Небесное тело, именуемое планета Земля, имеет электрический заряд, который создает естественное электрическое поле Земли. Одна из характеристик электрического поля - это потенциал, и электрическое поле Земли также характеризуется потенциалом. Также можно сказать, что кроме естественного электрического поля имеется и естественный постоянный электрический ток (DC) планеты Земля. Градиент потенциала Земли распределяется от ее поверхности до ионосферы. В хорошую для статического электричества погоду электрическое поле атмосферы составляет приблизительно 150 вольт на метр (В/м) вблизи поверхности Земли, но эта величина падает экспоненциально с увеличением высоты до 1 В/м и меньше (на высоте 30 км). Причиной снижения градиента является в том числе и рост проводимости атмосферы.
Если надеть одежду из хорошего изолятора, являющегося отличным диэлектриком, например одежда из нейлона, а обувь использовать исключительно резиновую, при этом не иметь на поверхности одежды никаких металлических предметов, тогда между поверхностью земли и макушкой головы можно померить разность потенциалов. Так как каждый метр составляет 150 Вольт, то при росте 170 см, на макушке будет относительно поверхности разность потенциалов в 1,7x150=255 Вольт. Если на голову надеть металлическую кастрюлю, то на ней соберется поверхностный заряд. Причина такого собирания заряда в том, что одежда из нейлона является хорошим изолятором, а обувь резиновая. Заземление, то есть проводящий контакт с поверхностью земли отсутствует. Для того, чтобы не накапливать на себе электрические заряды, необходимо «заземляться». Точно также предметы, вещи, здания и сооружения, особенно высотные, способны накапливать атмосферное электричество. Это может привести к неприятным последствиям, так как любой накопленный заряд может стать причиной электрического тока и искрового пробоя в газах. Такие электростатические разряды могут вывести из строя электронику и быть причиной пожаров, особенно для легковоспламеняющихся веществ.
Чтобы не копить заряды атмосферного электричества достаточно соединить верхнюю точку с нижней (земля) электрическим проводником, а если площадь является большой, то заземление выполняют в виде клетки, контура, но, по сути, используют то, что именуется «клетка Фарадея».
Характеристики атмосферного электричества
Земля заряжена отрицательно, и имеет заряд равный 500000 Кулонам (Кл) электрического заряда. Разность потенциалов составляет величину от 300000 Вольт (300 кВ), если рассматривать напряжение между положительно заряженной ионосферой и поверхностью Земли. Также существует постоянный ток электричества, величиной порядка 1350 Ампер (А), и сопротивление атмосферы Земли составляет около 220 Ом. Это дает выходную мощность приблизительно 400 мегаватт (МВт), которая регенерируется деятельностью Солнца. Эта мощность влияет на ионосферу Земли, а также на более низкие слои, что вызывает грозы. Электрическая энергия, которая хранится и запасается в земной атмосфере составляет около 150 гигаджоулей (ГДж).
Система «Земля-Ионосфера» действует как гигантский конденсатор, емкость которого составляет 1,8 Фарад. Учитывая громадный размер площади поверхности Земли, на 1 квадратный метр поверхности приходится всего лишь 1 нКл электрического заряда.
Электросфера Земли простирается от уровня моря на высоту около 60 км. В верхних слоях, там где много свободных ионов и эта часть сферы называется ионосферой, проводимость максимальная, так как есть свободные носители зарядов. Потенциал в ионосфере можно сказать выровнен, так как эта сфера по сути считается проводником электрического тока, в ней существуют токи в газах и ток переноса. Источником свободных ионов является радиоактивность Солнца. Поток заряженных частиц, идущих от Солнца и из космоса «выбивает» электроны из молекул газа, что приводит к ионизации. Чем выше от поверхности моря, тем меньше проводимость атмосферы. У поверхности моря электропроводность воздуха составляет порядка 10 -14 Сименс/м (См/м), но она быстро растет по мере увеличения высоты, и на высоте 35 км составляет уже 10 -11 См/м. На такой высоте плотность воздуха составляет всего 1% от той, что у поверхности моря. Дальше, с ростом высоты проводимость меняется неоднородно, потому как оказывает влияние магнитное поле Земли и потоки фотонов от Солнца. Это значит, что проводимость электросферы выше 35 км от уровня моря неоднородна, зависит от времени суток (поток фотонов) и от географического места (магнитное поле Земли).
Для того, чтобы произошел электрический пробой между двумя плоскими параллельными электродами (расстояние между которыми 1 метр), которые находятся на уровне поверхности моря, при сухом воздухе, необходима напряженность поля в размере 3000 кВ/м. Если же эти электроды поднять на высоту 10 км от уровня моря, то потребуется всего лишь 3% от такой напряженности, то есть достаточно 90 кВ/м. Если же электроды сблизить так, что расстояние между ними будет 1 мм, тогда потребуется в 1000 раз меньшее напряжение для пробоя, то есть 3 кВ (уровень моря) и 9 В (на высоте 10 км).
Естественная величина напряженности электрического поля Земли у ее поверхности (уровень моря) составляет порядка 150 В/м, что гораздо меньше значений необходимых для пробоя между электродами даже в промежутке 1 мм (требуется 3 кВ/м).
Откуда берется потенциал электрического поля Земли?
Как было уже выше сказано, Земля представляет собой конденсатор, одна обкладка которого поверхность Земли, а другая обкладка суперконденсатора - это область ионосферы. На поверхности Земли заряд отрицательный, а за ионосферой - положительный. Также как и поверхность Земли, ионосфера также является проводником, а слой атмосферы между ними представляет собой неоднородный газовый диэлектрик. Положительный заряд ионосферы образуется за счет космического излучения, но что же заряжает поверхность Земли отрицательным зарядом?
Для наглядности необходимо вспомнить, как заряжается обычный электротехнический конденсатор. Его включают в электрическую цепь к источнику тока, и он заряжается до максимального значения напряжения на обкладках. Для такого конденсатора как Земля, происходит нечто подобное. Точно также должен включатся некий источник, протекать ток, и на обкладках образуются разноименные заряды. Вспомните про молнии, которые обычно сопровождаются грозами. Эти молнии и есть та самая электрическая цепь, которая заряжает Землю.
Именно молнии, бьющие на поверхность, Земли являются тем источником, которые заряжают поверхность Земли отрицательным зарядом. Молния имеет ток порядка 1800 Ампер, а количество гроз и молний за сутки более 300. Грозовое облако имеет полярность. Верхняя ее часть на высоте примерно 6-7 км при температуре воздуха около -20°С заряжена положительно, а нижняя часть на высоте 3-4 км при температуре воздуха от 0° до -10°С отрицательно. Заряда нижней части грозового облака хватает, чтобы создать разность потенциалов с поверхностью Земли в 20-100 миллионов вольт. Заряд молнии обычно составляет порядка 20-30 Кулон (Кл) электричества. Молнии бьют разрядами между тучами и между тучами и поверхностью Земли. Для каждой перезарядки требуется около 5 секунд, поэтому с такой очередностью могут идти разряды молний, но это еще не значит, что через 5 секунд обязательно произойдет разряд.
Молнии
Атмосферный разряд в виде молнии имеет довольно сложную структуру. Во всяком случае - это явление электрического тока в газах , которое происходит при достижении необходимых условий для газового пробоя, то есть ионизации молекул воздуха. Самое любопытное, что атмосфера Земли действует как непрерывная динамомашина, которая заряжает поверхность Земли отрицательно. Каждый разряд молнии бьет при условии, что поверхность Земли лишена отрицательных зарядов, что обеспечивает необходимую разность потенциала для разряда (газовой ионизации).
Как только молния ударяет в землю, отрицательный заряд перетекает на поверхность, но после этого нижняя часть грозового облака оказывается разряженной и ее потенциал меняется, он становится положительным. Далее происходит обратный ток и избыток заряда, попавший на поверхность Земли, движется вверх, заряжая грозовую тучу вновь. После этого процесс может повториться снова, но с меньшими значениями электрического напряжения и тока. Так происходит до тех пор, пока существуют условия для ионизации газов, необходимая разность потенциалов и избыток отрицательного электрического заряда.
Подытожив можно сказать, что молния бьет ступенчато, тем самым создавая электрическую цепь по которой течет ток в газах, чередуясь по направлению. Каждая перезарядка молнии длится около 5 секунд и бьет, только когда для этого существуют необходимые условия (пробойное напряжение и ионизация газов). Напряжение между началом и концом молнии может составлять порядка 100 млн. Вольт, а средняя величина тока около 1800 Ампер. Величина тока в пике достигает более 10000 Ампер, а переносимый заряд равен 20-30 Кулонам электричества.
Глобальный конденсатор
В природе существует совершенно уникальный альтернативный источник энергии, экологически чистый, возобновляемый, простой в использовании, который до сих пор нигде не используется. Источник этот — атмосферный электрический потенциал.
