ГЛОБАЛЬНЫЕ ТОКИ ЗЕМЛИ

Аннотация
В научной статье рассматриваются естественные электрические токи Земли. Авторы связывают главные направления этих токов с новым механизмом генерации магнитного и электрического полей планеты. Глобальные токи представляются как составная часть единого электромагнитного процесса. Идеи авторов базируются на законах и положениях фундаментальной электродинамики.

Abstract
In the scientific article, natural electric currents in the Earth are considered. Authors connect mainstreams of these currents with the new mechanism of generation magnetic and electric fields of the planet. Global terrestrial currents are represented as a constituent of uniform electromagnetic process. Ideas of authors are grounded on laws and standings of the fundamental electrodynamics.

Как известно теллурические токи (земные токи) — электрические токи, которые наблюдаются у поверхности земной коры.  Эти токи впервые обнаружены в проволоке, соединяющей две более или менее удаленные друга от друга точки земной поверхности. Фокс и Беккерель 1830 г., исходя из теории магнетизма Ампера, искали и нашли подобные токи в земной поверхности. Позже, когда телеграфы покрыли поверхность земли сетью проводов с концами, погруженными в землю, земные токи, нередко вызывавшие в этих проводах сильные электрические возмущения, начали подвергаться более тщательному изучению. Исследование земных токов производилось Барловым (1849) и Эри (1860—1890) в Англии, Гейсигом в Германии, Пальмиери в Италии, Блавье (1884) и Маскаром (1890, в обсерватории Сен-Мор около Парижа), П. Бахметьевым в Болгарии (1892—1893) и после 1882 г. производились в г. Павловске Г. Вильдом [1].

Для наблюдения земных токов соединяют концы изолированной проволоки с двумя металлическими пластинами, закопанными в землю на расстоянии 1 км или более друг от друга. В проволоку вводится гальванометр, показания которого наблюдают через известные промежутки времени. Познания о земных токах долгое время оставались весьма скудными. Более или менее несомненными стали лишь следующие факты:

- напряжение тока между точками, удаленными на 1 км, колеблется обычно от 0 до 0,06 Вольта;

- направление токов непрерывно меняется, наиболее часто от ЮЗ к СВ;

- суточный ход токов представляет довольно ясно выраженные максимумы и минимумы, проявляющиеся в разных местах в разное время;

- токи находятся в несомненной, но неясной связи с изменениями магнитного состояния Земли и с явлением атмосферного электричества;

- сильные токи вообще не совпадают по времени с сильными магнитными и электрическими возмущениями [1].

В геофизической науке на настоящее время нет окончательного и точного  научного объяснения теллурических токов. Имеются различные попытки объяснений на гипотетическом уровне, некоторые из них приведены ниже. Большинство исследователей приводят явления земных токов в связь с магнитными свойствами Земли. Из них одни видят в токах причину, другие следствие магнетизма Земли. Некоторые (Прис, Вильд) указывают на связь токов с явлением солнечных пятен, другие (Бахметьев) видят в них термоэлектрические явления и приводят их в связь с ходом суточной температуры, отдельные исследователи (Ландезеер) земные токи приписывают электризации ветром поверхности Земли и т. д. [1].

В работе [2] основные электромагнитные процессы в земной коре и атмосфере обобщены и приведены в систему (рис. 1), которые получены в основном из непосредственных измерений и анализа полученных результатов. Здесь достаточно детально определены многие факты земных электромагнитных процессов. В частности показано разделение зарядов в грозовых (и даже в небольших кучевых) облаках. Указаны направления токов в грозовых разрядах и разрядах в верхней атмосфере. Подчеркнуто наличие излишних положительных зарядов в ионосфере и отрицательных – в земле (удачное сравнение с шаровым конденсатором), и как следствие этого, существование  электрического поля между земной поверхностью и ионосферой [2, с. 133–135]. Основные результаты этой работы в вышеупомянутых процессах согласуются с нашими идеями [3, 4], отличаясь лишь в объяснении причин некоторых процессов. Основное различие этих двух точек зрения в объяснении генерации глобального магнитного поля Земли (далее сокращенно МПЗ) [2, с.114]. Авторы работы [2] в этом вопросе придерживаются мнения большинства исследователей современности о генерации МПЗ процессом гидромагнитного динамо в жидком ядре [5, с.141 – 151].

