Site Loader

Содержание

Земля электрическое поле — Справочник химика 21

    Имеющееся в грунте с учетом влияния поверхности земли электрическое поле потенциалов может быть получено обычно применяемым в теории потенциалов зеркальным отображением трубопровода по отношению к поверхности земли и наложением обоих полей. [c.457]

    Космические лучи состоят из частиц, проникающих в атмосферу Земли из космического пространства. Эти частицы, главным образом протоны, разгоняются до почти невообразимых энергий электрическими полями звезд и самой галактики. [c.172]


    Потенциальная энергия определяется как энергия, которой обладает система благодаря своему расположению в силовом поле. Она связана с гравитационным, магнитным и электрическим полями. В процессах переработки природных газов наибольшее значение имеет потенциальная энергия, связанная с гравитационным полем. Для систем, высота которых над поверхностью Земли невелика, потенциальная энергия П может быть определена из следующего уравнения  
[c. 17]

    Образец из баллона поступает через диафрагму в зону, где от катода (накаленная нить) к электронной ловушке (земля) идет ток электронов. Электроны выбивают из молекул орбитальные электроны и превращают молекулы в ионы. Ионы под действие все усиливающегося электрического поля, приложенного к сеткам ионной пушки , втягиваются в ионную пушку и ускоряются диаметр диафрагм сеток пушки увеличивается по ходу дви-жения ионов, поэтому ионы расходятся и образуется пучок, который попадает в магнитное поле. Нейтральные молекулы выводятся из трубки с помощью вакуумного насоса. Магнитное поле отклоняют ионы от прямолинейного движения, и они начинают дви- 

[c.35]

    Стеклянный цилиндр клеем из эпоксидной смолы крепится к большому фланцу 4. Сверху фланца крепятся электроизоляционные штанги 2, по которым перемещаются подвижные штанги /. К нижней части подвижных штанг крепится латунный диск 3 с втулкой и медной трубкой 7. При перемещении трубка уплотняется резиновым манжетом 14. К трубке припаивается круглый заземленный электрод 12, к которому при помощи фторопластовой изоляционной втулки II крепится потенциальный электрод 10. Высота втулки определяет нужное расстояние между электродами. Металлическая оплетка кабеля питания 15, подключаемая к земле , соединяется с заземленным электродом. Токоведущая жила кабеля припаивается к потенциальному электроду. Потенциальный электрод изготовляется в виде круглой решетки, заземленной в виде диска с большим количеством мелких отверстий. Электроды вместе с трубкой, диском и штангами могут вертикально перемещаться вдоль оси дегидратора. Необходимая напряженность электрического поля между электродами достигается регулировкой величины напряжения высоковольтной обмотки трансформатора, к которой через кабель питания подсоединяются электроды. В малом 

[c.87]

    Молния — сложное явление природы, вызываемое возникновением значительных электрических зарядов между облаками и землей. По мере накопления электрических зарядов в туче (облаке) напряженность электрического поля, а соответственно и разность потенциа- 

[c. 152]


    Электрическое поле Земли Магнитное поле Земли при последующем охлаждении Радиоактивное облучение Образование микро- и макротрещин Деформация растяжения или сжатия 7 10-= 6 10-=, 5 10-2 1 10- 5,25 10 4.5 10 3,76 10 7,54 Ю о 7.5 10= [c.139]

    Поскольку естественное электрическое поле на Земле практически отсутствует, то его создают искусственно, при помощи специальных генераторов и зондируют с их помощью нужный район. Обычно горные породы представляют собой диэлектрики, то есть их электрическое сопротивление мало. А вот нефть, как мы уже говорили, может содержать металлы, которые являются хорошими проводниками. Снижение электрического сопротивления недр и служит косвенным признаком присутствия нефти. 

[c.41]

    Рабочие заземления линий электропередачи постоянного тока, работающие по системе провод — земля, должны находиться на расстояниях, исключающих влияние электрического поля токов, протекающих в земле, на подземные металлические сооружения.

Допустимые расстояния определяются на основании расчета в соответствии с нормативно-технической документацией. [c.42]

    На потенциал фр, влияет несколько факторов, основными из которых являются 1) напряженность электрического поля Земли 2) конструктивные критерии линии электропередачи и электрические величины емкостных токов кабельных линий 3) условия прокладки подземных сооружений 4) электрические параметры грунта [19]. Эти многообразные факторы интегрально влияют на изменение потенциала фр, и внешнего потенциала сооружения ф ,с. Поэтому выражение [33] всегда действительно (прил. 3). [c.22]

    Исследования воздействия электрического поля [67—71] показывают, что существуют электростатические наводки на уровне земли практически от всех линий электропередачи. Напряженность электрического поля существенно зависит от напряжения линии и возрастает практически пропорционально ему. Отмеченная зависимость наблюдается до напряжений порядка 1000—1200 кВ.

Потенциалы электростатических наводок на изолированных от земли объектах затухают значительно быстрее от линий электропередачи с меньшим электрическим напряжением. Результаты исследований влияния электрических полей на пожароопасность и эксплуатационный персонал предопределили условия прокладки подземных сооружений в случаях пересечения и сближения их с линиями электропередачи, хотя эти условия могут и не удовлетворять требованиям, предъявляемым к этим сооружениям с точки зрения интенсивности коррозионных процессов. 
[c.126]

    Сила электрического поля, образующегося между пластинами, действует на положительный заряд таким же образом, как сила земного притяжения действует на некоторую массу. В соответствии с этим положительно заряженная частица, летящая с определенной скоростью, попав в пространство между пластинами, будет падать на нижнюю пластину по траектории, показанной пунктирной линией на рис. 3.3 точно так же падает на поверхность Земли камень, брошенный в горизонтальном направлении.

[c.54]

    Потенциальные энергии областей / и 2, подверженных действию гравитационного поля Земли и электрического поля, потенциалы [c.300]

    Изменения электрического поля. При ясной погоде электрическое поле Земли примерно равно -1-120 В/м. Измерения с помощью капиллярного электрометра [3] показали, что удаленная молния может привести к внезапному положительному изменению электрического поля в данном месте с последующим медленным экспоненциальным восстановлением его прежнего значения. [c.274]

    Допустим, что грозовое облако можно рассматривать как огромный биполярный электростатический генератор с центрами положительного и отрицательного зарядов, расположенными следующим образом заряд -Н находится на высоте а выше него на высоте Тг находится заряд —д. Изменение электрического поля в месте наблюдения, находящемся на большом расстоянии Ь от местоположения грозового облака, как оказалось, происходит и от разрядов молниями облако — Земля с высоты и от разрядов внутренними молниями в самом грозовом облаке. Это изменение электрического поля можно оценить но формуле [c.274]

    Основную роль в образовании квазинейтральной плазмы ионного пучка ( синтезированной плазмы ) играют электроны, появляющиеся в ионном пучке в результате ионизации остаточного газа быстрыми ионами. Образующиеся вторичные ионы выталкиваются из пучка электрическим полем, а электроны остаются в пучке, если к этому созданы условия. Одним из главных условий является наличие потенциального барьера для электронов между пучком и газоразрядным узлом источника 1 (рис. 7.1.1). Этот барьер создают, прикладывая к ускоряющему электроду 4 (рис. 7.1.1) отрицательный относительно земли (т. е. электрода 5) потенциал. [c.299]


    Между разноименно заряженными облаками, а также расположенными внизу облаками и землей образуется электрическое поле при увеличении его напряженности (повышении электростатического потенциала) до критической величины возникает мощный электрический разряд — молния, сопровождающийся ярким световым излучением и резким звуком (громом).
[c.371]

    Рз1 Рз2 удельные электрические сопротивления земли в поле токов катодной установки, численно равные кажущемуся сопротивлению земли, измеренному четырехэлектродной установкой с разносами питающих электродов на расстоянии соответственно [c.26]

    Изображенная на рис. 5.3 схематическая диаграмма периодической системы показывает, в каком виде чаще всего встречаются на Земле различные химические элементы. Инертные газы и металлы, окружающие платину (драгоценные металлы), обычно обнаруживаются в чистом элементарном состоянии. Это, несомненно, обусловлено тем, что у атомов инертных газов внешние р-орбитали полностью заняты электронами, а у атомов платиновых металлов полностью или почти полностью заняты внешние й -орбитали. По-видимому, в кристаллической платине электроны действительно полностью заполняют эти -орбитали, хотя в атомах газообразной платины это не имеет места. В кристаллических веществах существуют сильные электрические поля, и имеются веские экспериментальные данные (см.

гл. 3), что такие поля могут вызывать сдвиги энергетических уровней относительно их положения в изолированных газовых атомах. [c.169]

    Предположим, что в точках А и В поверхности земли расположены заземления, через которые проходит ток соответственно + / и —/ (рис. 14). Таким образом, электроды Л и Б являются питающими. Электрическое поле этих электродов будем исследовать с помощью двух измерительных электродов — М и N. [c.52]

    Из теории электрического поля постоянных токов в земле вытекает, что функция электрического поля любого источника в общем случае может быть определена, если известны форма и размер источника тока, распределение плотности тока утечки в грунт на поверхности источника, расположение источника относительно точки, где определяется потенциал, и изменение в зависимости от координат удельного электрического сопротивления грунта в объеме, охватывающем источник тока и точку определения потен- [c.50]

    Катодная поляризация при защите происходит с помощью наложенного тока от внешнего нсточннка энергии, обычно выпрямителя, который преобразует переменный ток промышленной частоты в постоянный (рис. 8.23). Отрицательный полюс источника подключают к защищаемому сооружению, которое выполняет роль катода. Анод электрической цеш — специальное анодное заземление, подключаемое к положительному полюсу источника. Ток, проходящий от анодного заземдителя к защищаемому сооружению, создает в земле электрическое поле, обусловливающее уменьшение потенциала сооружения, что в конечном счете приводит к прекращению в нем анодных коррозионных процессов. [c.255]

    Принцип катодной поляризации сооружений, имеющих опасный анодный поте щиал, реализуется в установках катодной защиты. Основным элементом катодной установки является источник постоянного тока. Отрицательный полюс источника подключается к сооружению, а положительный к заземлителю, именуемому анодным (рис. 8-14). Ток, протекающий от анодного заземлителя к защиш,аемому сооружению, создает в земле электрическое поле, обусловливаюш,ее уменьшение потенциала сооружения, что в конечном счете приводит к прекращению в нем анодных коррозионных процессов (рис. 8-15). Регулировка потенциала на защищаемом сооружении выполняется при помощи реостата, включенного в цепь катодной станции. Катодная защита применяется, как правило, для предохранения подземных коммуникаций (включая кабельные) от почвенной коррозии, а также [c.273]

    Электрический ток, стекая с заземлителя в землю, распространяется по довольно большому ее объему. Пространство вокруг заземлителя, где наблюдается протекание тока замыкания на землю, называется полем растекания. Размер этого поля зависит от напряжения и сопротивления почвы и может быть довольно велик, причем потенциал в поле убывает по мере удаления от заземлителя. Если человек будет стоять на поверхности поля растекания, то может случиться, что между точками касания его ног окажется разность потенциалов и через человека пройдет ток, достаточный, чтобы поразить его электрическим ударом. Такое напряжением называетоя шаговым напряжением. Понятно, что размер шагового напряжения с. удалением от места заземления уменьшается, и наоборот.[c.225]

    Выше мы указывали на поляризацию диэлектрических сред под действием внешнего электрического поля. Применительно к горным породам такое поле возникает из-за электрических процессов, протекающих в околоземном пространстве, прн грозовых разрядах из тучи в землю, а также диффузионных токов. В результате такой поляризации поверхностная плотность зарядов достигает 7-10 Кл/м-. При понижении температуры захваченные кристаллической рещеткой диполи, квазпдиполи и заряженные частицы закрепляются в ловушках, внедряются в структуру диэлектрической среды. Образовавшийся остаточный заряд спадает очень медленно, создавая эффект памяти , длительность которого зависит от температуры. Например, поляризованные керамические диэлектрики в течение пяти лет практически не изменяют своего электрического поля. Через десять лет напряженность поля спадает меньше, чем наполовину, и на поверхностях поровых каналов составляет более 10= В/м. Теоретически поляризация диэлектриков пз керамики, стекол и ситаллов сохраняется миллионы лет.[c.134]

    Измерение удельного электрического сопротивления грунта рекомендуется производить с помощью симметричной четырехзлектродной установки (четырехэлектродный метод). Данный метод основан на определении кажущегося сопротивления почвы в общем слое до глубины заложения трубопровода. Для этого по одной линии над трубопроводом забивают в грунт четыре электрода (рис. 16). Между крайними электродами А В включают источник постоянного тока, в качестве которого можно использовать аккумуляторную батарею напряжением 80 В. Возникающее между электродами А и В электрическое поле распространяется в земле на глубину, зависящую от расстояния между электродами. Рекомендуемое расстояние между питающими электродами А и В находится в следующих пределах  [c.54]

    С учетом условий распространения электрического поля блуждающих токов и электрохимической природы элсктрокоррозии мероприятия по защите подземных металлических сооружений от электрокоррозии можно разделить на две группы. Первая группа включает в себя комплекс мероприятий, направленных на уменьшение блуждающих токов в земле и проводимых непосредственно на сооружениях, которые являются источниками блуждающих токов, вторая — комплекс мероприятий, проводимых на защищаемых подземных сооружениях для уменьшения блуждающих токов, проникающих в сооружение из окружающего грунта, и вредного действия этих токов, проиикаюпхих в подземное сооружение. В последнем случае комплекс мероприятий носит название электродренажной защиты. [c.169]

    Масло МН-2 для маслонаполненных кабелей напряжением ПО—220 кв по вязкости соответствует трансформаторному. Большая подвижность этого масла необходима, чтобы масло проходило через небольшие каналы в жиле кабеля и изоляции при подпитке в процессе эксплуатации. Масло МН-2 от трансформаторного отличается применением при его изготовлении строго определенного сырья (дистиллята доссорской нефти) и проведением дополнительной очистки отбеливающей землей. Для этой цели применяют также масло МН-4 из нефти Анастаси-евского месторождения. Из-за более высокого содержания ароматических углеводородов это масло более стабильно в электрическом поле, чем масло МН-2 в процессе эксплуатации не выделяет, а поглощает водород. В масло МН-4 вводят специальные присадки для повышения термической стабильности. [c.308]

    Очистка газов от твердых или жидких частиц в электрофильтрах осуществляется под действием электростатических сил. Па рис. 76 представлена принципиальная электрическая схема электрического фильтра. Запыленный газ пропускают через электрическое поле постоянного тока. Коронирующие электроды 3 изолированы от земли, й к ним подведен постоянный ток высокого напряжения осадительные электроды 2 заземлены и подключены к полояштельному полюсу. В качестве осадительных электродов используются цилиндрические трубы и профилированные пластины, в качестве коронирующих-тонкая проволока. Под действием электрического поля постоянного тока, возникающего мезкду электродами, твердые ли жидкие частицы, проходящие через трубы газа, получают отрицательный заря д и движутся ь сторону осадительного электрода, осаждаются на нем и раз ряжаются.[c.221]

    В дегидраторе с двумя трансформаторами и с электрода.ми типа концентрических колец, показанном на фиг. 44, каждый электрод изолирован от земли и соединён с трансформаторами. Трансформаторы должны быть соединены последовательно таким образом, чтобы напряжения их складывались это значит, что, огда на положительном электроде напряжение равно плюс 16,5 кУ, на отрицательном электроде оно должно быть минус 16,5кУ. Это позволяет поддерживать электрическое поле напряжением в 33 кУ при напряжении каждого из электродов по отношению к земле в 16,5 кУ. Зоны спокойного отстаивания над и под электродами таковы же, как и на ранее описанных установках. Электроды представляют собой серию концентрических стальных пружин, укреплённых на стальной опорной раме. Смесь нефти с водой вхо,-дит через центральную входную трубу и распредел1яет радиальными струями в электрическом поле с помощью распределителя или колпачка, укреплённого на верхнем торце трубы при помощи пружины. Б электрическом поле струя нефти имеет относительно большую скорость. Эти электроды, подобно электроду типа горизонтально-концентрированного поля, работают при турбулентном потоке В зоне электрического поля,  [c.106]

    Полагая Рр = 10″ кг/м , а = 10 мкм, ц = = 1,74-10 кг/м-с, F = 9ц/ (2рра ) = 783 с , рассчитывая заряд q по формуле (2.31) при ф = 1/3-10 Кл/м, что дает g/m = (1/4п)-10″ Кл/кг, и — принимая а = = 4-10 (Ом-м) , g = 9,8 м/с , мы получаем по формуле (7.30), что Еу til0 В/м это не слишком большое поле. Электрическое поле, существующее в хорошую погоду у поверхности Земли, равно 120 В/м [3]. Отметим, что в рассматриваемом случае Nev 2-10 и что на высоте 30 м Nm)g 5 -10- . [c.214]