Наша планета в электрическом отношении представляет собой подобие сферического конденсатора, заряженного примерно до 300 000 вольт. Внутренняя сфера — поверхность Земли — заряжена отрицательно, внешняя сфера — ионосфера — положительно. Изолятором служит атмосфера Земли (Рис.1).
Через атмосферу постоянно протекают ионные и конвективные токи утечки конденсатора, которые достигают многих тысяч ампер. Но несмотря на это разность потенциалов между обкладками конденсатора не уменьшается.
А это значит, что в природе существует генератор (G), который постоянно восполняет утечку зарядов с обкладок конденсатора. Таким генератором является магнитное поле Земли , которое вращается вместе с нашей планетой в потоке солнечного ветра.
Чтобы воспользоваться энергией этого генератора, нужно каким то образом подключит к нему потребитель энергии.
Подключиться к отрицательному полюсу — Земле — просто. Для этого достаточно сделать надежное заземление. Подключение к положительному полюсу генератора — ионосфере — является сложной технической задачей, решением которой мы и займемся.
Как и в любом заряженном конденсаторе, в нашем глобальном конденсаторе существует электрическое поле. Напряженность этого поля распределяется очень неравномерно по высоте: она максимальна у поверхности Земли и составляет примерно 150 В/м. С высотой она уменьшается приблизительно по закону экспоненты и на высоте 10 км составляет около 3% от значения у поверхности Земли.
Таким образом, почти всё электрическое поле сосредоточено в нижнем слое атмосферы, у поверхности Земли. Вектор напряженности эл. поля Земли E направлен в общем случае вниз. В своих рассуждениях мы будем использовать только вертикальную составляющую этого вектора. Электрическое поле Земли, как и любое электрическое поле, действует на заряды с определенной силой F, которая называется кулоновской силой. Если умножить величину заряда на напряженность эл. поля в этой точке, то получим как раз величину кулоновской силы Fкул.. Эта кулоновская сила толкает положительные заряды вниз, к земле, а отрицательные — вверх, в облака.
Проводник в электрическом поле
Установим на поверхности Земли металлическую мачту и заземлим ее. Внешнее электрическое поле моментально начнет двигать отрицательные заряды (электроны проводимости) вверх, к верхушке мачты, создавая там избыток отрицательных зарядов. А избыток отрицательных зарядов на верхушке мачты создаст свое электрическое поле, направленное навстречу внешнему полю. Наступает момент, когда эти поля сравняются по величине, и движение электронов прекращается. Это значит, что в проводнике, из которого сделана мачта, электрическое поле равно нулю.
Так работают законы электростатики.
Положим высота мачты h = 100 м., средняя напряженность по высоте мачты Еср. = 100 В/м.
Тогда разность потенциалов (э.д.с.) между Землей и верхушкой мачты будет численно равна: U = h * Eср. = 100 м * 100 В/м = 10 000 вольт. (1)
Это — совершенно реальная разность потенциалов, которую можно измерить. Правда, обычным вольтметром с проводами измерить ее не удастся — в проводах возникнет точно такая же э.д.с., как и в мачте, и вольтметр покажет 0. Эта разность потенциалов направлена противоположно вектору напряженности Е электрического поля Земли и стремится вытолкнуть электроны проводимости из верхушки мачты вверх, в атмосферу. Но этого не происходит, электроны не могут покинуть проводник. У электронов недостаточно энергии для того, чтобы покинуть проводник, из которого сделана мачта. Эта энергия называется работой выхода электрона из проводника и для большинства металлов она составляет менее 5 электронвольт — величина весьма незначительная. Но электрон в металле не может приобрести такую энергию между столкновениями с кристаллической решеткой металла и поэтому остается на поверхности проводника.
Возникает вопрос: что произойдет с проводником, если мы поможем избыточным зарядам на верхушке мачты покинуть этот проводник?
Ответ простой: отрицательный заряд на верхушке мачты уменьшится, внешнее электрическое поле внутри мачты уже не будет скомпенсировано и начнет снова двигать электроны проводимости вверх к верхнему концу мачты. Значит, по мачте потечет ток. И если нам удастся постоянно удалять избыточные заряды с верхушки мачты, в ней постоянно будет течь ток. Теперь нам достаточно разрезать мачту в любом, удобном нам месте и включить туда нагрузку (потребитель энергии) — и электростанция готова.
На рис.3 показана принципиальная схема такой электростанции. Под действием электрического поля Земли электроны проводимости из земли движутся по мачте через нагрузку и далее вверх по мачте к эмиттеру, который освобождает их из поверхности металла верхушки мачты и отправляет их в виде ионов в свободное плавание по атмосфере. Электрическое поле Земли в полном соответствии с законом Кулона поднимает их вверх до тех пор, пока они на своем пути не будут нейтрализованы положительными ионами, которые всегда опускаются вниз из ионосферы под действием того же поля.
Таким образом, мы замкнули электрическую цепь между обкладками глобального электрического конденсатора, который в свою очередь подключен к генератору G, и включили в эту цепь потребитель энергии (нагрузку). Остается решить один важный вопрос: каким образом удалять избыточные заряды с верхушки мачты?
Конструкция эмиттера
Простейшим эмиттером может служить плоский диск из листового металла с множеством иголок, расположенных по его окружности. Он «насажен» на вертикальную ось и приведен во вращение.
При вращении диска набегающий влажный воздух срывает электроны с его иголок и таким образом освобождает их из металла.
Электростанция с подобным эмиттером уже существует. Правда, ее энергию никто не использует, с нею борются.
Это — вертолет, несущий на длинном металлическом стропе металлическую конструкцию при монтаже высоких строений. Здесь есть все элементы электростанции, изображенной на рис.3, за исключением потребителя энергии (нагрузки). Эмиттером являются лопасти винтов вертолета, которые обдуваются потоком влажного воздуха, мачтой служит длинный стальной строп с металлической конструкцией. И рабочие, которые устанавливают эту конструкцию на место, прекрасно знают, что прикасаться к ней голыми руками нельзя — «ударит током». И дейсвительно, они в этот момент становятся нагрузкой в цепи электростанции.
Безусловно, возможны и другие конструкции эмиттеров, более эффективные, сложные, основанные на разных принципах и физических эффектах см. рис. 4-5.
Эмиттера в виде готового изделия сейчас не существует. Каждый заинтересованный в этой идее вынужден самостоятельно сконструировать себе свой эмиттер.
В помощь таким творческим людям автор приводит ниже свои соображения по конструкции эмиттера.
Наиболее перспективными представляются следующие конструкции эмиттеров.
Первый вариант исполнения эмиттера
Молекула воды имеет хорошо выраженную полярность и может легко захватить свободный электрон. Если обдувать паром заряженную отрицательно металлическую пластину, то пар будет захватывать с поверхности пластины свободные электроны и уносить их с собой. Эмиттер представляет собой щелевое сопло, вдоль которого помещен изолированный электрод А и на который подается положительный потенциал от источника И. Электрод А и острые края сопла образуют небольшую заряженную емкость. Свободные электроны собираются на острых краях сопла под воздействием положительного изолированного электрода А. Проходящий через сопло пар срывает электроны с краев сопла и уносит их в атмосферу. На рис. 4 изображено продольное сечение этой конструкции. Поскольку электрод А изолирован от внешней среды, тока в цепи источника э.д.с. нет. И этот электрод нужен здесь только для того, чтобы вместе с острыми краями сопла создать в этом промежутке сильное электрическое поле и концентрировать электроны проводимости на краях сопла. Таким образом, электрод А с положительным потенциалом является своего рода активирующим электродом. Меняя на нем потенциал, можно добиться нужной величины силы тока эмиттера.
Возникает очень важный вопрос — сколько пара нужно подавать через сопло и не получится ли так, что всю энергию станции придется израсходовать на превращение воды в пар? Проведем небольшой подсчет.
В одной граммолекуле воды (18 мл) содержится 6,02 * 1023 молекул воды (число Авогадро). Заряд одного электрона равен 1,6 * 10 (- 19) Кулона. Перемножив эти величины, получим, что на 18 мл воды можно разместить 96 000 Кулонов электрического заряда, а на 1 литре воды — более 5 000 000 Кулонов. А это значит, что при токе 100 А одного литра воды хватит для работы установки в течение 14 часов. Для превращения в пар такого количества воды потребуется совсем небольшой процент вырабатываемой энергии.
Конечно, прицепить к каждой молекуле воды электрон — задача вряд ли выполнимая, но мы здесь определили предел, к которому можно постоянно приближаться, совершенствуя конструкцию устройства и технологии.
Кроме того, расчеты показывают, что энергетически выгоднее продувать через сопло не пар, а влажный воздух, регулируя его влажность в нужных пределах.
