1.10.3. Электрическое поле

Электрическое поле Земли – естественное электрическое поле Земли как планеты, которое наблюдается в твёрдом теле Земли, в морях, в атмосфере и магнитосфере. Оно обусловлено сложным комплексом геофизических явлений. Распределение потенциала поля несёт в себе определённую информацию о строении Земли, о процессах, протекающих в нижних слоях атмосферы, в ионосфере, магнитосфере, а также в ближнем межпланетном пространстве и на Солнце.

Электрические токи, текущие в земной коре называют теллурическими (от лат. telluris – Земля). Их существование связывают главным образом с вариациями магнитного поля Земли (наводящими токи согласно закону электромагнитной индукции), с электрическим полем атмосферы, а также с электрохимическими и термоэлектрическими процессами в горных породах.

Переменное магнитное поле Земли, источники которого локализованы в ионосфере и магнитосфере, индуцирует электрическое поле в земной коре. Напряжённость электрического поля в приповерхностном слое коры колеблется в зависимости от места и электрического сопротивления пород в пределах от нескольких единиц до нескольких сотен мВ/км, а во время магнитных бурь усиливается до единиц и даже десятков В/км. Взаимосвязанные переменные магнитное и электрическое поля Земли используют для электромагнитного зондирования в разведочной геофизике, а также для глубинного зондирования Земли.

Теллурические токи индукционного происхождения имеют как региональный, так и глобальный характер. Интенсивность и направление их изменяются во времени с периодами от нескольких лет до нескольких минут и секунд. Наибольших значений напряжённость электрического поля теллурических токов достигает на выходах кристаллического фундамента земной коры и во время магнитных бурь.

Существование электрического поля в атмосфере Земли связано в основном с процессами ионизации воздуха и пространственным разделением возникающих при ионизации положительных и отрицательных электрических зарядов. По современным данным, у ионов и элементарных частиц ионосферы преобладает положительный заряд. Это приводит к накоплению в литосфере отрицательных зарядов, а перемещения заряженных частиц в ионосфере индуцируют электрические токи в твёрдой оболочке Земли. Ионизация воздуха происходит под действием космических лучей ультрафиолетового излучения Солнца, излучения радиоактивных веществ, имеющихся на поверхности Земли и в воздухе, электрических разрядов в атмосфере и т.д. Многие атмосферные процессы (конвекция, образование облаков, осадки и др.) приводят к частичному разделению разноимённых зарядов и возникновению атмосферных электрических полей. Относительно атмосферы Земля заряжена отрицательно!

В целом ионосфера образует с поверхностью Земли сферический конденсатор, в котором ионосфера обладает положительными, а литосфера отрицательными статическими электрическими зарядами. Роль изолятора выполняют плотные слои атмосферы. Величина заряда этого конденсатора достаточно велика – напряжённость электрического поля в нижних слоях атмосферы составляет около 100В/м, а в грозовую погоду значительно больше.

Наличие электрического поля атмосферы приводит к возникновению токов, разряжающих электрический «конденсатор» атмосфера-Земля. В обмене зарядами между поверхностью Земли и атмосферой значительную роль играют осадки, которые в среднем приносят положительных зарядов в 1,1-1,4 раза больше, чем отрицательных. Утечка зарядов из атмосферы восполняется также за счёт токов, связанных с молниями и стеканием зарядов с остроконечных предметов.

Электрические поля в ионосфере обусловлены процессами, протекающими как в верхних слоях атмосферы, так и в магнитосфере. Приливные движения воздушных масс, ветры, турбулентность – всё это является источником генерации электрического поля в ионосфере благодаря эффекту гидромагнитного динамо. Величина напряжённости электрического поля в ионосфере зависит от местоположения точки наблюдения, времени суток, общего состояния магнитосферы и ионосферы, активности Солнца. Она колеблется от нескольких единиц до десятков мВ/м, а в высокоширотной ионосфере достигает ста и более мВ/м. При этом сила тока доходит до сотен тысяч ампер. Из-за высокой электропроводности плазмы ионосферы и магнитосферы вдоль силовых линий магнитного поля Земли электрические поля ионосферы переносятся в магнитосферу, а магнитосферные поля в ионосферу. Одним из непосредственных источников электрического поля в магнитосфере является солнечный ветер.

Солнечный ветер представляет собой постоянное радиальное истечение плазмы солнечной короны в межпланетное пространство. Образование солнечного ветра связано с потоком энергии, поступающим в корону из более глубоких слоёв Солнца. Подобно метле он сметает газы, выделяемые планетами и кометами, мелкие частицы метеоритной пыли и даже космические лучи. Он пополняет верхнюю область радиационных поясов Земли, способствует образованию полярных сияний в атмосфере Земли и магнитных бурь. В периоды магнитных бурь и полярных сияний электрические поля и токи в магнитосфере и ионосфере испытывают значительные изменения.

Электрические поля в морях индуцируются переменным магнитным полем Земли, а также возникают при движении проводящей морской воды (морских волн и течений) в магнитном поле. Плотность электрических токов в морях достигает 6-10 А/м². Токи этих поле могут быть использованы как естественные источники переменного магнитного поля для магнитовариационного зондирования на шельфе и в море.

Электрическое поле над поверхностью Земли (так называемое поле ясной погоды) в среднем имеет напряжённость около 100 В/м и направлено вертикально вниз. Оно испытывает значительные (как периодические, так и нерегулярные) вариации.

Вопрос об электрическом заряде Земли как источнике электрического поля в межпланетном пространстве окончательно не решён. Считается, что Земля как планета электрически нейтральна. Однако эта гипотеза требует своего экспериментального подтверждения.