ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ ОКЕАНА

Министерство науки, высшей школы и технической политики
Российской Федерации
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ
ИНСТИТУТ
Ю . П. Д О Р О Н И Н , И . А . С Т Е П А Н Ю К
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ ОКЕАНА
У т в е р ж д е н о
в
у ч е н ы м
к а ч ест ве
с о вет о м
у ч е б н о г о
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
1992
института
п о с о б и я
УДК
Д о р о н и н Ю . П., Степанюк И . А . Электромагнитное поле, океана. Учебное
пособие C-Пб., изд. РГГМ И , 1992,— 87 Q,
И злож ены понятия основных электромагнитных свойств морской воды и
льда. Приведены закономерности формирования электромагнитного поля в м ор­
ской воде волнами и течением, а такж е переменным магнитным полем. О харак­
теризовано электромагнитное поле, образую щ ееся при волнении в приводном
слое атмосферы. Оценена скорость его распространения. Д ан о представ­
ление об электрических разрядах, образую щ ихся при возникновении микротре­
щин во льду. И злож ены методы измерения морских электрического и магнит­
ного полей.
Учебное пособие предназначено для студентов и аспирантов океанологиче­
ской специальности институтов и университетов.
Ап u n d erstan d in g of the m ain electrom agnetic properties of a sea w ater and
ice are given . The essen tial principles of an electrom agn etic field form ation
in the sea w ater b y w a v e s and currents, as w ell as by external variable m agnetic
field are adduced.
An electrom agn etic field in the near su rface atm ospheric layer formed under
the influence of .w aves is characterized. V elo city of its p ropagation is estim ated.
An u n d erstan d in g of electric d ischarges, occu ring due to m icrocracks in the ice,
is given . M ethods of electric and m agn etic fields m easurem ents are proposed.
The m anual is supposed to be used by stu d en ts and p o stgrad u ates in ocea­
nography.
Ил. 30, Табл. 3, Библ4 19,
Рецензент ы :
каф едра
полярной
океанологии
проф .); А . В . Г у с е в, д-р физ,-мат, наук (А А Н И И ),
!
I
ГМА
г?-дв
KHOTTVT
------
л
JOc;i(v; с ■ ■ , .
■ >... , j ЛЯоох';:::: .........
(С )
2
Ю. П. Д оронин, И. А. Степанюк (Р Г Г М И ), 1992.
{Б. А .
Ш евлевич ,
ВВЕДЕНИЙ
О д н о й из х а р а к т е р н ы х ч е р т н а ш е й п л а н е т ы я в л я е т с я н а л и ч и е
у нее по стоянного м а г н и т н о г о пол я. П р а к т и ч е с к и все г и д р о д и н а м и ­
ч ес к и е проц ессы в во д н о й о б о л о ч к е п р о и с х о д я т в у с л о в и я х д е й с т ­
ви я этого пол я. П о с к о л ь к у в о д а о б л а д а е т э л е к т р и ч е с к о й п р о в о ­
д им о с тью , то при это м в о з н и к а е т р я д сп е ц и ф и ч е с к и х э л е к т р о ф и ­
зи ч е ск и х эф ф е к т о в , н а и б о л е е в а ж н ы м из ко т о р ы х я в л я е т с я э ф ф е к т
Ф а р а д е я . О н состоит в в о з б у ж д е н и и в д в и ж у щ е й с я п р о в о д я щ е й
с р е д е эл е к т р и ч е с к о г о и в тор и ч н о го м а гн и т н о го полей. Х а р а к т е р и ­
стики к а ж д о г о из т а к и х полей в зн а ч и т е л ь н о й степ ени о т о б р а ж а ю т
особен ности п о р о ж д а ю щ е г о их г и д р о д и н а м и ч е с к о г о п ро ц есса, т. е.
эти п о л я о к а з ы в а ю т с я и н ф о р м а т и в н ы м и .
М а г н и т н о е по л е З е м л и ( М П З ) не я в л я е т с я с т ат и ч н ы м , а п о д ­
в е р ж е н о в а р и а ц и я м . Ф о р м и р о в а н и е эт и х в а р и а ц и й о б у с л о в л е н о и з ­
м е н е н и ям и солнечн ой а кт и в н о с ти , а т а к ж е п р о ц е с с а м и в ве р х н и х
слоях атмосф еры — ионосфере и магнитосфере. Амплитуды в а р и а ­
ций с о с т а в л я ю т д о л и п р о ц е н т а от н а п р я ж е н н о с т и М П З .
К р о м е о б щ е г о м а г н и т н о г о п о л я с его в а р и а ц и я м и и о т м е ч е н н ы ­
ми в ы ш е в т о р и ч н ы м и э л е к т р и ч е с к и м и м а г н и т н ы м п о л я м и в а т м о ­
сфере и гидросфере форм ирую тся т а к ж е собственные э л ек тр о м аг­
ни тн ы е п ол я (Э М ) — г л о б а л ь н о е п е р е м е н н о е п о л е к р а й н е н и зки х
ч а с т о т ( К Н Ч ) и л о к а л ь н ы е поля.
Г л о б а л ь н о е п е р е м е н н о е Э М п о л е п о стоянно с у щ е с т в у е т в о б ­
л а с т и м е ж д у З е м л е й и и о н осф еро й , при чем э т а о б л а с т ь п р е д с т а в ­
л я е т собой с п е ц и ф и ч е с к и й р е з о н а т о р д л я р я д а ф и к с и р о в а н н ы х ч а ­
стот в К Н Ч о б л а с т и — т а к н а з ы в а е м ы х « ш у м а н о в с к и х р е з о н а н ­
сов». Ц е н т р а л ь н а я м о д а с п е к т р а г л о б а л ь н о г о Э М п о л я п р и м ер н о
со о т вет с т в у е т ч а с т о т е 7 Гц. О с н о в н ы м источн иком его ф о р м и р о в а ­
ния сч и т а ю т с я м о л н и е в ы е р а з р я д ы , б о л е е ко н к р е т н о -— к р а й н е н и з ­
к о ч а с т о т н ы й «хвост» и зл у ч е н и я э т и х р а з р я д о в . В в и д у того, что в
К Н Ч области глубина проникновения поля в морскую воду м ож ет
с о с т а в л я т ь д ес я т к и -с о т н и м етр ов , ве р х н и й слой о к е а н а н а х о д и т с я
п од п ос тоя н н ы м в о зд е й с т в и е м этого поля.
Л о к ал ь н ы е Э М поля форм ирую тся в гидросфере и в атмосфере
н а д м о р е м в р е з у л ь т а т е э л е к т р о ф и зи ч е с к и х , а в н е к о то р ы х с л у ч а я х
б и о ф и зи ч ес к и х п р оц ессо в р а з д е л е н и я э л е к т р и ч е с к и х з а р я д о в . П р и ­
чем в т а к и х п р о ц е с с а х у ч а с т в у ю т не т о л ь к о т р а д и ц и о н н ы е д л я
э л е к т р о ф и з и к и ионы и эл е к т р о н ы , но т а к ж е з н а ч и т е л ь н о более
к р у п н ы е з а р я ж е н н ы е ч ас т и ц ы , н а п р и м е р , в п р и в о д н о м с л о е а т ­
м о с ф е р ы — это а э р о и о н ы с р а з м е р а м и от д о л е й м и к р о н а д о д ес я т 3
Коп м икрон. И н т е р е с н о й осо бен н о стью о б л а д а е т л е д : в нем в ы ­
явлены образования, назы ваем ы е деф ектам и Бьеррума, эк ви ва­
л е н т н ы й э л е к т р и ч е с к и й з а р я д к о т о р ы х с о с т а в л я е т 0,6 э л е м е н т а р ­
ного з а р я д а .
И зу ч е н н о с т ь э л е к т р о м а г н и т н ы х полей, х а р а к т е р н ы х д л я г и д р о ­
сф еры , я в л я е т с я д а л е к о не полной. П е р в ы е н а т у р н ы е опы ты по
в ы я в л е н и ю э л е к т р и ч е с к о г о п ол я в д в и ж у щ е й с я в о д е п р е д п р и н я л
Ф а р а д е й на р. Т ем зе. О д н а к о эт а п о п ы тк а б ы л а неуд ачн ой. В С С С Р
в п е р в ы е бы ло п о д т в е р ж д е н о с у щ е с т в о в а н и е систем эл е к т р и ч е с к и х
то ко в в м о р е в 1935 г. А. Т. М и р о н о в ы м , п р о в о д и в ш е м и с с л е д о в а ­
ния в Б а р е н ц е в о м море. Т а к и е токи б ы ли н а з в а н ы т е л л у р и ч е с к и ­
ми. Р я д р а з р а б о т о к в о б л а с т и т еор ии е стественны х э л е к т р о м а г н и т ­
ных полей в м ор е б ы л в ы п о л н е н В. В. Ш у л е й к и н ы м . Эти р а з р а ­
ботки в о ш л и в его и звестн у ю кн игу « Ф и з и к а моря». В п о сл ед н ее
в р е м я б о л ь ш о е в н и м а н и е и с с л е д о в а н и я м м ор ски х э л е к т р о м а г н и т ­
ных полей у д е л я л о с ь в И н с т и т у т е зе м н о го м а г н е т и з м а и р а с п р о ­
странения радиоволн (И З М И Р А Н ) , в Институте океанологии
( И О А Н ) , в М о р с к о м ги д р о ф и зи ч е с к о м ин сти туте (М Г И ) и р я д е
д р у ги х о р г а н и з а ц и й . О д н а к о с л е д у е т о тм етить, что эти и с с л е д о в а ­
ния н е о х в а т ы в а л и все вид ы полей, х а р а к т е р н ы х д л я ги д р ос ф ер ы ,
а б ы ли п р е и м у щ е с т ве н н о н а п р а в л е н ы на изуч ени е полей м а г н и т о ­
ги д р о д и н а м и ч е ск о г о
(М ГД )
п р о и с х о ж д е н и я , т. е. ф о р м и р у ю ­
щихся в д в и ж у щ е й с я в од е в с л е д с т в и е э ф ф е к т а Ф а р а д е я .
К н а с т о я щ е м у в р е м е н и о б л а с т ь и с с л ед о в а н и й з н а ч и т е л ь н о р а с ­
ш и р и л а с ь . В ы я в л е н ы с п е ц и ф и ч е с к и е л о к а л ь н ы е Э М поля, в о з б у ж ­
д а е м ы е в при водн ом слое а т м о с ф е р ы н а д м орем в у с л о в и я х в о л ­
нения; и н д у ц и р о в а н н ы е в ве р хн е м сл о е м о ря за счет в з а и м о д е й с т ­
вия с эл е к т р о ф и з и ч е с к и м и п р о ц е сс ам и в о б л а к а х ; в о з б у ж д а е м ы е
со во куп н о стью проц ессов в ц и к л о н а х и т. д. В ы я в л е н о э л е к т р о ­
м аг н и т н о е изл у ч е н и е в р а д и о д и а п а з о н е при д е ф о р м а ц и я х л ед я н о г о
п о к р ов а . И з у ч а ю т с я эл е к т р о ф и з и ч е с к и е ас п е к т ы в за и м о д е й с т в и я
м е т а л л и ч е с к и х с о о р у ж е н и й с м ор ско й водой и особен ности утечек
в вод у эл е к т р и ч е с к о г о т о к а п р о м ы ш л е н н ы х сетей. О д н а к о в этих
новых н а п р а в л е н и я х пока б о л ь ш е вопросов, чем п о л уч енны х о т ­
ветов.
