«Электрофизика пресных вод Под редакцией чл.-кор. АН СССР В. В. БОГОРОДСКОГО ЛЕНИНГРАД ГИДРОМЕТЕОИЗДАТ 1985 У Д К 556.113:550.373 Рецензент канд. техн. наук И. Л. Калюжный Рассмотрены макроскопические электромагнитные ...»

В. В. Александров

Электрофизика

пресных вод

Под редакцией

чл.-кор. АН СССР

В. В. БОГОРОДСКОГО

ЛЕНИНГРАД

ГИДРОМЕТЕОИЗДАТ 1985

У Д К 556.113:550.373

Рецензент канд. техн. наук И. Л. Калюжный

Рассмотрены макроскопические электромагнитные характеристики воды и

естественные источники неоднородности электрического поля континентальных

водоемов — планетарные геофизические ритмы, гидродинамические процессы, геохимия и геоморфология озерной котловины, биоэлектрические явления.

Специальный раздел посвящен экологическим аспектам изменчивости электрического поля озер под воздействием антропогенных факторов. Показана необходимость учета свойств электрического поля в воде для контроля состояния среды, прогноза сейсмической активности, поиска пищевых ресурсов, решения рекреационных проблем и для производства гидрографических съемок и др.

Рекомендуется специалистам по естественным и техническим наукам, студентам и широкому кругу читателей, интересующихся геомагнетизмом и его связью с биосферой.

In the book "Fresh Water Electrophysics" by V. V. Alexandrov a conse- p~ cutive review is made of macroscopic electromagnetic characteristics of water as Unwell as of natural factors causing the inhomogenuity of continental basins such L as global geophysical rythms, hydrodynamic processes, geochemical • and geo- ® morphological characteristics of lake depressions, bioelectrical phenomena. A s e p a - j rate chapter is devoted to the variability in the electric field of lakes taking place under the influence of anthropogenic factors. The necessity is shown of t a k i n g ^ J into account the properties of electric field in water for the control of environ--.

mental characteristics, the forecasting of seismic activity, the search for nutritive resources, for the solution of problems of water-pool recreation, for the hydrographic survey etc.

The book is intended for specialists in natural sciences and technology in such fields as hydrology, geophysics, biology, hydrography. It may also be of benefit to students and to broad sections of readers interested in the problem of geomagnetism and in its relationship with biosphere.

Г г., Ленинградский : Гидро м атео рол о г к. кий иа-f • © Гидрометеоиздат, 1985 г.

1903030100- А 23- 069(02)- Предисловие редактора В монографии В. В. Александрова «Электрофизика пресных вод» систематизированы и обобщены многолетние натурные наблюдения автора, за электрическими явлениями в пресноводных акваториях, а также различные публикации по свойствам физикохимических и биологических систем. В отечественной и зарубежной литературе еще не было,работ, в которых так широко и многогранно была бы освещена проблема взаимодействия пресных водоемов с внешними земными и - внеземными источниками физических полей — электрического и магнитного.

В. В. Александров на примере крупных озер подробно рассмотрел факторы, способствующие возникновению электрических полей в воде, их изменчивость и взаимодействие с другими физическими полями. Основное внимание он уделил анализу связи этих полей с гидрологическими, химическими и биологическими процессами и явлениями. Такой физический подход открывает перспективы практического использования электрометрии акваторий для экспрессного изучения полей электрохимического потенциала, гидродинамики, геоморфологии озерной котловины, биологических ресурсов. Впервые в мировой, практике применен метод естественного электрического поля Для контроля качества воды и слежения за трансформацией электрического поля электрохимического потенциала сточных вод в районах выпуска их предприятиями^ целлюлозной промышленности. Также впервые использована электрометрия водоемов для обнаружения озерного зоопланктона и изучения его суточных М и г р а ц и й. Комплексные исследования гидрологии, электрофизических характеристик воды и биологических объектов (планктон, бентос, нектон, водоросли), бесспорно, могут оказаться весьма полезными с точки познания процессов, определяющих продуктивность водоемов, механизмов адаптации организмов к новым экологическим условиям при современных все еще возрастающих антропогенных воздействиях на природу.

Кроме того, читатель найдет в книге исследования и обобщения прикладного характера, которые необходимы при решении конкретных задач, например, навигации, гидротехники, геологической 3* разведки и других, и целый ряд методических указаний при проведении натурных изысканий и лабораторных экспериментов.

Поставленная автором задача решается оригинально, что является отличительной особенностью выполненной работы. Монография написана с учетом современных метрологических требований. В ней показаны основные источники погрешностей, возникающих при проведении натурных исследований. Хотя автор и оговаривает в предисловии причины, побудившие его свести к минимуму описание технических средств и методики измерения, тем не менее более подробное описание новых приборов, аппаратов, систей и метрологии было бы весьма полезно с точки зрения их широкого внедрения в практику.

Книга позволяет в значительной мере восполнить существующий пробел в области построения фундаментальной теории электромагнитных явлений в гидросфере и биосфере Земли.

Можно надеяться, что основные положения монографии будут развиваться, совершенствоваться, а результаты исследования — непосредственно внедряться в изучение гидросферы.

Чл.-кор. АН СССР В. В. Богородский Предисловие Книга посвящена электрическим явлениям в воде. Электрометрия естественных акваторий как научное направление наибольшее развитие получила при изучении морской среды. Это связано с проблемами освоения природных ресурсов шельфа и абиссали морей и океанов. Однако жизнь человека протекает на суше, где его преобразующая деятельность существенно коснулась пока лишь континентальных водоемов. В экономически развитых странах реки и озера уже не могут полноценно удовлетворять разнообразные потребности общества в пресной воде. Поэтому проблемы рационального водопотреблеНия и охраны водных ресурсов континентов являются первостепенными. С этой точки зрения всесторонние исследования физики пресноводных объектов, в частности электрометрические, не менее актуальны, чем аналогичные работы в океанах, и должны обеспечиваться техническими и материальными средствами для успешного решения новых задач.

Макроскопические электромагнитные свойства и отличительные особенности воды как многокомпонентной, неоднородной среды в открытых природных комплексах изучены далеко не полно. Но знание даже хорошо известных физико-химических эффектов — электрокинетических, магнитогидродинамических, биоэлектрических и многих других, сопровождающих термодинамические процессы и перенос вещества в воде и водных растворах, — зачастую не выходит за пределы лабораторных экспериментов, является привилегией узких специалистов и не используется при изучении природной среды. Задача книги — хотя бы частично восполнить этот пробел и обратить внимание специалистов на резервные возможности данного направления исследований акваторий.

Сравнительно небольшой объем книги не позволил всесторонне изложить вопросы электрометрии. В частности, не рассмотрены технические средства измерений, особенности методики лабораторных и натурных исследований, ограничено число примеров наблюдавшихся в озерах электрических эффектов, связанных с биологическими объектами, контактными межфазными зонами грунт— вода, турбулентностью, посторонними примесями и т. д. Автор сделал лишь первые шаги по систематизации разрозненного экспериментального материала и предварительным обобщениям в электрометрическом изучении континентальных водоемов. Все экспериментальные и теоретические материалы, в большей степени феноменологического характера, изложены в рамках представлений классической (не квантовой) физики. Натурные данные получены автором при исследовании крупных и мелких озер СССР в 1965— 1982 гг. в экспедициях Института озероведения АН СССР.

Учитывая всеобъемлющий характер электромагнитных процессов и явлений, сопровождающих эволюцию нашей планеты, автор адресует эту работу широкому кругу специалистов по естественным и техническим наукам и в первую очередь гидрологам, геофизикам, биологам. Книга «Электрофизика пресных вод» будет полезна студентам для ознакомления с современными идеями о природе взаимодействия внешних (космических) и внутренних Мне хочется искренне поблагодарить за внимание и поддержку члена-корреспондента АН СССР, профессора О. А. Алекина, члена-корреспондента АН СССР, профессора В. В. Богородского, профессора К. Е. Иванова, доктора биологических наук Л. А. Кутикову> доктора технических наук И. С. Коплан-Дикса, профессора В. И. Кравцова, профессора Д. А. Фридрихсберга, кандидата физико-математических наук Е. 3. Гак, кандидата химических наук Е. А. Стравинскую, непосредственного помощника в проведении экспериментов 1972—19/6 гг. инженера Л. В. Зайцева.

Введение' Научно-познавательные проблемы взаимодействия космоса и электросферы Земли в настоящее время перерастают в проблемы конкретного использования научных разработок при освоении и охране природных ресурсов системы космос—Земля. Новые задачи стимулируют формирование и становление развивающегося направления исследований — изучения естественных электрических полей и явлений в подвижных оболочках Земли. Свойства электромагнитных полей материальных сред и механизмы взаимодействия всех видов неионизирующих излучений с веществом необходимо всемерно учитывать и оценивать их влияние на природу Земли.

Современные электромагнитные исследования подвижных оболочек^ Земли и ее биосферы представляют собой сравнительно молодое междисциплинарное научное направление. Фундаментом его являются открытия и разработки классических наук — физики, химии, медицины XIX—XX вв. Расшифровка и анализ экспериментальных данных, получаемых в ходе таких исследований, требуют решения задач электрогидродинамики, электрохимии и коллоидной химии, гидрологии, гидробиологии, биофизики, водной токсикологии, геологии, радиотехники и многое другое. Поэтому очевидны определенные трудности при работе в рамках данного направления.

В последнее десятилетие получены новые убедительные доказательства общности зарождения и существования динамических явлений в электросфере Земли. Электромагнитные явления и процессы в водной среде являются объективной составной частью общей динамики земного электромагнетизма.

Сложность исследования этих процессов на Земле, а в воде особенно, заключается в наличии внешнего по отношению к Земле (космического) источника генерирования электромагнитных колебаний и внутреннего (собственно земного) источника колебаний, обусловленных самой геоструктурой литосферы и подвижностью газовой и водной оболочек Земли. Биосфере Земли присущи собственные внутренние источники генерирования электромагнитных колебаний.

Динамическая подвижность (я бы сказал, и локальная, и планетарная ритмичность), свойственная земным явлениям и процессам, приводит к изменчивости наблюдаемых электромагнитных явлений в среде. Таким образом, если попытаться измерить электрический или магнитный эффект (напряженность поля) в какой-, либо среде в определенной точке, в определенный момент времени, можно получить функцию многих переменных.. Казалось бы, в хаосе источников поля разобраться невозможно, и объяснение причины сигнала может быть недостоверным. Однако и теоретические, и инструментальные методы современной науки позволяют расшифровать измеренный в природных условиях суммарный сигнал и определить основные источники его возникновения. Появи- ~ лись научные разработки, в которых удалось показать конкретную значимость влияния электромагнитных флюктуаций, вызванных внешними (космическими) и внутренними (земными — гидродинамическими и физико-химическими) источниками возмущения поля.

Появилась новая аппаратура для измерения слабых электромагнитных сигналов в инфранизком диапазоне частот, учет которых оказывается исключительно важным в интерпретации планетарных и локальных геофизических процессов и явлений. Прямыми экспериментами была доказана и высокая биоактивность этих сигналов в экосистемах.

