научная статья по теме ИНЕРЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В КОРЕ И В МАГНИТОСФЕРЕ ЗЕМЛИ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ИНЕРЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В КОРЕ И В МАГНИТОСФЕРЕ ЗЕМЛИ»

ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2008, № 1, с. 50-56

УДК 550.344.385, 550.385.37

ИНЕРЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В КОРЕ И В МАГНИТОСФЕРЕ ЗЕМЛИ

© 2008 г. А. В. Гульельми

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва E-mail: guglielmi@mail.ru Поступила в редакцию 10.04.2007 г.

В статье [Sgrigna et al., 2004] дан обзор работ по проблеме возбуждения в земной коре магнитных сигналов при образовании магистрального разрыва в очаге землетрясения и при распространении сейсмических волн. При этом допущены искажения текста оригинальных статей и сделан ряд неверных утверждений относительно инерционного и индукционного механизмов преобразования энергии движения горных пород в энергию магнитного поля. В предлагаемой статье проанализированы эти ошибки. При изложении материала использовано формальное и физическое сходство между сейсмомагнитными волнами в земной коре и волнами Альвена в магнитосфере. Сделан сравнительный анализ инерционного и индукционного механизмов генерации сейсмомагнитного поля. Выведен критерий черенковской генерации волн Альвена при воздействии на ионосферу акустических волн от землетрясений и взрывов. Определенное внимание уделено нелинейным явлениям (нелинейность механомагнитной трансформации в земной коре, ангармоничность и самофокусировка волн Альвена в магнитосфере).

Ключевые слова: землетрясения, сейсмомагнитные волны, волны Альвена. PACS: 91.30.Ab + 91.25.Qi

1. ВВЕДЕНИЕ

В статье [Sgrigna et al., 2004], опубликованной на страницах журнала "Nuovo Cimento", рассмотрена одна из фундаментальных проблем сейсмо-электродинамики, а именно - проблема возбуждения в земной коре магнитных сигналов при образовании магистрального разрыва в очаге землетрясения и при распространении сейсмических волн. Эта статья представляет собой обзор работ [Гульельми 1986а; 19866; 1989; 1991; 1992а; 19926; 1995; Гульельми, Рубан, 1990; Гульельми, Левшенко, 1994; Гульельми и др., 1987; 1996; Guglielmi, 1992; 1999]. Однако авторы статьи [Sgrigna et al., 2004] допустили ряд терминологических и фактических неточностей, что дает нам повод и основание обсудить в данной статье непростой вопрос о механизмах преобразования энергии движения горных пород в энергию электромагнитного поля. Сосредоточим внимание на инерционном и индукционном механизмах, как это сделано в статье [Sgrigna et al., 2004].

Опыт показывает, что иногда полезно проводить аналогии между явлениями в различных геофизических средах. В свое время Кейлис-Борок и Монин развили теорию магнитоупругих волн в земных недрах по аналогии с теорией магнито-гидродинамических волн Альвена в космической плазме [Кейлис-Борок, Монин, 1959]. Напротив, Фольк Элеман, анализируя магнитный сигнал от сильного землетрясения, которое произошло на

Аляске в 1964 г., не уделил достаточного внимания сходству и различию между инерционными эффектами в магнитоактивной плазме и в пористом влагонасыщенном теле. В результате он пришел к ошибочному выводу о пренебрежимо малом вкладе инерционного механизма в генерацию сейсмомагнитного сигнала [Eleman, 1965]. Приведем еще один пример. В работе [Гульельми, 1992в] был сделан сравнительный анализ ускорения вещества в коре и в магнитосфере Земли в результате пондеромоторного воздействия геоэлектромагнитных волн. Анализ оказался удачным в том смысле, что дал толчок к появлению многочисленных публикаций на тему о пондеро-моторных силах в природе (см. обзор [Lundin, Guglielmi, 2006], в котором приведена обширная библиография и весьма подробно описано состояние исследований в этой области). И в данной статье, обсуждая инерционные эффекты, мы будем проводить параллели там, где это возможно и полезно для дела.

2. ИНЕРЦИОННЫЙ И ИНДУКЦИОННЫЙ МЕХАНИЗМЫ

В обзоре [Sgrigna et al., 2004] не вполне корректно изложено представление о механизмах генерации сейсмомагнитных сигналов (CMC). Так, излагая индукционный механизм, авторы говорят о токах Фуко, якобы возникающих при распространении сейсмической волны. Более 150 лет на-

учная традиция устойчиво связывает представление о токах Фуко как о токах в проводнике, помещенном во внешнее переменное магнитное поле. Между тем, сущность индукционного механизма состоит как раз в том, что СМС возбуждаются при движении проводящих слоев земной коры во внешнем постоянном магнитном поле [Eleman, 1965; Гульельми, 19866; Гульельми, Рубан, 1990]. Речь идет о главном геомагнитном поле, которое безусловно нужно считать постоянным при изучении СМС. Токи Фуко возбуждаются в земной коре переменным геомагнитным полем, например, полем УНЧ волн космического происхождения, но это явление не имеет никакого отношения к СМС.

Приведем уравнение генерации СМС в результате действия индукционного механизма:

д B V7 / т. Ч

- = Vx( v х B0) + 4 ^

V2B.