И н т е р е с к р а с ш и р е н и ю и с сл е д о в ан и й э л е к т р о м а г н и т н ы х полей
в м о р е не сл у ча е н . С е й ч а с у ж е в ы д е л и л и с ь ос н о в н ы е п р и к л а д н ы е
цели т а к и х и с с л е д о ва н и й : а) и с п о л ь з о в ан и е Э М полей, в ч астности,
полей течений, д л я з а д а ч п од во дн ой н а в и га ц и и ; б) и с п о л ь з о в а н и е
пер е м е н н ы х Э М полей К И Ч д и а п а з о н а д л я з а д а ч о б есп ечен и я с в я ­
зи с п о д в о д н ы м и о б ъ е к т а м и ; в) и с п о л ь з о в а н и е Э М полей л ю б ы х
типов д л я з а д а ч по л у ч ен и я г и д р о ф и зи ч е ск о й и н ф о р м а ц и и ; г) уч ет
м о р с к и х Э М полей, а в не к о то р ы х с л у ч а я х их и с п о л ь з о в а н и е при
вы п ол н ен и и р а б о т по м а г н и т о т е л л у р и ч е с к о м у зо н д и р о в а н и ю з е м ­
ной кор ы на а к в а т о р и я х морей и о кеан ор и др.
О т д е л ь н о с л е д у е т о с т а н о в и т с я на т а к о м аспекте, к а к э л е к т р о ­
м а г н и т н о е з а г р я з н е н и е п р и р о д н ы х вод. У с т а н о в л е н о , что з н а ч и ­
т е л ь н о е кол и ч е с т в о м ор с ки х ж и в о т н ы х о б л а д а е т вы со кой чувстви4
тедькосты о к электром агнитны м полям — электрорецепцией. М но ­
гие из них, в ч астности, с к а т ы , а к у л ы , л о с о с е в ы е р ы б ы и др.,
им ею т с п е ц и а л ь н ы е э л е к т р о р е ц е П т о р ы — а м п у л ы Л о р е н ц и н и . Ч у в ­
с т в и т ел ь н о с ть э л е к т р о р е ц е п т о р о в з н а ч и т е л ь н о вы ш е, чем у с о в р е ­
м енны х п ри бо ров . У с т ан о в л ен о , что э л е к т р о р е ц е п т о р ы не я в л я ю т с я
к а к и м -т о а т а в и з м о м , а у сп еш н о и с п о л ьзу ю т ся м о р с к и м и ж и в о т н ы ­
ми д л я п ои ска и д о б ы ч и пищи, д л я о р и е н т и р о в а н и я при м и г р а ц и я х
в п о д в о д н ы х у с л о в и я х , д л я пол у ч е н и я и н ф о р м а ц и и о п р о ц е сс а х в
среде- о б и т ан и я , в том числе, про гностич еско й и н ф о р м а ц и и о б и о ­
л оги ч еск и о п а с н ы х п р и р о д н ы х я в л е н и я х , н а п р и м е р , о з е м л е т р я с е ­
ниях, о п р и б л и ж е н и и .шторма и т. д. Т а к и м о б р а з о м , э л е к т р о м а г ­
ни тн ы е п о л я с л е д у е т р а с с м а т р и в а т ь к а к в а ж н е й ш и й э к о л о г и ч е ­
ский ф а к т о р .
П о с к о л ь к у ч у в ст в и т е л ь н о с т ь к и зм ен чи в ости Э М полей у м о р ­
ски х ж и в о т н ы х ч р е з в ы ч а й н о в ы с о к а (они м огут ф и к с и р о в а т ь л о ­
к а л ь н ы е и зм е н ен и я в д о л и м и к р о в о л ь т а на с а н т и м е т р ) , то о п а с ­
ный у р о в е н ь э л е к т р о м а г н и т н ы х з а г р я з н е н и й п р и р о д н ы х во д о к а ­
зы в а е т с я о чень м а л ы м . Э тот у р о в е н ь е щ е не н о р м и р о в ан , причем
не т о л ь к о в н а ш е й с т р ан е , но и з а р у б е ж о м , п о с к о л ь к у э л ек т р о экологические исследования только начинаю т развиваться. О д н а ­
ко, у ч и т ы в а я все с к а з а н н о е вы ш е, м о ж н о с чи тать, что в ре зко м
у х у д ш е н и и эк о л о ги ч е с к о й о б с т а н о в к и в м орс ки х в о д а х э л е к т р о ­
м а г н и т н о е з а г р я з н е н и е и г р а е т не м е н е е в а ж н у ю роль, чем х и м и ­
ческое.
В п р е д л а г а е м о м уч еб ном пособии к р у г и зу ч а е м ы х вопросов
не з а т р а г и в а е т все о т м е ч е н н ы е а с п е к т ы м о рски х э л е к т р о ф и з и ч е ­
ски х и с с л е д о в а н и й , а о г р а н и ч е н з а д а ч а м и у чеб ного к у р с а « Ф и зи к а
о к е а н а » и ч ас т и ч н о к у р с а « М етоды с п е ц и а л ь н ы х о к е а н о л о г и ч е с к и х
и зм ерен и й » . Д л я б о л е е ш и р о к о г о з н а к о м с т в а с п р о б л е м а м и м о р ­
ской э л е к т р о ф и з и к и с л е д у е т о б р а щ а т ь с я к с п е ц и ал ь н о й л и т е р а т у р е .
В уч еб ном пособии в в е д е н и е н а п и с а н о совм естно, гл. 1 и 2 —
Ю. П . Д о р о н и н ы м , гл. 3 и 4 — И. А. С т е п а н ю к о м .
1. М АКРОСКОПИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРОМ АГНИТНЫ Е
СВОЙСТВА МОРСКОЙ ВОДЫ И Л Ь Д А
1.1. Электромагнитные свойства морской воды
Э л е к т р о м а г н и т н о е п о л е в в е щ е с т в е з а в и с и т от его свойств. М о ­
л е к у л ы в е щ е с т в а м огут и м е ть м а г н и т н ы е м ом енты , в нем м огут
б ы ть с в о б о д н ы е эл е к т р о н ы и ионы, с о з д а ю щ и е эл е к т р и ч е с к и й ток
под во зд е й с т в и е м м а гн и т н о го или эл е к т р и ч е с к о г о поля. Э л е к т р о ­
м аг н и т н о е пол е в м ор с ко й в о д е з а в и с и т к а к от с т р у к т у р ы с ам о й
воды , т а к и от н а л и ч и я ионов солей, в ы п о л н я ю щ и х р о л ь с в о б о д ­
ных э л е к т р о н о в .
О сновн ой х а р а к т е р и с т и к о й э л е к т р и ч е с к о г о п о л я в к а к о й -т о т о ч ­
к е я в л я е т с я н а п р я ж е н н о с т ь Е ( В / м ) , т. е. сил а, с к о т о р о й э л е к т р и ­
ч ес к о е п о л е д е й с т в у е т на точечны й з а р я д , п о м е щ е н н ы й в у п о м я ­
нутую точку. П о с к о л ь к у м о л е к у л ы во д ы п р е д с т а в л я ю т собой д и ­
поли, то под в о зд е й с т в и е м в н еш н его э л е к т р и ч е с к о г о п о л я п р о и с ­
х о д и т у п о р я д о ч е н н а я о р и е н т а ц и я д и по л ей. Т е п л о в ы е к о л е б а н и я
м о л е к у л су щ е с т в е н н о и с к а ж а ю т их в з а и м н у ю о р и е н т а ц и ю и т о л ь ­
ко н е б о л ь ш а я ч а с т ь из них о р и е н т и р у е т с я по в е к т о р у н а п р я ж е н ­
ности, т. е. п р о я в л я е т с я л и ш ь т е н д е н ц и я к у п о р я д о ч е н н о й о р и е н ­
тации диполей молекул. Она х ар актер и зу ется суммой электриче­
ски х д и п о л ь н ы х м ом е н то в м о л е к у л
Ъ Р 1г
i
п р и х о д я щ и х с я на о б ъ е м v,
т. е. дипольным моментом, или в е к т о р о м п о л я р и з а ц и и
~*
1
-»
i
( К л / м 2). В с л а б о м э л е к т р и ч е с к о м поле, х а р а к т е р н о м д л я о к е а н а ,
и м е е т место с о о тн ош ен и е
а -i)
В м ор с ко й в о д е т а к ж е пр о и сх о д и т д в и ж е н и е ионов и с о з д а е т с я
р а з н о с т ь п о т е н ц и ал о в . В се это о б ъ е д и н я е т с я с к л а с с и ч е с к и м д и ­
п о л ьн ы м м ом е н т о м и в л и я е т на в е л и ч и н у п а р а м е т р а к е — д и э л е к ­
т р и ч ес к у ю в о с п р и и м ч и во с ть м о р с к о й воды. О н а з а в и с и т от ч а с т о ­
ты изм е н ен и й
Е ,
температуры
—>
Т
и не к о то р ы х д р у г и х х а р а к т е р и -
стик. П р и и зм е н е н и я х Е с ч а с т о т о й / < 1 0 8Гц и т е м п е р а т у р е окол о
2 0 °С и е » 7 , 1 - 1 0 - 10 ф /м.
6
Суммарная
напряж енность
электрической индукцией
электрического
по л я,
назы ваемая
( К л / м 2) п р е д с т а в л я е т с я в ы р а ж е н и е м
D
~D = P e + e 0E .
(1.2)
М н о ж и т е л ь 8 о = 8 , 8 5 - 10~12 ф /м , н а з ы в а е м ы й д и э л е к т р и ч е с к о й п осто -
и
я н н о й , в в о д и т с я в си с т е м е С И и з-за р а зн о й р а з м е р н о с т и
Ф о р м у л а (1.2) м о ж е т б ы ть п е р е п и с а н а в вид е
■^= (и е + so)
Б е з р а з м е р н о е о т н о ш ен и е
~Е =
—
80
= Х е
+ 1j
~Е =
--^
D
и
^
Е .
е0е£\
(1.3)
н а з ы в а е т с я д и э л е к т р и ч е с к о й вос-
ео
при и м чи во стью .
В еличина
е = уе+ 1 — д и э л е к т р и ч е с к о й п р о н и ц а е ­
мостью
Д и э л е к т р и ч е с к а я п р о н и ц а е м о с т ь м ор ской вод ы з а в и с и т от ч а ­
с тоты f и зм ен ен ий н а п р я ж е н н о с т и э л е к т р и ч е с к о г о п о л я ( т аб л . 1.1).
П р и п о сто янно м
о б о з н а ч а ю т ес.
