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

Magnetické pole planet 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 činí Dt =  L2 u Země  150 000 let, u Slunce 109 let. 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 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 Larmor Cowling 1934 – nestabilita magnetického toku Elsasser ve 40-tých letech – invariance MHD rovnic vůči změně orientace B - disipace mg. pole je větší než disipace tepla a momentu hybnosti Aktuálnost změny polarity Jsme na počátku změny? dipólový moment klesá ale je stále nadlrůměrný směr osy dipólu jde v posledních 10 letech k 90 0 (opačně než je potřebné pro změnu Magnetické minimum na povrchu putuje nezávisle 40 km/rok 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 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 tekutina 2) diferenciální rotace v = f(r,) 3) radiální pohyb tekutiny (teplotní gradient mezi jádrem a pláštěm 4) 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 rotace sluneční aktivita, skvrny, protuberance, erupce, vliv na zemské magnetické pole Generace magnetického pole hvězd, trpaslíků a neutronových hvězd změna 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.

Obr. : Rozdělení nábojů v molekule vody. 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.

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, IC Doba trvání 0.2 s, 1-30 následných kanálů s intervalem 50 ms, několik Coulombů proudy 10-100 kA Napětí v bouřkových mracích až 100 MV (400 kV/m)  

Kulový blesk - popis 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  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 ovlivněné magnetickými 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 obvod Napětí 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) nm Ionosféra do 1000 km – absorpce dalekého UV Plasmosféra – do 2,5-6 RZ , končí plasmapausou, asymetrie Ovlivnění geomagnetickou aktivitou Indukce elektrického pole Přechod konvektivního pohybu částic na rotační Proudové 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

5. Závěr 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