Глава 1
В специальном курсе "Физика Земли", в разделе электрометрия А.П.Краев (1940 г.) представил учение о формах и мерах земных электрических процессов. В книге [1.1] автор впервые систематизировал и обобщил имеющиеся теоретические и эмпирические материалы на основе электромагнитной теории Максвелла. Данная книга одна из первых посвящена созданию единой теории электромагнитного поля Земли.
Далее приведены выдержки из книги А. П. Краева.
ЕСТЕСТВЕННЫЕ РЕГИОНАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОЛЯ
(Теллурические токи)
§ 9. Введение
В начале XIX столетия, за несколько лет до обнаружения земных токов, возникает мысль об их существовании. На основе классического электромагнитного закона Ампера выдвигается гипотеза Деви, пытающаяся объяснить магнитное поле Земли наличием в земной коре непрерывно циркулирующих широтных токов. Первые фактические измерения земных токов, связанных с рудными залежами, относятся к 1830 г. Позднее многие исследователи проводили наблюдения, ставили эксперименты и пытались дать объяснение наблюдаемым фактам. Зеебек [1] выдвигает термоэлектрическую гипотезу, полагая, что токи в Земле вызываются потоком тепловой энергии, периодически излучаемой Солнцем. Барлоу [2], а также другие экспериментировали с шаром, наблюдая на его поверхности структуру и вариации магнитного поля, вызванного током обмотки шара. Интересной была гипотеза Ламона [3], рассматривающая земные токи как приливы и отливы электрического заряда Земли под действием электрического поля Солнца.
Попутно заметим, что суточные вариации теллурического поли, вызванные общей причиной, могут протекать не по мировому, а по местному времени.
В 1850 г. Баумгартнер [4] наблюдал земные токи и в связи с рельефом местности обнаружил существование вертикальной компоненты.
Все это были первые попытки, порой случайные, отдельных крупных ученых без длительных наблюдений в естественных условиях, и только начиная со второй половины XIX столетия, в связи с развитием телеграфной и телефонной сетей, появляются технические возможности (наличие готовых линий) и вызывается необходимость широкого систематического изучения земных токов.
В 1849 г. Барлоу [5] опубликовывает свои наблюдения над земными токами на телеграфных линиях. Барлоу обнаружил быструю изменчивость земных токов по величине и направлению, но с довольно регулярным суточным ходом.
Особенно возрос научный и практический интерес к земным токам после отмеченной на всех обсерваториях большой магнитной бури в 1859 г., сопровождавшейся мощными полярными сияниями и интенсивными земными токами, во многих местах нарушившими работу линий связи. В том же году Ламон [6] в Германии ставит на нескольких линиях систематические исследования земных токов и их связей с вариациями геомагнитного поля. Он отмечает синхронное поведение земных токов на всех линиях (независимо от свойств грунта) и устанавливает следующие связи
δD E; (δHy Ex);
δH Eλ; (δHx Ey)
и приходит к выводу, что земные токи порождают мгновенные магнитные вариации.
Валькер [7] в Англии приходит к заключению, что следует утверждать причинную связь аналогичного поведения земных токов и магнитного поля Земли, хотя возможны и другие источники магнитных возмущений.
Эри, первый поставивший непрерывную регистрацию временного хода земных токов, признает их магнитный эффект только в периоды магнитных возмущений. Это подтверждается Лемстремом [8], который во время Лапландской экспедиции 1879 г. нашел хорошую корреляцию между возмущениями теллурического поля, полярными сияниями и магнитными бурями.
Аналогично Вильд [9], в результате наблюдений на специальной короткой линии в Слуцкой магнитной обсерватории (1882–1883 гг.), пришел к выводу, что земные токи – первопричина только магнитных возмущений. К такому же заключению приходит Мюллер (Австрия) в результате наблюдений на длинных линиях. В 1883–1884 г. Блавье [10] в Париже, располагая целым рядом воздушных и подземных телеграфных линий, устанавливает потенциальный характер теллурического поля, причем причину магнитных возмущений относит к внешней системе токов и рассматривает земные токи как индукционный эффект последней. Это положение Блавье подкрепляется дальнейшими исследованиями Шустера, Шмидта и Биркеланда.
В результате обработки наблюдений на двух длинных подземных линиях Берлин–Торн, Берлин–Дрезден (120 км) за период 1884–1887 гг. Вайнштейн в своей работе приводит графики суточных ходов компонент теллурического и магнитного полей (рис. 61).
Рис. 61. Eλ– широтная компонента, E–меридиональная компонента Т поля.
Анализ этих суточных ходов дает: обе компоненты теллурического поля имеют одинаковое поведение по форме и фазе с большей амплитудой для меридиональной компоненты, а именно, два синхронных колебания с максимумом 7h и 16h (главный) и минимумом 3h и 12h (главный), и показывает хорошее совпадение теллурического и магнитного временных ходов.
