• 5

6.5. Теория теллурических токов в океане

Как было отмечено, теллурические токи являются неотъем­лемой частью переменных электромагнитных полей, обусловлен­ных геомагнитной активностью под влиянием корпускулярного излучения Солнца. По своей физической природе теллурические токи являются индукционными вихревыми токами с самыми различными периодами и амплитудами.

Проведенные измерения в океане показали, что теллури­ческие токи очень хорошо коррелируют с вариациями горизон­тальных составляющих магнитного поля. Этот факт, а также

 

 

относительно малые амплитуды вертикальной компоненты маг­нитных вариаций позволяют применить к морским теллуриче­ским токам теорию плоских электромагнитных волн Тихонова— Каньяра, разработанную применительно к магнитотеллуриче- скому зондированию на суше.

Рассматривается океан глубиной h и с удельной электропро­водностью yi, лежащий на слое земной коры с проводимостью Y2 (рис. 59). В горизонтальном направлении океан считается безграничным и однородным. Предполагается также, что пере­менное электромагнитное поле меняется во вре­мени t по гармоническому закону

Н=Ноеш, Е = Е0е'°". (6.27)

-у Система уравнений Максвелла (6.19) для гармонических электромагнитных волн в пренеб­режении токами смещения вследствие их мало­сти запишется в виде:

rot Е= — №*а>Н; rotH = fE;

М* div Н = 0;

Рис. 59. К тео-          г г\ „ '

рии плоских   eoediv Е=0.   (6.28)

электромагнит­ных волн.    Если взять rot от обеих частей первых двух

уравнений и учесть последние два уравнения си­стемы (6.28), то можно получить два волновых дифференциаль­ных уравнения для определения взаимных векторов магнитной Н и электрической Е напряженностей:

V2H—А2Н=0;

V2E —А2Е=0,          (6.29)

где

и2 _ toW — сг '

Поскольку электромагнитная волна, возбуждаемая источни­ком, расположенным в ионосфере, достигает поверхности океана в виде плоской волны, векторы Е и Н будут функциями лишь одной координаты г, направленной по нормали к волновому фронту. Поэтому первые два уравнения (6.28) упрощаются:

н         

х Ыfi0iu дг '

• Решение уравнений (6.29) удобно искать в виде суммы па­дающей и отраженной волн для слоя морской воды и в виде

преломленной волны для слоя земной коры. Для слоя морской воды

Elx=Ae*lt+Be~*lZ,     (6.31)

для подстилающего слоя земной коры

E2y=Ce~ktZ. (6.32)

Граничными условиями на поверхности раздела при z = h является непрерывность тангенциальных составляющих электри­ческого и магнитного полей. Тогда на поверхности океана (2=0)           

{ki-kl)eTh+{h + kl)e\l • (6-33)

Выделяя в выражении (6.33) модуль и аргумент, получим

Л*-')

где At =

 

 

■Г(ть Т2, А)

Д^Те^ОН-

период магнитных вариаций;

(6.34)

44

slirifcA + /?2 cos ЛЛ со s2 kh + /?2 sin2 kh '

Pi = Vb sh kh-\-V^f2 ch p2=V "fi ch sh kh\

 

V2%

i/IE.

К Af '

9= arctg (-g- tg kh) - arctg (-J|- tg kh).

Формула (6.34) выражает аналитическую зависимость амп­литуды теллурических токов от глубины океана, периода магнит­ных вариаций, а также от электропроводящих свойств морской воды и подстилающей земной коры. Амплитуда напряженности теллурических токов будет тем больше, чем меньше глубина океана (т. е. токи резко возрастают на мелководье). Вместе с тем их напряженность уменьшается с увеличением периода магнитных вариаций. Сдвиг фаз между электрическими и маг­нитными полями также весьма чувствителен к периоду магнит­ных возмущений, он увеличивается для длиннопериодных и уменьшается для короткопериодных вариаций.

