ГЕОМАГНИТНЫЙ ДИПОЛЬ, ЗАРЯД ЗЕМЛИ И АТМОСФЕРНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО. ФИЗИКА БЛИЗКОДЕЙСТВИЯ

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ

ГЕОМАГНИТНЫЙ ДИПОЛЬ, ЗАРЯД ЗЕМЛИ И АТМОСФЕРНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО. ФИЗИКА БЛИЗКОДЕЙСТВИЯ Похмельных Л.А. Email: Pokhmelnykh690@scientifictext.ru

Похмельных Лев Александрович - кандидат физико-математических наук, исследователь, Центр гидрофизических исследований, физический факультет, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, г. Москва

Аннотация: физика близкодействия и закон всемирного равновесия зарядов и масс используются для расчета заряда Земли, геомагнитного диполя и тока через атмосферу. В новой физике Земля заряжена в объеме зарядом Q = -1,4.1014 Кл. Существование, величина и скорость векового ослабления геомагнитного диполя предстают следствиями объемной заряженности земных недр и тока утечки заряда через атмосферу в космос. По скорости ослабления геомагнитного диполя рассчитан суммарный ток через атмосферу - 3100 А и характерное время перезарядки Земли -1340 лет.

GEOMAGNETIC DIPOLE, EARTH CHARGE AND ATMOSPHERIC ELECTRICITY. SHORT-RANGE PHYSICS Pokhmelnykh L.A.

Pokhmelnykh Lev Alexandrovich - Candidat of Physical-Mathematical Sciences, Researcher, HYDROPHISICAL RESEARCH CENTER, PHYSICAL DEPARTMENT, LOMONOSOV MOSCOW STATE UNIVERSITY, MOSCOW

Abstract: the short-range physics and the law of universal equilibrium of charges and masses are used to calculate Earth charge, geomagnetic dipole, and electric current through the atmosphere. In new physics, the Earth is charged in volume with a charge Q = -1.4. 1014C. The existence, magnitude and secular weakening of the geomagnetic dipole are the consequences of the Earth volume charge, Earth daily rotation and the charge dissipation through the atmosphere into space. The calculated atmospheric current 3100 A corresponds to the observed secular weakening rate of the geomagnetic dipole. The Earth characteristic discharge time is 1340 years.

УДК 55

Введение.

В настоящее время науки о геомагнетизме и атмосферном электричестве выглядят независимыми [1], [2]. Разделенность тем обусловлена неудачами физиков в попытках объединить два феномена на основе классической электродинамики на протяжении последнего столетия. По настоящее время земной шар считается электрически нейтральным, несущим только поверхностный отрицательный заряд величиной 5,9.105 Кл, который безнадежно мал для причины геомагнитного диполя или источника тока через атмосферу. Если же предположить, что заряд Земли на порядки

больший, чем принятый, то возникает многопорядковое расхождение расчетной напряженности приземного электрического поля заряда с фактической.

В современных моделях Земля с атмосферой, космическая среда и вселенная в целом принимаются электрически нейтральными. Нейтральность материи вытекает из закона Кулона и теоремы Гаусса, которые формируют базу современной электродинамики. Несмотря на безусловно понимавшуюся в течение ХХ века важность этих двух базовых соотношений для всей физики обе их записи до сих пор содержат серьезные дефекты:

Дефекты закона Кулона.

Закон был написан Кулоном в 1786 г., когда понятия поля не существовало, поэтому в записи закона параметр поля отсутствует. Закон был записан так, как будто заряды воздействуют друг на друга на расстоянии через пустоту (принцип дальнодействия). Запись не претендовала на описание механизма взаимодействия зарядов, т.е. была эмпирической. После введения Фарадеем в 1846 г. понятия центрального поля принцип дальнодействия был признан устаревшим и формально заменен на принцип близкодействия, т.е. на взаимодействие частиц и тел через поля, однако запись закона Кулона, нуждавшаяся при этом в модернизации, осталась без изменений: параметр поля в запись не был введен, материальная среда осталась абсолютно прозрачной для статического поля и пределы применимости закона не были откорректированы.

