Efekty oddziaływań elektromagnetycznych w naturze

Geomagnetyzm

Nie trudno się domyślić, że również zjawisko ziemskiego pola magnetycznego można wyjaśnić efektem obecności w przyrodzie stycznego oddziaływania magnetycznego i naturalnego dodatniego sprzężenia zwrotnego.

Obraz pola magnetycznego wywołanego przez ujemny ładunek elektrostatyczny zgromadzony na planecie, obracającej się w kierunku zgodnym z kierunkiem obrotów Ziemi.

Skorupa Ziemi zbudowana jest z minerałów nie przewodzących prądu elektrycznego, lecz na większych głębokościach pod naciskiem siły - ciśnienia grawitacyjnego - skały i minerały stają się plastyczne, i tu przepływ elektronów jest możliwy.

Podczas obracania się Ziemi (jeden obrót na dobę), na elektrony przewodzenia wewnątrz globu działa przyspieszenie dośrodkowe, które w oddziaływaniu z polem magnetycznym przenikającym glob Ziemi (oddziaływanie styczne) wywołuje przepływ elektronów przewodzenia w kierunku zgodnym z kierunkiem obrotów Ziemi, przy którym następuje wzmocnienie wypadkowego pola magnetycznego - naturalne dodatnie sprzężenie zwrotne. Pochodzenie pola magnetycznego nie jest istotne. Przepływowi elektronów - prądu towarzyszy wydzielanie ciepła, które roztapiając skały zwiększa ich przewodność - łatwość przepływu elektronów, a w konsekwencji dalsze wzmocnienie wypadkowego pola magnetycznego.

Prawdopodobnie, oddziaływaniu stycznemu i przez nie generowanemu przepływowi elektronów należy przypisać istnienie wewnątrz Ziemi nieciągłości Gutenberga. Przypuszczalnie jest to sferyczna toroidalna warstwa, rozgrzana do stanu gazowo płynnego.

Istnienie takiej warstwy i jej położenie tłumaczy przykład wirującego krążka naładowanego ujemnym ładunkiem elektrycznym równomiernie w całej objętości.

Przedstawienie charakteru opisywanych zjawisk na wykresach.

Wirujący krążek - pole magnetyczne
wirującego ładunku i oddziaływanie styczne

Ziemia - wskaźnik wielkości prądu
wywołanego oddziaływaniem stycznym

Równoleżnikowa składowa ziemskiego pola magnetycznego.

Linie sił ziemskiego pola magnetycznego, przy powierzchni Ziemi, są odchylone od kierunku wskazującego geograficzny biegun Ziemi. Odchylenie to nazywane jest deklinacją i zmienia się w czasie z dość dużą regularnością, tak dużą, że na dokładnych mapach wojskowych podawana jest jego roczna zmiana w stosunku do daty wydania mapy. Przyglądając się temu zjawisku odnosi się wrażenie że na powierzchni Ziemi dodatkowo znajduje się pole magnetyczne którego linie sił przebiegają równoleżnikowo, a wypadkowy kierunek wskazywany przez busolę (kompas) w dowolnym miejscu na powierzchni Ziemi, jest sumą geometryczną głównego południkowego (dipolowego) pola magnetycznego Ziemi i dodatkowego pola równoleżnikowego.

Ziemia, oprócz dobowego ruchu obrotowego dającego jej dipolowe pole magnetyczne, oraz rocznego obiegu po orbicie wokół Słońca ze średnią prędkością 29,785 km/s, bierze udział:

-	w ruchu Słońca i Układu Słonecznego wokół centrum Galaktyki, z prędkością 200 - 300 km/s
-	w ruchu Galaktyki wewnątrz Super galaktyki, z prędkością ocenianą na 400 - 450 km/s, oraz
-	w ruchach następnych, wyższych układów grawitacyjnych, których prędkości i kierunków nia daje się określić.

