Физические явления и электромагнитные эффекты их сопровождающие

Уважаемые участники Хабр. Предлагаю вашему вниманию статью, которую ранее отклонили российский и американские физические журналы, а неделю назад европейский физический журнал. Отклонили, без каких либо замечаний по содержанию. Может быть, вы, ознакомившись с этой статьей, сможете объяснить такую позицию редакций этих журналов.

Введение. Для описания свойств электрического заряда автором данной статьи была разработана модель электрического заряда, которая была названа теория материального электрического заряда (теория МЭЗ). Теория была опубликована в монографии [1] и основана на двух фундаментальных предположениях.

1.Электрический заряд - это самостоятельный вид материи. Поэтому он обладает как энергией движения, обусловленной наличием у него инертной массы, так и энергией положения, определяемой его полевой (кулоновской) массой.

2.Закон сохранения энергии материального электрического заряда формулируется так: сумма потенциальной и кинетической энергий электрического заряда в поле его существования является величиной постоянной.

Одним из ключевых следствий теории МЭЗ является вывод о том, что изменение потенциальной энергии материального тела, как системы электрических зарядов, приводит к изменению его зарядового состояния. В настоящей работе данное утверждение используется в качестве базового феноменологического постулата, суть которого можно показать так. Пусть есть материальное тело, которое имеет начальные параметры: W = W0, Q = 0. Если потенциальная энергия тела W изменилась, то это приведет к изменению его заряда Q в соответствии со следующим соотношением:

dQ = αdW/c², (1)

где dW — изменение потенциальной энергии тела;

dQ — изменение его положительного электрического заряда;

c — скорость света в вакууме;

α — размерный коэффициент связи. В системе единиц СGSМ α = 2сm¹/²g⁻¹/².

В исходной монографии [1] анализ теории МЭЗ проводился в абсолютной электромагнитной системе единиц СГСМ. Поэтому в последующем анализе будем придерживаться системы СГСМ, а конечные числовые результаты дублировать в системе СИ.

Природа энергии ядерного взрыва. Пусть есть бомба, которая содержит 1 килограмм урана-235. Уран имеет форму сферы, которая, в соответствие с плотностью этого металла имеет размер r₀ = 2,3 см. Полная энергия деления этого количества урана оценивается в пределах (8,2…8,3)∙10²⁰ эрг. Подставляя в формулу (1) среднее значение W = 8,25x10²⁰ эрг, получим, что образующиеся продукты деления приобретут избыточный положительный электрический заряд Q = 1,84 ед. СГСМ (18,4 Кулон). Будем считать детонацию уранового заряда мгновенной. Тогда в момент времени, когда продукты деления занимают объем урановой сферы r₀, они будут обладать энергией электростатического взаимодействия своих частей, равной:

We = kQ²/r₀ε₀, (2)

Где: k =3/5 соответствует равномерному объемному распределению заряда;

ε0 = 1/c² - электродинамическая постоянная СГСМ;

c – скорость света в вакууме.

Подставляя в (2) Q = 1,84 ед. СГСМ и r₀ = 2,3 см, получаем We =7,95∙10²⁰ эрг. Учитывая, что около 4% энергии ядерного взрыва уносится незаряженными компонентами (нейтронами и гамма-квантами), полная энергия взрыва получается равной We = 7,95x10²⁰ х1,04 = 8,268x10²⁰ эрг. Таким образом, согласно постулату (1), подавляющая часть энергии ядерного взрыва имеет кулоновскую природу.

В современной физике ядерный взрыв рассматривается как тепловой взрыв, а его описание носит полуэмпирический характер и разделено на не связанные части. При этом такой значимый эффект, как электромагнитный импульс ядерного взрыва, последовательного теоретического описания не имеет вообще. Покажем, что все эти проблемы устраняются, если ядерный взрыв рассматривать в рамках постулата (1).

Атмосферный ядерный взрыв.

Первая вспышка ядерного взрыва. Для простоты расчетов будем анализировать условный ядерный взрыв с энергией W₀ = 8,0•10²⁰ эрг. Согласно (1), на месте взрыва возникает электрически заряженное тело, которое создаст в окружающем пространстве электрическое поле напряженностью:

E_CGSM = Q/(ε₀r²) = αW₀/(c²•ε₀•r²), (3)

где r — расстояние до центра взрыва.

В зависимости от энергии взрыва в ближайшей его окрестности это поле может иметь напряженность, превышающую напряженность электрических полей внутри атомов, из которых состоит воздух. Для основного компонента воздуха - азота, радиус этой области равен:

r_iN = (αW₀/(E_Nε₀c²))^1/2, (4)

где E_N — напряженность электрического поля в атоме азота.