Электромагнитные методы исследования окружающей среды буквально в последнее десятилетие особенно широко стали внедряться на: акваториях океанов, морей и внутриконтинентальных водоемов. Это продиктовано актуальными задачами практического использования электрических и магнитных эффектов в воде. Точные измерения характеристик электрического поля, электрической проводимости воды, магнитных свойств всевозможных естественных растворов, суспензий и других фазовых состояний' в е щ е с т в а становятся насущно необходимыми для решения общетеоретических геофизических задач, а также промысловых и различных прикладных задач (поиск полезных ископаемых на шельфе и в абиссали океана, освоение биологических ресурсов, обнаружение металлических объектов, борьба с коррозией, оценка качества воды в пресноводных бассейнах и др.).

Вопросы электрогенеза водных систем нами будут рассмотрены на примере крупных пресноводных озер Советского Союза. В озерах, как в зеркале, отражается вся созидательная и разрушительная деятельность человека, лимнические системы являются источником информации о том, где и на какой стадии идет активное вмешательство людей в преобразование окружающей среды.

Как и всевозможные физико-химические факторы среды, электромагнитное поле является объективным природным фактором;

играющим существенную роль ;в формировании абиотических условий в воде и влияющим на протекание процессов в биосфере;

В экосистеме озер все без исключения физико-биологические процессы сопровождаются электрическими и частично магнитными явлениями и находятся в то же время под воздействием внешних электромагнитных излучений. Относительная слабость природных излучений по сравнению, с.техногенными источниками их искажения и возмущения до сих пор существенно затрудняла их изучение и выделение из общего спектра флюктуаций. Современное электрофизическое оборудование и приборы для научных изысканий позволяют скрупулезно исследовать тончайшие механизмы электромагнитного взаимодействия вещества и внешних физических полей среды. Вся эволюция экологических условий на Земле протекала под воздействием как внешнего, так и внутреннего электромагнитного поля, которое с момента наступления эпохи технического прогресса в сфере человеческой деятельности изменило ее естественный ход. Поэтому электромагнитные поля природных объектов в свою очередь являются методическим средством, инструментом исследования динамики экологических условий окружающей среды, а также мерой техногенного последствия разрушения природных целостных экосистем. Исследование изменчивости электромагнитных полей экосистем дает объективную информацию о причинах структурной перестойки их в процессе эволюции, а также не исключает возможности оценки короткопериодных антропогенных воздействий.

Изменчивость электромагнитного поля зависит от множества факторов, и этот вопрос будет рассмотрен специально в части I работы. Здесь только необходимо ввести некоторые терминологические понятия, использование которых в практике изучения электромагнитных явлений в воде поможет исключить возможные ошибки и неопределенности в интерпретации результатов.

В 1973 г. опубликован ГОСТ 18 451-73—ГОСТ 18 458- «Океанология. Термины и определения;», касающийся электромагнитных явлений в океанах и морях. Этот ГОСТ справедлив и для пресноводных акваторий:

«48. Стационарное геомагнитное поле в океане (море). Магнитное поле естественного происхождения в толще вод океана (моря) и над ним, включающее вековые вариации.

49. Квазистационарное электрическое поле в океане (море).

Электрическое поле в толще воды, обусловленное течениями, электрофильтрационными и электрохимическими процессами в придонной области и береговой зоне океана (моря), а также другими процессами.

50. Электромагнитное поле в океане (море). Естественные переменные магнитное и электрическое поля в океанах (морях), обусловленные космическими и земными причинами.

51. Геомагнитные вариации в океане (море). Магнитная составляющая электромагнитного поля в океане (море), обусловленная процессами в магнитосфере и ионосфере Земли.

52. Поля теллурических токов в океане (море). Электрическая составляющая электромагнитного поля в океане (море), обусловленная процессами в магнитосфере и ионосфере Земли.

53. Электромагнитные пульсации в океане (море). Переменное электромагнитное поле в океане (море) с частотой от нескольких герц, обусловленное преимущественно грозовой деятельностью.

54. Электромагнитное поле морских волн. Вариации магнитного и электрического полей, возникающих при волнении.»* * Не вполне обосновано выделение в самостоятельный раздел изучения электромагнитного поля ^только поверхностного волнения. Сюда следует включить учет полей, индуцируемых внутренними волнами, турбулентными и вихревыми движениями.

Узаконенная терминология в области электрометрических и магнитных исследований также правомерна при их проведении в гидросфере.

В части I книги рассмотрены естественные источники флюктуаций и локальных неоднородностей электрического поля в воде и дано представление о формировании естественного электрического фона в водоеме и о возможности диагностики основных первоисточников динамики этого фона. Часть II посвящена.-анализу возможного искажения естественного фона в результате антропогенного воздействия на водоемы. В части III рассматриваются методические возможности электрометрии для решения всевозможных научных и прикладных задач.

Автор стремился избежать перегрузки текста громоздкими математическими формулами, упор сделал на рассмотрение физической сущности явлений. Это определяется тем обстоятельством, что многие вопросы электрофизики водоемов еще не нашли строгого количественного описания и их теория разрабатывается.

Ограниченный объем книги не позволил представить полный библиографический указатель литературы. Ссылки сделаны на крупные работы. Информацию о публикациях в периодических изданиях можно получить из основных работ автора за 1968—1981 гг.

Электрическое поле и макроскопические электромагнитные характеристики воды Макроскопические электромагнитные характеристики воды в совокупности с внешними (сторонними) силовыми полями обусловливают разнообразные электрофизические свойства природных открытых водных систем. Естественные водные растворы характеризуются присутствием частиц с зарядами противоположного знака создающих локальные электрические поля высокой напряженности. Это дало основание многим исследователям при описании свойств растворов электролитов учитывать в основном свойства отдельных ионов и образуемых ими ионных атмосфер. Такой способ описания растворов электролитов получил название электростатического и наиболее ярко отражен в классической теории Дебая—Хюккеля, которая применима к растворам с концентрацией 0,001—0,01 моль. К настоящему времени воду принято считать средой изотропной, но неоднородной, т. е. в некоторой точке пространства ее электромагнитные свойства не являются тензорами и не зависят от направления внешнего электромагнитного поля, но они меняются от точки к точке и могут быть представлены как функции пространственных координат.

• Электрические характеристики воды в крупных водных объектах могут значительно изменяться от места к месту, и это способJ o s e p h A g a s s i. Faraday as a natural philosopher.—The University of Chicago Press, C h i c a g o 1971, p. 2 1 0 — 2 1 1 [123].

ствует неоднородности в распределении и распространении электромагнитных полей искусственного и естественного происхождения (см. гл. 5 и 9). И практически приходится сталкиваться периодически то с диэлектрическими,'' то'" сэлеьрропр'ЬвЬдящими свойствами воды.

При рассмотрении вопрёЬа й ! пре^осыгтках1*' образования и существования электрического поля в воде был применен подход, основанный на физической концепции единства'ЗлектрЬгийродинамических явлений в среде. Для первоначального состояния полагалось, что электропроводящая и однородная среда находится в слабом электромагнитном поле Земли, которое обусловливает появление градиентов удельной электрической проводимости. Эта причина приводит к возникновению колебаний плотности заряда в объеме воды, электрических сил и механических перемещений, в направлении градиента и является основой механизма возникновения Внутриводных конвективных движений, образования вихревых сгустков, пульсирующих с частотой внешнего поля. Динамическая неоднородность среды и ее неустойчивость в этом случае проявляются в циклической периодичности смещений заряженных частиц возникновении и исчезновении иерархии микровихрей, вовлекающих.в тепло- и массообмен водные ассоциаты самой разнообразной структуры.

Электрофизические явления в водной среде, однако, осложнены ее естественной неоднородностью. Даже при условии изотермии электродиффузионные процессы, электрокинетические явления, обусловленные коллоидными и другими гетерогенными примесями, биологическими включениями и т. д. и т. д., создают дополнительные градиенты концентрации потенциалообразующих ионов и связанные с этим градиенты как электрической проводимости, так и внутреннего электрического поля.

Механическое движение самой воды в магнитном поле Земли приводит к возникновению электродвижущей силы, флюктуации которой зависят от мощности возмущающего фактора и частоты его колебаний.

Внешние источники (внеземные факторы) обусловливают флюктуации электрического поля в воде, частота которых соизмерима с частотой гидродинамических колебаний и пульсаций. Это затрудняет методическое разграничение и идентификацию измеряемого суммарного электрического эффекта в открытых системах.

Поэтому следует особо подчеркнуть определенную трудность разработки теории электрического поля в природных водоемах, над построением которой работают советские и зарубежные геофизики на протяжении последних 50 лет.

Поэтому в части I рассмотрены естественные неоднородности электромагнитных характеристик природных водоемов, представляющих собой сумму объективных абиотических факторов, на фоне которых протекает жизнь лимнических систем.

Электрические явления и. процессы в воде 1.1. Электромагнитные свойства воды* Электрические свойства воды исследуются уже около столетия.

Даже краткий обзор современных сведений о них не позволит всесторонне ознакомить читателя с состоянием изученности данного вопроса. Поэтому следует обратить внимание на опубликованные в последнее время монографии, где можно почерпнуть необходимые сведения [13, 30> 41, 81, 128, 149]. Тем не менее имеющихся сведений об этих свойствах в природных объектах еще недостаточно. Так, например, диэлектрическую проницаемость приходится до сих пор для расчетов всюду принимать одинаковой, как для дистиллированной воды, и применять теорию лишь к растворам низкой концентрации при атмосферном давлении. На электрические свойства жидких систем большое влияние оказывают летучие компоненты (пары чистой воды, двуокись углерода и др.), оно также не может считаться изученным.

Диэлектрическая проницаемость е. Для проводящих сред (водные растворы электролитов) плотность тока проводимости обычно превышает плотность тока смещения, а для диэлектриков оправдывается обратное соотношение. Поэтому основной электрической характеристикой чистых диэлектриков (сред, не содержащих ионных примесей) является е„ а проводящих растворов — электрическая проводимость (частота измерения 10 6 —10 7 Дц). Величину s определяют полярные свойства молекул вещества, температура, концентрация и свойства примесей, а также частота внешнего поля, на которой осуществляется измерение. Для воды е сильно уменьшается с ростом температуры **, в переменном поле она имеет температурный максимум; при постоянной температуре 8 уменьшается с ростом частоты поля. Частотная дисперсия е воды и льда рассмотрена в работах 13, 128]. При измерениях е воды на частотах 105—108 Гц температурный коэффициент ее равен в среднем 0,35 "О 1 (расчеты автора по материалам Р. Хиппеля). В работе [128] приводятся данные о температурном коэффициенте (д In e0jdt)p, полученном из уравнения Малмберга и Мариотта е 0 =87,74б — 0,40008^+9,398 • 1 0 — 1,410 • 10 с / 3, который равен (и приблизительно постоянен) —4,55(±0,03)-10 - 3 : °С в интервале температур от 0 до 100 °С. При рассмотрении макроскопических проявлений свойств среды необходимо заметить, что упомянутая частотная дисперсия е, а равно и других электрических характеристик, не связана с собственными колебаниями ионов, молекул, атомов и электронов вещества. Эта дисперсия монотонно изменяется с частотой, что справедливо и для многокомпонентных сред.

* Вопрос об электромагнитных свойствах твердой фазы воды не рассматривается ввиду достаточно хорошего освещения его в специальной литературе.