Второй вариант исполнения эмиттера
На вершине мачты установлен металлический сосуд с водой. Сосуд соединен с металлом мачты надежным контактом. В середине сосуда установлена стеклянная капиллярная трубка. Уровень воды в трубке выше, чем в сосуде. Это создает электростатический эффект острия — в верхней части капиллярной трубки создается максимальная концентрация зарядов и максимальная напряженность электрического поля.
Под действием электрического поля вода в капиллярной трубке поднимется и будет распыляться на мелкие капельки, унося с собой отрицательный заряд. При определенной небольшой силе тока вода в капиллярной трубке закипит, и уже пар будет уносить заряды. А это должно увеличить ток эмиттера.
В таком сосуде можно установить несколько капиллярных трубок. Сколько потребуется воды — расчеты см. выше.
Третий вариант исполнения эмиттера. Искровой эмиттер.
При пробое искрового промежутка вместе с искрой из металла выскакивает облако электронов проводимости.
На рис.5 показана принципиальная схема искрового эмиттера. От генератора высоковольтных импульсов отрицательные импульсы поступают на мачту, положительные — на на электрод, который образует искровой промежуток с верхушкой мачты. Получается нечто подобное автомобильной свече зажигания, но по устройству значительно проще.
Генератор высоковольтных импульсов принципиально мало чем отличается от обычной бытовой газовой зажигалки китайского производства с питанием от одной пальчиковой батарейки.
Главное достоинство такого устройства — возможность регулировать ток эмиттера с помощью частоты разрядов, величины искрового промежутка, можно сделать несколько искровых промежутков и пр.
Генератор импульсов можно установить в любом удобном месте, совсем не обязательно на верхушке мачты.
Но существует один недостаток — искровые разряды создают радиопомехи. Поэтому верхушку мачты с искровыми промежутками нужно экранировать цилиндрической сеткой, обязательно изолированной от мачты.
Четвертый вариант исполнения эмиттера
Еще одна возможность — создать эмиттер на принципе прямой эмиссии электронов из материала эмиттера. Для этого нужен материал с очень низкой работой выхода электрона. Такие материалы существуют давно, например, паста из оксида бария-0,99 эв. Возможно, сейчас есть что-либо получше.
В идеале это должен быть комнатнотемпературный сверхпроводник (КТСП), которых пока не существует в природе. Но по разным сообщениям он должен скоро появиться. Здесь вся надежда на нанотехнологии.
Достаточно поместить на верхушку мачты кусок КТСП — и эмиттер готов. Проходя по сверхпроводнику, электрон не встречает сопротивления и очень быстро приобретает энергию, необходимую для выхода из металла (около 5 эв.)
И еще одно важное замечание. По законам электростатики иапряженность электрического поля Земли наиболее высока на возвышенностях — на вершинах холмов, сопок, гор и т. п. В низинах, впадинах и углублениях она минимальна. Поэтому такие устройства лучше строить на самых высоких местах и подальше от высоких строений или же устанавливать их на крышах самых высоких строений.
Еще хорошая идея — поднять проводник с помощью аэростата. Эмиттер, конечно, нужно устанавливать на верху аэростата. В таком случае можно получить достаточно большой потенциал для самопроизвольной эмиссии электронов из металла, придав ему форму отрия, и, значит, никаких сложных эмиттеров в этом случае не потребуется.
Существует еще одна хорошая возможность получить эмиттер. В промышленности применяется электростатическая окраска металла. Распыленная краска, вылетая из распылителя, несет на себе электрический заряд, в силу чего и оседает на окрашиваемый металл, на который подается заряд противоположного знака. Технология отработана.
Такое устройство, которое заряжает распыленную краску, как раз и является настоящим эмиттером эл. зарядов. Остается только приспособить его к описанной выше установке и заменить краску водой, если возникнет необходимомть в воде.
Вполне возможно, что влаги, всегда содержащейся в воздухе, будет достаточно для работы эмиттера.
Не исключено, что в промышленности существуют и другие подобные устройства, которые легко можно превратить в эмиттер.
Выводы
В результате наших действий мы подключили потребитель энергии к глобальному генератору электрической энергии. К отрицательному полюсу — Земле — мы подключились с помощью обычного металлического проводника (заземления), а к положительному полюсу — ионосфере — с помощью весьма специфического проводника — конвективного тока. Конвективные токи — это электрические токи, обусловленные упорядоченным переносом заряженных частиц. В природе они встречаются часто. Это и обычные конвективные восходящие струи, которые несут отрицательные заряды в облака, это и смерчи (торнадо). которые тащат к земле сильно заряженную положительными зарядами облачную массу, это и восходящие потоки воздуха во внутритропической зоне конвергенции, которые уносят огромное количество отрицательных зарядов в верхние слои тропосферы. И такие токи достигают очень больших значений.
Если мы создадим достаточно эффективный эмиттер, который сможет освобождать из верхушки мачты (или нескольких мачт), положим, 100 кулонов зарядов в секунду (100 ампер.), то мощность построенной нами электростанции будет равна 1000 000 ватт или 1 мегаватт. Вполне достойная мощность!
Такая установка незаменима в отдаленных поселениях, на метеостанциях и других удаленных от цивилизации местах.
Из вышесказанного можно сделать следующие выводы:
Источник энергии является исключительно простым и удобным в использовании.
На выходе получаем самый удобный вид энергии — электроэнергию.
Источник экологически чист: никаких выбросов, никакого шума и т.п.
Установка исключительно проста в изготовлении и эксплуатации.
Исключительная дешевизна получаемой энергии и еще масса других достоинств.
Электрическое поле Земли подвержено колебаниям: зимой оно сильнее, чем летом, ежедневно оно достигает максимума в 19 часов по Гринвичу, также зависит от состояния погоды. Но эти колебания не превышают 20% от его среднего значения.
В некоторых редких случаях при определенных погодных условиях напряженность этого поля может увеличиться в несколько раз.
Во время грозы эл.поле изменяется в больших пределах и может изменить направление на противоположное, но это происходит на небольшой площади непосредственно под грозовой ячейкой.
Курилов Юрий Михайлович
Электрическое поле Земли, естественное электрическое поле Земли как планеты, которое наблюдается в твёрдом теле Земли, в морях, в атмосфере и магнитосфере. Э. п. 3. обусловлено сложным комплексом геофизических явлений. Распределение потенциала поля несёт в себе определённую информацию о строении Земли, о процессах, протекающих в нижних слоях атмосферы, в ионосфере, магнитосфере, а также в ближнем межпланетном пространстве и на Солнце.
Методика измерения Э. п. 3. определяется той средой, в которой наблюдается поле. Наиболее универсальный способ - определение разности потенциалов при помощи разнесённых в пространстве электродов. Этот способ применяется при регистрации земных токов (см. Теллурические токи ), при измерении с летательных аппаратов электрического поля атмосферы, а с космических аппаратов - магнитосферы и космического пространства (при этом расстояние между электродами должно превышать дебаевский радиус экранирования в космической плазме, т. е. составлять сотни метров).
Существование электрического поля в атмосфере Земли связано в основном с процессами ионизации воздуха и пространственным разделением возникающих при ионизации положительных и отрицательных электрических зарядов. Ионизация воздуха происходит под действием космических лучей ультрафиолетового излучения Солнца; излучения радиоактивных веществ, имеющихся на поверхности Земли и в воздухе; электрических разрядов в атмосфере и т. д. Многие атмосферные процессы: конвекция образование облаков, осадки и другие - приводят к частичному разделению разноимённых зарядов и возникновению атмосферных электрических полей (см. Атмосферное электричество ). Относительно атмосферы поверхность Земли заряжена отрицательно.
Существование электрического поля атмосферы приводит к возникновению токов, разряжающих электрический «конденсатор» атмосфера - Земля. В обмене зарядами между поверхностью Земли и атмосферой значительную роль играют осадки. В среднем осадки приносят положительных зарядов в 1,1-1,4 раза больше, чем отрицательных. Утечка зарядов из атмосферы восполняется также за счёт токов, связанных с молниями и отеканием зарядов с остроконечных предметов (острий). Баланс электрических зарядов, приносимых на земную поверхность площадью 1 км 2 за год, можно характеризовать следующими данными:
Ток проводимости + 60 к/(км 2 ·год)
Токи осадков + 20 »
Разряды молний – 20 »
Токи с остриёв – 100 »
__________________________
Всего – 40 к/(км 2 ·год)
На значительной части земной поверхности - над океанами - токи с остриёв исключаются, и здесь будет положительный баланс. Существование статического отрицательного заряда на поверхности Земли (около 5,7× 10 5 к ) говорит о том, что эти токи в среднем сбалансированы.
