научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ДОННЫХ ПОРОД НА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ, ИНДУЦИРОВАННОЕ ПОВЕРХНОСТНОЙ И ВНУТРЕННЕЙ ВОЛНАМИ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ДОННЫХ ПОРОД НА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ, ИНДУЦИРОВАННОЕ ПОВЕРХНОСТНОЙ И ВНУТРЕННЕЙ ВОЛНАМИ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2013, том 49, № 5, с. 587-594

УДК 551.463;550.373

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ДОННЫХ ПОРОД НА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ, ИНДУЦИРОВАННОЕ ПОВЕРХНОСТНОЙ И ВНУТРЕННЕЙ ВОЛНАМИ © 2013 г. В. П. Смагин, С. В. Сёмкин, В. Н. Савченко

Владивостокский государственный университет экономики и сервиса 690990 Владивосток, ул. Гоголя, 41 E-mail: li15@rambler.ru Поступила в редакцию 26.04.2012 г., после доработки 29.01.2013 г.

Рассмотрено электрическое и магнитное поле, а также поверхностные электрические заряды на границах раздела сред, индуцированные двумерной морской поверхностной и внутренней волнами. Проанализировано влияние магнитной проницаемости и электрической проводимости донных пород на индуцированные поля.

Ключевые слова: поверхностные волны, внутренние волны, глубина пикноклина, магнитное поле, океан, электрические токи, море.

Б01: 10.7868/80002351513050106

1. ВВЕДЕНИЕ

Диапазон исследуемых электромагнитных полей в данной работе относится к ультранизкочастотному (УНЧ) классу и характеризуется частотами от долей до сотен секунд. Известно большое разнообразие УНЧ-волн возбуждаемых как вне-, так и внутриземными источниками в магнитосфере и коре Земли [1], а также в морях и океанах, среди которых здесь нас интересуют естественные УНЧ электромагнитные вариации, сопровождающие распространение морских поверхностных [2, 6—8] и внутренних волн [3, 4] (в этом случае периоды волн на шельфе могут составлять тысячи секунд). Связь интересующих электромагнитных вариаций с поверхностным волнением моря экспериментально установлена отечественными и зарубежными исследователями, ссылки на которые можно найти в указанных выше работах. В ранее опубликованных теоретических работах, выполненных, как правило, в квазистатическом приближении, не учитывались факторы влияния эффекта самоиндукции и электромагнитных характеристик пород подстилающих дно морей и океанов. Один из этих факторов, фактор самоиндукция, учтен в нашей работе [8], здесь же, наряду с ним, мы также учитываем и показываем роль влияния электрической проводимости ст3 и магнитной проницаемости ц донных пород. Обычно исследование влияния на электромагнитное поле морских волн ограничивалось

учетом только электрической их проводимости [4], поскольку осадочные донные породы, как правило, не имеют выраженных магнитных свойств.

Однако в прибрежной и шельфовой зонах морей вполне возможны случаи, когда у донных пород имеются как электрические, так и магнитные свойства [3]. Более того, в работе [7] было показано, что при потенциальном движении жидкости возникновение токов в проводящих донных средах возможно только за счет индукционных эффектов. В данной работе предлагается модель морской среды, позволяющая оценить влияние как электрических, так и магнитных свойств донных пород на индуцированное поверхностными и внутренними волнами магнитное поле.

2. ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

Рассмотрим океан постоянной глубины Б, состоящий из двух однородных слоев — верхнего и нижнего, с плотностями соответственно р1 и р2. Толщину верхнего слоя d (глубина залегания пик-ноклина) будем считать постоянной, а движение жидкости — потенциальным (скорость частиц жидкости v = §гаёф, ф — гидродинамический потенциал), а амплитуду волны а малой по сравнению с ее длиной. Введем декартову систему координат, располагая плоскость ху на невозмущенной поверхности океана, а ось г направив вертикально вниз. Тогда потенциалы скорости в

верхнем (ф^ и в нижнем (ф2) слоях должны быть гармоническими функциями, удовлетворяющими граничным условиям на свободной поверхности

д Ф 1 _ 1 д2ф!