    Проводились также измерения электрического поля в данном месте в интервалах между последовательными ударами одной и той же молнии. Оказалось, что разряд облако — Земля начинается с образования локальных лавин светящегося газа, имеющих длину 10—200 м каждая и существующих по 30—100 мкс. На фотографиях отчетливо прослеживается развитие головного, первого удара молнии, распространяющегося со скоростью 4-10 м/с измерение электрического поля дало скорость 6 10 м/с. После того как этот головной удар молнии достигает поверхности Земли, сразу же за ним в атмосфере образуется канал высокоионизованного газа (диа-ме ром 2—5 мм), через который осуществляется основной разряд грозового облака, сопровождаемый сильным све- [c.275]

    Электрическое поле в атмосфере. [24]. Почти всегда вертикальная составляющая электрического поля в атмосфере значительно превосходит его горизонтальные составляющие, что соответствует отрицательному заряду земной поверхности. Средняя поверхностная плотность электрического заряда Земли равна йСЦйя = = —3,45-10 ед. СГСЭ/сл . Полный заряд Земли равен Q = —17-10 ед. СГСЭ = —5,7-10 к. Приведенные значения получены в предположении, что средний, вер-Згикальный, градиент электрического потенциала, у земной поверхности равен 130 в м. [c.1005]

    Ионная бомбардировка представляет собой,, несомненно, наиболее сильный и эффективный метод электризации твердых частиц, однако селективность этого метода практически равна нулю. Если объединить этот процесс с электризацией методом индукции, то селективность такого комбинированного метода будет очень хорошей. Электризация с помощью подвижных ионов в действительности не является электростатическим процессом, хотя обычно этот термин применяют для описания любого процесса обогащения с использованием электрического поля высокого напряжения. В последние годы термин высокое напряжение стал благодаря постоянному употреблению общепринятым названием таких процессов, включая и ионную бомбардировку. В процессе высокого напряжения подвижные ионы образуются у светящегося электрода, который является причиной коронного разряда и, служа источником подвижных ионов, одновременно сообщает им и направление. Если диэлектрическую и проводящую ча-, стицы поместить на пути подвижных ионов, то часть поверхности каждой частицы получит сильный электрический заряд. На проводнике этот заряд перераспределится почти мгновенно, тогда как на непроводнике перераспределение такого же заряда будет чрезвычайно медленным. Если на заземленную поверхность на пути заряженных ионов поместить группу заряженных частиц, то будет обнаружено, что при преграждении движения подвижных ионов частицы проводника свободно покинут заземленную поверхность, заряд их уйдет в землю. С другой стороны, диэлектрики, или частицы непроводника, которые неспособны быстро терять свой заряд, удержатся иа поверхности своей собственной силой отражения. Теория электростатического отражения дает только метод рещения уравнений Лапласа и Пуассона путем рассмотрения условий симметрии. Другими словами, процесс будет описываться этими уравнениями, если принять, что частица равного и противоположного заряда становится в положение зеркального изображения по отношению к заземленной поверхности и данной частице. Сила этого отражения Р= = QQj/4яeo(2s)2, где Q=Q —полный поверхностный заряд на минерале 5 — расстояние от заряда до заземленной поверхности ео —сила ионного поля. [c.367]

    На приготовленную пластинку с помощью карандаша наносились графитовые электроды, имевшие форму абсолютного конденсатора Томсона охранное кольцо имело, впрочем, своею задачей не столько сохранение равномерности электрического поля сколько предохранение центрального электрода от зарядов, которые могли бы перейти на него с противоположно заряженного электрода па влажной поверхности пластинки. Центральный электрод сое= дипялся на определенное время с электрометром, охранное кольцо было соединено с землей, а к противоположному электроду прикладывалось напряжение от батареи аккумуляторов, измеряемое статическим вольтметром. Для измерения мы пользовались электрометром с кварцевой посеребренной питью, помещенной в поле, создаваемое 2 батареями по 50 аккумуляторов, середина которых была соединена с землей. Нить вместе с окулярной шкалой проектировалась при помощи дугового фонаря на матовое стекло. Каждое показание электрометра сразу же градуировалось при помощи потенциометра и точного вольтметра такая градуировка вполне укладывалась в промежуток времени между двумя наблюдениями (от 20 до 50 сек.). Таким образом, не приходилось особенно заботиться о медленных перемещениях нулевой точки, вызываемых нагреванием электрометра концентрированным пучком света впрочем, на пути последнего для поглощения тепловых лучей помещался слой воды длиною около 30 см. Эти предосторожности необходимы, когда желательно повысить чувствительность отсчета, когда важно поручиться за десятые доли деления в течение нескольких десятков секунд прохождения тока. Охлаждение пучка света, достижение стационарного теплового состояния и приближение момента градуировки к моменту отсчета вполне решают эту задачу. [c.133]

    Нами разработан метод получения препаратов радиоактивного изотопа мышьяка-76 в элементарной форме разложением мышьяковистого водорода в электрическом поле высокого градиента. Прибор (рис. 6), в котором производили операцию получения препарата, состоял из колбы Л, в которую помещали облученное мышьякорганическое соединение, и колбы Б, куда перегоняли из первой колбы радиоактивный треххлористый мышьяк, восстанавливавшийся здесь металлическим цинком до мышьяковистого водорода и поступавший в трубку для разложения В. Последняя была окружена снаружи металлическим кольцом, соединенным с источником переменного электрического поля высокого градиента. Внутри трубки проходила соединенная с землей металлическая проволока и вставлялся металлический цилиндр (платина, вольфрам и т. п.) или цилиндр из арганичеокой пленки, на котором и происходило осаждение элементарного радиоактивного мышьяка. Воронки с кранами служили для приливания соляной кислоты. Для поглощения неразложив-шегося мышьяковистого водорода служил приемник Г. В ряде опытов наружное металлическое кольцо отсутствовало, и высокое переменное напряжение прикладывалось непосредственно к стеклянной трубке. [c.167]

    Контактный способ. При протекании по кабелю тока звуковойчастоты между различными точками земли вдоль кабеля создается разность потенциалов. Эта разность потенциалов снимается при помощи двух штырей, втыкаемых в землю вдоль трассы кабеля на расстоянии 1—1,5 м один от другого (штыря искателя и контактного штыря), II воспринимается подключенными к штырям через усилитель телефонами. В местах повреждения кабеля ток резко изменяется — в местах обрыва исчезает, а в местах утечки уменьшается. При этом изменяются электрическое поле поврежденного кабеля и шаговая разность потенциалов, в результате чего меняется звук в телефонах. [c.258]

    Приведенные выше формулы применимы лишь к аэрозолям е настолько мелкими частицами, что можно пренебречь потерями за счет их осаждения. При наличии крупных частиц выпадение на землю может сильно уменьшить концентрацию аэрозоля. Частицы разных размеров, выпущенные с некоторой высоты к над землей, при ламинарном ветре осели бы на землю на расстояниях Ни1о по горизонтали (где и — скорость ветра, а V — скорость оседания частицы). Таким образом, частицы с малой скоростью оседания достигли бы земли лишь очень далеко от источника. В турбулентной атмосфере частицы переносятся к поверхности земли турбулентной диффузией и осаждаются на поверхности за счет,седиментации, инерционного осаждения, диффузии и, возможно, также под действием электрического поля Земли. Взаимодействие факторов, управляющих осаждением аэрозолей из атмосферы, весьма сложно и еще недостаточно изучено. Все же полезно оценить скорость осаждения хотя бы приблизительно, предполагая, что вертикальное распределение вещества в облаке не изменяется в прО цессе осаждения и что скорость выпадения (количество вещества, выпадающего на единице площади за секунду) в любой точке вдоль пути облака выражается произведением концентрации аэрозоля у самой земли % и скорости оседания частиц V. Используя метод, примененный при оценке осаждения взвешенных в воздухе спор и для расчета радиоактивных выпадений мы можем вычислить количество вещества, выпавшего из облака от непрерывного наземного точечного источника, заменив постоянную производительность источника Q величиной Р (д ). Последняя представляет [c.279]

    Электрический потенциал — величина, характеризующая электрн-ческое поле в данной точке. Эта величина численно равна работе, необ-ходимой для переноса действием электрического поля единицы поло-жительного электрического заряда из дан юй точки на Землю. [c.17]


Карты брошены: геомагнитный сенсор может стать альтернативой ГЛОНАСС | Статьи

Российские ученые создали геомагнитный сенсор, способный стать альтернативой ГЛОНАСС под водой. В этих условиях навигация с помощью привычной для наземного транспорта системы не возможна. Нечувствительный к колебаниям температуры прибор может обеспечить подводные аппараты, в том числе беспилотники, точными координатами. Также его планируют применять для поиска полезных ископаемых и исследования процессов внутри Земли.

Магнитные ориентиры

Сегодня для ориентирования и навигации в России в основном используют спутниковую систему ГЛОНАСС. Однако в воде электромагнитные волны быстро затухают, и связь со спутником обрывается. Но если на подводных лодках направлением движения занимается штурман с помощью целой системы средств, то беспилотные аппараты нуждаются в постоянной связи с навигационной системой для поддержания заданного маршрута следования.

Альтернатива ГЛОНАСС — использование для ориентирования под водой геомагнитных сенсоров. В этом случае местоположение объекта определяется точкой на геомагнитной карте, которая привязана к географической. Сама идея ориентирования по магнитному полю Земли известна давно. Различные типы сенсоров магнитных полей были разработаны несколько десятков лет назад. Их минусы — недостаточная чувствительность к слабым геомагнитным полям и высокая чувствительность к температуре, что может привести к ошибкам в измерениях на борту подводного аппарата. Ученые из Саратовского государственного университета решили эту проблему.

Общий принцип работы их сенсора основан на чувствительности материала под названием феррит к очень слабому магнитному полю, которое окружает Землю. Его значения крайне малы и составляют порядка половины эрстеда (единица измерения напряженности магнитного поля. — «Известия»). Для сравнения: всем известные магниты на холодильник создают поля порядка 2–7 тыс. эрстед. При изменении внешнего магнитного поля в сенсоре частота так называемого ферромагнитного резонатора (части прибора) становится другой. Посредством математической обработки она преобразуется в величину магнитного поля — конечный результат измерений сенсора.

Российские физики реализовали данный принцип на практике, устранив погрешности работы прибора из-за колебаний температуры и создав действующий лабораторный прототип устройства.

— Чтобы устройство работало, резонатор сначала нужно намагнитить зависящей от температуры системой постоянных магнитов, — рассказал профессор кафедры инноватики Саратовского государственного университета Владимир Тихонов. — Однако с ростом температуры частота резонатора ползет вверх, что искажает результат измерений прибора. Но в нашем приборе с ростом температуры уменьшается и характеристика под названием остаточная намагниченность, тем самым способствуя снижению частоты резонатора до нормального значения. Таким образом, изменение одной величины компенсирует изменение другой. Устройство будет стабильно работать в диапазоне от минус 50 до плюс 40°C.

Учли физики и тот факт, что значение напряженности магнитного поля меняется в зависимости не только от положения на поверхности Земли, но и от глубины или высоты. Они предложили использовать три геомагнитных сенсора, каждый из которых проводит измерения по своей координате. На данный момент ученые уже испытали лабораторный макет датчика. Результаты эксперимента показали, что он обеспечивает высокую точность измерения как величины, так и направления поля.

Карту на стол

Сложность навигации по геомагнитным датчикам заключается в том, что для этого нужна максимально точная карта магнитного поля Земли. А ее получение — задача непростая. Магнитное поле на поверхности Земли вполне могут измерить специальные спутники. Однако намагниченность земной коры и залежи некоторых полезных ископаемых меняют это поле довольно сильно, хотя и на небольших площадях. Эти изменения спутники, располагающиеся на большой высоте, зафиксировать не способны. Поэтому для составления карт необходимо дополнительно проводить измерения магнитного поля на поверхности или на малых высотах (аэромагнитная съемка), буквально на каждом километре, включая и области над водой.

— Последние работы по составлению карты магнитного поля Земли проводились в СССР в 70-е годы, — отметил руководитель отделения магнетизма Земли и планет Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН Валерий Петров. — Конечно, значения аномального магнитного поля с того времени сильно не изменились, но вот точность этих карт я бы поставил под сомнение. Так что пока работа саратовских ученых носит скорее фундаментальный характер, нежели прикладной. Однако с появлением новых, более точных карт геомагнитная навигация может стать достойным подспорьем спутниковой.

Применение геомагнитных сенсоров осложнено также тем, что напряженность геомагнитного поля в одной и той же точке со временем может поменяться из-за природных и техногенных причин. Впрочем, для построения и корректировки карт можно использовать те же самые геомагнитные сенсоры.

Заглянуть внутрь Земли

Практики оценивают возможность навигации подводных аппаратов с помощью геомагнитных сенсоров скептически.

— Существуют более простые и дешевые системы навигационного обеспечения маневрирования необитаемых подводных аппаратов в подводном положении, — сказал ветеран-подводник Владимир Ашик. — Например, с помощью лежащих на грунте маяков-ответчиков, координаты которых заведомо известны. Подводный аппарат определяет пеленг и наклонную дальность до нескольких маяков-ответчиков и, решая несложное уравнение, рассчитывает свои координаты. Другим способом может быть применение подводной навигационной системы с короткой или длинной базой.

Ветеран-подводник добавил, что постоянная и оперативная корректировка возмущений геомагнитных полей требует наличия обширного надводного флота, которого сегодня у нас нет.

— Поэтому не думаю, что предложенную систему можно будет применять на практике в подводной навигации, — сообщил Владимир Ашик.

Впрочем, у геомагнитных сенсоров есть ряд применений помимо навигации. Например, с их помощью можно регистрировать координаты залежей железной руды — в этих местах наблюдается сильное искажение магнитного поля. Пригодятся измерения и для фундаментальных научных исследований. Дело в том, что геомагнитные полюса Земли значительно смещаются, и изучение этого движения важно для понимания процессов, происходящих внутри планеты.

В планах авторов разработки — начать решать задачу по геомагнитной локации. По мнению физиков, по искажениям магнитного поля можно будет засекать появление корабля в море, определять его местонахождение и направление движения.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Аномалия магнитная — Что такое Аномалия магнитная?

Аномалия магнитная — отклонение напряженности магнитного поля Земли от  его нормального для данного места значения

Аномалия магнитная — отклонение напряженности магнитного поля Земли от его нормального для данного места значения.

Изучение магнитной аномалии имеет большое практическое значение, т. к. они могут быть непосредственно связаны с месторождениями нефти и газа, др. полезных ископаемых или, отображая область развития тех или иных комплексов пород, могут служить их косвенными признаками.

Магнитные аномалии могут также картировать определенные тектонические структуры в осадочной толще, являющиеся ловушками нефти и газа.

Изучение магнитной аномалии необходимо при исследовании геологического строения и тектоники различных слоев земной коры, при проведении структурного, тектонического и структурно-вещественного районирования фундамента, а также при решении ряда других задач.

Путем сравнения магнитных аномалий между собой можно сделать заключение и о геологическом строении участков земной коры, вызвавших аномалии на соседних площадях. 

Несмотря на простоту физических основ этого способа исследований магнитометрия редко применяется при поисках нефти, т. к. магнитные свойства осадочных пород очень сходны между собой.

Магнитометрия применяется при поисках нефти и газа для широких исследований на крупных территориях.

Этот метод помогает выявить крупные глубоко погребенные зоны поднятий в изверженных и метаморфических породах, слагающих фундамент, подстилающий осадочную толщу. 

Выделение в фундаменте таких крупных элементов помогает разобраться и в основных чертах строения осадочной толщи пород.

Магнитная аномалия обусловлена неоднородностью магнитных свойств горных пород, образующих земную кору, по площади и в разрезе. 

Магнитные аномалии, связанные с намагниченными геологическими образованиями верхней части земной коры, в зависимости от их площади в плане условно делятся на региональные и локальные.

Локальные магнитные аномалии наблюдаются на фоне региональной или в совокупности образуют ее благодаря наложению друг на друга. 

Разделение такой сложной магнитной аномалии проводится путем теоретического моделирования или различных трансформаций геомагнитного поля. 

Локальные магнитные аномалии обусловлены более мелкими по объему объектами, залегающими как в фундаменте, так и в осадочном слое земной коры. 

Ими могут быть отдельные магматические тела различного состава в виде штоков, даек, линзообразных межпластовых интрузий, а также толщи, пласты или слои намагниченных осадочно-метаморфических, вулканогенно-осадочных и осадочных комплексов, смятых в достаточно крутые складки.

Региональные магнитные аномалии обусловлены крупными по объему или глубокозалегающими аномалеобразующими объектами, расположенными главным образом в теле консолидированного основания (фундамента). 

Такими объектами могут быть массивы и батолиты намагниченных горных пород различного состава, а также комплексы намагниченных пород, слагающих отдельные блоки фундамента.

Знак магнитной аномалии зависит, в 1ю очередь, от вещественного состава создающих ее горных пород, а также от направления вектора намагниченности. 

Положительные магнитные аномалии обусловлены обычно сильномагнитными интрузивными и эффузивными образованиями основного и ультраосновного состава, а также кислыми (гранодиоритовыми) и щелочными (сиенитовыми) интрузиями. 

Отрицательные магнитные аномалии наблюдаются над обратнонамагниченными горными породами (например, над некками древних вулканов).

Интенсивность магнитной аномалии зависит от вещественного состава аномалеобразующего геологического тела, от условий его залегания (глубины, горизонтальной мощности, размеров по падению, угла падения) и от направления намагниченности. 

