Коротка характеристика геофізичних полів Землі і Космосу

 

Геофізичні поля являють собою особливу форму матерії, що забезпечує зв'язок у Землі макрооб’ємів масивів гірських порід у єдині системи геологічних тіл, що здійснює передачу дії одних геологічних тіл на інші, що утримує гідросферу й атмосферу, що підтримує процеси енергопереносу, необхідний для існування життя на Землі. Відповідно до визначення, що міститься в "Геологічному словнику", геофізичним полем чи фізичним полем Землі називається безліч значень фізичних величин (параметрів), що кількісно характеризують природне чи створене в Землі штучне фізичне поле (чи окремі його елементи) у межах визначеної області чи території Землі.

Зручний поділ фізичних полів Землі на два класи — природного і штучного походження.

До природних фізичних по лів Землі відносяться: гравітаційне (поле сили тяжіння), геомагнітне, температурне, електромагнітне, сейсмічне (поле пружних механічних коливань) і радіаційне (поле іонізуючих випромінювань). Через фізичні поля здійснюється взаємодія Землі як планети із Сонцем та з всіма іншим макрокосмічним простором. У межах Землі і її найближчих околиць природні фізичні поля прийнято називати геофізичними, що підкреслює їхній безпосередній зв'язок, генетичну і структурну, з нашою планетою. Особливо варто підкреслити прямий зв'язок полів, що ми називаємо геофізичними, саме з літосферою, з іншими глибинними "сферами" земної кулі і лише опосередкований зв'язок із процесами, що відбуваються в ближньому і далекому космосі. Це значить, що всі розглянуті геофізичні поля зумовлені особливостями будови літосфери і Землі в цілому (наприклад, гравітаційне і геомагнітне поля) або характером геодинамічних, фізичних і хімічних процесів (наприклад, сейсмічне, радіоактивне, температурне, електромагнітне поля).

Штучні поля (техногенні фізичні поля) зумовлені роботою механізмів і машин, енергетичних установок, транспортних засобів, засобів зв'язку й інших джерел антропогенної діяльності.

Усі названі природні і штучні (техногенні) геофізичні поля є некерованими, тобто вони існують мимо волі дослідників, що використовують їх для рішення тих чи інших задач вивчення оболонок Землі, у тому числі і з екологічними цілями. Спеціально ж для геофізичних досліджень Землі, пошуків і розвідки корисних копалин, рішення інженерних, технічних і екологічних задач широко використовуються керовані поля, що створюються штучно за допомогою різних джерел: збудників пружних хвиль (вибухових чи невибухових), батарей і генераторів постійних чи змінних струмів, джерел гамма-випромінювання і нейтронів і ін.

Як відзначалися вище, екологічно аномальні прояви природних фізичних полів можуть бути названі екогеофізичними, а техногенних — екофізичними. Необхідність більш твердого, чим у класичному визначенні геофізичного поля, поділу геофізичних і фізичних полів диктується всією історією формування біосфери.

Життя на Землі з'явилася і розвивалася в умовах переважного впливу гравітаційного, геомагнітного, радіаційного і температурного полів. Гравітаційне поле, якщо і мінялося протягом історії існування біосфери, то, напевно, плавно, еволюційно. Це дозволяє припускати, що в кожен досить великий геологічний відрізок часу біосфера існувала при відносно стабільному гравітаційному полі.

Геомагнітне поле піддавалося більш радикальним стрибкоподібним змінам. Про це свідчить дрейф геомагнітних полюсів і зміна магнітної полярності (інверсії геомагнітного поля) з часовим інтервалом від 0,5 до 10 млн. років, що підтверджують дані палеомагнітних досліджень.