Электрические поля в ионосфере обусловлены процессами, протекающими как в верхних слоях атмосферы, так и в магнитосфере. Приливные движения воздушный масс, ветры, турбулентность - всё это является источником генерации электрического поля в ионосфере благодаря эффекту гидромагнитного динамо (см. Земной магнетизм ) Примером может служить солнечно-суточная электрическая токовая система, которая вызывает на поверхности Земли суточные вариации магнитного поля. Величина напряжённости электрического поля в ионосфере зависит от местоположения точки наблюдения, времени суток, общего состояния магнитосферы и ионосферы, от активности Солнца. Она колеблется от нескольких единиц до десятков мв /м, а в высокоширотной ионосфере достигает ста и более мв/м. При этом сила тока доходит до сотен тысяч ампер. Из-за высокой электропроводности плазмы ионосферы и магнитосферы вдоль силовых линий магнитного поля Земли электрического поля ионосферы переносятся в магнитосферу, а магнитосферные поля в ионосферу.
Одним из непосредственных источников электрического поля в магнитосфере является солнечный ветер . При обтекании магнитосферы солнечным ветром возникает эдс Е = v ´ b ^ , где b ^ - нормальная компонента магнитного поля на поверхности магнитосферы, v - средняя скорость частиц солнечного ветра.
Эта эдс вызывает электрические токи, замыкающиеся обратными токами, текущими поперёк хвоста магнитосферы (см. Земля ). Последние порождаются положительными пространственными зарядами на утренней стороне хвоста магнитосферы и отрицательными - на его вечерней стороне. Величина напряженности электрического поля поперёк хвоста магнитосферы достигает 1 мв /м. Разность потенциалов поперёк полярной шапки составляет 20-100 кв.
Ещё один механизм возбуждения эдс в магнитосфере связан с коллапсом противоположно направленных силовых линий магнитного поля в хвостовой части магнитосферы; освобождающаяся при этом энергия вызывает бурное перемещение магнитосферной плазмы к Земле. При этом электроны дрейфуют вокруг Земли к утренней стороне, протоны - к вечерней. Разность потенциалов между центрами эквивалентных объемных зарядов достигает десятков киловольт. Это поле противоположно по направлению полю хвостовой части магнитосферы.
С дрейфом частиц непосредственно связано существование магнитосферного кольцевого тока вокруг Земли. В периоды магнитных бурь и полярных сияний электрические поля и токи в магнитосфере и ионосфере испытывают значительные изменения.
Магнитогидродинамические волны, генерируемые в магнитосфере, распространяются по естественным волноводным каналам вдоль силовых линии магнитного поля Земли. Попадая в ионосферу, они преобразуются в электромагнитные волны, которые частично доходят до поверхности Земли, а частично распространяются в ионосферном волноводе и затухают, На поверхности Земли эти волны регистрируются в зависимости от частоты колебаний либо как магнитные пульсации (10 -2 -10 гц ), либо как очень низкочастотные волны (колебания с частотой 10 2 -10 4 гц ).
Переменное магнитное поле Земли, источники которого локализованы в ионосфере и магнитосфере, индуцирует электрическое поле в земной коре. Напряжённость электрического поля в приповерхностном слое коры колеблется в зависимости от места и электрического сопротивления пород в пределах от нескольких единиц до нескольких сотен мв /км, а во время магнитных бурь усиливается до единиц и даже десятков в /км. Взаимосвязанные переменные магнитное и электрическое поля Земли используют для электромагнитного зондирования в разведочной геофизике, а также для глубинного зондирования Земли.
Определённый вклад в Э. н. З. вносит контактная разность потенциалов между породами различной электропроводности (термоэлектрический, электрохимический, пьезоэлектрический эффекты). Особую роль при этом могут играть вулканические и сейсмические процессы.
Электрические поля в морях индуцируются переменным магнитным полем Земли, а также возникают при движении проводящей морской воды (морских волн и течений) в магнитном поле. Плотность электрических токов в морях достигает 10 -6 а/м 2 . Эти токи могут быть использованы как естественные источники переменного магнитного поля для магнитовариационного зондирования на шельфе и в море.
Вопрос об электрическом заряде Земли как источнике электрического поля в межпланетном пространстве окончательно не решён. Считается, что Земля как планета электрически нейтральна. Однако эта гипотеза требует своего экспериментального подтверждения. Первые измерения показали, что напряженность электрического поля в околоземном межпланетном пространстве колеблется в пределах от десятых долей до нескольких десятков мв /м.
Лит.: Тихонов А. Н. Об определении электрических характеристик глубоких слоев земной коры, «Докл. АН СССР», 1950, т. 73, № 2; Тверской П. Н., Курс метеорологии, Л., 1962; Акасофу С. И., Чепмен С., Солнечно-земная физика, пер. с англ., ч. 2, М., 1975.
Ю. П. Сизов.
Большая Советская Энциклопедия М.: "Советская энциклопедия", 1969-1978
Естественное состояние тел на поверхности Земли - как атомов и молекул, так и больших кусков вещества - электрическая нейтральность. Однако если вы зарядите электроскоп, то через некоторое время он потеряет весь свой заряд, какой бы тщательной ни была изоляция. Значит, в воздухе вокруг нас немало заряженных частиц - ионов и пылинок. Шарик электроскопа "всасывает" в себя из атмосферы ионы противоположного знака и становится нейтральным.
Высоко над нами простирается толстый слой сильно ионизированного газа - ионосфера. Она начинается в нескольких десятках километров от поверхности Земли и достигает четырехсот километров в высоту. Электроскопом ее не обнаружишь. Для открытия ионосферы понадобилось изобретение радио. Слой сильно ионизированного газа хорошо проводит электрический ток и подобно металлической поверхности отражает радиоволны с длиной волны, превышающей 30 метров. Не будь ионосферного "зеркала" вокруг Земли, радиосвязь на коротких волнах была бы возможна только в пределах прямой видимости.
Три поставщика
Итак, ионы вокруг нас и над нами есть. Но ведь они недолговечны. Случайная встреча разноименных ионов, - и они перестают существовать. Значит, должны существовать какие-то непрерывно действующие процессы, поставляющие ионы.
Таких поставщиков целых три. У поверхности Земли - это излучение радиоактивных элементов, содержащихся в земной коре в небольших количествах. На больших высотах - ультрафиолетовое излучение Солнца. И, наконец, всю толщу атмосферы сверху донизу пронизывают потоки очень быстрых заряженных частиц - космические лучи. Небольшая часть их идет от Солнца, а остальные - из глубин космического пространства нашей Галактики.
Иногда с поверхности Солнца вырываются особенно мощные потоки заряженных частиц. На высоте нескольких сот километров над Землей их электромагнитные поля возбуждают атомы и заставляют излучать свет. Тогда мы видим северные (полярные) сияния. Разыгрываются они преимущественно на высоких широтах, и жителям умеренных поясов почти никогда не доводится наслаждаться изумительной красоты игрой световых столбов, переливающихся всеми цветами радуги.
Молния
Зато всем знаком грозовой разряд. Чудовищное накопление в облаке электричества одного знака вызывает искру, длина которой иногда превышает десятки километров. Прихотливо изменяя свой путь в зависимости от проводимости воздуха и предметов, в которые она попадает, молния часто производит поразительные эффекты. Наиболее удивительные из них приведены в книге "Атмосфера" французского астронома Фламмариона.
"Никакая театральная пьеса, никакие фокусы не могут соперничать, - пишет Фламмарион, - с молнией по неожиданности и странности ее эффектов. Она кажется каким-то особым веществом, чем-то средним между бессознательными силами природы и сознательной душою человека; это - какой-то дух, тонкий и причудливый, хитрый и тупой в то же время, ясновидящий или слепой, обладающий волей или подневольный, переходящий из одной крайности в другую, страшный и непонятный. С ним не сговоришься, его не поймаешь. Он действует и только. Действия его, без сомнения, так же, как и наши, только кажутся капризами, а на самом деле подчинены каким-то неизменным законам. Но до сих пор мы не могли уловить этих законов. Здесь он наповал убивает и сжигает человека, не только пощадив, но даже не коснувшись его одежды, которая остается нетронутой. Там он раздевает человека догола, не причинив ему ни малейшего вреда, ни одной царапины. В другом месте он ворует монеты, не повредив ни кошелька, ни кармана. То он срывает позолоту с люстры и переносит ее на штукатурку стен; то разувает путника и отбрасывает его обувь на десять метров в сторону, то, наконец, в одном селении пробуравливает в центре стопку тарелок и притом попеременно, через две штуки... Какой тут можно установить порядок".
Далее перечисляется около сотни различных случаев. Например: "У одного очень волосатого человека, застигнутого грозой около Э., молния сбрила волосы полосами, вдоль всего тела, скатала их в клубочки и глубоко засунула в толщу икряных мышц". Или еще: "Летом 1865 года один врач из окрестностей Вены, доктор Дрендингер, возвращался домой с железной дороги. Выходя из экипажа, он хватился своего портмоне; оказалось, что его украли.
Это портмоне было черепаховое, и на одной из его крышек находился инкрустированный стальной вензель доктора: два переплетенных между собой Д.
