Путешествие в космос - Электромагнетизм космических тел

18. О прогнозировании землетрясений

Первые высказывания о том, что между землетрясениями и электромагнитными явлениями имеется взаимосвязь, имеют почти уже вековую давность. Впрочем, если учесть, что свечение атмосферы перед землетрясениями было отмечено еще в древнем Риме в 373г. до н. э. (а это свечение, как мы сейчас понимаем, есть следствие аномального усиления электрического поля), этот период времени существенно удлиняется. Однако эти давно замеченные явления все еще не нашли достаточно полного истолкования. Мы здесь попытаемся показать, какое отношение к этим явлениям может иметь бароэлектрический эффект.

Планета, модель которой была использована выше, предполагалась сферически-симметричной.

Естественно, это отступление от сферической симметрии отражается и на распределении давлений, что должно приводить к наблюдаемым и над земной поверхностью вариациям электрического и магнитного полей. Наиболее существенно здесь следующее: несферичность поверхностей постоянного значения потенциала (изобар) может привести к возникновению у бароэлектрического поля внутри планеты не только вертикальной, но также и горизонтальной составляющей. Плотность электрических зарядов, возникающих благодаря бароэлектрическому эффекту, оказывается зависящим в этом случае от широты, и долготы, а не только от г. Это изменение важно хотя бы уже потому, что электрическое поле, порождаемое таким распределением зарядов, захватывает и область над поверхностью планеты, тогда как в сферически-симметрическом варианте, напомним, бароэлектрическое поле существует только внутри планеты и скачком обращается в нуль за ее пределами.

Локальное повышение (впрочем, и понижение) давления приводит к тому, что избыточная плотность энергии электронов в некоторой области увеличивается, что порождает переходы электронов из этой области в окружающие. Такое перераспределение зарядов только в одном случае — когда сохраняется центральная симметрия — не приводит к проникновению электрического поля в область над поверхностью планеты. Во всех остальных случаях появляющийся в таких локальных областях положительный заряд и отрицательные заряды окрестных областей, куда «выдавливаются» электроны, должны создавать электрическое поле, которое проявляется и над поверхностью планеты.

Появление областей «аномального» давления должно отражаться не только на бароэлектрических, но и на баромагнитных полях. Если такая локализованная область аномальных давлений покоится относительно планеты, то связанные с ней избыточные электрические заряды порождают и над поверхностью планеты и магнитное, и электрическое поле.

К сожалению, продвижение в исследовании бароэлектрических полей пока еще недостаточно: если слежение за магнитным полем проводится регулярно во многих пунктах, то с измерениями электрического поля дело обстоит далеко не так хорошо. Хотелось бы надеяться, что это положение в обозримом будущем исправится, на что кстати, даже не потребуется значительных затрат.

Мы упоминали выше о гравитационных аномалиях. В свете сказанного выше понятно, что должны также существовать и коррелированные с ними магнитные и электрические аномалии. Корреляции между гравитационными и магнитными аномалиями действительно обнаружены уже довольно давно. Данные о корреляциях между гравитационными аномалиями и аномалиями в распределении электрического поля нам не встречались. Есть основания предполагать, что здесь опять проявляется уже упомянутая выше неполнота информации о геоэлектрическом поле вообще, хотя нужно указать и другую причину: такие исследования требуют довольно сложных методов обработки результатов измерений, поскольку напряженность электрического поля достаточно прихотливо меняется со временем.

Упомянув о гравитационных аномалиях, уместно заметить, что они часто выглядят статичными, т.е. если и меняющимися со временем, то весьма медленно. Аналогично статичными выглядят и коррелирующие с ними магнитные (и, как вытекает из наших рассуждений, — и электрические) аномалии. Такие корреляции, по-видимому, несколько затруднительно объяснять в рамках моделей динамо, тогда как теория бароэлектрического эффекта позволяет дать им естественное и наглядное истолкование.

Если распределение давлений нестационарно, физические процессы, приводящие к появлению вариаций электромагнитных полей, можно разбить на две группы: к одной из них можно отнести «квазиравновесные» по введенной выше терминологии перераспределения зарядов, вызываемые градиентами давлений — эти перераспределения ответственны за бароэлектрические вариации полей; ко второй группе отнесем магнитогидродина-мические механизмы появления вариаций магнитного поля, обусловленных вариациями внутренних дифференциальных движений в проводнике (мы выше фактически игнорировали эти процессы). Заметим, что электрическое поле, возникающее благодаря второй из указанных групп явлений, чаще всего выступает как вихревое, порождаемое изменениями магнитного поля, а не непосредственно зарядами, в отличие от полей кулоновского типа.