Дефект теоремы Гаусса.

Теорема появилась в 1839 г., т.е. практически одновременно с заключением Фарадея о существовании вокруг зарядов центральных полей (1846 г.). До настоящего времени теорему Гаусса рассматривают как математическую формулировку опытных данных Кулона и теоретическую базу электростатики. На протяжении века остался незамеченным серьезный дефект теоремы: теорема была выведена для центрального поля с силовыми линиями бесконечной длины. Бесконечная силовая линия неявно подразумевает абсолютную прозрачность материи для поля, что несовместимо с фактом силового взаимодействия элементов материи - протонов и электронов. Бесконечная силовая линия, воздействующая с силой на заряд, нарушает закон сохранения энергии. Физиками конца XIX и всего ХХ веков не было замечено, что математическая теорема Гаусса верна только в абстрактном пустом пространстве. В реальном пространстве, заполненном материей, теорема не действительна. Аналитические выражения, отображающие закон центрального взаимодействия в интегральной или дифференциальной форме, имеют другой вид [5, с. 43].

После признания физиками центрального поля как посредника при силовом взаимодействии частиц и тел записи Кулона, Ньютона и Гаусса нуждались в модернизации, в приведении их в соответствие с принципом близкодействия, однако в течение ХХ века это не было сделано.

Прямая проверка закона Кулона на расстояниях, превышающих размеры лаборатории, невозможна из-за трудностей учета всех внешних полей. Выполняемость закона может быть определена только путем сравнения его теоретических следствий с фактами внелабораторных масштабов. Первым внелабораторным проверочным масштабом записей закона Кулона и теоремы Гаусса является земная атмосфера, вторым - земной шар, третьим - Солнце, четвертым межзвездная среда. Дефектность обеих записей проявилась уже в первом и втором масштабах: в течение века не удалось установить количественной связи геомагнетизма с электричеством земных недр и атмосферным электричеством на основе классической электродинамики.

В условиях необъединяемости геомагнетизма и атмосферного электричества в каждой науке возникли свои теории. Так, для объяснения существования геомагнитного диполя была развита гипотеза т.н. гидромагнитного динамо -механизм самогенерации магнитного поля при вращении тела. Для описания его

работы был написан обширный набор магнитогидродинамических уравнений [1, с. 137], который, однако, не прояснил ни механизм генерации геомагнитного диполя, ни его поведение во времени.

Для решения проблем атмосферного электричества на протяжении века использовалась модель замкнутой электрической цепи с генераторами тока в облаках (грозовая гипотеза). Однако, эта простая модель до настоящего времени так и осталась гипотезой, поскольку неэлектрических процессов, приводящих к разделению зарядов в облаках (главное требование, предъявляемое к генератору электричества), обнаружено не было [2, с. 330].

Осознавая трудности, с которыми сталкивается атмосферное электричество, Дж. Чалмерс в своей монографии [2, с. 374] отметил опасность необоснованной экстраполяции закона Кулона на расстояния, на которых он не проверен, имея в виду масштабы, превышающие размеры лаборатории.

Представление об электрической нейтральности вселенной и космических тел, порожденное дефектами закона Кулона и теоремы Гаусса, по сей день затрудняют понимание явлений атмосферы, земных недр, Солнца и всей вселенной.

I. Основы физики близкодействия.

Решение проблем электричества внелабораторных масштабов открывается в физике, построенной на записи закона центрального взаимодействия в представлениях о взаимодействии частиц и тел через центральные поля, для которых материя непрозрачна, т.е. в соответствии с принципом близкодействия [3], [4], [5, с.259]. Запись имеет вид

= \\ ехр (- р г — ). (1)

г Р.е

Запись (1) представляет собой модернизацию, замену и объединение записей законов Ньютона и Кулона с учетом представления Фарадея о существовании у зарядов центральных полей с реальными радиальными силовыми линиями. Совокупность следствий новой записи формирует физику близкодействия.