Так как это не совпадало с результатами наблюдений на более коротких линиях (Барлоу – 60 км, Вильд – 1 км), Ниппольд [11] заключил, что в линиях различной длины наблюдаются различные явления, но сопоставление результатов более поздних систематических наблюдений (в течение нескольких лет) в Тортозе с прежними результатами, выполненное Бослером [12], показало, что поведение теллурического поля одинаково как на длинных (Берлин), так и на коротких (Тортоза) линиях.
Предметом особенно оживленной дискуссии среди ряда исследователей явилась форма связи магнитных и теллурических вариаций. Исходя из кривых Вайнштейна и вычисленного из них Фритшем суточного магнитного хода, Штейнер [13] заключает, что меридиональная компонента теллурического ноля возбуждается широтной компонентой магнитного поля, а широтная компонента теллурического поля порождает вариации магнитного поля; иначе говоря, обе компоненты теллурического поля по своей природе различны. (То же у Беммелена, и то же дает анализ многих кривых Блавье.)
В 1918 г. Маучли [14], изучая суточные вариации вертикальной компоненты теллурического поля, находит зависимость их от температуры, давления воздуха и других метеорологических факторов.
В 1923 г, Петере и Энис находят 27-днешшй период возмущаемости теллурического поля.
Далее, Ниппольд и Штейнер допускают, что наряду с теллурическим токовым полем, вызванным переменным режимом геомагнитного поля, может существовать токовое поле в Земле, вызванное другими процессами: атмосферно-электрическими, термоэлектрическими и др.
Бауэр [16], на основе данных Тортозы, полагает, что суточные и годовые вариации горизонтальной магнитной компоненты только частично, качественно и количественно, могут рассматриваться как следствие вариаций теллурических компонент. Напротив, более вероятно то, что вариации теллурического поля – комбинированный эффект вариаций геомагнитного и атмосферно-электрического полей, причем корреляция δEтеллδEатм выше, чем корреляция δEтеллH. Бенндорф считает роль атмосферно-электрических процессов в возбуждении теллурического токового поля ничтожно малой.
Безусловно правильно то, что установленная Бауэром связь δEтеллδEатм, а также обнаруженная Руннеем (в Аляске) довольно высокая корреляция между теллурическими возмущениями и „aurorae"-активностью выдвигают вопрос о каких-то общих, пока неизвестных причинах.
Чепмен и Вайтхед [18], изучая связь между δН и индуцированным δEтелл, пришли к следующим соотношениям усредненных суточных ходов
где Нzn – гармонические члены частоты (2πn/T) магнитной вертикальной компоненты в гаммах.
Сопоставление теоретических значений формул (3, 1) и (3, 2) с наблюденными дало только качественное согласие главным образом для Е. Резкое расхождение теоретических и наблюденных значений для Тортозы (в пять-шесть раз меньше) Бартельс объясняет различной проводимостью земной коры, что было подтверждено измерениями Гиша и Руннея [19, 20], которые нашли, что средняя проводимость в районе Тортозы в семь раз меньше, чем в районе Ватероо. Зависимость суточного хода теллурического поля от широты изучалась многими авторами; в частности, Стенквист [23], анализируя векторные диаграммы суточных ходов, установил, что в низких и высоких широтах поле поляризовано линейно по широтам, а в средних – по меридианам. Что касается структуры теллурического токового поля, то, по Стенквисту, каждое полушарие представляет собой зеркальное изображение другого относительно экваториальной плоскости, что было позднее подтверждено исследованиями в обсерваториях южного полушария (Ватероо и Гуанкайо).
Более детальную картину структуры теллурического токового поля, с учетом новых наблюдений за последние годы, удалось составить Гишу и Руннею (см. § 10).
В течение II МПГ теллурическое поле изучалось на многих полярных станциях (Фербенкс, Форт-Рэ, Честерфильд, Тремзо, Соданкюль, Скорзби-Зуид и др.) и в районах средних и низких широт (Тортоза, Туксон, Ватероо, Гуанкайо, Лервин, 13 станций США, Япония), в результате чего появился ряд существенных работ. Интересная работа была выполнена Соутвартом [24] (Америка), который нашел близкую зависимость суточного теллурического хода от геологической структуры.
Рунней [25] дает ясную картину сезонных вариаций за период 1932–1934 гг., причем, сопоставляя суточные теллурических ходы в Туксоне (Сев. Америка) и Ватероо (Австралия), находит их полный параллелизм. Далее, Рунней в результате обработки наблюдений в пунктах Тортоза, Ватероо, Гуанкайо и Туксон обнаруживает тесную связь δE и δHz. Позднее Рунней и Шерман (26) в Фэрбенксе (Аляска) находят коэффициент корреляции между теллурической и „aurorae" активностями равным 0,71. Аналогичные результаты получает Кюри в Честерфилде (Канада). Бемис [29] на основе наблюдений па двух длинных линиях (по 1000 миль к северу и востоку от Нью-Йорка) и данных магнитной обсерватории (Чельтенхен) заключает, что магнитные и теллурические возмущения происходят или одновременно, или последние немного запаздывают, но вообще сами теллурические возмущения наступают всюду одновременно (данные Ватероо и Гуанкайо). Далее Бемис на материале данных радиосвязи Нью-Йорк–Лондон, Нью-Йорк–Буэнос-Айрес устанавливает, что теллурические возмущения всегда сопровождаются нарушением радиосвязи.