Величину E_N можно определить следующим образом. Атом азота имеет радиус r_N = 9•10⁻¹¹ м, а энергия связи его внешних электронов составляет w_N = 14,5 эВ. Отсюда напряженность электрического поля в атоме равна: E_N = w_N/r_N = 14,5/(9•10⁻¹¹) = 1,6•10¹¹ В/м (1,6•10¹⁷ ед. CGSM/см). Согласно (4), для ядерного взрыва с энергией W₀ = 8,0•10²⁰ эрг такая напряженность электрического поля будет в окрестности радиусом r_iN = 100 см. Внутри этой области все атомы воздуха будут ионизированы электрическим полем взрыва. Возникшие при этом свободные электроны под действием этого поля начнут двигаться к центру взрыва, где находится относительно холодное на данный момент вещество взорвавшейся бомбы. Интеграл энергии этих электронов равен:

W_FL = (1/r_d - 1/r_iN) • (ᲕW₀²)/(ε₀•c⁴), (5)

где: W₀ — энергия взрыва;

r_iN — радиус зоны ионизации;

r_d — радиус продуктов детонации.

В реальности цепная реакция деления уранового заряда происходит за конечное время, в течении которого продукты деления успевают расшириться. Будем считать, что для бомбы мощностью W₀ = 8•10²⁰ эрг, на момент окончания реакции деления продукты детонации будут занимать объем сферы радиусом r_d = 6,0 см. Подставляя в (5) r_d = 6 см и r_iN = 100 см, получаем: W_FL = 4,47•10²⁰ эрг, что составляет 56% от общей энергии взрыва. Для бомбы массой 2•10⁶ г (2 тонны) этой энергии достаточно, чтобы электроны испарили и частично ионизировали ее вещество. Излучение этого вещества создает так называемую первую вспышку ядерного взрыва.

Эта вспышка характеризуется малой длительностью и относительно небольшой визуальной яркостью. Малая яркость объясняется тем, что из-за очень высокой температуры вещества, оно излучает преимущественно в жестком ультрафиолете и мягком рентгене. А это излучение интенсивно поглощаются окружающим воздухом. Длительность вспышки τ можно оценить как время, за которое тело радиусом r и температурой T излучает энергию

W: τ = W/(4π•r²•σ•T⁴), (6)

Сопоставление энергии W_FL с массой конструкции бомбы показывает, что температура ее вещества находится в диапазоне 10⁵ К < T < 10⁶ К. При температуре T < 10⁵ К теплоемкости вещества бомбы будет недостаточно, чтобы поглотить энергию W_FL. При температуре T > 10⁶ К начнется интенсивная ионизация, которая ограничит эту температуру. Поэтому будем считать, что к моменту, когда пары конструкции бомбы расширились до сферы радиусом r_k = 100 см, они имеет температуру T = 5•10⁵ К. Подставляя эти данные в (6), получаем τ ≈ 10⁻³ с (1 миллисекунда), что хорошо согласуется с экспериментальными данными испытаний ядерного оружия [2]. Из этих же испытаний следует, что у ядерных взрывов малой мощности первая вспышка выражена слабо или вовсе не возникает. В рамках предложенной модели это объясняется тем, что при малой энергии W₀ зона ионизации r_iN слишком мала, чтобы образовавшиеся свободные электроны вызвали эту вспышку.

Ударная волна ядерного взрыва. Электрическое поле ядерного взрыва, ионизировав окружающий воздух, смещает свободные электроны к центру взрыва, а облако положительно заряженных ионов — от центра. Расширяясь под действием кулоновских сил, это ионное облако сжимает окружающий воздух, формируя фронт ударной волны. Энергию этой волны можно оценить, используя соотношение, аналогичное (2):

W_SW = k(bαW₀)²/2r_iNε₀c⁴. (7)

Для взрыва с энергией W0 = 8,0•10²⁰ эрг имеем следующие параметры:

r_iN = 100 см — радиус зоны ионизации;

b = 0,44 — коэффициент, учитывающий потерю энергии на первую вспышку;

k = 3/5 — коэффициент равномерного объемного распределения заряда в ионном облаке; 2 — коэффициент, учитывающий, что энергия ударной волны составляет примерно половину полной энергии сжатого газа.

