Механизм взрыва Тунгусского и Челябинского «метеоритов». Природа аномалий при землетрясениях и цунами

7.5. Поляризация диэлектрика

По величине удельного электрического сопротивления вещества подразделяют на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики. Диэлектриками называются вещества, не проводящие электрического тока. В них отсутствуют свободные электрические заряды. Поляризация диэлектриков – процесс образования объемного дипольного электрического момента (смещение электрических зарядов) в диэлектрике. При возбуждении электрического поля, происходит поляризация диэлектрика, что может сопровождаться появлением механических сил в нем, упругих напряжений и изменением температуры. Электрическое поле неотделимо от зарядов, являющихся его источниками, оно однозначно определяется величиной и расположением зарядов. Заряды могут нейтрализовать друг друга. Согласно теории, поле, которое они возбудили, может продолжать существовать в виде электромагнитных волн. Переменные электромагнитные поля могут существовать самостоятельно, независимо от возбудивших их электрических зарядов [13. С. 115].

Если диэлектрик внести во внешнее электрическое поле, на его поверхностях появляются заряды. Под действием приложенного электрического поля, молекулы становятся электрическими диполями, ориентированными положительно заряженными концами в направлении электрического поля Е. Электростатическая индукция связана с тем, что в диэлектрических телах с одной стороны тела оказываются отрицательные концы диполей, а с другой – положительные. Смещение положительных и отрицательных зарядов диэлектрика в разные стороны называют электрической поляризацией. При наложении электрического поля диэлектрик становится поляризованным, дипольные моменты молекул ориентируются преимущественно в направлении поля. Согласно теории физики, заряды в диэлектрике могут смещаться из своих положений равновесия лишь на малые расстояния, порядка атомных. Поле внутри диэлектрика, создаваемое связанными зарядами, направлено против внешнего поля, создаваемого сторонними зарядами. Существуют диэлектрики, полярные молекулы которых обладают дипольными моментами в отсутствие электрического поля. Такие полярные молекулы беспорядочно ориентированы, совершают хаотические тепловые движения. Помимо электрически нейтральных молекул в диэлектрике могут существовать положительно или отрицательно заряженные ионы. Избыток ионов того или иного знака в какой-либо части диэлектрика означает наличие в этой части некомпенсированных макроскопических зарядов. Существуют диэлектрические кристаллы, построенные из ионов противоположного знака, например, NaCl. Такие кристаллы называются ионными. Избыток ионов того или иного знака в какой-либо части диэлектрика означает наличие в этой части некомпенсированных макроскопических зарядов.

Деформационная поляризация наблюдается для веществ с неполярными молекулами. Они ориентируются, образуя диполи, под действием электрического поля. В молекулах неполярных диэлектриков (Н2, N2, ССl4, углеводороды и др.) центры тяжести положительных и отрицательных зарядов в отсутствие внешнего поля совпадают, дипольный момент у молекул равен нулю. При помещении таких диэлектриков во внешнее электрическое поле происходит деформация молекулы (атома) и возникает индуцированный дипольный электрический момент молекулы, пропорциональный напряженности поля Е [13. С. 148]. При снятии внешнего поля поляризация практически исчезает. Углеводородные горючие соединения (С и Н) содержатся в земной коре в виде скоплений в пластах, они растворены в нефти (попутный газ) и подземных водах.

Вода – вещество, основной структурной единицей которого является молекула H2O, состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода, представляет собой диполь, содержащий положительный и отрицательный заряды. Молекулы воды в виде аэрозолей постоянно присутствуют в воздухе. Если молекулу воды, не связанную с другими молекулами, поместить в электрическое поле, то она повернется отрицательной стороной в направлении положительного потенциала электрического поля, а положительной стороной – к отрицательному потенциалу. При увеличении напряженности поля до величины достаточной для разрыва водородной связи, структура молекулы воды разрушается. В какой-то момент времени энергия связи в молекуле ослабляется электрическим полем настолько, что сила внешнего электрического поля превосходит энергию связи. Это приводит к тому, что атомы кислорода и водорода высвобождаются как самостоятельные газы. Под действием электромагнитных импульсов, происходит накопление энергии в кластерной структуре воды до некоторого критического значения, затем происходит разрыв связей и лавинообразное освобождение внутренней энергии, которая может затем трансформироваться в другие виды энергии.