** Р. Чанг пишет об обратном эффекте, что вызывает сомнение.

В области дисперсии е оказывается сложной величиной и выражается комплексным числом. Действительная (е').и мнимая (е") части относительной диэлектрической проницаемости для каждого индивидуального вещества характеризуется наибольшей изменчивостью в определенном диапазоне частот, период колебания которых близок к времени релаксации (рис. 1). Степень чистоты воды обусловливает е: наличие суспензированных или ионных примесей влечет за собой резкое возрастание тангенса угла диэлектрических потерь. Поэтому высокочастотный химический анализ (на основе измерения электрических свойств растворов) в настоящее время разработан недостаточно, поскольку основным затруднением при его выполнении является приготовление чистых эталонных веществ [41]. Иллюстрируя сказанное, приведем некоторые результаты экспериментальных измерений диэлектрических свойств воды.

Расчеты Сэкстона и Лэйна [2] показывают, что диэлектрические свойства' дистиллированной, пресной и морской воды идентичны для частот от 1 до 2-10 4 МГц и линейно зависят от температуры в диапазоне от 1,5 °С ( е ' = 8 7 ) до 45 °С ( е " = 7 0 ) (рис.1).

В. В. Богородским с соавторами показано, что с ростом концентрации раствора s сначала медленно возрастает, а затем, достигнув некоторого предела, резко падает, и максимальное значение е и скорость ее уменьшения с ростом концентрации тем больше, чем тяжелее ионы электролита [2, 13]. Так как пресная и морская вода представляет собой малоконцентрированные растворы электролитов, то их е несколько больше, чем у дистиллированной воды.

Авторы так объясняют изменчивость е с ростом концентрации электролита: при увеличении концентрации ионных нрсителей наблюдается рост пространственного объемного заряда, т. е. идет деформация его. Под действием переменного внешнего поля ионные заряды индуцируют локальные поля, направленные против вектора приложенного поля. Напряженность «внутреннего поля» возрастает, диэлектрическая проницаемость увеличивается.

По данным авторов работы [147], пресная вода на частоте измерения 2,652 ГГц при атмосферном давлении и разной температуре характеризуется следующими данными:

В. В. Богородский с соавторами [14] при радиолокационных зондированиях пресных озер Карельского перешейка полагали, что е ( ~ 8 1 ) практически не зависит от давления на глубинах до 50 м, что позволяло принимать неизменной скорость распространения радиоволн (радиолокационный сигнал) с в = 3 3, 3 м/мкс и получить достоверные данные о глубинах и других характеристиках объекта.

Однако, если-принимать во внимание неоднородность воды (что в настоящее время стало наблюдаться даже в олиготрофных ранее озерах) е необходимо специально контролировать в. лабораторных условиях. Так, например, наши измерения е проб ладожской ^воды с глубин/150 и 200 м дают значения 75,6 и 72,2 соответственно [2].

Оуэн и др. [128] измерили коэффициент зависимости ео от давления и нашли, что значение ( д 1 п г 0 / д р ) т увеличивается от 45,1 • 10-" Па- 1 при 0°С до 52,4- 1Q"11 Па-> при 70°С.

Авторы (Руше и Гуд, 1966) получили отрицательные результаты [128]. Измерения е чистой воды с помощью СВЧ-диэлькометра проводились JI. И. Кивдевой [113].

Магнитная проницаемость Вода — диамагнитное вещество и по классификации [131] относится к группе «аномальных» диамагнетиков. Способность намагничиваться под действием внешнего магнитного поля характеризуется магнитной восприимчивостью Km- Величина эта для указанной группы веществ очень мала, отрицательна и зависит от температуры (табл. 1) [115].

Рост температуры от 5 до 70 °С обусловливает изменение к т чистой воды от - 2, 9 - ю - 6 до —0,62-Ю- 6 ; авторы работы [19] пользовались в качестве эталона бидистиллятом с х т = — 0, 7 2 • 10 -6.

Все исследователи магнитных свойств воДы отмечают существенную зависимость ее магнитной восприимчивости от вида и концентрации примесей. Например, даже естественно растворенный Ог зачастую обладает парамагнетизмом, который может превышать диамагнетизм воды.

В этом случае магнитная восприимчивость раствора (природной • воды) обусловлена ионными и молекулярными компонентами и их Магнитная восприимчивость воды Тяжеловодородная вода связью с растворителем (водой). Как правило, парамагнетизм раствора (соединения) слабее царамагнетизма исходных веществ.

В работе [19] исследовался парамагнетизм «модифицированной воды», представляющей собой раствор тяжелых молекул аномального компонента (молекулярная масса около 150—180) в обычной воде. Для столбика модифицированной воды с низким содержанием аномального компонента магнитная восприимчивость более —-0,38-Ю-6. Полученные данные, указывающие на снижение диамагнитных свойств раствора по сравнению с чистой обычной водой (бидистиллит, •/.,„—0,72-Ю - 6 ), можно интерпретировать как результат влияния парамагнетизма молекул аномального компонента. На практике магнитную проницаемость р, для всех модификаций воды при различных частотах, температурах и концентрациях растворов считают величиной постоянной, т. е. пользуются для расчетов магнитной постоянной ро- Величина ро имеет такую же размерность, как абсолютная магнитная проницаемость,— генри на метр (Гн/м).

Практическая значимость изменчивости %т. в природных водах в настоящее время учитывается при использовании их в качестве теплоносителя в энергетических установках. Известно, что после специальной обработки природной воды ее свойства как теплоносителя значительно улучшаются в связи с возникновением так называемого противонакипного эффекта. При этом принимается, что именно диамагнитная восприимчивость определяет противонакипный эффект. Смысл этого эффекта был выяснен в работах [19, 45], гДе были использованы официальные справочные данные констант ионных компонентов. В результате исследований было'установлено, что диамагнитная восприимчивость воды зависит преимущественно от диамагнитной восприимчивости Сульфатных и бикарбонатных анионов, которое и определяют противонакипный эффект. Противонакипный эффект, как функция диамагнитной восприимчивости, позволяет дать предварительную оценку пригодности данного вида воды для обработки ее магнитным полем. Диамагнитная восприимчивость воды понижается с увеличением содержания в ней солей. Как показали авторы работы [19], накипный эффект образуется на стенках установки за счет кристаллизации карбонатов, сульфатов и силикатов при наличии в воде ферромагнитных компонентов — одислов железа и их гидратов. При пропускании такой воды через магнитную установку ферромагнитные частицы намагничиваются, что обусловливает кристаллизацию солей в самом объеме воды, а не на стенках. Следствием этого является уменьшение накипи на стенках. Намагниченные ферромагнитные частицы, по всей вероятности, являются центрами кристаллизации. При отсутствии ионов железа противонакипный эффект не обнаружен.

В последнее десятилетие появилось.огромное число публикаций, свидетельствующих о взаимодействии живых объектов (их тканей) с внешними источниками магнитных полей. Зачастую они трактуются как факты существования «биомагнитных» полей. Этот вопрос, мы полагаем, тяготеет также к проблемам выше упомянутого эффекта омагничивания воды. Именно наличие ферромагнетиков в живых тканях приводит к изменению их магнитной восприимчивости, к «способности» живого объекта пользоваться своим внутренним магнитным компасом. Хорошим примером, иллюстрирующим физическую природу явления, может считаться обнаруженное Р. Блейкмором в 1975 г. перемещение бактерий по магнитным силовым линиям в болотных водах штата Массачусетс [138]. Позже, в 1979 г. Блейкмор доказал методами мёссбауэровской спектроскопии, что «магнитные бактерии» содержали •^^частицы природного ферромагнетика ( F e 0 - F 2 0 3 ), которые в проХ ^ ц е с с е метаболизма накапливаются ими из растворенных в воде ионов железа..:

о. Подобные бактерии были вскоре обнаружены и в океане и, нал 4 конец, ферромагнитные частицы после рентгеновского микроанализа были найдены в глазах и головном мозге голубей и пчел.

^Vy Таким образом, изучение магнитной восприимчивости воды и живых тканей обусловленной их ионным составом по всей вероятности, конкретизирует в ближайшее время научные представления о многих загадочных явлениях в магнитобиологии.

Сведений о дисперсии р, в о д ы в переменных полях, т. е.

(х=/(со), очень мало [115]. Удельная электрическая проводимость х. Эта характеристика воды и водных растворов наиболее изучена [2, 30, 81].

Природные воды представляют собой в основном растворы смесей сильных'электролитов. Это проводящие среды второго рода, поскольку электрические заряды в растворах иод действием внешнего электрического поля переносятся ионами. Теория ионной проводимости дает следующее известное уравнение для расчета величины х:

или в практических единицах СИ:

Для расчета % по таким формулам необходимы данные по основным водорастворимым компонентам природных вод, которые приведены в специаЛьнцх таблицах, например у Ф. Н. Фритча (1963), В. В. Скорчеллетти (1970), Р. Чанга 1980), и в справочной литературе. Наличие электрической проводимости даже у совершенно чистой воды, лишенной каких-либо примесей, объясняется частичной диссоцйацией ее на ионы Н+ и ОН -. При 25 °С концентрация диссоциированных ионов Н+ и О Н - в воде составляет всего 1,004-Ю -7 моль/л.

В полярных жидкостях степень диссоциации веществ всегда выше, чем в неполярных, что обусловливает и более высокую их проводимость.

Чистая вода является плохим проводником электричества. При температуре 18°С ; у совершенно чистой воды измерена и = = 3,8-10~ 6 См/м [115], у дистиллированной воды 2-10~ 4 См/м, (7—8)-i0~ 3 См/м у ладожской и у морской 3—7 См/м.

Ранее было показано, что при измерении электрических свойств среды наблюдается их дисперсия в зависимости от частоты, на которой идут измерения. Поэтому деление веществ и природных водных растворов на проводники и диэлектрики является условным. В самом деле, земля (сухая или влажная), пресная и морская вода, помещенные в переменное электромагнитное поле, могут характеризоваться либо проводящими, либо диэлектрическими свойствами. Сущность качественного различия между проводниками и диэлектриками состоит в следующем.

При гармонически изменяющемся внешнем поле (например, электромагнитное поле радиочастотного диапазона), воздействующим на раствор, известно соотношение В идеальном диэлектрике х = 0, и в такой среде токи проводимости отсутствуют, а существует лишь ток смещения; в идеальном проводнике % - » - о о, и здесь, наоборот, существует ток проводимости (ток смещения пренебрежимо мал). Из соотношения (3) возможны два случая: i ) и/(юе) снега и льда он занимает область от 107 до 3-Ю 8 Гц (при = 3 0... - 1 м). Для морской воды и ее льда он лежит в области 50-* 10® Гц (при Я = 6 0 см).'В работе Ф. Эме [130], однако, есть указание на то, что при частоте измерения Ю4 Гц электрические характеристики пресной воды не зависят от частоты'. При кондуктометрических измерениях следует обратить внимание на возможность несовпадения результатов, если применяются установки с очень высоким напряжением ( ~ 2 - 1 0 7 В/м). В этом случае скорость движения ионов в растворе достигает 0,1 м/с, время релаксации уменьшается до ~ 5 - 1 0 - 9 с (по сравнению с т ~ 1 0 - 7 с для растворов с С « 0, 0 1 моль), и ион начинает двигаться, не испытывая влияния со;стороны ионной атмосферы. Тогда электрическая проводимость возрастает, что известно под названием • эффекта Вина (1927). • Континентальные водоемы отличаются большим разнообразием в химическом составе своих вод, условиями температурного режима, морфометрией и т. д. Поэтому электрическая проводимость в естественных условиях изменяется в широких пределах в зависимости от концентрации главнейших ионов, температуры воды в момент измерения, гидростатического давления в точке измерения. Тем не менее основные экспериментальные и теоретические работы по учету этих-факторов касаются морской воды [2, 24, 81].

