Кл [10. С. 82]. Полярность Земли, в отсутствие грозовых облаков, 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. Электрическое поле во многом определяется электрическими свойствами веществ, слагающих геосферы Земли, и состоит из двух частей: поля земной коры (электротеллурическое поле) и электрического поля атмосферы. Между различными точками атмосферы, находящимися на разных высотах, имеется разность потенциалов. Наблюдения над электрическим полем вблизи земной поверхности показывают его изменчивость от различных факторов – влажности, осадков, облачности и т. п. Опыт показывает, что атмосфера заряжена положительно. Отклонение электрометра тем больше, чем выше точка над поверхностью земли. Напряженность поля вблизи поверхности Земли (в различное время года и для различных регионов) величина практически постоянная Е
= 130 В/м [9. С. 381]. На высоте 1 км напряженность земного поля падает до 40 В/м. На высоте 10 км поле Е
не превышает нескольких вольт на метр. На высоте 50 км и больше напряженность едва заметна. Большая часть падения потенциала приходится на малые высоты. Полная разность потенциалов между поверхностью Земли и верхними слоями атмосферы составляет ~ 400000 В [93. С.175]. Быстрое убывание Е с высотой объясняют тем, что объемные заряды, сосредоточенные преимущественно в нижних слоях атмосферы, уменьшают напряженность поля 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.
7.4. Электрические свойства горных пород
Твердую оболочку Земли (земную кору) слагают различные типы горных пород, состоящие из определенного сочетания минералов, в состав которых входят различные химические элементы. Земная кора более чем на 98% сложена из элементов О, Si, Al, Fe, Mg, Ca, Na, К. При этом свыше 80% составляют кислород, кремний и алюминий. В его центре находится ион кремния Si
, а в вершинах – ионы кислорода О
, которые создают четырехвалентный радикал SiO
[94. С. 33]. Минералы в земной коре преимущественно находятся в кристаллическом состоянии, незначительная часть – в аморфном состоянии. К основным электромагнитным свойствам горных пород относят: удельное электрическое сопротивление, электрохимическую активность, диэлектрическую и магнитную проницаемости, поляризованность. Поляризованность характеризует степень электрической поляризации вещества, равна пределу отношения электрического момента некоторого объема вещества к этому объему, когда последний стремится к нулю [95]. Кристаллы – это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают определенные, упорядоченные положения в пространстве. Свойства кристаллических веществ обусловлены их составом. Кристалл состоит из ионов, попеременно заряженных противоположными зарядами. Электропроводность естественных кристаллов, меняется от вида к виду и зависит от примесей, заключенных в кристаллах. Кристаллический кварц является анизотропным одноосным кристаллом; плавленый кварц (стекло) – хороший диэлектрик. В отличие от металлов многие вещества в кристаллическом состоянии не являются хорошими проводниками электричества. Их нельзя отнести и к диэлектрикам, т.к. они не проявляют себя хорошими изоляторами. Такие вещества, как германий, кремний, селен, различные оксиды, сульфиды и др. относят к полупроводникам, этих веществ большинство, их общая масса составляет 4/5 массы земной коры.
Исследование электропроводности кристаллов кальцита и кварца А.Ф. Иоффе начинал совместно с В.К. Рентгеном в 1904 году. В дальнейшем Иоффе установил, что прохождение электрических токов через кристаллы-изоляторы характеризуется некоторыми особенностями. Если к кристаллической пластине, с обеих сторон покрытой слоем металла, приложить постоянную разность потенциалов, то возникнет ток, спадающий со временем, величина которого иногда не приближается к конечному пределу. Если снять напряжение и подключить обе обкладки к гальванометру, то зафиксирован противоположно направленный ток, который постепенно ослабевает и стремится к нулю. Кристаллы поляризуются, величина этой поляризации может достигать многих тысяч вольт. Это явление объяснили образованием встречной поляризации. Стационарное состояние в газе, соответствующее току насыщения, устанавливается в течение долей секунды, в кварце этот же процесс занимает несколько секунд. Сразу же после включения тока число свободных ионов в кварце остается тем же, но их скорости становятся прямо пропорциональными приложенной разности потенциалов. В начальный момент времени (0,5 с) закон Ома остается еще справедливым, ионы постепенно подводятся к электродам. Через 3 секунды достигается состояние насыщения. В кварце ток насыщения наблюдается при приближении к напряженности поля от 10000 до 50000 В/см [96].