дг

д I1

= 0,

на дне:

дф_2

дг

г = 0

= 0

(1)

(2)

г = Б

и на границе раздела слоев:

Р1

^дф1 1 д2 ф^

дг

д / у

дф1 д г

= Р2

^дф2 1 д2ф2^

г = й

д г

д / у

г = й

(3)

= ддф2

г = й дг

г = й

Рассмотрим гармоническую двухмерную волну с частотой ю, распространяющуюся в направлении оси х: ф1, 2 = /1, 2(г)е,(ш( — кх). Величины/(¿) и /2(1), удовлетворяющие условиям (1) и (2), имеют вид:

/1С г) = л(сЪк1 - Ю- 8Икг), Яг) = БсЬкф - г).

V у

Используя граничное условие (3), получим

л ( кй - ю еИ кй) = -Б к С Б - й) (4)

( 8к у

и дисперсионное соотношение, которое можно записать в виде равенства нулю определителя:

2

1 - — еШкй

Р1 (1 -

ю

р2( 1 - ^ е1Ьк(Б - й)

= 0. (5)

кинематическое условие

дг

= 0, т.е. исклю-

г = 0

вместо (5) получим дисперсионное соотношение для внутренних волн

2 -1 ю = gkСp2 - р1 )(р1 аЪкй + р2еЛк(Б - й)) . (6)

Для р1 близких к р2 это соотношение мало отличается от ветви (5), соответствующей внутренним волнам.

Таким образом, амплитуды компонент скорости частиц жидкости во внутренней и поверхностной волне имеют вид:

=

у0 г =

—Лгк( еШкг -ю кг), й > г > 0,

( gk у (7)

—БгкеЬк(Б - г), Б > г > й,

Лк{$Икг - — еИкг), й > г > 0,

( gk у (8)

—Б1к$И к (Б - г), Б > г > й.

Это дисперсионное соотношение имеет две ветви, соответствующие внутренним и поверхностным волнам. При р1 = р2 корень, соответствующий внутренней волне, исчезает и (5) сводится к ю2 = gkthkD, что является хорошим приближением для дисперсионного соотношения поверхностных волн и для р1 не слишком сильно отличающихся от р2. Если же вместо динамического граничного условия (1) задать на поверхности

дф1

Постоянные А и В, связанные друг с другом равенством (4), могут быть выражены через амплитуду волны с помощью соотношения Уг = /ю%, где £, — амплитуда вертикального смещения частиц жидкости от положений равновесия.

3. ИНДУЦИРОВАННОЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Основные уравнения и граничные условия. Рассмотрим трехслойную электромагнитную модель морской среды — атмосфера, морская вода, донные породы. Будем считать, что каждый слой характеризуется собственными значениями электрической проводимости а, диэлектрической проницаемости £/ и магнитной проницаемости ц (/ = I, II, III, среда I — атмосфера, среда II — морская вода, среда III — донные породы). Будем полагать, что в воздухе а = 0, а = ц = 1, а в воде цп = 1. Магнитную проницаемость донных пород будем обозначать просто ц.

Для решения задачи об определении электромагнитного поля, индуцированного движением морской воды со скоростью v в геомагнитном поле F, используется система уравнений Максвелла:

ШУ В = 0, гс* Е = -

дв

д-',

гоШ = ] + —, Шу Б = р.

д ?

(9)

чить из рассмотрения поверхностные волны, то

Связь между парами векторов D, H и E, B (материальные уравнения), а также выражение для плотности тока ] различны в разных средах. Будем полагать, что в воздухе связь между векторами, характеризующими электромагнитное поле, та-

1

кая же, как в вакууме, а электрические токи и объемные заряды отсутствуют:

Б1 = б0 Е1, В1 = Н1, ^ = 0, р1 = 0. (10)

Морскую воду будем считать однородной по электромагнитным свойствам. Материальные уравнения в системе координат, относительно которой жидкость движется, описаны в [10]. Считая скорость движения воды малой, а индуцированное магнитное поле значительно меньшим геомагнитного поля F, получим:

Б11 = 808„ЕП + 80(е„ - 1)[V, Р], В11 = И0Н11, (11)

j11 = а„(E11 + [v, F]).

