«ОПУСЫ». Часть 7

А заряжена ли Земля?

Определение величины заряда Земли входит в программу изучения курса физики в любом высшем учебном заведении. Природа возникновения этого заряда ещё недостаточно ясна для науки. Существуют разные теории, с помощью которых делаются попытки объяснить наличие этого заряда и особенностей его изменения во времени. Однако ни одна из многочисленных теорий не позволяет выполнить расчёт величины и описать закономерности поведения электростатического поля вблизи поверхности нашей планеты. А ведь именно из-за наличия такого поля, хорошо регистрируемого и много лет наблюдаемого, и делается вывод о наличии и количестве этого заряда.

Основной проблемой при построении всех теорий является странное поведение электрического поля Земли, которое не вписывается в модели поведения заряженных тел, изучаемые в курсах электростатики. Какой бы моделью ни пытались описать поведение электрического поля (заряженная сфера, заряженный шар, заряженный сферический конденсатор «Земля – ионосфера» и т.п.), основной проблемой было то, что напряжённость поля должна уменьшаться обратно пропорционально квадрату расстояния от точки измерения до центра Земли, а она уменьшается значительно быстрее! В таблице приведены усреднённые значения напряжённости электрического поля в зависимости от высоты над поверхностью Земли.

Высота над поверхностью Земли, км	0	0,5	1,5	3	6	12
Напряженность, В/м	130	50	30	20	10	2,5

Учитывая, что радиус Земли – 6380 км (высота над поверхностью Земли – 0 км), то напряжённость поля должна уменьшаться в 4 раза только на высоте, на которой радиус удваивается, то есть высота над поверхностью – 6380 км, а она падает до такой величины уже на высоте всего 1,5 км. На высотах, на которых летают искусственные спутники Земли, чувствительность современных приборов уже не позволяет измерить величину электрического поля. Это свидетельствует о том, что в целом Земля является электрически нейтральной, но существует некий локальный эффект, приводящий к появлению быстро спадающего по уровню электрического поля у поверхности Земли.

Противоречия может разрешить моя гипотеза о природе возникновения магнитного поля Земли. Она связывает природу магнитного поля с упорядочением ориентации молекул кварца, обладающих дипольным моментом, под действием гравитации. Вертикально расположенные диполи этого минерала при их вращении вокруг оси Земли, приводили к появлению не скомпенсированного магнитного поля, так как радиусы вращения положительно заряженных сторон молекул несколько меньше радиусов вращения отрицательных. Это позволило сделать численный расчёт значения магнитного поля Земли, достаточно хорошо совпавшего с результатами измерений.

Но упорядоченные диполи молекул кварца, в целом электрически нейтральные, должны создавать и нескомпенсированное электрическое поле в направлении вдоль оси электрического диполя, на которой расположены эти заряды. Это направление перпендикулярно поверхности земного шара. Из-за того, что отрицательно заряженные атомы кислорода расположены выше положительно заряженных атомов кремния, то общее поле отрицательных зарядов должно несколько доминировать.

Математически это можно выразить как интеграл полей зарядов отдельных диполей, расположенных вдоль оси, идущей от центра Земли до её поверхности и далее до точки измерений. Пределы интегрирования от r₁ (расстояние от точки измерения поля до границы верхней мантии, где горные породы уже находятся в твёрдом состоянии) до r₂ (расстояние от точки измерения поля до границы осадочных пород или дна водоёмов, выше которых упорядоченная ориентация кварца отсутствует).

Поле одного диполя:

Здесь символом Δr обозначено расстояние между зарядами в молекуле. Фактически, числитель этой формулы – это дипольный момент единичной молекулы кварца. Для системы соосных диполей напряжённость поля будет описываться интегралом

На самом деле таких систем соосных диполей множество и величина поля будет приблизительно пропорционально их числу, но это пока не так важно. Важно то, что составляющая уравнения, в которую входит расстояние до границы верхней мантии, настолько мало, что фактически напряжённость поля зависит только от расстояния до границы осадочных пород (а это не так далеко от поверхности Земли):

Разобьём расстояние r₂ на две части – на расстояние от границы осадочных пород (воды) до поверхности Земли (x) и на высоту от точки измерений до поверхности Земли (h): r₂=x+h

Вычислим значение А через уровень напряжённости поля на поверхности Земли (h = 0 км, Е = 130 В/м): А=130*x². И найдём величину х через значение напряжённости поля на высоте, например, 12 км (h = 12 км, Е = 2,5 В/м), где влияние приземных факторов минимально:

Искомое значение будет равно 1,94 км. Коэффициент пропорциональности будет равен значению А=489. Теперь можно рассчитать напряжённость поля для любых остальных высот. В скобках показаны значения из ранее приведённой таблицы.

Высота над поверхностью Земли, км	0,5	1,5	3	6
r2	2,44	3,44	4,94	7,94
r22	5,9	11,8	24,4	63
Напряжённость поля E, В/м	82 (50)	41 (30)	20 (20)	7,7 (10)

Конечно, совпадение далеко не идеальное, так как цифры напряжённости полей приблизительные, но в целом «метод работает»!.. На высотах полёта искусственных спутников (около 500 км) напряжённость поля составит около 1 милливольта на метр. Похоже, что Земля действительно электрически нейтральна!!!

Иван Васильев