Elektromagnetické jeviště Země

P. Kubeš

Katedra fyziky FEL ČVUT

Obsah

• 1. Generace zemského magnetického pole

• 2. Elektrické proudy v atmosféře

• 3. Bouře a blesky

• 4. Kulové blesky

• 5. Plasmosféra a magnetosféra

• 6. Zemský elektrický obvod

1. Generace zemského magnetického pole Zemské magn. pole: existence, Gaussova měření, variace, magnetické bouře, původ?

Magnetické pole planet 

Země nemůže být permanentní magnet.Podle rovnice 

je doba difúze magnetického pole závislá na rozměrech a vodivosti tělesa a činíDt = L2 u Země 150 000 let, u Slunce 109 let.

BBvrott

B

1

planeta hustota (kgm-3) perioda (dny) hust. mag. mom.

Merkur 5400 59 0,003

Venuše 5200 243 0,0002

Země 5900 1 0,31

Mars 3900 1 0,0006

Jupiter 1300 0,4 3,61

Vlastnosti zemského magnetického pole 

historie – Gilbert, Ampere, Descartes, Halley, Gauss, Blackett,…  Země: 3400 km tekuté jádro, 1200 km tuhé vodivé jádro, 3000 K nad Curieovým bodem pro

feromagnetismus elektrické proudy na povrchu tekutého jádra, ohmický odpor, dissipace 20000 let.Paleontologie svědčí o přítomnosti mg. pole po miliardy let, navíc změny polarity.Teorie dynama 1919 LarmorCowling 1934 – nestabilita magnetického tokuElsasser ve 40-tých letech – invariance MHD rovnic vůči změně orientace B

- disipace mg. pole je větší než disipace tepla a momentu hybnostiAktuálnost změny polarity

Jsme na počátku změny?1) dipólový moment klesá ale je stále nadlrůměrný2) směr osy dipólu jde v posledních 10 letech k 90 0 (opačně než je potřebné pro změnu3) Magnetické minimum na povrchu putuje nezávisle 40 km/rok4) vývoj zpětných proudů na povrchu jádra (změna orientace na rovníku) vzrůstá - na

severní polokouli v roce 1980 2, v roce 2000 6; na jižní 1; tvoří 15 % povrchu – důvod poklesu dm

5) poslední změna polarity před 800 tis. lety. Průměrně změna za mil let. Během posledních 2 mil. let 7 změn. Interval změn 150 tis let až desítky milionů.

    

Podmínky generace magnetického pole, magnetické dynamo 

1) vodivá tekutina2) diferenciální rotace v = f(r,)3) radiální pohyb tekutiny (teplotní gradient mezi jádrem a pláštěm4) nehomogenity v hustotách a rychlostech

 Simulace T. Sato, National Institute for Nuclear Fusion Simulations,

Nagoya 3D MHD    

Změna polarity magnetického pole Země 

Střední doba jedné polarity pro Zemi je 200 000 let, doba změny polarity 10 000 let

Generace magnetického pole Slunce – diferenciální rotacesluneční aktivita, skvrny, protuberance, erupce, vliv na zemské magnetické pole

Generace magnetického pole hvězd, trpaslíků a neutronových hvězdzměna polarity – perioda 11 let 

 Představy - ? a efekt, zamrzlé magnetické pole,

kyvadlová transformace vnitřních mg. polí

2. Elektrické proudy v atmosféře

elektrické pole Země u povrchu 100V/m;

zemský povrch má záporný náboj, ionosféra kladný;

proudění záporného náboje (elektronů) od povrchu Země k ionosféře neutralizace elektrického pole? Ne;

bouřkové blesky jako napěťový zdroj!;

kondenzace vodní páry, polarizace a nabíjení vodních kapek záporně;

gravitace, elektrostatické síly a polarizace náboje v bouřkovém mraku;

vznik průbojového napětí mezi spodní částí mraku a zemským povrchem

a mezi horní částí mraku a ionosférou

3. Blesky a kulové blesky 

Vývojové fáze blesku  

elektronová lavina – v čele elektrony, rozměry 10x1 mm, rychlost 106 m/s, pokojová teplota atomů a iontů, ionizace 10-6 , coulombovské odpudivé síly, zesílené E.

