Электрическое поле Земли

Электрическое поле Земли существует во всех сферах географической оболочки, в том числе и у животных. Основная его характеристика — напряженность — представляет собой силу, приложенную в этом поле к единичному положительному заряду. Распределение электрических зарядов в пространстве изображают силовыми линиями: чем больше густота линий, тем больше напряженность электрического поля.

Явления, связанные с движением электрических зарядов, лежат в основе многих процессов, происходящих во Вселенной и на Земле. Наша планета постоянно подвергается «бомбардировке» заряженными частицами из космического пространства. Некоторые из них возникают за пределами Солнечной системы и в основном представлены протонами (примерно 85%), a-частицами (около 14%) и тяжелыми атомными ядрами. Большинство этих частиц образуется, вероятно, в пределах нашей Галактики, и поэтому их потоки называют галактическими космическими лучами. Кроме них известны солнечные космические лучи, исходящие от Солнца и состоящие в основном также из протонов. Именно они формируют внеземные электрические потоки, заметно увеличивающиеся в периоды сильных возмущений на поверхности Солнца. При подходе к Земле эти частицы попадают в магнитное поле планеты и приобретают очень сложный характер движения, особенно вблизи полюсов. Если кинетическая энергия частицы сравнительно небольшая, то частица отклоняется полем и не достигает поверхности Земли. Частицы с большой энергией могут достигать земной поверхности. В области магнитных полюсов протоны даже с небольшой энергией могут достигать земной поверхности, как бы «навиваясь» на магнитные силовые линии. С движением заряженных частиц в магнитном поле Земли связаны полярные сияния — свечение разреженных слоев воздуха на высоте 90—100 км и молнии — гигантские электрические искровые разряды между облаками.

Земные (теллурические) электрические потоки захватывают обширные участки земной коры и океанской толщи, размеры которых составляют сотни и тысячи квадратных километров. Главной причиной их образования считают изменение интенсивности солнечной радиации, создающее в атмосфере, гидросфере и литосфере переменное электромагнитное поле. Теллурическое поле изменчиво во времени и пространстве: плотность теллурических токов возрастает при магнитных возмущениях и в период магнитных бурь. Теллурические токи в океане по сравнению с токами на суше имеют большую плотность: в земной коре она составляет в среднем 2×10^-10 А/м², в океане — 3×10^-6 A/м². Поле теллурических токов постоянно изменяется в зависимости от геомагнитного поля. В Мировом океане дополнительными источниками электромагнитного поля являются скопления определенных микроорганизмов, создающих биоэлектрический эффект (свечение воды), насыщенные суспензией потоки (особенно в придонном слое и в подводных каньонах), вертикальная конвекция. Соотношение этих факторов различно, но, как правило, они оказывают интегральное действие.

Тепловое поле Земли

Тепловое поле существует за счет неравномерного нагревания вещества Земли — горных пород, вод и воздуха, в результате чего возникает пространственная неравномерность распределения температуры. Источниками термического поля являются внутренние и внешние процессы.

Внешний источник — солнечная радиация, проникает на глубину лишь в несколько метров. Дальнейшее увеличение температуры с глубиной (в среднем 0,3°С на 100 м) связано с внутренними источниками — распадом радиоактивных элементов, гравитационной дифференциацией вещества, приливным трением, процессами метаморфизма и фазовыми переходами вещества. Большинство исследователей главным источником внутреннего тепла считает гравитационную дифференциацию вещества. Скорость возрастания температур с глубиной зависит от теплопроводности, проницаемости горных пород и генерации тепла источниками. Основная потеря внутреннего тепла Земли (4×10¹² Вт) происходит за счет теплового потока, меньшую роль играют вулканизм, землетрясения, гидротермальные источники. Плотность теплового потока из недр определяет энергетическое состояние поверхности Земли и тектонические особенности региона. Эта величина различна и в среднем составляет (мВт/м²): для глубоководных океанических впадин — 28—65, в пределах щитов — 29—49, в геосинклинальных областях и срединно-океанических хребтах — 100—300 и более. Среднее значение для Земли равно 64—75 мВт/м², что в несколько десятков тысяч раз меньше потока лучистой энергии Солнца.

Тепловые взаимодействия во многом зависят от вещественного состава тел (воздух, вода, горные породы), их физических свойств (теплоемкость, теплопроводность, температура фазовых превращений), а также плотности вещества.

Современное тепловое поле оказывает несомненное влияние на процессы, происходящие в оболочке, особенно на развитие Живого вещества.

Рис. 4.9. Модели (а, б) географической тепловой машины

Тепловые взаимодействия описываются уравнениями, вытекающими из физических законов. Фундаментальное значение для понимания процесса переноса тепла в географической оболочке имеют законы (начала) термодинамики. Первое начало термодинамики реализует закон сохранения энергии применительно к термодинамической системе и определяет влияние на систему поступления внешней энергии следующим образом: поступившее в систему тепло равно сумме приращений внутренней энергии системы и совершенной системой работой. Второе начало термодинамики объясняет поток тепла от тела с более высокой температурой к телу сболее низкой температурой.

Эти постулаты послужили основой для объяснения различных форм циркуляции вещества (круговоротов) в географической оболочке. В. В. Шулейкин ввел понятие «географическая тепловая машина». Географическая тепловая машина — это термодинамическая система, в которой из-за разности температур ее отдельных частей происходит перенос тепла и совершается работа. Часть системы сболее высокой температурой называется нагревателем, другая, где температура ниже, — холодильником (рис. 4.9, а). Нагреватель получает тепло от внешней среды и, согласно второму закону термодинамики, должен служить холодильником для другой системы, иначе он не может черпать тепло из внешней среды. В то же время холодильник отдает тепло внешней среде, иначе он не может принимать энергию от нагревателя (рис. 4.9, б). Таким образом, холодильник данной тепловой машины служит нагревателем другой системе, сопряженной с ним термодинамически. В структуре географических тепловых машин пространственно разобщенные нагреватели и холодильники объединены многочисленными потоками энергии.