Многочисленные данные, касающиеся электромагнитных предвестников землетрясений, уже дают важную информацию. Появление в качестве одного из предвестников электрического поля во многих случаях не вызывает сомнений. Иногда это поле оказывается столь значительным, что может вызывать и свечение атмосферы, о чем было упомянуто выше.

Читателю, возможно, приходилось читать и о различных народных приметах надвигающихся землетрясений. Вот хотя бы две из них: вода в колодцах, говорят, становится более соленой, необычно ведут себя животные и даже насекомые.

Что касается воды, возможно, здесь действительно сказывается увеличение потока выталкиваемых из земли возрастающим бароэлектрическим полем положительных ионов. Воздействие же вариаций электрического поля на живые организмы — это пока еще огромная terra incognita.

Перед землетрясениями напряженности полей (здесь опять более полные данные относятся к магнитным полям) часто изменяются таким образом: вначале поле начинает возрастать, причем это возрастание происходит медленно и может значительно опережать сейсмическое событие, а непосредственно перед ним резко спадает. Такой временной ход нетрудно объяснить, если принять бароэлектрический механизм появления предвестников: постепенное локальное повышение внутренних напряжений, а затем их быстрое снятие, сопровождающееся нередко сейсмическим событием, должно вызывать именно такую картину изменения полей во времени. И здесь уместно отметить, что объяснение этой картины при помощи других механизмов появления предвестников часто затруднительно.

Довольно распространенным является мнение, что появление полей обязано эффектам типа пьезоэлектрических. Хотя прямой пьезоэлектрический эффект проявляется, как известно, лишь в определенных анизотропных диэлектриках, причем лишь при должным образом приложенных напряжениях, что делает маловероятной реализацию всех таких условий в природе, все же полностью сбрасывать со счетов такой механизм не следует. Более того, обсуждаемый нами бароэлектрический эффект можно — хотя это и некоторая вольность — воспринимать как «пьезоэлектрический эффект в неоднородно напряженных проводниках», хотя это не вносит дополнительной ясности в обсуждаемый круг вопросов.

По поводу же электрических явлений, возникающих при разрушении твердых тел, хотелось бы добавить к сказанному выше следующее. То что при образовании трещин возникают перераспределения зарядов и в трещинах образуются значительные электрические поля, — все это, конечно, весьма важно для прогнозирования землетрясений; но такое прогнозирование, по-видимому, чаще всего окажется кратковременным. Для долговременного прогнозирования нужно научиться замечать накопление локальных внутренних напряжений в толще Земли в тот период, когда эти напряжения еще не доходят до «предела прочности», т. е. когда разрушения еще не начинаются, когда еще не возникают трещины, так что и не могут проявляться электрические процессы, сопровождающие их появление и развитие.

По нашему мнению, роль бароэлектрического эффекта делается при этом ведущей. Но и позже, когда дело уже доходит до разрушений, значение этого эффекта как источника полей-предвестников не умаляется. Добавим, что экспериментальное и теоретическое исследование роли бароэлектрического эффекта в формировании тех электродинамических процессов, которые проявляют себя на различных стадиях подготовки и протекания разрушений, пока еще даже толком и не начиналось.

В свете сказанного выше понятно, какое большое значение могут иметь лабораторные исследования явлений, проводимые, в частности, в Институте Физики Земли, равно как и работы по взрывному моделированию источников электромагнитных предвестников землетрясений.

Появление трещин и разломов при сейсмических событиях может быть связано и еще с одним эффектом, который нужно хотя бы кратко обсудить. Как уже отмечалось выше, бароэлектрическое поле является «безваттным» и потому в статических ситуациях оно не может порождать токов. Однако если под действием внешних сил в среде возникают движения, если, в частности, одни стенки трещин начинают перемещаться относительно других, то создаются условия, напоминающие то, о чем мы выше говорили, обсуждая метод Кельвина для измерения контактных разностей потенциалов. Тогда мы пытались подчеркнуть, что даже «безваттное» электрическое поле порождает токи, если существует приток энергии в систему извне.