Интенсивность магнитной аномалии колеблется в широких пределах и может достигать nх105 нТл (например, над железорудными и другими железосодержащими породами Криворожского бассейна и Урала).

Аномалии магнитные могут быть сгруппированы в зоны или серии локальных аномалий относительно простого или сложного характера и различной формы в плане. 

Например, узкие полосообразные зоны либо цепочки положительных или отрицательных локальных магнитных аномалий картируют тектонические нарушения и глубинные разломы; зоны переменного магнитного ноля отображают развитие эффузивных образований основного состава. 

Участки, в пределах которых располагается несколько аномальных зон, могут быть выделены в аномальную область.

(PDF) Об отрицательно заряженном слое электрического поля Земли

178

ДОКЛАДЫ ФИЗИКИ Vol. 63 № 5 2018

БЕЗРУКОВ и др.

При отсутствии восходящих воздушных потоков катионы гидроксония

достигают поверхности океана или влажной почвы

под действием электрического поля Земли. Не сам катион гидрокси-

ония, а положительный заряд диффундирует в

воде. Это явление описывается хорошо изученным механизмом Grot-

и объясняет высокую проводимость воды при положительном заряде

.Некоторые оксиды, составляющие основу перовскитов

, также обладают высокой протонной проводимостью. Таким образом, разрядный ток

заряда земного конденсатора достигает

отрицательного электрода земного конденсатора.

Мы приходим к мысли, что земная кора заполнена

положительным зарядом за счет восходящего движения горячих

протонов в виде узких струй сквозь кору и всенаправленного

нисходящего движения протонов теплового разряда

земной конденсатор.Часть этих протонов проводит

длительное время в земной коре и образует объемный заряд

, экранирующий заряд отрицательного электрода

земного конденсатора. Это неожиданное предсказание модели

HEE объясняет избыток положительно заряженных

аэроионов в подземных помещениях с плохой вентиляцией.

Чтобы убедиться в достоверности этого прогноза, мы исследовали

плотность аэроионов в невентилируемых подземных

помещениях путем измерения ее счетчиком аэроионов Сапфир-3М

.Для получения достоверных результатов измерений в условиях

повышенной влажности подземного помещения,

аспирационную камеру счетчика прогревали вентилятором

, при необходимости поддерживать поверхности изолятора аспирационной камеры

в постоянном состоянии. Плотность ионов воздуха в несколько сотен ионов на кубический сантиметр

обычно наблюдается в приповерхностном воздухе, а в

подземных лабораториях с плохой или выключенной

вентиляцией мы наблюдали увеличение плотности

аэроионов обоих знаков от тысяч до десятков тысяч

песков ионов на кубический сантиметр.При этом всегда наблюдался избыток положительно заряженных ионов воздуха от нескольких тысяч до десятков

тысяч ионов на кубический сантиметр. Такая картина наблюдалась на

на всех глубинах от нескольких метров до километра. Для интер-

числа положительных аэроионов в закрытых подземных помещениях мы используем два источника ионов: во-первых,

радиоактивность горных пород, в данном случае равные количества

положительных и отрицательных ионов. производятся; во-вторых,

протонов объемного заряда в земной коре, существование которых предсказывалось моделью ВЭЭ.Для интерпретации

количества отрицательных аэроионов мы используем только один

источник ионов — радиоактивность горных пород. Плотность

отрицательных ионов воздуха оказалась пропорциональной

плотности радона в воздухе подземных помещений, которую мы также измерили

. Это говорит о том, что радиоактивность

окружающих пород является источником отрицательных ионов воздуха

в подземных помещениях. Таким образом, мы экспериментально зафиксировали

избыток положительного заряда в земной коре, предсказанный моделью ВЭЭ.

Избыток положительного заряда может привести к образованию положительно заряженных

водородосодержащих газов на глубинах

~10 км и, как следствие, к многочисленным порам и

трещинам на этих глубинах. Последнее наблюдается в

сверхглубоких скважинах. Быстрый подъем этих заряженных

газов к поверхности Земли может сопровождать землетрясение

и даже быть его причиной, так как давление газа в порах

упадет при этом.Можно также представить, что разрядка земного конденсатора иногда приводит к электрическому разряду на больших глубинах. Этот

подземный разряд может также сопровождать землетрясение

и даже быть его причиной.

Введем понятие эффективного заряда

на поверхности Земли как разность между

числом электронов под корой и объемом

положительного заряда в земной коре, который значительно превышает заряд

в ионосфере.Этот эффективный

электрический заряд определяет напряженность

атмосферного электрического поля. Наблюдаемое явление

увеличения напряженности электрического поля атмосферы

во время землетрясений становится понятным, поскольку уменьшение

избытка положительного заряда в земной коре в

случае быстрого подъема заряженных газов до

грань приводит к увеличению эффективного отрицательного

заряда на поверхности Земли.Увеличение напряженности атмосферного электрического поля

перед землетрясением

определяется скоростью выброса заряженных

флюидов в атмосферу в районе землетрясения,

при возвращении напряженности поля к нормальным значениям

определяется заполнением земной коры

положительным зарядом. Последний процесс медленный и может длиться до нескольких дней. В случае подземного разряда

можно ожидать уменьшения атмосферного

электрического поля в районе землетрясения.

Высыпание высокоэнергетических электронов из

магнитных поясов Земли в районе землетрясений

также можно объяснить тем, что плотность положительного заряда

на больших высотах будет быстро следовать за плотностью

эффективный отрицательный заряд на поверхности Земли

. Сильнейшее землетрясение произошло 11 марта

2011 г. в Японии, эпицентр которого находился на глубине

32 км, сопровождалось повышением концентрации электронов в ионосфере за несколько дней

до землетрясения. .

В нашей модели ВОЭ мы вводим новый источник

заряда для земного конденсатора: горячие положительно

заряженные водородосодержащие газы, выходящие в атмосферу

и достигающие больших высот в основном

днем, когда воздух теплеет. Этот процесс отличается

от повсеместного нисходящего движения тепловых

протонов разрядного тока конденсатора Земли,

тем, что горячие положительно заряженные водородосодержащие

газы уходят в атмосферу в больших количествах и уменьшить эффективный электрический заряд в

области их выхода; поэтому атмосферное электрическое поле Земли не увлекает вниз ионы этих

флюидов.Следует отметить, что процессы заряда

и разряда конденсатора Земли протекают непрерывно, и конкуренция между ними

должна определять унитарную вариацию напряженности атмосферного электрического поля хорошей погоды [3]. В рифтовых

зонах, где наблюдается избыток положительных ионов в модели

ВЭЭ по сравнению с другими зонами, следует

Математическое моделирование ионосферного электрического поля как части Глобальной электрической цепи

Основной интерес в ионосферы из-за ее влияния на распространение радиоволн из-за изменения показателя преломления среды от значения 1.Действительная часть показателя преломления определяется концентрацией электронов, а мнимая часть зависит еще и от частот столкновений электронов, которые, в свою очередь, зависят от концентраций и температур других заряженных и нейтральных частиц. На формирование пространственных распределений всех этих параметров существенное влияние оказывает электрическое поле, так как оно определяет дрейф заряженных частиц в геомагнитном поле.

Существует несколько механизмов генерации ионосферного электрического поля.Прежде всего, это магнитогидродинамические процессы в магнитосфере, связанные с взаимодействием солнечного ветра с магнитным диполем Земли. Эти явления создают токи из магнитосферы в высокоширотные области ионосферы, сила которых может достигать нескольких миллионов ампер (Hargreaves, 1979). Замыкание этих токов в ионосфере происходит за счет электрических полей напряженностью до 100 мВ/м. Эти поля распространяются на всю ионосферу; поле порядка мВ/м проникает даже до геомагнитного экватора (Денисенко, Замай, 1992).

Вторым по значимости механизмом являются ветры в верхних слоях атмосферы, вызывающие движение ионосферной среды. Благодаря такому движению проводящей среды в геомагнитном поле по всему земному шару происходит генерация электрических полей напряженностью до 10 мВ/м (Hargreaves 1979).

Существуют также ионосферные электрические поля, обусловленные токами из атмосферы. Это токи глобальной электрической цепи (ГЭЦ), которые генерируются грозами.Несмотря на многочисленные статьи, посвященные анализу ГЭЦ, его ионосферная часть до сих пор изучена недостаточно. Настоящая работа посвящена математическому моделированию ионосферного электрического поля ГЭЦ, точнее, части ГЭЦ, генерируемой грозами.

В соответствии с современным определением ГЭЦ (Мареев, 2010) в состав ГЭЦ входят ионосферные и атмосферные электрические поля и токи, генерируемые в магнитосфере. Такой подход используется в модели Lucas et al.(2015), но ионосферные электрические поля, генерируемые грозами, не видны на фоне генерируемых в магнитосфере. Поэтому мы не включаем эти поля и токи в реальную модель и изучаем только часть ГЭЦ, генерируемую грозами.

Конечно, есть и другие, относительно малогабаритные, генераторы ионосферных электрических полей. Например, возмущения электрического поля наблюдаются в приземной атмосфере перед землетрясениями.Анализ проникновения таких полей в ионосферу представлен во многих работах и ​​рассмотрен в нашей статье (Денисенко, 2015). Максимально возможная напряженность электрического поля, проникающего в ионосферу при умеренных землетрясениях, не превышает \(\upmu\)В/м (Денисенко и др., 2013).

Современные взгляды на ГЭК описаны, например, в обзоре Rycroft et al. (2008). В последнее десятилетие был достигнут значительный прогресс в исследованиях различных аспектов ГЭЦ многими авторами и группами, в т.ч.г., Аплин и соавт. (2008), Baumgaertner et al. (2013), Bayona et al. (2015), Янский и Пасько (2014, 2015), Янский и др. (2017), Кудинцева и соавт. (2016), Мареев и Володин (2014), Odzimek et al. (2010), Райкрофт и др. (2007, 2012), Райкрофт и Харрисон (2012), Слюняев и др. (2015), Тинсли (2008), Уильямс (2009) и Уильямс и Мареев (2014). Генератор в схеме представляет собой совокупность всех грозовых облаков, встречающихся на Земле. Грозовые облака в основном разряжаются молниями, неся заряды на землю и другие облака, но существует и ток, текущий в верхние слои атмосферы и далее в ионосферу.Суммарный ток в ионосфере составляет в среднем около одной-двух тысяч ампер (Hays, Roble, 1979).

Этот генератор создает разность потенциалов около \(300\,{\text{кВ}}\) между двумя хорошими проводниками: ионосферой и землей. Из-за большой проводимости верхняя атмосфера выше 20 км имеет примерно такой же потенциал, как ионосфера (Денисенко и др., 2009). Это означает, что упрощенное рассмотрение земли-ионосферы как сферического конденсатора с верхней оболочкой, совпадающей с нижней частью проводящей ионосферы D-области, неверно, как показано в Haldoupis et al.2\) плотность называется током хорошей погоды. Это связано с вертикальным электрическим полем, напряженность которого при хорошей погоде составляет около \(130\,{\text{В/м}}\) у земли. Поскольку токи от гроз проникают в небольшие области ионосферы и спускаются на землю со всей ионосферы, существует ионосферный ток, замыкающий цепь. Этот ток генерируется электрическим полем в ионосфере, что и является предметом нашего исследования.

Большое количество статей описывало ГЭЦ, и было проведено много подробных измерений в атмосфере.Однако измерения ионосферной части этой цепи не проводятся, поскольку задействованные токи очень малы. В этой ситуации помогает математическое моделирование. Представленная здесь модель подсказывает, что именно следует найти, или объясняет, почему наблюдения невозможны.

Наиболее подробная математическая модель этого поля давно создана Хейсом и Роблом (1979). Из-за ограничений, накладываемых используемыми математическими методами, его авторы значительно упростили распределение ионосферной проводимости.Согласно Hargreaves (1979), ионосферный ток, протекающий поперек магнитного поля, имеет место на высотах около 80–500 км, и его можно приблизительно смоделировать с помощью проводимостей Педерсена и Холла, интегрированных вдоль силовых линий магнитного поля. В модели (Hays and Roble, 1979) холловской проводимостью пренебрегали, а интегральную проводимость Педерсена \(\Sigma _{_P}\) принимали за константу. Ориентируясь на явление ночью, они положили \(\Sigma_{_P}=0,05\,{\text{S}}\), а \(\Sigma_{_P}\) превышает \(10\,{\text {S}}\) в освещенной солнцем ионосфере (Веймер, 1999).Авторы модели (Hays, Roble, 1979) справедливо отметили, что электрические поля в их модели оценивались по приведенным выше значениям.

Целью данной статьи является разработка лучшей модели, чем модель Хейса и Робла (1979), за счет удаления ограничительных упрощений, которые слишком сильно влияют на результаты. Основным из этих упрощений является принятие интегральной проводимости Педерсена \(\Sigma _{_P}\) за константу для всей ионосферы. Мы используем физическую модель, лишь немного отличающуюся от Hays and Roble (1979), но, что более важно, более точные математические методы.Это позволяет учитывать неоднородность ионосферы, ее холловскую проводимость, сингулярность ионосферной проводимости на экваторе и недипольную часть геомагнитного поля. Электрическое поле, полученное в нашей модели, примерно \(3\%\) поля в модели Хейса и Робла (1979).

Во-первых, это означает, что ионосфера является гораздо лучшим проводником, чем считалось ранее. Во-вторых, спутниковые измерения электрического поля ионосферы, обеспечивающие замыкание ГЭЦ, на практике невозможны.Янски и Пасько (2014) подчеркнули важность точной модели высокопроводящей ионосферы для правильного описания быстрых процессов, таких как грозовые разряды облако-земля, и поэтому такая модель необходима как элемент более сложных моделей.

Таким образом, целью работы является создание модели электрических полей и токов, составляющих ионосферную часть ГЭЦ. Ионосфера, атмосфера и литосфера рассматриваются как непрерывный проводник, но многопорядковая разница в проводимостях этих трех объектов позволяет разбить задачу на три отдельные подзадачи и решать каждую из них в отдельности.

Раздел 2 формулирует основы нашего модельного уравнения электропроводности, которое описывает электрические поля и токи в рассматриваемом глобальном проводнике. Раздел 3 представляет собой граничное условие для атмосферного электрического поля, которое заменяет подробное рассмотрение токов, протекающих в литосфере. Раздел 4 посвящен описанию метода декомпозиции, который позволяет разделить решение задачи на две задачи, в атмосфере и в ионосфере.

В разд. 5–8 представлена ​​наша модель атмосферного проводника. В разд. 5 упрощаем атмосферную задачу, приближенно считая течения вертикальными. Как следствие, в разд. 6 мы получаем одномерную модель электрического поля и тока в каждом вертикальном столбе атмосферы. Раздел 7 описывает высотную зависимость проводимости атмосферы, построенную на основе трех эмпирических моделей. После решения одномерных задач для каждого вертикального столба атмосферы и расчета его сопротивления трехмерная задача сводится к двумерной.Входным параметром для этого является глобальное распределение вертикальной проводимости атмосферы, построенное в разд. 8. При этом учитывается топография земной поверхности, т.е. ее рельеф, наличие океанов и облаков. Рассчитывается сопротивление атмосферы в целом. В разделе 9 указано глобальное распределение грозовых генераторов вертикального электрического тока, заимствованное из модели (Hays and Roble, 1979).

Ионосферная часть нашей модели рассматривается в разд.10–14. В разделе 10 представлена ​​наша модель пространственного распределения компонентов тензора проводимости в ионосфере выше 90 км и то, как она взаимодействует с проводимостью атмосферы ниже 50 км. Раздел 11 сводит трехмерную краевую задачу электропроводности в ионосфере к двумерной краевой задаче с использованием разложения по малому параметру. Таким малым параметром является отношение проводимости поперек магнитного поля к продольной проводимости. На основе закона сохранения заряда сформулировано двумерное уравнение для распределения электрического потенциала.Он учитывает наличие сопряженной ионосферы в противоположном полушарии, грозовые токи из атмосферы и течения хорошей погоды. Входными параметрами для двумерного уравнения являются глобальное распределение плотности тока из атмосферы в ионосферу, построенное в разд. 9, а также глобальные распределения интегральных кондактансов Педерсена и Холла, карты которых строятся в этом разделе.

Раздел 12 завершает построение двумерного уравнения с граничными условиями.Приближенное моделирование основных магнитосферных проводников позволяет рассматривать авроральные зоны как эквипотенциалы. Как следствие, ионосферная проблема распадается на проблему для основной части ионосферы, включая средние и низкие широты, и две проблемы для полярных шапок. Таким образом, для основной части ионосферы и для полярных шапок получаются три краевые задачи, каждая из которых имеет единственное решение. Кратко описан наш численный метод, который используется для решения этих задач.

В разделе 13 представлены и проанализированы ионосферные электрические поля и токи, полученные в результате этих расчетов. Поскольку многие входные параметры модели либо меняются со временем, либо малоизвестны, разд. 14 посвящен анализу влияния этих вариаций и неопределенностей на полученные результаты. Заключительная секция. 15, наряду с перечислением основных результатов представленных исследований, содержит анализ возможных модификаций этой модели.

