Магнитное поле Земли и других планетных тел

Размещено на http://allbest.ru

Магнитное поле Земли и других планетных тел

С.А. Николаев

Россия, Санкт-Петербург

2010

Какова картина магнитного поля Земли? Географическое распределение постоянного магнитного поля соответствует полю однородно намагниченной сферы с координатами полюсов:

Северного (в Южном полушарии) , и Южного (в Северном полушарии) , . Линия, соединяющая магнитные полюсы, наклонена относительно географической оси на и смещена от центра Земли на 1140 км в сторону Тихого океана. Напряжённость магнитного поля на магнитном полюсе 19,5 А/м, напряжённость магнитного поля на магнитном экваторе 10,5 А/м [1].

Такая картина предполагает, что магнитное поле Земли могло образоваться от кругового электрического тока с отрицательным зарядом в направлении вращения Земли.

Магнитное поле возникает, когда имеются два проводника с электрическим током. В этом случае проводники притягиваются или отталкиваются в зависимости знака зарядов и направления электрического тока. Это является упрощённой моделью электрического двигателя.

Магнитное поле также может образоваться, если имеются два проводника, вращающиеся друг относительно друга и по одному из них течёт электрический ток. Это является упрощённой моделью другой электрической машины - генератора постоянного тока с независимым возбуждением. В роли проводника с электрическим током может выступать постоянный магнит.

Вторая модель наиболее подходящая для нашего случая. Рассмотрим эту модель и применим её в масштабе Земли. Генератор постоянного тока с независимым возбуждением состоит из обмотки возбуждения и второй обмотки, которые имеют вращение друг относительно друга. При этом во вторичной обмотке наводится электрический ток противоположного направления. Это происходит тогда, когда силовые линии магнитного поля обмотки возбуждения пересекают проводники вторичной обмотки. Теперь элементы такого генератора постоянного тока с независимым возбуждением необходимо найти в масштабе Земли.

Где и как на Земле происходят процессы, связанные с электрическими зарядами? Это не сложно. Каждый назовёт грозовые облака с электрическими зарядами и молниями.

В масштабе всей Земли с её поверхности непрерывно испаряется вода. Интенсивность этого процесса убывает к полюсам и ночью. Рассмотрим, что происходит в этом процессе на молекулярном уровне. Молекулы воды (водяной пар) испаряются и с конвекционными потоками воздуха устремляются вверх.

При этом молекулы взаимодействуют (трутся) с молекулами воздуха

( - 78,08%, - 20,94%, Аr - 1% и - 0,03%).

В результате этого процесса молекулы воды ионизируются. Однако, ионизироваться молекулы воды могут ещё и другими способами. Но суть проблемы это не меняет. Положительно заряженные ионы молекул воды поднимаются вверх, где охлаждаются и образуют облака с электрическим зарядом, а отрицательный заряд (электроны) остаётся внизу, распределённый по всему объёму.

В результате этого процесса получается конденсатор со скомпенсированным зарядом. Одна обкладка конденсатора поверхность Земли, другая облака.

Однако нижняя обкладка представляет собой весь объём от поверхности Земли до облаков. Во всём этом объёме избыток электронов. Потому, что процесс ионизации молекул воды (водяной пар) происходит по всему объёму и соответственно высоте. Ионы молекул достигают облаков и распределяются в них, в то время как электроны распределяются по всему объёму от поверхности Земли до облаков.

При трении между собой тел и газов происходит ионизация. Интенсивность и характер ионизации у разных пар взаимодействующих веществ разные. Но то, что ионизация существует не должно вызывать сомнений. Примеров такой ионизации много. Электрические заряды появляются у движущегося автомобиля, у летящего самолёта и даже у нашей одежды. Считается, что в целом наша атмосфера имеет объёмный электрический заряд приблизительно Кл. В грозовых облаках плотность электрического объёмного заряда достигает приблизительно Кл/. В условиях хорошей погоды у земной поверхности плотность электрического объёмного заряда составляет Кл/. С высотой электрический объёмный заряд убывает по экспотенциальному закону. На высоте 10 км он в 100 раз меньше, чем у поверхности. Затем заряды с облаков в виде молний и вместе с осадками возвращаются на Землю.

Процесс образования зарядов в облаках непрерывный и равномерный по сравнению с быстрым возвращением зарядов на Землю (молнии и осадки). Процесс движения положительно заряженных ионов с конвекционными потоками воздушных масс вверх является распределённым электрическим током . Но так как Земля имеет достаточно большую угловую скорость вращения, то этот процесс будет представлять собой также электрический ток со знаком плюс в направлении вращения Земли.

Составляющая распределённого кругового электрического тока , связанная с вращением Земли вокруг оси, создаёт силовые линии магнитного поля, которые не пересекают проводники вторичной обмотки, так как они одновременно вращаются вместе с Землёй.

Составляющая распределённого кругового электрического тока , связанная с конвекционными потоками в атмосфере, создаёт силовые линии магнитного поля, которые пересекают проводники вторичной обмотки и наводят в ней электрический ток противоположного направления. Соответственно изложенному будет обладать обоими свойствами. Это изображено на рис. 1.