Подставляя эти значения, получаем энергию ударной волны: W_SW = 1,67•10¹⁸ эрг. Выразим энергию ударной волны через параметры её фронта:

W_SW = 4πr_SW²p_m c_SW τ,

где r_SW — радиус фронта ударной волны;

p_m — избыточное давление на фронте;

c_SW — скорость распространения ударной волны;

τ — характерное время длительности фронта;

Отсюда давление на фронте волны выражается как:

p_m = W_SW/(4πr_SW²c_SWτ), (8)

Примем, что на расстоянии r_SW = 10⁵ см (1 километр) ударная волна движется со скоростью c_SW = 5∙10⁴ см/с (500 м/с), а характерное время её фронта равно τ = 10⁻³ с. Тогда давление на фронте ударной волны составит: p_m = 0,26•10⁶ дин/см² (0,26 бар). Это значение хорошо согласуется с эмпирическими данными, полученными при натурных испытаниях ядерного оружия [2].

Огненный шар ядерного взрыва. По мере удаления от центра взрыва напряженность его электрического поля будет уменьшаться. На некотором удалении ее будет недостаточно для ионизации воздуха, но достаточно для его искрового пробоя. Объем пространства, где напряженность электрического поля ядерного взрыва будет превосходить электрическую прочность воздуха, имеет радиус, равный:

r_FB = (αbW₀/E_Bε₀с²)^1/2, (9)

где E_B = 3∙10¹² ед. CGSM/cm (3∙10⁶ вольт/метр) – электрическая прочность воздуха;

b – коэффициент, учитывающий потери энергии на первую вспышку.

В воздухе ограниченном радиусом r_FB, возникнут множество искровых и тлеющих разрядов, ток которых нагреет воздух до нескольких тысяч градусов. В результате, в окрестности ядерного взрыва мгновенно возникнет ярко светящегося сфера радиусом r_FB, которая получила название огненный шар ядерного взрыва. Из (9) следует, что, при прочих равных условиях, радиус огненного шара будет определяться энергией ядерного взрыва. То есть, размер огненного шара может служить объективной оценкой энергии ядерного взрыва. Например, согласно (9), для ядерного взрыва мощность W₀ = 8,0∙10²⁰ эрг радиус огненного шара равен r_FB = 153 метра, что хорошо согласуется с результатами ядерных испытаний [2]. Представляет интерес оценить таким способом энергию взрыва «царь-бомбы», которую в 1961 году СССР испытал на острове Новая Земля. Поскольку испытания проходили в октябре, будем считать, что температура окружающего воздуха была -30⁰С, при которой E_B = 3,6∙10¹² ед. CGSM/cm (3,6∙10⁶ вольт/метр). Подставив в (9) заявленную энергию взрыва 2,09∙10²⁴ эрг (50 мегатонн), получим радиус огненного шара r_FB = 6667 метра. Из протокола испытаний следует, что этот радиус не превышал 4500…5000 метров. То есть, согласно (9) оценка энергия взрыва «царь-бомбы» была завышена не менее чем в 1,8 раз.

Энергию токов, которые нагревают воздух огненного шара, можно оценить следующим интегралом:

W_FB = (1/r_d - 1/r_FB)bα²W₀²/ε₀c⁴. (10)

Для бомбы с энергией взрыва W₀ = 8,0∙10²⁰ эрг, r_d = 6,0 см, r_FB = 1,53∙10⁴ см, b = 0,44, получим: W_FB = 2,09∙10²⁰ эрг. К этой энергии следует добавить энергия первой вспышки, поскольку 95% ее энергии приходится на УФ и рентгеновское излучение. Это излучение интенсивно поглощается воздухом, а потому дополнительно подогревает воздух огненного шара. С учетом этой энергии общая энергия огненного шара составит W_BF = W_FB + 0,95W_FT = 6,34∙10²⁰ эрг. Эта энергия нагреет воздух огненного шара до температуры: T_FB = W_BF/m_FBc_v. (11) Здесь m_FB - масса воздуха, содержащаяся в сфере радиуса r_FB; c_v - теплоемкость воздуха. Для взрыва мощностью W₀ = 8,0∙10²⁰ эрг огненный шар имеет радиус R_FB = 153 метра. При начальной температуре воздуха 300K, температура огненного шара достигнет T_FB = 5332K. То есть, по своей яркости огненный шар приближается к яркости поверхности Солнца.

Время поражающего действия огненного шара, когда он излучит 80% своей энергии, можно оценить так:

τ_FB = 0,8W_BF/4πr_FB2σT_FB⁴. (12)

Подставив в это соотношение соответствующие данные, получим: τ_FB = 3,8 сек. Согласно практике ядерных испытаний [2], это время завышено в 1,5 раза. Такое несовпадением можно объяснить тем, что в расчете не учитывается расширение огненного шара, которое уменьшает время его свечения.