Истощение магнитного поля Земли

Есть три важных силовых поля, связанных с планетой Земля, гравитационное поле , электрическое поле , и магнитное поле .Гравитационное поле притягивает нас к землю, не давая нам улететь в космос, как земля вращается. Электрическое поле Земли очень нестабильно, производя электрические бури с места на место и в непредсказуемое время.

Магнитное поле Земли обусловлено огромным электрическим током, миллиарды ампер, циркулирующие в ядре земли. Но основная сложность заключается в том, что существует множество посторонних источников, вносящих искажения в магнитную поле.Как следствие, магнитное поле Земли очень сложное. Нестабильность иногда проявляется в виде мощных магнитных бурь. блокирование трансокеанских радиопередач. Есть все виды аномалий, возникающих из-за искажений магнитного поля. Существует множество непредсказуемых изменений магнитного поля. со временем и местом.

Навигаторы теперь меньше зависят от своего магнитного компаса как в первые дни.Когда мореплаватели используют магнитный компас у них есть обновленные магнитные карты для внесения поправок на грубые отклонения магнитного поля Земли от места к месту над земным шаром. Это помогает им скорректировать свою ориентацию на «ложные» направления указаны по компасу, но карты не могут исправить на все искажения.

Несмотря на все искажения магнитного поля есть современные методы обработки данных для взятия эпохи во всем мире данные и «вымывание» «шума» (искажений) и получение основного поля.Основное поле – это поле, созданное током, циркулирующим в ядре земли. Это основное поле называется дипольным полем . Похоже на магнитное поле одиночного магнита, расположенного вблизи центра Земля и имеющий северный и южный полюс, отсюда и название диполь . Его иногда называют главным магнитным полем Земли . поле. Магнитное поле диполя – это магнитное поле интерес к этой газете.

БЫСТРОЕ ЗАТУХАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

Известно, что магнитное поле Земли затухает быстрее чем любое другое всемирное геофизическое явление. Комплексный Технический отчет ESSA 1 содержит значения магнитный дипольный момент (вектор, который дает силу и направление магнита) с тех пор, как Карл Гаусс сделал первый оценка 1835 года.Оценки были сделаны по каждому 10 или 15 лет с тех пор. Каждая оценка требует точности во всем мире показания за эпоху (год или около того) и специальные математические сокращение, чтобы «смыть» «шум». Эти надежные данные ясно показывают это относительно быстрое затухание. Отчет заявил, что на основе прямой линии магнитное поле Земли исчезнет в 3991 г.D. Но распад экспоненциальный и в этом случае имеет период полураспада 1400 лет.

Относительно недавний предварительный отчет спутника НАСА показывает быстрое затухание магнитного поля Земли. Ни один знающий ученый обсуждает факт быстрого уменьшения магнитного поля Земли. поле, и при этом он не сомневается, что связанный электрический ток в ядре земли расходуется энергия.Текущая ставка потерь составляет семь миллиардов киловатт-часов в год. Земля израсходовав ту первоначальную энергию, которую он имел в своем первоначальном магнитном поле.

ПРЕДСКАЗУЕМОЕ ИСКЛЮЧЕНИЕ
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ

Первоначальным источником магнитного поля Земли был первоначальный электрический ток, циркулирующий в ядре земли.Никто знает, как появился этот электрический ток, не более одного знает, почему Земля первоначально вращалась вокруг своей оси. Два не связаны между собой, но оба они являются изначальными состояниями земли.

Электрический ток и связанное с ним магнитное поле были распадается с момента возникновения земли. Можно спросить, почему ток быстрее не затухал? Закон индукции Фарадея предотвратил это от вымирания быстрее.Когда магнитное поле ослабевает индуцирует напряжение, которое противостоит распаду, продлевая срок его службы. Масштабы этого явления объясняют столь продолжительное жизнь. Радиус ядра Земли равен 3,473 х 10 6 . метров. Общая физика этой проблемы огромна, но она было решено. 2,3 Решение предсказывает распад. Это дает уравнение периода полураспада:

Период полураспада = 2.88 х 10 -15 (Электропроводность) (Радиус)

, где период полураспада в годах, радиус в метрах и проводимость в мОм/метр.

Сэр Гораций Лэмб придумал эквивалент этого уравнения в 1833 г. Как упоминалось в предыдущем разделе, статистический анализ данных дает период полураспада 1400 лет. у агнца не было хорошее значение для проводимости и, следовательно, не мог сделать хорошее предсказание, но он знал, что оно продлится тысячи лет, и что это правдоподобное объяснение магнитное поле.Это по-прежнему единственный хороший теоретический/математический объяснение. Теперь его можно использовать для оценки электропроводности ядра земли, потому что данные показывают период полураспада 1400 лет. Величина электропроводности сердечника равна, из этого уравнение, равное 4,04 x 10 4 мос/метр. Это очень разумное значение для расплавленного железа при расчетных температурах для земного ядра.Это единственный хороший способ сделать это оценка проводимости земного ядра.

Возвращаясь назад во времени на многие тысячи лет, это уравнение дает неправдоподобно большое значение магнитного поля и генерируемое электричеством тепло, хранящееся в ядре Земли. (Видеть Техническая монография ICR: Происхождение и судьба Земли. Магнитное поле 4 ) Был показан разумный постулат таким образом, чтобы получить верхний возрастной предел в 10 000 лет.

ОПРОВЕРЖЕНИЕ ОБРАТНОЙ ГИПОТЕЗЫ

Чтобы защитить свою хронологию длинных веков, эволюционисты придерживаются обратная гипотеза. Говорят, что магнитное поле осталось практически на одном и том же уровне в течение геологического времени, за исключением интервалы, в которых он проходил разворот, затухая до нуля и снова восходит с обратной полярностью.Последний разворот предположительно произошло 700 000 лет назад.

Гипотеза обращения не имеет достоверной теоретической поддержки. Это подтверждается в недавней статье в журнале Scientific American: « Нет один из них разработал объяснение того, почему смена знака занимает место. Кажущиеся случайные инверсии дипольного поля Земли остались непостижимыми 5 И нет любые надежные данные, подтверждающие гипотезу об обратном. Ссылка уже было сделано множество магнитных возмущений, «шум», из-за которого так трудно оценить магнитный дипольный момент, даже при использовании абсолютных измерений по всей земле. И все же совершенно необходимо, чтобы один оценить магнитный момент Земли, если он хочет утверждать, что знает состояние земного магнита в это время.

Огромное количество данных о магнитных аномалиях важно в разведке, потому что они являются свидетельством неравномерности где можно было бы ожидать полезных ископаемых и т. д. Но они бесполезны, поскольку что касается истории земного дипольного магнита.

В отношении утверждений о том, что узоры намагниченности на морское дно связано с историей магнитного поля Земли и континентальный дрейф, А.А. и Говард Мейерхофф дают пространный опровержение и очень твердо заключают: « Так называемая магнитная аномалии — это не то, чем они должны быть — «запись на пленку». магнитных событий при создании нового дна океана между континентами 6

Один из факторов, делающих намагниченность породы совершенно ненадежной. свидетельством так называемых инверсий является самообращение процесс, который, как известно, существует в горных породах, полностью независимый от магнитное поле Земли.Ричард Доэлл и Алан Кокс заявляют, что: В настоящее время известна обратная намагниченность некоторых горных пород быть связано с механизмом самовозврата. Более того, многие теоретические были предложены механизмы самообращения… Однако для того, чтобы однозначно отвергнуть гипотезу обращения поля необходимо чтобы показать, что все обратно намагниченные породы возникают из-за самообращения. Это было бы очень трудной задачей, так как некоторые из самообращений механизмы трудно обнаружить и не воспроизводимы в лаборатория . 7 Интересно отметить что эти авторы пытаются переложить бремя доказывания на противники гипотезы обращения, но при этом они разрушают надежность самих данных, от которых они зависят.

Дж.А. Джейкобс утверждает, что: « Такие результаты показывают, что один следует с осторожностью интерпретировать все развороты как вызванные обращение поля и проблема определения того, какие обращенные породы указывают, что изменение направления поля может в некоторых случаях быть чрезвычайно трудный.Чтобы доказать, что перевернутый образец горной породы был намагничен обращением земного поля необходимо показать, что его нельзя было обратить вспять физико-химическим процессом. Этот является практически невыполнимой задачей, поскольку физические изменения могут произошло с момента первоначального намагничивания или может произойти в течение определенного лабораторные испытания 8

При прямом сравнении обнаруживается сильный конфликт между 1) оценками магнитного дипольного поля в реальном времени Гауссом и др., и 2) оценки магнитного «поля». выведены из эволюционных предположений о намагниченности в камнях и артефактах.

За последние два столетия работа Гаусса и др. показала постоянное истощение магнитного поля Земли. То есть общепринятым фактом, тогда как намагниченный камень-артефакт метод не может показать никаких следов этой тенденции. 9

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Единственное достоверное теоретическое математическое объяснение и единственное достоверные данные подтверждают вывод о том, что магнитное поле Земли поле было создано со значительным количеством исходной магнитной энергии и с тех пор постоянно разрушается, и что он возглавляет на вымирание через несколько тысяч лет.Оглядываясь назад во времени существует предельный возраст, потому что существует предел того, сколько магнитная энергия, которой Земля могла обладать изначально. Разумный постулаты о максимальном магнитном поле Земли. пришлось ограничить свой возраст несколькими тысячами лет.

Гипотеза обращения, которая была предложена для расширения магнитное поле на миллиарды лет назад не имеет ни обоснованного теоретического/математического основе, ни наблюдательной поддержки.Палеомагнитные данные, на основании которых это зависит от поддержки не коррелирует с состоянием магнитное поле Земли, а именно ее магнитный момент.

ССЫЛКИ

1. Макдональд, К.Л. и Р. Х. Ганст, Earth’s Magnetic Поле 1835 по 1965, ESSA Tech. Представитель Департамент связи США, 1967 г., стр. 1 и 5.
2. Лэмб, Х., Фил.Trans., London V. 174, 1883, стр. 519-549.
3. Барнс, Т.Г., Ежеквартальное издание Общества креационных исследований, Том. 9 (1), 1972, стр. 47-50.
4. Барнс, Т.Г., Происхождение и судьба из Магнитное поле Земли. Поле, ICR Tech. Пн. № 4, 1973.
5. Кэрриган, Ч.Р. и Дэвид Габбинс, «Источник Земли». Магнитное поле», Sci . Amer., , февраль 1979 г., с. 125.
6. А.А. и Говард Мейерхофф, «Новая глобальная тектоника», амер . доц. Петр. Геоло ., бул. Т. 56 (2), 1972 г., п. 337.
7. Доэлл, Ричард и Аллан Кокс, Горная геофизика, V . 11, Соц. Экспл. Геофизики, 1967, с. 452.
8. Джейкобс, Дж. А., Ядро Земли и геомагнетизм , Макмиллан, стр.105-106.
9. Бурлацкая С.П. Изменение геомагнитной напряженности в Последние 8500 лет», Ин-т земной физики, СССР АН, 1969, с. 547.

В магнитосфере Земли могут быть магнитные монополи

Электричество и магнетизм имеют много общего. Они связаны единой теорией электромагнетизма и во многом являются двумя сторонами одной медали. Оба могут воздействовать на заряды и магнитные поля.Изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле и наоборот. Элементарные частицы могут обладать электрическими и магнитными свойствами. Но есть одно принципиальное отличие.

Электрические поля создаются электрическими зарядами. Существует два типа электрического заряда. Мы называем положительное и отрицательное, и они существуют независимо. Электроны имеют только отрицательный заряд, например, а протоны имеют положительный заряд. Окружающие нас предметы повседневного обихода обычно электрически нейтральны, но им легко придать небольшой положительный или отрицательный заряд.Статическое электричество является хорошим примером этого.

Монополи будут иметь только северный или южный полюс. Авторы и права: Даниэль Домингес, CERN

. С магнитным зарядом дело обстоит иначе. Как и электрический заряд, существует два типа магнитного заряда. По историческим причинам мы называем их северным и южным полюсами. Но эти магнитные полюса всегда идут парами. У каждого магнита есть северный и южный полюса. Если вы сломаете магнит пополам, вы не разделите полюса. Вместо этого вы получаете два меньших магнита, каждый с северным и южным полюсами.Даже магнитные элементарные частицы обладают этим свойством диполя. Насколько мы можем судить, магнитных монополей не существует.

Монополи привнесли бы симметрию в электромагнетизм. Предоставлено: пользователь Википедии Maschen

. Хотя мы никогда не наблюдали магнитные монополи, мы знаем, какими должны быть их свойства в соответствии с электромагнетизмом. Одним из наиболее удивительных следствий является то, что магнитные монополи квантуют заряд. Если бы у вас было несколько электрических и магнитных зарядов, создаваемое ими электромагнитное поле имело бы угловой момент (вращение), зависящий от величины электрических и магнитных зарядов.В квантовой механике угловой момент квантуется, что означает, что заряды также квантуются. Существование хотя бы одного магнитного монополя во Вселенной объяснило бы, почему элементарные частицы всегда имеют целое значение электрического заряда. Магнитные монополи также привнесли бы симметрию в электромагнетизм. Это одна из причин, по которой такие модели, как теория струн, предсказывают наличие магнитных монополей.

Открытие магнитных монополей произвело бы революцию в нашем понимании Вселенной, поэтому стоит искать их везде, где только можно.Недавно команда искала доказательства их присутствия в магнитном поле Земли. В принципе их идея проста. Если магнитные монополи существуют, они могут быть захвачены сильным магнитным полем Земли. Это дало бы Земле магнитный заряд, который мы должны быть в состоянии измерить.

Созвездие Swarm исследует магнитное поле ядра Земли. Фото: ESA/ATG Medialab

На практике это довольно сложно. Для своего исследования команда использовала общедоступные данные за шесть лет из группировки Swarm ЕКА.Это набор орбитальных спутников, специально предназначенных для создания карты магнитных полей Земли с высоким разрешением. На основе этих данных команда создала карту силовых линий магнитного поля нашей планеты и применила математическую технику, известную как закон Гаусса. Представьте Землю, окруженную воображаемой сферой. Если нет магнитных монополей, любая линия магнитного поля, выходящая из сферы, также должна вернуться обратно в сферу. Если есть магнитные монополи, то некоторые силовые линии магнитного поля должны пересекать сферу, не пересекаясь обратно.Избыток пересечений силовых линий доказывает существование магнитных монополей.

Команда обнаружила, что в пределах имеющихся у них данных не было свидетельств чрезмерного пересечения линий поля. Это не означает, что магнитных монополий не существует, просто нет никаких доказательств того, что они были захвачены магнитным полем Земли. Так что на этот раз не повезло, но это отличный результат с использованием общедоступных данных.

Ссылка: Бай, Ян, Сида Лу и Николас Орлофски. «Поиск магнитных монополей с магнитным полем Земли. препринт arXiv arXiv:2103.06286 (2021).

Нравится:

Нравится Загрузка…

18.7 Проводники и электрические поля в статическом равновесии – College Physics

Резюме

  • Перечислите три свойства проводника, находящегося в электростатическом равновесии.
  • Объясните влияние электрического поля на свободные заряды в проводнике.
  • Объясните, почему внутри проводника не может быть электрического поля.
  • Опишите электрическое поле, окружающее Землю.
  • Объясните, что происходит с электрическим полем, приложенным к проводнику неправильной формы.
  • Опишите, как работает громоотвод.
  • Объясните, как металлический автомобиль может защитить находящихся внутри пассажиров от опасных электрических полей, возникающих в результате касания автомобиля оборванным проводом.

Проводники содержат бесплатных заряда , которые легко перемещаются. Когда на проводник помещается избыточный заряд или проводник помещается в статическое электрическое поле, заряды в проводнике быстро реагируют, чтобы достичь устойчивого состояния, называемого электростатическим равновесием .

На рис. 1 показано влияние электрического поля на свободные заряды в проводнике. Свободные заряды движутся до тех пор, пока поле не станет перпендикулярным поверхности проводника. В электростатическом равновесии не может быть компоненты поля, параллельной поверхности, поскольку, если бы она была, она вызывала бы дальнейшее движение заряда. Показан положительный свободный заряд, но свободные заряды могут быть как положительными, так и отрицательными, а в металлах они фактически отрицательны. Движение положительного заряда эквивалентно движению отрицательного заряда в противоположном направлении.

Рисунок 1. Когда электрическое поле E воздействует на проводник, свободные заряды внутри проводника перемещаются до тех пор, пока поле не станет перпендикулярным поверхности. (а) Электрическое поле является векторной величиной, имеющей как параллельные, так и перпендикулярные компоненты. Параллельная составляющая ( E || ) действует с силой ( F || ) на свободный заряд q , которая перемещает заряд до F || = 0. (б) Результирующее поле перпендикулярно поверхности.Свободный заряд переносится на поверхность проводника, оставляя электростатические силы в равновесии.

Проводник, помещенный в электрическое поле , будет поляризован . На рис. 2 показан результат помещения нейтрального проводника в изначально однородное электрическое поле. Поле усиливается вблизи проводника, но полностью исчезает внутри него.