Нетрудно также видеть, что \/k = l имеет смысл глубины, на которой амплитуда напряженности теллурических токов уменьшается в е раз по отношению к их амплитуде на поверх­ности. Ниже приводятся значения I (толщины скин-слоя) для

теллурических токов при различных периодах магнитных вариа­ций:

Период, с. . . ИИ 5.10-» 10"' 1 5 10 100 500

/ м       31 69 9g 310 690 980 3100 6900

Для короткопериодных магнитных вариаций (Д/С102 с) скин-слой не превышает среднюю глубину океана и неоднород­ности в строении подстилающего основания и рельеф дна не будут влиять на теллурические токи на поверхности океана. Для магнитных вариаций периода полусуток, суток и более, когда электромагнитная волна достигает проводящего ядра, на

поле теллурических токов бу­дет влиять не только реаль­ная толщина подстилающего основания и его электропрово­дящих свойств, но также и свойства ядра Земли.

Основные выводы, получен­ные в модели горизонтально однородного геоэлектрического. разреза, находят свое подтвер­ждение в регистрациях теллу­рических токов в различных районах Мирового океана. На рис. 60 показано распределе­ние импеданса, т. е. отношения Еу!Нх, по данным наблюдений на станции СП-10 в 1962 г. В области малых периодов (10—20 мин) кривая импеданса раздваивается: верхняя ветвь кривой соответ­ствует средней глубине 130 м, нижняя —240 м.

Согласно теории, импеданс увеличивается для малых перио­дов магнитных вариаций, а также при уменьшении глубины океана. Вместе с тем результаты теории неприменимы для прибрежных районов океана, где вследствие берегового эффекта наблюдаются аномалии в вертикальной составляющей магнит­ных вариаций, а также в касательной и нормальной к берегу составляющих поля теллурических токов.

На основании формулы (6.33) Г. А. Фонаревым произведена оценка теллурических токов в океане для всех типов магнит­ных вариаций (табл. 22). Оказалось, что их амплитуда колеб­лется в широких пределах —от 0,01 • Ю-3 до 10,0-Ю-3 мВ/м, а в период электромагнитных бУРь даже до 440 • Ю-3 мВ/м.

Зная величины теллурических токов в океане, можно оце­нить их влияние на переменное магнитное поле. Теллурические токи напряженностью Е, протекая в слое морской воды толщи­ной А, создают дополнительное магнитное поле, равное

к

Нх=— \ Ву (z) dz.       (6.35)

fy/Hx

 

мин

Рис. 60. Зависимость импеданса от периода магнитных вариаций в Се­верном Ледовитом океане [5].

Таблица 22

Амплитуда напряженности теллурических токов (в Ю-3 мВ/м) в океане для разных типов магнитных вариаций (по Г. А. Фонареву [7])

 

S

S3

&3

« о —>

Солнечносуточные вариации

X

§

С0

S О.

т

Электромагнитные Оури

Широты

L А|

ачя

98S

I"*

В в ш

ill s г9

спокобные дни

возмущенные дни

01

S

о, 01 в

8

о

Ch

о Ы

сильные

умерен­ные

слабые

Высокие (более 60е с. и ю. ш.)

1,0

 

1,5-14,0

10,0

260-440

44-260

21-180

Средние (30— 60° с. и ю. ш.)

1,0

0,9

0,8-3,3

0,01-1,0

44-205

21-88

12-35

Низкие (менее 30° с. и ю. ш.)

1,0

. 2,4

 

 

8,8-260

4,4-18,0

0,1-8,8

Оценки по формуле (6.35) показывают, что для короткопе- риодиых колебаний магнитное поле токов в океане равно по ве­личине первичному магнитному полю, т. е. магнитному полю ионосферного источника. Для вариаций большего периода, типа полусуточных и суточных, дополнительнее магнитное поле тел­лурических токов составляет 7—15% общего поля.

Авторы: 1379 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 1908 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я