Е
в е л и ч и н у е об ы чн о н а з ы в а ю т с т ат и ч ес к о й и
Таблица 1.1
______ Диэлектрическая проницаемость е' пресной воды по А. Хиппелю [17]
/г ц
т°с
106
З-Ю8
3-103
Ю‘°
2,5-1010
1,5
5,0
25,0
45,0
87,0
85,5
78,2
71,5
86,5
85,2
77,5
71,0
80,5
80,2
76,7
70,7
38,0
41,0
55,0
59,0
15,0
17,5
34,0
46,0
П о с к о л ь к у с к о р о с т ь п е р е о р и е н т и р о в к и м о л е к у л вод ы под возд ей с тв и е м пер е м е н н о го
—^
^
Е
ко н ечн а, то чем б о л ь ш е ч а с т о т а изм ен е-
ний Е , тем м е н ь ш е Р е , т а к к а к все б о л ь ш е е число м о л е к у л не у с ­
п е в а е т п е р е о р и е н т и р о в а т ь с я . П р о и с х о д и т т а к ж е н е к о то р о е см ещ ение в ел и ч и н ы Р е по ф а з е о т н о си т е л ьн о Е . П о э т о м у в ф о р м у л е
(1.1) к о э ф ф и ц и е н т % е у м е н ь ш а е т с я с ростом ч а с т о т ы /. С о о т в е т ­
ств ен но у м е н ь ш а е т с я и е.
С д в и г по ф а з е п р и н я то у ч и т ы в а т ь в в е д е н и е м м ни м ого слагае-.
мого, т. е.
е = е/ —ie".
(1.4)
В е щ е с т в е н н а я и м н и м а я с о с т а в л я ю щ и е м е н я ю т с я с и зм ен ен и ем ч а ­
стоты . В и д е а л ь н о м д и э л е к т р и к е эти. и зм е н е н и я п р е д с т а в л я ю т с я
д и с п е р с и о н н ы м и с о о т н о ш ен и я м и Д е б а я :
1
/ __
.
Soo
в - 6 о о + 1 + ( 2 j t fT) 2 >
/ / __
Б
(^ с
1+
Б оо) 2 зт |"Т
( 2 n f x ) 2~
’
где s c — с т а т и ч е с к а я д и э л е к т р и ч е с к а я п р о н и ц а ем о с т ь ; Soo=l — в ы ­
с о к о ч а с т о т н а я д и э л е к т р и ч е с к а я п р о н и ц а е м о с т ь ; %— в р е м я д и э л е к ­
т р и ч е с к о й р е л а к с а ц и и , с о с т а в л я ю щ е е у во д ы п р и м е р н о 10~и с.
7
П р и очень б о л ь ш о й ч а с т о т е изм е н ен и й Е м о л е к у л ы в о д ы не б у ­
д у т у с п е в а т ь п р и н и м а т ь у п о р я д о ч е н н о е п о л о ж е н и е и в это м с л у ­
ч а е Р е = 0, с л е д о в а т е л ь н о , в ' = 1 , а е" = 0 (рис. 1.1).
М ни м ая составляю щ ая диэлектрической проницаемости х а р а к ­
т е р и з у е т п о г л о щ е н и е эн ер ги и э л е к т р и ч е с к о г о п о л я в воде, и д л я
оцен ки ее отн о си тел ьн ой р о л и в в о д и т с я у го л д и э л е к т р и ч е с к и х по­
т е р ь t g 8 = e "/e / .
И з т а б л . 1.1 видно, что д и э л е к т р и ч е с к а я п р о н и ц а е м о с т ь з а в и ­
сит от т е м п е р а т у р ы воды . П р и ее п о вы ш е н и и у м е н ь ш а е т с я в я з ­
кость во д ы и у с и л и в а е т с я т е п л о в о е д в и ж е н и е м о л е к у л . П е р в ы й
ф а к т о р с о з д а е т б о л е е б л а г о п р и я т н ы е у с л о в и я д л я д и п о л ьн о й
о р и е н т а ц и и м о л е к у л под в о зд е й с тв и е м в н еш н его эл е к т р и ч е с к о г о
пол я, п р и в о д я щ е й к росту хг, а с л е д о в а т е л ь н о , и в. В т о р о й п р е ­
п я т с тв у е т у п о р я д о ч е н и ю о р и е н т а ц и и д и п о л е й и у м е н ь ш а е т % е и е.
П р и от н ос и т е л ьн о м а л ы х ч а с т о т а х и зм е н ен и й Е п р е о б л а д а е т р о л ь
т е п л о во го д в и ж е н и я м о л е к у л , а при б о л ь ш и х — в я зк о с т и . П о э т о м у
при м а л ы х f п р о и с х о д и т у м е н ь ш е н и е е с р остом т е м п е р а т у р ы , а
при б о л ь ш и х — ро ст е.
В с л а б о к о н ц е н т р и р о в а н н ы х р а с т в о р а х солей, к а к и м я в л я е т с я
м о р с к а я в о д а , д и э л е к т р и ч е с к а я в о с п р и и м ч и в о с ть с ростом с о л е н о ­
сти н е с к о л ь к о у м е н ь ш а е т с я , т а к к а к ионы сол ей ко н ц е н т р и р у ю т
в о к р у г с е б я д и п о л ь н ы е м о л е к у л ы воды , п р е п я т с т в у я у п о р я д о ч е н и ю
о р и е н т а ц и и д и п о л е й . Э то п р и в о д и т к у м е н ь ш е н и ю е'. О д н о в р е м е н ­
но про и с х о д и т у с и л е н и е п о г л о щ е н и я э л е к т р о м а г н и т н о г о п о л я и
увеличение
(рис. 1.2).
сдвига
по
ф азе
вектора
Р е,
вызываю щ ее
рост
е"
В м есто д и э л е к т р и ч е с к о й п р о н и ц а е м о с т и м о ж н о п о л ь з о в а т ь с я
п о к а з а т е л е м п р е л о м л е н и я п и п о к а з а т е л е м п о г л о щ е н и я k эн ер ги и
электрических волн в воде
n +
i k = y e ' +
(1.5)
У д е л ь н а я э л е к т р о п р о в о д н о с т ь м ор с ко й во д ы у ( С м /м ) я в л я е т с я
величиной , о б р а т н о й .у д ел ьн о м у э л е к т р и ч е с к о м у со п р о т и вл е н и ю , и
х а р а к т е р и з у е т со о т н о ш е н и е м е ж д у н а п р я ж е н н о с т ь ю эл е к т р и ч е с к о г о
по л я и п л отн о стью т о к а
J
7=у£.
(1.6)
Она,
в основном, з а в и с и т от к о н ц е н т р а ц и и ип о д в и ж н о с ти
ионов
в воде: пр отонов Н +, г и д р о к с и л а О Н - исв о б о д н ы х ионов рас тв о -
8
Рис. 1.1. Зависимость диэлектрической про­
ницаемости s ' от частоты колебаний f элек­
трического поля [9]
Рис. 1.2. Зависимость диэлектрической проницае­
мости е ' и е" морской воды от солености при
f —2,652 ГГц [по 11]
9
ренных солей. Концентрация ионов увеличивается с ростом соле
ности S и п оэтом у
Рис.
у
в о з р а с т а е т с у в е л и ч ен и е м S (рис. 1.3).
1.3. Зависимость электропроводности
морской воды от солености
П о д в и ж н о с т ь ионов р а з л и ч н а я (т а б л . 1.2). Н а п р и м е р , у ионов
Н + и О Н ' она р а з л и ч а е т с я в д в а р а з а . П о э т о м у у за в и с и т от со о т ­
н о ш е н и я ионов р а з л и ч н ы х солей., и в м ор ях, в кот о р ы х сол евой с о ­
с т а в отли чен от океан и ческ ого , эл е к т р о п р о в о д н о с т ь при прочих
р а в н ы х у с л о в и я х б у д е т р а зл и ч н о й .
Т а б ли ц а 1.2
Вклад (% ) основных ионов в электропроводность морской воды [11]
(Т = 23 °С, S = 35°/оо)
Ион
Вклад %
СГ~
N a+
M g+ +
so j--
К+
64
29
2,7
2,3
1,1
П о д в и ж н о с т ь ионов, а с л е д о в а т е л ь н о , и эл е к т р о п р о в о д н о с т ь ,
у в е л и ч и в а ю т с я с р остом т е м п е р а т у р ы (рис. 1.4). П р и этом п р о и с ­
х о д и т к а к в о з р а с т а н и е с обств ен н о й с кор ости ионов, т а к и у м е н ь ­
ш ен и е в я з к о с т и в о д ы и у в ел и ч ен и е степени д и с с о ц и а ц и и солей.
Э л е к т р о п р о в о д н о с т ь в о д ы н е с к о л ь к о у в е л и ч и в а е т с я с ростом
д а в л е н и я (рис. 1.5). П о л а г а е т с я , что при этом про и с х о д и т у м е н ь ­
ш ен и е в я з к о с т и воды , н е к о то р о е у в е л и ч е н и е к о н ц е н т р а ц и и ионов,
а т а к ж е у м е н ь ш е н и е р а з м е р а иона.
10
УСм/п
Рис.
у
1.4.
S °/°a
Зависимость электропроводности
ской воды от температуры
мор­
/°
Рис. 1.5. И зменение электропроводности морской воды от д а в ­
ления
П
Б о л ь ш а я к о н ц е н т р а ц и я ионов в м о рс кой в о д е п р и в о д и т к тому,
что ее у д е л ь н а я э л е к т р о п р о в о д н о с т ь о к а з ы в а е т с я вы сокой, с о с т а в ­
л я я в о к е а н е 3— 7 С м /м . У д и с т и л л и р о в а н н о й воды у с о с т а в ­
л я е т всего 2 - 10-4 С м /м .
З а в и с и м о с т ь у от солености, т е м п е р а т у р ы и д а в л е н и я в ы р а ж а е т ­
ся э м п и р и ч е с к и м и ф о р м у л а м и типа
y = a T + b S + c T S + d.
(1.7)
Константы,
определенные
для
диапазона
температур
7—
3 0 °С и сол ености 2 4 — 38°/оо, им ею т с л е д у ю щ и е зн а ч е н и я :
а — 4 , 0 - 10~2 С м / ( м - К ) , Ь = 7 , 9 - 10~2 С м / ( м - % 0),
с = 2,2 • 10_3 С м /(м -К -°/оо), d = - 3 ,0 -1 0 -2 С м /м .
З а в и с и м о с т ь у д ел ьн о й эл е к т р о п р о в о д н о с т и м о р с ко й воды от
сол ено сти и с п о л ь з у ет с я д л я о п р е д е л е н и я по сл ед ней, т а к к а к у л е г ­
ко и з м е р я е т с я в е с теств енны х у с л о в и я х при по м о щ и с п е ц и а л ь н ы х
п р и б о р о в -с о л е м е р о в . Д о п о л н и т е л ь н о при о п р е д е л е н и и со лености
по э л е к т р о п р о в о д н о с т и н а д о з н а т ь т е м п е р а т у р у и д а в л е н и е в т о ч ­
ке и зм е р е н и я у .