Несколько времени спустя доктора позвали к иностранцу, "убитому" молнией и найденному без чувств под деревом. Первое, что доктор заметил на ляжке больного, был его собственный вензель, как бы только что сфотографированный. Можно судить об его удивлении! Больной был приведен в чувство и перенесен в госпиталь. Там доктор заявил, что в карманах больного где-нибудь должно находиться его черепаховое портмоне, что оказалось вполне справедливым. Субъект был тот самый вор, который стащил портмоне, а электричество заклеймило его, расплавив металлический вензель".
Любопытно, что в приведенной Фламмарионом статистике число убитых женщин чуть ли не втрое меньше, чем мужчин. Это, конечно, объясняется не галантностью молнии, а просто тем, что в те времена (начало XX века) во Франции мужчины чаще бывали на полевых работах.
Недавно в американских газетах сообщалось о случае, достойном Фламмариона. Молния ударила в холодильник и зажарила в нем курицу, которая затем была благополучно охлаждена, так как холодильник остался исправным.
Можно, конечно, сомневаться в достоверности всех приведенных случаев, но нельзя не согласиться с тем, что молния действительно способна вытворять чудеса. Объяснить их не всегда оказывается возможным. Разряд длится всего лишь около стотысячной доли секунды, и к наблюдению его в таких исключительных случаях никакой подготовки не бывает. Повторить же потом событие заново невозможно: вы не создадите точно такую же молнию, не говоря уже о прочих условиях.
Но в принципе не так уж все таинственно, как казалось Фламмариону. В конце концов все сводится к таким обычным действиям тока, как нагревание, электромагнитное поле и химические реакции. Только ток громадный: десятки, а то и сотни тысяч ампер.
Главное не в том, чтобы разобраться в бесчисленных курьезах. Нужно понять, каким образом в грозовом облаке накопляется электрический заряд. Что вызывает электризацию водяных капель, и почему заряды противоположного знака пространственно разделены внутри облака? Здесь еще далеко не все ясно до конца.
Прежде всего, нет единого механизма заряжения капель.
Достоверно известно несколько таких механизмов, и трудно оценить, какой из них играет основную роль. Вот два из них. В электрическом поле Земли (мы уже упоминали, что земной шар заряжен отрицательно) капля воды поляризуется. На нижней ее части скопляется положительный заряд, а на верхней - отрицательный. Крупная капля при своем падении преимущественно захватывает отрицательные ионы воздуха и приобретает электрический заряд. Положительные ионы уносятся вверх восходящим потоком воздуха.
Другой механизм - это заряжение капель при их дроблении встречными потоками воздуха. Мелкие брызги заряжаются отрицательно и уносятся вверх, а крупные, заряженные положительно, падают вниз.
Оба эти механизма обеспечивают как заряжение капель, так и пространственное разделение зарядов противоположного знака внутри облака. Обычно в нижней части грозового облака накопляется отрицательный заряд (за исключением небольшой, положительно заряженной области), а в верхней - положительный.
Гораздо хуже обстоит дело с объяснением шаровой молнии, которая иногда появляется после сильного разряда линейной молнии. Обычно это светящийся шар диаметром 10 - 20 сантиметров. Нередко она напоминает "котенка средней величины, свернувшегося клубочком и катящегося без помощи ног". Касаясь предметов, шаровая молния может взорваться, причиняя значительные разрушения.
Шаровая молния, пожалуй, единственное макроскопическое явление на Земле, которое до сих пор не имеет сколько-нибудь достоверного объяснения. Разряд шарового типа не удается получить в лаборатории. В этом все дело.
Огни святого Эльма
Перед грозой или во время ее нередко на остриях и острых углах высоко поднятых предметов вспыхивают похожие на кисточки конусы света. Этот медленный и мирно совершающийся разряд называют с давних времен огнями святого Эльма.
Еще у Тита Ливия можно прочесть, что когда флот Лизандра выходил из порта для того, чтобы напасть на афинян, на мачтах адмиральской галеры загорелись огни. Древние считали появление огней Эльма хорошим предзнаменованием.
Особенно часто свидетелями этого явления становятся альпинисты. Иногда даже не только металлические предметы, но и кончики волос на голове украшаются маленькими светящимися плюмажами. Если поднять руку, то по характерному жжению чувствуется, как из пальцев истекает электрический ток. Нередко ледорубы начинают гудеть подобно большому шмелю.
Огни святого Эльма не что иное, как форма коронного разряда, легко получаемого в лаборатории. Заряженное облако индуцирует на поверхности Земли под собой электрические заряды противоположного знака. Особенно большой заряд скапливается на остриях. Когда напряженность электрического поля достигнет критического значения 30 000 в/см, начинается разряд. Образовавшиеся возле острия вследствие обычной ионизации воздуха электроны ускоряются полем и, сталкиваясь с атомами и молекулами, разрушают их. Число электронов и ионов лавинообразно растет, и воздух начинает светиться.
Электрический заряд Земли
Грозовое облако недолго хранит свой заряд. Несколько ударов молнии - и облако разряжается. Заряд земного шара, если не обращать внимание на незначительные колебания, остается неизменным. У поверхности Земли электрическое поле не так уж мало: 130 в/м. На первый взгляд это довольно странно. Из-за атмосферных ионов воздух проводит электрический ток, и расчеты показывают, что примерно за полчаса земной шар должен полностью разрядиться. Поэтому главная трудность не в выяснении происхождения заряда, а в том, чтобы понять, почему он не исчезает.
Существуют две причины восстановления заряда Земли. Во-первых, удары молний. За сутки на Земле происходит более 40 тысяч гроз и ежесекундно около 1800 молний бьют в Землю. Нижняя часть облака несет отрицательный заряд и, следовательно, удар молнии - это передача земному шару некоторой порции отрицательного электричества.
Одновременно во время грозы возникают токи с многочисленных остроконечных предметов (огни святого Эльма), которые отводят от земной поверхности положительный заряд.
Баланс здесь навести трудно, но в общем, по- видимому, концы с концами сходятся. Потеря отрицательного заряда участками земной поверхности, над которыми простирается чистое небо, компенсируется притоком отрицательных зарядов в местах, где свирепствуют грозы.
Ну, а откуда же взялся у Земли заряд, и почему он отрицательный? Здесь приходится строить догадки. По мысли Френкеля вначале небольшой заряд возник от случайных причин. Затем он начал расти за счет "грозового механизма", о котором шла речь, пока не установилось динамическое равновесие, существующее по сей день.
Заряд вначале мог бы быть положительным. Тогда водяные капли грозового облака поляризовались бы по-иному, и молнии сообщали бы Земле положительный заряд. В общем все было бы так, как и сейчас, но только роли положительных и отрицательных зарядов переменились бы.
Магнитное поле Земли гораздо раньше привлекло к себе внимание людей, чем электрическое. Обнаруживается оно крайне просто, но его роль в жизни нашей планеты далеко не сводится к тому, чтобы помочь ее обитателям находить с помощью компаса верный путь в безбрежном океане, тайге или пустыне.
Если электрическое поле практически не выходит за пределы нижних слоев атмосферы, то магнитное простирается на 20 - 25 земных радиусов. Лишь на высоте в 100 000 километров оно перестает играть заметную роль, приближаясь к величине поля межпланетного пространства.
Магнитное поле образует третий "броневой пояс", окружающий Землю наряду с атмосферой и ионосферой. Око не подпускает к Земле потоки космических частиц, если только их энергия не слишком велика. Лишь в области магнитных полюсов эти частицы беспрепятственно могут вторгаться в атмосферу.
На большой высоте магнитное поле невелико, но захватывает громадные области пространства. Действуя на заряженную частицу длительное время, оно значительно изменяет ее траекторию. Вместо прямой линии получается спираль, навивающаяся на силовые линии поля. Вдоль силовых линий магнитное поле гонит частицы к полюсам. Иногда, правда, если скорость частицы велика, она не успевает сделать даже одного витка, и тогда можно говорить лишь об искривлении траектории.
На летящую вдоль силовой линии частицу в соответствии с законом Ампера магнитное поле не действует. Вот почему частицы свободно могут подлетать к полюсам, откуда веером расходятся силовые линии. Не удивительно, что корпускулярные потоки от Солнца вызывают свечение верхних слоев воздушного океана преимущественно у полюсов.
Кстати, эти потоки частиц сами создают значительные магнитные поля и вызывают "магнитные бури", во время которых стрелка компаса начинает беспомощно метаться.
Радиационные пояса Земли, открытые сравнительно недавно с помощью космических ракет, - это не что иное, как заряженные частицы не слишком больших энергий, захваченные магнитной ловушкой, расставленной нашей планетой. Именно магнитное поле удерживает на большой высоте рои заряженных частиц, подобно ореолам окружающим Землю. Во внешнем поясе доминируют электроны, а во внутреннем, где напряженность поля больше, - протоны. Для полетов космонавтов на больших высотах эти пояса представляют реальную опасность.