Влияние поля на кристаллы, по мнению А. Иоффе, определяется не их электропроводностью, а диэлектрическими свойствами. Кристаллическая решетка прочна, допускает только слабое диэлектрическое смещение ионов, а не полное их удаление и перемещение к электроду. При механических, температурных, электрических и оптических воздействиях на кристалл, ионы смещаются со своих положений равновесия как одно целое, вместе с присущим им зарядом [97]. По отношению к постоянной электрической силе, ученый предлагает их считать упруго закрепленными в тех положениях, которые по строению кристаллической сетки соответствуют минимуму их потенциальной энергии. Передвижение зарядов предполагает перенос самого вещества. Академик считает, что кроме переноса зарядов, образующих ток, аналогичные явления могут вызываться и вращением заряженных диполей. Если в данном веществе преобладает число молекул с такими свойствами, то поворот этих молекул представляет явление, аналогичное току. Положительные заряды при этом повороте смещаются в одну сторону, отрицательные – в противоположную сторону. Происходит разделение зарядов, аналогичное непосредственному переносу их сквозь диэлектрик [98]. Разные по своей физической природе явления, но одинаковые по своим внешним проявлениям, представляют собой движение зарядов (ток).
Важной характеристикой электрических свойств вещества, находящегося в недрах Земли, является удельная электропроводность горной породы. Она меняется в значительном интервале: от 10
до 10
(Ом ? м)
и зависит от минерального состава, фазового состояния, пористости, развитости системы трещин, насыщенности влагой, температуры, давления. До середины XX века основные сведения о распределении электропроводности в Земле были получены по данным электроразведочных работ и бурения. Данные электроразведки с искусственными источниками позволяли исследовать строение коры не более чем на 2—3 км. В 50-е годы прошлого века зародилась глубинная геоэлектрика, когда была высказана идея о возможности применения естественного электромагнитного поля внешнего происхождения для исследования электропроводности Земли. Его, главным образом, создают токи из частиц, направленных к планете из окружающего пространства. Метод, основанный на использовании естественного электромагнитного поля, получил название "магнитотеллурический". В основе предложенного метода лежит упрощенная модель естественного электромагнитного поля. Предполагается, что первичное поле, возбуждаемое внешними источниками, однородно на горизонтальной поверхности Земли. В этом случае отношение взаимно перпендикулярных горизонтальных компонент электрического и магнитного полей, измеренных на поверхности Земли, будет зависеть только от периода вариации и распределения проводимости по глубине [99]. Это отношение, названное импедансом Z, может быть вычислено по любой паре ортогональных компонент, то есть
Z = E
/H
= – E
/H
. (7.1)
Чем больше период вариаций, тем глубже проникает поле внутрь Земли. Изменение импеданса с ростом периода отражает изменение удельного сопротивления с глубиной. Изменение кажущегося удельного сопротивления (r
) выражается следующей формулой [99]:
r
= |Z|
/w?, (7.2)
w = 2?/Т, (7.3)
где ? = 4?·10
Генри/м – магнитная проницаемость вакуума, w – частота вариации поля, 1/с, T – период вариации в секундах, Z – в Ом.
Значения r
близки к истинному значению удельного сопротивления только в предельных случаях. При очень малых значениях периода, когда поле не проникает в нижележащий слой, значение r
равно удельному сопротивлению первого слоя. Регистрируя вариации естественного электромагнитного поля в широком интервале периодов, можно построить зависимость кажущегося удельного сопротивления от периода. Зависимость r
от периода называется кривой зондирования. Проще рассчитывать поведение кривой зондирования для среды, электропроводность которой меняется только по вертикали. Трудно рассчитывать поведение кривых зондирования, когда электропроводность меняется и по горизонтали.
7.5. Поляризация диэлектрика
По величине удельного электрического сопротивления вещества подразделяют на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики. Диэлектриками называются вещества, не проводящие электрического тока. В них отсутствуют свободные электрические заряды. Поляризация диэлектриков – процесс образования объемного дипольного электрического момента (смещение электрических зарядов) в диэлектрике. При возбуждении электрического поля, происходит поляризация диэлектрика, что может сопровождаться появлением механических сил в нем, упругих напряжений и изменением температуры. Электрическое поле неотделимо от зарядов, являющихся его источниками, оно однозначно определяется величиной и расположением зарядов. Заряды могут нейтрализовать друг друга. Согласно теории, поле, которое они возбудили, может продолжать существовать в виде электромагнитных волн. Переменные электромагнитные поля могут существовать самостоятельно, независимо от возбудивших их электрических зарядов [13. С. 115].