Загальна гравітаційна, магнітна і температурна обстановка на Землі в процесі еволюції біосфери забезпечила можливість стійкого існування, точніше, пристосування живих організмів аж до пережитих нами історичного і геологічного відрізків часу. У той же час неухильно зростаючий техногенний енергетичний вплив на всі живі організми на Землі, обумовлений рівнем електромагнітного забруднення, що збільшується, середовища в дуже широкому частотному діапазоні, і особливо в області радіо- і більш високих частот, може вплинути на біосферу. Роль техногенного електромагнітного впливу виявляється дуже істотний і заслуговує на особливу увагу ще і тому, що більшість процесів, що відбуваються в живих організмах і регулюють їхню діяльність, відноситься до класу електрохімічних і електрофізичних. Тому при оцінці екологічної ролі фізичних полів варто враховувати вплив електромагнітних полів, і в першу чергу техногенних, як більш "молодих" і незвичних для біоти. Фізичні поля усіх видів, що діють у межах літосфери чи на її границі з іншими "сферами", перетворені, акумульовані і розподілені під впливом її просторово-часової структури і властивостей, можуть бути віднесені до геофізичного не залежно від їхньої природи. Варто також мати на увазі, що природні геофізичні і техногенні фізичні поля не існують роздільно, а накладаються одне на одне відповідно до принципу суперпозиції. Відповідно до цього принципу поля, що сумуються і створені окремими джерелами, у нашому випадку природними і техногенними, взаємно незалежні, тобто кожне з цих полів у присутності інших є такими самими, як і при їхній відсутності. Іншими словами, мова йде про додавання полів, при якому відсутній вплив полів один на одного (лінійні ефекти). Однак у фізичних полях Землі спостерігаються і нелінійні ефекти, коли зміна інтенсивності одного поля приводить до змін тих чи інших параметрів як цього, так і інших фізичних полів (наприклад, сейсмоелектричний, п'єзоелектричні ефекти й ін.).

Що ж стосується екогеофізичних і екофізичних аномалій, то приставка "еко" зумовлена необхідністю підкреслити ту обставину, що вони можуть впливати на природні і природно-технічні екосистеми.

 

Гравітаційне поле

Гравітаційне поле (поле сили тяжіння), природа якого і сьогодні залишається для вчених загадкою, є дуже важливим життєвим фактором, тому що завдяки йому на Землі утримується гідросфера, атмосфера, та й літосфера. Гравітаційне поле Землі характеризується складністю структури і просторовою мінливістю, що визначаються особливостями густинного розрізу, взаємним розташуванням і розмірами гравітуючих тіл на фоні загального планетарного поля сили тяжіння.

Вимірюваними параметрами гравітаційного поля (поля сили тяжіння) є прискорення, що для стислості називають "силою тяжіння" (g). Величина g визначається в основному прискоренням вільного падіння тіл за рахунок ньютонівського притягання й у меншому ступені прискоренням відцентрової сили обертання Землі. Цими двома факторами визначається так зване "нормальне поле сили тяжіння". Внаслідок нерівномірності розподілу щільності гірських порід, що складають земну кору, і речовини верхньої мантії з'являється аномальне поле сили тяжіння. Таким чином, повне значення сили тяжіння складається з нормальних і аномальних полів. Якщо шляхом розрахунків виділити аномальне поле, то воно визначається лише щільнісною неоднорідністю Землі в районі вимірів g.

Нормальні значення прискорення сили тяжіння змінюються в межах від 9,78 м/с² на екваторі до 9,83 м/с² на полюсах. У гравіметрії за одиницю виміру сили тяжіння приймається міллігал (мГал): 1 мГал = 10^-3 Гал = 10^-5 м/с². Гравітаційні аномалії, що мають геологічну природу, досягають (3—30)×10^-4 м/с². Часові варіації, обумовлені приливним впливом космічних тіл, і в першу чергу Місяця і Сонця, що призводить до періодичних змін висоти земної поверхні, а також до повільного перерозподілу гравітуючих мас усередині земної кулі, можуть складати 3,4×10^-4 м/с², а можлива величина вікових змін сили тяжіння протягом року — менш 1,0×10^-4 м/с².