Dotychczas nie ma metody pozwalającej określić całkowity (absolutny) ruch Ziemi. Uwzględniając jednak, właściwość ładunku elektrycznego, polegającą na tym że w czasie ruchu ładunek indukuje wokół siebie pole magnetyczne, można z dosyć dużym prawdopodobieństwem założyć, że nie dipolowe (równoleżnikowe) pole magnetyczne Ziemi jest efektem wypadkowego (absolutnego) ruchu Ziemi we wszechświecie.

Równoleżnikowe pole magnetyczne Ziemi, przy założeniu że wypadkowy (absolutny) ruch Ziemi jest skierowany w kierunku bieguna południowego.

Według różnych źródeł, wielkość ujemnego ładunku elektrycznego znajdującego się na powierzchni Ziemi wynosi 5,7*10⁵ C. Wielkość ta obliczana jest w oparciu o średnie dla całej Ziemi natężenie pola elektrycznego przy powierzchni Ziemi, wynoszące ok. 130 V/m.

Rysunek przedstawia pola magnetyczne - dipolowe (południkowe) i równoleżnikowe, tak jak gdyby na siebie nie oddziaływały. Z doświadczenia wiemy że jest to niemożliwe, pola magnetyczne albo się przyciągają albo odpychają, również w przypadku ich krzyżowego usytuowania.

Rysunek przedstawia sytuację bliską rzeczywistości. Wzajemne oddziaływanie na siebie pól magnetycznych - dipolowego i równoleżnikowego powoduje odchylenie pola dipolowego od osi obrotu planety. Pole równoleżnikowe również ulega zniekształceniu, - tego jednak na rysunku nie pokazano.

Wiekowe zmiany ziemskiego pola magnetycznego

Długookresowe zmiany ziemskiego pola magnetycznego nazwano zmianami wiekowymi. Z wykresu zmian deklinacji i inklinacji w długich okresach czasu widać, że zmiany te są cykliczne.

Na rysunku przedstawiona jest krzywa zmian wiekowych deklinacji i inklinacji dla Londynu od 1540 do 1960 r. Przebieg zmian wskazuje, że okres zmian wiekowych wynosi ok.500 lat.

Inklinacja jest to kąt, zawarty pomiędzy linią sił dipolowego pola magnetycznego (wektor) i płaszczyzną poziomą przy powierzchni Ziemi.

Z badań dipolowej części pola magnetycznego wynika, że ulega ono zmianom wiekowym. W ciągu ostatnich 100 lat natężenie pola dipolowego malało o ok. 0,04% rocznie i pole przesuwało się w kierunku zachodnim o ok. 0⁰,05 w ciągu roku. Zjawisko to nazwano dryfem zachodnim.

Ziemia wokół Słońca nie krąży w kosmicznej pustce, jej ruch odbywa się w płaszczyźnie ekliptyki w której również znajduje się dysk wiatru słonecznego, a wiatr słoneczny to poruszające się cząstki materii obdarzone ładunkami elektrycznymi i towarzyszące im pole magnetyczne. W tym miejscu, znajduje się również wyjaśnienie wiekowych zmian ziemskiego pola magnetycznego.

Wysoka temperatura korony słonecznej powoduje, że wypływająca ze Słońca materia jest całkowicie zjonizowana, cząstki wiatru słonecznego niosą ze sobą ładunki elektryczne - ujemne elektrony i dodatnie jony atomów. Różnoimienne ładunki poruszające się w tym samym kierunku odpychają się od siebie a jednoimienne przyciągają. Jest to właściwość dzięki której po opuszczeniu Słońca następuje grupowanie się cząstek wiatru słonecznego w dwa strumienie o przeciwnych ładunkach elektrycznych. Takie zgrupowanie nastąpiło raz na początku uformowania się i od tego momentu wyrzucane ze Słońca cząstki promieniowania korpuskularnego zawsze trafiają do swojego strumienia - pod względem znaku ładunku elektrycznego. Pole magnetyczne towarzyszące tym strumieniom spowodowało usytuowanie obu strumieni w oddzielnych sektorach po przeciwnych stronach Słońca. W okolicy Ziemi gęstość wiatru słonecznego wynosi 10 - 100 cząstek w 1 cm³, a ich szybkości radialne 250 - 800 km/s.

