О Происхождении Магнитного Поля Земли.

  А. С. Кашик , д. т. н.(ЦГЭ, Москва ), С. Цейтлин , д.т.н, (Tseytlin Consulting Inc. USA)

Точного объяснения возникновения Магнитного поля Земли пока ещё нет. Есть несколько гипотез, теорий и экспериментов, пытающихся найти решение этой проблемы, но окончательного, строгого доказательства этих гипотез пока нет. В настоящей статье рассматривается гипотеза, заключающаяся в том, что основной причиной возникновения и поддержания этого поля является атмосфера и ионосфера Земли, содержащие в себе заряды. Был проведён ряд оценок, которые показали правильность этого подхода. Приведём их краткое изложение.

1) Известно решение задачи о магнитном поле вращающейся заряженной сферы ([1], [2]).  Магнитный момент вращающейся сферы равен

 Таким образом Магнитный момент Земли равен

Известно [1], что М=8·10²⁵ ед. СGSЕ,

где R=6340000 м - радиус Земли,

ω=7.3·10^-5 1/сек - частота вращения Земли,

c=300000000 м/сек - скорость света.

Тогда, зная величину Момента Магнитного Поля Земли M,  определим  величину необходимого для этого электрического заряда.

 Q= 0.234 ·10²³ СGSЕ =7.8·10¹¹ Кул.

2) С другой стороны известно (например, [3]), что Земля имеет заряд порядка 

Q₂=5.7·10⁵ кул.

Как видно из 1) этого недостаточно, чтобы создать Магнитное поле Земли.

Предположим, что существует дополнительный заряд другой природы, создающий его.

3) При этом надо обратить внимание на следующие обстоятельства:

1. Только Земля имеет сильное магнитное поле.  Венера, Марс и другие планеты имеют Магнитные поля в сотни раз меньше.

2.  Только Земля имеет атмосферу и воду! Это позволяет высказать гипотезу, что Магнитное Поле Земли связано с Зарядами облаков, величина которых огромна. Известно, что мощность разряда одной молнии достигает 100 Мгватт, что равно потреблению энергии Нью Йорка в течении 20 минут. С другой стороны, в одну секунду вокруг Земли происходит до 46 разрядов молний.

 Оценим заряд облаков, предполагая, что система облаков и поверхность Земли образуют сферический конденсатор.  Тогда, известно, что Q₁=с·U,

где ёмкость сферического конденсатора равная:

где R₁ и R₂ - радиусы сфер, а E_ps=8.85·10^-12,

Тогда получаем, что c равна приблизительно c=0.5 фарадея.

Оценим  разность потенциалов U между  облаками и поверхностью Земли.   Примем за Е=(10-30) Квольт на 1 см. - напряжёность пробоя воздуха . Тогда  U=E·H=3·10⁴·H  вольт, где   Н=(1-10)·10³ м -  высота облаков .

В результате  получим  верхнюю оценку заряда земных облаков

Q₁= 0.5·3·10⁴·10·10⁵=1.5 ·10¹⁰ Кул.

Т.е.  суммарный заряд Земли и облаков могут создавать магнитное поле, соизмеримое с Магнитным полем Земли.

4)  Другая оценка даёт приблизительно такой же результат.

В фундаментальной работе Карелина по оценке плотности заряда грозовых облаков [4]  приведены оценки плотностей заряда  грозовых облаков.

Одновременно на Земле действует около полутора тысяч гроз, средняя интенсивность разрядов оценивается как 46 молний в секунду. По поверхности планеты грозы распределяются неравномерно.

В результате приведённых там расчётов и экспериментов, плотность их заряда лежит в диапазоне q=(9-280) *10^-9 Кул на м³.  Тогда, взяв объём слоя облаков в виде V=4πR²H, где Н =1000 м - толщина слоя, получим

V=5*10¹⁷ м³

Тогда получаем  оценку заряда всех  грозовых облаков на Земле, которая   меняется в диапазоне

Q₁=V·q= (0.45-14)·10¹⁰ Кул.

Предполагая, что площадь грозовых облаков занимает одну десятую часть неба, и они имеют наименьшую плотность заряда, мы получим нижнюю оценку заряда равную

 Q₁=4.5·10⁸Кул.

Верхняя оценка при этом будет равна Q₁=1.4·10¹⁰ Кул. ,

что практически совпадает с оценкой, полученной в предыдущем параграфе.

Порядок этой оценки свидетельствует о том, что заряды атмосферы Земли могут быть основным источником Магнитного поля Земли. Дополнительный вклад может дать влияние железа расположеного в Земной коре и заряды находящиеся в ионосфере Земли.

