Михаил Галисламов - Тунгусский и Челябинский метеориты. Научные мифологемы

Земля заряжена отрицательно, ее полный электрический заряд равен 6⋅10 5Кл [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 z= 130 В/м [9. С. 381]. На высоте 1 км напряженность земного поля падает до 40 В/м. На высоте 10 км поле Е zне 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 [85. С.175]. Быстрое убывание Ес 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.

Твердую оболочку Земли (земную кору) слагают различные типы горных пород, состоящие из определенного сочетания минералов, в состав которых входят различные химические элементы. Земная кора больше 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 +4, а в вершинах – ионы кислорода О –2, которые создают четырехвалентный радикал [SiO 4] –4. Частичная замена ионов кремния на трехвалентные ионы алюминия приводит к возникновению у такого соединения некоторого дополнительного отрицательного заряда. В земной коре минералы находятся (преимущественно) в кристаллическом состоянии, незначительная часть – в аморфном [86. С. 21]. К основным электромагнитным свойствам горных пород относится: удельное электрическое сопротивление, электрохимическая активность, диэлектрическая и магнитная проницаемости, поляризуемость.

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. Многие вещества в кристаллическом состоянии, в отличии от металлов, 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 будет зафиксирован противоположно направленный ток, который постепенно ослабевает и стремится к нулю. Оказалось, что кристаллы поляризуются, величина этой поляризации может достигать многих тысяч вольт. Это явление объяснили образованием встречной поляризации. В газе стационарное состояние, 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 (0,5 сек.) 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 [87].

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. 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 [88]. 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. Происходит разделение зарядов, как при непосредственном их переносе сквозь диэлектрик [89]. Явления, разные по своей физической природе, 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 3до 10 –7(Ом⋅м) –1и 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. Рождение глубинной геоэлектрики произошло в 50-е годы, когда была высказана идея о возможности применения естественного электромагнитного поля внешнего происхождения для исследования электропроводности Земли. Его создают (главным образом) токовые системы, расположенные в ионосфере и магнитосфере Земли. 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 [90]. Это отношение, названное импедансом Z , может быть вычислено по любой паре ортогональных компонент, то есть