Kilka puzzli z których można ułożyć wszystko - no, prawie wszystko.

Rozwinięcie przekroju dysku wiatru słonecznego po obwodzie orbity Ziemi

z zaznaczeniem wiekowych zmian inklinacji i deklinacji pola magnetycznego.

po 1960 r.

1960 r.

lata 1800 - 1820

1690 r.

1580 r.

-	deklinacja zmierza do wartości wschodnich

-	deklinacja 24^o W
-	od ok. 1860 r. maleje natężenie dipolowego pola magnetycznego

-	deklinacja 11^o E (wschodnia)

Przekrój dysku wiatru słonecznego wykonano tak, że Słońce znajduje się za rysunkiem, informuje o tym zwrot linii sił pola magnetycznego zaznaczony na styku sektorów dysku.

Kierunek ruchu dysku wokół Słońca jest zgodny z kierunkiem ruchu Ziemi, na rysunku od lewej strony do prawej.

Schematy Ziemi z napisami - inklinacja 67^o i inklinacja 74^o, rozmieszczono nad przekrojem dysku, kierując się zasadami oddziaływania na siebie różnych pól magnetycznych - przeciwnie skierowane odginają (odpychają), a zgodne prostują (przyciągają) wzajemnie linie sił pól magnetycznych.

Z przedstawionego zestawienia wynikają następujące wnioski:

dysk wiatru słonecznego w miejscu orbity Ziemi porusza się wokół Słońca szybciej niż Ziemia - o 1 obieg na około 500 lat, i stąd wynika pięciuset letnia cykliczność wiekowych zmian ziemskiego pola magnetycznego;

zmiany deklinacji od 11^o wschodniej do 24^o zachodniej i z powrotem są spowodowane zmianą wielkości ujemnego ładunku elektrycznego Ziemi.

	W czasie gdy Ziemia znajduje się w sektorze cząstek ujemnych, przedostające się do górnych warstw atmosfery ujemne cząstki wiatru słonecznego obniżają dodatni ładunek atmosfery, a w strefie wiatrów zachodnich pod wpływem oddziaływania poprzecznego sprowadzane są do powierzchni Ziemi.
	W centralnej części sektora ujemnego, Ziemia posiada największy ujemny ładunek elektryczny i wówczas pola magnetyczne - główne dipolowe i równoleżnikowe, posiadają największe natężenia. Duża wartość natężenia równoleżnikowego pola magnetycznego wywołuje dużą deklinację zachodnią.
	W czasie gdy Ziemia znajduje się w sektorze cząstek dodatnich, przedostające się do atmosfery dodatnie cząstki wiatru słonecznego zwiększają dodatni ładunek atmosfery, a równocześnie w górnych warstwach podbiegunowych wiatrów zachodnich ujemny ładunek tych wiatrów zostaje obniżony w wyniku rekombinacji (rozładowania) z dodatnimi cząstkami wiatru słonecznego. Powstaje przy tym świecenie, obserwowane jako zorza polarna. Duży dodatni ładunek atmosfery może być również przyczyną zwiększonej gwałtowności zjawisk atmosferycznych.
	W centralnej części sektora dodatniego Ziemia posiada najmniejszy ładunek ujemny i w tym czasie również pola magnetyczne posiadają najniższe natężenia. Niskiej wartości natężenia równoleżnikowego pola magnetycznego odpowiada niska wartość deklinacji zachodniej, a w niektórych miejscach na powierzchni Ziemi (położenie miejsca względem bieguna magnetycznego i geograficznego), deklinacja osiąga wartości wschodnie.

obserwowany od ok.1860 r. spadek wartości natężenia pola magnetycznego spowodowany jest zmniejszaniem się ujemnego ładunku Ziemi w wyniku przechodzenia wewnątrz dysku wiatru słonecznego do strefy o mniejszej gęstości cząstek ujemnych, a obecnie do strefy o większej gęstości cząstek dodatnich w sektorze cząstek dodatnich.