Постоянное электрическое поле воздействует на воду. При разложении молекулы воды, на катоде выделяется водород, а на аноде кислород [100]. В кластерной структуре воды происходит накопление энергии, до некоторого критического значения. Затем происходит разрыв связей и лавинообразное освобождение внутренней энергии, которая может затем трансформироваться в другие виды энергии.

8. Ионизация газов, плазма

Атмосферный воздух состоит из смеси газов. Нижний слой атмосферы Земли (тропосфера) имеет следующий химический состав (по объему, в процентах): азот – 78,08, кислород – 20,95, аргон – 0,93, углекислый газ – 0,03 [92. С. 59]. Атомы этих газов объединяются в прочные и устойчивые связи, образуя молекулы. На долю остальных газов приходятся уже тысячные и десятитысячные доли процента. Такой состав атмосфера имеет почти до высоты 90 км. Кроме постоянных компонентов атмосфера содержит переменные компоненты: озон и водяной пар. Газы в нормальных условиях являются изоляторами и состоят из электрически нейтральных атомов и молекул. Атом и ион – частицы вещества микроскопических размеров и массы, являются носителями его свойств. Отличаются они зарядом. Атомы – нейтральны, ион – электрически заряжен.

Электропроводность газов возникает при их ионизации. Ионизация – это эндотермический процесс образования положительных и отрицательных зарядов (ионов) из нейтральных атомов или молекул, сопровождающийся поглощением теплоты. Ион – электрически заряженная неэлементарная частица, получаемая в процессе ионизации. Ионы бывают двух типов – с положительным и отрицательным зарядом. Образование положительных ионов происходит путем отщепления электронов от атомов и молекул. Присоединение свободного электрона к нейтральному атому (молекуле) создает отрицательный ион. Основную роль в ионизованном газе играют парные столкновения, с коротким временем действия.

При ионизации атома (молекулы) совершается работа ионизации (Аi), против сил взаимодействия между вырываемым электроном и другими частицами атома (молекулы). Работа ионизации зависит от химической природы газа и энергетического состояния электрона в атоме (молекуле). Она растет с увеличением кратности ионизации, т. е. с числом вырванных из атома электронов. Потенциалом ионизации φi, называется разность потенциалов, которую должен пройти электрон в ускоряющем электрическом поле для того, чтобы увеличение его энергии равнялось работе ионизации: φi = Аi/е, где е – абсолютная величина заряда электрона. Для осуществления ударной ионизации одновалентные ионы должны пройти в ускоряющем поле большую разность потенциалов, чем электроны [101. С. 390].

Согласно современным теоретическим воззрениям, в виде самостоятельных ионов частицы встречаются во всех агрегатных состояниях вещества: в жидкостях (в расплавах и растворах), в кристаллах и газах. Газ, большинство частиц которого электрически заряжено, т. е. высоко ионизованный газ, отличается от обычного газа. В ряде явлений такой газ проявляет сходство с электролитами и твердыми проводящими телами (полупроводниками и металлами) [102]. Высоко ионизированный газ обладает свойствами, присущими только ему одному. Эти свойства вызывают либо сильные электрические поля между заряженными частицами, либо наличие большого числа возбужденных частиц, связанных с высокой степенью ионизации. Ионизованным до высокой степени газам И. Лэнгмюр дал название «плазма». В ионизованном газе плотность заряженных частиц становится значимым фактором.