Рис. 2. На этом рисунке показан сферический проводник в статическом равновесии с изначально однородным электрическим полем.Свободные заряды движутся внутри проводника, поляризуя его, пока линии электрического поля не станут перпендикулярны поверхности. Силовые линии заканчиваются на избыточном отрицательном заряде на одном участке поверхности и снова начинаются на избыточном положительном заряде на противоположной стороне. Внутри проводника не существует электрического поля, поскольку свободные заряды в проводнике будут продолжать двигаться в ответ на любое поле, пока оно не будет нейтрализовано.

Предупреждение о неправильном представлении: электрическое поле внутри проводника

Избыточные заряды, размещенные на сферическом проводнике, отталкиваются и перемещаются до тех пор, пока не будут распределены равномерно, как показано на рисунке 3.Избыточный заряд выталкивается на поверхность до тех пор, пока поле внутри проводника не станет равным нулю. Вне проводника поле точно такое же, как если бы проводник был заменен точечным зарядом в его центре, равным избыточному заряду.

Рис. 3. Взаимное отталкивание избыточных положительных зарядов на сферическом проводнике равномерно распределяет их по его поверхности. Результирующее электрическое поле перпендикулярно поверхности и равно нулю внутри. Вне проводника поле идентично точечному заряду в центре, равному избыточному заряду.

Свойства проводника в электростатическом равновесии

  1. Электрическое поле внутри проводника равно нулю.
  2. Сразу за пределами проводника силовые линии электрического поля перпендикулярны его поверхности и заканчиваются или начинаются на зарядах на поверхности.
  3. Любой избыточный заряд полностью находится на поверхности или поверхностях проводника.

Свойства проводника согласуются с уже рассмотренными ситуациями и могут использоваться для анализа любого проводника в электростатическом равновесии.Это может привести к новым интересным выводам, как описано ниже.

Как можно создать очень однородное электрическое поле? Рассмотрим систему из двух металлических пластин с противоположными зарядами на них, как показано на рис. 4. Свойства проводников, находящихся в электростатическом равновесии, указывают на то, что электрическое поле между пластинами будет однородным по напряженности и направлению. За исключением краев, избыточные заряды распределяются равномерно, создавая силовые линии, которые равномерно расположены (следовательно, одинаковы по силе) и перпендикулярны поверхностям (следовательно, однородны по направлению, поскольку пластины плоские).Краевые эффекты менее важны, когда пластины расположены близко друг к другу.

Рисунок 4. Две металлические пластины с равными, но противоположными избыточными зарядами. Поле между ними однородно по силе и направлению, кроме краев. Одним из применений такого поля является создание равномерного ускорения зарядов между пластинами, например, в электронной пушке телевизионной трубки.

Почти однородное электрическое поле напряженностью около 150 Н/Кл, направленное вниз, окружает Землю, величина которого немного увеличивается по мере приближения к поверхности.Что вызывает электрическое поле? Примерно в 100 км над поверхностью Земли находится слой заряженных частиц, называемый ионосферой . Ионосфера отвечает за ряд явлений, включая электрическое поле, окружающее Землю. В хорошую погоду ионосфера положительна, а Земля в значительной степени отрицательна, поддерживая электрическое поле (рис. 5(а)).

В условиях шторма образуются облака, а локализованные электрические поля могут быть сильнее и иметь противоположное направление (рис. 5(b)).{6} \;\text{N} / \text{C}}[/latex]. Воздух ионизирует ионы, а электроны рекомбинируют, и мы получаем разряд в виде искр молний и коронного разряда.

Рис. 5. Электрическое поле Земли. (a) Поле хорошей погоды. Земля и ионосфера (слой заряженных частиц) являются проводниками. Они создают однородное электрическое поле около 150 Н/Кл. (кредит: DH Parks) (b) Штормовые поля. При наличии грозовых облаков локальные электрические поля могут быть больше. При очень высоких полях изолирующие свойства воздуха нарушаются, и может возникнуть молния.(кредит: Ян-Йост Верхуф)

До сих пор мы рассматривали избыточные заряды на гладкой симметричной поверхности проводника. Что произойдет, если проводник имеет острые углы или заострен? Избыточные заряды на неоднородном проводнике концентрируются в наиболее острых точках. Кроме того, избыточный заряд может перемещаться по проводнику или от него в самых острых точках.

Чтобы понять, как и почему это происходит, рассмотрим заряженный проводник на рис. 6. Электростатическое отталкивание одинаковых зарядов наиболее эффективно раздвигает их на самой плоской поверхности, поэтому там они меньше всего концентрируются.Это связано с тем, что силы между одинаковыми парами зарядов на обоих концах проводника одинаковы, но компоненты сил, параллельных поверхностям, различны. Составляющая, параллельная поверхности, наибольшая на самой плоской поверхности и, следовательно, более эффективна в перемещении заряда.

Такой же эффект оказывает на проводник электрическое поле, приложенное извне, как показано на рис. 6 (с). Поскольку силовые линии должны быть перпендикулярны поверхности, больше их сосредоточено на наиболее искривленных участках.

Рис. 6. Избыточный заряд на неоднородном проводнике больше всего концентрируется в месте наибольшей кривизны. а) Силы между одинаковыми парами зарядов на обоих концах проводника одинаковы, но компоненты сил, параллельных поверхности, различны. Это F || , который раздвигает заряды, как только они достигают поверхности. (б) F || наименьший на более остром конце, заряды расположены ближе друг к другу, создавая показанное электрическое поле.(c) Незаряженный проводник в первоначально однородном электрическом поле поляризуется так, что наиболее концентрированный заряд находится на его самом остром конце.

На очень резко искривленной поверхности, такой как показанная на рис. 7, заряды настолько сконцентрированы в точке, что результирующее электрическое поле может быть достаточно сильным, чтобы убрать их с поверхности. Это может быть полезно.

Молниеотводы работают лучше всего, когда они наиболее остроконечные. Большие заряды, образующиеся в грозовых облаках, вызывают противоположный заряд на здании, что может привести к удару молнии в здание.Индуцированный заряд постоянно отводится громоотводом, предотвращая более драматический удар молнии.

Конечно, иногда мы хотим предотвратить передачу заряда, а не облегчить ее. В этом случае проводник должен быть очень гладким и иметь как можно больший радиус кривизны. (См. рис. 8.) Гладкие поверхности используются, например, на высоковольтных линиях электропередачи, чтобы избежать утечки заряда в воздух.

Другим устройством, в котором используются некоторые из этих принципов, является клетка Фарадея .Это металлический щит, ограждающий объем. Все электрические заряды будут находиться на внешней поверхности этого экрана, и внутри не будет электрического поля. Клетка Фарадея используется, чтобы не допустить, чтобы блуждающие электрические поля в окружающей среде мешали чувствительным измерениям, таким как электрические сигналы внутри нервной клетки.

Во время грозы, если вы управляете автомобилем, лучше оставаться внутри автомобиля, так как его металлический корпус действует как клетка Фарадея с нулевым электрическим полем внутри.Если в непосредственной близости от удара молнии, его воздействие ощущается снаружи автомобиля, а внутри не затрагивается, при условии, что вы полностью остаетесь внутри. Это актуально и в том случае, если действующий («горячий») электрический провод оборвался (в грозу или аварию) и упал на ваш автомобиль.

Рисунок 7. Проводник с очень острым концом имеет большую концентрацию заряда в конце. Электрическое поле в этой точке очень сильное и может создавать силу, достаточную для переноса заряда на проводник или с него. Молниеотводы используются для предотвращения накопления больших избыточных зарядов на конструкциях и, таким образом, имеют остроконечную форму. Рис. 8. (a) Молниеотвод направлен для облегчения передачи заряда. (Фото: Romaine, Wikimedia Commons) (b) Этот генератор Ван де Граафа имеет гладкую поверхность с большим радиусом кривизны, что предотвращает перенос заряда и позволяет генерировать большое напряжение. Взаимное отталкивание одноименных зарядов проявляется в волосах человека при прикосновении к металлическому шару. (кредит: Джон «ShakataGaNai» Дэвис/Wikimedia Commons).
  • Проводник позволяет свободно перемещаться в нем зарядам.
  • Электрические силы вокруг проводника заставят свободные заряды перемещаться внутри проводника, пока не будет достигнуто статическое равновесие.
  • Любой избыточный заряд будет накапливаться на поверхности проводника.
  • Проводники с острыми углами или точками будут накапливать больше заряда в этих точках.
  • Громоотвод — это проводник с заостренными концами, который собирает избыточный заряд на здании, вызванный грозой, и позволяет ему рассеяться обратно в воздух.
  • Электрические бури возникают, когда электрическое поле поверхности Земли в определенных местах становится более сильно заряженным из-за изменения изолирующего эффекта воздуха.
  • Клетка Фарадея действует как щит вокруг объекта, предотвращая проникновение электрического заряда внутрь.

Концептуальные вопросы

1: Является ли объект на рисунке 9 проводником или изолятором? Обосновать ответ.

Рисунок 9.

2: Если бы линии электрического поля на рисунке выше были перпендикулярны объекту, обязательно ли он был бы проводником? Объяснять.

3: Обсуждение электрического поля между двумя параллельными проводящими пластинами в этом модуле утверждает, что краевые эффекты менее важны, если пластины расположены близко друг к другу. Что значит близко? То есть имеет ли решающее значение фактическое расстояние между пластинами или отношение расстояния между пластинами к площади пластины?

4: Будет ли электрическое поле, созданное самим собой на конце заостренного проводника, такого как громоотвод, удалять положительный или отрицательный заряд с проводника? Будет ли снят тот же знаковый заряд с нейтрального заостренного проводника приложением такого же электрического поля, созданного извне? (Ответы на оба вопроса имеют значение для передачи заряда с использованием баллов.)

5: Почему игрок в гольф с металлической клюшкой на плече уязвим для молнии на открытом фервее? Будет ли ей безопаснее под деревом?

6: Может ли пояс ускорителя Ван де Граафа быть проводником? Объяснять.

7: Вы в относительной безопасности от молнии внутри автомобиля? Назовите две причины.

8: Обсудите плюсы и минусы заземления громоотвода по сравнению с простым креплением к зданию.

9: Используя симметрию расположения, покажите, что суммарная кулоновская сила, действующая на заряд q в центре квадрата ниже (рис. 10), равна нулю, если заряды в четырех углах точно равны.

Рисунок 10. Четыре точки Q A , Q , Q , Q C и Q D Лежат на углом квадрата и Q его центр.

10: (a) Используя симметрию расположения, покажите, что электрическое поле в центре квадрата на рисунке 10 равно нулю, если заряды в четырех углах точно равны.(b) Покажите, что это также верно для любой комбинации зарядов, в которой q a = q d и q b = q c

3

11: (a) Какова направленность полной кулоновской силы на q на рис. 10, если q отрицательно, q a = q c и и оба отрицательны, q b = q c и оба положительны? б) Каково направление электрического поля в центре квадрата в этой ситуации?

12: Учитывая рис. 10, предположим, что q a = q d и q b = 9 c 90,459Сначала покажите, что qq размера 12{q} {} находится в статическом равновесии. (Вы можете пренебречь силой гравитации.) Затем обсудите, является ли равновесие устойчивым или неустойчивым, отметив, что это может зависеть от знаков зарядов и направления смещения q от центра квадрата.

13: Если q a = 0 на рис. 10, при каких условиях не будет чистой кулоновской силы на q ?

14: В регионах с низкой влажностью возникает особая «хватка» при открытии дверей автомобиля или прикосновении к металлическим дверным ручкам.Это предполагает размещение на устройстве как можно большей части руки, а не только кончиков пальцев. Обсудите индуцированный заряд и объясните, почему это сделано.

15: Пункты взимания платы за проезд на дорогах и мостах обычно имеют кусок проволоки, воткнутый в тротуар перед ними, который будет касаться приближающегося автомобиля. Почему это делается?

16: Предположим, женщина несет избыточную плату. Чтобы поддерживать свой заряженный статус, может ли она стоять на земле в любой паре обуви? Как бы вы ее выписали? Каковы последствия, если она просто уйдет?

 

Задачи и упражнения

1: Нарисуйте линии электрического поля вблизи проводника на рисунке 11, учитывая, что изначально поле было однородным и параллельным длинной оси объекта.Является ли результирующее поле малым вблизи длинной стороны объекта?

Рисунок 11.

2: Нарисуйте линии электрического поля вблизи проводника на рисунке 12, учитывая, что изначально поле было однородным и параллельным длинной оси объекта. Является ли результирующее поле малым вблизи длинной стороны объекта?

Рисунок 12.

3: Нарисуйте электрическое поле между двумя проводящими пластинами, показанными на рисунке 13, при условии, что верхняя пластина положительна, а на нижней пластине находится равное количество отрицательных зарядов.Обязательно укажите распределение заряда на пластинах.

Рис. 13.

4: Нарисуйте силовые линии электрического поля вблизи заряженного изолятора на рис. 14, отметив его неоднородное распределение заряда.

Рис. 14. Заряженный изолирующий стержень, который можно использовать для демонстрации в классе.

5: Какая сила действует на заряд, расположенный в точке x=8,00 см на рис. 15(а), если [латекс]{q = 1,00 \;\mu \text{C}}[/latex] ?

Рис. 15. (а) Точечные заряды, расположенные на 3,00, 8,00 и 11,0 см вдоль оси x . (b) Точечные заряды, расположенные на 1,00, 5,00, 8,00 и 14,0 см по оси x .

6: (a) Найдите полное электрическое поле при x=1,00 см x =1,00 см на рисунке 15(b), учитывая, что [латекс]{q = 5,00 \;\text{nC}}[/латекс]. (b) Найдите полное электрическое поле в точке [латекс]{х = 11,00 \;\текст{см}}[/латекс] на рисунке 15(б). (в) Если позволить зарядам двигаться и в конечном итоге останавливаться за счет трения, какова будет окончательная конфигурация заряда? (То есть будет ли одинарная зарядка, двойная зарядка и т.д., и каковы будут его значения?)

7: (a) Найдите электрическое поле в точке [латекс]{х = 5,00 \;\текст{см}}[/латекс] на рисунке 15(а), учитывая, что [латекс]{q = 1,00 \; \mu \text{C}}[/латекс]. (b) В каком положении между 3,00 и 8,00 см общее электрическое поле такое же, как и у одного только [латекса]{-2q}[/латекса]? в) Может ли электрическое поле быть равным нулю где-то между 0,00 и 8,00 см? (d) При очень больших положительных или отрицательных значениях x , электрическое поле приближается к нулю как в (a), так и в (b).В каком случае он быстрее всего стремится к нулю и почему? (e) В каком положении справа от 11,0 см полное электрическое поле равно нулю, кроме как на бесконечности? (Подсказка: графический калькулятор может помочь в решении этой задачи.)

8: (a) Найдите полную кулоновскую силу на заряде 2,00 нКл, расположенном в точке [латекс]{x=4,00 \;\text{см}}[/латекс] на рис. 15 (б), учитывая, что [ латекс]{q = 1,00 \;\mu \text{C}}[/латекс]. (b) Найдите положение x , в котором электрическое поле равно нулю на рисунке 15 (b).

9: Используя симметрию расположения, определите направление силы на q на рисунке ниже, учитывая, что [латекс]{q_a = q_b = +7,50 \;\mu \text{C}}[ /латекс] и [латекс]{q_c = q_d = -7,50 \;\mu \text{C}}[/латекс]. (b) Рассчитайте величину силы, действующей на заряд q , учитывая, что сторона квадрата равна 10,0 см, а [латекс]{q = 2,00 \;\mu \text{C}}[/latex].

Рисунок 16.

10: (a) Используя симметрию расположения, определите направление электрического поля в центре квадрата на рисунке 16, учитывая, что [латекс]{q_a = q_b = -1.00 \;\mu \text{C}}[/latex] и [латекс]{q_c = q_d = +1,00 \;\mu \text{C}}[/latex]. (b) Рассчитайте величину электрического поля в точке q , учитывая, что сторона квадрата равна 5,00 см.

11: Найдите электрическое поле в точке q a на рисунке 16, учитывая, что [латекс]{q_b = q_c = q_d = +2,00 \;\text{nC}}[/latex], [ латекс]{q=-1,00 \;\text{nC}}[/латекс], а сторона квадрата составляет 20,0 кубических футов в минуту.

12: Найдите полную кулоновскую силу, действующую на заряд q на рис. 16, учитывая, что [латекс]{q = 1.00 \;\mu \text{C}}[/latex], [латекс]{q_a = 2,00 \;\mu\text{C}}[/latex], [латекс]{q_b = -3,00 \;\mu \text{C}}[/latex], [латекс]{q_c = -4,00 \;\mu \text{C}}[/latex] и [латекс]{q_d = +1,00 \;\mu \text{ С}}[/латекс]. Сторона квадрата 50,0 см.

13: (a) Найдите электрическое поле в месте расположения qaqa на рисунке 17, учитывая, что [латекс]{q_b = +10,00 \;\mu \text{C}}[/latex] и [латекс]{ q_c = -5,00 \;\mu \text{C}}[/latex]. (b) Какова сила, действующая на q a , если [латекс]{q_a = +1.50 \;\text{nC}}[/латекс]?

Рис. 17. Точечные заряды, расположенные в углах равностороннего треугольника со стороной 25,0 см.