Пресноводные объекты только в последние десятилетия начинают обследоваться в целях охраны окружающей среды, поэтому сведения об их удельной электрической проводимости весьма скудны.

В этом отношении следует отметить монографию Н. И. Воробьева [24], в которой рассмотрены вопросы концентрационных и температурных влияний на кондуктометрическую характеристику природных вод. Обычно удельная электрическая проводимость вод суши, т. е. растворов с незначительной концентрацией электролитов (0,1—0,001 моль), колеблется от 0,1-Ю - 2 до 2,4-10~ 2 См/м.

Минеральную часть воды составляют основные потенциалообразующие ионы: К+, Na+, Са2+, Mg2+, С1~, S 0 4 2 -, НС0 3 ~. Этими ионами в основном и обусловливается и природных вод. Присутствие других ионов, например, Fe 2+, Fe3+, Mn 3+, A1 3 +,.N0 3 - и других, существенно не влияет на величину % так как они довольно редко встречаются в воде в значительных количествах.. Кремневая кислота и органические вещества в виде коллоидов не оказывают существенного влияния на измерения я. Незначительное изменение к вызывает присутствие в воде углекислоты и других растворенных газов (исследования В. Кито, цит. по [24] ). Есть сведения об уменьшении х чистой воды в 2—3 раза, если пробу оставить в соприкосновении с воздухом в течение суток (Дебнер, 1927, цит. по [2] ). Подобные замечания, касающиеся покоящейся и движущейся воды, сообщались в других работах. Такие явления пока либо не находят объяснений, либо их связывают с процессами структурной релаксации воды, содержащей растворенные компоненты. Природные воды (рН от 5,5 до 9,0) содержат незначительное количество водородных и гидроксильных ионов. Например, при рН = 5,5 концентрация ионов водорода равна 3,01-Ю - 6 моль/л.

И несмотря на высокую подвижность ионов водорода, их вклад в суммарную электрическую проводимость не превышает 0,1—0,2 %.

Температурный коэффициент электрической проводимости из:

меняется в пределах 2,1—3,0 % на 1 °С для различных образцов природной и специально приготовленной воды, т. е. при изменении температуры воды от 0 до 30 °С ее % приблизительно удваивается.

Для ладожской воды, например, температурный коэффициент в диапазоне температур 5—18°С по результатам обработки около 300 проб равен 2,41 %• (°С) [2].

Особый интерес вызывает вопрос о влиянии давления на я воды в естественных условиях. Разработан он Недостаточно, сведения зачастую противоречивы, поскольку натурных экспериментов было очень мало, а лабораторные данные имеют трудно определимые погрешности. В основном работы касались учета гидростатического давления на электрическую проводимость морской воды и специально приготовленных электролитов. Теоретические расчеты не могут быть достаточно убедительными, поскольку коэффициент сжимаемости природных вод не определен с достаточной точностью. Вопрос изучали: С. Д. Хэман, Б. В. Хэмон, Н. Л. Браун, Р. А. Хорн и Р. А. Курант, Р. А. Хорн и Д. Р. Фрайзингер, Г. Сидлср, Л. Брэдшоу и К. Е. Шлейхер. Подробный обзор этих исследований дан в работе [2] и справочнике [81], поэтому здесь ограничимся лишь основными выводами. Ф. А. Хорн и Д. Р. Фрайзингер пришли к выводу, что эффект давления весьма ощутим и сравним с температурным в диапазоне давлений ~ 7,1-10 4 кПа. По данным их работы нами был определен приблизительный коэффициент давления' в диапазоне температур 0—15°С; электрическая проводимость морской воды с увеличением давления на 1-10 4 кПа (1000м)' возрастает на. 1%; при более высоких температурах это увеличение меньше. На основании упомянутых исследований пока можно полагать, что положительный коэффициент давления для к ра :

вен ~ 1 %. на 1000 м. В практике при расчетах изменения электрической проводимости в зависимости от глубины влияние давления следует учитывать, начиная с 1000 м и выше. Например, для оз. Байкал изменения-'е и % на максимальных глубинах : следует ожидать в пределах 1 %• Вопросами расчета влияния давления на к морской воды на больших глубинах занимался Д. М. Филип:

пов [117], измерениями электрических И других свойств дистиллированной и природной воды в специальных автоклавах под высоким давлением— группа Ф. А. Летникова.

1.2. Естественное электрическое поле акваторий Основные закономерности электромагнетизма Земли и околоземного пространства известны [12, 71, 76, 82, 90* 132, 139].

Однако космические и наземные исследования последнего десятилетия внесли много нового в представления о механизме взаимодействия внешних и внутренних источников изменчивости суммарного электромагнитного поля ; Земли, которые регистрируются современной аппаратурой. Поэтому многие вопросы теории электромагнитного поля Земли гипотетического характера'г подвергаются пересмотру и переосмысливанию. " Земля и околоземное пространство находятся в сфере действия электромагнитных полей системы солнечно-земных связей, которые обусловливают космическую ритмику электрических и магнитных эффектов на Земле. Внеземные источники (все виды солнечного излучения, лунные приливные воздействия, внутригалактические и внегалактические высокоэнергетические источники возмущения электромагнитного поля Земли) рассмотрены достаточно глубоко в специальной литературе, и мы остановимся лишь на их ритмической значимости в сфере земного электромагнетизма позже (раздел 1.3), а в этом разделе несколько подробнее коснемся земных источников изменчивости поля, обусловливающих его неоднородность на поверхности и в воде.

На земной поверхности элементы магнетизма непрерывно меняются в пространстве и во времени. Напряженность магнитного поля земного шара убывает приблизительно обратно пропорционально кубу расстояния от центра сферы до точки наблюдения.

Многообразие источников геомагнитного поля и его невысокая напряженность по сравнению с искусственными полями обусловливают сложность его исследования..

Крупномасштабную часть геомагнитного поля (так называемое «главное поле») объясняют действием электрических токов в высокопроводящем внешнем слое земного ядра, которые индуцируются в результате конвективных движений в жидкой части ядра в первичном слабом магнитном поле. Такая трактовка принята в геофизике в качестве теоретической гипотезы «самовозбуждающегося динамо», которая объясняет два важнейших свойства «главного поля»: 1) вековые вариации магнитного момента, общей конфигурации поля, отдельных больших аномалий; 2) инверсии поля (изменение полярности), многократно повторяющиеся на протяжении геологической истории Земли.

«Главное поле» с напряженностью примерно ~ 4 0 А/и существует в течение геологического времени около 3-Ю 9 лет. Это время примерно соответствует возрасту Земли — 5-10 9 лет. Следовательно, как утверждает Моффат, «его нельзя считать реликтовым полем, захваченным при аккреции Земли из межпланетного вещества; такое поле в отсутствие какого-либо восстанавливающего механизма не способно просуществовать в течение продолжительной истории Земли» [71]. Этот механизм объясним лишь с позиции теории самовозбуждающегося динамо. Важнейшее свойство «главного поля» в том, что оно является экраном, защищающим Землю (биосферу) и околоземное пространство от проникновения сюда космического излучения (волновое, корпускулярное).

Переменную часть геомагнитного поля образуют геомагнитные пульсации, генерируемые электрическими токами и волновыми процессами в верхних слоях атмосферы и околоземном пространстве (внешние источники). Несмотря на то что вклад этих внешних источников очень мал и нерегулярен (примерно несколько процентов в наиболее активные периоды), значение этих пульсаций в проблеме Магнитобиологических связей, видимо, существенно больше, чем значение медленно меняющегося внутреннего (главного земного) поля. Это обусловлено динамическими свойствами внешнего поля. Магнитное поле внешнего источника (магнитосфера, ионосфера) состоит из нескольких типов полей, различающихся между собой спектральными, энергетическими и другими характеристиками, они-то и генерируют ритмические эффекты в окружающей среде.

Особенностью магнитного поля является то, что оно действует только на движущиеся тела, обладающие электрическим зарядом, и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от их состояния движения. С движением тел, имеющих носителей тока, возникают соответственно и электрические поля. Единое земное электрическое поле складывается из атмосферно-электрического поля и поля земной коры (электротеллурического поля). Любой электромагнитный процесс, изменяющийся во времени, предста'вляет собой непрерывную связь электрического и магнитного полей., Поэтому необходимо учитывать параллельно все компоненты пере.-, менного электромагнитного поля Земли (ЭМПЗ). В каждой точке Морские магнитогидродинамические эффекты проявляются значительно сильнее, чем в пресной воде, поэтому они изучены в большей мере на морях и океанах [5, 44, 47, 69, 70, 83, 121,127].

Например, сильное морское волнение примерно 5 баллов вызывает микропульсации магнитного поля у поверхности Земли до 100 нТл на высоте в пределах 30 м над уровнем океана [143].

Океанские волны долгого периода (10—30 с), амплитудой всего в несколько сантиметров могут индуцировать поля примерно 0,1 нТл или больше, аналогичные амплитуды индуцируют ветровые волны высотой 1 м (3 балла) [137]. Теоретические расчеты Била и Уивера [137] показывают, что внутренние океанские волны с длинами более 200 м могут индуцировать поля не менее 0,1 нТл, что может быть измерено магнитометрами. В слое 100 м в океане 800-метровая волна с периодом 5,5 мин и амплитудой 10 м индуцирует магнитное поле до 1 нТл как на высоте 50 м над уровнем океана, так и на глубине 300 м ниже его [137].

В пресной воде специальные исследования электрических эффектов, вызванных динамикой водоема, до 60-х годов не проводились. Опубликованная в 1959 г. работа П. А. Виноградова по. наблюдениям теллурического поля в водах Байкала [2] коснулась лишь бегло и косвенно локальных электрических возмущений с периодом 2—7 с и амплитудой (0,1—0,8)-10~ 6 В/м, которые автор связывал с течениями на глубинах. Однако контроля измерителями течений не проводилось, поэтому эти флюктуации, как мы полагаем, могут быть вызваны с той же вероятностью и внеземными источниками. Систематические исследования динамики электрического поля пресноводных акваторий под воздействием гидрологических факторов (ветровое волнение и зыбь, течения, турбулентные вихри, внутренние волны, сейши и т. д.) начал проводить Институт озероведения АН СССР (бывшая Лаборатория озероведения ЛГУ им. А. А. Жданова) с 1965 г. Работы эти освещены в. публикациях автора (1968, 1970, 1973, 1977, 1978, 1980, 1981). Подробно гидродинамические источники возмущения поля рассмотрены в главе 2.

