Elektromagnetické jeviště Země

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