(12)

Для периодического движения морской воды, когда v = v0e,ш( и р11 = р01еш(, из уравнений Максвелла (9) и закона Ома (12) следует:

80

Ро

1 + i ЮТ

div [Vo, F ] =

(13)

1 + i ЮТ2

(F, rotVo),

D111 = s0 einEin, B111 = Ho h H111,

.Iii „Iii

j = CTiiiE .

(14)

Объемная плотность электрических зарядов в стационарном периодическом режиме тоже равна нулю.

Как показано в [10], граничные условия на границах I—II и II—III имеют для малых скоростей движения воды такой же вид, как и для неподвижных сред. Иначе говоря, на границе I—II:

e = eí1, bi = Bii, D¡ - Dn = Xi. (15)

На границе II—III:

ii iii ii iii iii ii E = E , Bn = Bn , Dn - Dn = Хз,

= i / Hi 11 .

(16)

где т2 = S °S п — характерное время установления стационарного состояния, которое порядка 10-10 с для морской воды (sjj « 80, стп ~ 4—6 сим/м [2, 3]). Это значит, что при потенциальном движении морской воды (rotv0 = 0) объемные заряды в воде отсутствуют стп = 0.

Донные породы (среда III) будем полагать полубесконечной однородной средой. Материальные уравнения и закон Ома в этой среде выглядят следующим образом:

Поверхностные плотности зарядов %1 и х3 заранее неизвестны и находятся при решении задачи.

Кроме того, необходимо добавить границу между слоями 1 и 2 в морской воде. Граничные условия на этой границе аналогичны (15) и содержат еще одну неизвестную поверхностную плотность зарядов х2.

Электромагнитное поле с учетом самоиндукции.

Перейдем теперь к определению электромагнитного поля и поверхностных зарядов, индуцированных поверхностной или внутренней монохроматической волной (7—8). Введем углы а и в, определяющие ориентацию вектора F геомагнитного поля следующим образом:

Fx = Fsin a cos р, Fy = Fsin а sin р, Fz = —Fcos а.

Иначе говоря, а — это угол между вертикалью и вектором F, зависящий от широты места, а в — угол между направлением распространения волны (осью x) и проекцией вектора F на горизонтальную плоскость.

Решение системы (9), соответствующее скоростям (7) и (8), будем искать в виде E = E0(z)e'(®( - kx), B = B0(z)e''(®( - kx).

Подставляя эти выражения в (9), получим:

В среде I:

B0x = iGxekz, Bo y = 0, Bo г = G1&kz, (17)

Eox = AЮ Fyekz, Eoy = (ю/к)Gxekz,

Eoz = - Fy ekz;

(18)

в среде II:

Box = -iBoz/ k Boy = °

= I Gi(chK2z + (к/к2) shK2z) + Mi(z), o < z < d, (19)

z 1 вз( ch к 2 ( D - z) + (K 2/Hi i i к 2) sh к 2 ( D - z) + M2 (z), d < z < D,

Е0х = Е0г/к Е0у = (ю/к )Б0г,

Е0г (г) =

—Руу()х (г) = 1ЛкРу(еИ кг - — «И кг), 0 < г < й,

[—^уУ0х (г) = 1БкРу еИ к С Б - г),

й < г < Б,

(20)

22 здесь к2 = к + ф0 стпю,

М1 (г) = (г) - N1С0) еИк2г - «Ик2г,

к2

М2(г) = #2(г) - #2(Б) еИк2(Б - г) +

+Ш лк2 (Б - г), к2

#1(г) = Л—(—sinаео8р( «Икг - —еЬкг) +

ю( ( gk у

+ Iеosа( еИкг - — «Икг) ) Р,

( gk )у

#2(г) = Б( sinа еos р «Ик(Б - г) + ю

Х02 = — 60Ру(У0х(й + 0) - У0х(й - 0)) =

«И кБ — — еИ кБ

gk

—160 РуЛк

(25)

«И к (Б - й)

Из этих выражений видно, что в рассматриваемой нами модели поверхностные плотности индуцированных зарядов не зав

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