 strimer: žihadlo, prodloužená lavina, 50 m, 50 s lider: nasávání náboje, teplejší než strimer, pomalejší (105 m/s) zpětná vlna: poslední fáze před propojením vodivé dráhy mrak-země, rychlost

108 m/s, vznik vodivého proudového kanálu jiskrový kanál: 100% ionizace, teplota elektronů i iontů 2-3 eV, uvolnění tepla,

rázová a ionizační vlna, rozšíření, pinčování, proudy kA  rozvoj nestabilit, rozpad kanálu.

Nabíjení mraků

Země má záporný náboj a ionosféra je nositelem kladného náboje. Napětí mezi ionosférou ve výši 50 km a povrchem Země je asi 106 V.

Iontové páry vytvářené v atmosféře kosmickým zářením a radioaktivitou zemského pláště v tomto poli vytvářejí tok záporných iontů o intenzitě 1 800 A a proudové hustotě 10 pikoampérů na metr čtvereční. Tento proud by přenesením náboje zemské elektrické pole E brzy vykompenzoval, kdyby nebylo přirozené zpětné cesty pro přenos záporného náboje zpět na Zem a tou jsou bleskové výboje.

V ovzduší putují záporné náboje ve formě iontů vzhůru. Záporné ionty vznikají připojením volných elektronů na některé molekuly, např. H2O. Ve výšce je nižší teplota a

vodní pára kondenzuje. Molekula vody má dipólový charakter elektrického pole neboť elektrony vodíku jsou posunuty směrem k jádru kyslíku. Na straně vodíku je náboj + a u kyslíkového atomu - (viz obrázek):

Obr. : Rozdělení nábojů v molekule vody.

O– –

H +

H +

Při kondenzaci vodní páry se tvoří kapičky s makroskopickou elektrickou strukturou na povrchu ve formě dvojvrstvy s vnějším kladným nábojem. To je příčinou připojování záporných nábojů. Vodní kapičky gravitační tíhou klesají dolů a jejich záporný náboj je elektrostaticky váže k horní části mraku, kde se kumuluje kladný náboj. V mracích se vytváří následné rozložení nábojů a elektrických polí (Obr.):

Obr. : Rozložení náboje v bouřkovém mraku.

Vodní kapky v dolní části mraku jsou gravitačně přitahovány k Zemi a elektrostaticky vzhůru. V dolní části mraku se shromažďuje záporný náboj s vysokou hustotou, převyšující hustotu záporného náboje na Zemi. Mezi spodní částí vysokého bouřkového mraku a povrchem tak vzniká silné elektrické pole EZ opačné přirozenému poli E0 .

Ve vlastním bouřkovém mraku se separuje 50 C náboj a vytváří pole E, která mohou dosáhnout průbojových hodnot. Při jejich dosažení se většinou od spodní části mraku začíná šířit směrem k Zemi strimer rychlostí 106 m/s.

 Vlastnosti bleskového výboje

 

Typy: -CG, +CG, ICDoba trvání 0.2 s, 1-30 následných kanálů s intervalem 50 ms, několik Coulombů proudy 10-100 kANapětí v bouřkových mracích až 100 MV (400 kV/m)

Faktografické údaje (statistika ~ tisícovky případů)

tvar: koule (90%), elipsoid (4%), nepravidelný

průměr: 20 - 30 cm

doba života: 10 - 20 s

rychlost pohybu: 0,1 - 10 m/s

výskyt: 70% bouřky a léto, 50% místnosti, 25% ulice

(Japonsko - 80% jasné počasí, 80% vlhkost)

vzdálenost od pozorovatele: 50% do 5 m

pravděpodobnost: 2x10-3 za život (na Zemi 1x za hodinu)

vznik: 50% … vodiče, 20% … místo dopadu blesku

zánik: výbuch 50%, pomalý 40%, rozpad na kusy 10%

barva: bílá, žlutá (24%), červená (18), oranžová (14), modrá (12)

povrch - hladký, jehlice, jiskry

další vlastnosti - zápach: síra, ozon; ruší rad vlny, popáleniny VN, smrtelné 5%.

