Институт метрологии времени и пространства, ГП ВНИИФТРИ

141570 Московская обл., Менделеево

Источник магнитного поля Земли до сих пор не установлен официальной наукой, которая имеет дело лишь с изобилием гипотез, выдвинутых на этот счёт (см., например, обзорную монографию [1]). Гипотеза, прежде всего, должна объяснять происхождение дипольной составляющей магнитного поля Земли, из-за которой планета ведёт себя как постоянный магнит с северным магнитным полюсом вблизи южного географического полюса, и наоборот. Сегодня почти общепринята гипотеза о вихревых электрических токах, текущих во внешней части земного ядра, у которой обнаруживаются некоторые свойства жидкости. Не затевая схоластической дискуссии по поводу самой идеи этого динамо-эффекта, обратим внимание лишь на некоторые факты, которые трудно согласовать с этой идеей.

Во-первых, ядро, по данным сейсмического зондирования, расположено симметрично относительно центра Земли; магнитная же ось Земли, не совпадая с географической осью, составляет с ней угол в 11.5° и проходит на расстоянии 1140 км от центра Земли [2], т.е. на расстоянии почти в одну треть радиуса ядра. Следовательно, вихревые токи, которые якобы порождают дипольную составляющую, должны течь в ядре весьма асимметрично, чтобы обеспечивать этот солидный «перекос» между географической и магнитной осями; причина же такой асимметрии непонятна. Во-вторых, хорошо известно, что любые вихревые процессы переноса имеют тенденцию к передвижению по среде, в которой они имеют место – если отсутствуют механизмы их стабилизации. Совершенно невероятно, что свободно текущие вихревые токи в ядре обеспечивают стабильное положение магнитных полюсов – на интервалах времени, в течение которых можно не учитывать вековой дрейф. В-третьих, концепция вихревых токов в ядре оставляет без объяснения как недипольные составляющие магнитного поля Земли, например, крупномасштабные материковые аномалии, так и переменные составляющие поля, в частности, солнечно-суточные и лунно-суточные вариации. Для объяснения этих особенностей сторонникам динамо-эффекта приходится выдвигать дополнительные искусственные гипотезы. Так, источником солнечно-суточных вариаций считаются соответствующие токи в ионосфере (см., например, [3]). Но, несмотря на огромные величины требуемых токов, ещё никому не удалось эти токи обнаружить. Что касается лунно-суточных вариаций, скоррелированных с лунными приливами-отливами, то они считаются следствием электрических токов в воде, возникающих при пересечении приливными волнами силовых линий магнитного поля Земли; эти токи также до сих пор не обнаружены.

Между тем, проблема происхождения магнитного поля Земли, со всеми его вышеперечисленными особенностями, могла бы найти своё решение на основе единой модели, проясняющей, каким образом источник земного магнетизма связан с гидросферой. Об этой связи свидетельствует множество фактов. Прежде всего, упоминавшийся выше «перекос» магнитной оси заключается в том, что она наклонена и смещена в сторону Тихого океана; при этом она расположена почти симметрично по отношению к акватории Мирового океана. Такую характерную геометрию можно было бы расценить как случайность, но хорошо известно также о скоррелированности региональных магнитных аномалий с любыми подвижками морской воды: с течениями, с приливами-отливами, и даже с прохождением ветровых волн. Авторы [4] пишут: «…интерпретация отдельных аномалий приводила к выводу о том, что их источник находится выше океанического дна, т.е. внутри водной толщи». Всё говорит о том, что сама морская вода, будучи в движении, порождает магнитное поле.

Этот тезис с ходу отвергается официальной наукой, ведь классическая электродинамика гласит, что магнитное поле возникает при движении лишь нескомпенсированных электрических зарядов, а в морской воде концентрации положительных и отрицательных зарядов одинаковы. Мы же постараемся показать, что, несмотря на равенство этих концентраций, морская вода несёт в себе эффективный отрицательный заряд.

На первый взгляд, утверждения, во-первых, о равенстве количеств противоположных зарядов и, во-вторых, о доминировании какого-то одного из них, представляются совершенно несовместимыми. Чтобы осознать возможность их совмещения, обратим внимание на следующее. После диссоциации молекулы растворяемого в воде вещества, каждый ион оказывается окружён гидратной оболочкой [5], которую иначе называют молекулярным комплексом, ассоциатом, и т.п. Ассоциаты образуются из-за того, что молекулы воды являются электрическими диполями: ближайшие к иону диполи ориентируются, формируя вокруг него подобие двойного электрического слоя [6], вокруг которого образуется следующий, более слабый, двойной электрический слой, и т.д. Заметим, что такого рода многослойная конструкция является экраном, ослабляющим электрическое действие центрального заряда. Из выражения для поля точечного заряда в диэлектрике [6,7] прямо следует, что роль коэффициента ослабления играет диэлектрическая проницаемость среды e. Конечно, экранирование элементарного заряда не означает уменьшения его величины, и «ослабление его электрического действия» следует понимать в статистическом смысле: экранированный ион взаимодействует в основном с ближайшими к нему зарядами ассоциата, а не с другими ионами. Поэтому можно сказать, что эффективный заряд гидратированного иона примерно в e раз меньше его собственного заряда. И, поскольку степени гидратации ионов различных типов могут немного различаться, то соответствующее небольшое различие может иметь место и для их эффективных зарядов. Отсюда и проистекает возможность феномена, при котором водный раствор, благодаря своей структурированности, может обладать ненулевым эффективным зарядом при точном равенстве количеств разноимённых элементарных зарядов в своём объёме.