В геофизической науке принято токи в приповерхностных слоях и в земной коре называть теллурическими токами; токи в тропосфере и в грозовых облаках – грозовыми разрядами; токи между тропосферой и ионосферой – разрядами в верхней атмосфере; движение заряженных частиц в ионосфере – ионосферными токами. В дополнение к этому токи в нижней атмосфере полярных областей Земли следовало бы назвать полярными сияниями в нижней атмосфере. О существовании полярных сияний в нижней атмосфере имеются много фотодокументов [6].

Их также наблюдал и описал исследователь севера К. Д. Носилов, который в качестве метеоролога зимовал в конце XIX века на Новой Земле. Он описал это явление следующим образом: «Это было ужасное и вместе с тем приятное зрелище, знакомое только полярному человеку… Оно разыгрывается совсем не так, как на линии Петербурга или Архангельска, – над самой головой зрителя… Игра огней придавала всему северному сиянию большую подвижность… и, казалось все те слои воздуха, где горело, колыхалось, тухло и разгоралось это чудное явление, колыхались вместе с ним, захватывая нижние слои воздуха; лента спускалась на тысячи метров ниже, приближалась к поверхности моря, к острову, еще ярче освещала его льды, казалось, вот она спустится, обожжет вспыхивающий под ней снег, коснется нас, и мы невольно прижимались к стене дома. Но морозный воздух не колыхался, свеча горела, не колыхнув пламенем; явление не достигнув, казалось, каких-нибудь ста сажень земли, таяло, прекращалось, и лента снова поднималась, начинала погасать, чтобы дать место другой…

Собаки – как заряженные аккумуляторы, бродили беспокойно, ложились на снег, ворча и взвизгивая, катались по нему и бежали в сени, сгорбившись, с поднявшейся на спине и шее шерстью, к которой нельзя было прикоснуться, чтобы не причинить им видимой боли, от которой они при малейшем прикосновении взвизгивали и даже кусались.

Я снял теплую шапку и погладил свои волосы. Мне было неприятно их трогать, они тоже, как у собак, приподнимались, были грубыми и издавали больше треска, чем обыкновенно» [7, с.139].

Нами разработан общий механизм глобальных магнитных и электрических процессов Земли, который основан на действии силы Лоренца в неполярной зоне на, движущиеся вместе с земным вращением, заряды во всех ее электропроводящих частях. Эти процессы в ядре Земли приводят к разделению зарядов и генерации глобального магнитного и электрического полей Земли, имеющих инверсионно – циклическую периодичность [3, 4]. Эти же процессы в атмосфере (т.е. в облаках) приводят к разделению зарядов в облаках, и как следствие, к грозовым разрядам [8], и разрядам в верхней атмосфере [9]. С нашей точки зрения генерация теллурических токов вызваны действием  предлагаемого нами механизма, и являются одним из основных связующих звеньев в цепи глобальных электромагнитных процессов Земли. Отрицательные заряды, внесенные в приповерхностные слои Земли грозами и другими процессами, под действием силы Лоренца должны растекаться и доставляться (сквозь кору и мантию) до земного ядра. Они то и составляют основную компоненту теллурических токов. Основное направление этих токов в неполярных областях, с точки зрения предлагаемого нами механизма, связано с растеканием отрицательных зарядов в сторону земного ядра перпендикулярно силовым линиям МПЗ. При общепринятых горизонтальных измерениях могло выявляться направление, являющееся проекцией направления этого тока к горизонтальной плоскости. На рис. 3 в цветной схеме (без учета масштаба – для большей ясности) приведены основные направления движения зарядов (т.е. земных токов) в толще Земли и в ее атмосфере. Эти токи мы назвали глобальными токами Земли и согласно нашей точке зрения они являются следствием единого глобального геоэлектромагнитного процесса. Только при таком рассмотрении проявляется ясность во всех электромагнитных процессах Земли, т.е. избавляемся от основных заблуждений и неясностей в объяснении земных электромагнитных процессов. В частности, исходя из факта существования электрического поля между земной поверхностью и ионосферой и с учетом проводимости атмосферного воздуха, в геофизической науке общепринято наличие обратных токов хорошей погоды [2, с. 133 – 135], [10, с. 174 – 198]. При рассмотрении этих наблюдаемых частных электромагнитных процессов Земли, как отдельных сторон единого глобального геоэлектромагнитного процесса, убеждаемся, что в неполярных областях никаких обратных токов не может быть за исключением гроз, которые вносят в землю положительный заряд [8]. Причиной таких гроз являются воздушные потоки внутри грозового облака и силы тяжести крупных капель, которые перемешивают разделенные под действием силы Лоренца заряды. Если и существуют токи хорошей погоды, то они, в неполярных областях, могут быть направлены от земли к ионосфере.