З н а ч е н и я у м огут и с п о л ь з о в а т ь с я д л я х а р а к т е р и с т и к и вод ны х
м а с с в о к е а н е, т а к к а к э т о т п о к а з а т е л ь у ч и т ы в а е т в себе т е м п е ­
р ат у р у , со л е н о с ть и д а в л е н и е .
М а г н и т н о е п о л е по а н а л о г и и с э л е к т р и ч е с к и м х а р а к т е р и з у е т с я
—
н а п р я ж е н н о с т ь ю Я (А /м ) . Ч а с т о е щ е в к а ч е с т в е ед и ниц ы н а п р я ­
ж е н н о с ти и с п о л ьзу ет с я эрстед, р а в н ы й 1000/4л А/м. В о тсу тств и е
э л е к т р о м а г н и т н о г о п ол я в о д а не о б л а д а е т м а к р о м а г н и т н ы м м о м е н ­
том, т. е. о н а я в л я е т с я д и а м а г н и т н ы м вещ е с т в о м . П о д в л и я н и ем
в н еш н е го м а г н и т н о г о п о л я м о л е к у л ы и ионы п р и о б р е т а ю т н а в е ­
д е н н ы е м а г н и т н ы е м ом енты . П р о и с х о д и т н а м а г н и ч и в а н и е воды, х а ­
рактеризуем ое средним в элем ентарном объем е магнитным момен­
т о м — вектором намагниченности Р т (А /м ). Он з а в и с и т от с о с т а ­
ва во д ы и в п р и р о д н ы х у с л о в и я х п р о п о р ц и о н а л е н н а п р я ж е н н о с т и
в н еш н его м а гн и т н о го поля
Рт = % Л
Безразм ерны й
коэффициент
п р о п о р ц и о н а л ь н о с ти
(1-8)
%т
назы вается
магнитной восприимчивостью.
Н а в е д е н н о е м аг н и т н о е пол е в д и а м а г н е т и к а х э к р а н и р у е т в н е ш ­
нее поле, о с л а б л я я его. В о д а н а м а г н и ч и в а е т с я с л а б о . П о э т о м у
к о э ф ф и ц и е н т % т о т р и ц а т е л ь н ы й и м а л ы й по ве л и ч и н е (при Т = 20 °С
Х т = — 12,97- 10_б, при Т = 0 ° С х , п = — 12,93• 10-6) , от т е м п е р а т у р ы ,
с ол ен о сти и д а в л е н и я он з а в и с и т с л а бо.
С у м м а р н о е м а г н и т н о е п о л е в о к е а н е х а р а к т е р и з у е т с я ве кт о р о м
магнитной индукции
В
(Тл)
B = \i0( H + P m).
^
В с л е д с т в и е р а з н о й р а з м е р н о с т и в с и ст е м е С И в е л и ч и н В , Н , Р ш
в в о д и т с я м а г н и т н а я п о с т о я н н а я ц 0 = 4 л • 10-7 Гн/м, с о г л а с у ю щ а я
п р а в у ю и л е в у ю стороны ф о р м у л ы (1.9). П о с л е д н я я обы чно пере12
писывается в виде
(1.10)
В = щ пН ,
где [л= (1 + % т ) — м а г н и т н а я п р о н и ц а е м о с т ь.
м а г н и т н а я п р о н и ц а е м о с т ь м орс ко й вод ы | л » 1 .
И з-за
малости
%т
1.2. М а к р о с к о п и ч е с к и е э л е к т р о м а г н и т н ы е с в о й с т в а м о р ско го л ь д а
Э л е к т р о м а г н и т н ы е с в о й с т в а м ор ского л ь д а з а в и с я т , от его
с т р у к т у р ы , о б ъ е м а ж и д к о й ф а з ы в нем и т е м п е р а т у р ы . К а к и у
воды , д и э л е к т р и ч е с к а я п р о н и ц а е м о с т ь л ь д а с и л ьн о з а в и с и т от ч а ­
стоты к о л е б а н и й в н еш н его э л е к т р о м а г н и т н о г о п о л я (рис. 1.6). П р и
м алы х частотах f существенна вещ ественная составляю щ ая е ' , а
м н и м а я е" м а л а , т. е. д и п о л ь н ы й м ом е н т к р и с т а л л а л ь д а у с п е в а е т
« п о д с т р а и в а т ь с я » под п е р е м е н н у ю н а п р я ж е н н о с т ь эл е к т р и ч е с к о г о
поля.
Рис. 1.6. Зависимость диэлектрической проницае­
мости (е') и тангенса угла диэлектрических по­
терь (tg 6) от частоты f для разных типов льда
при Т = — 10 °С. 1 — монолитный лед; 2 — пузыр­
чатый [2]
З н а ч е н и я е ' и е" з а в и с я т от т е к с т у р ы и с т р у к т у р ы л ь д а : чем л е д
м онол итнее, тем г ' и е " б ольш е.
Д и э л е к т р и ч е с к а я п р о н и ц а е м о с т ь л ь д а при в о зд ей с тв и и на него
н и зк о ч а с т о т н ы м э л е к т р о м а г н и т н ы м п о л ем н е ск о л ьк о вы ш е, чем
у во д ы ( е ' ^ 1 0 0 при вы со ко й т е м п е р а т у р е л ь д а ) . Э то о зн а ч а е т ,
что он п о л я р и з у е т с я сильнее, чем во д а. П р и п о н и ж е н и и т е м п е р а ­
т у р ы е ' л ь д а р а с т е т (до 130 при Г = — 60 °С ). П о н е к о то р ы м э к с п е ­
р и м е н т а л ь н ы м д а н н ы м это т п а р а м е т р м о ж е т у в е л и ч и в а т ь с я д а ж е
д о 103— 104 [2],
13
В ещ ественная часть диэлектрической проницаемости льда н а ­
ч и н а е т у м е н ь ш а т ь с я пр и б о л е е н и зк и х ч а с т о т а х эл е к т р и ч е с к о г о
поля, чем 8/ воды . П о э т о м у м о ж н о в ы д е л и т ь д и а п а з о н ч астот, в
п р е д е л а х к о т о р ы х д и э л е к т р и ч е с к и е п р о н и ц а е м о с т и м ор с ко й воды
и л ь д а с и л ьн о р а з л и ч а ю т с я . И з - з а эт ого в т а к о м д и а п а з о н е ч а ­
стот с у щ е с т в у е т хо р о ш о з а м е т н а я за в и с и м о с т ь г от с о д е р ж а н и я
ж и д к о й ф а з ы в м о р с к о м л ь д у (см. рис. 1.1).
Удельная
электропроводность
пресно го
льда
мала
(■у~ 10-8 С м / м ) , т. е. он п р а к т и ч е с к и не п р о в о д и т эл е к т р и ч е с к и й
ток. В м о р с к о м л ь д у и з-за р а с с о л а пр о и с х о д и т б ы ст р о е у в е л и ч е ­
ние у п р о п о р ц и о н а л ь н о о б ъ е м у ж и дкой, ф а з ы д о 10~3— 1 0 '1 См /м .
В а ж н о й э л е к т р и ч е с к о й х а р а к т е р и с т и к о й м о рско го л ь д а . м о ж е т
сч и т а т ь с я с о отн о ш ен и е н а п р я ж е н н о с т е й эл е к т р и ч е с к о г о п о л я на его
в е р х н е й Е 0 и н и ж н е й E h п о в е р х н о ст я х
N =
h ~ 12 0
\ g E GI E h ,
Д б/м .
(1.11)
Э то т п а р а м е т р н а з ы в а ю т у д е л ь н ы м п о гл о щ ен и е м э л е к т р о м а г н и т н о й
э н ер ги и во л ь д у [2]. О н т а к ж е з а в и с и т от с о д е р ж а н и я р а с с о л а во
л ьду, в о з р а с т а я с у в е л и ч е н и е м о б ъ е м а п осл ед н его (рис. 1.7).
7
* г ' а)
айЛл.
. t...
А.
s
Рис. 1.7. Зависимость удельного поглощения электромагнитной энергии N льдом
от его солености [2]
Д лина
волны
(см ):
I — 0,78; II — 3,0; III — 7,9; температура льда
3 7 ± 4; б — 2 3 ± 1,5; в — 1 3 ,5 ± 2 ,5
(°С): а —
З а в и с и м о с т ь э л е к т р и ч е с к и х х а р а к т е р и с т и к м ор ского л ь д а от
его сол ености п о з в о л я е т в п ри н ц и п е о п р е д е л я т ь ее по этим х а р а к ­
теристикам.
14
М о р с к о й л е д о б л а д а е т сп о с об н о с т ью г е н е р и р о в а т ь э л е к т р о м а г ­
нитное поле. В ч астности, при упру го й д е ф о р м а ц и и л ь д а м о ж е т
п р ои сх оди ть в о з б у ж д е н и е э л е к т р о м а г н и т н о г о п о л я в с л е д с т в и е т а к
назы ваем ого парам етрического механизма. П ростейш им аналогом
поляризованной пластины льда мож ет служ ить заряж ен н ы й кон ­
д е н са то р . У п р угие д е ф о р м а ц и и п л а с т и н ы э к в и в а л е н т н ы и зм е н ен и я м
р а с с т о я н и я м е ж д у « о б к л а д к а м и » п одобн ого к о н д е н с а т о р а , что п р и ­
в од и т к ф о р м и р о в а н и ю пе ре м е н н о й с о с т а в л я ю щ е й эл е к т р и ч е с к о г о
поля с таким и ж е спектральны м и х арактеристикам и , к а к у д еф о р ­
м а ц и о н н о го п р оц есса. Б о л е е строго эт о т м е х а н и зм м о ж е т б ы ть
р а с с м о т р е н с п р и в л е ч е н и е м п о н ят и я д и п о л ь н о г о м о м е н т а с и с т е м ы
з а р я д о в .
В о з б у ж д е н и е э л е к т р о м а г н и т н о г о п о л я з а счет и зм ен ен ий
д и п о л ь н о г о м о м е н т а в о б щ е м в и д е р а с с м о т р е н о в р а б о т е [9].
П р и и зм е н е н и я х д и п о л ь н о г о м о м е н т а в о з б у ж д е н и е м а гнитной
—>
с о с т а в л я ю щ е й Н о б е с п е ч и в а е т с я во л ь д у п р е и м у щ е с т в е н н о з а счет
то ко в см е щ е н и я , ибо п р о в о д и м о с т ь у очень м а л а , а т о к пер еноса
7nej в к р и с т а л л и ч е с к о й с т р у к т у р е т о ж е не м о ж е т б ы ть з н а ч и м ы м .
В си л у этого и з-за с р а в н и т е л ь н о м а л ы х с ко ро стей е стеств енны х
д е ф о р м а ц и о н н ы х процессов м а г н и т н о е по л е п о л у ч а е т с я в е с ь м а с л а ­
бым. Его э к с п е р и м е н т а л ь н о е в ы я в л е н и е д л я к в а зи п е р и о д и ч е с к и х
д е ф о р м а ц и о н н ы х проц ессов тем с а м ы м п р е д с т а в л я е т з н а ч и т е л ь н у ю
сложность, и в настоящ ее время надеж ны х данны х прямых и зм е­
рени й Н во л ь д у ч р е з в ы ч а й н о м ал о .