Если диэлектрик внести во внешнее электрическое поле, на его поверхностях появляются заряды. Под действием приложенного электрического поля, молекулы становятся электрическими диполями, ориентированными положительно заряженными концами в направлении электрического поля Е. Электростатическая индукция связана с тем, что в диэлектрических телах с одной стороны тела оказываются отрицательные концы диполей, а с другой – положительные. Смещение положительных и отрицательных зарядов диэлектрика в разные стороны называют электрической поляризацией. При наложении электрического поля диэлектрик становится поляризованным, дипольные моменты молекул ориентируются преимущественно в направлении поля. Согласно теории физики, заряды в диэлектрике могут смещаться из своих положений равновесия лишь на малые расстояния, порядка атомных. Поле внутри диэлектрика, создаваемое связанными зарядами, направлено против внешнего поля, создаваемого сторонними зарядами. Существуют диэлектрики, полярные молекулы которых обладают дипольными моментами в отсутствие электрического поля. Такие полярные молекулы беспорядочно ориентированы, совершают хаотические тепловые движения. Помимо электрически нейтральных молекул в диэлектрике могут существовать положительно или отрицательно заряженные ионы. Избыток ионов того или иного знака в какой-либо части диэлектрика означает наличие в этой части некомпенсированных макроскопических зарядов. Существуют диэлектрические кристаллы, построенные из ионов противоположного знака, например, NaCl. Такие кристаллы называются ионными. Избыток ионов того или иного знака в какой-либо части диэлектрика означает наличие в этой части некомпенсированных макроскопических зарядов.
Деформационная поляризация наблюдается для веществ с неполярными молекулами. Они ориентируются, образуя диполи, под действием электрического поля. В молекулах неполярных диэлектриков (Н
, N
, ССl
, углеводороды и др.) центры тяжести положительных и отрицательных зарядов в отсутствие внешнего поля совпадают, дипольный момент у молекул равен нулю. При помещении таких диэлектриков во внешнее электрическое поле происходит деформация молекулы (атома) и возникает индуцированный дипольный электрический момент молекулы, пропорциональный напряженности поля Е [13. С. 148]. При снятии внешнего поля поляризация практически исчезает. Углеводородные горючие соединения (С и Н) содержатся в земной коре в виде скоплений в пластах, они растворены в нефти (попутный газ) и подземных водах.
Вода – вещество, основной структурной единицей которого является молекула H
O, состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода, представляет собой диполь, содержащий положительный и отрицательный заряды. Молекулы воды в виде аэрозолей постоянно присутствуют в воздухе. Если молекулу воды, не связанную с другими молекулами, поместить в электрическое поле, то она повернется отрицательной стороной в направлении положительного потенциала электрического поля, а положительной стороной – к отрицательному потенциалу. При увеличении напряженности поля до величины достаточной для разрыва водородной связи, структура молекулы воды разрушается. В какой-то момент времени энергия связи в молекуле ослабляется электрическим полем настолько, что сила внешнего электрического поля превосходит энергию связи. Это приводит к тому, что атомы кислорода и водорода высвобождаются как самостоятельные газы. Под действием электромагнитных импульсов, происходит накопление энергии в кластерной структуре воды до некоторого критического значения, затем происходит разрыв связей и лавинообразное освобождение внутренней энергии, которая может затем трансформироваться в другие виды энергии.
Постоянное электрическое поле воздействует на воду. При разложении молекулы воды, на катоде выделяется водород, а на аноде кислород [100]. В кластерной структуре воды происходит накопление энергии, до некоторого критического значения. Затем происходит разрыв связей и лавинообразное освобождение внутренней энергии, которая может затем трансформироваться в другие виды энергии.
8. Ионизация газов, плазма
Атмосферный воздух состоит из смеси газов. Нижний слой атмосферы Земли (тропосфера) имеет следующий химический состав (по объему, в процентах): азот – 78,08, кислород – 20,95, аргон – 0,93, углекислый газ – 0,03 [92. С. 59]. Атомы этих газов объединяются в прочные и устойчивые связи, образуя молекулы. На долю остальных газов приходятся уже тысячные и десятитысячные доли процента. Такой состав атмосфера имеет почти до высоты 90 км. Кроме постоянных компонентов атмосфера содержит переменные компоненты: озон и водяной пар. Газы в нормальных условиях являются изоляторами и состоят из электрически нейтральных атомов и молекул. Атом и ион – частицы вещества микроскопических размеров и массы, являются носителями его свойств. Отличаются они зарядом. Атомы – нейтральны, ион – электрически заряжен.