Скелетт, на основе многолетних наблюдений теллурического поля (США) и коротковолновой трансатлантической передачи находит между ними связь более отчетливо выраженной, чем между радиопередачей и геомагнитным полем. Скелетт подтверждает также существование 27-дневного периода повышения теллурической активности.
Касаясь природы теллурического поля и теллурических и магнитных вариаций, Ниппольд [30] говорит, что колебания первичной электрической системы (ионосфера) создают магнитные суточные вариации и индуцируют электрические токи в земле (по Чепмену на глубине 250 км) и что наряду с этим в земной коре имеются собственные токи, которые обычно и измеряются. Магнитное поле этих токов, по Ниппольду, слишком незначительно и не может принимать участие в геомагнитном ходе. Иначе говоря, по Ниппольду собственные земные токи и геомагнитное поле являются совершенно различными геофизическими фактами. Роте обнаруживает на наиболее полярной станции (Гренландия, Скорзби-Зунд 70N) интенсивное теллурическое поле E = 0,5 (V/км) главным образом широтного направления, причем связь между δEтелл и δH оказывается индуктивной.
В заключение отметим последнюю интересную работу, проведенную К. К. Федченко в полярной зоне Советского Союза па станции Маточкин Шар. Эта работа важна тем, что в полярных зонах теллурические поля исследованы крайне незначительно. Автор указанной работы [31] в результате сопоставления магнитной и теллурической активностей нашел между ними высокий коэффициент корреляции 0,87–0,95, возрастающий с увеличением магнитной активности. Тесная связь обнаруживается также между теллурической и „aurorae "-активностями (коэффициент корреляции равен 0,77). Обработкой теллурограмм выявилось двойное колебание широтной компоненты (главный максимум 17h, главный минимум 24h) и более резко выраженное одиночное колебание меридиональной компоненты (максимум 17h, минимум 24h), причем теллурическое поле оказалось эллиптически поляризованным с большой полуосью в 16 mV и фазой + 400 относительно магнитного меридиана (к востоку).
Автор делает попытку показать существование только одной индуктивной связи между магнитным и теллурическим ходами. С этой целью выполняется вычитание из теллурического хода индуктивной компоненты, и в результате остается характерное одиночное колебание, которое отождествляется автором с температурным ходом. С последним трудно согласиться, ибо весьма сомнительно, что температурные колебания грунта с амплитудой 1–1,6° могли бы вызвать одиночное суточное колебание теллурического поля. По-видимому, результаты этой работы, как и других, несомненно подтверждают то, что в „возмущенные" дни превалирует индуктивная связь магнитного и теллурического полей, а и „спокойные" дни – прямая их связь.
В согласии с указанными фактами и выводами полагаем, что теллурическое поле можно рассматривать как поле, которое возбуждается локальными и региональными факторами. Естественно допустить, что локальные факторы распределены по всей поверхности совершенно случайно, и следовательно их средний статистический эффект в какой-либо достаточно большой области можно считать исчезающе малым.
Региональный фактор действует одновременно в значительной области (в пределах континента или океана), но его эффект в любой малой области следует признать чрезвычайно малым. Исходя из этого является возможным рассматривать наблюдаемое теллурическое поле как сумму локального и регионального полей, причем первое имеет практически ограниченное распространение на земной поверхности, а второе может наблюдаться одновременно на больших областях земной поверхности. Ясно, что с увеличением масштаба измерительной установки эффект регионального поля, как правило, должен увеличиваться, а локального поля – уменьшаться. Очевидно также, что в небольшой однородной области структура локального поля будет неоднородной, а структура регионального поля однородной.
Наблюдения показывают, что локальное поле по-видимому выдерживает постоянный стационарный режим, хотя в некоторых специальных случаях могут иметь место вариации, амплитуда которых всегда меньше постоянной компоненты. Физическая природа и структура локального поля часто может быть установлена.
Региональное поле является по своему существу нестационарным переменным полем, особенно в периоды электромагнитных возмущений; в спокойные периоды оно носит в среднем характер незатухающих колебаний с более или менее выдержанной повторяемостью по форме в различные интервалы времени. Следующие параграфы этой главы мы посвящаем рассмотрению естественного электрического регионального поля в земной коре, которое будем просто называть теллурическим полем. Естественные электрические локальные поля в земной коре будут рассмотрены особо в следующей главе.
|