Земной шар - сферическая динамомашина
Происхождение земного магнетизма - еще более запутанный вопрос, чем происхождение электрического поля. Его нельзя объяснить скоплением намагниченных пород. Интересная идея Френкеля, выдвинутая сравнительно недавно, позволяет, по-видимому, здесь кое-что понять. Земное ядро - это генератор электрического тока, действующий по принципу самовозбуждения, как и обычная динамомашина.
Вам, вероятно, нетрудно будет вспомнить, в чем состоит этот принцип. В динамомашинах ток возникает при движении проводников в магнитном поле, которое само создается этим же током. Если вначале тока нет, то при некоторой скорости вращения он возникает и начнет нарастать. Ведь небольшое остаточное поле всегда есть. Оно создает ток, несколько увеличивающий магнитное поле. За счет этого возрастает ток, а затем и магнитное поле, и т. д., вплоть до некоторого предельного значения.
Чтобы можно было уподобить земной шар генератору, прежде всего надо допустить, что ядро Земли является жидким и способно проводить электрический ток. В этих предположениях нет ничего невероятного. Но откуда могут взяться движения проводящих масс ядра? У динамомашины мы просто раскручиваем якорь, а здесь нет никаких внешних воздействий.
Выход, однако, может быть найден. За счет радиоактивного распада неустойчивых элементов температура в центре ядра должна быть несколько выше, чем на его периферии. Из-за этого возникает конвекция: более горячие массы из центра ядра устремляются вверх, а холодные опускаются вниз. Но Земля вращается и скорость масс на поверхности ядра больше, чем в его глубинах. Поэтому поднимающиеся элементы жидкости тормозят вращение наружных слоев ядра, а опускающиеся, напротив, ускоряют внутренние слои. В результате внутренняя часть ядра вращается быстрее наружной и играет роль ротора генератора, в то время как наружная - роль статора.
В такой системе, как показывают расчеты, возможно самовозбуждение и появление вихревых электрических токов значительной величины.
Эти токи, согласно гипотезе Френкеля, создают магнитное поле вокруг Земли!
Энергия на поддержание тока черпается из радиоактивного разогрева вещества, создающего конвекционные токи в ядре.
Так ли обстоит дело в действительности, сказать трудно. Во всяком случае правильнее называть Землю "большой динамомашиной", чем "большим магнитом", как это делается во многих книгах.
Магнитное поле окружает не только Землю, но может существовать и у других планет и звезд. Оно ставит "свой штамп" на световые волны, излученные атомами Солнца и звезд, давая тем самым физикам возможность обнаружить себя.
Луна, как показали измерения наших и американских ученых, не имеет магнитного поля. Не имеет его и Венера. Марс, возможно, и обладает магнитным полем, но оно очень мало, по крайней мере в 1000 раз слабее земного. Это было установлено с помощью наших космических орбитальных станций "Марс 2" и "Марс 3".
Космическая электродинамика
Заговорив о магнитных полях планет и звезд, мы незаметно вступили в новую область, область космической электродинамики. Здесь пока еще мало достоверного; гораздо меньше, чем различных гипотез. Но многое, что вчера еще было любопытной догадкой, сегодня становится почти достоверным фактом. Главное, выяснилось, что электромагнитные силы играют в космосе совсем не малую роль, как это предполагалось ранее.
Бушующая поверхность и атмосфера Солнца... Гигантские языки раскаленного вещества взмывают вверх. Вихри и смерчи размером с нашу планету. Бури, непрерывные бури, но огненные, сверкающие. Бури не только вещества, но и магнитного поля.
Иногда из глубин Солнца парами выплывают черные пятна. Магнитное поле в этих участках возрастает в тысячи раз.
Огромные силы порой выбрасывают из Солнца целые сгустки заряженных частиц. Преодолевая гравитационное притяжение, они со скоростью нескольких тысяч километров в секунду врезаются в атмосферу Земли.
Трудно здесь физику усмотреть какую-то закономерность, какой-то порядок. Трудно понять природу сил в крутящейся массе материи. Это происходит далеко, очень далеко, и совсем не похоже на то, что мы можем видеть на нашей планете.
Трудно, но не невозможно. При тех температурах, которые есть на Солнце, не может быть ни нейтральных атомов, ни нейтральных молекул. Они просто не могут уцелеть, как не может уцелеть паровоз, на полном ходу врезающийся во встречный поезд.
А такой полностью ионизированный газ, или полностью ионизированная плазма, как говорят физики, превосходно проводит электрический ток. Это дает возможность электромагнитным силам развернуться и демонстрировать свою мощь на новом поприще.
В магнитном поле внутри движущейся высокотемпературной плазмы возбуждаются электрические токи немалой величины. Из-за хорошей проводимости они не склонны затухать. Поэтому в среде наряду с обычными силами упругости приобретают не меньшее значение силы магнитного взаимодействия токов. И если движение простой среды описывается законами гидродинамики, то здесь царствует магнитная гидродинамика.
Мы еще, конечно, очень далеки от того, чтобы понять все, происходящее на Солнце. Но есть уверенность, что основные явления, начиная от выброса целых масс материи и кончая появлением солнечных пятен, обязаны магнитным взаимодействиям.
Да и не только это! Межзвездный газ сильно ионизирован излучением. Плотность его мала (1 частица на кубический сантиметр), но это компенсируется громадными размерами облаков. С электрическими токами и, соответственно, магнитными полями в них нельзя не считаться.
Движущиеся облака заполняют собой всю Галактику, и поэтому вся она оказывается наполненной магнитным полем. И даже не только сама Галактика, но и соседние области пространства.
Магнитные поля здесь не велики, и мы их непосредственно воспринимать не можем. Но мы знаем, что они есть! Откуда же?
Радиоизлучение Галактики и космические лучи
Если бы мы могли видеть радиоволны, то на небе сверкало бы не одно, а целых три Солнца (точнее, "радиосолнца"). Одно из них в созвездии Кассиопеи, другое - в Лебеде и, наконец, это наше обычное Солнце * . Но кроме того мы заметили бы множество менее ярких "радиосолнц" и слабый рассеянный "радиосвет", идущий к нам из всех уголков Галактики и даже из прилегающих к ней, казалось бы, пустых мест.
* (Солнце - рядовая звезда и только близость его к нам позволяет ему конкурировать по "радиояркости" с двумя первыми источниками, неизмеримо более мощными, чем Солнце. )
Часть радиоволн возникает при столкновениях заряженных частиц раскаленного газа. Это тепловое (тормозное) излучение. Оно ничего не может рассказать нам о магнитных полях Галактики. Но есть другая, нетепловая часть, колыбелью которой служит магнитное поле. Оно заворачивает быстрые космические электроны, и, крутясь по спирали, эти электроны излучают электромагнитные волны, подобно тому как бешено вращающийся точильный камень рассыпает вокруг себя искры, если коснуться его поверхности лезвием ножа. Можно утверждать, что там, где рождаются радиоволны, обязательно есть магнитные поля!
Но откуда берутся в космосе быстрые электроны? Радиоизлучение рождено ими, и там, где находятся особо мощные источники радиоволн, мы должны искать космические ускорители. Значит, те далекие мощные "радиосолнца", о которых шла речь, и являются главным образом такими космическими ускорителями.
Мы привыкли к спокойной глубине чистого ночного неба. Ничто не кажется столь незыблемым, вечным, как "стройный хор" небесных светил. В общем-то так оно и есть. Но иногда происходят катастрофы; катастрофы чисто космических масштабов. Звезда, жившая миллиарды лет своей обычной жизнью, вдруг начинает по неизвестным причинам чудовищно распухать. (Если бы это случилось с нашим Солнцем * , то очень скоро орбиты всех планет оказались бы внутри него.) Яркость звезды (ее называют сверхновой) увеличивается в сотни миллионов раз, и ее можно видеть на небе среди бела дня. Постепенно блеск уменьшается, и на месте звезды остается туманное облако, иногда с трудом различимое в телескоп.
* (Солнцу подобный взрыв в действительности не угрожает. Его масса слишком мала. )
Мы надеемся, что все более или менее представляют себе, что такое напряжение в электрической сети. Здесь слово напряжение имеет точно такой же смысл.
В Галактике с ее миллиардами звезд такая вспышка наблюдается раз в 100 - 200 лет. С тех пор как изобрели телескоп, не появилось ни одной сверхновой.
Так вот, "радиосолнца" в большинстве своем это остатки сверхновых звезд. Лишь в направлении созвездия Лебедя мы, вероятно, наблюдаем следы еще более мощной катастрофы; взрыв целой галактики, подобной нашей.
Можно себе представить, что первоначальное ускорение заряженные частицы (электроны, протоны и ядра атомов) получают от гигантской ударной волны, сопровождающей взрыв сверхновой. В дальнейшем начинают действовать электромагнитные силы. Нарастающие магнитные поля индуцируют электрическое поле. Это поле может быть не таким уж большим, но из-за своих космических размеров ускоряет отдельные частицы до энергий, недоступных пока для ускорителей, созданных руками человека.