Рис. 1

Итак, применительно к нашей модели, мы нашли в масштабе Земли вращающуюся обмотку возбуждения с электрическим током. Кроме приведённых примеров могут быть и другие варианты, когда обмоткой возбуждения будут другие структурные элементы какого-либо космического объекта и даже их может быть несколько. Тоже относится и ко вторичной обмотке.

Теперь нужно в масштабе Земли найти проводники вторичной обмотки, в которых обмотка возбуждения может навести электрический ток. Такими проводниками могут быть все электропроводящие структуры: металлическая часть расплавленного ядра Земли, ионосфера, солёная вода океанов и другое. Во всех этих случаях заряды скомпенсированы, но эти структуры представляют собой хорошие проводники электрического тока.

Обмотка возбуждения наведёт в них электрический ток противоположного направления со знаком минус в направлении движения Земли. Это совпадает с существующей полярностью магнитного поля Земли. Итак, подробно описана модель, объясняющая существование магнитного поля Земли.

Теперь из изложенного необходимо сделать выводы и выработать общий механизм существования магнитных полей у планетных тел и других космических объектов. Все космические объекты обязательно находятся в непрерывном движении. Они либо вращаются вокруг своей оси, либо обращаются вокруг общего центра масс, либо выполняют одновременно и то и другое. Наличие движения для возникновения магнитного поля обязательно.

Какова общая модель возникновения магнитного поля у космических объектов? Магнитное поле возникает тогда, когда имеется два проводника, один из которых вращается относительно другого. Кроме того, по одному из них течёт электрический ток, магнитное поле которого наводит во втором проводнике электрический ток противоположного направления. Такая модель является генератором постоянного тока с независимым возбуждением. Генератор постоянного тока с независимым возбуждением, как мы уже говорили, имеет обмотку возбуждения с электрическим током и вторую обмотку, в которой наводится электрический ток. Обмотки должны иметь вращение друг относительно друга. Для выявления природы образования магнитного поля у космических объектов необходимо в масштабе этого космического объекта найти элементы такого генератора.

В роли обмотки возбуждения могут быть:

-- магнитное поле близко расположенного другого космического объекта, например, потухшей или светящейся звезды;

-- конвекционные процессы в атмосферах массивных планетных тел, которые одновременно являются ионизаторами газов атмосферы;

-- конвекционные процессы в потухшей или в светящейся звезде, которые одновременно являются ионизаторами вещества звезды.

В роли вторичной обмотки могут быть любые электропроводящие элементы структур космического объекта.

В Солнечной системе имеются следующие космические объекты:

-- светящаяся звезда (Солнце);

-- потухшие звёзды (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун);

-- массивные планетные тела (Земля, Марс, Венера, Луна, Меркурий, Титан, Тритон, Ио, Европа, Ганимед, Каллисто).

Рассмотрим какие условия необходимы для существования магнитных полей у массивных планетных тел? Особую группу планетных тел представляют спутники Юпитера (Ио, Европа, Ганимед и Каллисто). Спутники вращаются на близком расстоянии от Юпитера. Они (кроме Каллисто) обращаются в дипольном магнитном поле Юпитера, которое простирается на 1,5 млн.км. Юпитер и его магнитное поле имеют относительно большую угловую скорость вращения (1 оборот - 9,84 ч).

Спутники Юпитера не имеют атмосфер и достаточной угловой скорости вращения. Ио, Европа и Ганимед пересекаются с силовыми линиями дипольного магнитного поля Юпитера и, соответственно, имеют магнитные поля. Каллисто не пересекается с силовыми линиями дипольного магнитного поля Юпитера и, вероятно, поэтому не имеет магнитного поля. Поэтому существование магнитных полей у этой группы планетных тел связано с магнитным полем Юпитера.

В предлагаемой модели генератора постоянного тока с независимым возбуждением обмоткой возбуждения будет являться дипольное магнитное поле Юпитера. Вторичными обмотками у спутников Юпитера, в которых будет наводиться электрический ток противоположного направления будут являться электропроводящие элементы структур этих спутников (металлическая составляющая ядра планетного тела, ионосфера, солёная вода и другое). Полярность магнитных полей спутников Юпитера (Ио, Европа и Ганимед) обратна полярности магнитного поля Юпитера. Такой же моделью можно объяснить существование слабого магнитного поля у спутника Нептуна Тритона. У других массивных планетных тел Солнечной системы (Меркурий, Венера, Марс, Луна, Титан) необходимо искать элементы генератора постоянного тока с независимым возбуждением.

Эти планетные тела расположены далеко от своих звёзд и не пересекают их магнитные поля. Поэтому механизм образования магнитных полей этих планетных тел будет другим чем у спутников Юпитера. Вероятнее всего, надо искать связь с образованием магнитного поля у Земли. Что для этого необходимо?

Во-первых. Достаточно большая угловая скорость вращения.