Электромагнитный импульс ядерного взрыва. Электромагнитная природа ядерного взрыва наиболее ярко проявляется в том, что он сопровождается мощным электромагнитным импульсом. Этот импульс состоит из двух компонент. Первая, это широкополосный пакет радиоволн, источником которых являются множественные искровые разряды огненного шара. Вторая компонента, это одиночная электромагнитная волна высокой интенсивности, которая получила название электромагнитный импульс ядерного взрыва – ЭМИ ядерного взрыва. Эта волна формируется на границе огненного шара, т.к. до этого она не имеет определенных параметров, поскольку разрушает среду (воздух), в которой распространяется. Поэтому, начальные параметры ЭМИ, радиус волны и напряженность ее электрического поля определяются ее параметрами на границе огненного шара. Например, при взрыве с энергией W₀ = 8,0∙10²⁰ эрг электромагнитная волна имеет начальный радиус r_FB = 153 метра и напряженность электрического поля, равной электрической прочности воздуха E = 3∙10⁶ вольт/метр. Соответственно, на дистанции r = 10 километров волна будет иметь напряженность поля E_W = E_Br_FB/r = 1,96∙10⁴ вольт/метр.

Высотный (космический) ядерный взрыв. Если ядерный взрыв произошел в среде с малой плотностью (высотный, или космический взрыв), то все процессы, обусловленные наличие атмосферы, отсутствуют а, значит, всю энергию взрыва, за исключением энергии нейтронов и гамма-квантов, будет нести электромагнитный импульс. Чтобы оценить напряженность электрического поля этого импульса, выразим энергию сферической электромагнитной волны так: W = 4πR²Sτ, где: R – радиус волны, S – вектор Умова-Пойтинга, τ - время фронта волны, в нашем случае время детонации ядерного заряда. В системе CGSE вектор Умова-Пойтинга можно выразить так: S = E²/c. Отсюда, энергия сферической электромагнитной волны будет равна: W_W = 4πR²E²τ/c. Соответственно, напряженность ее электрического поля будет зависеть от ее радиуса так:

E_W = (W_Wс/4πR²τ)^1/2 ед. CGSE (13)

Для ядреного взрыва W_W = W₀ = 8,2∙10²⁰ эрг, и τ ≈ 10^-6 сек, интенсивность электромагнитного импульса на расстоянии 10 км будет равна E_W = 1,95∙10⁶ вольт/метр, что в 100 больше, чем при взрыве в атмосфере.

Солнечная корона. Одно из известных физических явлений, которое до настоящего времени не имеет внятного обоснования, это солнечная корона. Проблема состоит в следующем: температура поверхности Солнца равна 6000K, а температура прилегающей атмосферы 2∙10⁶K. В рамках постулата (1) этот термодинамический парадокс объясняется так. Светимость Солнца обусловлена энергией протекающих в его недрах ядерных реакций синтеза. Согласно (1) эти реакции создают в недрах Солнца положительный электрический заряд, который, перемещаясь к поверхности Солнца, создает на ней положительный потенциал. Под действием этого потенциала из окружающего пространства к поверхности Солнца течет ток электронов, который нагревает прилегающую к поверхности Солнца атмосферу до нескольких миллионов градусов. Значение потенциала поверхности Солнца можно определить так. Солнечная корона имеет температуру T_CP = 2∙10⁶K, а термодинамический эквивалент электрон-вольта равен Te = 11605 K/эв. Отсюда, чтобы электроны могли нагреть корону до таких температур, они должны иметь энергию, равную: We = T_CP/Te = 172 электрон-вольта. Соответственно, поверхность Солнца должна иметь потенциал ϕ_S = 172 вольта. При этом потенциале электроны будут иметь энергию 172 электрон-вольта у самой поверхности Солнца. Но корона имеет размеры сопоставимые с размерами Солнца, а потому 172 вольта, это нижняя оценка потенциала его поверхности. Верхнюю оценку можно получить так. Протон будет находиться на поверхности Солнца до тех пор, пока гравитационное взаимодействие будет удерживать его там, вопреки кулоновскому взаимодействию, которое будет стремиться вытолкнуть протон в окружающее пространство. Равенству этих взаимодействий будет соответствовать потенциал:

Φ_S = ηGM_S/R_S. (14)

где: η – отношение масса/заряд протона;

M_S, R_S – масса и радиус Солнца, соответственно;

G - гравитационная постоянная.

Для Солнца этот потенциал равен φ_S = 1900 вольт, что будет его верхней оценкой. Потенциал электрического поля Солнца будет обратно пропорционален расстоянию от его центра. Поэтому, минимально необходимое значение 172 вольта, потенциал будет иметь на расстоянии от центра R_CR = R_S(1900/172) ≈ 11R_S. Полученная оценка размера солнечной короны замечательно согласуется с наблюдаемыми ее физическими границами и критической поверхностью Альфвена.

