Механизм взрыва Тунгусского и Челябинского «метеоритов». Природа аномалий при землетрясениях и цунами

7. Физические свойства Земли

7.1. Физика атмосферы

Атмосфера – Ввнешняя газовая оболочка Земли, которая простирается приблизительно на 3000 км в космическое пространство. С высотой в ней меняются: давление, плотность, температура и другие физические свойства. Атмосфера содержит следующий химический состав (по объему): азот – 78,09%, кислород – 20,95%, аргон – 0,93%, углекислый газ – 0,03%. На долю остальных газов приходятся тысячные доли процента и меньше. До высоты 100 км химический состав воздуха существенно не меняется. Несколько выше 100 км атмосфера состоит главным образом из азота и кислорода. На высотах 100—110 км, под действием ультрафиолетовой излучения Солнца, молекулы кислорода расщепляются на атомы, появляется атомарный кислород. Выше 110-120 км кислород почти весь становится атомарным. Предполагается, что выше 400—500 км газы, составляющие атмосферу, также находятся в атомарном состоянии.

Атмосфера Земли, в результате температурных изменений, на разных высотах имеет слоистую структуру. По температурным и физическим условиям атмосферу делят на пять слоев. Вверх от поверхности Земли расположены: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера, экзосфера [87, 88]. Тропосфера – нижний слой атмосферы Земли до высоты 10—18 км. Содержит около 80% массы всей атмосферы, взвешенную в атмосфере пыль и почти вся воду. Вертикальная мощность тропосферы значительно зависит от характера атмосферных процессов и достигает 18 км. Слой тропосферы не подвержен суточным и сезонным изменениям в экваториальной и тропической зоне. Над приполюсными и смежными областями верхняя граница тропосферы лежит на уровне 8—10 км. В средних широтах она колеблется от 8 до 16 км. Переходный слой между тропосферой и вышележащей сферой (толщиной 1—2 км) носит название тропопаузы. Выше нее, от высот 8—17 до 50—55 км, простирается стратосфера. Давление и плотность воздуха с высотой быстро уменьшаются. Основная масса атмосферы размещается в нижних слоях, прилегающих к поверхности земли. В слое между уровнем моря и высотами 5—6 км сосредоточена половина массы атмосферы, в слое 0—16 км – 90%, в слое 0-30 км – 99%. Вес воздуха у поверхности земли равен 1033 г/м, на высоте 20 км он равен 43 г/м. Быстрое уменьшение массы воздуха происходит на высоте выше 30 км, на высоте 40 км вес составляет 4 г/м. Высота слоя зависит от географической широты и времени года. Между слоями нет резких границ, некоторые из них частично перекрываются. 3 3 3

Начиная с высоты около 25 км, температура с высотой растет, достигая на высоте ~ 50 км (у границ слоя) максимальных положительных значений (+30 °С). Повышение температуры в этой сфере вызвано наличием озона. Под действием ультрафиолетовой радиации Солнца, молекулы кислорода расщепляются на атомы, появляется атомарный кислород. В процессе диссоциации молекулярного кислорода, ультрафиолетовое излучение поглощается. В слое возникают реакции, приводящие к образованию молекул озона (О) О + О → О. Слой озона занимает часть стратосферы на высоте от 20 до 25 км (в тропических и умеренных широтах), в полярных – 15—20 км. Наличие в атмосфере озона меняет ее свойства. Он защищает живую природу от действия ультрафиолетовых и других коротковолновых излучений. Играет большую роль в создании режима температуры и воздушных течений в стратосфере. Излучения с длиной волны короче 290 полностью поглощаются слоем озона, находящимся на высотах от 18 до 50 км (максимум плотности на высоте около 25 км). Общая толщина слоя озона, приведенного к нормальным условиям, т. е. к давлению 760 мм ртутного столба и температуре 0 °С, составляет около 3 мм. Температура воздуха в слое 10—40 км в высоких широтах зимой и летом резко различается. Зимой она опускается до —75 °С. Летом, вблизи тропопаузы, температура увеличивается до —45 °С. Выше тропопаузы температура растет и на высоте 30—35 км достигает —20 °С, что обусловлено прогреванием воздуха от слоя озона. В стратосфере очень мало водяного пара. Здесь не происходит процессов образования облаков и выпадения осадков. Ранее считали: газы в стратосфере разделены по слоям, в соответствии со своими удельными весами. Предполагалось, что при равенстве поглощенной и отраженной солнечной радиации, образуется равновесие температур в стратосфере и перемешивания воздуха не происходит. Данные, полученные с помощью радиозондов и метеорологических ракет, показали: происходит интенсивная циркуляция воздуха ветром, температура изменяется в больших пределах. 3 2 3