Бароэлектрические поля у поверхности планет, как мы постарались показать выше, весьма значительны, поэтому легко понять, что токи, могущие создаваться за счет движений в проводнике, пронизанном таким бароэлектрическим полем, также могут (при достаточно энергичных движениях) оказаться большими. Внешне это даже может быть подобно явлению пробоя, напоминающего подземную грозу*.

Идея о подземных грозах была высказана еще в начале века. Тогда же появилась и довольно фантастическая гипотеза о том, что они могут не только сопровождать землетрясения, но и стать их причиной; согласно изложенному выше, авторы этой гипотезы меняют местами причину и следствие. Магнитное эхо такой «грозы» может быть замечено и над поверхностью Земли.

Протекающие в недрах Земли процессы, приводящие в конечном итоге к землетрясениям, в частности и те градиенты давлений, которые при этом возникают, могут быть весьма разнообразными, как по их временному протеканию, так и по пространственному распределению. Поэтому невозможно указать единую и универсальную карту полей-предвестников всех землетрясений. Однако можно указать некоторые общие качественные черты этих предвестников: появление постепенно и регулярно нарастающих напряженностей полей, а затем их резкое уменьшение.

В завершение остановимся на обсуждении возможностей поляриметрических методов прогнозирования землетрясений. Поскольку такие методы прежде никем не рассматривались, остановимся на этом пункте подробнее. Но прежде следует напомнить читателю, что такое поляризация света.

Долгое время оптика и наука об электрических им магнитных явлениях относились к различным и несвязанным областям физики. Пожалуй, первым, кто перекинул мостик между этими ее разделами, был великий Фарадей.

Важнейший, решающий шаг был сделан в 1865 г. Джеймсом Клерком Максвеллом, открывшим, что свет имеет электромагнитную природу, что он представляет собой электромагнитные волны.

Волны — распространяющиеся колебания — уже давно заняли видное место в физике. Долгое время слова «физика» и «механика» могли восприниматься как синонимы, и поэтому волны считали исключительно механическими, понимали как распространение механических колебаний. Если колебания частичек среды происходит в направлении распространения волны, то ее называют продольной (таковы, например, звуковые волны в газах и жидкостях), а если перпендикулярно к этому направлению — поперечными (такие волны возможны в веществах при наличии упругости формы, в твердых телах). Если речь идет о поперечной волне, то нужно еще знать, какова поляризация, т.е. в каком из направлений происходят колебания.

Как уже отмечалось, сам Максвелл принимал истолкование электродинамики как механики особой среды — всепроникающего эфира, напряжения в которой и описывают электромагнитное поле.

Электромагнитные волны истолковывались как поперечные волны в эфире, как направленные перпендикулярно к направлению распространения волн колебания напряженности электрического и магнитного полей. Если эти колебания происходят неизменно в одной и той же плоскости, то и волна называется плоско- (или линейно-) поляризованной. Если плоскость колебаний случайным образом меняется со временем, то такую волну называют неполяризованной (в случае света — естественной). Естественный свет удобно рассматривать как наложение двух линейно поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях волн, распространяющихся в одинаковых направлениях, сдвинутых случайным образом по фазе.

Представление о свете как о поперечных волнах было в физике и до Максвелла. Особенно значительны здесь заслуги Огюс-тена Жана Френеля. Поистине как чудо воспринимается, в частности, тот факт, что Френель (до появления трактата Максвелла, когда еще никто не подозревал, что свет представляет собой электромагнитную волну!) теоретически вывел законы отражения и преломления света на границе раздела сред.

Френель, в частности, выяснил, что на отражение влияет и поляризация. Постараемся наглядно объясняется это влияние.

Для этого нам придется мысленно перенестись в 1875 г., когда 22-летний Хендрик Антон Лоренц защитил в Лейденском университете докторскую диссертацию «К теории отражения и преломления света». Теория Лоренца базировалась на только недавно появившейся (и не только не получившей тогда общего признания, но даже и понятой лишь немногими физиками) теории Максвелла и на представлении, что основная, наиболее активная роль в электромагнитных процессах в веществе принадлежит электронам. Поразительнее всего, что это положение было выдвинуто Лоренцом почти за два десятка лет до того, как был «узаконен» сам факт существования электронов!