Зная потенциал, который формирует солнечную корону и ток электронов, которые ее нагревают, можно определить светимость короны. Ток электронов рассчитаем так. Светимость Солнца равна L_S = 3,83∙10³³ эрг/с. Эта светимость обеспечивается ядерными реакциями, которые, согласно (1), будут создавать ток положительных зарядов, равный:

I_S = αL_S/c² = 8,51∙10¹² ед. CGSM (8,51∙10¹³ ампер). (15)

Потенциал, который, двигаясь к поверхности Солнца, проходят электроны, равен: ϕ_s = 1900 вольт. Ток этих электронов равен 8,51∙10¹³ ампер. Отсюда мощность этого тока, т.е., светимость короны будет равна: L_CR = ϕ_s Ie = 8,51∙10¹³ ∙ 1900 = 1,6∙10¹⁷ ватт (1,6∙10²⁴ эрг/с). То есть, несмотря на огромную температуру, корона излучает ничтожно малую (0,4х10^-9) часть солнечной радиации, а потому ее видно только во время полного солнечного затмения. Из-за малой плотности солнечной атмосферы энергии электронов достаточно, чтобы нагреть корону до миллионов градусов, но недостаточно, чтобы как-то влиять на температуру поверхности Солнца. Отсюда возникает такое несоответствие температуры поверхности Солнца и прилегающей к ней атмосферы. К этому можно добавить, поскольку, электроны, при движении к поверхности Солнца, взаимодействуют с его магнитным полем, становится понятным, почему форма короны непосредственно связана с конфигурацией этого поля.

Жесткое ультрафиолетовое и рентгеновское излучение короны ионизуют атмосферу Солнца. Образовавшиеся при этом свободные электроны, под действием потенциала Солнца движутся к его поверхности, создавая корону, а протоны и ядра других элементов атмосферы, ускоряются в окружающее пространство. Эти частицы уносят в окружающее пространство положительный заряд, возникающий в недрах Солнца и, тем самым, поддерживают потенциал его поверхности постоянным. В пересчете на протоны поток этих частиц равен: N_CR = αL_S/q_Pc² = 5,32∙10³² сек-1, где q_P – заряд протона в единицах CGSM. По современным представлениям [3] Солнце эмитирует в окружающее пространство, в форме «солнечного ветра» 10⁹ килограмм вещества в секунду. В пересчете на атомы водорода это дает N_SW = 6∙10³⁵ частиц/секунду. Отношение числа нейтральных частиц «солнечного ветра» и протонов, которые эмитирует солнечная корона равно: N_SW/N_CR = 1,13∙10³. То есть, солнечный ветер не является электрически нейтральным. Поэтому, наряду с короной зарядовая аномалия солнечного ветра может служить доказательством правильности теории МЭЗ.

Космические лучи и взрывы сверхновых звезд. По современным представлениям источником галактических космических лучей являются взрывы сверхновых звезд. Но достаточно убедительного механизма их генерации, колоссальной энергии и зарядовой аномалии сейчас нет. Постулат (1) следующим образом позволяет ответить на эти и другие вопросы, связанные со взрывами сверхновых.

Кулоновский механизм ускорения космических лучей. При катастрофическом сжатии звезды в ее недрах происходит вспышка ядерных реакций синтеза, которая, согласно (1), приводит к взрывному росту ее положительного потенциала. Этот потенциал будет возрастать до тех пор, пока напряженность электрического поля на поверхности звезды не достигнет значения E_H = w_H/r_H = 25,7∙10¹⁰ вольт/метр, т.е., напряженности электрического поля внутри атома водорода. При достижении этого значения начнется полевая ионизация атомов водорода. Образовавшиеся протоны будут ускоряться в окружающее пространство, а их энергия будет определяться размером звезды, при котором напряженность ее электрического поля достигнет значения E_H. Например, если эта напряженность будет достигнута при радиусе звезды r_A = 10⁶ метра, тогда потенциал ее поверхности будет равен ϕ = E_Hr_A = 2,57∙10¹⁷вольт. Соответственно, звезда будет эмитировать протоны с энергией порядка 10¹⁷ электрон-вольт, т.е., галактические космические лучи. В процессе сжатия звезды ее электрическая емкость будет уменьшаться, что приведет к дополнительному росту ее потенциала. Если эмиссия протонов не будет успевать компенсировать этот рост, энергия эмитируемых космических лучей будут возрастать.