Ранее работы по плазме широко не освещались. После конференции 1958 года, по мирному использованию атомной энергии, информация стала доступной научной общественности. Плазма состоит из большого числа частиц с зарядами +е и —е. В объеме одной поверхности заключено равное количество положительных и отрицательных ионов. По условию, заключенный в плазме заряд остается практически одинаковым и, в целом, нейтральным. Согласно теории, частицы газа с разноименными зарядами при встрече нейтрализуют друг друга. Это свойство является следствием внутреннего электрического поля, образованного заряженными частицами. Силы взаимодействия распространяются внутри плазмы, область которой может простираться на значительные расстояния. Плазма взаимодействует с внешними электрическими и магнитными полями [13. С. 509]. Систему заряженных частиц можно считать плазмой, т. е. материальной средой с новыми качественными свойствами. Динамические свойства плазмы разнообразны, существует много типов коллективных движений. Если плотность заряженных частиц в газе очень мала, то они взаимодействуют, в основном, с нейтральными частицами.

Вещества в плазменном состоянии, характеризуются высокой ионизацией частиц, доходящей до полной ионизации. Степень ионизации – отношение концентрации заряженных частиц к полной концентрации частиц. В зависимости от степени ионизации вещества (α) различают плазму [101. С. 396]: слабо ионизованную (α – доли процента), умеренно ионизованную (α – несколько процентов), полностью ионизованную (α – близко к 100%). Слабо ионизованная плазма в природных условиях наблюдается в ионосфере. В плазме одновременно взаимодействует множество частиц. Этим свойством плазма обязана действию кулоновских сил. Убыль заряженных частиц в плазме определенной температуры происходит за счет рекомбинации. Пополняется она за счет новых актов ионизации. Рекомбинация – это нейтрализация при встрече разноименных ионов или воссоединение иона с электроном с превращением последнего в нейтральную молекулу (атом). Исчезновение газоразрядной плазмы, предоставленной самой себе, называется деионизацией газа. При удалении электрического поля, приложенного к плазме, противоположно заряженные частицы газа рекомбинируют, у газа исчезает плазменное состояние.

Плазма непрозрачна для электромагнитных волн, частоты которых меньше плазменной. Проблема распространения волн проявляется и в физике твердого тела. В присутствии статического магнитного поля распространение поперечных электромагнитных волн через плазму твердого тела возникает много новых частот. Появляется такой параметр как угол между направлением распространения волны и магнитным полем. Для описания низкочастотных волн в плазме подходит модель возбуждения волн в заряженной струне, параллельно магнитному полю. Если силовая линия смещается поперек поля, то заряженные частицы вынуждены двигаться в нем подобно бусинкам, насаженным на тонкую струну [38].

Электрические заряды, покоящиеся относительно выбранной системы отсчета, имеют вокруг себя только электрическое поле. Действие электрического поля на заряды, между которыми существует разность потенциалов, вызывает их ток. Электрическое поле и ток плазмы, поддерживают ее в устойчивом состоянии. Электрические заряды, которые движутся в направлении вектора силы поля, не требуют затрат энергии. Вокруг движущихся зарядов образуется магнитное поле. Магнитное поле обнаруживается по его воздействию на тела и измерительные приборы. Прекращения направленного движения зарядов возможно снятием или встречным направлением поля, при котором равнодействующая двух сил равна нулю.

В зависимости от природы электрических зарядов принято различать электронную, ионную и смешанную электрическую проводимость. Электронная электропроводность характерна для металлов, рудных тел и полупроводников. Ионная электропроводность свойственна – природным водам, водным растворам, электролитам, а также газам. В окружающей среде постоянно присутствуют электромагнитные поля естественного и искусственного происхождения. Основными естественными электромагнитными полями являются атмосферное электричество, постоянное электрическое и магнитное поле Земли. Электрическое поле Земли ориентирует ионные структуры в атмосфере. Разность потенциалов в пространстве между зарядами структур и зарядом планеты вызывает их направленное движение. В течение последних десятилетий уровень интенсивности электромагнитного окружения значительно возрос. Основные составляющие электромагнитного загрязнения лежат в крайне низкочастотном (КНЧ: 10—300 Гц) и ультранизкочастотном (УНЧ: 0—10 Гц) диапазонах [103].

