2.4. Електромагнітні поля

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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