В записи:

£ S2 = ^ QеlQе2 - G М^ , (2)

где Qe1Qe2 - электрические заряды, М^М^ - гравитационные (не инерционные) массы взаимодействующих тел.

= ^ Юе^е2 - QglQg2 ), (3)

где гравитационные заряды равны

Qg = (4 о ^Х. (4)

р = 1,3.1012 кг/м2, е = 7,5.102 кг/м2. (5)

Значения констант соответствуют:

- р - полной непрозрачности Солнца для поля протона,

- е - полной непрозрачности протона для поля электрона.

Эти значения констант подтверждаются следствиями в областях гео- и астрофизики [5, с. 52].

^ = 7 , Ге = 7 . (6)

Е = ^ ^ч £ ехр (- рг -1-)с1У. (7)

Напряженности полей протонов и электронов на поверхности равны:

Е= — ^ Е = (8)

р л р & е . е •

Р40РР 4 о Р

Т7 - 1 /-Чр! Чр2ч

ЕР1,2=го р - —), (9)

Ее1,2 = -Г- е (^ - (10)

ЧрЬ = Ч р о ЧеЬ = Чео (ц)

Рь р о Рь р о &

где qeb , qpb , qe0, qpo - плотности электрического и гравитационного зарядов в теле и среде (здесь и ниже все заряды, плотности зарядов и ток будут подразумеваться по параметру I), рь , ро - плотности массы в теле и окружающей среде в пределах радиусов ослабления полей (6).

^ = ^ = (4 о G)1/2. (12)

Измерения в космосе показывают, что объемные заряды протонов нейтрализуются зарядами электронов [6], поэтому условие (12) распространяется и на плотности зарядов электронов qebo, qeso, нейтрализующих заряды протонов:

ЧрЬ = Чр!> = - ЧеЬо = - Че Бо = (4 G)1/2 (13)

рь рБ рь рБ о •

Соотношение (13) выражает закон всемирного равновесия зарядов и масс.

II. Связь геомагнитного диполя с напряженностью электрического поля атмосферы.

Второе соотношение из (8) позволяет определить объемный заряд Земли, если известна напряженность электрического поля, создаваемая зарядами земных недр. У земной поверхности средняя напряженность поля составляет Е = 100 В/м. В логике физики близкодействия эта напряженность складывается из двух противонаправленных компонент: одна - Ее - от отрицательных объемных зарядов земных недр, вторая - Еа - от тоже отрицательных зарядов атмосферы

Е = Ее - Еа. (14)

(Согласно условиям (11) тропосфера содержит отрицательный заряд, который с высотой переходит в заряд космоса. Вертикальный градиент отношения плотностей заряда и массы в атмосфере обеспечивает непрерывность вертикального тока проводимости от земной поверхности до космической среды. Слой атмосферы, который участвует в формировании напряженности поля у земной поверхности, ограничивается радиусом ослабления (5) (6) и равен 6.102 м [5, с. 50]).

Для выделения поля зарядов только земных недр или хотя бы частичного исключения полей зарядов атмосферы следует выбрать максимальные измеряемые приземные величины напряженности поля атмосферы безоблачной погоды. Такие значения наблюдаются в горах, где напряженность поля достигает Етах= 500 В/м [2, с. 136].

После замены во втором выражении (8) отношения плотностей заряда и массы в земле qe/рe на отношение заряда и массы Земли Qe/Me выражение для вычисления объемного заряда Земли приобретает вид

Qe > 4 о 1 Ме Етах, (15)

Подстановка величин приводит к минимально возможному значению избыточного заряда Земли.

