ТЕЛЛУРИЧЕСКИЕ ТОКИ, КАК ОДНА ИЗ ГЛАВНЫХ ПРИЧИН СЕЙСМИЧНОСТИ И ВУЛКАНИЗМА
Гришаев А.А.
Введение.
Несмотря на многолетние усилия специалистов, научные методы прогнозирования землетрясений и извержений вулканов до сих пор не разработаны. Такое положение дел, на наш взгляд, в основном связано с тем, что в современной геофизике, к сожалению, отсутствует понимание причин этих грозных природных явлений.
Так, для образования вулканических лав, очевидно, требуется тепло; но ни источник, ни механизм концентрации этого тепла – не установлены. Известно, в частности, что этим источником не может быть энергия радиоактивных превращений, поскольку расположение вулканов практически не коррелирует с районами, в которых отмечается повышенная радиоактивность.
Что касается источника энергии землетрясений, то считается, что он установлен: это энергия механических напряжений в земной коре. Но, поскольку пояса сейсмической активности распределены по земной поверхности неравномерно, то требуется объяснить, почему механические напряжения земной коры возникают преимущественно в этих поясах. Для случая тихоокеанского «горячего кольца», на которое приходится 80% сейсмической энергии Земли [1], принятое в науке объяснение ссылается на тектонические подвижки материковых и океанических плит (см., например, [2]). Считается, что, давя друг на друга, они деформируются, и возникающие при этом напряжения сбрасываются посредством землетрясений. Однако, тектоническая модель, прежде всего, содержит логический подвох. Действительно, постулируется, что существуют отдельные жёсткие плиты, и что должна иметь место сейсмичность при их пограничном взаимодействии. Наблюдаемая сейсмичность, казалось бы, подтверждает эту модель. Но авторы [3] обращают внимание на то, что именно на основе расположения сейсмических поясов проводилось оконтуривание плит, и делают логичный вывод: «…сама по себе локализация эпицентров на окраинах плит не может служить подтверждением их границ». Спрашивается: да справедлив ли постулат об отдельных жёстких плитах? Экспериментальные факты, свидетельствующие не в пользу этого постулата, приведены, например, в работе [4], а также в недавней статье [5]. Мы, в свою очередь, добавим два замечания. Во-первых, если к землетрясениям приводят деформации, возникающие при «типичном дрейфе» плит на 3 см в год, то непонятно, почему без последствий остаются ещё большие горизонтальные деформации плит, происходящие дважды в сутки – из-за приливов-отливов твёрдой коры. Во-вторых, во многих точках «горячего кольца» слабые землетрясения происходят чаще, чем раз в год. В рамках тектонической модели это означает, что, при характерном размере плиты в 3000 км, разрушения в ней происходят при относительных деформациях, меньших чем 10-8. Но монолитов из материала с такой выдающейся хрупкостью в природе не существует: они крошились бы под своим собственным весом из-за вертикальных деформаций в поле силы тяжести на поверхности Земли. С учётом вышеизложенного, тектоническая модель происхождения землетрясений представляется нам совершенно неправдоподобной.
Напротив, нередко наблюдающиеся такие предвестники землетрясений, как свечение воздуха и отключенных люминесцентных ламп, коронирование острий, а также регистрируемые приборами аномально сильные электрические и магнитные поля – свидетельствуют о том, что сейсмичность и вулканизм каким-то образом связаны с геоэлектричеством. В настоящей работе предлагается модель, придающая этой связи самый непосредственный характер: согласно этой модели, источником энергии землетрясений и извержений вулканов является джоулево тепло, которое выделяется в местах концентрации теллурических токов.
Следует оговорить, что изложенные здесь представления имеют, скорее, качественный характер, чем количественный, поскольку на сегодняшний день геоэлектрические явления изучены ещё весьма слабо. Тем не менее, даже на качественном уровне удаётся, в рамках единого подхода, дать объяснение ряду загадочных явлений – начиная от происхождения глубоководных впадин и срединно-океанических хребтов [6], и заканчивая усилением сейсмической и вулканической деятельности при повышении солнечной активности.
Главная причина теллурических токов.
Известно, что при движении проводника со скоростью v в магнитном поле H, в проводнике возникает разность потенциалов в соответствии с индуцированным электрическим полем E ind:
E ind = m0 [ vH ], (1)
где m0 - магнитная проницаемость вакуума. Земная поверхность является проводящей, и она движется, из-за суточного вращения планеты, в её магнитном поле. Следовательно, экватор должен быть заряжен отрицательно относительно полюсов, причём интегральная разность потенциалов между экватором и полюсом должна составлять примерно 80 киловольт.