14: (а) Найдите электрическое поле в центре треугольной конфигурации зарядов на рис. 17, учитывая, что [латекс]{q_a = +2,50 \;\text{nC}}[/латекс], [латекс ]{q_b = -8,00 \;\text{nC}}[/latex] и [латекс]{q_c= +1,50 \;\text{nC}}[/latex]. (b) Существует ли какая-либо комбинация зарядов, кроме [латекса]{q_a = q_b = q_c}[/латекса], которая создаст электрическое поле нулевой напряженности в центре треугольной конфигурации?

 

Глоссарий

проводник
объект со свойствами, которые позволяют зарядам свободно перемещаться внутри него
бесплатно
электрический заряд (положительный или отрицательный), который может перемещаться отдельно от своей основной молекулы
электростатическое равновесие
электростатически сбалансированное состояние, в котором все свободные электрические заряды перестают двигаться около
поляризованный
состояние, при котором положительные и отрицательные заряды внутри объекта собираются в разных местах
ионосфера
слой заряженных частиц, расположенный примерно в 100 км над поверхностью Земли, который отвечает за ряд явлений, включая электрическое поле, окружающее Землю
Клетка Фарадея
металлический экран, препятствующий проникновению электрического заряда через его поверхность

Решения

Задачи и упражнения

6:

(а) [латекс] {E_ {x = 1.5 \;\text{N} / \text{C}}[/латекс]

(c) один заряд + q

8:

(а) 0,252 Н влево

(б) [латекс]{х = 6,07 \;\текст{см}}[/латекс]

10:

(a) Электрическое поле в центре квадрата будет направлено вверх, так как q a и q b положительны, а q c и q d отрицательны 6 d и все имеют одинаковую величину.{\circ}}[/latex], ниже горизонтали.

(б) №

 

Правда ли, что сила магнитного поля Земли уменьшается? Каков эффект?

Ричард С. Брилл, адъюнкт-профессор геологии и геофизики муниципального колледжа Гонолулу на Гавайях, предоставляет следующий ответ:

Изображение: Национальный центр геофизических данных

БЕСПОКОЙНЫЕ ПОЛЯ. Компьютерные модели указывают на то, что сила магнитного поля Земли уменьшилась примерно на 10 процентов за последнее столетие.

Магнитное поле Земли постоянно меняется, и то, как оно меняется, также изменения. При описании магнитного поля Земли мы должны указать как направление, так и напряженность поля. С оба они изменяются, и изменяются по-разному в разных местах, нелегко сказать, как устроено поле Земли в целом. меняется. Его необходимо измерять во многих местах, чтобы получить хорошее представление о его распределении.

Из-за сложности Магнитное поле Земли и его постоянные изменения невозможно предсказать, каким будет поле в любое время в далеком будущем. будущее.Используя данные многих магнитных обсерваторий, геофизики могут математически представить поля и как оно меняется. Эти модели должны постоянно пересматриваться по мере добавления новых данных из множества наблюдений.

Хотя инверсии магнитного поля происходили много раз в геологическом прошлом, пока невозможно предсказать, когда произойдет следующая инверсия. происходить. Самый последний разворот произошел около 700 000 лет назад. За последние 200 миллионов лет инверсии происходили каждые полмиллиона лет или около того, но без заметной регулярности или закономерности.

Изображение: Национальный центр геофизических данных

ВСЕМИРНАЯ СЕТЬ геомагнитных обсерватории отслеживают изменения магнитного поля Земли.

В большинстве мест за последнее столетие произошло общее снижение силы, обычно на десять процентов или около того. Никто можно с уверенностью сказать, представляет ли это флуктуацию или снижение, которое в конечном итоге приведет к разворот. Прошлые инверсии происходили в течение короткого периода времени, говоря геологическим языком, около 10 000 лет.Для того, чтобы чтобы произошло обращение, должно быть короткое время, в течение которого поле не существует.

Нелегко предсказать последствия снижения. Магнитное поле Земли простирается наружу от Земли, образуя щит, который фокусирует космические лучи к магнитным полюсам и от других широт. В отсутствие этого магнитного поля, или магнитосферы, эти космические лучи бомбардировали бы всю Землю с большей интенсивностью, чем сегодня.Эффекты космические лучи на жизнь в целом точно не известны, но ожидается, что они вызовут повреждение тканей, подобное воздействия рентгеновских лучей.

Некоторые ученые предполагают, что некоторые, если не все массовые вымирания, уничтожившие тысячи видов жизни на Земля может быть связана с инверсиями магнитного поля. Отказов было так много, что вряд ли все они вызвали гибели большого количества видов.

Никто на самом деле не знает, насколько важен магнетизм для жизни в целом.Много мигрирующие животные, такие как птицы, киты и бабочки, используют магнетизм для навигации. Другие организмы имеют небольшие участки в в котором сконцентрирован магнитный минерал, известный как магнетит. Есть некоторые свидетельства того, что наш собственный мозг может содержать зерна магнетита.

Когда произойдёт следующий разворот, несколько поколений учёных, изучающих его, будут знать многое больше о последствиях, и наши исследования могут в конечном итоге узнать больше о причинах изменений и обращений Земли магнитное поле.

Использование переноса энтропии

Abstract

Обсуждаемый вопрос о возможной связи между магнитным полем Земли и климатом обычно концентрировался на прямых корреляциях между различными временными рядами, представляющими обе системы. Однако физический механизм, способный потенциально объяснить эту связь, все еще остается открытым вопросом. Обнаружение намеков на то, как эта связь могла бы работать, означало бы важный шаг вперед в поисках адекватного физического механизма.Здесь мы предлагаем инновационный теоретико-информационный инструмент, то есть энтропию переноса, как хорошего кандидата для этой области, потому что он способен определить не просто возможное существование связи, но даже направление, в котором создается связь. Мы применили эту новую методологию к двум реальным временным рядам: протяженности площади Южно-Атлантической аномалии (ЮАА) на поверхности Земли (представляющей систему геомагнитного поля) и повышению глобального уровня моря (GSL) (для климатической системы) за последнее время. 300 лет, чтобы измерить возможный информационный поток и смысл между ними.Эта связь ранее предлагалась с учетом только долгосрочного тренда, теперь же мы изучаем эту возможность и в более коротких масштабах. Новые результаты, по-видимому, подтверждают эту гипотезу, при этом больше информации передается из временных рядов SAA во временные ряды GSL с уровнем достоверности около 90%. Этот результат дает новые ключи к разгадке существования связи между геомагнитным полем и климатом Земли в прошлом, а также к задействованному физическому механизму, поскольку, благодаря применению переносной энтропии, мы определили, что смысл связи, по-видимому, перейти от системы, производящей геомагнитное поле, к климатической системе.Конечно, эта связь не означает, что геомагнитное поле полностью ответственно за климатические изменения, а скорее является важным движущим компонентом вариаций климата.

Образец цитирования: Кампузано С.А., Де Сантис А., Павон-Карраско Ф.Дж., Осете М.Л., Камили Э. (2018) Новые перспективы в изучении магнитного поля Земли и связи с климатом: использование переносной энтропии. ПЛОС ОДИН 13(11): е0207270. https://doi.org/10.1371/журнал.pone.0207270

Редактор: Haroldo V. Ribeiro, Universidade Estadual de Maringa, BRAZIL

Получено: 31 мая 2018 г.; Принято: 29 октября 2018 г.; Опубликовано: 15 ноября 2018 г.

Авторское право: © 2018 Campuzano et al. Это статья с открытым доступом, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Доступность данных: Все соответствующие данные содержатся в документе и в его файлах вспомогательной информации.

Финансирование: S.A.C., F.J.P.C. и М.Л.О. выражаем благодарность испанскому исследовательскому проекту CGL2017-87015-P Министерства экономики и конкуренции Испании и гранту FPI BES-2012-052991, который позволил S.A.C. два трехмесячных пребывания в INGV в Риме в 2014 и 2015 годах (EEBB-I-14-09023 и EEBB-I-15-10151). ОБЪЯВЛЕНИЯ. также благодарит проекты TEMPO и LIMADOU, финансируемые ЕКА, за частичную финансовую поддержку этого исследования.Коммерческий спонсор Serco SpA также оказал поддержку в виде заработной платы авторам EQ, но не играл никакой дополнительной роли в разработке исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи. Конкретные роли этих авторов сформулированы в разделе «вклад авторов».

Конкурирующие интересы: Коммерческий спонсор Serco SpA предоставил поддержку в виде заработной платы авторам EQ, но не играл никакой дополнительной роли в разработке исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.Это не меняет нашей приверженности политике PLOS ONE в отношении обмена данными и материалами.

Введение

Возможная взаимосвязь между климатом Земли и геомагнитным полем широко обсуждалась в последние пятьдесят лет (например, [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]), но до сих пор остается открытый вопрос. Первые серьезные предложения, количественно определяющие эту возможную связь, были сделаны Wollin et al. [1], указав, что низкие геомагнитные напряженности, как правило, связаны с теплыми климатическими периодами (аналогично современной ситуации), и Bucha [10], который предположил, что дрейфы геомагнитных полюсов могли быть ответственны за смещения большой низкой -область давления атмосферы Земли, связанная с усилением циклонической активности и резкими изменениями климата [11].

В течение последних нескольких десятилетий были предложены другие механизмы, которые могли бы объяснить связь между геомагнитным полем и климатом (например, [3, 4, 6, 8]). Наиболее правдоподобная в долгосрочном масштабе связана со скоростью поступления галактических космических лучей на поверхность Земли. Этот поток галактических космических лучей модулируется интенсивностью как Солнца, так и магнитных полей Земли, которые действуют как защитный экран. Высокие значения напряженности магнитного поля Солнца (и Земли) усиливают экран, и тогда ожидается низкая плотность галактических космических лучей, поступающих в Солнечную систему (и, в свою очередь, на Землю) [12].Попадая в атмосферу, космические лучи могли бы играть важную роль в образовании облаков [13, 14] и, таким образом, геомагнитное поле вовлекалось бы в климатические процессы. То есть уменьшение напряженности геомагнитного поля позволило бы увеличить вход галактических космических лучей на Землю, что могло бы усилить образование низколежащих облаков [15, 16, 17] или увеличить глобальный облачный покров, что привело бы к охлаждению тропосферы [ 3]. Этот механизм был использован для объяснения возможной связи между интенсивностью магнитного поля Земли и климатом в ледниково-межледниковых временных масштабах, поскольку минимумы дипольного момента (связанные с геомагнитными отклонениями), по-видимому, происходят незадолго до наступления относительно холодных интервалов [6, 8]. .Это предполагает связь между низкой напряженностью геомагнитного поля и похолоданием климата. Однако такая связь могла быть условной, как указывают эти авторы, поскольку вариации напряженности геомагнитного поля действительно могут быть связаны с вариациями параметров орбиты Земли [6], которые считаются основными климатоконтролирующими факторами в плейстоцен [18]. Дергачев и др. В работе [19] также изучалась связь между кратковременной геомагнитной изменчивостью (джерками) и изменением климата, а также ускоренным дрейфом северного магнитного полюса и вариациями температуры поверхности.Они также предлагают в качестве более вероятного механизма связь между входом космических лучей и образованием облаков.

С другой стороны, Gallet et al. [4] сравнили наступление и отступление альпийских ледников в течение последних трех тысячелетий с увеличением и уменьшением напряженности геомагнитного поля в Париже, оцененной по археомагнитным данным (палеомагнитные данные по нагретым археологическим артефактам). Более поздняя работа с более полной базой данных палеомагнитной интенсивности подтвердила подобную связь в европейском континентальном масштабе [20].Результаты этих исследований указывают на возможную связь между столетними эпизодами похолодания и усилением геомагнитной напряженности, противоположную механизму галактических космических лучей [3, 6, 8, 16, 17], но согласующуюся с первыми связями, установленными в 70-х гг. [1, 10, 11].

Другие исследования указывают на другие возможные механизмы, объясняющие эту связь, такие как экспериментальный результат Пазура и Винкльхофера [21]. Они сосредоточены на влиянии напряженности геомагнитного поля на растворимость CO 2 в океане.Они заметили, что низкие значения напряженности геомагнитного поля уменьшают растворимость CO 2 в океане, вытесняя больше CO 2 в атмосферу и повышая температуру.

Для более коротких временных масштабов, например, за последние 300 лет, De Santis et al. [22, 23] наблюдали аналогичный временной тренд между увеличением площади Южно-Атлантической аномалии (ЮАА) на поверхности Земли и повышением Глобального уровня моря (ГУМ). SAA является одной из самых выдающихся особенностей геомагнитного поля.Это крупная геомагнитная аномалия, в настоящее время охватывающая большую территорию над западным побережьем Африки, южной частью Атлантического океана, большей частью Южной Америки и юго-восточной частью Тихого океана, которая достигает более низких значений интенсивности, чем ожидалось на этих геомагнитных широтах. . В нескольких исследованиях [24, 25, 26, 27, 28] указывается, что эта аномалия является откликом на поверхности Земли пятен обратного потока, расположенных на земном реликтовом излучении (граница ядро-мантия). Де Сантис и др. [22] предложили три механизма для объяснения этой возможной связи, основанной на поступлении заряженных частиц из космоса, возможном уменьшении озонового слоя в верхней стратосфере над регионом Южной Атлантики и/или общей внутренней причине, общей для SAA и GSL. временные вариации.

Все эти работы и предложенные физические механизмы приводят к выводу, что возможная связь между климатом Земли и геомагнитным полем далека от демонстрации и понимания.

В данной работе мы предлагаем впервые изучить возможную причинно-информационную связь между двумя ранее изученными реальными временными рядами с помощью инновационного статистического инструмента для нелинейных динамических исследований, измеряющего информационный поток и смысл этого поток: переносная энтропия (TE) [29].Эта мера в последние десятилетия использовалась в других областях науки, например, в климатическом контексте [30, 31] или в исследованиях геомагнитной активности [32]. Мы применим его к протяженности поверхности SAA и подъему GSL за последние 300 лет вслед за De Santis et al. [22], но в более коротких масштабах. Мы выбрали эти два временных ряда, потому что они важны в рамках стихийных бедствий. Нынешнее сильное уменьшение основного поля геомагнитного диполя может в конечном итоге указывать на инверсию (например, [33, 34]).Кроме того, он играет главную роль в экранировании большей части солнечной и галактической радиации из космоса, в противном случае проникающей в большем количестве в атмосферу и вызывающей возможный ущерб для здоровья и окружающей среды. Кроме того, понимание того, сохранится ли нынешняя тенденция увеличения GSL в ближайшем будущем или нет, жизненно важно из-за возможного увеличения покрытия новых земель морем.

Настоящая статья построена следующим образом: в первом разделе мы выставляем выбранный временной ряд для проведения этого анализа.Затем мы подробно объясним основные методологии, применяемые в этой работе. Наконец, в обсуждениях и выводах мы суммируем достигнутые результаты и их возможные будущие последствия.

Данные

Анализируются два временных ряда: а) протяженность площади ЮАА на поверхности Земли, заданная историческими моделями геомагнитного поля (модель GUFM1, [35] и более поздние модификации [27, 36]), и б) ГСР реконструкция за последние 300 лет [37]. Оба временных ряда подробно описаны ниже.

Протяженность поверхности SAA на практике может быть определена площадью ниже заданной изолинии интенсивности на поверхности Земли (здесь мы выбрали изолинию 32000 нТл, следуя Де Сантису и др. [22]). Протяженность поверхности ЮАА была рассчитана на основе трех упомянутых исторических моделей геомагнитного поля, охватывающих последние 400 лет. Разница между этими моделями заключается в методе, используемом для оценки первого коэффициента Гаусса (g 1 0 ) до 1840 г. н.э. из-за отсутствия инструментальных данных об интенсивности до этого года.Джексон и др. [35] линейно экстраполировали значение этого коэффициента назад от 1840 г. и приняли постоянную скорость временной эволюции 15 нТл/год, что соответствует средней временной скорости g 1 0 с 1850 по 1990 гг. др. [27] модифицировали g 1 0 с использованием палеомагнитной базы данных интенсивностей [38] за период с 1590 по 1840 гг. для получения более реалистичного значения этого коэффициента. Совсем недавно Финли [36], используя ту же базу палеомагнитных данных, применил различные статистические подходы, чтобы снова зафиксировать коэффициент g 1 0 , не обеспечив скорости изменения этого коэффициента с 1590 по 1840 год.Следовательно, оценки протяженности поверхности ЮАР, полученные этими моделями, немного различаются для времени до 1840 г., но совпадают для самого последнего периода (см. рис. 1а).

Рис. 1. Эволюция временного ряда.

Эволюция а) протяженности площади ЮАА (в пределах изолинии геомагнитного поля 32000 нТл) на поверхности Земли в км 2 по трем моделям глобального геомагнитного поля [27, 35, 36] и б) подъема УГМ в мм , за последние 300 лет (1700–2000 гг.). Линии представляют подгонки с использованием штрафных кубических сплайнов: (красный, зеленый, синий) SAA, полученный из Jackson et al.[35], Губбинс и соавт. [27] и Финлей [36] соответственно, и (серый) GSL.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0207270.g001

Для глобального среднего уровня моря (GSL) мы используем реконструкцию с 1700 года на основе самых длинных доступных записей мареографов [37] (http: //www.psmsl.org/products/reconstructions/jevrejevaetal2008.php), где были удалены эффекты вертикального движения суши, вызванные ледниковой изостатической корректировкой твердой Земли. Евреева и др.[37] продлили запись назад, начиная с 1850 г., используя три самых длинных (хотя и прерывистых) доступных записи мареографа, поскольку ошибка реконструкции в эту эпоху была выше (рис. 1b).