(1)

Здесь В(х, г) - магнитное поле сейсмической волны, у(х, г) - скорость движения горных пород, В0 -главное геомагнитное поле, а - проводимость горных пород, с - скорость света. Уравнение (1) совпадает с одним из линеаризованных уравнений магнитной гидродинамики [Альвен, Фельтхам-мар, 1967]. Если добавить к нему линеаризованное уравнение движения идеально проводящей несжимаемой жидкости (а —*- V ■ V = 0), то нетрудно вывести дисперсионное соотношение

ю = сАкц,

(2)

описывающее распространение волн Альвена в космической плазме [Alfven, 1942]. Здесь ю - частота волны, кц - проекция волнового вектора на внешнее магнитное поле, сА = (4пр)-1/2В0 - скорость Альвена. (О модификации дисперсионного соотношения (2) для описания магнитоупругих волн на границе земного ядра см. в статье [Кей-лис-Борок, Монин, 1959]).

При ускорении движения горных пород возникают силы инерции, приводящие в действие так называемый инерционный механизм генерации СМС. Уравнение генерации имеет вид

dB ^ с

— = aVxа+ — д t 4 па

V2 B,

(3)

где а = дv/дt - ускорение движения горных пород, а - коэффициент механомагнитной трансформации. Мы видим, что источниками сейсмомагнит-ного поля служат вихревые линии поля ускорений. С учетом размерностей физических величин можно записать а = тес/е, где е - элементарный электрический заряд, ше{ - некая эффективная масса. Таким образом, локально среда полностью характеризуется двумя параметрами, а и ше{.

В работах[Гульельми, 1992а;19926; 1995] введено представление об инерционном механизме

генерации СМС и предложен соответствующий термин. Вместо этого в обзоре [Sgrigna et al., 2004] инерционный механизм назван электрокинетическим. Это сделано без каких-либо оговорок и неправильно по ряду причин. По логике авторов обзора, индукционный механизм можно было бы, вообще говоря, также назвать электрокинетическим, поскольку и в этом случае перенос электрических зарядов в пористом влажном теле играет существенную роль. Однако если руководствоваться строгими правилами систематики, то указанные названия следовало бы отнести к видовому и родовому таксонам. Конечно, названия условны, но они служат средством общения и могут выполнять эту функцию эффективно, если только имеют одинаковый смысл без постоянного повторения пояснительных фраз. Для многих геофизиков, изучающих электрическое поле сейсмических волн, термин "электрокинетический" ассоциируется с сейсмоэлектрическими сигналами второго рода [Иванов, 1940]. Но электрокинетический механизм генерации таких сигналов [Френкель, 1944] не порождает колебаний магнитного поля, т.е. электрокинетический механизм (в указанном узком значении слов) не возбуждает СМС. Во избежание путаницы естественно называть инерционным, а не кинетическим механизм генерации магнитного поля в результате ускоренного движения горных пород, как это и было предложено в оригинальных публикациях.

На этом можно было бы остановиться, но вслед за [Sgrigna et al., 2004] необоснованная подмена термина, указанная выше, в последние годы стала встречаться довольно часто. Поэтому в дополнение к сказанному сошлемся на пример терминологической ясности в теории волн Альвена. Закон дисперсии (2) был получен Альвеном без учета инерции носителей тока (электронов в случае магнитосферной плазмы) и без учета кинетических эффектов. Учет инерции электронов приводит к следующей модификации закона:

ю =

сАк||

Jl + к\Ъ2

(4)

Здесь 5 = с/ю0е, ю0е - частота Ленгмюра, к± - величина ортогональной проекции вектора к на внешнее магнитное поле В0. Волны с законом дисперсии (4) называют инерционными волнами Альвена и четко отличают их от волн с законом дисперсии

ю

= сАк|| л/1 + к± г1,

(5)

которые называют кинетическими волнами Альвена. Здесь г3 - гирорадиус иона, движущегося со скоростью звука перпендикулярно силовым линиям поля В0 (см., например, обзор [Ьипёт, в^ИеШ, 2006]). О резком различии линейных и, в особен-

B/Bc

0t

o<>00<

,00«'

.ООО'

10

ю/юс

Рис. 1. Частотная зависимость амплитуды сейсмомаг-нитных колебаний. Сплошная и пунктирная линии соответствуют индукционному и инерционному механизмам генерации.

ности, нелинейных свойств инерционных и кинетических волн Альвена будет еще сказано ниже.

3. ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ МЕХАНИЗМОВ

Мы хотим сделать сравнительный анализ инерционного и индукционного механизмов генерации магнитного поля. Для этого, прежде всего, нужно задать поле скоростей v(x, t). Допустим, что оно создается плоской упругой поперечной волной, имеющей частоту ю и распространяющейся со скоростью ct. С учетом того, что k = ю/с, из уравнений (1), (3) сразу следует, что при заданной амплитуде упругой волны амплитуда инерционного (индукционного) CMC есть монотонно возрастающая (убывающая) функция ю, причем B —► 0 (B —- const) при ю —- 0 и B —- const (B —- 0) при ю —*- ^ Это значит, что существует критическая частота юс, на которой оба механизма одинаково эффективны, причем на малых частотах доминирует индукционный механизм, а на больших - инерционный. С помощью (1), (3) нетрудно найти критическую частоту:

Юс = Bo||/а.

Здесь 50у - проекция внешнего магнитного поля на ^о^ направление распространения. Критическая частота изменяется в широких пределах. По оценкам [Гульельми и др., 1996; 8§й§па й а1., 2004] она принимает значения в интервале от миллигерц до нескольких герц в зависимости от конкретных условий

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Геофизика»