1 / 19

Elektromagnetické jeviště Země

Elektromagnetické jeviště Země. P. Kubeš Katedra fyziky FEL ČVUT. Obsah. 1. Generace zemského magnetického pole 2. Elektrické proudy v atmosféře 3. Bouře a b lesky 4. K ulové blesky 5 . Plasmosféra a magnetosféra 6. Zemský elektrický obvod.

mieko
Download Presentation

Elektromagnetické jeviště Země

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. Elektromagnetické jeviště Země P. Kubeš Katedra fyziky FEL ČVUT

  2. 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

  3. 1.Generace zemského magnetického poleZemské 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.

  4. 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.

  5. 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

  6. 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

  7. 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.

  8. 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.

  9. 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 poleE, která mohou dosáhnout průbojových hodnot. Při jejich dosažení se většinou od spodní části mraku začíná šířit směrem k Zemi strimer rychlostí 106 m/s.

  10. 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)

  11. 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%.

  12. Kulový blesk • energie104 - 105 J • výkon 50 - 200 W  infra zdroj 200 - 3000 Cv 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

  13. 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?

  14. 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

  15. 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

  16. Vodivost zemské atmosféry

  17. 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

  18. stabilizace ionosférických proudů slunečním větrem

  19. 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

More Related