В проблеме геофизических ритмов мы не коснулись внутригалактических и внегалактических высокоэнергетических источников возмущения электрического поля Земли и биосферы, поскольку они еще недостаточно изучены. Однако результаты их воздействия известны и зарегистрированы. Выяснение причин возникновения динамики электромагнитных полей системы Солнце—Земля и их способности оказывать прямое воздействие на условия жизни на Земле — вопрос не схоластический, он теснейшим образом связан со всеми областями человеческой деятельности. Континентальные крупные водоемы являются своеобразным зеркалом, отражающим все последствия как внешних (космос), так и внутренних (Земля) электромагнитных воздействий на экологические условия окружающей среды, а в конечном счете — на экологию человека.

Гидродинамические факторы ритмического возмущения электрического поля водоемов Движение воды в геомагнитном поле является одним из главных источников нарушения ее электронейтральности. При равновесном состоянии жидкости находящиеся в ней ионы и различные взвешенные макрочастицы, несущие заряд, подвержены действию только осмотических сил. Если магнитное поле для простоты полагать постоянным, то упорядоченная система электрических токов в воде возникает лишь при наличии стороннего электрического поля Е с т (см. раздел 1.2). За счет сил стороннего поля, таким образом, появляются токи проводимости в неподвижной среде (токи объемных зарядов).

Усложним задачу и рассмотрим поведение системы токов в движущейся среде в том же постоянном магнитном поле с составляющими по ортогональным осям Нж, Ну и Hz.

При движении проводящей жидкости в магнитном поле на заряженную частицу, находящуюся в воде, действуют одновременно магнитное, электрическое и гидродинамическое поля.

В результате этого частица приобретает сложное движение.

Вопрос о движении проводящей среды в магнитных полях исследовался в физике с середины XIX в. [111]; он подробно рассмотрен в специальных учебных пособиях [55, 80], монографиях [44, 77, 127] и в статьях [47, 64, 69, 70, 102, 121, 134, 137, 141, 143, 146, 150, 151].

Кратко напомним о поведении макрочастиц, обладающих зарядом и находящихся в сложном движении в водоеме в реальных условиях геомагнитного поля. " ' Магнитное поле Земли является векторной величиной и для его определения необходимо знать (измерить) три взаимно независимых элемента Н (горизонтальная составляющая), D (склонение) и I (наклонение) (рис. 3 по [90]). В последние годы благодаря внедрению в измерения магнитометров стало возможным определять и полную напряженность поля (суммарный вектор) В. Элементы геомагнитного поля меняются с изменением широты места. Горизонтальная составляющая уменьшается от экватора к полюсам от 24—32 ; до 0 А/м, а вертикальная составляющая увеличивается от экватора к полюсам от 0 до 48—56 А/м.

Наши работы проводились в крупных озерах северо-западной части Европейской территории СССР, где составляющие для этого региона на широте 60°с. равнялись:

-склонение 8—9° (восточное). При учете этих данных картина распределения геомагнитного поля для района наших исследований будет аналогичной рис. За, но наклонение / будет 72—75°, а вектор В будет направлен близко к Нг.

Полагая для просоты, что в какой-то момент времени t со-' ставляющие единого электромагнитного поля Земли постоянных Рис. 3. Элементы геомагнитного поля (X, Y и Z — составляющие поля по северному, восточному и вертикальному направлениям соответственно) (а), движение частиц под действием однородных полей при параллельном (/) и антй-.

параллельном ( / / ) положении, векторов электрического и магнитного полей (б) и различные типы трохоид движущейся частицы при условии ориентирования электрического и магнитного полей под прямым углом (в).

Н направлено по геомагнитному меридиану.

(квазистационарны) в диапазоне частот 0—5 Гц и уровня поля ~ Ю -3 А/м, и учитывая схему движения заряженных частиц в ориентированных полях [8] [рис. 3 6), можно с некоторой определенностью говорить о форме движения растворенных и взвешенных частиц в воде [3].

Если задать начальные гидродинамические условия так, чтобы течения и волнение отсутствовали, то ио = 0, и мы получим простейший случай движения заряженных частиц в воде под действием электромагнитного поля Земли в виде циклоидального (рис. З е ). Одновременное воздействие поля на совокупность частиц в воде может привести к каким-то первоначальным их движениям с передачей количества движения от частицы к частице и приведет в колебание всю систему данного водного объекта (помимо теплового, броуновского и электрокинетического движений растворенных и взвешенных частиц). Вопрос теории движения частиц в покоящейся, казалось бы, жидкости в открытой системе, по-видимому, представляется непростым и требует дальнейших исследований.

Рассмотренные элементы возможного механизма движения заряженных частиц в электромагнитном поле Земли в будущем могут численно разрабатываться с учетом различно задаваемых условий (заряда частиц, их массы, значений элементов электромагнитного поля Земли ц т. д.) ;;

При начальных условиях, когда скорость движения не равна нулю, в проводящей жидкости возникает переменное электромагнитное поле гидродинамического происхождения. Токи проводимости (индукционные, или фарадеевские) обусловливают так называемый конвективный ток. В этом случае заряженные частицы массы воды, движущиеся По потоку, находятся под действием сил гидродинамического поля и силы Лоренца, которая перемещает их в вертикальной плоскости вверх или вниз в соответствии со знаком зарядов. Скорость движения частиц в воде и ее электрическая проводимость невелики, поэтому сила Лоренца, действующая как результат индуцированных токов, незначительна по сравнению с силами давления и плавучести (подробнее см. в [2]).

Участие заряженных частиц в такой сложной системе движений, вызванных в'- общем целой цепью факторов, объясняет причину того, что этот вопрос1теоретически еще недостаточно разработан.

Несколько слов Об индуцировании аномального электрического поля гидродинамическими источниками.

Последнее десятилетие исследованию динамики геоэлектрического поля в водной среде уделяется серьезное внимание как в нашей стране, так и за рубежом. Это связано с расширением-разведочных геофизических работ на шельфе и в абиссальных районах океана. Геологическое электромагнитное зондирование подводного ложа океана, усовершенствование новой техники, применяемой для решения различных задач в морской и пресной воде, наталкиваются на определенные трудности, прил-создании высокоточной и чувствительной аппаратуры. Эти трудности обусловлены значительными электромагнитными помехами, причиной которых являются разнообразные гидродинамические источники возмущений нормального геоэлектрического поля (течения, поверхностные и внутренние волны, турбулентные пульсации линейных и вихревых перемещений среды и др.).

Современная изученность этого вопроса весьма неравноценна.

Индуцирование. электрического поля крупными квазистационарными течениями изучалось давно, на Основе этого созданы соответствующие приборы для определения скорости потока (ЭМИТ в'СССР, GEK в США и т. д.). Электрические поля длиннопериодных волн, турбулентных пульсаций почти не изучены, и поэтому можно считать весьма- Необходимым появление публикаций, содержащих сведения о Динамических характеристиках электрических полей, вызванных волнением и турбулентностью [2, 64, 139, 155, 158, 159]. Эти сообщения способствовали расширению детальных экспериментальных работ для получения непосредственных физических характеристик электрического поля, обусловленного динамикой воды, а также усовершенствованию современной измерительной техники. В результате появились специальные установки типа глубоководной автономной станции для измерения электрического поля на дне океана [141], типа «свободно, падающего вращающегося зонда» конструкции США [/70]. В СССР и за рубежом появились новые установки, в которых, применена более совершенная технология электролитических контактных проводников тока. В результате громоздкие длинные измерительные линии заменяются короткими, а контакт электродного зонда с внешней средой (водой) осуществляется без температурных и электрохимических помех [47, 121].

При исследовании электродинамических явлений в воде напрашивается дуалистический подход к измеряемому электрическому сигналу; с одной стороны, переменное электрическое поле среды можно рассматривать как ее объективную характеристику, свойство, флюктуация которого является показателем динамического состояния водоема или по крайней мере его деятельного слоя, с другой — электрометрия выступает как метод объективной и непосредственный, теоретически обоснованный способ исследования динамики как деятельного слоя, так и глубинных слоев, весьма труднодоступных для других инструментальных методов. Но в.этом случае полученные скоростные значения пульсирующих потоков, волн и т. д. (расчетные характеристики по Е и Н) целесообразно продублировать синхронными измерениями с помощью других приборов (особенно, если требуются точные данные, см. разделы 2.3 и 2.5). Желательно также применение фильтров с различными частотными диапазонами для методического разделения суммарного электрического сигнала в соответствии с источниками его возбуждения.

2.1. Течения пресноводных акваторий, заливов и проливов i Электрическое поле течения индуцируется при пересечении вектором скорости потока v силовых линий геомагнитного поля. При горизонтальных перемещениях воды индукция электрических токов обусловлена напряженностью магнитного поля по вертикали Hz и проводимостью воды. Взаимодействие токов в воде с внешним полем Н приводит к появлению в потоке электромагнитных пондеромоторных сил, оказывающих влияние на структуру самого течения. Это влияние в общем случае характеризуется изменением локальных и интегральных параметров как ламинарных, так и турбулентных потоков. Такое влияние электрического поля на структуру течения условно относят к МГД-эффектам первого рода.

В самом общем виде напряженность электрического поля определяется уравнением Напряженность Е равна отрицательному градиенту потенциала ф.

Этот закон электромагнитной индукции М. Фарадея (1831) лежит в основе известного в океанологии метода электромагнитного измерения скорости течений (ЭМИТ). К настоящему моменту существуют методические руководства По устройству ЭМИТа, целый ряд работ по результатам применимости прибора в разных морях, а также всевозможные методические модификации метода, позволяющие решать различные задачи морской прикладной геофизики [26, 44, 47, 83, 135, 151, 154].

В пресноводных бассейнах метод по прямому своему назначению в соответствии с официальным руководством не применялся.* Однако модификации его позволили автору изучать вертикальную неоднородность гидродинамического состояния озер Ладожского, Онежского, Байкал и других в 1967—1980 гг. В самом деле, если слабопроводящая жидкость течет в поперечном магнитном поле, то поле индуцированных токов и соответствующих им пондеромоторных сил может практически не оказывать влияния на структуру самого течения. Однако неравномерность в распределении локальных гидродинамических параметров течения будет приводить к неравномерному распределению в потоке индуцируемых ЭДС и токов. Это явление известно как МГД-эффект второго рода. В слабопроводящих средах (пресная и морская вода) магнитное поле не влияет на движение потока, которое практически соответствует чисто гидродинамическому, но ЭДС индуцируется, и это используется для изучения свойств и структуры течения. Непрерывные вертикальные зондирования методом градиент- и потенциал-зонда с одновременным измерением поля течений типовым прибором вне влияния материковых примесей показали, что дифференциация кривой градиента потенциала определяется именно вертикальной структурой поля течений (его скоростью и изменением направления), т. е. фиксируется характеристика неравномерного распределения плотности объемных зарядов в зонах изменчивости скоростного поля течения и его миграции по направлению: grad ф 2 = f ( v т е ч, 0° Т еч)Наглядное представление об указанной связи сделано с помощью графиков изменения направления (а) и скоростей течения (о) и градиента потенциала (Дф) по вертикали, а также по ним построены профильные разрезы в меридиональном и широтном направлениях.

Для построения модели изменчивости направлений течений предлагается следующая методика.

1. Северное полушарие от запада (0°) через север (90°) до востока (180°) берется положительным ( + ) ; южное полушарие от востока (0°) через юг (90°) до запада (180°) берется отрицательным (—) (рис. 4). Измеренное прибором, например морской вертушкой или самописцем течений БПВ-2р, направление в граПрименялся в оз. Мичиган.