Мы сгладили серии SAA и GSL, используя штрафные кубические сплайны, чтобы избежать будущих математических артефактов, возникающих из-за различий в реконструкции до и после 1850 года. Для обеих записей подгонка проводилась с использованием узловых точек каждые 5 лет. от 1700 до 2000 и параметр сплайнового затухания 10 лет 4 /км 4 и 10 лет 4 /мм 2 для временных рядов SAA и GSL соответственно.Эти оптимальные значения были оценены в соответствии со среднеквадратичной (среднеквадратичной) ошибкой (см. рис. A в файле S1).

В общем, Transfer Entropy (TE) применяется к стационарным временным рядам [39]. Однако, как видно из рис. 1, серии SAA и GSL не могут разумно считаться стационарными, так как обе кривые почти монотонно возрастают. По этой причине мы будем применять TE к временному ряду аномалий после удаления наиболее подходящего долгосрочного тренда (см. рис. 2). В нашем случае мы выбираем простейшую полиномиальную функцию, учитывающую эволюцию ряда во времени: полином второго порядка, который кажется лучшим компромиссом для устранения разумного тренда, а не для полного уничтожения некоторых сходных короткопериодных флуктуаций в обоих рядах.Положительная/отрицательная аномалия будет означать, что протяженность площади SAA или подъем GSL увеличиваются больше/меньше, чем ожидалось.

Рис. 2. Эволюция аномалий временного ряда.

Красные, зеленые, синие линии соответствуют аномалиям SAA, полученным из Jackson et al. [35], Губбинс и соавт. [27] и Финли [36] соответственно. Серая линия представляет аномалии GSL. См текст для дополнительной информации. Оба временных ряда были нормализованы к нулевому среднему и единичной дисперсии.

https://дои.org/10.1371/journal.pone.0207270.g002

Методы

TE – это теоретико-информационная мера, введенная Шрайбером [29] как обобщение взаимной информации [40]. В то время как взаимная информация не содержит ни динамики, ни информации о направлении, TE учитывает динамику передачи информации между двумя системами. Это позволяет количественно оценить как обмен информацией, так и преобладающий смысл этого потока.

Основы ТЭ можно найти в основных работах по теории информации [41].Энтропия Шеннона определяется как: (1) где i представляет состояния, которые может принять процесс I , а p(i) распределение вероятностей, которому они следуют. Эта величина измеряет среднее количество информации, необходимой для оптимального кодирования процесса.

Из марковских процессов конечного порядка Шрайбер [29] ввел меру для количественной оценки передачи информации между двумя разными временными рядами, основанную на соответствующим образом обусловленных переходных вероятностях вместо статических вероятностей.Если предположить, что исследуемая система может быть аппроксимирована стационарным марковским процессом порядка k , то переходные вероятности, описывающие эволюцию системы, равны p ( i n +1 | n , …, i n k +1 ). Если два процесса I и J независимы, то обобщенное марковское свойство (2) , где и l указывает количество состояний кондиционирования для процесса J .

Шрейбер [29] предложил, используя энтропию Кульбака для условных вероятностей [42, 43], измерять некорректность предположения об обобщенном марковском свойстве (уравнение [2]), т.е. I и J независимы, что приводит к в: (3) обозначается как переносная энтропия (схематическое представление TE можно найти на рис. B в файле S1). TE можно понимать как избыточное количество информации, которое необходимо использовать для кодирования состояния процесса, ошибочно предполагая, что фактическая функция распределения вероятности перехода равна , а не .

Вычисление TE на рядах в реальном времени имеет некоторые недостатки и ограничения, которые должны быть устранены наилучшим образом: 1) выбор стратегии для расчета TE: метод дискретизации и оптимальные параметры. Результаты зависят от различных используемых параметров, и важно убедиться, что мы получаем примерно инвариантные результаты с различными их наборами. 2) Конечный размер выборки реального временного ряда: всегда необходимо проверять, достаточно ли количества данных для применения ТЕ.Исследуя логарифмическую апостериорную вероятность для оптимального количества интервалов S , используемых для дискретизации временного ряда, можно проверить, обладает ли он достаточными данными, и именно этот метод используется в данной работе. 3) Интерпретация результатов ТЭ: Смирнов [44] указывал на неспособность ТЭ отличать косвенные влияния от прямых влияний. В общем, наиболее широко используемая интерпретация ТЕ состоит в том, чтобы считать, что, если он существует, это означает, что существует поток информации или передача между двумя анализируемыми временными рядами ( I , J ).Джеймс и др. [45] обнаружили, что энтропия, подобная передаче, может как переоценивать информационный поток, так и недооценивать влияние. Они предложили новую интерпретацию трансферной энтропии как меры уменьшения неопределенности одного временного ряда при заданном другом, а не как информационного потока или переноса, который понимается как наличие информации, которая в данный момент в I обусловлена ​​исключительно by J прошлое.

Существуют различные стратегии расчета TE на основе анализа реальных данных.Здесь мы используем метод, основанный на дискретизации временных рядов, подробно объясненный Сандовалом-младшим [46]. Этот метод состоит в разделении данных на несколько интервалов S путем присвоения каждому интервалу числового символа от 1 до S . Каждый символ соответствует диапазону значений ряда данных, которые заменены присвоенными символами (от 1 до S ).

Очевидно, расчет TE будет зависеть от конкретного выбранного раздела S .Для получения оптимального числа бинов S рассмотрим подход, предложенный Кнутом [47], где S задается максимизацией апостериорной вероятности p ( S | N , п к ). Учитывая равномерную гистограмму ширины бина для набора статистических данных из 90 455 N 90 456 выборок, апостериорная вероятность 90 455 p 90 456 ( 90 455 S 90 456 ∣ 90 455 N 90 456 , 90 455 n 90 456 90 497 90 455 k 90 456 90 498 ) определяется выражением: (4) где n k — количество выборок в k th бине, V — длина диапазона данных, а Γ — гамма-функция.В задачах оптимизации принято максимизировать логарифм уравнения [4] [47], также потому, что по поведению логарифма можно определить, достаточно ли длинные выбранные временные ряды для анализа с помощью такого инструмента, как TE [ 48]. По этой причине мы максимизируем логарифм апостериорной вероятности, чтобы, во-первых, определить, достаточно ли длинны выбранные временные ряды, а затем оценить оптимальное количество интервалов.

После того, как мы проверили достаточность количества данных и оценили оптимальное количество бинов S , мы дискретизируем временной ряд, как мы объясняли выше, и вычисляем непосредственно TE из уравнения [3], данного Шрайбером [29] , представляющий обе задействованные серии.Выбор размера вложения k и l является ключевым моментом в расчете TE. Если размерность слишком мала, информация, содержащаяся в прошлом времени (или памяти) серии I , может быть назначена исходящей из J . Чтобы этого избежать, мы должны получить, что ряд I независим от самого себя с запаздыванием k . Поэтому мы основываем выбор этого параметра на определении взаимной информации между временным рядом I и самим собой с запаздыванием k [49]: (5) будучи I k временной ряд I с задержкой k .Значение k , связанное с первым локальным минимумом, указанным в уравнении [5], считается оптимальным размером встраивания.

Для размерности вложения l ряда J обычно принимают l = 1 или l = k [29, 39]. В консервативном подходе мы считаем, что l = 1. Для вычисления различных вероятностей уравнения [3] мы просто подсчитываем, сколько раз символ или последовательность символов появляется в нашем временном ряду.

Из-за конечного размера временного ряда и уменьшенного количества данных важно установить порог, при котором результат можно считать значимым. Чтобы установить статистическую значимость наших результатов, мы рассчитываем TE с точками данных серии J , которая представляет собой источник предполагаемого информационного потока, перемешанного случайным образом [39, 50]. Цель этой процедуры состоит в том, чтобы разрушить все потенциальные связи между двумя сериями I и J , и, следовательно, наблюдаемое ТЕ должно быть равно нулю.В конечных временных рядах это значение редко равно нулю из-за эффектов конечной выборки, и мы получаем пороговое значение TE, выше которого оно является значимым. На практике мы создаем 1000 суррогатных временных рядов J , используя технику повторного преобразования Фурье с поправкой на амплитуду (IAAFT) [51, 52, 53]. Эта процедура гарантирует, что суррогатные временные ряды имеют то же среднее значение, дисперсию, автокорреляционную функцию и, следовательно, спектр мощности, что и исходный ряд, но разрушает нелинейные отношения и, следовательно, действительно значимую информацию, передаваемую из J в I ряд.Чтобы считать исходный TE значимым, мы рассматриваем нулевую гипотезу 5%, являющуюся нулевой гипотезой о том, что перенос энтропии между двумя исходными временными рядами незначителен. Если 95% новых значений TE, рассчитанных по суррогатному ряду J , меньше, чем исходное, тогда мы считаем исходное TE значимым.

Результаты и обсуждение

Анализ логарифма уравнения [4] (логарифмический апостериорный) в зависимости от числа бинов дает полезную информацию: а) оба временных ряда достаточно длинные для применения ТЕ и б) выбор оптимальное количество интервалов S в соответствии с максимумом в логарифмической апостериорной функции (см. рис. 3а и 3б).Логарифм апостериорных аномалий SAA (рис. 3а) резко возрастает в зависимости от количества рассматриваемых бинов, достигая пика (соответствующего оптимальному количеству бинов S = 5), а затем снижается. Что касается серии аномалий GSL (рис. 3б), то логарифм апостериор также постепенно уменьшается, но максимум не столь четок. Такое поведение указывает на достаточное количество данных для проведения этого анализа с помощью TE, но могут быть важны эффекты конечной выборки. Из-за отсутствия явного пика в ряду аномалий GSL установлено соответствие между логарифмической апостериорной кривой и основными характеристиками гистограммы временного ряда.Принимая во внимание рис. 3d, мы считаем, что с S = 4 мы получили основную информацию об этой серии (см. также рис. C в файле S1). Наконец, чтобы избежать смещения в будущем при вычислении TE, мы выбираем одинаковое количество интервалов S для обоих временных рядов, т. е. равное 4 (см. Таблицу 1 и рис. C в файле S1) из-за большего размера интервала. размеры (меньшие S ) обычно предпочтительнее в литературе, потому что различия более резкие [46].

Рис. 3. Оценка длины временного ряда и оптимального количества бинов.

Логарифмические апостериорные кривые в зависимости от количества интервалов S : a) для аномалий SAA, рассчитанных по Jackson et al. [35] и б) для аномалий ГСР. Подграфики c) и d) представляют оранжевым и голубым цветом соответственно выбранную дискретизацию ( S = 4) с учетом результатов, приведенных в a) и b), а также основные характеристики плотности вероятности обоих системы (см. красные и синие столбцы на графиках c) и d). Столбики погрешностей указывают стандартное отклонение высот бинов.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0207270.g003

Как указано в методике, выбор размера вложения k для обоих рядов осуществлялся с использованием взаимной информации, заданной уравнением [5] . Результаты представлены на рисунках Da и Db и содержатся в таблице Ab в файле S1. Для серии аномалий GSL оптимальная размерность была получена для k GSL = 13, в то время как другие значения были получены для серии 3 аномалий SAA (24 для серии аномалий SAA Jackson et al.[35]; и 26 для двух других серий). Тем не менее, поскольку различные размеры встраивания могут генерировать смещение TE [54], мы зафиксировали размерность 90 455 k 90 456 90 497 90 455 SAA 90 456 90 498 в 26 для всех трех серий аномалий SAA, потому что небольшое избыточное вложение не ставит под угрозу обнаружение значимого TE. [55]. Чтобы подтвердить разное значение размерности k для рядов GSL и SAA, мы также рассчитали автокорреляционную функцию, поскольку простейшей оценкой оптимального k является первый нуль автокорреляционной функции [56, 57].Проблема в том, что эти оценки обычно дают слишком большие значения k для стохастических динамических систем [58]. Фактически, первый минимум для аномалий SAA дан в k SAA = 29, а для аномалий GSL в k GSL = 17 (рис. Dc и Dd в файле S1). Согласно взаимной информации (k SAA = 26 и k GSL = 13), автокорреляционные функции также указывают на меньшую память для серии GSL, чем для трех серий SAA.

Чтобы оценить, как выбор этих параметров ( S , k ) влияет на результаты, мы провели несколько тестов с использованием разных их наборов. Результаты подробно описаны в файле S1 вместе с таблицами A и B. Кроме того, мы провели различные тесты для изучения влияния а) использования другого подхода к удалению тренда для определения аномалий (рис. E и таблица C в S1). файл) и б) использование негладкого временного ряда GSL (рис. F и таблица D в файле S1).Подробную информацию об этих тестах также можно найти в файле S1. Мы обнаружили, что эти изменения могут незначительно повлиять на статистическую значимость наших результатов, но не на смысл потока информации между двумя временными рядами.

Для выбранных параметров результаты ТЕ (уравнение [3]) приведены в таблице 2 и на рисунках 4 и 5. Как видно, существует значительный поток информации от SAA к аномалиям GSL при рассмотрении нулевой гипотезы 5%. когда самые последние модели геомагнитного поля, данные Gubbins et al.[27] и Finlay [36]. В любом случае, значимые уровни, рассчитанные в соответствии с подходом IAATF, проясняют, с процентами около 90% во всех случаях для TE от аномалий SAA до GSL. Этот результат указывает на то, что аномалии SAA добавляют большую предсказуемость аномалиям GSL, предлагая взаимодействия между двумя временными рядами аномалий во временном масштабе ниже или равном двум последовательным данным, то есть одному году. Однако необходимо провести дополнительные исследования временной задержки, которая требует влияния для распространения между обеими сериями (например,грамм. [32, 30, 59]).

Рис. 4. Результаты анализа энтропии переноса.

Передача энтропии путем измерения потока информации от SAA к аномалиям GSL и от GSL к аномалиям SAA с использованием трех исторических моделей геомагнитного поля для расчета протяженности поверхности SAA. В скобках значимый уровень указывает процент TE, рассчитанных из суррогатных рядов, которые меньше исходного TE.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0207270.g004

Рис. 5. Статистическая значимость результатов переноса энтропии.

Энтропия переноса, рассчитанная по суррогатным сериям a), c) и e) аномалий SAA из Jackson et al. [35] (SAA J ), Gubbins et al. [27] (SAA G ) и Finlay [36] (SAA F ) соответственно и b), d) и f) аномалии GSL. Результаты показывают, что статистическая значимость выше, когда смысл информации переходит от SAA к аномалиям GSL, также регистрируя более высокие значения TE.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0207270.g005

Принимая во внимание эти результаты, можно было бы ожидать, что будущая аномалия SAA с учетом выбранной нами тенденции генерирует аномалию GSL с временным лагом в один год или меньше. Для объяснения этой возможной связи предлагается несколько физических механизмов [22]. Первая из них заключается в том, что увеличение площади ПАВ облегчает вход заряженных частиц из космоса. Если протяженность области SAA увеличивается больше, чем ожидалось (положительная аномалия), то предпочтение отдается этому входу.В результате мы имеем более теплую атмосферу, что, в свою очередь, предполагает последующее таяние основных ледяных шапок (Антарктиды и Гренландии), что в конечном итоге вызовет большее повышение глобального уровня моря (положительная аномалия). В недавних работах (например, [31, 60, 61, 62, 63]) обнаружены интересные корреляции между периодическими вариациями солнечных и галактических космических лучей и климатическими (такими как температура и осадки) вариациями в регионе, где расположена ЮАР. Поступление галактических космических лучей в атмосферу зависит как от магнитных полей Солнца, так и от магнитных полей Земли, следовательно, на эти корреляции мог влиять и фактор, зависящий от низкой геомагнитной напряженности из-за присутствия ЮАА в регионе и ее непрерывного увеличения в течение последних столетий.

Другой предложенный механизм заключается в том, что возможное уменьшение озонового слоя в верхних слоях стратосферы над регионом Южной Атлантики может изменить радиационный поток в верхних слоях атмосферы и, следовательно, вызвать изменения в погоде и климате, включая облачность. Соланки и др. [64] предлагают аналогичный механизм для объяснения связи между солнечной активностью и климатом, основанный на том факте, что вариации солнечной активности в течение 11-летнего цикла более интенсивны на более коротких длинах волн, к которым относится УФ-излучение.Колебания УФ-излучения изменяют концентрацию озона и приводят к изменениям в динамике атмосферной циркуляции.

Как мы видим, эти два механизма связывают солнечную активность, производство галактических космических лучей и геомагнитное поле с климатом Земли, предполагая, что все они могут работать вместе и необходимы для полного объяснения полученных результатов.

Наконец, был представлен внутренний механизм, с помощью которого конвективный динамизм во внешнем ядре мог вызвать изменение магнитного поля и упругую деформацию на поверхности Земли [65].

