Происхождение сейсмичности и вулканизма.

Обрисованный выше электрический портрет планеты следует дополнить ещё двумя штрихами: истечением отрицательных зарядов с земных острий в атмосферу, а также грозовой деятельностью, при которой молнии возвращают эти заряды обратно [12]. Мы остановимся на первом из этих явлений, поскольку, на наш взгляд, именно токи утечки с гор приводят к вулканизму и сопутствующей сейсмичности.

Считается, что токи утечки с острий обусловлены возрастанием электрического поля вблизи острия. Френкель [13] приводит выражение для коэффициента k этого возрастания в случае острия-иглы, у которой поперечный размер много меньше продольного. Для горы это соотношение не выполняется; но, поскольку искомое возрастание поля является в чистом виде эффектом формы, сводящимся к сближению эквипотенциальных поверхностей вблизи острия, то для случая горы с вертикальной осью симметрии можно приближённо записать

, (2)

где H - полная высота горы, d - радиус закругления вершины, h и r(h) - текущие высота и радиус горы. Тогда для конусной горы коэффициент возрастания поля на вершине есть

k_con » 1+ tga ln (H/d), (3)

где a - угол, который образует склон горы с горизонтом. У типичных горных пиков, согласно (3), k_con составляет всего несколько единиц, что никак не может привести к возрастанию поля до пробивного напряжения воздуха (30 кВ/см). Следовательно, тихое свечение воздуха над высокими горами является отнюдь не результатом самостоятельного разряда, а, на наш взгляд, результатом рекомбинации положительных атмосферных ионов, плотность вертикального тока которых составляет в обычных условиях ~10^-12 А/м² [14]. И, поскольку эффект острия для горных пиков ничтожен, то электроны в горных породах движутся к вершинам в основном благодаря индуцированному электрическому полю (1), причём главным механизмом, удаляющим отрицательный заряд с горных вершин, является, на наш взгляд, обдув гор ветром, который уносит и развеивает наэлектризованный воздух.

Теперь заметим, что поток электронов, способный идти через подошву горы к вершине, определяется количеством электронов, которое способна поставить прилегающая к подошве среда в единицу времени; этот поток тем больше, чем больше проводимость прилегающей среды. Поскольку проводимость морской воды в 300 раз больше, чем у влажного грунта (не говоря уже про сухой грунт), то ясно, что, при прочих равных условиях, максимальные токи должны течь через горные пики, находящиеся в относительной близости от океана. Забегая немного вперёд, отметим, что расположение практически всех вулканов подчиняется этому правилу; исключения составляют, по-видимому, лишь вулканы в центральной Африке, которые, впрочем, находятся в зоне тропических ливней, где хорошо развита система подземных вод.

Оценим тепловое действие тока при движении электронов через подошву горы к вершине. Распределение электрического потенциала у однородной конусной горы оказывает своего рода фокусирующее действие на этот ток, поэтому, начиная с некоторой высоты над подошвой, практически весь ток течёт в центральном створе с характерным радиусом R. Процесс превращения горы в вулкан можно условно разбить на два этапа: подготовительный и прорывный. На подготовительном этапе происходит предварительный разогрев токового створа и прилегающих к нему областей до стадии, на которой теплопоток от токового створа отводит всё джоулево тепло, выделяющееся в створе. В качестве ориентировочной температуры створа на этой стадии возьмём величину 700^оС. Тогда время t₁, необходимое для достижения этой стадии, можно грубо оценить, если приравнять джоулево тепло, с поправкой на теплопотери, и количество теплоты, требуемое для разогрева створа.; это время не зависит от высоты створа и есть

t₁ = p² R ⁴ crDT (hI ² l)^-1, (4)

где c и r - удельная теплоёмкость и плотность вещества створа, DT =400^oC, h - КПД джоулева нагрева, описывающий теплопотери, I - ток в створе, l - удельное электрическое сопротивление вещества створа. Для горы на берегу океана, величина тока в 2А не представляется нам чрезмерной. В таблице приведены ориентировочные значения физических констант трёх типичных горных пород (справочные данные взяты из [15]), а также соответствующие времена t₁, рассчитанные согласно (4) при значении R= 10 м и при упрощающем предположении о том, что h постоянен и равен 0.5.

Уже на подготовительном этапе, и тем более на стадии, когда все джоулево тепло расходуется на разогрев окружения токового створа, в этом окружении могут возникать сейсмические события – главным образом, из-за неоднородного теплового расширения и неоднородного расплавления. В таком режиме гора может время от времени генерировать сейсмические события как угодно долго – до тех пор, например, пока сила тока вдруг не возрастёт в степени, достаточной для начала прорывного этапа превращения в вулкан. Выше 700^оС удельное электрическое сопротивление горных пород быстро уменьшается с ростом температуры [15], что должно сопровождаться соответствующим уменьшением радиуса токового створа и, значит, уменьшением площади, через которую происходят теплопотери. Таким образом, могут возникнуть благоприятные условия для быстрого проплавления жерла вулкана. Приведённые в таблице времена t₂, необходимые для такого проплавления с достижением температуры 1100^оС, рассчитаны при учёте следующих изменений параметров: увеличения тока с 2А до 3А, уменьшения R с 10 м до 7 м, а также при прежней мощности тепловых потерь, что в данном случае эквивалентно увеличению h с 0.5 до 0.94. Подчеркнём, что полученные здесь численные результаты имеют сугубо ориентировочный характер.

