Путешествие в космос - Электромагнетизм космических тел - 17. Квазиравновесные бароэлектрические поля

17. Квазиравновесные бароэлектрические поля

Перейдем к более подробному обсуждению нестационарных бароэлектрических и баромагнитных полей. Это заметно расширяет круг рассматриваемых явлений.

Прежде всего уточним, что нас будут интересовать достаточно медленные процессы, т.е. такие, при которых изменение распределения давлений происходит за значительно большие времена, чем перераспределение зарядов и порождаемых ими полей. Это условие оправдывает перенос и на описание нового круга процессов — их естественно назвать квазистационарными

— тех теоретических методов, которые были упомянуты выше.

Изменение распределения давлений в планете может вызываться различными причинами. Некоторые из этих причин связаны с внутрипланетными процессами, в частности с локальными увеличениями напряжений, обусловливающими землетрясения. Нам еще придется об этом вспомнить, когда речь пойдет о прогнозировании сейсмических событий.

Другие изменения можно назвать регулярными. К их числу, в первую очередь, можно отнести те, что связаны с действием приливных сил.

Эти силы вызываются гравитационным воздействием на планету, на Землю например, других небесных тел, в первую очередь ее спутника Луны, а также, хотя и в меньшей мере — Солнца. Первым объяснил физическую природу вызываемых этими воздействиями приливов великий Ньютон. Это объяснение, основанное на открытом им законе всемирного тяготения, его современники сочли даже необходимым отразить в эпитафии на его памятнике.

Гравитационное притяжение между телами, расстояние между которыми значительно превышает их размеры, убывает обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Поэтому, например, приливные силы, действующие на Землю со стороны Луны, не только вызывают притяжение между ними, но из-за неоднородности сил, действующих на Землю, они стремятся растянуть нашу планету в направлении прямой, проходящей через центры этих тел, и вызвать ее сжатие в перпендикулярных направлениях.

Эти силы, действующие на какой-то участок планеты, пропорциональны его расстоянию от ее центра и обратно пропорциональны кубу расстояния от тел, тяготение которых их создает.

Приливные воздействия вызывают дополнительные сжатия и растяжения в недрах планет и, соответственно, некоторое дополнительное перераспределение зарядов. Порождаемые этим электрические поля, прибавляющиеся к главным бароэлектри-ческим полям, можно назвать приливными.

Основная доля приливного поля Земли обязана воздействию со стороны Луны. Конечно, приливное воздействие на Землю оказывает и Солнце, но меньшее примерно в 10 раз. Этим и объясняются годовые периодические изменения поля ясной погоды — в северном полушарии летом, когда Земля находится от Солнца на наибольшем расстоянии, напряженность этого «солнечно-приливного» поля минимальна, что уже отмечалось выше.

Учет приливной силы, действующей на Землю со стороны Луны и Солнца, как то было впервые объяснено Ньютоном, вызывает периодичность морских приливов на Земле. Когда Солнце, Луна и Земля располагаются вдоль одной прямой (в новолуние и полнолуние), суммарная приливная сила достигает максимума, а значит, и приливные бароэлектрические поля делаются наибольшими, а когда на небе видна половина Луны (направления из центра Земли на Солнце и на Луну взаимно перпендикулярны), наступает и «электрический отлив».

Приливные воздействия нарушают сферическую симметрию, отчего приливное бароэлектрическое поле, в отличие от главного, проникает и в область над поверхностью планеты.

Поскольку ось вращения Земли не направлена на Луну, приливное поле над поверхностью Земли оказывается переменным. Этим, кстати, объясняются и периодические морские приливы, но только они имеют примерно полусуточный период, тогда как бароэлектрическое поле имеет части, меняющиеся как с суточным, так и с полусуточным периодом.

Но с полусуточным периодом, как то следует из теории, меняется лишь горизонтальная составляющая поля ясной погоды, тогда как у вертикальной его составляющей есть не только переменная, но и постоянная (т.е. не зависящая ни от времени, ни от положения места наблюдения на Земле) часть, направленная вертикально вниз.

Электрическое поле должно быть и у Луны. Его основной причиной является приливное воздействие Земли. Но поскольку масса Земли примерно в сто раз больше массы Луны, то соответственно и максимальная напряженность приливного поля должна быть над Луной примерно на два порядка выше, чем над Землей. И еще одно: так как Луна всегда обращена к Земле одной и той же стороной, селеноэлектрическое поле должно быть не переменным, а почти постоянным.