В проанализированном примере мы показали, что смысл информации переходит от временных рядов SAA к GSL (рис. 5). Это отбросит любой физический механизм, в котором климат контролирует геомагнитное поле, и поддержит механизмы, вызванные присутствием ЮАА.

Выводы

Мы впервые применили недавний статистический инструмент, переносную энтропию, чтобы пролить свет на вопрос о возможной связи между магнитным полем Земли и климатом и обеспечить новые перспективы в его будущем анализе.В данной работе мы проанализировали два реальных временных ряда с аналогичной эволюцией за последние 300 лет, протяженность области Южно-Атлантической аномалии на поверхности Земли и повышение глобального уровня моря. Мы проанализировали аномалии обоих временных рядов, предварительно убрав долгосрочный тренд. Результаты, по-видимому, подтверждают существование потока информации между аномалиями SAA и GSL, при этом больший объем информации передается от SAA к GSL, а уровень достоверности составляет около 90%. Обнаруженная связь не означает, что геомагнитное поле полностью ответственно за климатические изменения, скорее, оно является важным движущим компонентом вариаций климата.Этот результат особенно актуален, поскольку может помочь найти физический механизм, способный объяснить эту связь, отбросив те, в которых климат контролирует геомагнитное поле, и поддерживая механизмы, связанные с геомагнитным полем.

Хотя эта работа, по-видимому, предоставляет благоприятный аргумент в пользу этой связи, необходимы будущие исследования, чтобы полностью использовать эту проблему, например, для проверки других временных рядов в более длительных временных масштабах.

Вспомогательная информация

Файл S1.Подробное описание дополнительного материала.

Дополнительные рисунки и таблицы. Результаты различных тестов, которые подтверждают основные результаты, описанные в основном тексте, и некоторые тематические исследования, которые помогают лучше понять результаты TE.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0207270.s001

(DOCX)

Благодарности

S.A.C., F.J.P.C. и М.Л.О. благодарны испанскому исследовательскому проекту CGL2017-87015-P Министерства экономики и конкуренции Испании и гранту FPI BES-2012-052991, который позволил S.AC два трехмесячных пребывания в INGV в Риме в 2014 и 2015 годах (EEBB-I-14-09023 и EEBB-I-15-10151). ОБЪЯВЛЕНИЯ. и С.А.К. также поблагодарить проекты TEMPO и LIMADOU, финансируемые ЕКА, за частичную финансовую поддержку этого исследования, а также INGV за предоставление вычислительных и сервисных средств. С.А.К. благодарит J. Jarillo за помощь и советы в разработке этой работы. Авторы очень благодарны двум анонимным рецензентам за их тщательные и подробные рецензии, которые помогли существенно улучшить качество рукописи.Все алгоритмы разработаны в кодеке Matlab (Matlab 7.11.0, R2010b) и R-project (R 2.12.2) вместе с рисунками. Используемые данные перечислены в списках литературы, таблицах и основной рукописи.

Каталожные номера

  1. 1. Уоллин Г., Эриксон Д.Б., Райан В.Б.Ф. Магнетизм Земли и климатические изменения. Планета Земля. науч. лат. 1971 год; 12: 175–183.
  2. 2. Вагнер Г., Ливингстон Д.М., Масарик Дж., Мюшелер Р., Бир Дж. Некоторые результаты, относящиеся к обсуждению возможной связи между космическими лучами и климатом Земли.Дж. Геофиз. Рез. 2001 г.; 106: 3381–3387.
  3. 3. Christl M, Mangini A, Holzkämper S, Spötl C. Доказательства связи между потоком галактических космических лучей и климатом Земли за последние 200 000 лет. Дж. Атмос. Соль.-Терр. физ. 2004 г.; 66 (3–4): 313–322.
  4. 4. Gallet Y, Genevet A, Fluteau F. Контролируют ли вековые вариации магнитного поля Земли вековые климатические изменения? Планета Земля. науч. лат. 2005 г.; 236: 339–347.
  5. 5. Куртильо В., Галле Ю., Ле Муэль Ж.-Л., Флюто Ф., Женевей А.Есть ли связь между магнитным полем Земли и климатом? Планета Земля. науч. лат. 2007 г.; 253: 328–339.
  6. 6. Тувени Н., Бурлес Д.Л., Саракко Г., Каркайе Дж.Т., Бассино Ф. Палеоклиматический контекст геомагнитных дипольных минимумов и экскурсий в Брюнесе, ключ к орбитальному влиянию на геодинамо? Планета Земля. науч. лат. 2008 г.; 275 (3–4): 269–284.
  7. 7. Кнудсен М.Ф., Рисагер П. Есть ли связь между магнитным полем Земли и низкоширотными осадками? Геология.2009 г.; 37: 71–74.
  8. 8. Китаба И., Хёдо М., Катох С., Деттман Д.Л., Сато Х. Охлаждение средних широт, вызванное минимумом геомагнитного поля во время смены полярности. ПНАС. 2013; 110 (4): 1215–1220. пмид:23297205
  9. 9. Росси С., Мерц-Краус Р., Осете М.Л. Изменчивость палеоклимата во время геомагнитной экскурсии Блейка (MIS 5d), полученная на основе записи образований. Четвертичные научные обзоры. 2014; 102: 166–180.
  10. 10. Буча В. Вариации геомагнитного поля, климата и погоды.Стад. Геофиз. Геод. 1976 год; 20:149–167.
  11. 11. Буча В. Корреляции изменений магнитного поля Земли — климата и погоды, электромагнитного поля Земли (А79-2601309-46). Веда-Выдательство Словенская Академия Виед, Братислава. 1978 год; 59–67.
  12. 12. Snowball I, Muscheler R. Данные палеомагнитной интенсивности: ахиллесова пята реконструкции солнечной активности. голоцен. 2007 г.; 17, 6: 851–859.
  13. 13. Duplissy J, Enghoff MB, Aplin KL, Arnold F, Aufmhoff H, Avngaard M et al.Результаты пилотного эксперимента CERN CLOUD. Атмос. хим. физ. 2010 г.; 10: 1635–1647.
  14. 14. Киркби Дж., Курциус Дж., Алмейда Дж., Данн Э., Дуплисси Дж., Эрхарт С. и др. Роль серной кислоты, аммиака и галактических космических лучей в нуклеации атмосферных аэрозолей. Природа. 2011 г.; 476: 429–433. пмид:21866156
  15. 15. Свенсмарк Х., Фриис-Кристенсен Э. Вариации потока космических лучей и глобального облачного покрова — недостающее звено в солнечно-климатических отношениях. Дж. Атм. Солнечная земля.Физика. 1997 год; 59 (11): 1225–1232.
  16. 16. Свенсмарк Х. Влияние космических лучей на климат Земли. физ. Преподобный Летт. 1998 год; 81 (22): 5027–5030.
  17. 17. Усоскин И.Г., Ковальцов Г.А. Космические лучи и климат Земли: возможная связь. CR Geosci. 2008 г.; 340 (7): 441–450.
  18. 18. Хейс Дж.Д., Имбри Дж., Шекелтон Н.Дж. Вариации орбиты Земли: задатчик ледниковых периодов. Наука. 1976 год; 194 (4270): 1121–1132. пмид:177
  19. 19.Дергачев В., Васильев С., Распопов О., Юнгнер Х. Влияние геомагнитного поля и солнечной радиации на изменение климата. Геомагнетизм и аэрономия. 2012 г.; 52(8): 959–976.
  20. 20. Павон-Карраско Ф.Дж., Осете М.Л., Торта Х.М., Гая-Пике Л.Р. Региональная археомагнитная модель палеоинтенсивности в Европе за последние 2000 лет и ее последствия для климатических изменений. Чистое приложение Геофиз. 2008 г.; 165: 1209–1225.
  21. 21. Пазур А., Винклхофер М. Магнитное влияние на растворимость СО2 в морской воде: возможная связь между вариациями геомагнитного поля и климатом.Геофиз. Рез. лат. 2008 г.; 35 (16).
  22. 22. Де Сантис А., Камили Э., Спада Г., Гасперини П. Геомагнитная аномалия Южной Атлантики и глобальное повышение уровня моря: прямая связь? Дж. Атмос. Соль.-Терр. физ. 2012 г.; 74: 129–135.
  23. 23. Де Сантис А., Камили Э., Ву Л. К возможному следующему геомагнитному переходу? Нац. Опасности Земля Сист. науч. 2013; 13: 3395–3403.
  24. 24. Губбинс Д. Механизм инверсии геомагнитной полярности. Природа. 1987 год; 326: 167–169.
  25. 25. Юло Г., Эймин С., Ланглайс Б., Мандеа М., Олсен Н. Мелкомасштабная структура геодинамо, полученная по спутниковым данным Ørsted и Magsat. Природа; 2002 г.; 416: 620–623. пмид:11948347
  26. 26. Олсон П., Амит Х. Изменения диполя Земли. Натурвиссеншафтен. 2006 г.; 93: 519–542. пмид:16
  27. 9
  28. 27. Габбинс Д., Джонс А.Л., Финлей К.С. Падение магнитного поля Земли неустойчиво. Наука. 2006 г.; 312 (5775): 900–902. пмид:166
  29. 28.Финли С.С., Джексон А., Жиллет Н., Олсен Н. Эволюция магнитного поля на поверхности ядра в 2000–2010 гг. Геофиз. Дж. Междунар. 2012 г.; 189 (2): 761–781.
  30. 29. Шрайбер Т. Измерение передачи информации. физ. Преподобный Летт. 2000 г.; 85, 2: 461–464. пмид:109
  31. 30. Дас Шарма С., Рамеш Д., Бапанайя С., Раджу П. Температура поверхности моря в более прохладных климатических условиях больше похожа на воздействие атмосферного углекислого газа. Журнал геофизических исследований: Атмосфера (1984–2012 гг.).2012 г.; 117(Д13).
  32. 31. Бхаскар А., Рамеш Д., Вичаре Г., Коганти Т., Гурубаран С. Количественная оценка факторов недавней изменчивости глобальной температуры: теоретико-информационный подход. Динамика климата. 2017; 49 11–12: 3877–3886.
  33. 32. Де Мишелис П., Консолини Г., Матерасси М., Тоцци Р. Подход теории информации к взаимосвязи шторма и суббури. Журнал геофизических исследований: космическая физика. 2011 г.; 116(А8).
  34. 33. Констебль С, Корте М.Меняется ли магнитное поле Земли? Планета Земля. науч. лат. 2006 г.; 246: 1–16.
  35. 34. Tarduno JA, Watkeys MK, Huffman TN, Cottrell RD, Blackman EG, Wendt A et al. Древность Южно-Атлантической аномалии и свидетельство нисходящего управления геодинамо. Нац коммун. 2015 г.; 6: 7865. pmid:26218786
  36. 35. Джексон А., Джонкерс АРТ, Уокер М.Р. Четыре столетия геомагнитных вековых вариаций из исторических записей. Филос. Транс. Р. Соц. Лонд. А. 2000; 358 (1768): 957–990.
  37. 36. Финли СС. Историческая вариация геомагнитного осевого диполя. физ. Планета Земля. Интерьеры. 2008 г.; 170: 1–14.
  38. 37. Евреева С., Мур Дж., Гринстед А., Вудворт П.Л. Недавнее глобальное повышение уровня моря началось более 200 лет назад? Геофиз. Рез. лат. 2008 г.; 35: L08715.
  39. 38. Корте М., Женеви А., Констебль К.Г., Франк У., Шнепп Э. Модели непрерывного геомагнитного поля за последние 7 тысячелетий: 1. Новый сборник глобальных данных.Геохим. Геофиз. Геосист. 2005 г.; 6: Q02h25.
  40. 39. Марчински Р., Канц Х. Анализ потока информации между финансовыми временными рядами: улучшенная оценка энтропии переноса. Евро. физ. Дж. Б. 2002; 30: 275–281.
  41. 40. Шеннон СЕ. Математическая теория коммуникации. Белл Систем Тех. Дж. 1948; 27: 379–423.
  42. 41. Шеннон К.Э., Уивер В. Математическая теория информации. Университет Иллинойса, Урбана, Иллинойс. 1949 год.
  43. 42. Кульбак С., Лейблер Р.А. Об информативности и достаточности. Анна. Мат. Статист. 1951 год; 22: 79–86.
  44. 43. Кульбак С. Теория информации и статистика. Уайли, Нью-Йорк. 1959.
  45. 44. Смирнов Д.А. Ложные причинности с переносом энтропии. физ. ред. Е. 2013 г.; 87(4): 042917.
  46. 45. Джеймс Р.Г., Барнетт Н., Кратчфилд Дж.П. Информационные потоки? Критика переноса энтропии. физ. Преподобный Летт. 2016; 116(23): 238701.пмид:27341264
  47. 46. Сандовал Л. Младший. Структура глобальной сети финансовых компаний на основе трансфертной энтропии. Энтропия. 2014; 16(8): 4443–4482.
  48. 47. Кнут К.Х. Оптимальное бинирование на основе данных для гистограмм. arXiv: физика/0605197v2 [physics.data-an]. 2013.
  49. 48. Кнут К.Х., Готера А., Карри К.Т., Хюйсер К.А., Уилер К.Р., Россов В.Б. Выявление взаимосвязей между соответствующими климатическими переменными с помощью теории информации. На конференции по технологиям системы Земля-Солнце, НАСА, Адельфи, Мэриленд.2005.
  50. 49. Димпфл Т., Питер Ф.Дж. Использование трансферной энтропии для измерения информационных потоков между финансовыми рынками. Стад. Нелинейная динам. Э. 2013; 17(1): 85–102.
  51. 50. Сенсой А., Собачи С., Сенсой С., Алали Ф. Эффективный переносно-энтропийный подход к потоку информации между обменными курсами и фондовыми рынками. Хаос солитон. ГРП 2014; 68: 180–185.
  52. 51. Тайлер Дж., Юбэнк С., Лонгтин А., Галдрикян Б., Фармер Дж. Д. Тестирование на нелинейность временных рядов: метод суррогатных данных.Физика Д. 1992; 58: 77–94.
  53. 52. Кугиумцис Д. Проверка суррогатных данных на нелинейность, включая немонотонные преобразования. физ. Ред. Е. 2000; 62 (1).
  54. 53. Шрайбер Т., Шмитц А. Суррогатные временные ряды. Физика Д. 2000; 142: 346–382.
  55. 54. Красков А., Стогбауэр Х., Грассбергер П. Оценка взаимной информации. Phys Rev E Stat Nonlin Soft Matter Phys. 2004 г.; 69(6 часть 2): 066138. pmid:15244698
  56. 55. Линднер М., Висенте Р., Приземанн В., Вибрал М.TRENTOOL: набор инструментов Matlab с открытым исходным кодом для анализа потока информации в данных временных рядов с энтропией переноса. БМС Нейроски. 2011 г.; 12 (119): http://www.biomedcentral.com/1471-2202/12/119.
  57. 56. Абарбанель HI. Анализ наблюдаемых хаотических данных. Спрингер, Нью-Йорк. 1996.
  58. 57. Канц К., Шрайбер Т.: Нелинейный анализ временных рядов. Издательство Кембриджского университета, Кембридж. 1997.
  59. 58. Рагвитц М., Канц Х. Марковские модели на основе данных с помощью простых нелинейных предикторов временных рядов в пространствах вложения с задержкой.физ. Ред. Е. 2002 г.; 65: 056201. pmid:12059674
  60. 59. Вибрал М. и др. Измерение задержек передачи информации. PloS Один. 2013; 8(2): e55809. пмид:23468850
  61. 60. Souza Echer MP., Echer E., Nordemann DJR., Rigozo NR., Prestes A. Вейвлет-анализ столетнего (1895–1994) ряда осадков в южной Бразилии (Пелотас, 31°46’19” ю.ш., 52°20’33” Вт). Клим. Изменять. 2008 г.; 87: 489–497.
  62. 61. Rampelotto PH., Rigozo NR., da Rosa MB., Prestes A., Frigo E., Souza Echer MP., Nordemann DJR. Изменчивость количества осадков и температуры (1912–2008 гг.) из Санта-Марии (29°41’ ю.ш., 53°48’ з.д.) и ее связь с природными влияниями. Дж. Атмос. Солнечная Земля. физ. 2012 г.; 77: 152–160.
  63. 62. Frigo E., Pacca IG., Pereira-Filho AJ., Rampelloto PH., Rigozo NR. Доказательства модуляции космических лучей в записях температуры в районе Южно-Атлантической магнитной аномалии. Анна. Геофиз. 2013; 31: 1833–1841. https://doi.org/10.5194/angeo31-1833-2013.
  64. 63. Frigo E., Antonelli F., Silva DSS., Rampelloto PH., Lima PCM., Pacca IIG., Bageston JV. Влияние солнечной активности и циклов галактических космических лучей на модуляцию среднегодовой температуры в двух местах на юге Бразилии. Анна. Геофиз. 2018; 36: 555–564. https://doi.org/10.5194/angeo36-555-2018.
  65. 64. Соланки С.К., Кривова Н.А., Хей Д.Д. Изменчивость солнечной радиации и климат. Анну. Преподобный Астрон. Астр. 2013; 51: 311–351. https://doi.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.