Электропроводность газов возникает при их ионизации. Ионизация – это эндотермический процесс образования положительных и отрицательных зарядов (ионов) из нейтральных атомов или молекул, сопровождающийся поглощением теплоты. Ион – электрически заряженная неэлементарная частица, получаемая в процессе ионизации. Ионы бывают двух типов – с положительным и отрицательным зарядом. Образование положительных ионов происходит путем отщепления электронов от атомов и молекул. Присоединение свободного электрона к нейтральному атому (молекуле) создает отрицательный ион. Основную роль в ионизованном газе играют парные столкновения, с коротким временем действия.
При ионизации атома (молекулы) совершается работа ионизации (А
), против сил взаимодействия между вырываемым электроном и другими частицами атома (молекулы). Работа ионизации зависит от химической природы газа и энергетического состояния электрона в атоме (молекуле). Она растет с увеличением кратности ионизации, т. е. с числом вырванных из атома электронов. Потенциалом ионизации ?
, называется разность потенциалов, которую должен пройти электрон в ускоряющем электрическом поле для того, чтобы увеличение его энергии равнялось работе ионизации: ?
= А
/е, где е – абсолютная величина заряда электрона. Для осуществления ударной ионизации одновалентные ионы должны пройти в ускоряющем поле большую разность потенциалов, чем электроны [101. С. 390].
Согласно современным теоретическим воззрениям, в виде самостоятельных ионов частицы встречаются во всех агрегатных состояниях вещества: в жидкостях (в расплавах и растворах), в кристаллах и газах. Газ, большинство частиц которого электрически заряжено, т. е. высоко ионизованный газ, отличается от обычного газа. В ряде явлений такой газ проявляет сходство с электролитами и твердыми проводящими телами (полупроводниками и металлами) [102]. Высоко ионизированный газ обладает свойствами, присущими только ему одному. Эти свойства вызывают либо сильные электрические поля между заряженными частицами, либо наличие большого числа возбужденных частиц, связанных с высокой степенью ионизации. Ионизованным до высокой степени газам И. Лэнгмюр дал название «плазма». В ионизованном газе плотность заряженных частиц становится значимым фактором.
Ранее работы по плазме широко не освещались. После конференции 1958 года, по мирному использованию атомной энергии, информация стала доступной научной общественности. Плазма состоит из большого числа частиц с зарядами +е и —е. В объеме одной поверхности заключено равное количество положительных и отрицательных ионов. По условию, заключенный в плазме заряд остается практически одинаковым и, в целом, нейтральным. Согласно теории, частицы газа с разноименными зарядами при встрече нейтрализуют друг друга. Это свойство является следствием внутреннего электрического поля, образованного заряженными частицами. Силы взаимодействия распространяются внутри плазмы, область которой может простираться на значительные расстояния. Плазма взаимодействует с внешними электрическими и магнитными полями [13. С. 509]. Систему заряженных частиц можно считать плазмой, т. е. материальной средой с новыми качественными свойствами. Динамические свойства плазмы разнообразны, существует много типов коллективных движений. Если плотность заряженных частиц в газе очень мала, то они взаимодействуют, в основном, с нейтральными частицами.
Вещества в плазменном состоянии, характеризуются высокой ионизацией частиц, доходящей до полной ионизации. Степень ионизации – отношение концентрации заряженных частиц к полной концентрации частиц. В зависимости от степени ионизации вещества (?) различают плазму [101. С. 396]: слабо ионизованную (? – доли процента), умеренно ионизованную (? – несколько процентов), полностью ионизованную (? – близко к 100%). Слабо ионизованная плазма в природных условиях наблюдается в ионосфере. В плазме одновременно взаимодействует множество частиц. Этим свойством плазма обязана действию кулоновских сил. Убыль заряженных частиц в плазме определенной температуры происходит за счет рекомбинации. Пополняется она за счет новых актов ионизации. Рекомбинация – это нейтрализация при встрече разноименных ионов или воссоединение иона с электроном с превращением последнего в нейтральную молекулу (атом). Исчезновение газоразрядной плазмы, предоставленной самой себе, называется деионизацией газа. При удалении электрического поля, приложенного к плазме, противоположно заряженные частицы газа рекомбинируют, у газа исчезает плазменное состояние.
Плазма непрозрачна для электромагнитных волн, частоты которых меньше плазменной. Проблема распространения волн проявляется и в физике твердого тела. В присутствии статического магнитного поля распространение поперечных электромагнитных волн через плазму твердого тела возникает много новых частот. Появляется такой параметр как угол между направлением распространения волны и магнитным полем. Для описания низкочастотных волн в плазме подходит модель возбуждения волн в заряженной струне, параллельно магнитному полю. Если силовая линия смещается поперек поля, то заряженные частицы вынуждены двигаться в нем подобно бусинкам, насаженным на тонкую струну [38].