Поле объемного электрического заряда зависит от величины, протяженности, формы, количества, типа зарядов и прочих факторов. Между заряженными частицами плазмы действуют электростатические силы. Физика плазмы относится к проблеме многих тел, хорошо изучено электромагнитное взаимодействие. По условию, плазма нейтральна и состоит из большого числа частиц с зарядами +е и —е. Характерное для плазмы расстояние – rD, называемое "дебаевским" радиусом экранирования, определяется выражением [13. С. 505 ]:

rD = (kT/4πnee2)0,5.  ()

где T – температура электронов; k = 1,380662 ⋅ 10—23 Дж/К – коэффициент, переводящий единицы энергии в градусы; e – заряд электрона; ne – количество заряженных частиц в плазме (дебаевское число).

Плазма отличается от скопления заряженных частиц плотностью и определяется условием: L > rD, L – линейный размер системы заряженных частиц. Если к плазменному объекту приложить внешнее поле, то оно проникает на глубину порядка дебаевского радиуса. В объеме одной поверхности заключено равное количество положительных и отрицательных частиц. Для соблюдения нейтральности плазмы необходимо, чтобы ее характерный размер (L) был много больше дебаевского радиуса. Для разных объектов его величина изменяется в зависимости от температуры и числа ионов. Плазма называется газовой, если число ионов одного сорта велико. В термодинамическом отношении она рассматривается как идеальный газ. Газ, у которого дебаевский радиус мал, в сравнении с линейными размерами занимаемой им области, характеризуется высокой степенью ионизации. В теории Дебая – Хюккеля ион полностью ионизированного газа принимается за точечный заряд. При этом газ считают электрически нейтральным как целое. Если через плазму в форме столба пропустить сильный электрический ток вдоль оси, то магнитное поле этого тока, имеет форму как у прямолинейного проводника. Электродинамические силы сжимают плазму. Сжатие плазмы происходить до тех пор, пока давление, вызванное электродинамическими силами, не уравновесится давлением частиц самой плазмы [104].

Плотность и температура заряженных частиц являются важными параметрами характеристики плазмы. У разных тел, в зависимости от температуры и числа ионов, изменяется величина дебаевского радиуса (rD). Если размеры системы L намного больше, чем rD, то возникающие в ней локальные концентрации зарядов или вносимые в систему внешние потенциалы экранируются на расстояниях, малых по сравнению с L. Ионизованный газ является плазмой только тогда, когда его плотность достаточно велика, т. е. rD много меньше L [105. С. 21]. Дебаевский радиус очень малая величина и соотношение L > rD выполняется с большим запасом. Внешняя часть земной атмосферы представляет собой плазменную оболочку из слабо ионизованной плазмы. У ионосферной плазмы rD ≈ 10—1 см, для плазмы газового разряда rD ≈ 10—3 ÷ 10—4 см, для плазмы твердых тел rD ≈ 10—5 ÷ 10—7 см. Диапазон плотностей плазмы – огромный. Различные типы газовой плазмы во всем диапазоне плотностей различаются на 28 порядков (от 106 до 1034 м —3) [105. С. 23]. Воздух и вода  различаются по плотности в 103 раз.