Сжимающаяся звезда будет эмитировать космические лучи до тех пор, пока волна сжатия, движущаяся к ее центру, не отразится от ее центра волной разряжения. Выйдя на поверхность, эта волна разрушит звезду, выбросив в окружающее пространство большую часть ее массы. В результате эмиссия космических лучей прекратится и возникнет гигантская вспышка излучения выброшенного вещества, которое было нагрето в недрах звезды до нескольких миллионов градусов. Кроме эмиссии космических лучей и вспышки оптического излучения взорвавшаяся звезда будет источником гигантского электромагнитного импульса (ГЭМИ), полного аналога ЭМИ ядерного взрыва. Этот импульс позволит регистрировать взрывы даже тех сверхновых, которые экранированы от земного наблюдателя облаками космической пыли. Реальность регистрации ГЭМИ можно показать так. Если сверхновая взорвалась в пределах нашей галактики (r = 10²⁰ метров), то на Землю придет электромагнитная волна с напряженность электрического поля E = E_Hr_A/r = 2,57∙10^-3 вольт/метр, что вполне доступно для регистрации средствами современной радиоастрономии. Период этой волны будет определяться промежутком времени между началом коллапса звезды и ее разрушением. По современным представлениям [3] этот промежуток равен от секунд, до нескольких десятков секунд. Соответственно, такое же время будет продолжаться эмиссия космических лучей и период ГЭМИ. Поэтому регистрация гигантских электромагнитных импульсов с таким периодом и наличие у космических лучей флуктуаций плотности с этим же периодом будет экспериментальным подтверждением показанного выше сценария генерации галактических космических лучей.

Оптическое излучение сверхновой. При взрыве сверхновой звезды возникает гигантская вспышка оптического излучения вещества, выброшенного в окружающее пространство. Однако это излучение будет очевидно кратковременным, а основная современная гипотеза поддержания его длительного свечения за счет энергии радиоактивного распада имеет серьезные физические ограничения. Чтобы преобразовать энергию одного жесткого гамма-кванта в энергию нескольких сот оптических фотонов, требуется цепь из множества последовательных актов взаимодействия с расширяющимся веществом оболочки звезды. Такой процесс деления энергии гамма-квантов крайне неустойчив, а по мере расширения оболочки его эффективность быстро падает до нуля. В рамках постулата (1) существует более прямой и физически прозрачный механизм обеспечения длительного оптического свечения сверхновых. Заключается он в следующем.

После взрыва звезды ее компактный остаток будет иметь избыточный положительный заряд, величина которого определяется следующим соотношением:

φ = ηGM/R. (16)

где: η – отношение масса/заряд протона;

M, R – масса и радиус остатка сверхновой, соответственно;

G - гравитационная постоянная.

По современным представлениям [3], компактный остаток сверхновой имеет радиус R ≈ 10...20 км и массу порядка солнечной. Подставив эти параметры в формулу (16), получим, что остаток имеет избыточный положительный потенциал порядка φ ≈ 10⁸ В. Вторая важная особенность остатка состоит в том, что в силу закона сохранения момента импульса он будет быстро вращаться. Такое вращение, совместно с наличием у остатка электрического заряда приведет к формированию у него мощного дипольного магнитного поля. В результате, в окрестности остатка звезды, возникнет конфигурация из вращающегося радиального электрического поля, и азимутально-аксиального магнитного поля. Эта конфигурация будет индуцировать в веществе расширяющейся оболочке звезды огромные токи, которые будут нагревать вещество до температур 10⁵...10⁶ K, что, совместно с огромной поверхностью оболочки, обеспечит колоссальный блеск сверхновой. Энергетический бюджет такого блеска сверхновой можно оценить так. По современным представлениям компактный остаток сверхновой имеет массу 1...2 солнечной и частоту вращения в несколько сот оборотов в секунду. Снижение этой частоты за счет электродинамического торможения всего на 15...20% выделяет энергию в объеме 10⁴²...10⁴³ Дж (10⁴⁹...10⁵⁰ эрг), что вполне обеспечивает общую энергию наблюдаемого оптического излучения сверхновой. Поэтому основной причиной угасания блеска сверхновой является не исчерпание ее энергетических ресурсов, а расширение оболочки до плотностей, при которых эффективность ее омического нагрева резко падает. Но при этом возникают условия для генерации двух новых видов излучения.