дусах переводится в новую градусную шкалу: например, а = 1 1 7 ° заменяется величиной.а'= —27'"...

2, Для построения, профильного разреза на вертикали наносят значения направления в новой шкале со знаком и проводят изолинии по общим правилам... :

-..

3. Построение графика распределения направления течения по глубине производится следующим образом: по оси абсцисс в обе стороны от 0 откладывается направление течения в градусах с соответствующими знаками по новой шкале, по оси ординат — Таким образом, все течения с северной составляющей по направлению при данном способе интерпретации имеют положительный знак, а с южной — отрицательный. Такая методика особенно удобна, если в,водоеме преобладающими являются меридиональные потоки, соответствующие циклическому характеру движения (как, например, в-Ладожском озере).* Были рассмотрены многочисленные примеры вертикальной неоднородности электрического поля в открытом озере, которая интерпретируется полем течений (скоростью и,направлением). На рис. 5, 6, например, представлены два разреза, построенные по результатам вертикального электрометрического зондирования и инструментального определения скорости и направления течений в глубоководной части Ладожского озера, по линии с севера на юг и с запада на восток.

Продольный разрез 17—20 июля 1968 г. (рис. 5) характеризуется незначительными градиентами потенциала в южной и средней частях озера и значительными — в северной части на * Для континентальных водоемов характерна циклоническая схема движения основных потоков (течений).

а — градиент потенциала Лф г мВ при длине зонда 1=2 м; б — изменение условных направлений течений в градусах по вертикали (положительные значения — северная составляющая, отрицательные — южная); в — поле скоростей течений (изотахи, см/с).

глубинах от 40—50 до 100 м. Возрастание градиента здесь обусловлено в основном сменой направления течений: до глубины 50—70 м течение под действием северных ветров направлено на юг, а глубже — на север (рис. 5 б). Поэтому на глубине около 75 м отмечается скачок потенциала до 10 мВ, уменьшение скорости в 2 раза по сравнению с выше- и нижележащими слоями воды. Дивергенция течений (векторы с северной и южной составляющими), измеренная на других вертикалях, как бы оконтуривается эквипотенциальными линиями электрического поля (вертикали 4, 6 и др.).

На больших глубинах, где скорости течения невелики и их направление мало изменяется, наблюдаются незначительные и практически неизмененные по вертикали градиенты потенциала.

Сгустки неоднородности электрического поля хорошо интерпретируются полем изотах (рис. 5 в).

Поперечный разраз 17—20 июля 1968 г. (рис. 6) характеризуется двумя областями, отличающимися по электрическим и гидродинамическим данным. В западной мелководной части озера наблюдаются незначительные изменения градиента потенциала, и только ближе к центру озера (вертикаль 5) на глубинах 10—20 м отмечается его скачок, связанный с поворотом течения с юга на северо-запад. В глубоководной восточной части прослеживаются повышенные градиенты потенциала, обусловленные сменой течения с юго-западного на северное и аномально высокими скоростями его в слое 10—20 м (до 14 с м / с ), в то время как в слоях выше- и нижележащих скорости колеблются около 8— 10 см/с. Поле изотах оконтуривает область аномалий градиента потенциала (вертикаль 10).

Таким образом, в плоскости меридиана, рассекающей поле течения вдоль (наблюдались только течения северных и южных направлений), могут индуцироваться электрические сигналы до 1 -10—3 В/м, обусловленные потоками со скоростями течения ~ 1 0 см/с и более (например, вертикаль 5) или с резкими поворотами течения, в 120—150° (например, вертикаль 2). В плоскости параллели (поле течения рассекается поперек) наблюдается уменьшение индуцированных сигналов, достигающих в восточной глубоководной части примерно 0,5 • 10~3 В/м, определяющихся, по-видимому, аномальными скоростями потока в слое 10—20 м в период измерения. Аналогичные результаты получены и для прибрежной части, свободно сообщающейся с озером, но здесь мы их не рассматриваем во избежание излйшних повторений.

Результаты вертикальной электрометрии на Ладожском озере (более 200 наблюдений) были проанализированы статистически, и наблюдавшиеся характерные виды распределения потенциала (или его градиента) были сгруппированы по отдельным типам.

Тип первый. Отличается незначительным изменением градиента потенциала по всей глубине (gradcp z л; 0) и характерен для полузакрытых прибрежных акваторий, например заливов Лехмалахти и Рыбный; градиент достигает (0,8—2)-Ю - 4 В / м (на поверхности), (0,6—1,1)-10 - 4 В / м (в промежуточном слое) и 6 - Ю - 4 В / м (У Дна), Тип второй. В поверхностном и придонном слоях наблюдаются значительные градиенты потенцила, а в промежуточном — близкие к нулю. Характерен для открытых прибрежных участков (например, от зал. Рыбный до бухты Моторное). В поверхностных слоях и в промежуточных ~ (0,5—0,9)-Ю - 4 В/м.

Тип третий. По всей глубине наблюдаются значительные колебания градиента потенциала, связанные с гидродинамической неоднородностью среды и характерные для открытой глубоководной части озер: ( 2 — 7 ) - Ю - 4 В/м (поверхностный слой), (3,3—5)Х ХЮ~ 4 В/м (придонный слой) и (1,5—3)-10~ 4 В/м (промежуточный слой). • Глубоководные измерения в озерах Байкал и Онежском не обнаружили принципиальных отличий в распределении электрической неоднородности по вертикали по сравнению с Ладожским. Характерный пример такой электродинамической неоднородности дан на рис. 7 — поперечный профиль через Кондопожский залив Онежского озера, где подсчеты при аналогичных измерениях дают градиент до (2—3)-10 _ 3 В/м. В штилевую погоду, перед ледоставом, на оз. Байкал вертикальное распределение поля соответствует второму или третьему типам.

Я О.. водных масс. Пьезокерамиm" S Фоновые значения гидродинамических флюктуаций. Вихревые структуры были обнаружены в различных участках озера [4, 83].

Рассмотрим несколько примеров фоновых значений флюктуаций естественного поля турбулентных пульсаций в открытом озере 12 сентября 1976 г. в точке над мелководьем на глубине 42 м.

Наблюдения проводились спустя одни сутки после непродолжительного шторма в 6 баллов. Приборы находились на глубине около 15 м в течение одного часа. На рис. 15 показаны образцы синхронной записи, приведенной к одному масштабу по времени.

Наблюдались «вихревые пакеты» — периодически появляющиеся сгустки пульсаций скорости, которым соответствовали аналогичные сгустки флюктуаций электрического поля. Сгустки пульсаций длятся в течение 1—2 мин, количество колебаний, зафиксированное приборами, примерно одинаково — 20—40, и частота их практически одинакова. Были подсчитаны коэффициенты перемежаемости, характеризующие частоту появления «вихревых пакетов», по формуле K = Y, U / Y, tобщ [U— время, в течение которого длится динамическое возмущение («вихревой пакет»); б щ — время наблюдения, включающее как возмущения, так и промежуточные спокойные периоды]. По данным турбулиметра К\ = 0,513, по данным электрометрии Кг = 0,602. Средний период колебаний внутри «пакета» 1,5—2,0 с, минимальный 0,5 с, максимальный 3—4 с.

Для оценки соотношения динамического фактора и генерируемого им электрического сигнала произведен расчет скорости пульсаций и амплитуды градиента поля. Скорость о' рассчитывав лась по формуле X Ю- 5 м 2 / ( м В - с ) (установлен при градуировке прибора); U — напряжение, снимаемое с ленты,.мВ; V — средняя скорость потока, м/с.

Для данных примеров скорость пульсаций колеблется в преЮ - 2 м/с, (3,5- 5.0)-10 4 В/м.

Затем приборы работали на глубине 5 м- (те же координаты), где отмечается меньший период возмущения, т. е. длительность «вихревого сгустка» колеблется от 40 до 70 с, количество пульсаций примерно 13—22, т. е. снизилось в 2—3 раза, по сравнению с глубиной 15 м, но периодичность их в основном та ж е — 1, 5 — 3,0 с. Однако скорость пульсаций примерно в 2 раза меньше — (5,06—6,26)-.Ю -2 м/с, 4 а градиент поля несколько выше ( 5 — 6 ) - Ю - 4 В/м. В этом примере прослеживалась смена полярности разности потенциалов при появлении «вихревого сгустка».

Коэффициенты перемежаемости равны 0,477 (для турбулиметра) и 0,611 (для электрометрического зонда).

Второй пример зарегистрирован наблюдениями за 14 сентября 1976 г. в 19 ч 38 мин у входа в Якимварский залив, на глубине 36 м, горизонт измерений 7 м (электрометрический зонд) и 4 м (турбулиметр). Несмотря на разницу в глубинах наблюдений, «вихревые сгустки» прослеживаются по обоим приборам, хотя амплитуды градиента поля занижены. Длительность «пакетов»

От 26 до 52.с, количество пульсаций примерно 10—22, периодичность 1,7—2,0 с, скорости пульсаций примерно (10,5—11,1) X X Ю - 2 м/с, а напряженность поля (1,5—3,0) • Ю - 4 В/м. Это еще раз подчеркивает необходимость корректно производить измерения.

Заслуживают внимания некоторые экспериментальные реализации, характеризующие своеобразное «портретное сходство»

между турбулентными пульсациями скорости потока и генерируемыми ими электрическими сигналами (градиент поля). Так, 13 сентября 1976 г. приборы находились у о. Сельтямарьянсари на глубине 20 м, горизонт наблюдений—10 м. По записи (рис. 16) видна не только полная идентичность в количестве пульсаций, их периодах в течение «жизни» пакета — 35 с, но и д а ж е в форме записи. Средний период примерно 1,5 с, скорость пульсаций ~ 10,1 - Ю - 2 м / с и средняя амплитуда градиента поля ~ 5 - 1 0 - 4 В/м. Такой результат получен, видимо, при удачном взаимном расположении электродного зонда и турбулиметра и показывает, таким образом, большие методические возможности электрометрии.

Резюмируя наблюдения за короткопериодными пульсациями гидродинамической природы, можно отметить следующее:

1) для фоновых колебаний скорости потока и электрического поля в вертикальной плоскости характерны частоты: 0,5—0,14 Гц (2—7 с) — 7 3 % (электрометрия) и 2—0,14 Гц (0,5—7 с) — 8 0 % (турбулиметр). Основной энергетический вклад приходится на пульсации с периодами 2—3 с (более 60 %). Расчетные экстремальные периоды 1,33 и 5,3 с, скорости пульсаций (только обработанные данные) равны (5,06—11,32)• 10~2 м/с, амплитуды градиента поля (0,2-—6,0) • Ю - 4 В/м, а средние значения — примерно 8 -10"2 м/с и М О - 4 В/м;

Рис. 16. Фоновые значения пульсаций вертикальной составляющей скорости потока (1) и градиента потенциала электрического поля (2) 13 сентября 1976 г.

у о. Сельтямарьянсари в Ладожском озере.

2) короткопериодные пульсаций, как правило, сгруппированы в «вихревые сгустки» общей длительностью 40, 70—80 и 240 с (первая группа), а также 30, 60 и 90 с (вторая группа), интервалы между которыми могут быть весьма разнообразны, но чаще наблюдались минутные и двух-, трехминутные, о чем свидетельствует коэффициент перемежаемости (примерно 0,5).

