Известно, что Земля заряжена отрицательно, ее полный заряд равен 6·105 Кл [42. С. 82]. В отсутствие грозовых облаков, ее полярность всегда отрицательна. В тоже время верхний слой атмосферы (ионосфера) заряжен относительно Земли положительно. Электрическое поле в любой его точке характеризуется значением напряженности (Е), созданной всеми электрическими зарядами, которые имеются в Земле и в атмосфере. Между различными точками атмосферы, находящимися на разных высотах, имеется разность потенциалов. Опыты показывают, что атмосфера заряжена положительно. Электрическое поле вблизи земной поверхности зависит от влажности, осадков, облачности. Напряженность поля вблизи поверхности Земли (в различное время года и для различных регионов) величина практически постоянная Еz = 130 В/м [42. С. 83]. Полная разность потенциалов между поверхностью Земли и верхними слоями атмосферы составляет ~ 400000 В. На высоте 1 км напряженность земного поля падает до 40 В/м. На высоте 10 км поле Еz не превышает нескольких вольт на метр. На высоте 50 км и больше напряженность едва заметна. Большая часть падения потенциала приходится на малые высоты. Быстрое убывание Е с высотой объясняют тем, что объемные заряды, сосредоточенные преимущественно в нижних слоях атмосферы, уменьшают напряженность поля от электрического заряда Земли. Электрическое поле Земли меняется в течение суток. Ночью поле больше его дневного значения. Напряженность атмосферного электрического поля (АЭП) уменьшается летом и возрастает зимой.
6.2. Магнитное поле Земли
Концепция магнитного поля заключается в том, что вокруг любого движущегося заряда возникает магнитное поле. Земной шар является природным постоянным магнитом, вокруг которого существует магнитное поле. Различают Северный и Южный магнитные полюсы Земли. Геомагнитные полюса – точки пересечения магнитной оси Земли с ее поверхностью, в которых магнитная стрелка располагается вертикально. Положение магнитных полюсов Земли со временем меняется. Ось диполя не проходит через геометрический центр вращения Земли. Магнитное поле Земли описывается полем бесконечно малого магнита, смещенного в Восточное полушарие от центра Земли на 342 км, с наклоном оси диполя на угол α ≈ 10° по отношению к оси вращения Земли [43]. Магнитный экватор – геометрическое место точек на земной поверхности, в которых магнитная стрелка располагается горизонтально относительно поверхности. Магнитный экватор не совпадает с географическим экватором.
Было предложено несколько гипотез, объясняющих природу и возникновение магнитного поля Земли, казавшихся правдоподобными. Большинство из них противоречили наблюдаемым фактам, или расчеты показывали не точность принятых предположений. Одна из них связывает происхождение поля с протеканием токов во внешнем (жидком) ядре планеты. Геомагнитное поле, измеренное в любой точке земной поверхности, само по себе является комбинацией нескольких магнитных полей, порождаемых разными источниками. Более 95% магнитного поля, измеряемого на поверхности Земли, генерируется во внешнем жидком ядре планеты. Эту часть геомагнитного поля часто называют главным полем. Главное поле меняется во времени очень медленно [44]. Говоря о его динамике, чаще всего называют общий западный дрейф аномалий и изменение полного магнитного момента планеты. Учеными рабочей признается гипотеза магнитного гидродинамо. Другая гипотеза находит причину образования поля во взаимодействии тока лавы с током солнечного ветра, образующегося в озоновом слое планеты.
Сегодня нет единой точки зрения, объясняющей происхождение магнитного поля Земли. Проблема происхождения магнитного поля Земли до настоящего времени окончательно не решена. Согласно современным теоретическим взглядам [43, 44, 45], силовые линии магнитного поля "входят" вблизи Северного географического полюса и "выходят" вблизи Южного полюса планеты. Напряженность магнитного поля на поверхности Земли зависит от места наблюдения и от времени. При отсутствии возмущений (от Солнца) на северном магнитном полюсе она редко превышает 0,6 эрстеда, на южном 0,7, а на магнитном экваторе 0,4 эрстеда. В некоторых районах Земли напряженность магнитного поля резко возрастает, она достигает двух Эрстед. Районы магнитных аномалий связаны, как правило, с залежами рудных ископаемых [43].
Магнитные и географические полюсы Земли не совпадают, магнитная стрелка указывает направление север–юг только приблизительно. Плоскость, в которой устанавливается магнитная стрелка, называют плоскостью магнитного меридиана данного места, а прямую, по которой эта плоскость пересекается с горизонтальной плоскостью, называют магнитным меридианом. Магнитное поле Земли в каждой точке характеризуется вектором напряженности Т, совпадающим с касательной к магнитной силовой линии в сторону северного магнитного полюса. Величина вектора напряженности магнитного поля Земли составляет 0,4–0,6 эрстеда. Для его измерения применяется особая единица, которая называется гаммой: одна гамма = 1 эрстеда /100 000; 1 эрстед есть сила притяжения или отталкивания, равная 1 дине.