмосферы может меняться очень быстро.
 
  Общее потепление на планете приводит к увеличению испарения и увеличению влагосодержания атмосферы, а это, в свою очередь, приводит к увеличению ее электропроводности. Казалось бы, что увеличенное влагосодержание атмосферы должно увеличить ее электрический заряд за счет увеличения электрической емкости, но получается наоборот – при потеплении на планете ее отрицательный заряд тяготеет к уменьшению.Для объяснения этого явления обратимся к поведению электрического заряда  в облаке.

   Капли водных испарений, поднимаясь с земной поверхности уходят в атмосферу, унося с собой частичку его отрицательного заряда в виде присоединившихся к ним электронов. Когда эти микрокапли группируются в облака, то они создают объемный электрический заряд этого облака. Возникает отрицательно заряженное облако. Каждое облако – это скопление микрокапелек воды, которые способны нести как отрицательный, так и положительный заряды.

  Первоначально, облако возникает с объемным отрицательным зарядом.  В процессе подъема верхней части облака на более высокие, холодные эшелоны, заряд у верхней части облака постепенно меняется на противоположный и становится положительным. Облако приобретает конечную структуру такую: низ облака заряжен отрицательно, а верх -положительно.  Для объяснения этого явления имеется несколько гипотетических объяснений. Главная рабочая гипотеза объясняет это явление поляризацией облака, но эта гипотеза ошибочна. Поляризация здесь не при чем, хотя сходство с поляризацией большое.

  Обратим внимание на изменение формы капли воды. Первоначально, сферическая капля воды имеет свойство удерживать максимальное количество электронов (максимальная  плотность заряда) и поэтому она несет максимальный  отрицательный заряд. При перемещении капли вверх, в холодную зону, она начинает кристаллизоваться, превращаясь в снежинку с развитой системой иголок –«молниеотводов», по которым  легко покидают свои гнезда-молекулы воды  не только излишние электроны, но и родные. Т.е., снежинка, по своей структуре, не может удерживать электроны при наличии развитой системы иголок-«молниеотводов». Снежинка обладает эффектом короны – эффектом истечения электронов с острых иголок. Таким образом, первоначально отрицательно заряженная капелька превращается в положительно заряженную снежинку.

  В этой гипотезе возникает несколько вопросов, на которые нужно ответить.

  1. Снежинка, падающая на землю не имеет никакого электрического заряда. Почему?
- Снежинка с положительным зарядом, который очень неустойчив, нейтрализуется проходя нижние эшелоны облака, которые заряжены отрицательно.  Снежинка плохо держит заряд из-за ее иголок.

  2. Почему же в снежинке возникает положительный заряд?
Для сравнения, я хочу привести пример поведения углеродистой стали нагретой до высокой температуры и потом охлажденной при разных режимах, возникает несколько разных структур.
 
  А. Медленное охлаждение  (вместе с печью) называется отжигом. Структура стали получается мягкой, без кристаллов. Сталь после отжига легко обрабатывается любым инструментом.
 
  Б. Быстрое охлаждение (бросаем в воду) называется закалкой. Структура стали получается кристаллической. Сталь приобретает высокую  твердость и может сама использоваться как инструмент для обработки отожженной стали (напильник). Однако, при нагреве, закаленная сталь снова теряет свою твердость.

  Капелька воды, изначально заряженная отрицательно, перемещаясь в холодную среду, в зависимости от скорости ее охлаждения тоже ведет себя по-разному.
А. При малой скорости охлаждения, у снежинки появляются крупные иголки, через которые лишние электроны стекают с нее - снежинка получается нейтрально заряженной.

  Б. При большой скорости охлаждения, у снежинки возникают более тонкие иголки и она не может удержать электроны даже свои - перезаряжается до положительного заряда, который очень неустойчив и склонен к нейтрализации при малейшем нагреве.

  Электроны, покидая капельку воды, перемещаются в верхние эшелоны, яруса (граница: облако – атмосфера). Это  согласуется с тем явлением, что верхняя граница облака и атмосфера отрицательно заряжены и плотность этого заряда в несколько раз выше нормы.
      
  Гроза возникает при столкновении облака с холодным воздухом. Динамика такой встречи приводит к вертикальному движению (конвекции) масс. Теплые, отрицательно заряженные массы поднимаются вверх, охлаждаясь, начинают конденсироваться. Это происходит потому, что с понижением температуры  влагосодержание воздуха уменьшается – воздух не может в себе держать лишнюю воду, которая при повышенной температуре не была лишней. Мелкие капли, заряженные отрицательно, укрупняются в более крупные, не могут нести суммарный заряд мелких, так как чем меньше капля, тем большую плотность заряда она может удержать. Крупная капля удерживает меньшую плотность заряда. Плотность заряда – это отношение электрического заряда капли к ее массе. Процесс укрупнения капель приводит  к водянистости облака и увеличению плотности отрицательного заряда областей нижней части облака – так  возникает увеличение ее плотности заряда и электрического потенциала со знаком «минус».