Kulový blesk - popis

Kulový blesk energie 104 - 105 J

výkon 50 - 200 W infra zdroj 200 - 3000 C v 95% nevyzařuje teplo!

svítí ve viditelné oblasti (světelný tok 1500 lm), vysílá radiové vlny

při rozpadu se může uvolnit značná mechanická energie

Zdroj energie

plazmatický pro 2000 K do 10-4 s

excitované atomy 10-2 s

elektrické pole 106 Vm-1 … w = 1/2 E2 10J m3

chemické slučování s ozonem - aerosolový fraktální klaster, dimense 1,8; poloměr 10 m

vysoce vodivá rotující a proplétající se proudová vlákna silově vázána vlastním magnetickým polem

vysoká vodivost při hustotě plynu a pokojové teplotě, separace elektronové a iontové komponenty

význam pro přenos a konzervaci elektromagnetické energie

Bleskové výboje ve  stratosféře

Hvizdy (whistlers) – elektromagnetické vlny vybuzené blesky jsou ovlivněnémagnetickými silokřivkami, dochází ke zpětným odrazům  V 90 letech minulého století záblesky nad bouřkovými systémy ve výšce do 100 km, trvání 1-100 ms Red sprites – červené záblesky ve tvaru oblaku, spojeny s CG blesky – zřejmě emise molekul elektrony urychlenými v zesíleném E.

Elves – elmg. vlny

Blue jets – úzké modravé kužely o rychlosti 70-200 km/s, do výše 40-50 km,vzácné, kroupové mraky?

Bouřková aktivita

Rovníkové oblasti nad kontinenty (Jižní Amerika, Afrika, Jihovýchodní Asie)

? silnější vzestupné proudy a prachové částice

Maximum v odpoledních a večerních hodinách červen – srpen

Celkově na Zemi současně 1000 bouřek se 100 blesky za sekundu

Globální atmosférický elektrický obvodNapětí mezi zemským povrchem a ionosférou je 250 kV.E u povrchu 100-300 V/m, v 50 km 10-2 V/m.Vodivost – ionizace kosmickým zářením a sluneční fotoionizací.Celkový proud 1 kA s hustotou 10-12 A/m2 .

Napěťovým zdrojem pro atmosférické proudy jsou bleskové výboje

Vodivost zemské atmosféry

4. Plasmosféra a magnetosféra

Troposféra do 10-15 km – meteorologické jevy Stratosféra do 80-90 km – absorpce UV (200-300) nmIonosféra do 1000 km – absorpce dalekého UV 

Plasmosféra – do 2,5-6 RZ , končí plasmapausou, asymetrie

Ovlivnění geomagnetickou aktivitouIndukce elektrického pole Přechod konvektivního pohybu částic na rotačníProudové prstence kolem Země Magnetosféra – do 10 RZ u Slunce, 100 RZ, na odvrácené straně,

končí magnetopauzou – dominuje BZ , rotuje se Zemí

odklon nabitých částic z Vesmíru a Slunce magnetickým polem Země

stabilizace ionosférických proudů slunečním větrem

uvnitř Země se generuje vlastní magnetické pole elektrické pole Země (u povrchu 100V/m); zemský povrch má záporný náboj, ionosféra kladný;proudění záporného náboje (elektronů) od povrchu Země k ionosféře bouřkové blesky jako napěťový zdroj – blesky nabíjejí povrch – a ionosféru +indukování proudů a mg. pole v plazmosféře

ochrana před dopadem energetických částic a záření

Elektromagnetické pole Země je udržováno a stabilizováno:generací B Země, indukováním E změnou B, dopadem slunečního věru a indukováním proudů v plazmopsféře

vytváří dokonalou souhru podmínek pro optimální podmínky pro vývoj života v biosféře

5. Závěr