Флюктуации дивергенции естественного электрического поля.

Фоновые значения изменения плотности электрического заряда регистрировались при различных гидрометеорологических условиях, на гидрофизическом полигоне в Якимварском заливе в слое примерно 1—3 м при глубине места 4 м. Длительность записей, на которых отсутствуют последствия воздействий гидродинамических источников неестественной природы, не превышает 1 ч. Минимальный период флюктуаций, регистрируемый комплектом многоэлектродной установки, не менее 0,1 с. На реализациях дивергенции поля прослеживаются регулярные, свойственные вихревому движению жидкости, сигналы. Обнаруживались четкие «вихревые сгустки» длительностью от 40 до 45 с. Периоды между ними равнялись 2,5—3,5 мин, амплитуды — в пределах 136—368 мкВ. Зарегистрированы отдельные долгопериодные пульсации со средним периодом 67—68 с и средней амплитудой около 225 мкВ (при Тмин = = 62 с, Тмакс — 75 с, Л м и н = 80 мкВ, Л маК с = 370 мкВ). Короткопериодные пульсации в 4—5 с имеют • амплитуды примерно 20—40 мкВ. Но чаще всего наблюдались серии вихрей, следующих друг за другом, и на записях визуально трудно выделить отдельные вихревые образования с характерным сигналом.

Как правило, связь между флюктуациями температуры и дивергенцией поля не прослеживалась, однако есть примеры, когда она имеется для периодов более 15 с (термогирляндой и «Вихремером» зафиксированы колебания с периодом 3—4 мин 6 сентября 1977 г.).

2 сентября 1977 г. была предпринята попытка получить относительно продолжительную запись дивергенции поля и температуры примерно в течение 8 ч. В этот день (11 ч 30 мин— 12 ч 00 мин и 12 ч 30 м и н — 1 2 ч 46 мин) зафиксированы долгопериодные колебания — 6,5 и 2,3—2,5 мин с амплитудами 89—130 и 49— 60 мкВ соответственно. На фоне этих колебаний прослеживаются пульсации типа «биений» с периодами 1,5—2 с и амплитудами 8—10 мкВ. В течение 12 ч 00 мин— 12 ч 30 мин отмечался штиль.

Пульсации типа «биений» практически сгладились. Затем было отмечено появление на поверхности воды капиллярных волн и характерное «потемнение поверхности». Сразу же (сдвиг по фазе установить трудно) на записи дивергенции поля появились пульсации типа «биений». В 13 ч 07 мин ветровое волнение усилилось до 1 балла, а на записи дивергенции поля появились пульсации с периодами от 1 до 18—20 с (1—0,05 Гц), с амплитудами до 15— 20 мкВ. При усилении волнения до 2 баллов амплитуды пульсаций возросли до 400—700 мкВ. Очень часто удавалось зарегистрировать вихревые «выбросы», связанные с внезапными шквалами.

Спектральный анализ изменчивости дивергенции поля от момента ее флюктуации в штилевую погоду до момента усиления ветра около 3—4 баллов позволил выделить три периода с характерным видом распределения энергетического; спектра в полосе предельных частот 0,05—1,25 Гц.

Первый вид. В тихую погоду при слабом юго-восточном ветре (15 ч 00 м и н — 1 5 ч 34 мин) можно было выделить несколько энергетических максимумов, которые соответствовали частотам менее 0,05 Гц»0.,1—0,-15 Г ц (10—7 с) и 0,35 Гц (3 с) (доверительный предел 95 %), более высокочастотные колебания вносят незначительную энергию (доверительный предел 5 % ) (рис. 17а).

Второй вид. Переходный момент от штилевой погоды до устойчивого ветра в 2 балла и появления ветрового волнения (18— 19 ч) характеризуется перестройкой энергетического спектра. Максимумы сдвигаются в более высокочастотную область 0,25— 0,40 Гц (4—2,5 с) и 0,75—0,90 Гц (1,3—1,1 с) (доверительный предел 95 %), максимум на частоте примерно 1,25 Гц (0,8 с) имеет доверительный предел 5 Колебания около 0,5—0,6 Гц (2 с) практически исчезают (доверительный предел 5 % и менее) (рис.17 б).

Третий вид. Характеризует устойчивую ветреную погоду (ветер 3—4 балла) и развитое ветровое волнение до 3 баллов (19 ч 08 мин— 19 ч 11 мин). Отмечается один энергетический максимум ~ 0, 3 5 Гц (2,8—3 с) (рис. 17 в). Аналогичные значения для центральной части максимума энергетического спектра получены авторами работы [70] на море в прибрежной полосе.

Таким образом, порядки частотных характеристик для озерного и морского волнения и индуцированного им электрического поля и его производных практически совпадают на мелководье (по результатам работ до глубин 5 м).

Установка «Вихремер» может применяться для некоторых узкоспециализированных исследований. В 1976 г. при совместных работах с В Н И И Ф Т Р И нами было отмечено резкое изменение градиента потенциала электрического поля в областях циркуляции Ленгмюра. Попытка провести синхронные сравнительные измерения средних скоростей потока в этих областях с помощью стандартного прибора ГР-42 и поля электрометрическим зондом не дали положительных результатов, так как прибор ГР-42 при работе за счет разряда батарей блока питания в воду резко искажает естественный фон среды. Поэтому такая работа была проведена в паре с пьезокерамическим турбулиметром. Динамические пульсации, измеренные пьезокерамическим турбулиметром и элекРис. 17. Энергетические спектры флюктуаций дивергенции электрического поля в период тихой погоды — 15 ч—15 ч 34 мин (а), в переходный период от штиля до устойчивого ветра 2 балла 18—19 ч (б) и в период установившегося ветрового, волнения 3 балла после 19 ч (в). 9 сентября 1977 г. Ладожское озеро.

1—5^— номера следующих друг за другом реализаций.

трометрическим зондом, имеют практически одинаковые характеристики также и в этих областях. Поэтому динамика плотности объемного заряда может достаточно обоснованно физически характеризовать поле движения в областях циркуляции Ленгмюра.

5 сентября 1977 г. было проведено наблюдение над моментами появления полос Ленгмюра и результатами записи установкой «Вихремер» в это же время. Запись регистрации импульсов дивергенции поля в v момент прохождения полосы Ленгмюра над установкой показывает, что они имеют отрицательную составляющую div Е и Достигают 35—40 мкВ в начальный момент развития конвекции. Прослеживается вихревая цепочка движений в области циркуляции.

Экспериментальные работы по изучению дивергенции поля дают возможность проследить за пространственной картиной изменения вихревого состояния среды. Спектральные функции распределения энергии по частотам (рис. 17 а—в), характеризующие вихревые течения от волнения 2—3 балла до штиля, показывают, что передача энергии в область больших пространственных масштабов приводит к объединению мелких вихрей (высокочастотные конвективные микропульсации) в крупные вихри (низкочастотные флюктуации с большими амплитудами), которые в условиях перехода к штилевой погоде снова распадаются на серию мелких вихрей различного размера с постепенным ростом периодов мегкду вихревыми сгустками.

О динамических источниках электризации жидкости в поверхстных слоях водоема. Поверхностные слои воды (поверхностная пленка) являются пограничной зоной, в которой электризация усиливается за счет непосредственного контакта с ветром. В наземных электроразведочных работах, как правило, ведутся наблюдения за колебаниями электрического поля Земли магнитосферной природы: классификация их известна (международная классификация флюктуаций СНЧ-диапазона, типы от pel до рс5, см.

главу 1), однако ветровые источники возмущения не учитываются.

Имеется мнение, что «ветровые помехи» могут быть исключены, если линии подачи ЭДС от электродов к регистратору будут неподвижны [118]. Наши наблюдения приводят к противоположному заключению: индукция электрических сигналов на границе воздух—вода или воздух—почва на контактных датчиках может быть и не связана с движением проводящих линий и зависеть от непосредственной электризации поверхности воды или суши ветром.

В период длительных наблюдений за флюктуациями поля и его дивергенцией в воде нами был оборудован специальный вариационный пункт в пос. Сорола для синхронных записей пульсаций поля в земле на линиях север—юг и запад—восток.

Линии подачи ЭДС на регистратор длиной по 100 м были проложены в почве экранированным кабелем и закопаны.

Частота появления пульсаций СНЧ-диапазона (pel—рс2), как известно, очень низкая, на графике спектральной плотности она имеет обратную зависимость, т. е. находится в пределах Ю - 5 — Ю - 4. Поэтому обнаруженная в наших записях периодическая повторяемость «пакетов пульсаций с частотами типа pel—рс2» и натолкнула на мысль об иной природе наблюдаемых колебаний.

Появление на записях поля «сгустков» или «пакетов» колебаний СНЧ-диапазона оказалось тесно связанным с усилением ветра.

С помощью элементарных учащенных дискретных наблюдений (анемометр и секундомер) было установлено, что интенсивность пульсаций поля возрастает четко с усилением скорости ветра;

в период штилевой погоды или при скорости ветра не более 1 м/с пульсаций типа pel—рс2 не отмечалось, при скоростях ветра от 7 м / с и более вариации электрического поля возрастают, и отличить их по частоте от чисто, магнитосферных (теллурических) практически не удается. Подобные наблюдения были сделаны нами в 1978 г. в районе Андижанского водохранилища:

в тонкой поверхностной пленке воды с началом ночного горнодолинного ветра внезапно возрастала интенсивность электрических колебаний и также внезапно снижалась до обычных фоновых очень слабых колебаний, когда ветер стихал к утру.

Механизм дополнительной электризации поверхностной пленки воды ветром связан с кавитационными эффектами (комплекс явлений, приводящих к образованию, росту и схлопыванию пузырьков в жидкости). Ветер, возбуждая волны на поверхности воды, помимо чисто гидродинамических электрических колебаний, создает предпосылки и для усиления кавитационных эффектов. Известно, что в кавитационном пузырьке напряженность электрического поля Е может достигать, по расчетам Я. Н. Френкеля (1940), 600 В/см при концентрации свободных заряженных частиц в жидкости примерно Ю - 8 см - 3. Однако в действительности [67] для чистой воды эта цифра завышена в_ 104 раз, и поэтому Е не может превышать 6 В/см, а для органических жидкостей и того меньше.

По нашему мнению, электрический кавитационный эффект в воде для прикладных задач гидрофизики может представлять определенный интерес:

1) электрический эффект (возмущение), вызванный поверхностным волнением (ветром), обусловлен не только магнитогидродинамическими силами, но и кавитационными явлениями, что значительно усложняет интерпретацию суммарного сигнала, который, безусловно, становится не адекватен функциональной зависимости Дср=/ (hBолн, /волн). Д л я разделения сигнала на составляющие по энергетическому спектру, по всей вероятности, необходимо совместное измерение также и ультразвукового поля в воде*;

2) кильватерный след от судового двигателя, насыщенный пузырьками, внутри которых сосредоточивается высокий электрический заряд, проявляется в виде электрического шлейфа и легко * Интенсивность кавитационных эффектов может быть опосредовано показана интенсивностью акустических колебаний, которые при мощности 1 Вт/см могут вызывать сонолюминесценцию [67].