  Концентрация электрического заряда при определенной его плотности, вызывает усиленную ионизацию молекул воды и воздуха, что приводит их к повышению проводимости и объединению множества элементарных зарядов в единый объемный заряд, который принимает участие в возникновении молнии. Такое явление хорошо наблюдается и в быту. Так, снимая синтетическую одежду через голову, мы можем наблюдать сияние на одежде – это сияет ионизированное электрическое поле множества единичных зарядов, который создают коронный разряд – «огни Эльма» в быту. Ионизированное электрическое поле – это объемный заряд.

  В верхней части облака образуются снежинки с положительным зарядом. У снежинок имеется другой эффект – они имеют свойство слипаться между собой в хлопья, увеличивая концентрацию положительного заряда. В динамике движения снежинок, они сбиваются в еще более крупные хлопья – плотность  заряда растет. При сближении разноименных зарядов,  увеличивается плотность заряда и его потенциал с знаком «плюс». Таким образом, разность потенциалов между верхними и нижними объемами облака растет. При достижении пробойной напряженности (разности потенциала) электрического поля возникают молнии.
 
  Если хлопья положительно заряженного снега нисходящим потоком заносятся вниз, где тепло, то они превращаются в водяные капли с  положительным зарядом, но это слабые заряды.

  Это только принципы возникновения и перераспределения электрических зарядов в облаке. На самом деле, в мощной грозовой туче наблюдается сложная динамика развития объемных зарядов:  возникновение, перезарядка, подзарядка, нейтрализация электрических емкостей. Процессы протекают очень быстро, но принципы остаются те же самые. 

  Для возникновения молнии условие наличия только разноименных объемных зарядов необязательно. Перераспределение заряда в виде молнии предполагает проявление достаточной напряженности и разности потенциала, которые будут равны или выше пробойной. Такие условия могут возникнуть между зарядами с разными потенциалами двух электрических емкостей, но одного и того же знака. Такие объемные электроемкости могут возникать мгновенно после молнии, которая  перераспределяет заряды или их нейтрализует. Именно существование таких промежуточных электрических емкостей создают предпосылки к возникновению молний типа «ломанная линия».

  Направление электрического тока (эта характеристика условная, так как характеризует движение положительных зарядов) всегда обратно направлению движения электронов, так как электроны – это отрицательно заряженные частицы. Электрический ток , в основном, представлен движением электронов как в проводниках, так и в атмосфере. Существующее определение электрического тока,  физически не совпадает с направлением главного носителя электрического тока – направлением движения электронов. Если бы определение электрического тока основывалось на движении электронов, все электрические процессы были бы  понятнее и не так запутаннее.
      
  При потеплении климата увеличивается количество возникающих грозовых туч. Это приводит к увеличению количества молний. Молнии быстрее передают электроны сразу в верхние части облака, что увеличивает скорость перемещения электронов в верхнюю часть атмосферы - суммарный отрицательный заряд Земли  уменьшается за счет более быстрой их утечки.
 
  Электрическое   поле Земли   создает   в   атмосфере   электрический  ток  плотностью 2-3•10-16 А/см2 при хорошей погоде, 1-10•10-11А/см2 при спокойных дождях, и до 10-8А/см2 при грозовых ливнях. Как видно, при грозовых явлениях у земного заряда имеется тенденция к ускоренному его уменьшению за счет существенного увеличения локальных токов утечки в миллионы раз. Огромная роль в переносе заряда через атмосферу отведена циклонам – глобальным вихрям атмосферного воздуха, которые «протыкают» всю тропосферу.

  Таким образом, потепление климата приведет к увеличению циклонов, которые приведут к уменьшению общего электрического заряда атмосферы и всей планеты, а это приведет к уменьшению составляющей магнитного поля от кругового тока заряда планеты.
 
  Исходя из природы возникновения электрического отрицательного заряда Земли и переходного свойства «водяная капля – снежинка», можно предположить, что атмосферный заряд Земли имеет сложную структуру: максимальное значение отрицательного заряда находится в экваториальной ее части, постепенно уменьшаясь к высоким широтам и переходя в слабое поле полярных положительных зарядов. Распределение отрицательного заряда по экватору таково: на океанических пространствах заряд увеличивается с востока на запад, достигая максимума перед континентами, над континентами величина заряда падает с востока на запад достигая минимума перед океаном.

  Самое большое отношение в перераспределение электрического  заряда в атмосфере конечно же имеют воздушные течения, которые в основном зависят от приливных влияний Луны, которые имеют направление с востока на запад , и образующихся компенсационных течений, действующих против основных.