И н т е н с и в н о с т ь э ф ф е к т а в о з р а с т а е т с ув е л и ч ен и е м с кор ости д е ­
ф о р м а ц и и и с а м и х зн а ч е н и й д е ф о р м а ц и и . Х а р а к т е р н ы м п р и м еро м
является форм ирование магистральной трещ ины в массиве льда,
о б л а д а ю щ е м « в м о р о ж е н н о й » п о л я р и з а ц и е й . З д е с ь и зм е н ен и я д и ­
польн ого м о м е н т а но ся т и м п у л ьс н ы й х а р а к т е р . В т а к и х с и т у а ц и я х
во зб у ж д аем о е м агнитное поле уверенно регистрируется соврем ен­
ны м и и з м е р и т е л ь н ы м и с р е д с т в а м и .
П о л я р и з а ц и я л ь д а м о ж е т в о з н и к а т ь з а счет проц ессов к р и с т а л ­
л и з а ц и и вод ы , з а счет э л е к т р о к и н е т и ч е с к и х эф ф е к т о в , с в я з а н н ы х
с п р о т е к а н и е м ж и д к о й ф а з ы ( р а с с о л а ) по п о р а м л ь д а , при т р и б о ­
э л е к т р и ч е с к о м з а р я ж е н и и по вер хн ости л е д я н о г о п о к р о в а в у с л о ­
в и я х м е те л е в о г о п е р е н о с а ч а с т и ц снега.
П р и в о з р а с т а н и и м е х а н и ч е с к и х н а п р я ж е н и й в л е д я н о м по к р ов е
до зн а ч е н и й , б л и з к и х или п р е в ы ш а ю щ и х пр е д е л д л и т е л ь н о й п о л ­
зучести, д е ф о р м и р о в а н и е л ь д а , к а к известно, у ж е не с о отв етс тв уе т
з а к о н у Г у к а и процесс с т а н о в и т с я п л а ст и ч е с к и м . Э то з а с т а в л я е т
о б р а т и т ь в н и м а н и е на в о з м о ж н о с т ь п р о я в л е н и я м и к р о м е х а н и з м о в
р а з д е л е н и я и п о с л е д у ю щ ей р е л а к с а ц и и эл е к т р и ч е с к и х з а р я д о в .
П о д о б н ы е м е х а н и зм ы , к а к известно, р е а л и з у ю т с я в иску сственн ы х
т в е р д ы х д и э л е к т р и к а х (стекло, к е р а м и к а ) , а т а к ж е в горны х п о р о ­
д ах . Е стественно, лед, особен но морской, по своим э л е к т р о ф и з и ­
ческим св о й с т в а м , стро го го вор я, не м о ж е т б ы ть отнесен к чистым
д и э л е к т р и к а м , п о с к о л ь к у п р е д с т а в л я е т собой с о ч е т а н и е д и э л е к т р и ­
ческих к р и с т а л л о в и п р о в о д я щ е й ж и д к о й ф а з ы в м е ж к р и с т а л л и ч е -
15
ски х п р о с л о й к а х . Т ем не м е н е е при п л а с т и ч е с к о й д е ф о р м а ц и и с
форм ированием внутрикрнсталлических м икротрещ ин здесь та к ж е '
возникаю т электроф изические эффекты, близкие к эф ф ектам в чи­
стых. д и э л е к т р и к а х , но, естественно, со св о и м и с п ец и ф и ч е с к и м и
ос о бе н н ос тям и . П р и это м п р о и сх о д и т в о з б у ж д е н и е э л е к т р о м а г н и т ­
ных п о л е й н а з н а ч и т е л ь н о б о л е е в ы с о к и х ч ас т о т а х , чем во всех
в ы ш е р а с с м о т р е н н ы х п роц ессах .
1.3. У р а в н ен и я , о п и с ы в а ю щ и е э л е к т р о м а г н и т н о е по л е о к е а н а
О с н о в н ы е ч ерты . и в з а и м о с в я з ь электрического: и м а гн и т н о го
п ол ей в п р о в о д я щ е й э л е к т р и ч е с т в о с п л о ш н о й с р е д е о п и с ы в а ю т ся
у р а в н е н и я м и .М а к с в е л л а . О ни и с п о л ь з у ю т с я и при о п и сан и и э л е к ­
т р о м а г н и т н ы х п ол ей в о кеан е.
—>
—^
П л о т н о с т ь т о к а / в д в и ж у щ е й с я с реде со ско р о с т ью
•—^
ном п ол е и н д у к ти в н о с т ью В о п и с ы в а е т с я з а к о н о м О м а
^
где
( V X B )
J=y[E+(VxB)l,
V
в м агнит-
( 1. 12)
— лоренцевская добавка.
П ервое сл агаем о е ф орм улы хар актер и зу ет ток в неподвижной
среде, а в т о р о е — п р е д с т а в л я е т собой добавку,, в о з н и к а ю щ у ю при
д в и ж е н и и м о рско й вод ы в м а г н и т н о м поле.
—^
При- н а л и ч и и т о к а I в п р о в о д я щ е й с р е д е в о з н и к а е т и н д у ц и р о ­
в а н н о е им м а г н и т н о е поле, х а р а к т е р и з у е м о е у р а в н е н и е м
rot
Н-7+^r.
(1.13)
a t
В т о р о е с л а г а е м о е его п р а в о й ч ас т и о п и с ы в а е т в к л а д э л е к т р и ч е ­
ской и н д у к ц и и (ток с м е щ е н и я ) . ; П о сути, это у р а в н е н и е п р е д с т а в ­
л я е т собой о б о б щ е н и е з а к о н а А м п е р а о в о з б у ж д е н и и м агн и тн о го
по.ля э л е к т р и ч е с к и м током .
С ледую щ ее в аж н о е уравнение является матем атической ф ор ­
м у л и р о в к о й з а к о н а Ф а р а д е я , об э л е к т р о м а г н и т н о й ин дукции
rot E = - d B / d t .
(1.14)
П р и оп и с ан и и э л е к т р о м а г н и т н о г о п о л я в о к е а н е и с п о л ь з у ет с я п о ­
л о ж е н и е о том, что ф о р м и р у е м о е в нем м а г н и т н о е п о л е б езд и в е р гентное, т.
е.в нем нет источн иков и сто ков м а г н и т н о й
ин дук ц и и
d i v S = 0.
(1.15)
В р я д е случаев, и с п о л ь з у е т с я у р а в н е н и е , п р е д с т а в л я ю щ е е собой
о б о б щ е н и е з а к о н а К у л о н а о том, что д и в е р г е н ц и я э л е к т р и ч е с к о й
и н д у к ц и и о б у с л о в л е н а э л е к т р и ч е с к и м и з а р я д а м и в м ор ской вод е
d i v D = p v,
где p v — о б ъ е м н а я п л о т д о с т ь э л е к т р и ч е с к и х з а р я д о в .
16
(1-16)
При отсутствии электрических зарядов в морской воде, т. ё. за
пределами тех полей водорослей и планктона, которые генери­
руют электричество, уравнения Максвелла сводятся к одному, х а ­
рактеризующему поле магнитной или электрической напряжен­
ности.
Из (1.12) и (1.13) следует
—^
г о Ш = у [ Е + ( Р х В ) ] + г0г ~ .
(1.17)
С помощью уравнения (1Л4) из полученного выражения можно
—^
исключить Е. Д ля этого над (1.17) следует провести операцию
вихря:
r o t(r o ttf) —vot ( y E) + rot[-Y(Vx.8)] + eoi'ot
•
(1.18)
Пусть
у я г приближенно полагаются постоянными. Тогда, ис­
пользовав (1.4), получаем
r o t(r o t^ ) = - Y^ + Y r o t ( F x f i ) - e o 8 ^ .
(1.19)
Поскольку Б = (л0Я, то (1.19) может быть переписано в виде ■
i rot(rotS) = - v 4 f + Y r o t ( V x B ) - 8 o 8 ^ - .
(1.20)
Но, вследствие формулы (1.15),
rot (rot В) = g rad (d iv В) — V 2B = —V 2£ .
Следовательно,
— ^
+ ^ - = vot(VxB) + ~
■; at 2
dt }ii;y
;
V*B.
•
(1.21)
Это уравнение характеризует поле магнитной индукции в океане.
Если оно рассматривается совместно с атмосферным магнитным
полем или в слоистом океане, то на границах слоев нормальная
составляющая В„ разрыва не имеет, т. е.
11т= Вп,.
( 1.22)
Для магнитной напряженности условие на границе слоев другое:
равны касательные составляющие
# т1 = Я ,2. '
(1.23)
Несколько более сложным оказывается общ ее уравнение, х а ­
рактеризующее Е. Д ля него условия на границе аналогичны усло­
виям (1.22) и (1.23), т .е .
:D n2 и Е-Л = Е й .
(1.24)
И з у р а в н е н и я (1.21) видно, что п о л е м а гн и т н б й ин дук ц и и
за­
в и с и т от д в и ж е н и я в о д ы (к р о м е д р у ги х п р и ч и н ). П о с к о л ь к у В —
это сил а, то она д о л ж н а в л и я т ь, в свою о чередь, на д в и ж е н и е
воды и в точн ое у р а в н е н и е д в и ж е н и я она в х о д и т д о б а в о ч н ы м с л а ­
га е м ы м
—>
dV
—> —>
—>
—>
—:»
]
- ^ - + 2 ( о ) Х Ю = 0 --------V
г де
—^
V
Iv R
—»■
P
+
k v \ 7 2 V
+
^
^
- ,
(1.25)
^
— с к о р о с т ь т ечени я; со — у г л о в а я с к о р о с т ь в р а щ е н и я З е м л и ;
— ускорен ие, о б у с л о в л е н н о е м а с с о в ы м и с и л а м и ; Р — д а в л е н и е ;
v— к о э ф ф и ц и е н т т у р б у л е н т н о г о п е р е м е ш и в а н и я .
П о с л е д н и й член, н а з ы в а е м ы й п о н д е м о т о р н ы м у с ко ре н и е м , не­
б ольш ой , но, в принципе, при м а л ы х с к о р о с т я х д в и ж е н и я он м о ­
ж е т и г р а т ь о п р е д е л е н н у ю роль. Т а к и м о б р а з о м , эл е к т р о м а г н и т н о е
и д и н а м и ч е с к о е п ол я о к а з ы в а ю т с я в з а и м о с в я з а н н ы м и , что о т р а ­
ж а е т с я у р а в н е н и я м и (1.21) и (1.25).