Эволюция остатка сверхновой. По мере расширения оболочки звезды, омический нагрев ее вещества сменяется на нагрев по типу нагрева солнечной короны. В этом случае, из-за малой плотности вещества атомы не могут обмениваться энергией друг с другом, а потому их энергия будет определяться энергией бомбардирующих их электронов. Полная энергия электронов в электрическом поле остатка сверхновой достигает значения 10⁸ электрон-вольт. Поэтому, даже на больших удалениях от остатка их энергии достаточно, чтобы сообщить атомам вещества оболочки сверхновой энергии, эквивалентные температурам 10⁶…10⁷K. Данный вывод полностью коррелирует с данными космических рентгеновских обсерваторий (Chandra, XMM-Newton). Согласно их наблюдений, вокруг молодых остатков сверхновых (Кассиопея A или Крабовидная туманность) существуют ореолы высокоионизованной плазмы с температурой 10⁶…10⁷К, светимость которой локализована преимущественно в мягком рентгеновском диапазоне и эмиссионных линиях.

Еще одна долговременная особенность взрыва сверхновых заключается в том, что практически все известные остатки сверхновых являются интенсивными источниками нетеплового синхротронного радиоизлучения (данные радиоинтерферометров VLA, ALMA и др.). Причем области максимальной радиосветимости привязаны именно к разреженным центральным зонам магнитосферы остатка. Генерацию этого излучения можно объяснить так. Малая плотность вещества оболочки сверхновой обеспечивает малые потери энергии, движущихся в нем электронов. Это позволяет электронам, которые двигаются к ее положительно заряженному остатку, в ближайшей его окрестности ускоряются до энергий порядка 10⁸ электрон-вольт. А, поскольку остаток имеет мощное магнитное поле, оно заставляет двигаться эти электроны по спиральным траекториям. Это приводит к магнитотормозному (синхротронному) излучению этими электронами электромагнитных волн радиодиапазона.

Таким образом, эволюция остатка сверхновой представляет собой единый непрерывный процесс: от плотной оптически непрозрачной стадии джоулева нагрева — к разреженной горячей туманности рентгеновского диапазона и долгоживущему синхротронному радиоизлучению.

Атмосферное электричество. Самые масштабные неядерные электромагнитные процессы на Земле происходят в ее атмосфере под действием теплового излучения Солнца. Проиллюстрировать это можно следующим расчетом. Пусть в процессе фазового перехода происходит конденсация 1,15 км³ водяного пара с образованием облака радиусом r ≈ 650 м. Полная энергия, высвобождаемая при конденсации такого количества пара, составляет W=1,5х10²² эрг. Согласно постулату (1), в результате выделения этой энергии конденсирующееся облако приобретает избыточный положительный электрический заряд. Расчет показывает, что при радиусе облака в 650 метров этот заряд создает в его окрестности электрическое поле, напряженность которого на расстояниях до 1000 м достигнет электрической прочности воздуха. Поскольку нижняя кромка грозовых облаков обычно располагается на высотах от нескольких сот метров до километра, возникающей напряженности оказывается вполне достаточно для электрического пробоя промежутка между облаком и поверхностью Земли.

Ричард Фейнман [4] в своих лекциях отмечал, что реальные процессы движения в грозовых облаках электрических зарядов значительно сложнее. Однако, несмотря на их подробную изученность, вне рамок соотношения (1) общепринятые теории до сих пор не могут исчерпывающим образом объяснить первопричину возникновения столь гигантского электрического заряда у грозовых облаков.

Процесс испарения воды с поверхности Земли под действием тепловой энергии Солнца и последующая конденсация ее паров в атмосфере происходят непрерывно. Это означает, что в атмосфере идет постоянный процесс генерации положительного заряда. Большая часть этого заряда формируется в тропосферных облаках и нейтрализуется либо за счет естественной электропроводности воздуха, либо грозовыми разрядами. Часть же водяных паров поднимается на высоты в несколько десятков километров, где при их конденсации образуется положительно заряженный слой — ионосфера. Электрический заряд этого слоя формирует между ионосферой и поверхностью Земли глобальное электрическое поле с вертикальной напряженностью порядка 130 вольт/метр и полной разностью потенциалов U≈0,4∙10⁶ В (400 кВ) [4]. При этом давно известно, что от поверхности Земли в ионосферу непрерывно течет ток отрицательных электрических зарядов. Постулат (1) позволяет объяснить, почему в этих условиях потенциал ионосферы остается положительным и постоянным. Водяные пары, содержащиеся в атмосфере, поднимаясь в ионосферу и конденсируясь там, восстанавливают и поддерживают на постоянном уровне ее положительный потенциал.

Электромагнитные явления при сейсмической активности литосферы. Многочисленные наблюдения показывают, что сейсмические процессы сопровождаться рядом электромагнитных явлений, которые сейчас убедительного объяснения не имеют. Постулат (1) дает естественное физическое объяснение этим феноменам. В процессе подготовки землетрясения, в горных породах накапливается колоссальная энергия упругой деформации, что приводит к возникновению соответствующего электрического заряда. Если электропроводность пород мала, а их деформация происходит достаточно быстро, то в этой местности возникает аномалия электрического поля, которая может деформировать глобальное электрическое поле ионосферы. Такая аномалия может служить предвестником тектонической катастрофы [5].