5)   Одним из недостающих звеньев определяющим Магнитное поле Земли может являться влияние верхнего слоя земной коры до глубины 15 километров, где залегают железные и никелевые месторождения, которые имеют температуру ниже точки Кюри (равной 650 градусов Цельсия).  И в нём сосредоточены огромные месторождения железа и никеля (которые составляют до 5% общей массы в коре Земли и 30% от всего её объёма), которые могут влиять на величину Магнитного поля Земли, увеличивая его в несколько раз. Отметим, что общее количество железа в Земле не изменилось за всю её жизнь, т.к. часть, извлечённая из неё, находится на её поверхности, а часть в её недрах. Менялось лишь их соотношение.

6) C другой стороны обращает внимание то, что Венера, наиболее похожая на Землю планета, не имеет сильного магнитного поля, хотя внутреннее строение их идентично ( http://www.tristar.ru/planets/index3.php ) . Это доказывает, что источник магнитного поля следует искать вне свойств и процессов, протекающих внутри планеты. Венера имеет атмосферу, но она состоит из углекислого газа и практически не имеет воды, а температура её поверхности превышает 460 градусов, что исключает кругооборот и испарение воды с поверхности, конденсацию, ионизацию, механизмы которые и создают заряды в атмосфере Земли.

Cледует также отметить, что поверхность Венеры с атмосферой образует, также как Земля, шаровую ёмкость.  Однако отсутствие водонасыщенных облаков (которые увеличивают диэлектрическую проницаемость) и высокая температура (которая снижает диэлектрическую проницаемость), значительно снижают диэлектрическую проницаемость атмосферы Венеры и, как следствие, заметно снижают величину этой ёмкости.  При этом следует также отметить, что длительность суток Венеры более чем в 240  раз больше Земных.( http://1001facts.info/interesnye-fakty-o-venere/ ).  Т.е. сила тока, от которой зависит величина магнитного поля, будет значительно меньше даже в случае, если величины зарядов атмосфер Земли и Венеры совпадают. Это может объяснить то обстоятельство, что магнитное поле Венеры в триста раз слабее Земного.

7) Отметим, что предлагаемая гипотеза о причине возникновения магнитного поля Земли позволяет легко объяснить не только происхождение магнитного поля Земли, но и инверсию Магнитного Поля Земли, возникающую каждые несколько сот тысяч лет стохастично.

Анализ формы Магнитного Поля Земли, проведённый с помощью спутников и моделирования, показал, что Солнечный ветер в настоящее время несёт, благодаря преимуществу содержания в нём электронов, отрицательный заряд (http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B5%D1%87%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%B2%D0%B5%D1%82%D0%B5%D1%80 ).          В случае положительного  заряда в Солнечном ветре  магнитные полюса Земли и форма искажения магнитного поля Земли , связанные с существованием этого ветра , были бы другие.

Солнечные протуберанцы - это заряженные поля плазмы, периодически возникающие на поверхности Солнца, преодолевающие гравитационное и магнитное притяжение Солнца, вырывающиеся с поверхности Солнца. Причём частично вещество протуберанцев возвращается обратно в Солнце, а часть, в виде Солнечного ветра, разлетается в разные стороны. Часть этого ветра достигает Земли и заряжает конденсатор поверхность Земли – Ионосфера отрицательным зарядом. В ионосфере существует так называемый Е слой, расположенный на расстоянии 85 км и содержащий электроны с концентрацией в диапазоне N_e=10⁴-10⁶ в одном кубическом сантиметре, образовавшийся благодаря Солнечному ветру (http://www.femto.com.ua/articles/part_1/1448.html ). Толщина этого слоя достигает H=30 км.  Тогда легко оценить суммарный заряд этого слоя.  Он равен

Q_{2 max}=Q_e·R²·4πN_e·H=12.6·1.6·10^-19·41·10¹⁶·3·10⁶=2480·10⁹=2.48·10¹² кул,

Т. е. заряд Е слоя меняется в диапазоне   Q₂=2.5·(10¹⁰-10¹²) кул.

Где Q_e – заряд электрона. Как следует из проведёной оценки заряд Е слоя достаточен , чтобы создать или по крайней мере вносить значительный вклад в образование Магнитного Поля Земли.

Следует отметить, что постояно теряя таким образом отрицательный заряд, Солнце постепенно заряжается избыточным положительным зарядом             ( http://webcenter.ru/~shabet/rus/russian.htmм ). Это приводит к тому, что переодически, каждые несколько сот тысяч лет из Солнца начинают вырываться гигантские положительно заряженные протуберанцы (за счёт преимущественого содержания протонов), размеры которых достигают несколько сот тысяч километров.

Иногда эти протуберанцы достигают Земли и перезаряжают её электрическое и магнитное поля.

В результате через некоторый промежуток времени  равный несколько миллионам лет, Солнце опять становится нейтральным и начинает испускать отрицательно заряженный ветер. В результате происходит очередная инверсия Магнитного Поля Земли . Перезарядка Магнитного Поля Земли  может происходить также и в результате столкновением Земли с гигантскими кометами, которые могут быть заряжены как отрицательно, так и положительно , в зависимости от знака заряда звезды, с которой комета столкнулась перед этим.