Некоторую долю космических лучей поставляют менее мощные индукционные электрические поля Солнца и других звезд.
Существует, вероятно, еще один механизм ускорения космических частиц. При встрече движущегося намагниченного облака межзвездного газа с быстрой частицей происходит процесс, аналогичный соударению двух шаров. Только роль обычных упругих сил играет взаимодействие частицы с индукционным электрическим полем, порожденным движущимся вместе с газом магнитным полем. При таком столкновении энергия частицы должна возрастать, подобно тому, как это происходит при столкновении легкого шара с очень тяжелым. После большого числа столкновений частица может набрать значительную энергию.
Беспорядочные магнитные поля Галактики не только ускоряют, но и рассеивают космические частицы. В результате на Землю они уже поступают равномерно со всех сторон, а не только из тех мест, где происходит их ускорение. Сверхмощные частицы залетают к нам, вероятно, из соседних галактик.
Мы не можем утверждать, что все в мире происходит так и только так, как мы вам только что рассказали. Это лишь наиболее естественная с современной точки зрения картина электромагнитных явлений во Вселенной. Написана она, можно заметить, весьма крупными мазками. И это получилось не только за счет того, что картина очень велика. Детали явлений остаются пока неясными для самих художников-ученых. Да и "краска" на картине еще "не просохла": картина была создана совсем недавно, несколько лет назад, и лишь ее цельность вселяет надежду, что в основе своей она правильна.
В то время как в космосе разыгрывались приличествующие ему величественные явления, в одной из московских квартир "маленький дружный коллектив" (так именовали себя авторы) раздирали противоречия. К моменту, когда работа над книгой уже шла полным ходом, авторам стало ясно, что их позиции, мягко говоря, не вполне совпадают.
Сущность спора, как ясно из дальнейшего, позволяет закрепить за одним из соавторов имя Кроткого (сокращенно К ), а за другим - Строптивого (сокращенно С ).
К . Ты знаешь, как я тебя уважаю! Но что ты делаешь?
Вместо непринужденного рассказа о сущности сил, ты, превратившись в архивариуса, скрупулезно, с ненужными деталями регистрируешь все проявления электромагнитных сил, которые знаешь. Да еще выискиваешь в книгах описания проявлений сил, которых, извини меня, совсем не знаешь.
Об этом ли мечтал наш читатель, приобретая книгу? Что ты думаешь, ему нужен еще один учебник?
С . Прости меня, но поскольку книга не одобрена Министерством, это еще не учебник. И, кроме того, разве мы не обещали рассказать о силах в природе? Значит о силах, которые окружают каждого из нас. Нельзя, никак нельзя обойти трение, упругость, химические силы и т. д. Ведь мы пишем не для юных философов, желающих знать только основы основ и не интересующихся тем, что происходит вокруг нас, над нами и под нами каждый день.
К . Я верю, что у тебя прекрасные намерения. Но ведь если идти по твоему пути, то придется, например, говорить не только о трении в жидкостях вообще, но и о трении шарика, цилиндрика, кубика и т. д. Тогда все будет разложено по полочкам.
Я, конечно, немного преувеличиваю, но стремление к раскладыванию по полочкам у тебя, несомненно, есть.
С . Что же ты предлагаешь, поступить согласно старому анекдоту, в котором выучившийся сынок поражал родителей и всех окружающих крайним научным лаконизмом ответов? На все вопросы: что, как и почему, он бросал кратко - это электричество.
И нам что ли писать: упругость - это электричество; трение - тоже электричество; химические силы есть силы электрические и т. д.
К . А посмотри, что получилось у тебя. Здесь и строение газов вместе с жидкостями (которое известно всем), и особенности сил в кристаллах (которые мало кому известны, но зато не интересны почти никому)...
Хочешь все же о них написать - пиши. Но пиши так, чтобы читатель не заснул или не забросил книгу куда-нибудь подальше.
С . Да пойми же ты, что это трудно, очень трудно.
Интереснее и проще писать, например, о теории относительности, чем о химических силах. Да кроме того, о каждом типе электромагнитных сил надо писать целую книгу. Желая быть кратким, трудно не быть скучным.
К . Интереснее не только писать о теории относительности, о ней интереснее и читать.
С . Ну что же, пусть эта часть книги и будет энциклопедией, но энциклопедией, все же (льщу себя надеждой) более приспособленной для не слишком изнурительного чтения.
К . Я вижу, ты упорствуешь. А ведь в твоем рассказе, кроме всего прочего, нет даже элементарной последовательности. После космических лучей ты сразу же хочешь перейти к электрическим рыбам.
С . Ну и что? Рыбы, так рыбы. Кто ими не интересуется, может не читать.
И вообще, почему бы нам не написать в предисловии, что каждый читатель может выбрать из разделов главы "Электромагнитные силы в действии" лишь те, которые его интересуют. На худой конец пусть не читает эту главу совсем.
К . Гм... поскольку ты так упрям, это, по-видимому, действительно единственный выход.
С . Ты не огорчайся особенно. Есть ведь еще редактор. Скажет: все это выбросить - выбросим.
Электрические рыбы
Итак, электрические рыбы. Это уникальные существа, отличающиеся от своих собратьев тем, что несут на себе живые гальванические элементы. Вырабатываемый ими электрический ток служит средством защиты или нападения.
Интересно, что среди ископаемых рыб электрических было гораздо больше, чем среди здравствующих ныне. Видимо, явное использование электромагнитных сил оказалось не столь эффективным, как совершенствование сил, проявляющихся неявно: в первую очередь мышечных.
Наиболее ярким представителем интересующей нас породы является электрический скат. Рыба эта, обитающая в теплых морях, весит около 100 килограммов и достигает около двух метров в длину. Его электрические органы, расположенные по бокам головы, весят больше пуда. Неутомленный скат способен дать ток в 8 ампер при напряжении в 300 вольт. Это представляет серьезную опасность для человека.
От электрических рыб трудно ожидать большой чувствительности к току. И действительно, скат легко переносит напряжения, смертельные для других рыб.
Электрические органы ската по своему строению до удивления походят на батарею гальванических элементов. Они состоят из многочисленных пластинок, собранных столбиками (последовательное соединение элементов), которые расположены друг возле друга во много рядов (параллельное соединение).
Одна сторона пластинки гладкая и несет на себе отрицательный заряд. Другая, с выступающими сосочками, заряжена положительно. Как и полагается, все устройство заключено в электроизолирующую ткань.
Мы не будем пытаться вникнуть в механизм возникновения электродвижущей силы в органах ската, как не разбирали в свое время принцип действия обычного гальванического элемента (последуем совету К). Здесь еще много неясного. С уверенностью можно утверждать лишь одно: в основе работы электрических органов лежат химические силы, как и в гальваническом элементе.
Не будем мы также расширять круг знакомств среди электрических рыб.
Нельзя только не упомянуть еще об одном замечательном обитателе Нила - мормирусе или водяном слонике. Эта рыба снабжена удивительным локатором. В основании хвоста у нее расположен генератор переменного электрического тока, посылающий импульсы с частотой нескольких сот колебаний в секунду. Окружающие предметы искажают электромагнитное поле вокруг мормируса, что немедленно отмечается приемным устройством на его спине. Чувствительность локатора необычайно велика. Мормируса нельзя поймать в сеть. В аквариуме он начинает метаться, как только вы проведете несколько раз расческой по волосам.
Как работает локатор, пока не выяснено. Есть надежда, что детальное исследование этого вопроса поможет наладить подводную электромагнитную связь, что пока не удается из-за большого затухания электромагнитных волн в воде.
Природа нервного импульса
В конце концов скат и подобные ему рыбы со всем своим электрическим хозяйством - не более чем каприз природы. Свободному электричеству в живых организмах природа отвела несравненно более значительную роль. Это электричество обслуживает линии связи, передающие в мозг "телеграммы" от органов чувств обо всем, совершающемся во внешнем мире, и ответные приказания мозга любым мышцам и всем внутренним органам.
Нервы пронизывают все тело более или менее совершенных живых существ, и благодаря им организм выступает как единое целое, действующее подчас поразительно целесообразно. Стоит перерезать нерв, ведущий к какой-либо мышце, и она становится парализованной, подобно тому как перестает работать цилиндр мотора, если порвать провод, передающий импульсы тока запальной свече.
Это не просто внешняя аналогия. Еще со времен Гальвани было установлено, что передаваемый нервным волокнам сигнал (нервный импульс) представляет собой кратковременный электрический импульс. Правда, дело обстоит далеко не так просто, как молено подумать. Нерв не пассивный канал большой проводимости, как обыкновенная металлическая проволока. Скорее он напоминает то, что в технике называют релейной линией, когда поступающий сигнал передается только соседним участкам линии, где он усиливается и лишь затем скользит дальше, там снова усиливается и т. д. Благодаря этому сигнал может быть передан без ослабления на значительные расстояния, несмотря на естественное затухание.