Со временем, за счет электропроводности, этот заряд может рассеяться и электромагнитный фон выравнивается. Но если происходит разрыв или сдвиг сжатого или растянутого скального массива, это вновь приводит к возникновению электрического заряда. Согласно (1), для характерного землетрясения с энергией упругой разгрузки порядка ΔW = 10²¹ эрг (10¹⁴ Дж) величина генерируемого избыточного заряда составляет: ΔQ ≈ 2,2 ед. СГСМ (22 Кулона). Это очень большой заряд. Для примера можно сказать, что если этот заряд распределить по всей поверхности Земли, то он создаст у нее потенциал в 22 вольта. Сосредоточенный же в ничтожно малом участке сейсмического разлома, такой заряд создает электрическое поле огромной напряженности, что приводит к следующим наблюдаемым следствиям:

Электромагнитная эмиссия: Выход заряда и его протекание в проводящих слоях земной коры формируют мощный импульс тока, генерирующий электромагнитный всплеск в широком диапазоне частот [6].

Атмосферные свечения: Проекция избыточного заряда очага землетрясения на поверхность Земли создает в приземном слое атмосферы локальные напряженности электрического поля, превышающие порог пробоя воздуха (E >30 кВ/см). Это приводит к возникновению коронных и тихих разрядов, ионизации газов и наблюдаемому свечению приземного воздуха над зоной будущего или произошедшего разлома [8, 9].

Ионосферные отклики: Электрическое поле сейсмического происхождения органично встраивается в глобальную электрическую цепь «Земля – Ионосфера», вызывая локальные возмущения концентрации электронов в D- и E-слоях ионосферы над сейсмоактивным регионом [7].

Следует отметить, что согласно постулату (1), электромагнитные явления сопровождают не только масштабные тектонические процессы, но и детонацию обычных (химических) взрывчатых веществ (ВВ), где происходят резкие локальные изменения энергии. Возникновение импульсных электромагнитных полей и радиоизлучения при взрывах химических ВВ экспериментально зафиксировано и подробно описано в ряде классических и современных работ [10, 11].

Заключение. Полученные результаты показывают, что соотношение dQ = αdW/c² описывает универсальную связь энергетического и зарядового состояния материальных тел, которая проявляется в любых физических процессах. При малых изменениях внутренней энергии вещества, как то взрывы химических ВВ, фазовые переходы воды, сейсмика, электромагнетизм проявляется как сопровождающий эффект. При больших же преобразованиях энергии (ядерные взрывы, солнечная корона, космические лучи), электромагнетизм определяет суть этих физических явлений.

Литература.

1. Ю. В. Волков. Физика ХХ века. Проблемы и альтернативы. LAP LAMDERT Academic Publishing, 2013, 119с.

2. Действие ядерного оружия. Пер. с англ = The Effects of Nuclear Weapons. Revised Edition. — М.: Воениздат, 1963. — 684 с.

3. Физический энциклопедический словарь под редакцией А.М. Прохорова, из-во «Советская энциклопедия», 1983. 944с.

4. Ричард Фейнман «Фейнмановских лекциях по физике», Том 5 (Электричество и магнетизм), Глава 9 («Атмосферное электричество»).

5. Лихачев М. Г. Электродинамика сейсмических процессов // Физика Земли. — 1992. — № 5. — С. 42–51.

6. Гохберг М. Б., Моргунов В. А., Похотелов О. А. Сейсмоэлектромагнитные явления. — М.: Наука, 1988. — 174 с.

7. Пулинец С. А., Боярчук К. А. Ионосферные предвестники землетрясений. — М.: Наука, 2004. — 304 с.

8. Derr J. S. Earthquake lights: A review of observations and present theories // Bulletin of the Seismological Society of America. — 1973. — Vol. 63, No. 6. — P. 2177–2187.

9. Freund F. Rocks that glow: stress-generated free charge carriers in the Earth’s crust // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. — 2003. — Vol. 65, No. 4. — P. 495–511.

10. D. Kolsky, Electromagnetic waves emitted from detonation of high explosives, Nature, vol. 173, pp. 77–78 (1954).

11. Y. Cui, D. Kong, J. Jiang, S. Gao, Research on Electromagnetic Radiation Characteristics of Energetic Materials, Magnetochemistry, vol. 8, no. 5, p. 57 (2022).