G
k
2. ОСНОВНЫ Е ЭЛЕКТРОМ АГНИТНЫ Е ПОЛЯ ОКЕАНА
2.1. Магнитное поле Земли
Э л е к т р о м а г н и т н о е п о л е о к е а н а я в л я е т с я с у п е рп ози ц и ей полей
р аз л и ч н о г о п р о и с х о ж д е н и я . И з них н аи б о л ь ш и й в к л а д п р и х оди тс я
на поля, о б я з а н н ы е с у щ е с т в о в а н и ю м а гн и т н о го п о л я З е м л и . О но
в ы з в а н о э л е к т р о м а г н и т н ы м и п р о ц е сс а м и , п р о т е к а ю щ и м и в зем н о м
яд ре , в м а гм е, а т а к ж е в зе м н о й коре. К р о м е того, м а г н и т н о е поле
ф о р м и р у е т с я под в о зд е й с тв и е м к о р п у с к у л я р н о г о и зл у ч е н и я С о л н ц а ,
п р и в о д я щ е го к п е р ен о с а м эл е к т р о н о в в ион осф ере. Т а м о б р а з у е т с я
эл е к т р и ч е с к о е поле, а с ним и м агнитно е. С у м м а р н о е м а гн и т н о е
п о л е п ри н я то в г е о ф и зи к е п о д р а з д е л я т ь на к в а з и с т а ц и о н а р н о е ,
о б ы чн о н а з ы в а е м о е г л а в н ы м м а г н и т н ы м полем, х а р а к т е р и з у е м ы м
вектором напряж енности
мени
Я с=
—>
—^
F,
F +
и п е р ем е н н о е
S Я ,■sin
—>
Н t,
( 2 n t/A tt +
м е н я ю щ е е с я во в р е ­
ср;),
(О
где
Н с — н а п р я ж е н н о с т ь с у м м а р н о г о м а гн и т н о го поля.
Н а п р я ж е н н о с т ь г л а в н о г о м а гн и т н о го поля в сегда во много р а з
б о л ь ш е перем енн ого. П е р в о е пол е н е о д н ор од н о в п р ос тра н с тв е .
Х а р а к т е р н о е р а с п р е д е л е н и е м о д у л я F п р е д с т а в л е н о на рис. 2 .L
О но с р а в н и т е л ь н о м е д л е н н о и н е о д н о р о д н о м е н я е т с я во в р е м е ­
ни. В н а с т о я щ у ю эп ох у в се ве р н о м п о л у ш а р и и в е ктор F н а п р а в л е н
в гл у б ь З е м л и . Угол м е ж д у ним и п ов ер хн остью З е м л и м е н я е т с я
от 0 до 90° и н а з ы в а е т с я м а г н и т н ы м н а к л о н е н и е м . З а п осл ед ние
4 9 0 — 500 л е т оно м е н я л о с ь в п р е д е л а х 8°. У гол м е ж д у г о р и з о н т а л ь ­
ной п р оек цией F r , х а р а к т е р и з у е м о й м а г н и т н ы м м е р и д и а н о м , и
г е о г р а ф и ч е с к и м м е р и д и а н о м н а з ы в а е т с я м а г н и т н ы м скл о нен ием ,
18
О н о м е н я е т с я в п р е д е л а х 35° и м о ж е т б ы ть к а к п о л о ж и т е л ь н ы м ,
к о г д а м а г н и т н ы й м е р и д и а н о т к л о н я е т с я к во с т о к у от г е о г р а ф и ч е ­
ского, т а к и о т р и ц а т е л ь н ы м .
Р и с . 2 .1 . Р а с п р е д е л е н и е м о д у л я н а п р я ж е н н о с т и
гл авн о го м агн итн ого п оля З ем л и
(в э р с т е д а х )
[18]
В н а с т о я щ у ю эпоху один полю с г л а в н о г о м а г н и т н о г о поля, у с ­
л ов н о н а з в а н н ы й « с ев ер н ы м » , р а с п о л о ж е н в т о ч к е с к о о р д и н а т а ­
ми ф ~ 7 4 ° с. ,ш. и Яя^100° з. д. Д р у г о й полю с, « ю ж н ы й » , н а х о д и т с я
в р а й о н е ф*»68° ю. ш. и Я » 143° в. д. С о е д и н я ю щ и е их м а г н и т н ы е
с и л о в ы е л и н и и не ровны е, а и зв и л и с ты е, по э то м у с к л о н е н и е м о ­
ж е т м е н яться.
М о д у л ь м аг н и т н о й н а п р я ж е н н о с т и в с р ед н е м у в е л и ч и в а е т с я от
н и зки х ш и р о т к в ы с о ки м . Н о при э т о м с у щ е с т в у ю т о б л а с т и с п о ­
в ы ш е н н ы м и ил и п о н и ж е н н ы м и з н а ч е н и я м и м о д у л я . И х н а з ы в а ю т
м а г н и т н ы м и а н о м а л и я м и , сре д и к о т о р ы х в ы д е л я ю т к р у п н ы е м и р о ­
вые аном алии и локальн ы е аномалии. П л о щ ад ь первых состав­
л я е т м и л л и о н ы к м 2, а в т о р ы х с у щ е с т в е н н о м еньш е. Н а п р и в е д е н ­
ном рис. 2.1 х о р о ш о в ы р а ж е н ы о б л а с т и п о л о ж и т е л ь н ы х м ир ов ы х
а н о м а л и й : В о с т о ч н о -С и б и р с ко й , С е в е р о -А м е р и к а н с к с й , А н т а р к т и ­
ческой и д в е о б л а с т и о т р и ц а т е л ь н ы х а н о м а л и й . П о л а г а е т с я , что
такие крупные магнитные аном алии вы званы электромагнитны ми
п р о ц е сса м и , п р о т е к а ю щ и м и в м а г м е и в я д р е З е м л и . О ни м едл енн о
м е н я ю т с я во в р е м е н и , по э то м у с р е д н и е го д о в ы е х а р а к т е р и с т и к и
м а г н и т н о г о п ол я т а к ж е м е д л е н н о м е н я ю т с я , т. е. с у щ е с т в у е т в е ­
ково й ход. г л а в н о г о м а г н и т н о г о поля. М е н я е т с я п о л о ж е н и е и в е ­
л и ч и н а м а г н и т н ы х а н о м а л и й , они д р ей ф у ю т .
Л о к а л ь н ы е м а г н и т н ы е а н о м а л и и о б у с л о в л е н ы с т р оен и ем в е р х ­
них с л о ев З е м л и . П о д в о д н ы е г о р ы х а р а к т е р и з у ю т с я п о в ы ш е н н ы м
м а г н и т н ы м по л ем , а г л у б о к о в о д н ы е в п а д и н ы и з -з а м ощ но го сл о я
2*
19
о с а д о ч н ы х пород— - п о н и ж е н н ы м . В е л и ч и н а а н о м а л и й н а п р я ж е н ­
ности в эти х о б л а с т я х о б ы чн о не п р е в ы ш а е т 1— 2 А/м.
К р о м е от м еч е н н о го в е ков о го х о д а с у щ е с т в у ю т в а р и а ц и и м а г ­
нитного п о л я З е м л и м енее д л и т е л ь н ы е во вре м е н и . О ни в ы з в а н ы
э л е к т р о м а г н и т н ы м и проц е сса м и , п р о т е к а ю щ и м и в и о н о с ф е р е З е м л и
под д ей с тв и ем к о р п у с к у л я р н о г о и зл у ч ен и я С о л н ц а. В ы д е л я ю т
д л и н н о п е р и о д н ы е в а р и а ц и и п р о д о л ж и т е л ь н о с т ь ю от 11 до 27 сут.,
о б у с л о в л е н н ы е м е н я ю щ е й с я солнечн ой а кти в н остью . А м п л и т у д а
н а п р я ж е н н о с т и этих в а р и а ц и й с о с т а в л я е т ве л и ч и н у п о р я д к а
10 мА/м. Т а к о в ы ж е пр и м ер н о с о л н ечн о-с уто ч н ы е в а р и а ц и и . Н а
п о р я д о к м ен ьш е л у н н о-с ут о ч н ы е в а р и а ц и и .
Сущ ествую т спорадические магнитные вариации, протекаю щ ие
на зн а ч и т е л ь н о й ч ас т и или всей З е м л е . О ни м о гут д л и т ь с я от н е ­
с к о л ь к и х с е к у н д до 2— 3 сут. и им еть ин тен си вность а н о м а л и и
н а п р я ж е н н о с т и м а г н и т н о г о п о л я от ед и н и ц до т ы ся ч и м А /м. С и л ь ­
ные м а г н и т н ы е в а р и а ц и и н а з ы в а ю т с я м а г н и т н ы м и б ур ям и .
В а р и а ц и и м аг н и т н о г о п о л я З е м л и о т ч е т л и во в ы р а ж е н ы не т о л ь ­
ко в а т м о с ф е р е , но и в о ке а н е. Н а них в с ег д а н а к л а д ы в а е т с я в т о ­
рич ное м аг н и т н о е поле, и н д у ц и р о в а н н о е д в и ж у щ е й с я водой: т е ч е ­
ниям и , п р и л и в а м и , в о л н а м и .
2.2. Электромагнитное поле океана динамической природы
Н а л и ч и е г л а в н о г о м а гн и т н о го пол я, в котором, д в и ж е т с я м о р ­
с к а я во д а, я в л я ю щ а я с я п р о в о д н и ко м , п р и в о д и т к о б р а з о в а н и ю в
ней эл е к т р и ч е с к о г о поля, которое, в свою очеред ь, с о з д а е т вт о р и ч ­
ное м аг н и т н о е поле, н а з ы в а е м о е т а к в о тли чи е от г л а в н ого . Э то
втор ич но е м а г н и т н о е поле о п и с ы в а е т с я у р а в н е н и е м (1.21), в к о т о ­
ром п р и м е н и т е л ь н о к п о л я м д и н а м и ч е с к о й п р и р о д ы м о ж н о п р о в е ­
сти н е к о т о р ы е у п р о щ е н и я ..
■ П о с к о л ь к у в а р и а ц и и г л а в н о г о м а гн и т н о го п о л я м а л ы по с р а в ­
нению. с м о д у л е м его н а п р я ж е н н о с т и , то обы чно при р а с с м о т р е ­
нии ге н е р а ц и и э л е к т р о м а г н и т н о г о п о л я д в и ж у щ е й с я в од ой счи таю т,
что
—^
F
не м е н я е т с я во вре м е н и . К р о м е того, оно су щ ес т ве н н о б о л ь ­
ш е втор ич но го м а гн и т н о го п о л я н а п р я ж е н н о с т ь ю Н . П о э т о м у у р а в ­
нение (1.21) м о ж н о у п р о щ е н н о п р е д с т а в и т ь в вид е
ррп
Т
д 2Н
d t 2
V 2/ /
YM-o
д Н
+ ~^- —vot(VxF) +■——— .
d t
v
'
(2. 1)
И з у р а в н е н и й (1.12) — (1.14) а н а л о г и ч н ы м о б р а з о м п о л у ч а е т с я
у р а в н е н и е , х а р а к т е р и з у ю щ е е в е кто р э л е к т р и ч е с к о й н а п р я ж е н н о с т и ,
но оно о к а з ы в а е т с я б о л ее с л о ж н ы м , чем (2.1), и в полном в и д е в
о к е а н о л о г и и об ы чн о не и сп ользуется :
цоеео
д 2Е
+ r o t ( r o t £ ) + p-oY
д Е
d t
20
I d V
+ ^°
\
d t
J
= 0.