Тем не менее, даже эти ориентировочные результаты позволяют качественно объяснить повышение интенсивности сейсмических и вулканических явлений в годы активного Солнца. Действительно, сейсмичность, в рамках излагаемого здесь подхода, напрямую определяется силой теллурических токов; что же касается вулканизма, то, как проиллюстрировано выше, даже небольшое увеличение тока утечки может спровоцировать процесс проплавления жерла у «подготовленного» вулкана и, таким образом, вызвать вулканическое извержение. Нельзя не отметить, что одним из первых, кто утверждал о наличии причинно-следственной связи между солнечной активностью и сейсмичностью-вулканизмом, а также опубликовал статистические данные на этот счёт, был А.Л.Чижевский [11].

В дополнение вышеизложенного, следует упомянуть о принципиальной разнице между картинами теллурических токов в океанах, окаймлённых гористыми побережьями или гористыми островными дугами, и в океанах, имеющих равнинные побережья. Везде выше подразумевался случай гористого окаймления, характерного для Тихого океана. В этом случае отрицательные ионы в океане не просто скапливаются вблизи окаймляющей линии: там происходит сток отрицательного электричества, которое через прибрежное дно течёт в горы, и этот процесс дополняется диссоциацией донных молекул – с оттоком образующихся положительных ионов в океан. Загадочные глубоководные впадины, которые поражают специалистов точным повторением соответствующих линий берега или островной дуги, являются, таким образом, результатом обычной электрохимической эрозии [16]. Теперь рассмотрим случай Атлантического океана, который, за вычетом Карибского бассейна, можно считать лишённым островов и имеющим равнинные побережья. В этом случае береговой сток отрицательного электричества ничтожен, и ведущая роль переходит к положительным ионам, которые, стремясь двигаться вниз в индуцированном электрическом поле, «скатываются» от обоих побережий и концентрируются на срединной донной линии. Это скопление положительного заряда вызывает приток электронов из прилегающих участков дна. Таким образом, на срединной донной линии создаются наиболее благоприятные условия для рекомбинации положительных ионов, поэтому индуцированное электрическое поле пригоняет всё новые и новые их порции взамен рекомбинировавших, а им навстречу притекают всё новые порции электронов. В результате, во-первых, происходит электрохимическое осаждение [16] рекомбинировавших ионов, что является одним из главных факторов, формирующих срединно-океанический хребет. Во-вторых, токи рекомбинации производят тепловое действие, причём максимум джоулева тепла выделяется не в воде, а в донных породах, имеющих большее удельное сопротивление. Это джоулево тепло, на наш взгляд, и обусловливает сейсмическую и вулканическую активность срединно-океанических хребтов – особенно бурную, как и следует ожидать, вблизи экватора.

Заключение.

Выше мы не уделили внимания внутриматериковым землетрясениям. Можно предположить, что одной из их причин также является джоулево тепло теллурических токов, главные каналы которых проходят по системе подземных вод. Локализацию сейсмических событий вдоль трещин и разломов земной коры можно, по-видимому, объяснить тем, что теллурические токи вынуждены огибать эти препятствия, сгущаясь вблизи их периферийных частей – где и происходит повышенное выделение тепла.

Если такой очаг тлеет не слишком глубоко, то, благодаря прилегающей к нему зоне повышенной проводимости, может возникнуть канал стока электричества через земную поверхность в атмосферу. Интенсивный сток электричества, сопровождаемый световыми и искровыми явлениями, нередко предшествует сильному землетрясению [17].

Добавим, что на связи сейсмических и вулканических явлений с геоэлектричеством основано действие некоторых биологических предвестников этих стихийных бедствий. Так, японцы специально держат в аквариумах электрических сомиков, которые проявляют беспокойство при соответствующих изменениях электрической обстановки.

Несложными физическими устройствами можно регистрировать эти изменения электрической обстановки с неменьшим успехом.

Ссылки.

1. В.А.Магницкий. Основы физики Земли. «Геодезиздат», М., 1953.

2. К.Моги. Предсказание землетрясений. «Мир», М., 1988.

3. Р.М.Деменицкая, С.С.Иванов, Э.М.Литвинов. Естественные физические поля океана. «Недра», Л., 1981.

4. Физика Земли: новый взгляд на некоторые проблемы. «Наука», Сибирское отделение, Новосибирск, 1989.

5. И.А.Резанов. Вестник РАН, 71, 11 (2001) 1031.

6. П.Вейль. Популярнаяя океанография. «Гидрометеоиздат», Л., 1977.

7. Н.И.Егоров. Физическая океанография. «Гидрометеоиздат», Л., 1974.

8. А.А.Гришаев. Иерархия частотных склонов в роли «светоносного эфира». – Доступна на данной веб-странице.

9. Физический энциклопедический словарь. «Советская энциклопедия», М., 1983.

10. И.А.Хвостиков. Свечение ночного неба. Изд-во АН СССР, М.-Л., 1948.

11. А.Л.Чижевский. Земное эхо солнечных бурь. «Мысль», М., 1976.

12. П.Н.Тверской. Атмосферное электричество. «Гидрометеоиздат», Л., 1949.

13. Я.И.Френкель. Теория явлений атмосферного электричества. Гос. изд-во технико-теоретической литературы. Л.-М., 1949.

14. Атмосфера. Справочник. «Гидрометеоиздат», Л., 1991.

15. Справочник физических констант горных пород. «Мир», М., 1969.

16. И.Ф.Федулов, В.А.Киреев. Учебник физической химии. «Госхимиздат», М., 1955.

17. Ищите в Интернете по ключевым словам «Призрачные огни землетрясений», «Огненные призраки трагедий».