Зміни сили тяжіння на поверхні літосфери, що обумовлені інженерною діяльністю людини: вилучення з надр Землі значної кількості викопної сировини, штучне зниження чи підвищення рівня підземних вод, створення великих водоймищ, будівництво великих міських агломерацій, порівнянні з часовими варіаціями. Сила тяжіння може мінятися при протіканні екологічно значимих геологічних процесів, таких, наприклад, як сейсмотектонічні переміщення, обвальні явища, оповзні карстопроявлення, процеси, пов'язані з просіданням земної поверхні, переробкою берегів великих водоймищ і т.п.

У практиці гравіметрії частіше виміряються не абсолютні (g), а відносні значення (чи приріст) прискорення сили тяжіння стосовно якого-небудь опорного пункту (g). Для цього застосовуються різного роду гравіметри.

Точність вимірів різними типами гравіметрів на суші складає 0,01—0,5 мГал, на морі й у повітрі — 1 мГал.

Спеціальними прийомами глобального вивчення поля сили тяжіння є альтиметричні спостереження, що дозволяють за допомогою визначення орбіт супутників (форм і висоти) розраховувати аномальні гравітаційні поля і вивчати їх динаміку.

 

Геомагнітне поле

На відміну від гравітаційного, магнітне поле Землі (геомагнітне поле) у значно більшому ступені залежить від будови і властивостей літосфери, оскільки багато джерел магнітного поля, що вносять свій внесок у загальне геомагнітне поле, розташовуються саме в літосфері до глибин 100 км. Історія формування літосфери самим тісним образом зв'язана з магнітними властивостями порід, з магнітним полем Землі. Земля являє собою гігантський магнітний диполь, поле якого виявляється на поверхні планети і виходить далеко в навколоземний простір, створюючи в такий спосіб магнітосферу.

Походження магнітного паля Землі намагаються пояснити різними причинами, зв'язаними з внутрішньою будовою Землі. Найбільш достовірною і прийнятною гіпотезою, що пояснює магнетизм Землі, є гіпотеза вихрових струмів у ядрі. Вона заснована на тому встановленому геофізичним шляхом факті, що на глибині 2900 км під мантією (оболонкою) Землі знаходиться "рідке" ядро з високою електричною провідністю. Завдяки так званому гіромагнітному ефекту й обертанню Землі могло виникнути дуже слабке магнітне поле. Наявність вільних електронів у ядрі й обертання Землі в такому слабому магнітному полі призвело до індукування в ядрі вихрових струмів, що створюють (регенерують) магнітне поле, як це відбувається в динамо-машинах. Збільшення магнітного поля Землі приводить до нового збільшення вихрових струмів у ядрі, що, у свою чергу, викликає збільшення магнітного поля. Процес подібної регенерації продовжується доти, поки розсіювання енергії унаслідок в'язкості ядра і його електричного опору не компенсується додатковою енергією вихрових струмів і інших сил.

Гірські породи, що складають літосферу, володіючи різними магнітними властивостями, намагнічуються і отримують під впливом домінуючого магнітного поля планети індукований магнетизм. Тому, магнітне поле, що спостерігається на земній поверхні чи поблизу її, обумовлене сукупним впливом безлічі джерел, що розташовуються в об’ємі літосфери, особливо залізорудних тіл і гірських порід, магнітні властивості ін.

Основними параметрами геомагнітного поля є повний вектор магнітного поля Тн і його складові по вісях координат: вертикальна (Z) і повна горизонтальна (Н). Значення параметрів магнітного поля Землі залежать насамперед від намагніченості всієї Землі як космічного тіла, близького за формою до намагніченої сфери (нормальне поле).

На фоні нормального геомагнітного поля виділяються аномалії, зумовлені різними причинами. В одних випадках причиною виникнення аномалій є різка неоднорідність магнітних властивостей літосфери чи великі скупчення в її верхніх частинах залізних руд. Аномалії подібного роду, називаються материковими і регіональними, можуть удвічі перевищувати нормальне поле. В інших випадках аномалії геомагнітного поля виникають як наслідок різної інтенсивності намагнічення геологічних об'єктів, обумовленої розходженням магнітних властивостей порід і напруженості магнітного поля Землі в даний час і в минулі геологічні епохи (локальні аномальні поля).