(2.2)
Выражение, характери зую щ ее плотность тока в дви ж ущ ей ся
воде, получается исключением из зак о н а О ма (1.12) вектора Е.
Д л я этого следует уравнение (1.12), в котором мож но учесть толь­
ко главное магнитное поле, д в а ж д ы подвергнуть операции вихря:
r o t ( r o t / ) = y r o t ( r o t £ ) + ’Y n ,orot[rot(V x/:’)].
(2.3)
При меняю щемся во времени движении воды, .а следовательно,
при меняю щемся магнитном поле, например, по простейшему з а ­
кону
Я = Н 0еш
уравнение (1.14) перепишется в виде
'—^
^
r o t £ = —ш\х0Н.
(2.4)
(2.5)
П одстановка этого в ы раж ен и я в (2.3) при постоянном у д ает
—>
—►
—> —>•
ro t ( r o t/ ) = — ico|io4 r o t # - f "Yjj,0r o t [ r o t ( V X ^ ) ].
Исклю чение Н с помощью зак он а (1.13) без учета токов смещения
позволяет получить вы раж ение, х арактери зую щ ее плотность тока
в зависимости от скорости течения и напряженности главного
магнитного поля
V 2/ = i'(i)(x0y / —YI-bo rot[rot ( VX
].
(2.6)
—>
В данном случае считалось, что d i v / = 0. Это следует из у р ав н е­
ний (1.13) и (1.15) без учета токов смещения.
Из приведенных вы раж ен и й видно, что если электромагнитное
поле формируется движ ущ ейся водой в магнитном поле Земли,
то при ( V x F ) = const оно не возникает.
Если считать электромагнитную волну плоской, что вполне д о ­
пустимо д ля акваторий ограниченных размеров, то можно д о с т а ­
точно просто оценить х ар а ктер влияния течений на электр ом агни т­
ное поле в воде [12]. Из в ы раж ен и я (2.1) следует, что вторичное
магнитное поле зависит от вертикальной составляю щ ей вихря лоренцевской добавки
rot г (VX~F) =
( V ZF х — V x Fz) - - ^ { V y Fz - V z F y) =
= (Fx д V z/ dx + F y д Vz/ д у + Fz d V J d z ) — ( V x dP J dx + Уу d F J d y + V z d F J dz ) =
— (Fr g ra d V z ) - ( V g ra d F z).
(2.7)
Эта часть уравнения (2.1) характер и зует индукционную с л а г а е ­
мую электромагнитного поля. Из равенства (2.7) видно, что она
зависит от градиентов вертикальной скорости движ ущ ейся воды
и вертикальной составляю щ ей напряженности главного магнитно­
го поля. Градиент У* значителен только в волнах. Поэтому она
генерируют существенно более значительную индукционную со­
ставляю щ ую поля, чем течения.
21
Т а к ж е в предположении плоской волны гальвани ческая
составл яю щ ая электромагнитного поля мож ет быть ох ар а ктер и зо ­
в ан а вертикальной составляющей последнего члена уравнения
( 2 -6 ) :
r o U r o t ( V x ^ ) ] = -j^ -ro ty ( V x F ) - ~ r o t x ( V X ~ F ) =
=
~{ш +w)
(2-8>
В отличие от предыдущего в ы р а ж ен и я в этом фигурируют про­
изводные всех слагаем ы х векторов скорости движ ения воды и н а ­
пряженности главного магнитного поля. П оэтому гальваническая
составл яю щ ая электромагнитного поля генерируется не только
волнами, но и течениями. Однако, если течение неизменно в какойто области, т. е. не имеет производных, то из-за слабой простран­
ственной изменчивости F электромагнитное поле в нем непосред­
ственно не генерируется. Оно мож ет формироваться, только окр у­
ж аю щ и м полем. Если д виж ение воды происходит в каком-то слое
океана, то за его пределами индукционная составл яю щ ая возни ­
кает за счет вторичного магнитного поля, а гальвани ческая — за
—^
счет тока / меж ду этим слоем и окруж аю щ ей средой. Этот вывод
следует из решения уравнений (2.1) и (2.6), но в принципе ясно,
что за пределами слоя с дви ж ущ ей ся водой лоренцевские добавки
в этих уравнениях отсутствуют, а граничные условия в первом
случае в ы р а ж аю тс я составляю щ ими магнитной напряженности, а
во втором — токами.
2.3. Электромагнитное поле, генерируемое поверхностными волнами
При волнении происходит д виж ение электропроводящ ей ж и д к о ­
сти в магнитном поле Земли, и поэтому в морской воде возникает
электромагнитное поле. Его м агнитная составл яю щ ая описывается
уравнением (2 . 1), которое мож ет быть несколько тран сф орм иро­
вано.
Если волнение происходит с частотой со, то и колебание инду­
цированного им магнитного поля долж но происходить с такой ж е
частотой. Поэтому можно записать
Н = Н 0е ш .
(2.9)
П одстановка этого в ы раж ен и я в уравнение (2.1) приводит его к
виду
V 2# —&2# + Y|io rot {V X F ) = 0 ,
(2.10)
Где k 2= — (eeoco —iy) cojio — является волновым числом полученного
уравнения. Обычно принимается, что составляю щ ие вектора н а ­
пряженности неизменны в пределах ограниченной области океана
22
с установивш имся волнением. В принципе такое ограничение не
обязательно. Его снятие лиш ь несколько уточняет результат из-за
сравнительно малы х пространственных градиентов F и приводит к
довольно громоздкой зависимости вторичного магнитного поля от
исходных параметров.
Т а к ж е ради упрощения решения полагается, что волна д ву м ер ­
на и д ви ж ется в глубоком море вдоль оси х. В этом случае со­
с та в л я ю щ ая скорости вдоль оси у у = 0, а другие состаляю щ йе
скорости вдоль этой осл не меняются. П ри этих условиях проек­
ции уравнения (2.10) на оси координат п редставляю тся в ы р а ж е ­
ниями
V41x -k*Hx + w о
V*Hy- k aHy- 0,
(2.11)
В полученные уравнения не входит F y. Это означает, что она
не индуцирует магнитного поля. С о с т а в л я ю щ а я ' напряженности'
вторичного магнитного поля по оси у рав н а нулю, так ка к нет
факторов, которые бы ее индуцировали.
В двумерной волне скорость можно вы разить через функцию
тока ф
=
dz
дх
Н а глубокой воде т|) в ы р а ж ае тся функцией
ц = М ^ е ,тх- а*.
а)
(2 . 12 )
(2.13)
где | — ам плитуда волны; g — ускорение свободного падения.' В
волнах без трения волновые числа п и т равны между собой.
З а м е н а скорости через ее функцию i|), а т а к ж е учет неизмен­
ности Н вдоль оси у упрощ ает уравнения (2.11). Н апример,
изме­
нение Н г характери зуется вы раж ением
дх2
+
dz2
- & Н г = А е ,тх- м ,
(2.14)
где А ==
(Fxm + inF ).
ш
z
Н а основании вида правой части вы раж ен и я следует, что Н ,
вдоль оси х является периодической функцией, поэтому граничные
условия д ля нее можно не фиксировать. При определении гранич­
ных условий на вертикальной оси следует исходить из условия
непрерывности нормальной составляющей индукции на границе
разд ел а океан а ( 1-я среда) и атмосферы '2-я среда)
или [Х1Я г1 = [д,2Я г2.
(2.15)
23
Второе граничное условие находится из уравнения дивергенции
дНх
дН,
_
= — '-д—- ■ П оскольку имеет место неразрывность тангенС /А
С/
циальных составляю щ их напряженности в соприкасаю щ ихся сре­
дах, то
дН г\
дН z2
т г - л . -
(2Л6)
Е щ е д ва необходимых условия определяю тся затуханием вторич­
ного магнитного поля с удалением от взволнованной поверхности
в к аж д ой среде, т. е.
Я г1 - > 0 , # , 2 - > 0 при Zi,2- ^ 00.
(2.17)
И з-за периодичности H z вдоль оси х можно представить в виде
H z = h e imx.
(2.18)
В этом случае уравнение (2.16) приобретает вид
d2h
- K zh = A e - nz,
dz2
(2.19)
где
<,2= k 2+ m 2.
К р аев ы е условия (2.15) — (2.17) сохраняю т свою форму при зам ене
И г на h.
Р еш ение уравнения (2.19) с последующим учетом соотношения
(2.18) п редставляется вы раж ением
'
нч
Cje
_х г
+
------ - l e im x
tli]j— X*-]j '
( 2 .2 0 )
где / = 1 относится к океану и z t нап равлен а вниз; / = 2 относится к
атмосфере и Zz н ап рав л ен а вверх от поверхности океана,
С,
А 2, А 1 (H1K2—H2fll)
,U2(« 12- X i 2)
^2 + Хг
С2=
П\+
А\
Х]
+ А-.
fX2Xl —« 2|Х1
|Л («22- Х 22)
М2
Xl|l2—X2|ll
М-1
И2М1—>«1М-2 '
Поскольку магнитная проницаемость воды и воздуха очень мало
отличаю тся от 1, то постоянные С\ и Сг упрощаю тся:
Сi =
Л9
П2~Г%2
Л 1 ( « !—х 2)
п 12—Xi2
1
XI — Х2
1
n 2— %1
Х 2 — Xi
2 «22Д л я определения горизонтальной составляю щ ей вторичного
магнитного поля можно воспользоваться первым из уравнений
(2.11). Оно имеет такую ж е форму, ка к и у вертикальной составС2
24
А\
Л-1+ X j
-А
Ляющей Мг> и поэтому реш ение мож ет быть получено ан алоги ч­
ным образом. Д л я двумерной волны поиск реш ения упрощается,
т а к ка к в уравнение дивергенции магнитной напряженности входят
только две ее составляю щие, поэтому д л я каж д ой среды
дН,
dz
dJU
дх
Следовательно,
дН
п ,1А з,е~
ie‘
(2.21)
-,2 _ „2
dz
m
j
П]
Таким образом, вторичное магнитное поле под действием волн об ­
разуется к а к в верхнем слое Океана, т а к и в приводном слое а т ­
мосферы, экспоненциально, но по-разному, за т у х а я с удалением от
границы р азд е л а этих сред. В воздухе из-за очень малой э л е к тр о ­
проводности парам етр А 2 очень мал, а в сухом воздухе он вообще
равен нулю. Тем не менее из формул (2.20) и (2.21) видно, что
Я г2 и Н х2 не равны нулю. Если у2= 0, то п арам етр
не содер­
ж и т мнимого слагаемого и убы вание магнитного поля в воздухе
с высотой происходит без какого-либо сдвига по фазе.
dl =
н Х]- = -
При определении составляю щ их плотности тока можно исхо­
дить из уравнения (1.13), пренебрегая токами смещения
дНг
ду
*z
dz
dz
dH,
dx
dH,
dH>
dx
dy
=
0 ,
■Ae~
(%2+ m 2)Ce~xz
ieh
(2.22)
= 0.