Теперь, задним числом, можно обосновать точку зрения Лоренца тем, что электрон — легчайшая из заряженных частиц в атоме, и поэтому он больше всего реагирует на воздействие электрических и магнитных полей.

Если на поверхность тела падает электромагнитная волна, она вызывает (в основном, благодаря действию ее электрического поля) колебания электронов в атомах, а начав колебаться, эти электроны сами становятся источниками вторичных волн — как отраженных, так и преломленных.

Важно вспомнить, что вторичные волны испускаются колеблющимся электроном, в основном, в направлениях, перпендикулярных к направлению колебаний, а в торцовом направлении, т. е. в направлении колебаний не испускаются вовсе. Поэтому, если падающий свет естественный, то в отраженном свете будут преобладать волны, в которых напряженность электрического поля параллельна поверхности отражающего тела. Это означает, что при отражении естественного света возникает свет (частично) поляризованный. Изучение поляризации света, отраженного от поверхности небесных тел (это называется поляриметрическими исследованиями) стало одним из ценных источников информации об этих телах.

Поляриметрические исследования небесных тел начались еще в XIX веке, когда Доминик Франсуа Араго обнаружил, что свет Солнца, отраженный от поверхности Луны, частично поляризован. Впоследствии к этому добавились исследования поляризации при отражении от ряда других небесных тел (деталей Марса, Венеры, Юпитера, Сатурна и некоторых их спутников).

Поляризация отраженного света зависит и от того, что собой представляет отражающее тело. Важен не только его химический состав, но и то, является оно изотропным (т.е. одинаковы ли его свойства по разным направлениям) или, как многие кристаллы, — анизотропным. Анизотропия может порождаться и наличием электрического поля.

Поверхность Луны, как показывают многочисленные (в первую очередь, оптические) исследования, чрезвычайно пориста и, кроме того, покрыта обломками вулканических пород или многочисленными пересекающимися трещинами. Но воздействие довольно значительного (как то указывалось выше) бароэлектрического поля вблизи поверхности Луны должно вызвать появление наведенной анизоропии (это называется эффектом Керра), что должно проявиться и в поляризации отраженного от ее поверхности света Солнца. Это и открывает возможность дистанционного исследования селеноэлектрического поля.

Но какое отношение все это может иметь к прогнозированию землетрясений на Земле?

Геофизики уже интересовались поляризацией света Солнца, отраженного от поверхности Земли, но еще не проводился детальный анализ того, меняется ли картина поляризации в связи с сейсмическими событиями. Но ведь именно это наиболее важно для их прогнозирования. Когда в периоды, предшествующие землетрясениям, нарастают локальные напряжения в какой-то области внутри Земли, это, как следует из вышеизложенного, должно отразиться и на электрическом поле, что и должно повлечь за собой изменение картины поляризации отраженного света.

Учитывая, что все планеты Земной группы, включая и Луну, имеют сходный химический состав, что данные о поляризации Луны приводят к оценкам для напряженности селеноэлек-трического поля у ее поверхности, близкие к тем локальным вариациям бароэлектрического поля Земли, которые должны возникать, когда механические напряжения приближаются к пределу прочности пород, есть основания ожидать эффективности метода прогнозирования землетрясений при помощи поляриметрического мониторинга поверхности Земли.

* Любопытно следующее сообщение: «Измерения проводились в скважине, пробуренной в плейстосейстовой области (район Ташкента) на глубину 500 м. В забое скважины был заилен электрод в виде металлической трубы диаметром 0,1 и длиной в 4 м. Вторым электродом являлась обсадная стальная труба длиной 40 м. Электроды были связаны коаксиальным кабелем.

При активизации сейсмической деятельности обнаружено интенсивное стекание электрических зарядов с внешних концов кабеля на поверхность Земли. Разность потенциалов между электродами, судя по нарушению изоляции кабеля, достигала 5 4-10 кВ».

<<<Назад Страница 20 Далее>>>

WalkInSpace.Ru

Правила:

«Путешествие в космос» © 2024

Использование материалов допускается при условии указания авторства WalkInSpace.ru и активной ссылки на www.WalkInSpace.ru.

Используются технологии uCoz