Внимательный читатель, конечно, уже заметил, что бароэлектрическое поле над Землей автором настойчиво выдвигается на роль поля ясной погоды. Эта весьма радикальная тенденция требует убедительного оправдания, тем более, что она в корне отличается от распространенного, если не общепринятого «грозового» механизма формирования поля ясной погоды.

Между тем, предсказания двух теорий — имеются в виду грозовой и приливный механизмы — различаются в ряде пунктов, так что остается обсудить, за что «голосует» опыт.

Первый из указанных механизмов (он и хронологически был первым) основан на идее, что по поверхности Земли равномерно (как по поверхности любого проводящего шара) распределен отрицательный заряд, который пополняется благодаря грозам, что компенсирует его стекание из-за проводимости воздуха атмосферы. Напряженность порождаемого зарядом электрического поля направлена вертикально вниз и повсюду была бы одинаковой по величине, если бы не процессы в атмосфере.

Периодические изменения напряженности поля ясной погоды («двойная волна» над континентами и «одинарная» — над океанами) фактически не получают объяснения.

Как нечто самоочевидное, считается, что на планетах, не имеющих атмосферы (в том числе, и на Луне) ничего подобного полю ясной погоды быть не может.

Наконец, недра небесных тел считаются электронейтральными, и не усматривается никакой связи между их электрическими (если они вообще есть) и магнитными полями.

Что же касается выводов, получаемых на основе приливного механизма, то они таковы (для простоты, опять ограничимся учетом лишь одного источника приливного воздействия — Луны).

Над поверхностью Земли напряженность приливного электрического поля имеет как вертикальную, так и горизонтальную часть. Что касается вертикальной составляющей, то она складывается из постоянной и переменной частей. Постоянная (т.е. не зависящая ни от времени, ни от положения точки наблюдения на поверхности Земли) часть имеет величину порядка 100 В/м. Внешне эта часть действительно похожа на то, что было бы, если бы по поверхности Земли был равномерно распределен отрицательный заряд*. Переменная же часть зависит от координат места наблюдения и имеет доли, изменяющиеся как с суточным (одинарная волна), так и полусуточным (двойная волна) периодом. Ее амплитуда зависит от положения места наблюдения.

Различию периодичностей над континентами и над океанами можно дать наглядное объяснение.

Приливная сила имеет горизонтальную составляющую, под действием которой в океанах возникают горизонтальные потоки жидкости. Поскольку сила меняется довольно медленно (с полусуточным периодом), порождаемые ими потоки жидкости успевают ликвидировать горизонтальные перепады давлений, а значит, и горизонтальные части напряженности бароэлектри-ческого поля. К тому же из-за имевшегося до установления динамического равновесия горизонтального бароэлектрического поля, возникают и ионные электрические токи, что также приводит к ослаблению, а вскоре и к исчезновению горизонтальной компоненты поля.

Остающаяся же вертикальная компонента (при нулевой горизонтальной!) приводит к тому, что заряд распределяется по поверхности океана равномерно, так что напряженность электрического поля над всеми участками океана оказывается одинаковой.

Одинаковой, но не постоянной!

Подробнее об этом. Когда речь шла о главном бароэлектри-ческом поле, полный заряд планеты принимался равным нулю. Это положение сохраняется и когда в рассмотрение включаются приливные силы.

Полный поверхностный заряд оказывается при этом также равным нулю, так что заряд, выстилающий поверхность континентов (а теория позволяет его вычислить), получается по модулю равным, а по знаку противоположным заряду на поверхности океанов. Что же касается модуля этого заряда, то он меняется как раз с периодом в одни сутки, что и объясняет «одинарную волну» над океанами.

Горизонтальная же составляющая не имеет постоянной части и меняется с полусуточным периодом, так что среднее ее значение за сутки равно нулю (что, помимо общей концепции «грозовой модели» могло послужить причиной мнения о том, что горизонтальной составляющей вообще не существует).

Здесь уместно вспомнить о теллурических токах. Эти токи текут в Земле в горизонтальном направлении, а значит, если вспомнить о законе Ома, имеется и горизонтально направленное электрическое поле. Касательная же к поверхности раздела составляющая напряженности электрического поля не испытывает разрыва на поверхность раздела, а значит, если она существует под поверхностью Земли, то должна быть и над этой поверхностью, вопреки грозовому механизму.