Итак процесс  инверсии Магнитного Поля Земли можно  легко объяснить на основе предлогаемой гипотезы.

8) Теперь остановимся кратко на других подходах к объяснению возникновения Магнитного Поля Земли.  Прежде всего отметим, что сейчас на первом месте для объяснения возникновения Магнитного Поля Земли другими авторами рассматривается механизм связанный с тепловой конвенцией в её жидкой магме. Такая гипотеза основывается на аналогии механизма возникновения и поддержания магнитного поля Солнца.

Однако простой анализ показывает, что в условиях Земли этот механизм не может работать из-за разницы масштабов и величин плотностей, вязкостей флюидов и градиентов температуры, существующих на Солнце и Земле. Известно, что для заметной тепловой конвенции необходим   большой градиент температур и наличие легкого невязкого флюида внутри изучаемого объёма. Но изменение температуры земной магмы от верхней части, граничещей с корой и равной 700 градусов, и нижней, граничещей с ядром равной 6000 градусов на расстоянии порядка 3000 км, даёт верхнею оценку градиента - 2 градуса на километр. Это меньше чем в коре Земли и учитывая, что вязкость магмы, даже при температуре 4000 градусов очень высокая – можно сделать вывод, что ПРИ ЭТИХ УСЛОВИЯХ внутри Земли НЕ МОЖЕТ БЫТЬ НИКАКОЙ ЗНАЧИТЕЛЬНОЙ ТЕПЛОВОЙ КОНВЕНЦИИ!!!

Т.е. внутри Земли нет достаточных величин параметров, чтобы возникли условия необходимые для работы механизма гидромагнитного динамо.

Для сравнения, на Солнце температура меняется от 6000 до 15 000000 градусов, а флюид представляет собой плазму (газ), плотность которой в сотни раз меньше плотности магмы, а вязкость в тысячи раз меньше вязкости магмы. При этих условиях могут  возникать сильные магнитные поля благодаря механизму гидродинамического динамо.

9) Отметим также , что любые заряды,  которые могут возникнуть на границах составляющих оболочек внутри Земли,  приводят к возникновению

такого же по величине индуцируемого заряда противоположного знака внутри Земли, что при вращении Земли вызывает ток противоположного направления. Следовательно, они не могут быть причиной возникновения магнитного поля, т. к. суммарное магнитное поле, возникающее при этом, будет нулевым.

Можно доказать правильность  версии о том , что источники Магнитного поля Земли находятся вне её объёма,   ещё более простым путём. Известно , как уже отмечалось ,что в коре Земли на глубинах порядка 15 километров , где выполняеся условие того , что температура меньше точки Кюри , залегают месторождения железа и никеля , составляющие порядка 5 % от объёма коры. Известно также , что Магнитное Поле  Земли  измеряемое вдоль её поверхности увеличивается почти в десять раз в местах расположения магнитных анамалий ( например Курской магнитной анамалии ).  Легко заметить , что если бы источники Магнитного Поля Земли  находились внутри Земли , то металл находящийся в коре Земли уменьшал бы величину Магнитное Поле Земли  в районах его залегания , благодаря  эффекту экранирования .  В случае расположения зарядов и токов над поверхностью Земли , эффект должен быть противоположным , т. к. металл играл бы роль парамагнитного сердечника  и магнитное поле бы увеличивалось в районе его залегания ! Как упоминалось выше, практика измерения Магнитного Поля Земли  показала имено это. Следовательно справедлива версия о нахождении источников Магнитного Поля Земли  вне поверхности Земли.   А следовательно ,  версия  и проведённые оценки о местоположении  этих источников в атмосфере и ионосфере Земли правельные.

 10) Таким образом только заряды принесёные извне (Солнечный ветер, протуберанцы   или кометы) или заряды, возникающие в результате образования капель дождя в облаках, могут постоянно заряжать атмосферу и ионосферу, позволяя создавать и поддерживать Магнитное Поле Земли.

Проведённые оценки показали, что суммарный заряд Земли, облаков и ионосферы может обеспечивать возникновение и существование Магнитного поля Земли (Q=Q₁+Q₂).  Причём заряды, возникающие в облаках атмосферы постоянно поддерживаются кругооборотом воды в природе, а заряд ионосферы, постоянно подзаряжается потоками заряженных частиц, приходящими от Солнца.

 Библиография

1.  Электротехника и Электромеханика, 2010, №6,
   1. Магнитный момент вращающейся сферы, Роман Парполак.
   2. «Физические величины», Справочник, М. Энергоиздат, 1991, стр. 1196,
   3.  УДК 551.51 МЕХАНИЗМ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА В ГРОЗОВЫХ ОБЛАКАХ И ТРОПИЧЕСКИХ УРАГАНАХ