Теперь объясним механизмы возникновения вышеупомянутых токов Земли с предлагаемой нами точки зрения. Начнем с кучевого и грозового облаков, которые являются крупной неоднородностью с намного большей влажностью и электропроводимостью, чем окружающий атмосферный воздух. Они движутся с огромной скоростью (более 1600 км/час в экваториальной части с плавным убыванием в сторону полюсов) в геомагнитном поле в связи с вращением Земли. Следовательно, в нем интенсивно начнется процесс разделения зарядов под действием силы Лоренца, что, в конечном счете, приводит к грозовым разрядам и разрядам в верхней атмосфере. Сведения о механизме этих процессов подробно даны в работах [8,9]. Грозовыми разрядами [8] отрицательные заряды нижней части грозового облака вносятся в приповерхностные слои Земли, а разрядами в верхней атмосфере [9] положительные заряды верхней части грозового облака уносятся к ионосфере, где удерживается основной положительный заряд Земли геомагнитным полем. Далее отрицательные заряды из приповерхностных слоев Земли, под действием тех же сил Лоренца, через земную кору и мантию должны доставляться до земного ядра, где удерживается основной отрицательный заряд Земли. Цепь глобальных земных токов замыкается потоком убегающих положительных зарядов в ионосфере, вдоль силовых линий МПЗ к северу и югу от экваториальной части (ионосферные токи), и далее нижними полярными сияниями, где навстречу к ним идут убегающие отрицательные заряды из земного ядра (полярные теллурические токи). Таким образом, по земному шару циркулируют два глобальных тока, отдельно в северном и южном полушариях, со смежной частью в экваториальной зоне.

Важно отметить, что глобальные токи Земли есть результат противодействия двух основных сосуществующих электромагнитных сил на движущиеся (вращающиеся вместе с Землей) заряды. Первая сила – это сила Лоренца, действующая со стороны МПЗ, равная:

где  – линейная и  – угловая скорости точки, в которой находится заряд q (ион, электрон);  r – расстояние от данной точки до оси вращения Земли; B – значение вектора индукции МПЗ в данной точке;  – угол между векторами     и B. Вторая сила – это сила, действующая со стороны электрического поля земного шарового конденсатора [2, с. 133 – 135], положительная обкладка которого находится в верхних слоях ионосферы, а отрицательная – по нашему мнению в земном ядре:

