Естественные переменные электромагнитные поля

 

Цель работы: ознакомиться с кратким описанием полей, обусловленных внешними источниками.

 

Краткая теория

 

К естественным переменным электрическим полям относят поля теллурических токов, грозовых разрядов и промышленных помех.

 

Магнитотеллурические поля

Происхождение магнитотеллурических полей объясняется воздействием на ионосферу Земли потока заряженных частиц, посылаемых космосом (в основном, корпускулярным излучением Солнца). Вызываемые разной активностью Солнца и солнечным ветром периодические (11-летние), годовые, суточные вариации магнитного поля Земли и магнитные бури создают возмущения в магнитосфере и ионосфере. Вследствие индукции в Земле и возникают магнитотеллурические поля.

В целом эти поля инфранизкой частоты (от 10^-5 до 10 Гц). Магнитотеллурические поля проникают в Землю до глубин в десятки и первые сотни километров. Наиболее устойчивыми, постоянно и повсеместно существующими в утренние и дневные часы, особенно летом и в годы повышенной солнечной активности, являются короткопериодичные колебания (КПК) с периодом от единиц до ста секунд. Поля иных периодов наблюдаются реже.

Выделяют два типа электромагнитных колебаний магнитотеллурического поля: устойчивые и цуги. Устойчивые колебания представляют собой равномерные периодические изменения напряженности поля, которые без перерыва повторяются в течение нескольких часов. Под цугами понимаются разделенные интервалами спокойного поля небольшие группы колебаний, амплитуда которых сначала возрастает, а затем затухает (рис. 6.1).

Колебания разных типов проявляются преимущественно в разное время суток. Это объясняется ориентировкой магнитной оси по отношению к Солнцу: интервалам проявления устойчивых колебаний отвечает время, когда северный магнитный полюс обращен в сторону Солнца, а цугам – время, когда в сторону Солнца обращен южный магнитный полюс. Образование соответствующих вариаций связано с фокусирующим действием магнитного поля на потоки излучаемых Солнцем или образующихся под действием его излучения заряженных частиц.

 

 

 

 

Рис. 6.1. Пример колебаний цугов

 

Измеряемыми параметрами поля являются электрические Е_х, Е_y и магнитные H_x, H_y, H_z, составляющие напряженности магнитотеллурического поля. Их амплитуды и фазы зависят, с одной стороны, от интенсивности вариации теллурического и геомагнитного полей, а с другой – от удельного электрического сопротивления пород, слагающих геоэлектрический разрез.

По измеренным взаимно перпендикулярным электрическим и магнитным составляющим можно рассчитать сопротивление однородного полупространства (нормальное поле) с помощью следующей формулы, полученной в теории электроразведки:

,

где Т – период колебания, α – коэффициент размерности. Он равен 0,2, если Т измерено в секундах, Е_х – в мВ/км, Н_у – в нанотеслах (нТл), ρ – в Ом∙м. Над неоднородной средой полученное по этой формуле удельное электрическое сопротивление (УЭС) называется кажущимся (КС или ρ_к).

 

Поля грозовых разрядов

Грозы представляют собой сложный комплекс метеорологических и электромагнитных явлений. Они возникают в результате конвекции воздушных масс, образующейся при движении восходящих потоков теплого воздуха в область более холодных слоев атмосферы, что происходит вследствие сильного нагрева земной поверхности и приземных слоев атмосферы солнечными лучами или при наступлении фронта холодных воздушных масс и оттеснения ими теплого приземного воздуха вниз. Различают два типа гроз – тепловые и циклонические. Тепловые грозы образуются от местного нагрева и отличаются небольшой интенсивностью, циклонические связаны с горизонтальными перемещениями больших воздушных масс, характеризуются большой интенсивностью и продолжительностью (до 10 ч и более).

Общее количество гроз в течение суток на земном шаре достигает 50000, одновременно происходит 2000 гроз.

В процессе развития грозы происходят сложные электромагнитные явления. В результате взаимодействия движущегося воздуха и капельной влаги образуются электрические заряды, которые под действием ветра, местных разрядов объединяются в крупные заряженные области. Электрический потенциал различных областей имеет разное значение, а иногда и разный знак. Градиенты потенциала в области грозовых облаков возрастают до десятков тысяч вольт на метр, В/м. Когда разность потенциалов между отдельными областями достигает критического значения, происходит разряд в виде молнии.

Различают несколько типов молний, самыми распространенными являются линейные молнии, представляющие собой ярко светящиеся искровые разряды. Искровому разряду предшествует образование проводящего канала, который создается у границы грозового облака при движении находящихся в воздухе электронов, происходящем под действием электрического поля. При быстром движении электронов они разбивают атомы воздуха, образуя новые электроны, которые продвигаются далее. Пройденный электронами путь является проводящим каналом, через который происходит мощный мгновенный разряд (I ≈10000 – 100000 А). Он создает вокруг канала сильное магнитное поле, под действием которого область разряда растягивается в тонкий шнур с высокой температурой и давлением.

Этот процесс происходит скачками, формирование канала занимает время порядка сотых и тысячных долей секунды, а весь процесс разрядки грозовой тучи на землю длится 0,001 – 0,02 с.

При замыкании молнии на Землю весь ток проходит через ограниченную площадь. В Земле создается кратковременный импульс сосредоточенного источника, поле которого распространяется на значительное расстояние от места удара молнии.

В целом под воздействием гроз в верхних частях Земли повсеместно и всегда существует слабое грозовое поле, которое называют шумовым. Оно состоит из периодически повторяемых импульсов (цугов), носящих квазисинусоидальный характер с преобладающими частотами от 10 Гц до 10 кГц и напряженностью по электрической составляющей в доли милливольт на метр, мВ/м (рис. 6.2).

 

Рис. 6.2. Кривая разности потенциалов во время (а) и после грозы (б)

 

Средний уровень поля "атмосфериков" подвержен заметным суточным и сезонным вариациям, т.е. вектора напряженности электрической Е и магнитной Н составляющих не остаются постоянными по амплитуде и направлению. Однако средний уровень напряженности Е_ср, Н_ср за время в течение десятка секунд зависит от удельного электрического сопротивления слоев геоэлектрического разреза, над которым ведутся наблюдения. Таким образом, измеряемыми параметрами "атмосфериков" являются различные составляющие Е_ср, Н_ср.

 

Промышленные помехи

Помехи от промышленных токов проявляются вблизи городов, рудников, телефонных линий и особенно вблизи электрических железных дорог, трамваев. Наиболее мощные промышленные установки постоянного тока при измерениях естественного поля чувствуются на расстоянии до нескольких десятков километров. Установки переменного тока существенных помех не создают (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Кривые потенциала естественного электрического поля, искаженные помехами, вызванными работой промышленных установок

Контрольные вопросы

1. Какими процессами обусловлено появление полей грозовых разрядов?

2. Каковы основные типы электромагнитных колебаний теллурического поля?

3. Какие параметры описывают поведение магнитотеллурического поля и от чего они зависят?