Над различными частями Земли количество озона неодинаково. Спектроскопическими методами в 1984 г. в слое над Антарктидой была обнаружена «озоновая дыра» [89]. Спутниковые измерения позволили "оконтурить" озоновую дыру и следить за ее изменениями. Депрессия озона, или озоновая «дыра», развивается в Антарктике ежегодно в весенний период. Разрушение озона в  области, ограниченной стратосферным полярным вихрем, демонстрирует значительные межгодовые флуктуации, интенсивность которых сравнима с величиной многолетнего отрицательного тренда содержания озона, наблюдающегося с начала 80-х годов прошлого века [90]. Озоновая «дыра» над Антарктикой с 2014 по 2019 гг. уменьшилась с 20,9 до 9,3 млн. км. По мнению ученых, межгодовые флуктуации, являясь следствием причин динамического характера, не позволяют однозначно определить многолетний тренд общего содержания озона. 2

Над стратосферой, примерно до высоты 80 км, лежит слой мезосферы. Наблюдениями с помощью метеорологических ракет установлено, что общее повышение температуры, наблюдающееся в стратосфере, заканчивается на высотах 50-55 км. Выше этого слоя температура понижается и у верхней границы мезосферы достигает —90 °С. Понижение температуры в мезосфере с высотой на различных широтах и в течение года происходит неодинаково. В низких широтах снижение температуры происходит более медленно, чем в высоких широтах. Средний для мезосферы вертикальный градиент температуры равен 0,23—0,31 °С на 100 м. Температура в мезосфере опускается до —138 °С. В верхней мезосфере (в слое мезопаузы) понижение температуры с высотой прекращается. Как показали новейшие исследования в высоких широтах, температура на верхней границе мезосферы летом на несколько десятков градусов ниже, чем зимой [91].

Атмосфера, лежащая выше 80 км, состоит главным образом из азота и кислорода. Выше мезосферы, на высоте от 80 до 800 км над поверхностью Земли, расположена термосфера, для которой характерно повышение температуры с высотой. По данным, полученным с помощью ракет, установлено, что в термосфере уже на высоте 150 км температура воздуха достигает 220—240 °С, а с высоты 200 км – более 500 °С. С ростом высоты продолжает повышаться температура. На отметке 500—600 км она превышает 1500 °С. С помощью искусственных спутников, было установлено, что температура в верхней термосфере, достигая 2000 °С, в течение суток значительно колеблется. Температура газа – это мера средней скорости движения молекул. В высоких слоях, где плотность воздуха очень мала, столкновения между молекулами, находящимися на больших расстояниях, очень редки. Чем вызван подъем температуры в высоких слоях атмосферы, ученые не знают. На высотах выше 110—120 км кислород почти весь становится атомарным. В сумерки, или перед восходом солнца, при ясной погоде, здесь наблюдаются тонкие облака серебристо-синего цвета, уходящие за горизонт. Природа серебристых облаков изучена слабо.

Давление и плотность воздуха с высотой быстро уменьшаются. Воздух разрежен на высоте 300—400 км и выше. В течение суток его плотность сильно изменяется. Исследования показывают, что изменение плотности согласуется с положением Солнца. Наибольшая плотность воздуха – около полудня, наименьшая – ночью. Объясняют тем, что верхние слои атмосферы реагируют на изменение электромагнитного излучения Солнца. Предполагается, что газы, составляющие атмосферу выше 400—500 км, находятся в атомарном состоянии. Поверхность, разделяющая термосферу от экзосферы, испытывает колебания в зависимости от изменения солнечной активности и других факторов. Экзосфера (сфера рассеяния) – самая верхняя часть атмосферы, расположена выше 800 км. Она мало изучена. По данным наблюдений температура в экзосфере с высотой возрастает предположительно до 2000°. Частицы в экзосфере, двигаясь с огромными скоростями, почти не встречаются друг с другом.

7.2. Ионосферные слои в атмосфере

В начале XX века большой вклад в понимание физики атмосферного электричества внес шотландский физик Ч.Т.Р. Вильсон, лауреат Нобелевской премии по физике за 1927 год. Он обнаружил наличие ионов в атмосфере и показал, что Земля заряжена отрицательно, а космические лучи вызывают разрядку планеты. Согласно теории, атомы и молекулы, потерявшие один или несколько электронов, становятся положительно заряженными, а свободный электрон может присоединиться снова к нейтральному атому или молекуле, передавая им свой отрицательный заряд. Согласно теории, положительно и отрицательно заряженные атомы и молекулы называются ионами. Ионы и свободные электроны делают газ проводником электричества.

Ионосфера – область атмосферы выше 50 км, содержит заряженные частицы. Особенностью атмосферы выше 60-80 км является ее ионизация, т. е. процесс образования огромного количества электрически заряженных частиц – ионов. Атмосфера Земли представляет слоистую систему. В ней выделяют три основных области ионизации: D (80км), E (110км) и F-слой, который делится на F1 (170км) и F2 (250км) [46]. Ионосферная плазма – это среда, в которой присутствуют электроны и ионы тепловых энергий, являющиеся результатом ионизации составляющих нейтральной атмосферы электромагнитными и корпускулярными излучениями [47].