где E – напряженность ЭПЗ в точке расположения заряда q.  Эти две силы отражают один из основных законов философии – «закон единства и борьбы противоположностей», т.к. без геомагнитного поля не было бы и геоэлектрического поля, причем магнитная сила F_L  работает на создание этих полей, а электрическая сила  F_E работает на их уничтожение. Если учесть, что полученная согласно измерениям [2, с. 134]  E ≈ 150 В/м , то электрическая сила F_E намного превышала бы силу Лоренца во всех частях Земли, и предлагаемый нами механизм генерации глобальных геоэлектромагнитных процессов был бы невозможен. Однако есть важные условия, позволяющие реализации этого механизма в земных условиях, связанные с экранированием электрического поля в электропроводящих средах [10, с. 104–108], [11, с. 91–100]. Основными экранирующими факторами электрического поля, между некомпенсированным отрицательным зарядом, находящимся в ядре и некомпенсированным положительным зарядом, находящимся в верхней части ионосферы [6], являются вышележащее электропроводящее вещество земного ядра и хорошо проводящие нижние слои ионосферы (рис. 3). Дополнительно экранируют мантия, земная кора, гидросфера, почва и атмосфера, которая не является абсолютным изолятором. С учетом этих экранирующих факторов в неполярных областях Земли от земного ядра до верхней части, активно вращающейся, атмосферы доминируют магнитные силы Лоренца.

Кроме того мы полагаем, что измерения параметров электрического и магнитного полей, проводимые до настоящего времени не учитывают побочного эффекта, вызванного вращением прибора вместе с земным вращением. Иначе говоря, некомпенсированный отрицательный заряд, находящийся в ядре, который и создает основную составляющую МПЗ своим вращением, является неподвижным относительно измерительного прибора вращающегося вместе с Землей на ее поверхности. В результате этого значения измеряемых величин могут получиться искаженными. В настоящее время технические возможности позволяют исключить эти искажения. Достаточно провести измерения при помощи самолета летящего прямо на запад (противоположно направлению земного вращения) со скоростью, равной линейной скорости вращения Земли на данной широте, т.е. относительно инерциальной системы отсчета. Желательно, чтобы измерительный прибор находился вне самолета, для исключения искажающих и экранирующих действий самого самолета.

Таким образом, все основные наблюдаемые земные электромагнитные процессы в неполярной зоне Земли (теллурические токи, процесс зарядки облаков, грозовые разряды и разряды в верхней атмосфере) подчинены действию силы Лоренца со стороны МПЗ. Эта сила, по сути, превосходит (с учетом экранирования ЭП) электрическую силу в этой зоне, т.е. активно работает на создание земных токов, подобно ЭДС в обычной электрической цепи. Основную же компоненту самого МПЗ создает вращение отрицательного заряда, в форме цилиндрической поверхности, расположенного в земном ядре [3, 4].

В полярных областях доминируют электрические силы. Главная причина этого кроется в том, что здесь значение силы Лоренца значительно меньше, по причине уменьшения линейной скорости вращения, зависящей от значения расстояния от рассматриваемого заряда до оси Земли, т.е. величины r в формуле линейной скорости. Кроме того в этой зоне нет экранирующего слоя со стороны ядра т.к. торцы некомпенсированного отрицательного заряда в земном ядре примыкают к границе ядра (рис.3). По этим причинам электромагнитные процессы в полярных областях Земли (полярные сияния в нижней атмосфере, полярные теллурические токи) подчинены действию электрического поля, создаваемого положительным зарядом ионосферы, и дополнительно, отрицательным зарядом земного ядра. Дополнительной причиной «бессилия» магнитных сил Лоренца в ряде процессов является движение зарядов вдоль линий МПЗ (рис. 3). По этой причине ионосферные токи в неполярной зоне также подчинены действию электрических сил. Эти процессы, подобно пассивной внешней части обычной электрической цепи, дополняя недостающую часть, создают замкнутую цепь глобальных токов Земли. Таким образом, все упомянутые электромагнитные процессы Земли глобальны и взаимосвязаны между собой.