Что же такое нерв? У Р. Джерарда можно прочесть: "Если паука, которого мы видим с земли висящим на паутинной нити на высоте шестиэтажного здания, уменьшить в размерах еще примерно раз в двадцать (включая нить, на которой он висит), он очень напоминал бы нервную клетку, или нейрон. Тело нервной клетки не отличается от других клеток ни своими размерами, ни какими-либо другими особенностями... Однако нейрон, в отличие от обычных, нелюбопытных клеток, имеет не только клеточное тело - он рассылает для исследования отдаленных частей организма тонкие нитеподобные отростки. Большинство отростков распространяется на небольшие расстояния... Однако один тонкий отросток диаметром менее 0,01 миллиметра, точно одержимый страстью к странствованиям, отходит от нейрона на громадные расстояния, измеряемые сантиметрами и даже метрами.
Все нейроны центральной нервной системы собраны вместе в головном и спинном мозгу, где они образуют серое вещество... И только длинные отростки - аксоны соединяют их с остальными частями тела. Пучки этих аксонов, или осевых отростков, отходящих от близких друг к другу нервных клеток, образуют нервы". Особое вещество - миэлин окутывает тонким слоем большинство аксонов, подобно тому как изоляционная лента обматывает электрический провод.
Сам аксон можно упрощенно представить себе как длинную цилиндрическую трубку с поверхностной мембраной, разделяющей два водных раствора разного химического состава и разной концентрации. Мембрана подобна стенке с большим количеством полуоткрытых дверей, сквозь которые ионы растворов могут протискиваться только с большим трудом. Самое удивительное и непонятное в том, что электрическое поле "притворяет эти дверцы", а с его ослаблением они открываются шире.
В состоянии бездействия внутри аксона находится избыток ионов калия; снаружи - ионов натрия. Отрицательные ионы сконцентрированы главным образом на внутренней поверхности мембраны и поэтому она заряжена отрицательно, а наружная поверхность - положительно.
При раздражении нерва происходит частичная деполяризация мембраны (уменьшение зарядов на ее поверхностях), что ведет к снижению электрического поля внутри нее. Вследствие этого "приоткрываются дверцы" для ионов натрия и они начинают проникать внутрь волокна. В конце концов внутренняя часть аксона заряжается на этом участке положительно.
Так возникает нервный импульс. Собственно говоря, это импульс напряжения * , вызванный протеканием тока через мембрану.
* (Мы надеемся, что все более или менее представляют себе, что такое напряжение в электрической сети. Здесь слово напряжение имеет точно такой же смысл. )
В этот момент "приоткрываются дверцы" для калиевых ионов. Проходя на поверхность аксона, они постепенно восстанавливают то напряжение (около 0,05 вольта), которое было у невозбужденного нерва.
Одновременно часть ионов с соседнего участка "прорывается сквозь дверцы соседей". Из-за этого поле здесь также начинает ослабевать, и весь процесс повторяется на новом участке аксона. В результате по нерву человека к мозгу, не затухая, со скоростью около 120 метров в секунду движется нервный импульс.
Ионы натрия и калия, смещенные при прохождении импульса со своих насиженных мест, постепенно возвращаются обратно непосредственно сквозь стенку за счет химических процессов, механизм которых пока еще не выяснен.
Вызывает восхищенное удивление, что все поведение высших животных, все творческие усилия человеческого мозга основаны в конечном счете на этих чрезвычайно слабых токах и тончайших, микроскопических химических реакциях.
Биотоки мозга
Здесь мы касаемся святая-святых живой природы - человеческого мозга. В мозгу непрерывно совершаются электрические процессы. Если на лоб и затылок наложить металлические пластины, соединенные через усилитель с регистрирующим прибором, то можно зафиксировать непрерывные электрические колебания коры головного мозга * . Их ритм, форма и интенсивность существенно зависят от состояния человека.
* (Колебания наблюдаются не только в мозгу человека, но и в мозгу животных. )
В мозгу сидящего спокойно с закрытыми глазами, не думающего ни о чем человека совершается около 10 колебаний в секунду. Когда человек открывает глаза, мозговые волны исчезают и вновь появляются, когда глаза закрыты. Когда человек засыпает, ритм колебаний замедляется. По характеру колебаний можно очень точно определить момент начала и конца сновидения.
При заболеваниях мозга характер электрических колебаний меняется особенно резко. Так, патологические колебания при эпилепсии могут служить верным признаком заболевания.
Все это доказывает, что мозговые клетки находятся в состоянии постоянной активности, и большие количества их, по выражению Джерарда, "колеблются вместе, подобно скрипкам огромного оркестра". Поступающие в мозг нервные импульсы не идут проторенными путями, а меняют всю картину распределения колебаний в коре больших полушарий.
Характер электрической активности мозга меняется с возрастом в течение всей жизни и обучения.
Надо полагать, что электрические колебания не просто сопутствуют работе мозга, как шум - движению автомобиля, а являются существеннейшим моментом всей его жизнедеятельности. У электронной вычислительной машины, способной выполнять отдельные функции мозга даже лучше, чем он сам, именно электромагнитные процессы определяют всю работу.
Нужно подчеркнуть, что каждому ощущению, каждой мысли отнюдь не соответствует свое собственное, определенное колебание. О чем думает человек, по форме электрических колебаний мы пока определять не умеем.
Какие функции выполняют эти процессы в мозгу, мы пока не знаем. Но они отчетливо показывают, что материальной основой мышления являются электромагнитные процессы в наиболее высокоорганизованной материи, которую создала природа на нашей планете.
Опыт показывает, что электрометр, соединенный с зондом, дает заметное отклонение даже и в том случае, когда поблизости нет специально заряженных тел. При этом отклонение электрометра тем больше, чем выше точка над поверхностью Земли. Это значит, что между различными точками атмосферы, находящимися на разной высоте, имеется разность потенциалов, т. е. околоземной поверхности существует электрическое поле. Изменение потенциала с высотой различно в разное время года и для разных местностей и имеет в среднем вблизи земной поверхности значение около 130 В/м. По мере подъема над Землей поле это быстро ослабевает, и уже на высоте 1 км напряженность его равна только 40 В/м, а на высоте 10 км оно становится ничтожно слабым. Знак этого изменения соответствует отрицательному заряду Земли. Таким образом, мы все время живем и работаем в заметном электрическом поле (см. упражнение 29.1).
Экспериментальное исследование этого поля и соответствующие расчеты показывают, что Земля в целом обладает отрицательным зарядом, среднее значение которого оценивается в полмиллиона кулонов. Этот заряд поддерживается приблизительно неизменным благодаря ряду процессов в атмосфере Земли и вне ее (в мировом пространстве), которые еще далеко не полностью выяснены.
Естественно возникает вопрос: если на поверхности Земли постоянно находится отрицательный заряд, то где расположены соответствующие положительные заряды? Где начинаются те линии электрического поля, которые оканчиваются на земной поверхности? Нетрудно видеть, что эти положительные заряды не могут находиться где-нибудь очень далеко от Земли, например на Луне, звездах или планетах. Если бы это было так, то поле вблизи Земли имело бы такой же вид, как поле изолированного шара на рис. 50. Напряженность этого поля убывала бы обратно пропорционально квадрату расстояния от центра Земли (а не от земной поверхности). Но радиус Земли равен примерно 6400 км, и поэтому изменение расстояния от центра Земли на несколько километров или несколько десятков километров могло бы лишь ничтожно мало изменить напряженность поля. Опыт же показывает, как мы отмечали выше, что напряженность электрического поля Земли очень быстро падает по мере удаления от нее. Это указывает на то, что положительный заряд, соответствующий отрицательному заряду Земли, находится где-то на не очень большой высоте над поверхностью Земли. Действительно, был обнаружен на высоте нескольких десятков километров над Землей слой положительно заряженных (ионизованных) молекул. Объемный положительный заряд этого «облака» зарядов компенсирует отрицательный заряд Земли. Линии земного электрического поля идут от этого слоя к поверхности Земли.
Рис. 50. Эквипотенциальные поверхности (сплошные линии) и линии поля (штриховые Линии) заряженного шара, удаленного от других предметов. Внутри шара, как и внутри любого проводника, поля нет
29.1. Так как поле вблизи Земли имеет напряженность около 130 В/м, то между точками, в которых находятся голова и ноги каждого из нас, должно было бы быть напряжение свыше 200 В. Почему же мы не ощущаем этого поля, тогда как прикосновение к полюсам батареи или сети о напряжением 220 В весьма болезненно и даже может быть опасно?
29.2. Измерения с электрическим зондом показывают, что приращение потенциала с высотой у поверхности Земли равно в среднем 100 В/м. Считая, что это поле вызвано зарядом Земли, вычислите заряд, находящийся на земном шаре, считая радиус Земли равным 6400 км.