Это парадоксальное свойство имеет, по-видимому, даже дистиллированная вода, небольшое количество молекул которой диссоциировано на ионы водорода Н⁺ и гидроксила ОН^-. По сравнению с ионом гидроксила, ион водорода более компактен и симметричен, поэтому он должен быть гидратирован сильнее. Это означало бы, что, вопреки традиционным представлениям, у дистиллированной воды не вполне совпадают точки химической и электрической нейтральности. Вода, нейтральная в химическом отношении, не является нейтральной в электрическом отношении, имея эффективный отрицательный заряд. При установлении же её электрической нейтральности нарушается её химическая нейтральность. Похоже, именно этот процесс происходит при контакте дистиллированной воды с металлом, который является хорошим проводником, но плохим химическим реагентом: вода избавляется от «избыточных» ионов гидроксила и приобретает слабо-кислую реакцию, проявляющуюся, в частности, через характерный «металлический привкус».

Теперь вернёмся к морской воде. Её слабо-щелочные свойства обусловлены, главным образом, гидролизом растворённых в ней солей, т.е. реакциями типа

Na⁺ + Cl^- + H₂O ® Na⁺ + HCl + OH^-,

в результате которых увеличивается концентрация ионов гидроксила по отношению к концентрации ионов водорода. Важным компонентом, ослабляющим щелочные свойства морской воды, является углекислый газ, при растворении которого увеличивается количество ионов водорода:

СО₂ + Н₂О ® НСО₃^- + Н⁺ ® СО₃^2- + 2Н⁺.

Но приближённо можно считать, что щелочная реакция морской воды полностью обусловлена гидролизом хлористого натрия, который составляет почти 80% от веса всех растворённых солей. Конечно, при гидролизе полные количества собственных зарядов у разноимённых ионов остаются равными, и эффективный электрический заряд у морской воды может появиться лишь из-за различной степени гидратации этих ионов. Главный вклад в этот эффект, с учётом оговорённых приближений, должна давать разница в степенях гидратации ионов гидроксила и натрия. Ион Na⁺ немного компактнее и симметричнее иона OH^-, поэтому последний должен быть гидратирован слабее, так что результирующий эффективный заряд морской воды должен быть отрицательным; сделаем необходимые оценки.

Количество избыточных ионов OH^- в морской воде характеризуется её водородным показателем рН. Сведения о водородном показателе морской воды, которыми мы располагаем, имеют самый общий характер. На поверхности моря рН изменяется от 7.8 в тёплых экваториальных водах, где нейтральная величина есть 7.0, до 8.3 в полярных водах, где нейтральная величина есть 8.0; с глубиной рН уменьшается, и реакция воды становится всё более нейтральной [8]. Таким образом, объёмная плотность эффективного отрицательного заряда должна быть максимальна в поверхностном слое тёплых экваториальных вод, где концентрация n избыточных ионов OH^- и, соответственно, Na⁺, составляет, согласно вышеприведённым данным, ~5×10^-7 моль/литр, т.е. ~3×10²⁰ м^-3. Тогда эффективный отрицательный заряд в единице объёма есть

n[(e/e_-)-(e/e₊)] » enDe/e², (1)

где e - элементарный электрический заряд, De/e - относительная разность степеней экранирования ионов OH^- и Na⁺. Величина De/e заранее неизвестна, поэтому её мы и оценим, используя готовые значения магнитного поля на поверхности Земли. При этом мы будем считать, что главный вклад в дипольную составляющую обусловлен суточным вращением экваториальных сегментов Мирового океана. Здесь следует упомянуть о возражении против моделей, связывающих магнитное поле Земли с её суточным вращением, переносящим нескомпенсированные заряды. Такая модель якобы «противоречит принципу относительности, ибо наблюдатель на поверхности Земли, вращаясь вместе с зарядами, остаётся неподвижным относительно них» [1]. Для наблюдателя на полюсе это возражение, очевидно, неуместно. Что же касается наблюдателя на экваторе, то ближайшие к нему заряды, действительно, неподвижны. Но заряды, находящиеся с противоположной стороны экватора, движутся относительно этого наблюдателя с удвоенной линейной скоростью суточного вращения, и это движение зарядов, несомненно, должно порождать магнитное поле. Таким образом, в районах вблизи экватора за магнитное поле оказываются ответственны, главным образом, экваториальные воды с противоположной стороны Земли. Запишем, например, выражение для поля в экваториальной Африке, которое создаётся, в основном, водами Тихого океана. Магнитное поле отрезка тока конечной длины [9] есть

