Магнитное и электрическое поле Земли

В околоземном пространстве магнитное поле Солнца вступает во взаимодействие с магнитным полем Земли. Здесь мы отметим только два характерных момента этого взаимодействия, но именно они определяют всю дальнейшую логику статьи:

1. Магнитное поле Солнца (солнечный ветер) деформирует магнитное поле Земли.
2. Магнитное поле Солнца воздействует на скорость вращения магнитного поля Земли. С увеличением расстояния от Земли скорость вращения магнитного поля Земли замедляется вплоть до полной остановки вращения.

  Первый пункт данных тезисов в комментарии не нуждается, здесь мы только констатируем факт общепризнанный моровой наукой и хорошо проиллюстрированный на схемах взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем Земли.

   А вот по поводу второго пункта современная наука пока не вымолвила ни слова, почему-то до сих пор никого из ученых эта сторона вопроса не заинтересовала. А по сему, есть необходимость  привести соответствующие доказательства и дать разъяснения. Во-первых, на тех же схемах взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем Земли видно, что чем дальше от поверхности Земли, тем заметней, что магнитное поле Земли перестает быть телом вращения, оно теряет симметрию относительно любой оси, какую бы мы не провели. Самая видимая часть этого явления – это поджатость магнитного поля Земли со стороны прихода солнечного ветра (со стороны Солнца) и вытянутость магнитного поля в обратном направлении, так называемый хвост магнитного поля Земли.

Во-вторых, даже теоретически трудно себе представить вариант существования независимых магнитных полей Солнца и Земли, то есть вариант, исключающий их влияние друг на друга. Магнитные поля, как и другие реальные физические объекты, ведут борьбу за пространство. И если, какая-то область пространства уже занята физическим объектом, то другой физический объект может занять данное пространство только путем физического воздействия второго объекта на первый. Очень грубый пример на эту тему  из бытовой жизни, но наглядный. Если Вы входите в общественный транспорт, то сесть можете только на свободное место, а чтобы сесть на занятое нужно вступать во взаимодействие с тем человеком, чье место вы претендуете заполучить. Вот так же и в других физических объектах, в том числе и магнитных полях.

Магнитное поле Солнца естественно к суточному вращению Земли никакого отношения не имеет, и вот там, в околоземном пространстве, сталкиваются интересы вращающегося магнитного поля Земли и не вращающегося (понятие чисто условное) магнитного поля Солнца. Если на расстояниях близких к Земле (на малых высотах) величина магнитного поля Земли еще вполне достаточная чтобы  довлеть над магнитным полем Солнца и навязывать  то состояние, которое характерно полю Земли, то есть вращаться вместе с суточным вращением Земли, то чем выше, тем это влияние уменьшается. Сначала где-то там вверху должен располагаться переходный слой, где влияние обоих полей Земли и Солнца значительны, а еще выше поле Солнца задавливает поле Земли и навязывает свой характер поведения. Вот говоря про такую область, мы должны иметь в виду, что там магнитная среда (как вид реально существующей материи) почти исключительно подчиняется законам более сильного, в данном случае Солнца. И там о вращении магнитной среды вместе с Землей не может быть и речи.

Достаточно любопытный момент на эту тему, Солнце тоже вращается вокруг своей оси, и магнитное поле Солнца обязано вращаться вместе с ним. Вблизи так оно и происходит, но чем дальше от поверхности Солнца, тем сильнее вращение магнитного поля Солнца начинает отставать от вращения самого Солнца. Это проявляется в характерном закручивании магнитных силовых линий Солнца в характерную спираль. Например, на расстояниях орбиты Земли такое закручивание в спираль уже имеет весьма существенную величину, и оно всегда учитывается современной наукой и отображается на схемах. Так что, процесс сначала замедления вращения магнитного поля Земли (в зависимости от высоты), а затем и его полная остановка не является каким-то исключительным процессом, а наоборот является очень даже типичным и соответствующим всем законам логики поведения материальных сред.

  Электрическое поле Земли – следствие взаимодействия магнитных полей Земли и Солнца

В электродинамике нет законов электромагнетизма отдельно, например, для магнитного поля Земли или Солнца, а есть законы относительно магнитного поля вообще. И, например, чтобы определить действие той же силы Лоренца, нужно знать относительную скорость заряженной частицы относительно магнитного поля в данной точке пространства. Теперь, учитывая все выше приведенные рассуждения мы должны, чтобы определить действие силы Лоренца на заряженную частицу над поверхностью Земли,  знать не только силу магнитного поля в исследуемой точке пространства, но и скорость перемещения этого поля относительно выбранной нами системы координат.