Странным образом, современная наука игнорирует этот вывод. Так, среди нескольких разновидностей электрических токов в океанах (см., например, [7]) учёные выделяют индукционные токи, но в качестве движущихся водных масс рассматриваются лишь океанические течения; при этом игнорируется тот факт, что весь Мировой океан движется из-за суточного вращения Земли. Таким образом, учитываются скорости водных масс лишь в геоцентрической вращающейся системе отсчёта, но не учитываются на 2-3 порядка большие скорости в геоцентрической невращающейся системе отсчёта, которые в данном случае являются локально-абсолютными (см., например, [8]); они-то и должны входить в уравнения не только механики, но и электродинамики. Игнорирование локально-абсолютного движения поверхности Земли делает картину происходящего неполной, и поэтому неудивительно, что происхождение теллурических токов до сих пор остаётся загадкой.
Напротив, приведём результаты подхода, в котором учитываются локально-абсолютные движения. Вспомним, что на высоте ~100 км над земной поверхностью находится нижняя граница ионосферы – той области атмосферы, в которой свободные заряженные частицы, которые образуются, в частности, из-за ионизирующего действия ультрафиолетового излучения Солнца, могут двигаться практически без столкновений с нейтральными частицами, т.е. практически только под действием электрических и магнитных сил. Эти заряженные частицы в совокупности стремятся двигаться так, чтобы достигалась и поддерживалась их равновесная конфигурация. При этом, одним из факторов, влияющих на равновесную конфигурацию ионосферных зарядов, является распределение заряда на земной поверхности. Если, как отмечалось выше, на площадях вблизи экватора увеличена плотность электронов, то в экваториальном поясе нижней ионосферы должны доминировать положительные ионы, поскольку свободные электроны, имеющие меньшую инертность, должны концентрироваться в полярных областях. Так и происходит в действительности, причём фигуры, в которых концентрируются электроны, представляют собой не «полярные шапки», а «полярные нимбы». Именно такая конфигурация является равновесной, поскольку объёмный отрицательный заряд в каждом сегменте нимба отталкивается не только от отрицательных зарядов на экваторе, но и от остальных сегментов нимба – и поэтому, чем больше полное число свободных электронов в ионосфере, тем больше радиусы полярных нимбов. Следует добавить, что в полярных нимбах наиболее благоприятны условия для рекомбинации положительных ионов и электронов, и не случайно области максимума полярных сияний всегда совпадают с полярными нимбами. Главной причиной полярных сияний является отнюдь не бомбардировка полярных областей высокоэнергичными частицами, захваченными магнитным полем Земли - как это обычно полагают [9]. В самом деле, даже при магнитных бурях дипольная компонента магнитного поля Земли не изменяется настолько, чтобы заметно деформировались радиационные пояса, в которых курсируют захваченные частицы; между тем, при магнитных бурях радиус линии максимума полярных сияний может возрастать в несколько раз. На наш взгляд, свет полярных сияний с характерными длинами волн [10] излучается в основном как раз при рекомбинации ионов, сопровождаемой «скатыванием» присоединённого электрона на низкоэнергетические уровни; этому механизму совершенно незаслуженно не уделяется должного внимания при анализе явлений «тихого свечения».
Теперь заметим, что Земля – без учёта годичного обращения – вращается внутри невращающейся ионосферы, у которой с солнечной стороны концентрация положительного электричества над земным экватором больше, чем с противоположной стороны, прикрытой от Солнца Землёй. Это должно вызывать движение отрицательного электричества по земной поверхности – с ночной её половины на дневную. Если поверхность Земли была бы идеальной фигурой вращения с везде одинаковой проводимостью, то результатом сложения этих движений электричества была бы суточная волна поверхностной плотности заряда, движущаяся с востока на запад. В реальности океаны планеты чередуются с материками, имеющими на несколько порядков худшую проводимость и рельефную поверхность, поэтому результирующая картина теллурических токов чрезвычайно сложна. Но главную причину их непрерывной циркуляции мы уже сформулировали: это вращение Земли внутри ионосферы, имеющей неоднородное распределение заряда вдоль центрального обода.
С учётом вышеизложенного, естественно объясняется давно подмеченная корреляция между солнечной активностью и скоростью суточного вращения Земли: при активном Солнце вращение Земли замедляется [4]. Действительно, при возрастании количества свободных зарядов в ионосфере, очевидно, увеличивается сила теллурических токов. Можно сказать, что увеличивается «электромагнитное трение» Земли об ионосферу; механическим аналогом здесь является увеличение момента инерции крутящегося тела. До тех пор, пока избыточные свободные заряды ионосферы не «рассосутся» через рекомбинацию в полярных нимбах, избыточная энергия теллурических и атмосферных токов будет диссипироваться, расходуясь на джоулево тепло и на энергию циклонов, тайфунов, ураганов – при активном Солнце наблюдается особенно сильное буйство этих стихий [11].