С другой стороны, кроме глобальных процессов, в разных частях земли проистекает ряд электромагнитных явлений местного значения, которые вносят путаницу при практических измерениях мгновенных значений и горизонтальных направлений земных токов. В частности грозовые разряды, которые являются сугубо локальными, приводят к очень резким электромагнитным скачкам в региональном масштабе. Кроме этого, проводимости пород в приповерхностных слоях (в горизонтальном и вертикальном направлениях) очень сильно отличаются, в зависимости от химического состава пород и содержания воды в них.  Поэтому в них тоже, под действием МПЗ, могут происходить разделения зарядов. Видимо эти и другие электромагнитные явления местного значения приводят к неясным вариациям при измерениях теллурических токов.

Следует дополнительно отметить, что локальные изменения (бифуркации) теллурических токов могут быть также обусловлены процессами накопления трещин и деформаций в земной коре перед сильными землетрясениями. Эти процессы тоже сугубо локальные  [12].

Выводы

1. Исследования земного электромагнетизма до настоящего времени в основном велись однобоко, частенько без учета вращения Земли вокруг своей оси.  Те исследователи, которые учитывали земное вращение, как основу магнетизма (сторонники гидромагнитного динамо),  частенько не обращали внимания на побочные электромагнитные эффекты при вращении планеты и рассматривали геомагнетизм вне связи с другими электромагнитными процессами Земли.
2. Рассматривая электромагнитные процессы Земли, с учетом побочных эффектов при вращении планеты, можно обнаружить единство и глобальность геоэлектромагнитных процессов. С такой точки зрения ярче выявляются взаимосвязи между известными отдельно взятыми процессами (магнитное и электрическое поля, грозы, разряды в верхней атмосфере, ионосферные токи,  нижние полярные сияния и теллурические токи).
3. Подход к исследованиям электромагнетизма небесных тел с новой диалектической точки зрения позволит исключить противоречия, путаницы между отдельными электромагнитными процессами и установить реальную физическую картину на основе фундаментальной электродинамической теории. На основе такого подхода нам удалось заметить глобальность земных электрических токов.

Библиографический список

1. Земные токи – Википедия
2. Кузнецов О.Л., Каляшин С.В. Введение в геофизику. – М: РАЕН: Дубна: Университет «Дубна», 2011.–273с.: илл., табл.
3. Омуркулов Т.А. Сущность магнитного поля Земли: Вестник ИГУ № 25: – Каракол 2010.
4. Омуркулов Т.А. Явление генерации и непрерывного инверсионно-циклического развития собственного магнитного и электрического полей проводящих тел: Известия национальной академии наук Кыргызской Республики №2: – Бишкек: «ИЛИМ», 2015. с. 35–39.
5. Хаббард У. Внутреннее строение планет: Пер. с англ. – М.: Мир, 1987, 328 с.
6. Полярные сияния – поиск в Google
7. Алексеева Л.М. Небесные сполохи и земные заботы. – М.: Знание,1985. – 160 с.
8. Омуркулов Т.А. и др. Грозы как составная часть генерации глобального электрического и магнитного полей Земли: Вестник Иссык-Кульского университета № 35: – Каракол 2013.
9. Тажибаев К.Т., Омуркулов Т.А. Разряды в верхней атмосфере как составная часть процесса земного электромагнетизма: Институт геомеханики и освоения недр НАН Кыргызской Республики. Современные проблемы механики сплошных сред. Вып.20: – Бишкек 2014, 7 с. (с. 132 – 138).
10. Фейнман Р, Лейтон Р, Сэндс М.  Фейнмановские лекции по физике. ч. 5. Электричество и магнетизм: Пер. с англ. – М.: Мир, 1977, 299 с.
11. Парселл Э. Электричество и магнетизм: Учебное руководство: Пер. с англ. – М.: Наука, 1983, 415 с.
12. Тажибаев К.Т. Деформация и разрушение горных пород: «Илим», Фрунзе, 1986.-106с.