Высокие слои атмосферы менее всего изучены. Ранее предполагали, что верхняя граница атмосферы находится на высоте около 1000 км. Представление ученых об ионосфере изменилось, после запуска искусственных спутников Земли. Результаты исследований показали, что околоземное пространство заполнено заряженными частицами. На основе торможения искусственных спутников Земли было установлено, что на высотах 700—800 км в 1 см содержится до 160 тысяч положительных ионов атомного кислорода и азота. 3

В исследовании высоких слоев атмосферы и околоземного пространства используются данные, получаемые со спутников серии «Космос» и космических станций. Применение ракет, а позже спутников, позволило непосредственно измерить ионный состав и другие физические характеристики ионосферы на всех высотах. Установлено, что концентрация электронов () распределена в слоях по высоте неравномерно: имеются области, где она достигает максимума. Таких слоев, расположенных на разных высотах, в ионосфере несколько, они не имеют резко выраженных границ. На высоте 60—470 км имеется сплошной массив ионизованного газа с отдельными неоднородностями. Ранее предполагалось, что в ионосфере имеются четыре основных ионизованных слоя: слой D (на высоте 50 км), слой Е (110—120 км), слой F1 (120—200 км) и слой F2 (250—400 км). Средняя концентрация ионизованных частиц (электронов/см): слой D – имеет концентрацию 10, слой Е – 10, слой F1 – 5 ⋅ 10, слой F2 – 10 [92]. Национальный стандарт Российской Федерации [87] уточнил местоположение слоев: n е 3 4 5 5 6

Область F – часть ионосферы, расположенная над поверхностью Земли на высоте более 140 км.

Область Е – часть ионосферы, расположенная приблизительно между 90 и 140 км над поверхностью Земли.

Область D – часть ионосферы, расположенная приблизительно между 50 и 90 км над поверхностью Земли.

Слой F2 – верхний из двух ионизированных слоев, на которые может распадаться область F.

Слой F1: нижний ионизированный слой из двух слоев, на которые может распадаться область F.

Слой E (спорадический): узкий, нерегулярно образующийся слой на высотах области Е. S

Максимуму ионизации соответствует верхний слой (F2). Положение ионосферных слоев и концентрация ионов в них все время меняются. Все зависит от солнечной активности. В ионосфере наблюдаются полярные сияния, а также резкие колебания магнитного поля – ионосферные магнитные бури. Температура в ионосфере растет с высотой до очень больших значений. На высотах около 800 км она достигает 1000°. От степени ионизации зависит электропроводность атмосферы. Проводимость ионосферы в 10 раз больше, чем у земной поверхности. В ионосфере различают две части: простирающуюся от мезосферы до высот порядка 1000 км и лежащую над нею внешнюю часть. На высоте около 2000-3000 км газы, постепенно разрежаясь, переходят в мировое пространство. С помощью спутников и геофизических ракет установлено существование в верхней части атмосферы и околоземном космическом пространстве радиационного пояса Земли, начинающегося на высоте нескольких сотен километров и простирающегося на десятки тысяч километров от земной поверхности. Радиационные зоны опасны для людей, совершающих полеты на космических кораблях. 12

7.3. Электрическое поле Земли

Земля заряжена отрицательно, ее полный электрический заряд равен 6 ⋅ 10 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 (), 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 = 130 В/м [9. С. 381]. На высоте 1 км напряженность земного поля падает до 40 В/м. На высоте 10 км поле 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 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. 5 Е Е Е Е Z Z

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 , , , , , , , . При этом свыше 80% составляют кислород, кремний и алюминий. В его центре находится ион кремния , а в вершинах – ионы кислорода , которые создают четырехвалентный радикал [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. О Si Al Fe Mg Ca Na К Si О SiO 4+ 2— 4

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 3 —7 —1

= / = – /. (7.1) Z E H E H x y y x

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 () выражается следующей формулой [99]: r к

= ||/, (7.2) r Z wμ к 2

= 2/, (7.3) w π Т

где μ = 4π·10 Генри/м – магнитная проницаемость вакуума, – частота вариации поля, 1/с, – период вариации в секундах, Z – в Ом. —7 w T

Значения близки к истинному значению удельного сопротивления только в предельных случаях. При очень малых значениях периода, когда поле не проникает в нижележащий слой, значение равно удельному сопротивлению первого слоя. Регистрируя вариации естественного электромагнитного поля в широком интервале периодов, можно построить зависимость кажущегося удельного сопротивления от периода. Зависимость 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. r r r к к к