Магнітне поле Землі піддається повільним змінам, так званим віковим варіаціям. Крім таких "повільних варіацій" спостерігаються більш стиснуті в часі (до декількох годин чи двох-трьох доби) зміни геомагнітного поля — магнітні бурі. Під час проходження магнітних бур зміна магнітного поля може складати кілька відсотків від нормального поля.

Вимірюваним параметром магнітного поля є повний вектор магнітної індукції (чи щільність магнітного потоку) Т = mТн, де Тн — напруженість магнітного поля у вакуумі, m — магнітна проникність середовища, що показує, у скільки разів магнітне поле в даному середовищі більше, ніж у вакуумі. Одиниця магнітної індукції в системі СІ — тесла (Тл); більш дрібні одиниці — мікротесла (мкТл), рівна 10^-6 Тл, і нанотесла (нТл), рівна 10^-9 Тл.

На магнітних полюсах Землі вертикальні складові магнітної індукції геомагнітного поля приблизно рівні ±60 мкТл (горизонтальна дорівнює нулю), на екваторі горизонтальна складова приблизно дорівнює 30 мкТл (вертикальна дорівнює нулю).

Прилади для вивчення магнітного поля (магнітометри) вимірюють або відносні значення, тобто збільшення названих параметрів поля (DТ, DZ, DН) стосовно якого-небудь опорного пункту, чи їхні абсолютні значення (Т, Z, Н) з похибками 0,01—1 нТл.

 

Електромагнітні поля

2.4.1. Загальна характеристика некерованих електромагнітних полів Землі. У літосфері Землі існують різні некеровані електричні й електромагнітні поля, що розрізняються за своєю інтенсивністю і джерелам. За генетичними ознаками вони підрозділяються на природні і штучні (техногенні). У верхній частині літосфери виникають природні постійні електричні поля електрохімічної (окислювально-відновної) і електрофізичної (фільтраційної, дифузійно-адсорбційної) природи та ін. У літосфері і частково в астеносфері існують природні перемінні (квазігармонійні) електромагнітні поля або космічного походження (їх називають магнітотелуричними чи "теллуриками"), або атмосферної природи (поля громовиць, чи "атмосферики"), або акустичні (шумові) поля геодинамічних процесів. Крім того, існують некеровані електромагнітні поля техногенного походження.

Вимірюваними параметрами природних постійних електричних полів є напруженість електричного поля Е, вимірювана в мв/км (чи мкв/м), чи потенціал U, зв'язаний з Е співвідношенням Е = -grad U, а також різниця потенціалів DU. Регіструємими параметрами природних перемінних електромагнітних полів є напруженість електричної (Е) і магнітної (Н) складових (Н виміряється в нТл).

2.4.2. Природні постійні електричні поля. Природні постійні електричні поля, що спостерігаються на земній поверхні, зв'язані зі зміною електрохімічної активності a гірських порід. Своїм існуванням вони зобов'язані протіканню в реальних геологічних середовищах електрохімічних і електрофізичних процесів. Так, на рудному і деяких інших родовищах, а також при окислюванні заземлених металевих конструкцій протікають електрохімічні окислювально-відновні реакції. У результаті спостерігаються позитивні і негативні потенціали з амплітудою до 20—1800 мв при фонових значеннях, характерних для природних електричних полів іншої природи, у 5—100 мв.

Особливий вид земних електричних полів представляють тер-мофільтраційні поля, що виникають у пухких (піщано-глинистих) і скельних породах за рахунок фільтрації підземних і поверхневих вод різної температури. Ідентифікаційна ознака полів цього виду — зміна електричного потенціалу від 40 до 400 мв у залежності від добових варіацій температури в приповерхній частині геологічного розрізу.