Читатель, возможно, уже проникся ощущением, что автор безжалостно отвергает грозовой механизм, не усматривая в нем ничего положительного, безоговорочно отдавая предпочтение приливному. Но если бы это было так, пришлось бы признать, что атмосферные эффекты не влияют на геоэлектрическое поле, что заведомо неправильно.

Когда говорят о роли атмосферных эффектов, часто употребляют термин «электрическое поле нарушенной погоды». В большом обзоре И.М. Имянитова и К. С. Шифрина, посвященном исследованиям атмосферного электричества, об этом приводятся такие данные:

«1. Напряженность электрического поля над грозовыми облаками имеет обычно направление, противоположное тому, которое бывает в дни «хорошей» погоды.

2. Характер изменения поля на земле при прохождении грозового облака и изменения поля, возникающего при ударах молний, указывают, что грозовые облака, как правило, могут быть уподоблены электрическим диполям с положительным зарядом вверху и отрицательным внизу.

3. Облака, вызывающие осадки, вызывают нерегулярные изменения поля у поверхности Земли. Облака, не дающие осадков, вызывают некоторое уменьшение поля «хорошей» погоды.

4. Туманы вызывают летом некоторое увеличение напряженности поля (по величие), а зимой — уменьшение ее.

5. Загрязнение атмосферы обычно приводит к увеличению напряженности поля.

6. Пылевые и снежные бури вызывают резкое увеличение абсолютных значений напряженностей поля и могут приводить к изменению его направления.»

Таким образом, приведенные цитаты убедительно показывают, что процессы в атмосфере существенно сказываются на геоэлектрическом поле.

Исследование корреляций между распределением гроз по различным областям Земли и изменениями электрического поля по ним часто привлекается как аргумент в пользу первичности гроз как источника зарядов на поверхности Земли и, соответственно, вторичности порождаемого этими зарядами электрического поля. Однако это скорее может служить доводом в пользу противоположного суждения: там, где приливное электрическое поле больше, там и грозы происходят чаще.

Но, очевидно, атмосферно-электрические процессы не могут затрагивать приливную часть поля и вызывают лишь добавки к нему (порой, значительные). Поэтому электрические поля планет, не имеющих атмосферы (в частности, Луны), могут именоваться «чисто приливными». Вряд ли нужно пояснять, что это придало бы экспериментальному исследованию особый интерес.

Порождаемые приливными воздействиями бароэлектричес-кие поля должны быть не только у Земли и Луны, но и над поверхностями многих других небесных тел. О масштабах, бароэлектрических полей планет Солнечной системы и некоторых их спутников можно составить представление по величине А, которую можно назвать амплитудой напряженности приливного бароэлектрического поля.

Ниже приводятся значения необходимых параметров и величины А (в В/м). Массы М планет и источников приливного воздействия т указаны в граммах, R и Rq — в сантиметрах. Для всех величин приводятся округленные значения. В приведенный перечень включены только те объекты, для которых А > 1В/м.

Таблица 2

Поверхностная плотность заряда благодаря приливным воздействиям получает некоторые добавки к тем значениям, о которых шла речь при обсуждении главного бароэлектрического поля. Из-за вращения планеты эти дополнительные приливные поверхностные заряды также вращаются, что, естественно, порождает и добавки к главному баромагнитному полю. Поскольку приливные поверхностные заряды распределены неравномерно, их вращение вызывает переменные вариации магнитного поля. Амплитуда этих вариации, впрочем, настолько мала, что их, как правило, можно и не учитывать.

И еще одно замечание. Поскольку главное баромагнитное поле связано с вращением планеты, а угловая скорость этого вращения, хотя и незначительно, меняется (что надежно подтверждается наблюдениями и находит вполне естественное объяснение во внутрипланетных перемещениях), то это отражается и на напряженности главного баромагнитного поля. Хотя такие изменения также невелики, но они могут представлять интерес как дополнительный (к обычному астрономическому) способ регистрации изменений периода обращения Земли.

* Вспомним, что грозовой механизм вообще не приводит к определенным, не основанным на дополнительных предположениях об общей величине заряда планеты, оценкам.

<<<Назад Страница 19 Далее>>>

WalkInSpace.Ru

Правила:

«Путешествие в космос» © 2024

Использование материалов допускается при условии указания авторства WalkInSpace.ru и активной ссылки на www.WalkInSpace.ru.

Используются технологии uCoz