Воздействие на геосферы Земли – причина изменения климата

Исследование электропроводности кристаллов кальцита и кварца А.Ф. Иоффе начинал 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 10 000 до 50 000 В/см [50]. Влияние поля, по мнению А. Иоффе, определяет не электропроводность, а диэлектрические свойства кристаллов. Кристаллическая сетка 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 действующей электрической силе, ученый предлагает их считать упруго закрепленными в тех положениях, которые по строению кристаллической сетки соответствуют минимуму их потенциальной энергии [51]. 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. При этом повороте положительные заряды смещаются на одну сторону, все отрицательные – на противоположную. Разделение зарядов происходит так, словно при непосредственном переносе их сквозь диэлектрик [52]. Два явления одинаковые по своим внешним проявлениям, но разные по своей физической природе, представляют движение зарядов (ток).

Важной характеристикой свойств вещества, находящегося в недрах Земли, является удельная электропроводность горной породы. Она меняется в значительном интервале: от 103 до 10–7 (Ом⋅м)–1 и зависит от минерального состава, фазового состояния, пористости, температуры, давления, насыщенности трещинами и влагой. До середины XX века основные сведения о распределении электропроводности в Земле были получены по данным электроразведочных работ и бурения. Глубина скважин к тому времени не превышала 3–5 км, а 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. Создается оно главным образом токовыми системами, расположенными в ионосфере и магнитосфере Земли. Естественное электромагнитное поле планеты существует в широком интервале периодов (10–4 – 106 с).

Переменное магнитное поле индуцирует в Земле электрические токи. Эти токи получили название теллурических, а сам метод, основанный на использовании естественного электромагнитного поля, – название «магнитотеллурический». В основе предложенного метода лежит упрощенная модель естественного электромагнитного поля. Предполагается, что первичное поле, возбуждаемое внешними источниками, однородно на поверхности горизонтально однородной 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. Это отношение, названное импедансом Z, может быть вычислено по любой паре ортогональных компонент, то есть

Z = E_x/Hy = – E_y/H_x.

Чем больше период вариаций, тем глубже проникает поле внутрь Земли. Изменение импеданса с ростом периода отражает изменение удельного сопротивления с глубиной. На практике следят за изменением кажущегося удельного сопротивления ρ_к, которое вычисляется по формуле [53]:

ρ_к = |Z|²/ωμ,

ω = 2π/Т,