До постійних природних електричних полів відносяться також фільтраційні і дифузійно-адсорбційні. При фільтрації (русі) підземних вод через пористі гірські породи виникають електрофільтраційні поля, зобов'язані своїм існуванням наявності подвійного електричного шару на границі твердої і рідкої фаз гірської породи, розглянутої в даному випадку в якості двофазної системи. Величина потенціалу фільтрації може досягати 40—200 мв і залежить від цілого ряду факторів: перепаду тиску у фільтруючому шарі, електричного опору фільтрату, що підстилають і перекривають водопровідний шар гірських порід, в'язкості флюїду, а також структурних особливостей геологічного простору, у межах якого реалізується процес фільтрації. Електричні фільтраційні поля виявляють, як правило, стійкий зв'язок з геоморфологічною і літолого-гідрогеологічною обстановкою.

У межах верхньої частини літосфери дуже часто можна спостерігати умови, сприятливі для формування дифузійно-адсорбційних потенціалів, що виникають на контактах порід різного літологічного складу чи підземних вод, що виявляються внаслідок зміни хімічного складу. Як правило, дифузійно-адсорбційні електричні поля, величина потенціалу яких може досягати 45—100 мв, утворяться на контактах піщаних і глинистих порід, а також у межах ділянок зміни мінералізації підземних вод.

2.4.3. Атмосферна електрика. Дуже істотну екологічну роль грає енергетичний пояс, розташований поблизу поверхні Землі у вигляді атмосферної електрики (електростатичне поле). Атмосферна електрика виявляє себе у вигляді блискавок, "сухих" громових розрядів (блискавиць), вогнів святого Ельма, що спостерігаються при набряканні земної електрики з різних гострих предметів, наприклад вершин гір, щогл кораблів і т.п. Електростатичне поле Землі можна представити у вигляді гігантського конденсатора, провідними обкладками якого є земна поверхня і шар іоносфери. Силові лінії поля атмосферної електрики спрямовані зверху, від позитивно заряджених шарів іоносфери, униз, до негативно зарядженої поверхні Землі. Рух позитивних зарядів вниз і зустрічний рух негативних зарядів нагору приводить до виникнення струму провідності, середня величина щільності якого складає приблизно 2,9×10^-20А/м². Між атмосферою і поверхнею Землі існує різниця потенціалів, що складає поблизу поверхні Землі величину 100 В/м і сягаюча під час грому 40 000 В/м.

В атмосфері завжди присутні іони (аероіони) обох знаків (полярностей). У середньому на 1 м² поверхні планети приходиться приблизно 6,7×10⁹ елементарних зарядів. У більшості випадків переважають позитивні аероіони. Кількісно співвідношення аероіонів обох полярностей оцінюється через величину так званого коефіцієнта уніполярності — безрозмірного відношення числа позитивних аероіонів до числа негативних: q = n⁺/n^-. При середній концентрації позитивних іонів 800 іонів/см³ і негативних — 700 іонів/см³ величина q складає 1,14. У нормальних умовах у 1 см³ повітря в приповерхньому шарі атмосфери міститься 1000—1400 аєроіонів обох знаків. У великих містах питомий вміст аероіонів збільшується до 1100—3500 у 1 см³. Це має велике значення з позицій екології: "важкі" аероіони впливають на живі організми. Значне збільшення числа іонів спостерігається в атмосфері так званих "електрокурортів", наприклад, Сочі і Кисловодська (1800—3700 іонів/см³), а також поблизу водоспадів і в зоні морського прибою (50—100 тис. іонів/см³). При цьому співвідношення кількості позитивних і негативних аероіонів варіює, що відбивається в зміні коефіцієнта уніполярности від 1,0 у місцевостях, які відносяться до "електрокурортів", до 1,25 у великих містах, промислових центрах і т.п.