Во-вторых. Наличие атмосферы и необходимый температурный режим, при котором возможны конвекционные потоки воздушных масс в атмосфере. А также определённый химический состав атмосферы, так как у различных пар газов разная степень ионизации. И как показывает опыт Земли желательно наличие воды. Теперь в соответствии с выводами посмотрим совпадают ли эти условия у планетных тел Солнечной системы (Меркурий, Венера, Марс, Луна и Титан) с наличием или отсуствием у них магнитных полей.

Меркурий. Атмосфера сильно разряжена. Угловая скорость вращения минимальная (близка к синхронной, 1 оборот = 59 суток). Напряжённость магнитного 0,7% от земной. Полярность магнитного поля совпадает с земной.

Венера. Атмосфера в 100 раз превышает земную. Угловая скорость вращения минимальная, обратная (менее синхронного вращения, 1 оборот = 243 суток). Магнитное поле не обнаружено.

Марс. Атмосфера в 100 раз меньше земной. Угловая скорость вращения достаточно большая (1 оборот = 25 часов). Считают, что общего магнитного поля у Марса нет. Ещё предполагают, что магнитное поле Марса исчезло 4 млрд. лет назад вместе с атмосферой, которая и сейчас продолжает убывать.

Луна. Атмосферы нет. Угловая скорость вращения минимальная (синхронное вращение, 1 оборот = 28 суток). Магнитного поля не обнаружено.

Титан. Атмосфера есть. Она пропорциональна земной, давление у поверхности 1,6 атм. Но достаточен ли тепловой режим для существования конвекционных воздушных потоков. Угловая скорость минимальная (синхронное вращение, 1 оборот = 16 суток). У Титана магнитное поле не обнаружено, однако он взаимодействует с магнитным полем Сатурна, которое создаёт за ним магнитный хвост. Все рассмотренные случаи существования или отсутствия магнитных полей у планетных тел Солнечной системы и условий, при которых они могут возникнуть, совпадают с предложенной моделью генератора постоянного тока с независимым возбуждением.

Солнечный ветер и его влияние на магнитное поле Земли. Солнечный ветер - это потоки заряженных частиц (электроны, протоны и альфа-частицы). Считается, что скорость солнечного ветра вблизи Земли 400-700 км/с, плотность потока [1].

Магнитное поле Земли взаимодействует с солнечным ветром. Как это происходит? Магнитное поле Земли отклоняет движение заряженных частиц солнечного ветра к своим полюсам согласно знака заряда. При сильной активности Солнца увеличивается интенсивность солнечного ветра. В это время мы наблюдаем магнитные бури на Земле и полярные сияния.

Об однородности характеристик магнитного поля Земли. Магнитное поле Земли неоднородно. Вещества, из которых состоит поверхность Земли, имеют разные магнитные свойства. Поэтому в некоторых местах у поверхности Земли магнитное поле ослабевает, а в других усиливается. Выпускаются карты с подробными характеристиками магнитного поля у поверхности Земли.

О постоянстве характеристик магнитного поля Земли. Магнитное поле Земли непостоянно во времени. Изменения, конечно, очень маленькие, но они есть. Считается, что сейчас магнитное поле Земли снижает свою интенсивность.

Однако, так как никаких устойчивых и достоверных закономерностей изменений характеристк магнитного поля нет, то неизвестно, что будет в дальнейшем. Будет ли интенсивность магнитного поля продолжать снижаться или вдруг начнётся увеличиваться? Исходя из предложенной модели магнитного поля Земли, которая является генератором постоянного тока с независимым возбуждением, можно предположить, что все изменения происходящие в обмотке возбуждения или во вторичных обмотках, а также их вращение друг относительно друга будет влиять на характер и интенсивность магнитного поля Земли.

Одним из процессов в обмотке возбуждения, влияющим на изменение интенсивности магнитного поля Земли, будет изменение температурного режима, который связан с количеством испаряющейся жидкости, то есть количеством жидкости находящейся в круговороте.

В эпохи похолодания интенсивность магнитного поля Земли должна заметно ослабляться, так как количество воды находящейся в круговороте уменьшается. Естественно, что процессов в обмотке возбуждения и во вторичных обмотках, влияющих на изменение магнитного поля Земли, много. магнитный электрический космический поле

Однако переполюсовки магнитного поля в преложенной модели быть не может. Нет, она может быть, но другого характера. Это будет связано либо с движением (перемещением) тектонических плит, либо со сменой географических полюсов, либо с изменением направления вращения или что-то другое. Последнее из перечисленного представить очень трудно.

Об электрическом и магнитном полях можно прочитать в электронном фрагменте пятого издания книги “Эволюционный круговорот материи во Вселенной” http://samlib.ru/n/nikolaew_s_a/elektromagnitnoewzaimodejstwieelektricheskieimagnitnyepolja.shtml

Используемые источники

1. Николаев С.А. “Эволюционный круговорот материи во Вселенной”. 5-ое издание, СПб, 2009 г., 304 с.

Размещено на Allbest.ru