Электрические заряды, покоящиеся относительно выбранной системы отсчета, имеют вокруг себя только электрическое поле. Действие электрического поля на заряды, между которыми существует разность потенциалов, вызывает их ток. Электрическое поле и ток плазмы, поддерживают ее в устойчивом состоянии. Электрические заряды, которые движутся в направлении вектора силы поля, не требуют затрат энергии. Вокруг движущихся зарядов образуется магнитное поле. Магнитное поле обнаруживается по его воздействию на тела и измерительные приборы. Прекращения направленного движения зарядов возможно снятием или встречным направлением поля, при котором равнодействующая двух сил равна нулю.
В зависимости от природы электрических зарядов принято различать электронную, ионную и смешанную электрическую проводимость. Электронная электропроводность характерна для металлов, рудных тел и полупроводников. Ионная электропроводность свойственна – природным водам, водным растворам, электролитам, а также газам. В окружающей среде постоянно присутствуют электромагнитные поля естественного и искусственного происхождения. Основными естественными электромагнитными полями являются атмосферное электричество, постоянное электрическое и магнитное поле Земли. Электрическое поле Земли ориентирует ионные структуры в атмосфере. Разность потенциалов в пространстве между зарядами структур и зарядом планеты вызывает их направленное движение. В течение последних десятилетий уровень интенсивности электромагнитного окружения значительно возрос. Основные составляющие электромагнитного загрязнения лежат в крайне низкочастотном (КНЧ: 10—300 Гц) и ультранизкочастотном (УНЧ: 0—10 Гц) диапазонах [103].
Поле объемного электрического заряда зависит от величины, протяженности, формы, количества, типа зарядов и прочих факторов. Между заряженными частицами плазмы действуют электростатические силы. Физика плазмы относится к проблеме многих тел, хорошо изучено электромагнитное взаимодействие. По условию, плазма нейтральна и состоит из большого числа частиц с зарядами +е и —е. Характерное для плазмы расстояние – r
, называемое "дебаевским" радиусом экранирования, определяется выражением [13. С. 505 ]:
r
= (kT/4?n
e
)
. ()
где T – температура электронов; k = 1,380662 ? 10
Дж/К – коэффициент, переводящий единицы энергии в градусы; e – заряд электрона; n
– количество заряженных частиц в плазме (дебаевское число).
Плазма отличается от скопления заряженных частиц плотностью и определяется условием: L > r
, L – линейный размер системы заряженных частиц. Если к плазменному объекту приложить внешнее поле, то оно проникает на глубину порядка дебаевского радиуса. В объеме одной поверхности заключено равное количество положительных и отрицательных частиц. Для соблюдения нейтральности плазмы необходимо, чтобы ее характерный размер (L) был много больше дебаевского радиуса. Для разных объектов его величина изменяется в зависимости от температуры и числа ионов. Плазма называется газовой, если число ионов одного сорта велико. В термодинамическом отношении она рассматривается как идеальный газ. Газ, у которого дебаевский радиус мал, в сравнении с линейными размерами занимаемой им области, характеризуется высокой степенью ионизации. В теории Дебая – Хюккеля ион полностью ионизированного газа принимается за точечный заряд. При этом газ считают электрически нейтральным как целое. Если через плазму в форме столба пропустить сильный электрический ток вдоль оси, то магнитное поле этого тока, имеет форму как у прямолинейного проводника. Электродинамические силы сжимают плазму. Сжатие плазмы происходить до тех пор, пока давление, вызванное электродинамическими силами, не уравновесится давлением частиц самой плазмы [104].
Плотность и температура заряженных частиц являются важными параметрами характеристики плазмы. У разных тел, в зависимости от температуры и числа ионов, изменяется величина дебаевского радиуса (r
). Если размеры системы L намного больше, чем r
, то возникающие в ней локальные концентрации зарядов или вносимые в систему внешние потенциалы экранируются на расстояниях, малых по сравнению с L. Ионизованный газ является плазмой только тогда, когда его плотность достаточно велика, т. е. r
много меньше L [105. С. 21]. Дебаевский радиус очень малая величина и соотношение L > r
выполняется с большим запасом. Внешняя часть земной атмосферы представляет собой плазменную оболочку из слабо ионизованной плазмы. У ионосферной плазмы r
? 10
см, для плазмы газового разряда r
? 10
? 10