Хоча з назви "атмосферна електрика" випливає, що згадане електростатичне поле, яке притаманна атмосфері, проте, роль літосфери у формуванні поля цього вигляду досить велика. Насичення повітря іонами відбувається внаслідок розпаду радіоактивних елементів, що знаходяться у воді, ґрунті і гірських породах. Радіоактивне випромінювання ґрунту і гірських порід є, поряд з космічним і сонячним корпускулярним видами випромінювання, природним іонізатором повітря в приземному шарі атмосфери. Локальними іонізаторами служать гранітні породи, сланці, металеві руди, не говорячи вже про урановміщуючі гірські породи. Через породи і ґрунт по системі капілярів безупинно просочується повітря (подих Землі), що несе з ювенільними газами радіоактивні еманації. Так, вміст еманацій радію (²²² Rn) у ґрунтовому повітрі приблизно на три порядки вище, ніж у приземному шарі атмосфери, унаслідок чого провідність ґрунтового повітря в 30 разів перевищує провідність атмосферного повітря. Відповідно до адсорбційної теорії, негативні іони в силу своєї високої рухливості швидше дифундують до стінок капілярів, віддаючи гірським породам і ґрунту негативні заряди, тоді як потоки, що виходять назовні повітря, виносять із собою в атмосферу надлишок позитивних іонів. Таким чином, можна вважати, що геологічна будова верхніх горизонтів літосфери, і в першу чергу присутність у гірських породах радіоактивних елементів, у значній мірі обумовлює рівень загальної іонізації повітря в приземному шарі атмосфери.

2.4.4. Природні електромагнітні поля космічного і земного походження. Природні електромагнітні поля можуть бути зв'язані з корпускулярним сонячним опроміненням Землі, громовицею чи геодинамічною активністю.

1. Електричне поле Землі природного космічного походження, яке називається магнітотелуричним, проявляється у вигляді різноперіодних електромагнітних коливань (варіацій), частотний спектр яких представлений смугою від 10^-4 до 10² Гц.

Інтенсивність (амплітуда) варіацій залежить від сонячної активності, географічного положення і геологічної будови місця спостереження. Амплітуда варіацій електричної (Е) складової природного електромагнітного (магнітотелуричного) поля може досягати 100—200 мв/км при середніх значеннях 30—40 і фоновому рівні 0,1—10 мв/км, а магнітної (Н) — порядку 1 нтл. Походження магнітотелуричного поля пояснюється впливом на іоносферу Землі потоку заряджених часток, що посилаються космосом, а в основному корпускулярним випромінюванням Сонця. Зумовлені змінною активністю Сонця, і переносимі у вигляді так званого сонячного вітру, потоки корпускул створюють збурювання в магнітосфері й іоносфері, що проявляються у вигляді періодичних (з періодом від 11—12 років до часток секунди) варіацій геомагнітного поля і магнітних збурень. Внаслідок індукції в Землі як результат збурювань магнітосфери й іоносфери виникає магнітотелуричне поле інфранизької частоти. На таких частотах так званий скін-ефект виявляється слабко, тому магнітотелуричне поле проникає в Землю до глибин від десятків до декількох сотень кілометрів. Найбільш стійкими, постійно і спостерігаються повсюдно в ранкові і денні години, особливо влітку і в роки підвищеної сонячної активності, є короткоперіодні коливання (КПК) з періодом від одиниць до сотень секунд. Коливання з іншими періодами менше за інтенсивністю. Максимуми інтенсивності варіацій магнітотеллурічного поля приходяться на роки сонячної активності.

2. Природні електромагнітні поля громових розрядів являють собою прояв складної взаємодії метеорологічних і електричних процесів. Загальна річна кількість громовиць на земній кулі порядку 50 тис. Одночасно відбувається близько 2000 гроз. У середніх широтах громовими є 30—50 діб в році, тоді як в екваторіальних областях це число збільшується до 75—100. Поблизу полярного кола й в області більш високих широт, навпаки, громовиці спостерігаються дуже рідко.

Окремий імпульс громового розряду (блискавка) являє собою або регулярний сигнал, або цуг квазісинусоїдальних коливань з видимою частотою від десятків герців до декількох тисяч герців. Напруженість поля електричної складової при громовому розряді може досягати 200—300 мв/км.

3. Електромагнітні шуми виникають як наслідок протікання геодинамічних процесів (землетрусів різної природи, повільних рухів масивів гірських порід, зсувів, обвалів і т.п.), а також штучних вибухів і могутніх електромагнітних розрядів. Виникаюча при цьому електромагнітна емісія характеризує напружений стан середовища і деформації, що відбуваються в земній корі.