Обычно тела находятся в твердом, жидком и газообразном состояниях. «Четвертым состоянием вещества» часто называют плазму. Коллективное взаимодействие частиц, связанное с кулоновскими силами, позволяет рассматривать плазму как особое агрегатное состояние вещества [102]. Ее отличает: высокая электропроводность плазмы; сильное взаимодействие с внешними магнитными и электрическими полями; взаимодействие частиц внутри плазмы посредством поля; наличие упругих свойств, приводящих к возможности возбуждения и распространения в плазме разнообразных колебаний и волн. Плазма приближается к проводникам по признаку большой электропроводности. За счет актов ионизации плазменные тела растут, притягивая к себе новые заряды из окружающего пространства. В плазме также протекают процессы противоположного направления. При определенной температуре за счет рекомбинации происходит убыль заряженных частиц. Рекомбинация – это процесс нейтрализации при встрече разноименных ионов или воссоединение иона с электроном, с превращением последнего в нейтральную молекулу (атом). Исчезновение ионов, по существу, является процессом, противоположным возникновению. Пламя огня и разрядный канал молнии образуют плазму в природных условиях. Возникновение и исчезновение плазмы в природе – это постоянный процесс, который происходит как днем, так и ночью. Искусственная плазма создается в газоразрядных лампах, при газовых разрядах. Заряженные частицы, входящие в ее состав, непрерывно находятся в ускоряющем электрическом поле. Средняя кинетическая энергия зарядов в газоразрядной плазме значительно превышает среднюю энергию нейтральных частиц плазмы. В плазме отсутствует термодинамическое равновесие. Если поддерживать неравновесное состояние, то в плазме будут проходить токи. После удаления внешнего поля, приложенного к плазме, заряды в газе исчезают, атомы и молекулы переходят в нейтральное состояние.

9. Геофизические эффекты, наблюдаемые до начала землетрясения в литосфере, атмосфере, ионосфере и магнитосфере

Земля как космический объект характеризуется внутренними и внешними геосферами, различными внутренними связями и свойствами составляющих их веществ. Геосферы взаимодействуют между собой, обмениваются массой и энергией. Одними из наиболее опасных явлений в природе являются землетрясения. Мелко фокусные (коровые) землетрясения, очаги которых формируются в диапазоне глубин от 0 до 100 км, являются наиболее распространенными сейсмическими явлениями. Мелко фокусные землетрясения  – это сейсмические события, которые вызывают самые большие разрушения, и в общей сумме энергии, выделяющейся во всем мире во время землетрясений, их вклад составляет 75%. На территории бывшего СССР крупными мелко фокусными землетрясениями уничтожены некоторые поселки и сильно разрушены крупные города. В ночь с  5—6 октября 1948 года, во время Ашхабадского землетрясения, погибло более 100 тысяч жителей.  В Армении 7 декабря 1988 г. произошло Спитакское землетрясение. Тогда погибло более 25 тысяч человек и несколько сот тысяч получили ранения.

За 18 лет после начала нового тысячелетия произошло 2440 землетрясений с магнитудами М =  6—7, с магнитудой М = 7—8 – 245 землетрясений и с М ≥ 8 – 23 землетрясения [106]. Землетрясений с магнитудами 6 ≤ М < 8 за эти годы произошло почти столько, сколько и за предыдущие 30 лет. За этот же период произошло в 2 раза больше землетрясений с магнитудой М ≥ 8. Прямые и косвенные ущербы от землетрясений в настоящее время составляют 4—5% от валового национального продукта.

Данные обсерваторских наблюдений позволяют изучать процессы, происходящие в литосфере Земли и других геосферах. Анализируя инструментальные данные, сейсмологи определяют места землетрясений на планете и выделяют сейсмоактивные территории. Области коровых землетрясений изучаются с использованием прецизионных измерительных инструментов, включая спутниковые приборы и технологии. Иногда перед землетрясениями наблюдаются серии из электромагнитных импульсов, следующих с разными интервалами друг за другом [107]. Длительность серий в основном составляет 5—10 минут, иногда может достигнуть и 15 минут. Число импульсов в серии – от 3 до 10. Интервалы между ними могут быть от 1 до 2 мин. Сигналы в диапазоне частот до 5 Гц и амплитудой до 20 нТл, регистрируются на удалениях более 10000 км от эпицентра землетрясения [108]. Наблюдаемые предвестники землетрясения в большинстве являются электромагнитными. Поэтому в статье [109] был сделан вывод: появление импульсных электромагнитных сигналов, предваряющих землетрясение, является проявлением процессов, протекающих с преобразованием механической энергии в энергию электромагнитного излучения.