обнаруживается элементарной электрометрической установкой [3].* Для наземной электроразведки й метеорологической службы также можно сделать следующие предложения:

1) поскольку частотный спектр пульсаций ветра и геомагнитных микропульсаций лежит примерно в одних и тех же пределах (pel—рс5) и при анализе записей электрического или магнитного полей могут появиться ошибки в истолковании природы явления, целесообразно вести синхронную регистрацию скоростного поля 2) метод теллурических наблюдений, помимо своей основной задачи в геофизических работах, может быть использован для регистрации энергетического спектра ветра в пограничном слое (воздух—почва) без устройства всевозможных высотных сооружений.

Геолого-геоморфологические и геохимические источники неоднородности электрического поля озер 3.1. Нормальное поле озер Проведение электрометрических съемок на больших по площади территориях водоемов предусматривает первоначальное знание фоновых характеристик поля, на основании которых можно было бы дать сжатое количественное описание его для выделения аномальных возмущений, приуроченных к различным районам.

Физической поверхностью водоемов, на которой ведется электрометрия, является тонкий приповерхностный слой воды, в котором протекают всевозможные процессы — физико-химические, биологические, гидродинамические и другие — и который непосредственно соприкасается с весьма неустойчивым и неоднородным приводным слоем воздуха. Это обусловливает пространственную и временную нестабильность фоновых характеристик по всей акватории. Ранее упоминалось об отсутствии к настоящему моменту критерия нормального электрического поля Земли, тем более гидросферы в целом. Поэтому при методических, геологоразведочных и прикладных работах, направленных на изучение и измеренйе определенных, конкретных локальных возмущений, необходимо иметь представление о «нормальном фоновом поле объекта» [3].

* При схлопывании пузырьков происходит ионизация различных веществ и образование радикалов ионов, а это вызывает изменения электрического импеданса системы электрод—жидкость, (Биофизика ультразвука.— М.: Наука, Термин «нормальное поле» имеет определенное истолкование в геофизике. Например, нормальное магнитное поле представляет собой сумму полей где Н п — нормальное поле; Н0 — поле однородного намагничивания земного шара (дипольное поле); Н т — пвле, вызванное неоднородностью глубинных слоев земного шара (недипольное или материковое поле); Н е —поле, обусловленное внешними нестабильными источниками [103].

Как можно видеть, понятие нормального поля условно (Н е нестабильно), и на практике за нормальное поле принимают поля различной структуры в зависимости от того, какую часть аномального поля требуется выделить. Например, карта нормального магнитного поля СССР представляет собой одну аномалию, охватывающую всю территорию СССР — материковую, поэтому полагают, что она соответствует полю H n = H 0 + H m. Атмосферноэлектрическое поле Е а в обычные спокойные и безоблачные дни также характеризуется термином «нормальное поле», хотя здесь следует различать двойной смысл термина: в соответствии с эквипотенциальностью поверхностной оболочки Земли Е а имеет нормальное перпендикулярное направление к земной поверхности (1) и вне сильных возмущений напряженность его лежит в пределах 0 > Е И > — 1 кВ/м (2). Это нормальное поле вблизи Земли искажается рельефом. К сожалению, среднее нормальное атмосферно-электрическое поле Земли неизвестно, поэтому остается неизвестным и полный собственный заряд земной поверхности [55].

Допускают, на основании наблюдений, что. среднее нормальное ноле равно Ео = — 1 3 0 В/м, а на основании этого находится средплотность заряда 0 с р « 1,1 • Ю - 9 К л / м 2 и соответственно няя электрический заряд Земного шара, равный Q~ = 5,7-10 5 Кл [55].

Является ли полный заряд Земли (земного шара и атмосферы) равным или не равным нулю, до сих пор фактически не установлено. Предположения о том, что Земля обладает собственным зарядом (Эрман, Пелтье, Экснер), в настоящее время отвергнуто, как противоречащее основным закономерностям атмосферного электричества, и принято условие, что собственный заряд Земли равен нулю (по Краеву). Полагая, что собственный заряд Земли, как космического тела, равен нулю,, необходимо допустить существование положительного заряда атмосферы: Q+ = — Потенциал земной поверхности,, принятый за условный нуль потенциала, по ориентировочным расчетам равен фо = —5,4-10 s В.

Д л я целей электрометрического картирования необходимо было получить представление об условном нормальном поле, естественный фон которого мог бы в дальнейшем послужить основой для выделения всевозможных возмущений аномального характера гидродинамической природы (главы 1 и 2), но в большей мере геолого-геохимической природы. В этом случае измерения в естественных условиях по своей точности и с учетом источников погрешностей должны приближаться к лабораторным, что осуществляется практически очень редко. Тем не менее такие попытки были нами проведены в 1974 и 1975 гг. на Онежском и Ладожском озерах. На Онежском озере произведено профилирование акватории градиент-зондом в штилевую погоду практически через все озеро, от м. Бесов Нос до Медвежьегорска. Аналогичные измерения, но в меньшем объеме выполнены и на Ладожском озере.

Было установлено, что при удалении от берегов потенциал естественного поля стремится к нулю, градиент потенциала также в открытых частях озер колеблется в среднем около нуля с амплитудами, редко превышающими + М 0 - 3 В / м (трибополяризационный эффект исключен).

Специальные наблюдения были выполнены на Ладожском озере для получения данных о вертикальном градиенте поля в слое О—50 м, где как влияние поверхностного стока с почвы побережья, так и геохимическое воздействие дна практически не сказывались.

Полигон глубины в точках измерений были не менее 150 м, влияние крупных островов и материка практически исключалось, так как ближайшая береговая точка материка к месту измерения располагалась приблизительно в 3 милях. Влияние посторонних объектов по условиям эксперимента исключалось. Невозмущенный уровень поля измерен в 16 точках с учетом временной поляризации электродов и введением поправок. Длина измерительной линии равнялась 50 м. Карта-схема распределения градиента потенциала представлена на рис. 18. Среднее значение его равно 0,51- Ю - 3 В/м.

Примерно аналогичные цифры получены нами и ранее (1968— 1970 гг.). Таким образом, не исключается возможность существования постоянной составляющей электрического поля для данного региона [2, 5]. Аналогичную мысль высказывает и В. И. Лопатников, по данным которого в Черном йоре возможно выделить постоянную составляющую естественного поля, равную ~ 1, 2 Х X Ю - 6 В / м. От выбора среднего уровня нормального поля зависит и наглядность представления пространственной анизотропии аномального поля, обусловленного стационарными источниками возмущения геологической природы. При Построении профилей и карт эквипотенциалей поля мы пользовались относительными характеристиками, считая уровнем нормального фона градиент потенциала, равный'нулю. Насыщенность изучаемого участка электровозмущающими источниками геологической природы на картах показана сгущением эквипотенциалей. Карты абсолютного аномального электрического поля озер не строились, хотя при необходимости это можно выполнить, опираясь на среднестатистическое значение постоянной составляющей Е для изучаемого региона.

Задачи гидрофизики, исследующей аномальные возмущения на фоновом уровне поля, который, как было показано ранее (глава 2), флюктуирует в широкой полосе частот, значительно сложнее. С этой точки зрения, видимо, целесообразно ставить вопрос о расширении понятия критерия «нормального поля», поРис. 18. Карта-схема изменчивости уровня потенциала условно «нормального электрического поля» в северной части Ладожского озера.

скольку, помимо постоянного поля, обусловленного статическими формами рельефа дна и всевозможными внутриземными аномальными источниками, следует учитывать постоянно действующий ритмический фактор, связанный с собственными колебаниями Земли.

В 1974 г. (с 13 по 17 августа) в Якимварском заливе Ладожского озера в прибрежной полосе проводились длительные наблюдения за флюктуациями электрического поля для обеспечения данными поисковых работ. Пятисуточные измерения не могут претендовать на полноту сведений, так как велись они с 10 до 20 ч местного времени, тем не менее на записях можно проследить своеобразную долгопериодную ритмику колебаний поля. Короткопериодные флюктуации отфильтрованы при статистической обраТаблица Долгопериодные колебания естественного электрического поля в Якимварском заливе в 1974 г.

ботке. Обнаружены следующие долгопериодные колебания в минутах (погрешность расчета 3—5 % ) (табл. 5):

Группа колебаний с периодом около 20—25 мин имела амплиЮ - 4 В/м, 60 мин — примерно (10—15)- Ю - 4 В/м и, наконец, самые долгопериодные колебания периодов 75—98 мин и более — примерно 30-Ю - 4 В/м. На записях флюктуаций поля можно проследить, как долгопериодные колебания (особенно 62-минутные) отделяются друг от друга группами или сгустками короткопериодных колебаний (по 4—5 всплесков в группе), которые длятся 10—12 мин, а потом исчезают. Отмеченные долгопериодные колебания не могут быть однозначно связаны с гидродинамическими источниками (волны, течения, вихревые пульсации), поскольку такие периоды не характерны для, динамики водных масс данного объекта. По всей вероятности, их источник следует искать в более общих планетарных.возмущениях. Этот вывод может быть подкреплен достаточно точными опубликованными данными, с которыми мы ознакомились уже после проведенной в 1974 г. работы. Заинтересованному читателю можно порекомендовать специальную литературу по этому вопросу *, а здесь мы лишь отметим - следующее.

Беньофф (США) в 1954 г. открыл 57-минутный сфероидальный период собственных колебаний земного шара. После обработки материалов катастрофического Чилийского землетрясения 1960 г.

- группа американских геофизиков по результатам записей гравиметров и сейсмографов установила, что частоты сфероидальных колебаний Земли соответствуют теоретически рассчитанным на, всех основных сфероидальных тонах порядка п (0, 2, 3, 4, 5, 38). Основному сфероидальному тону п — 2 — наиболее медленному, по данным авторов,— соответствует период 54,7 мин (сейсмограф) и 54,98 (гравиметр); при п — 4 период равен 25,8 мин;

при п = 5 период равен 19,8 мин и т. д. вплоть до 38-го порядка с периодом —^3,7 мин; тону нулевого порядка соответствует период * С о б с т в е н н ы е колебания Земли.— М.: Мир, 1964.— 316 с. JI. Н. Р ы к у н о в. Микросейсмы.— М'.: Н а у к а, 1967.— 86 с. Ф. Н. М о н а х о в. Низкочастотный сейсмический шум Земли.— М.: Н а у к а, 1977.— 95 с.

20,46 мин (гравиметр). Микросейсмические исследования • интенсивно проводились на протяжении последних 20 лет и в СССР, в результате было показано, что увеличение уровня сейсмического шума связано с ростом сейсмоактивности Земли.и'что долгие, четко выделяемые без спектрального анализа периоды совпадают с периодами разных форм и мод собственных колебаний Земли.

Так, например, выделялись периоды 15,5 мин (2-й обертон сфероидального типа колебаний при п = 2), 20,5 мин (основной тон.

сфероидальных колебаний при п — Q) и т. д. [93]. Таким образом, к настоящему моменту спектр собственных колебаний Земли изучен достаточно детально. В той ж е работе американских авторов [98] было упоминание о наблюдениях колебаний с периодами 60, 75, 86 и 100 мин. И вот'.совершенно недавно, в 1982 г., сотрудники НИФИ ЛГУ опубликовали работу [62], в которой сообщают о новой аппаратуре, с помощью которой были зарегистрированы долгопериодные колебания Земли при отсутствии землетрясений, а именно: