7. Физические свойства Земли
7.1. Физика атмосферы
Атмосфера Ввнешняя газовая оболочка Земли, которая простирается приблизительно на 3000 км в космическое пространство. С высотой в ней меняются: давление, плотность, температура и другие физические свойства. Атмосфера содержит следующий химический состав (по объему): азот 78,09%, кислород 20,95%, аргон 0,93%, углекислый газ 0,03%. На долю остальных газов приходятся тысячные доли процента и меньше. До высоты 100 км химический состав воздуха существенно не меняется. Несколько выше 100 км атмосфера состоит главным образом из азота и кислорода. На высотах 100110 км, под действием ультрафиолетовой излучения Солнца, молекулы кислорода расщепляются на атомы, появляется атомарный кислород. Выше 110-120 км кислород почти весь становится атомарным. Предполагается, что выше 400500 км газы, составляющие атмосферу, также находятся в атомарном состоянии.
Атмосфера Земли, в результате температурных изменений, на разных высотах имеет слоистую структуру. По температурным и физическим условиям атмосферу делят на пять слоев. Вверх от поверхности Земли расположены: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера, экзосфера [87, 88]. Тропосфера нижний слой атмосферы Земли до высоты 1018 км. Содержит около 80% массы всей атмосферы, взвешенную в атмосфере пыль и почти вся воду. Вертикальная мощность тропосферы значительно зависит от характера атмосферных процессов и достигает 18 км. Слой тропосферы не подвержен суточным и сезонным изменениям в экваториальной и тропической зоне. Над приполюсными и смежными областями верхняя граница тропосферы лежит на уровне 810 км. В средних широтах она колеблется от 8 до 16 км. Переходный слой между тропосферой и вышележащей сферой (толщиной 12 км) носит название тропопаузы. Выше нее, от высот 817 до 5055 км, простирается стратосфера. Давление и плотность воздуха с высотой быстро уменьшаются. Основная масса атмосферы размещается в нижних слоях, прилегающих к поверхности земли. В слое между уровнем моря и высотами 56 км сосредоточена половина массы атмосферы, в слое 016 км 90%, в слое 0-30 км 99%. Вес воздуха у поверхности земли равен 1033 г/м
3
3
3
Начиная с высоты около 25 км, температура с высотой растет, достигая на высоте ~ 50 км (у границ слоя) максимальных положительных значений (+30 °С). Повышение температуры в этой сфере вызвано наличием озона. Под действием ультрафиолетовой радиации Солнца, молекулы кислорода расщепляются на атомы, появляется атомарный кислород. В процессе диссоциации молекулярного кислорода, ультрафиолетовое излучение поглощается. В слое возникают реакции, приводящие к образованию молекул озона (О
3
2
3
Над различными частями Земли количество озона неодинаково. Спектроскопическими методами в 1984 г. в слое над Антарктидой была обнаружена «озоновая дыра» [89]. Спутниковые измерения позволили "оконтурить" озоновую дыру и следить за ее изменениями. Депрессия озона, или озоновая «дыра», развивается в Антарктике ежегодно в весенний период. Разрушение озона в области, ограниченной стратосферным полярным вихрем, демонстрирует значительные межгодовые флуктуации, интенсивность которых сравнима с величиной многолетнего отрицательного тренда содержания озона, наблюдающегося с начала 80-х годов прошлого века [90]. Озоновая «дыра» над Антарктикой с 2014 по 2019 гг. уменьшилась с 20,9 до 9,3 млн. км
2
Над стратосферой, примерно до высоты 80 км, лежит слой мезосферы. Наблюдениями с помощью метеорологических ракет установлено, что общее повышение температуры, наблюдающееся в стратосфере, заканчивается на высотах 50-55 км. Выше этого слоя температура понижается и у верхней границы мезосферы достигает 90 °С. Понижение температуры в мезосфере с высотой на различных широтах и в течение года происходит неодинаково. В низких широтах снижение температуры происходит более медленно, чем в высоких широтах. Средний для мезосферы вертикальный градиент температуры равен 0,230,31 °С на 100 м. Температура в мезосфере опускается до 138 °С. В верхней мезосфере (в слое мезопаузы) понижение температуры с высотой прекращается. Как показали новейшие исследования в высоких широтах, температура на верхней границе мезосферы летом на несколько десятков градусов ниже, чем зимой [91].
Атмосфера, лежащая выше 80 км, состоит главным образом из азота и кислорода. Выше мезосферы, на высоте от 80 до 800 км над поверхностью Земли, расположена термосфера, для которой характерно повышение температуры с высотой. По данным, полученным с помощью ракет, установлено, что в термосфере уже на высоте 150 км температура воздуха достигает 220240 °С, а с высоты 200 км более 500 °С. С ростом высоты продолжает повышаться температура. На отметке 500600 км она превышает 1500 °С. С помощью искусственных спутников, было установлено, что температура в верхней термосфере, достигая 2000 °С, в течение суток значительно колеблется. Температура газа это мера средней скорости движения молекул. В высоких слоях, где плотность воздуха очень мала, столкновения между молекулами, находящимися на больших расстояниях, очень редки. Чем вызван подъем температуры в высоких слоях атмосферы, ученые не знают. На высотах выше 110120 км кислород почти весь становится атомарным. В сумерки, или перед восходом солнца, при ясной погоде, здесь наблюдаются тонкие облака серебристо-синего цвета, уходящие за горизонт. Природа серебристых облаков изучена слабо.
Давление и плотность воздуха с высотой быстро уменьшаются. Воздух разрежен на высоте 300400 км и выше. В течение суток его плотность сильно изменяется. Исследования показывают, что изменение плотности согласуется с положением Солнца. Наибольшая плотность воздуха около полудня, наименьшая ночью. Объясняют тем, что верхние слои атмосферы реагируют на изменение электромагнитного излучения Солнца. Предполагается, что газы, составляющие атмосферу выше 400500 км, находятся в атомарном состоянии. Поверхность, разделяющая термосферу от экзосферы, испытывает колебания в зависимости от изменения солнечной активности и других факторов. Экзосфера (сфера рассеяния) самая верхняя часть атмосферы, расположена выше 800 км. Она мало изучена. По данным наблюдений температура в экзосфере с высотой возрастает предположительно до 2000°. Частицы в экзосфере, двигаясь с огромными скоростями, почти не встречаются друг с другом.
7.2. Ионосферные слои в атмосфере
В начале XX века большой вклад в понимание физики атмосферного электричества внес шотландский физик Ч.Т.Р. Вильсон, лауреат Нобелевской премии по физике за 1927 год. Он обнаружил наличие ионов в атмосфере и показал, что Земля заряжена отрицательно, а космические лучи вызывают разрядку планеты. Согласно теории, атомы и молекулы, потерявшие один или несколько электронов, становятся положительно заряженными, а свободный электрон может присоединиться снова к нейтральному атому или молекуле, передавая им свой отрицательный заряд. Согласно теории, положительно и отрицательно заряженные атомы и молекулы называются ионами. Ионы и свободные электроны делают газ проводником электричества.
Ионосфера область атмосферы выше 50 км, содержит заряженные частицы. Особенностью атмосферы выше 60-80 км является ее ионизация, т. е. процесс образования огромного количества электрически заряженных частиц ионов. Атмосфера Земли представляет слоистую систему. В ней выделяют три основных области ионизации: D (80км), E (110км) и F-слой, который делится на F1 (170км) и F2 (250км) [46]. Ионосферная плазма это среда, в которой присутствуют электроны и ионы тепловых энергий, являющиеся результатом ионизации составляющих нейтральной атмосферы электромагнитными и корпускулярными излучениями [47].
Высокие слои атмосферы менее всего изучены. Ранее предполагали, что верхняя граница атмосферы находится на высоте около 1000 км. Представление ученых об ионосфере изменилось, после запуска искусственных спутников Земли. Результаты исследований показали, что околоземное пространство заполнено заряженными частицами. На основе торможения искусственных спутников Земли было установлено, что на высотах 700800 км в 1 см
3
В исследовании высоких слоев атмосферы и околоземного пространства используются данные, получаемые со спутников серии «Космос» и космических станций. Применение ракет, а позже спутников, позволило непосредственно измерить ионный состав и другие физические характеристики ионосферы на всех высотах. Установлено, что концентрация электронов (n
е
3
4
5
5
6
Область F часть ионосферы, расположенная над поверхностью Земли на высоте более 140 км.
Область Е часть ионосферы, расположенная приблизительно между 90 и 140 км над поверхностью Земли.
Область D часть ионосферы, расположенная приблизительно между 50 и 90 км над поверхностью Земли.
Слой F2 верхний из двух ионизированных слоев, на которые может распадаться область F.
Слой F1: нижний ионизированный слой из двух слоев, на которые может распадаться область F.
Слой E
S
Максимуму ионизации соответствует верхний слой (F2). Положение ионосферных слоев и концентрация ионов в них все время меняются. Все зависит от солнечной активности. В ионосфере наблюдаются полярные сияния, а также резкие колебания магнитного поля ионосферные магнитные бури. Температура в ионосфере растет с высотой до очень больших значений. На высотах около 800 км она достигает 1000°. От степени ионизации зависит электропроводность атмосферы. Проводимость ионосферы в 10
12
7.3. Электрическое поле Земли
Земля заряжена отрицательно, ее полный электрический заряд равен 6 10
5
ЕЕZ
ЕZ
Е7.4. Электрические свойства горных пород
Твердую оболочку Земли (земную кору) слагают различные типы горных пород, состоящие из определенного сочетания минералов, в состав которых входят различные химические элементы. Земная кора более чем на 98% сложена из элементов О, Si, Al, Fe, Mg, Ca, Na, К. При этом свыше 80% составляют кислород, кремний и алюминий. В его центре находится ион кремния Si
4+
О2
SiO4
Исследование электропроводности кристаллов кальцита и кварца А.Ф. Иоффе начинал совместно с В.К. Рентгеном в 1904 году. В дальнейшем Иоффе установил, что прохождение электрических токов через кристаллы-изоляторы характеризуется некоторыми особенностями. Если к кристаллической пластине, с обеих сторон покрытой слоем металла, приложить постоянную разность потенциалов, то возникнет ток, спадающий со временем, величина которого иногда не приближается к конечному пределу. Если снять напряжение и подключить обе обкладки к гальванометру, то зафиксирован противоположно направленный ток, который постепенно ослабевает и стремится к нулю. Кристаллы поляризуются, величина этой поляризации может достигать многих тысяч вольт. Это явление объяснили образованием встречной поляризации. Стационарное состояние в газе, соответствующее току насыщения, устанавливается в течение долей секунды, в кварце этот же процесс занимает несколько секунд. Сразу же после включения тока число свободных ионов в кварце остается тем же, но их скорости становятся прямо пропорциональными приложенной разности потенциалов. В начальный момент времени (0,5 с) закон Ома остается еще справедливым, ионы постепенно подводятся к электродам. Через 3 секунды достигается состояние насыщения. В кварце ток насыщения наблюдается при приближении к напряженности поля от 10000 до 50000 В/см [96].
Влияние поля на кристаллы, по мнению А. Иоффе, определяется не их электропроводностью, а диэлектрическими свойствами. Кристаллическая решетка прочна, допускает только слабое диэлектрическое смещение ионов, а не полное их удаление и перемещение к электроду. При механических, температурных, электрических и оптических воздействиях на кристалл, ионы смещаются со своих положений равновесия как одно целое, вместе с присущим им зарядом [97]. По отношению к постоянной электрической силе, ученый предлагает их считать упруго закрепленными в тех положениях, которые по строению кристаллической сетки соответствуют минимуму их потенциальной энергии. Передвижение зарядов предполагает перенос самого вещества. Академик считает, что кроме переноса зарядов, образующих ток, аналогичные явления могут вызываться и вращением заряженных диполей. Если в данном веществе преобладает число молекул с такими свойствами, то поворот этих молекул представляет явление, аналогичное току. Положительные заряды при этом повороте смещаются в одну сторону, отрицательные в противоположную сторону. Происходит разделение зарядов, аналогичное непосредственному переносу их сквозь диэлектрик [98]. Разные по своей физической природе явления, но одинаковые по своим внешним проявлениям, представляют собой движение зарядов (ток).
Важной характеристикой электрических свойств вещества, находящегося в недрах Земли, является удельная электропроводность горной породы. Она меняется в значительном интервале: от 10
3
7
1
Z = E
x
Hy
Ey
Hx
Чем больше период вариаций, тем глубже проникает поле внутрь Земли. Изменение импеданса с ростом периода отражает изменение удельного сопротивления с глубиной. Изменение кажущегося удельного сопротивления (r
к
r
к
Z2
wμw = 2π/Т, (7.3)
где μ = 4π·10
7
w TЗначения r
к
rк
rк
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.