H=Ig/4pL, (2)

где I - сила тока, g - угол, под которым виден отрезок тока, L - расстояние до отрезка тока. Угол, под которым «виден» экваториальный сегмент Тихого океана из Африки, составляет примерно p/3; в качестве L возьмём диаметр Земли. С учётом (1), электрический ток через поперечное сечение с шириной ±1000 км от экватора и с глубиной 100 м, т.е. с площадью S=2×10⁸ м², есть

I~envSDe/e², (3)

где v=920 м/с – удвоенная линейная скорость суточного вращения на экваторе, e=81 – диэлектрическая проницаемость воды. Подставляя (3) в (2) и считая, что вклад в африканское поле, обусловленный тихоокеанским экваториальным сегментом, составляет 2/3 от полного значения, равного примерно 0.35 эрстед, мы получаем для величины De/e следующую оценку: ~2.5×10^-2. Таким образом, происхождение магнитного поля Земли можно объяснить при допущении, что степени экранирования ионов Na⁺ и OH^- в морской воде различаются на 2.5% – эта цифра, на наш взгляд, вполне реалистична.

Добавим, что изложенная здесь концепция даёт качественные объяснения не только для региональных особенностей магнитного поля, связанных с подвижками морской воды, т.е. с течениями и приливными волнами. Также легко объясняются, например, фазы солнечно-суточных вариаций, а именно, ослабление поля днём и его усиление ночью. Действительно, поле на дневной стороне создаётся водами ночной стороны, в которых концентрация ионов Na⁺ и OH^- несколько понижена в связи с более низкими температурой и освещённостью. Кроме того, из принципа, по которому поле в регионах, расположенных на не слишком высоких широтах, создаётся противолежащими морскими водами, сразу следует объяснение крупномасштабных материковых аномалий, т.е. объяснение того, почему на материках поле в среднем немного больше, чем на акваториях.

В заключение следует сказать о том, как наша концепция согласуется с данными палеомагнитных исследований, которые интерпретируются как свидетельства неоднократных переключений магнитных полюсов. Если чередование знака остаточной намагниченности пород действительно является результатом инверсий магнитного поля, в котором эти породы формировались, то можно допустить, что бывали эпохи, когда морская вода имела кислую реакцию и положительный эффективный заряд. Такое объяснение инверсий магнитного поля являлось бы, по-видимому, простейшим. Заметим, что перепады физико-химических свойств морской воды на рубежах соседних «магнитных эпох» должны были способствовать существенным изменениям облика биосферы не только потому, что изменение рН оказывалось для одних организмов благоприятным, а для других - нет. Роковую роль также могло играть отсутствие магнитного поля Земли при прохождении морской водой через точку электрической нейтральности. Ведь, как известно, именно магнитное поле планеты защищает нас от высокоэнергичных потоков плазмы, извергаемых Солнцем. Уменьшение магнитного поля Земли означает ослабление этой защиты и соответствующее повышение радиационного фона.

Как же обстоит дело в этом вопросе сегодня? Наблюдения за геомагнитным полем показывают, что оно становится всё слабее. На наш взгляд, это ослабление в немалой степени обусловлено деятельностью цивилизации, которая приводит к глобальному закислению окружающей среды – в основном, через накопление в ней углекислого газа. Такая деятельность цивилизации, с учётом вышеизложенного, может оказаться для неё самоубийственной.

Литература.

1. Яновский Б.М. Земной магнетизм. «Изд-во Ленинградского ун-та». Ленинград, 1978.

2. Таблицы физических величин. Справочник под ред. акад. Кикоина И.К. «Атомиздат», М., 1976.

3. Тамм И.Е. О токах в ионосфере, обусловливающих вариации земного магнитного поля. Собр. науч. трудов, т.1, стр.100. «Наука», М., 1975.

4. Деменицкая Р.М., Иванов С.С., Литвинов Э.М. Естественные физические поля океана. «Недра», Ленинград, 1981.

5. Федулов И.Ф., Киреев В.А. Учебник физической химии. «Госхимиздат», М., 1955.

6. Тамм И.Е. Основы теории электричества. «Гос. изд-во технико-теоретической литературы», М., 1956.

7. Калашников С.Г. Электричество. «Наука», М., 1977.

8. Егоров Н.И. Физическая океанография. «Гидрометеоиздат», Ленинград, 1974.

9. Говорков В.А. Электрические и магнитные поля. «Энергия», М., 1968.

Источник: http://newfiz.info

Поступило на сайт: 03 октября 2001.