Электрическое поле Земли

В недрах Земли и её атмосфере регистрируются различные естественные электрические поля постоянного и переменного типов.

1. В частности, как правило, в горно-складчатых областях наблюдаются постоянные естественные электрические поля амплитудой до 0.2-1.3 В над выходами на дневную поверхность электрических проводников сульфидных руд и углисто-графитистых сланцев. Эти поля широко распространены и являются объектом исследований человеком.

2. Перед началом землетрясений в земной коре возникают тектонические напряжения с выделением механический энергии. Часть этой энергии преобразуется в электрическую. В итоге в земной коре возникают различные механо-электрические явления (пьезоэлектрический эффект, электризации при трении, разрушении или разрыве двойных электрических слоёв и т.д.). Возникающие при этом электрические поля Е = 10⁸ – 10⁹ В/м достаточны, чтобы сделать пробой в горных породах и в жидкостях.

3. В Земле существует магнитотеллурическое поле. К нему относится естественное переменное электромагнитное поле, обусловленное короткопериодными колебаниями (КПК), возникающими под воздействием заряженных частиц, которые излучаются Солнцем и попадают в околоземное пространство. Предполагается, что в плазме, окружающей Землю, поток заряженных частиц возбуждает магнитогидродинамические волны, которые, достигая ионосферы, превращаются в электромагнитные и воспринимаются земными наблюдателями в виде колебаний, имеющих планетарное распространение.

По современной классификации КПК делятся на две основные группы:

1) устойчивые колебания, обозначаемые символом Р_с. Эти колебания встречаются в виде длительных серий и, как правило, имеют квазисинусоидальную форму.

2) иррегулярные колебания, обозначаемые символом Р_i. Эти колебания встречаются в виде коротких серий, разделенных длительными перерывами.

В падающей электромагнитной волне выделим электрическое поле E(z) с составляющими E_x(z), 0, 0 и магнитное поле Н (z) с составляющими 0, Н_y (z),0.

В каждом из горизонтальных слоёв Земли составляющая Е_x (z) удовлетворяет волновому уравнению:

где k_m – волновое число m – го слоя

где ε_m - диэлектрическая проницаемость m – го слоя.

Общее решение уравнения (1) будет следующим:

Здесь A_m и B_m - постоянные величины, зависящие от параметров разреза и частоты вариаций.

Для определения составляющей Н_y(z) воспользуемся известным соотношением, вытекающим из второго уравнения Максвелла, и окончательно получим:

Взяв отношение Ex(z) к Hy(z) и решив, получим рекуррентную формулу, связывающую входные импедансы n – слойного и (n – 1) слойного разрезов:

В свою очередь известна связь кажущегося сопротивления среды ρ_т (проводимости σ = 1/ ρ_т) от параметров геоэлектрического разреза и периода вариаций:

В результате, на основе расчетов для длиннопериодных вариаций, включая до вариаций в полгода, определено распределение σ (z) Земли до глубины 1000 км.

Атмосферное электричество

Причины возникновения и длительного существования в проводящей атмосфере электрического поля и заряда Земли в этом поле давно вызывают большой интерес. Известны многочисленные локальные, региональные и глобальные источники зарядов на поверхности Земли – осадки, облачность, снежные и песчаные бури, метели и позёмки, грозовые явления и молнии, конвективные токи и токи с острий и др. Согласно современным представлениям в качестве источника глобального атмосферного электрического поля и заряда Земли принято считать мировые грозы.