¿Cuál es la carga neta de la Tierra?

Question

Esta pregunta surgió hoy en un seminario sobre el viento solar...

Esta es mi vaga comprensión del problema - ¡por favor, corrija si ve errores!

La imagen "clásica" de la electricidad atmosférica es que la Tierra en su conjunto es neutra, pero que las tormentas mantienen una tensión de unos +300kV en la electrosfera con respecto a la superficie terrestre, con una corriente de unos 1 kA que descarga lentamente unos 500 kC de separación de carga total. Se supone que el viento solar neutraliza cualquier carga neta que pueda haber entre la Tierra en su conjunto y el viento solar.

Sin embargo, las cargas positivas y negativas del viento solar quedan atrapadas de forma diferente en los cinturones de Van Allen, desde donde pueden descender a la atmósfera terrestre, lo que implica que se puede desarrollar una carga neta debido a esta fuga diferencial. Esto nos lleva a preguntarnos si existe alguna estimación de la carga neta total. He buscado en la literatura, pero he encontrado poco material útil, aparte del artículo de Dolezalek de 1988: https://doi.org/10.1007/BF01054576

¿Alguien puede ofrecer una explicación o indicarme algunos documentos más relevantes?

Answer 1

Lo que yo entiendo es que los electrones pesan mucho menos que cualquier otra cosa, por lo que tienen mayor velocidad (a la misma temperatura, debido a la termodinámica). Para que la materia pueda escapar de la tierra se requiere una velocidad mínima. Así que el resultado es que la tierra pierde más electrones que iones positivos (o negativos). El resultado es que la tierra está cargada positivamente.

Por otro lado, en la atmósfera terrestre, la transferencia de carga se debe a la lluvia. Los iones y electrones cargados son atraídos por las gotas de lluvia por la misma razón que las cargas son atraídas por una superficie conductora, es decir, por las cargas de imagen. Pero los electrones son más ligeros que los iones y, por tanto, los electrones llegan a las gotas de lluvia antes que los iones, por lo que las gotas de lluvia tienen una carga negativa neta.

Dado que las gotas de lluvia caen a la tierra, ésta acaba cargada negativamente mientras que la atmósfera que hay sobre ella está cargada positivamente. Este es el origen de la "tensión del cielo":
http://en.wikipedia.org/wiki/Sky_voltage

Answer 2

Sin embargo, las cargas positivas y negativas en el viento solar están atrapadas de forma diferente atrapadas en los cinturones de Van Allen, desde donde que luego pueden descender a la atmósfera terrestre, lo que implica que una carga neta puede desarrollarse debido a esta fuga diferencial. Esto plantea la pregunta de si hay alguna estimaciones de la carga neta total. He buscado en la literatura pero he encontrado poco material útil aparte de que el documento de Dolezalek de 1988: https://doi.org/10.1007/BF01054576

Cierto, ¡veo un importante malentendido aquí! Las cargas positivas y negativas del viento solar NO están atrapadas de forma diferente. Cuando hablamos de los cinturones de Van Allen nos referimos a partículas de alta energía (MeV); las partículas de baja energía siguen estando ahí, aunque en la mayor parte del cinturón exterior la densidad es muy baja. Es justo decir que los electrones y los protones pasan por diferentes procesos de aceleración (también vale la pena señalar que hay dos cinturones interiores, uno positivo y otro negativo, que se superponen y se asientan en la región de la magnetosfera llamada plasmasfera, un plasma frío y denso que se extiende hasta unos 4 radios terrestres)

Algunas de las mismas ondas que dispersan las ondas relativistas hacia el cono de pérdidas y hacen que se precipiten (ondas electromagnéticas de ciclotrón de iones) también dispersan protones de menor energía hacia la atmósfera. En escalas de tiempo muy cortas habrá una diferencia de carga, pero en promedio se mantendrá la cuasi neutralidad.

Cuando se producen precipitaciones, hay que recordar que se trata de la ionosfera, que es en sí misma un plasma y, por tanto, casi neutro. Los sistemas de corriente se forman debido a las colisiones de los iones con la atmósfera neutra. En la región D, donde los electrones MeV se depositan cuando precipitan (de hecho causan una ionización extra y extienden la capa D hacia abajo) hay toda una mezcla de altas colisiones, procesos de fijación y procesos de recombinación que implican todo tipo de química iónica compleja, los protones menos energéticos se depositarán a mayor altura por lo que habría una pequeña ganancia de carga en diferentes regiones pero debido a la alta conductividad en la capa E (120 km) y a los posibles sistemas de corriente no sería el caso por mucho tiempo. *

El tema de la atmósfera no es de mi agrado, pero tal vez te interese ver el trabajo del Dr. Martin Fullerkrug, de la Universidad de Bath, que hace un trabajo muy interesante sobre los sprites y otras cosas.

Espero que eso ayude

*No estoy diciendo que exactamente el mismo número de protones y electrones se precipiten en un momento dado, pero observando el sistema incluso en escalas de tiempo relativamente pequeñas, la carga neta sería muy cercana a cero.