На Дальнем Востоке исследовали возможность появления ультранизкочастотных импульсов, предваряющих сейсмические события с магнитудами M ≥ 5,0. На записях высокочувствительных индукционных магнитометров PWING постоянно встречаются импульсные возмущения [110]. Спектральный максимум порядка 7—8 Гц проявляется во многих импульсах. Ученые отмечают, что на нескольких станциях импульсные возмущения появились синхронно. В публикации отрицают случаи одновременной регистрации импульсов на всех станциях сети, покрывающей Восточную Сибирь, Японию и Аляску. Синхронные импульсы наблюдались только на паре станций. Поскольку физика "предвестников" остается неясной, авторы работы предлагают обнаруженные сигналы рассматривать как проявление механо-электромагнитных преобразований в зоне землетрясений, связанных с разрушением зацеплений на границе смежных плит. Считают, что резкое сжатие пород, предшествующее их разрушению, может привести к генерации электромагнитного импульса в результате пьезомагнитного эффекта.

Гипотезу об УНЧ импульсах, как предвестниках землетрясения, не подтверждает анализом наблюдений, выполненный группой ученых [110]. В статье предполагают, что импульсы вызваны электрическими разрядами в атмосфере. Молнии могут сопровождаться сопутствующими импульсными возмущениями от высотных оптических явлений (спрайты, эльфы, джеты). Часть импульсов в окрестности землетрясения является откликом на грозовой разряд.

Процессы «подготовки» землетрясения, вызванные электромагнитными явлениями в геосферах, являются предметом ученых споров. Исследования землетрясений показывают, что перед сейсмическими событиями наблюдаются несколько типов электромагнитных аномалий в УНЧ диапазоне. За несколько часов (дней) до землетрясения появляются электромагнитные шумы с центральной частотой около 0,01 Гц, регистрируются изменения спектрального состава и поляризационной структуры УНЧ колебаний [111]. Результаты анализа данных на Геофизической обсерватории «Михнево» свидетельствуют о том, что во время импульсных вариаций магнитного  поля в большинстве случаев наблюдаются и повышенные вариации сейсмического фона. Спектральный анализ показывает, что вариации сейсмического фона наблюдаются в основном в частотном диапазоне 0,01—0,1 Гц и редко в диапазоне частот 0,001—0,1 Гц [112].

Возникновение магнитных импульсов небольшой интенсивности и длительностью 1—40 с за несколько минут до землетрясений, зарегистрировано аппаратурой геофизических обсерваторий [111]. Для сильных землетрясений эти эффекты наблюдались на удалениях до 10 тысяч километров от эпицентров. В работе склонны думать, что резкое смещение масс земной коры в момент сейсмического толчка может приводить к генерации электромагнитного импульса, который регистрируют на удаленных станциях на несколько секунд раньше фронта сейсмической волны. Универсальность процессов генерации импульсных предвестников, предполагает возможность предупреждения о приближающемся землетрясении за несколько минут до события.

В работе [113] рассматривают модель, при которой над областью подготовки землетрясений происходит генерация атмосферных, акустических и акустико-гравитационных волн. Распространяясь через атмосферу, они доходят до ионосферных высот, где происходит генерация возмущений электрического поля и изменяется плотность заряженных частиц. В другой модели возмущения в ионосфере вызваны электрическими процессами в литосфере или приземной атмосфере, благодаря им происходит модификация электрических полей и токов. Ученые думают, что литосферно-ионосферная связь осуществляется действием совокупности физических механизмов. По их мнению, выделить только одну модель не представляется возможным. Поскольку пространственные масштабы наблюдаемых в ионосфере эффектов, предшествующих землетрясениям, различаются несколькими тысячами километров, а характерное время – от нескольких минут до нескольких суток.