Если бы магнитное поле Земли существовало изолированно от магнитного поля Солнца, то действуя в системе координат,  жестко связанной с вращающейся Землей, мы имели бы зависимость силы Лоренца от скорости движения частицы относительно данной системы координат. Но так как мы выяснили, на значительных высотах над Землей уже нельзя пользоваться подобной системой координат, а нужно определять реальную скорость перемещения магнитного поля относительно обсуждаемой нами системы координат и уже в уравнения электродинамики, для определения  силы Лоренца, подставлять эти реально полученные значения.

Пока нет теоретических вычислений отставания вращения магнитного поля Земли от системы координат жестко связанной с вращающейся Землей, поэтому мы не можем сказать при ионизации какой-то молекулы воздуха в атмосфере Земли будет ли на заряды действовать разделяющая сила Лоренца, нужно дополнительно выяснять скорость движения образовавшихся ионов относительно магнитного поля в этой точке пространства. Мы только заранее можем сказать, если есть движение относительно магнитного поля, то сила Лоренца будет производить разделение образовавшихся ионов, так как на электрические заряды разного знака сила Лоренца действует разнонаправлено. Встает вопрос, есть ли относительное движение между атмосферой Земли и результирующим магнитным полем. Если в пределах атмосферы Земли такое относительное движение есть, то по законам электромагнетизма сила Лоренца должна разделять электрические заряды и автоматом приводить к существованию электрического поля Земли.

   Давайте рассмотрим, пока чисто теоретический вопрос, на высоте нескольких километров над поверхностью Земли результирующее магнитное поле уже не вращается вместе с Землей. Тогда между атмосферой Земли и магнитным полем существует относительное движение равное линейной скорости вращения Земли на данной высоте, так как атмосфера Земли вращается вместе с Землей, а магнитное поле по нашему теоретическому предположению уже не вращается. Вычислим силу Лоренца для данного, пока чисто теоретического варианта. Для вычисления силы Лоренца примем  магнитную индукцию 0,5 Тл, линейную скорость вращения как на экваторе 465 м/сек. Посчитать не сложно, что в нашем чисто теоретическом варианте сила Лоренца получится около 0,2 в/м. Добавим, действовать она будет так, что отрицательный заряд должен стекать на Землю, а положительный подниматься в верхние слои атмосферы (по закону левой руки). 

Ели попытаться приписать существование реального электрического поля Земли действию данной силы Лоренца, то направление действия этой силы нас устраивает, но вот величина раз 1000 меньше реальной. На первый взгляд, кажется вариант динамо-машины, а мы пришли именно к такому варианту, источником реального электрического поля Земли быть не может в виду своей малости. Но давайте посмотрим, что происходит на условных нитях магнитного поля Земли под действием вычисленной нами силы Лоренца. Как известно из науки вокруг силовых линий магнитного поля вращаются отрицательно заряженные частицы – электроны и положительные  протоны. Любопытный момент масса электрона меньше массы протона примерно в 1000 раз. Если магнитная силовая линия имеет наклон к оси вращения Земли, то искомая нами сила Лоренца будет иметь и проекцию на эту силовую линию, то есть сила Лоренца ускоряет заряженные частицы вдоль линии и заставляет их двигаться не по окружности, а по спирали. Причем ускорение электрона больше ускорения протона во столько раз во сколько раз меньше его масса, то есть в 1000 раз, ток проекция силы Лоренца в том и другом случае одинакова. 

А теперь представьте себе, если бы процесс заполнения магнитных линий начался с нуля, в какой- то момент времени, частицы, вращаясь по спирали, устремились бы вдоль магнитных силовых линий к Земле, причем электроны двигались бы в 1000 раз быстрее протонов. Естественно в этих условиях отрицательный заряд, стекая на Землю быстрее положительного, будет все сильнее ее заряжать отрицательным зарядом. Отрицательно заряженная поверхность земли будет замедлять скорость стекания электронов, пока скорости стекания электронов и протонов уравняются. Самое интересное, это посчитать не сложно, запорная разности потенциалов, выравнивающая скорости стекания на поверхность земли электронов и протонов должна быть порядка существующего электрического поля. Таким образом, мы установили механизм, который электрическое поле, созданное силой Лоренца от относительного движения атмосферы и магнитного поля, усиливает это электрическое поле в 1000 раз. Мы теоретическим образом пришли к выводу, что движение магнитного поля относительно атмосферы должно создавать электрическое поле, совпадающее с существующим полем по величине и направлению.