Qe = - 1,4.1014 Кл. (16)

Заряд (16) позволяет рассчитать магнитный диполь Земли де с помощью выражения для магнитного момента произвольного объемно заряженного вращающегося шара. В случае земного шара геомагнитный момент равен

М = \\ Qe Se ± (17)

где Se , - площадь большого круга Земли, Те - период суточного вращения.

Результат расчета

М = 8,3.1022 А м2 (18)

совпадает с общепринятыми оценками современного геомагнитного диполя.

Следует отметить, что геомагнитный диполь пропорционален избыточному (16), а не абсолютному отрицательному заряду Земли. Это следует из расчета отрицательного заряда Qeo, компенсирующего гравитационный заряд Земли Qg, который согласно закону всемирного равновесия зарядов и масс (13) равен

Qeo = - Qg = - Ме (4 о G)1/2 = - 5,0.1014 Кл. (19)

С учетом (19) суммарный абсолютный отрицательный заряд Земли равен

Qe аЬ* = Qeo + Qef = - 6,4.1014 Кл, (20)

который не удовлетворяет равенству ( 17).

Таким образом, соотношения (15) и (17) устанавливают количественную связь между избыточным зарядом Земли, геомагнитным диполем и напряженностью электрического приземного поля атмосферы.

III. Связь скорости ослабления геомагнитного диполя с электрическим током через атмосферу.

Из условия электрического равновесия тел со средой (11) следует, что циклические изменения плотностей заряда и массы в космосе должны приводить:

В частности, следует заключить, что современный избыточный отрицательный заряд Земли, ненулевой потенциал относительно космоса и наблюдаемый ток через атмосферу являются результатом современного отсутствия электродинамического равновесия Земли с космической средой вследствие другого значения отношения плотностей заряда и массы в космосе в прошедший период времени. В этих представлениях связь тока через атмосферу Ia с известной скоростью ослабления геомагнитного момента определяется из (17) зависимостью

^ = & Ia Se 1 . (21)

dt 5 a e Тз v &

Наблюдаемая современная скорость ослабления геомагнитного момента [1, с. 119] равна

- — = 7. 10-4 год-1. (22)

Она соответствует току через атмосферу

Это значение по порядку величины согласуется с оценками суммарного тока через атмосферу на основе точечных измерений плотностей тока на поверхности земли 1а ~ 1,5.103 А. Несовпадение числовых множителей может быть следствием методологических сложностей точечных измерений слабого атмосферного тока на местности.

IV. Другие характеристики заряженности Земли.

Величина современного объемного заряда Земли (16) и ток разрядки через атмосферу (23) соответствуют характерному времени перезарядки Земли

те = — = 1430 лет. (24)

Это время означает, что современный заряд был приобретён Землей в первые века нашей эры при другом значении отношения заряда к массе в космосе. В VI веке заряд Земли должен был быть примерно в 3 раза больше современного. До этого Земля могла заряжаться током из космоса обратного направления при разности потенциалов между Землей и космосом обратного знака. Этот вывод находит подтверждение в некоторых палеомагнитных измерениях, из которых следует, что в первые два века нашей эры магнитное поле Земли усиливалось со скоростью на порядок большей, чем современное ослабление [7]. Факт современного ослабления геомагнитного диполя и наблюдение электрического тока через атмосферу приводит к выводу о циклическом изменении в космосе отношения плотностей заряда и массы.

Представление об объемном заряжении земных масс по закону (13) удовлетворительно описывает не только величину геомагнитного момента, но и его детали. В частности, известное несовпадение оси геомагнитного диполя с осью вращения Земли и его прецессия могут объясняться:

Заключение.

Из построений на основе физики близкодействия следует, что феномены электричества атмосферы, электричества земных недр и геомагнетизма находятся в простых качественных и количественных связях. При этом

К следствиям модели Земли физики близкодействия следует прибавить решаемость проблемы нагрева Земли и атмосферы. Эта тема будет рассмотрена отдельно.

Список литературы / References