Здесь и д а л е е индексы j ради кратности записи опущены.
И так, при двумерном волнении существует только ток по волне.
С оставляю щ ие напряженности электрического поля могут быть
определены из уравнения ( 1. 12), имея при этом в виду значения
токов (2.22):
Ёх= р о (wF =
E z =- ■|x0U F V = J
E„ = -
F eUnx~nz,
p
e im x-n zt
(2.23)
1
dH
dH.
dx
(Fx m i —F zt i) elm25
В ы раж ен и е д л я определения обставляющей Ё у мож ет быть
т а к ж е получено из уравнения
r o t £ = - 1о)ц,0Я.
(2.24)
При этом нет необходимости предварительно определять состав­
ляю щ и е электрических токов. Например,
д Еу
дх
(2.25)
= —/соцоЯ*.
Откуда
го)р,о
т
Се-
Ае-
olmx
(2.26)
В качестве примера на рис. 2.2 приведены характеристики э л ектр о­
магнитного поля у поверхности моря, генерированные двумерной
волной при п = т, Yi = 3 См/м и уг = 0. П ол агаясь, что £ = 1 м,
Я = 30 м и т = 5 с. П ринято F x = 0,17, F y = 0,1, FZ= Q,47 Э. С глубиной
все характеристики электромагнитного поля экспоненциально у б ы ­
вают.
Рис. 2.2. Характеристики изменений напряженности электро­
магнитного поля у поверхности моря, генерированные дву­
мерной волной: 1 —: Нх ; 2 — ijr, 3 — Ех\ 4 — Ez; 5 — Hz
Формулы (2.22) — (2.26) применимы ка к д л я океана, так и д ля
атмосферы. Н адо лиш ь использовать в них п арам етры соответст­
вующих сред. Следует т а к ж е иметь в виду, что волновые в озм у­
щения приводного слоя воздуха быстро убываю т с высотой и уж е
на 22~ 0,2 X они практически исчезают.
В том случае, когда 7 2 =^0 и п 2ф т возникаю т некоторые о т­
личия в величинах и хар а к тер е изменений напряженности электро­
магнитного поля от приведенных на рис. 2.2.
26
Н а рис. 2.3 п о к аза н а синхронная запись наблюдений инду­
цированного волнением вторичного магнитного поля на глубине
7 м. Волнение, ка к видно из рисунка, небольшое с периодом по­
р яд ка 3 с, и генерируемое им магнитное поле довольно слабое.
Рис. 2.3. Характер магнитного поля
на глубине 7 м, индуцированного
волнами в прибрежной полосе [ 1 2 ]:
а — индуцированное магнитное поле;
б — изменение уровня моря; а —
спектр магнитного поля; г — спектр
волнения
При рассмотрении электромагнитного поля, возбуж даем ого в о л ­
нами в мелком море или на ш ельфе, следует учитывать другую
форму потенциала скорости, а т а к ж е распространение магнитного
и электрического полей в грунте дна. П оэтому характеристики
электромагнитного поля в воде и приводном слое воздуха з а в и ­
сят от глубины моря и электропроводности грунта.
Электромагнитное поле генерируется не только поверхностны­
ми, но и внутренними волнами. Принципиальны е черты его з а в и ­
симости от п арам етров волн остаются теми же. Но. из-за конечно­
сти расстояния от глубины, на которой р азв и вается волнение, в вы ­
раж ен ии д л я потенциала скорости фигурируют не экспоненты, а
гиперболические функции. П оэтому и окончательные в ы раж ен и я
д ля хар актери сти к электромагнитного поля оказы ваю тся более
сложными, чем в рассмотренном случае.
2.4. Генерация электромагнитного поля течениями
В самом простом виде генерацию электрического
нием ох ар а ктер и зо в ал С томмел еще в 1948 г. [18]. Он
предположения, что
океане глубиной h существует
течение шириной 2Ь простирающееся от поверхности
поля тече­
исходил из
постоянное
до глубины
27
hi. Скорость течений меняется только поперек струп ,а горизон­
тальном направлении по закону
v ( x ) = u 0 cos
’
(2'27)
где v 0 — скорость на стр еж н е струи.
П олагается, что электромагнитное поле мож ет быть о х ар а к те­
ризовано уравнениями М ак св ел л а
r o t / / = 7 = Y[ ^ + M l ? X f j ] .
(2.28)
Если определить div от обеих частей этого уравнения, то при
—>
div rot Н — 0 и постоянной у получается
—d i v i f = | x 0 d i v ( V x F ) = р,0 (? ro t~ K —"К r o t ~F).
(2.29)
М ожно принять, что / = const. Тогда последний член (2.29) бу­
дет равен нулю. Кроме того, при условии неизменности F э л е к ­
трическое поле, согласно закону (1.14), оказы вается безвихревым,
а следовательно, его представляется возможны м вы разить через
потенциал
Е = — g ra d Ф.
(2.30)
В этом случае уравнение (2.29) мож ет быть переписано в виде
V 20 = fxo‘? r o t ? = ^ o ^ ^ - = - H o ^ | ^ - s i n
(2.31)
Аналогичное уравнение получается д ля описания электрического
поля в спокойной воде под течением. В нем нужно только принять
о0= 0. Следовательно, электрическое поле характеризуется двумя
уравнениями
V 2CDi = 8 sin $х„ 0 < z ^ . h u
(2.32)
У 2Ф 2 = 0, h i < z < h ,
где ради краткости записи использованы обозначения
й - - ц о ^ ^ р , Р ^ я / 2Ь.
При определении граничных условий предполагалось, что при­
водный слой атмосферы и дно не проводят электрического тока.
П оэтому на границах с ними
D , = seo£,
J Z = 0,
(2.33)
ИЛИ
(ЭФ,
dz
= 0,
(2.34)
z*~h
Н а границе подвижной и неподвижной воды нет р азр ы в а по­
тенциала и электрической индукции. Следовательно, при -z = h {
-о .-* *
ф -Ф п
28
дг
^
— дФ2
- д г ~ дг *
(2.35)
С ф орм ул и рованн ая в математической форме (2.32) — (2.35) ф и ­
зическая з а д а ч а легко реш ается. Х арактер изменения правой ч а ­
сти первого из уравнений (2.32) позволяет искать решение в виде
<Di = cpi (г) sin рх, 0 2 = cp2(z )s in |3x.
(2.36)
П одстановка этих функций в исходные уравнения (2.32) и г р а ­
ничные условия, а затем решение относительно ф) и ср2 позволяет
получить в ы раж ен и я потенциалов
sh (3 (h — hi)
sh p/i
а >1 =
Ф 2— —
Из вы раж ен и й
циал растет, а
вертикальных
тельный в к л ад
6 sh p/ii
ch p z — 1
6 sin px
(2.37)
(2.38)
ch p(/i —z ) s in px.
(2.37) и (2.38) следует, что до глубины hi потен­
д а л е е уменьшается. Это согласуется с характером
профилей потенциала естественных токов, зн ач и ­
в которые создаю т течения (рис. 2.4).
Рис. 2.4. Характерная разность по­
тенциалов между подповерхностным
и глубинным электродами [4]: 1 —
район Саргассова моря; 2 — перифе­
рия Гольфстрима; 3 — центральная
часть Атлантического океана
С оставляю щ ие электрической напряженности по осям z и х
равны производным от Ф] и Ф 2 по этим осям координат. В част­
ности,
Е i,=
г}ф,
дх
б COS рх
1
sh р (h — h\)
sh рh
(2.39)
П оскольку ширина крупных течений существенно
больше глубины
,ес'
океана, т. е. pft <С I , то
6 cos рх Л, _
h
|.ioP2v 0h i
cos
лх
2Ь
(2.40)
Из этой формулы видно, что со ставл яю щ ая горизонтальной н ап р я ­
женности электрического поля пропорциональна скорости течения.
Поэтому если измерять напряженность или разность потенциалов
электрического поля, то можно определить скорость течения.
29
П ри определении- индуцированного электрического л о л я с л е­
дует иметь в виду локали зац и ю наведенного зар я д а . Его объемная
плотность характери зуется формулой (1.16), которая при постоян­
ной диэлектрической проницаемости п редставляется в виде
Р, = es0 div £ .
Д ал ьн ей ш ее использование в ы р аж ен и я
приводит к вы ражению
—>
(2.29)
(2.41)
—^
при постонном F
■
—>
рч = - ееоЦо-Р rot V.
■
(2.42)
Это вы раж ен и е свидетельствует о том, что наведенный электриче­
ский з а р я д появляется только там, где происходит завихрение ско­
рости. В идеализированных течениях с постоянной скоростью
объем н ая плотность за р я д а концентрируется на границах течения,
где имеет место разры в скорости.
В рассмотренном течении при учете вертикальной слагаемой
главного магнитного поля и представлении скорости течения ф ор­
мулой (2.27) распределение объемной плотности наведенного з а ­
р яд а характери зуется вы раж ением
------пвеоцо ^
2b
-п / п х ,
*
^ 2Ь
(2 43)
Видно, что плотность электрических зар я дов увеличивается от
стреж ня к границе течения.
З н ан и е составляю щ их напряженности электрического поля поз­
воляет с помощью формулы ( 1.12) определить плотность тока по
соответствующим осям координат, а затем и напряж енность вто­
ричного магнитного поля по уравнению (1.13). Однако составляю ­
щие последнего находить таким способом не очень удобно. О б ы ч ­
но они определяю тся из основного уравнения (2. 1), которое в сл у­
ч ае постоянного во времени течения упрощ ается из-за постоянст­
ва Н во времени и принимает вид
W 2H + W o v o t ( V x F ) = Q \ 0 < z < A b
(2.44)
З а пределами течения второе сл агаем ое этого уравнения отсутст­
вует и оно превращ ается в л ап л аси ан
V 2t f = 0 , z > h \ .
(2.45)
Таким ж е это уравнение будет в нижнем слое атмосферы над т е ­
чением.
В качестве простейшего примера можно рассмотреть вторич­
ное магнитное поле, индуцируемое дрейфовым течением, которое
п редполагается неизменным в горизонтальной плоскости, чтобы не
формулировать граничных условий на его краях. П р и этих о г р а ­
ничениях вторичное магнитное поле описывается уравнением
(2.44). П ри его преобразовании в скалярн ую форму будет считать­
ся, что напряженность главного магнитного поля постоянна, а
30
верти кал ьн ая составл яю щ ая скорости течения много меньше го­
ризонтальной и может во внимание не приниматься. В результате
получаются вы раж ен и я
V 2/ / r + Y ! i o / ^ = 0.
F dv
Y72W ,
Л
(2-46)
У 2Я г - 0 .
П ервы е два из приведенных уравнений объединяю тся в одно для
комплексной напряженности Н к = H x -\-iHу и комплексной скоро­
сти c = u + iv. П ри этом из-за отсутствия изменений скорости в го­
ризонтальной плоскости не меняется и напряженность. Поэтому от
л а п л а с и а н а остается только вторая производная по вертикали:
d 2H
dc
- Ш Г +умР‘ Ж =0-
<2 4 7 >
На границах течения имеет место непрерывность нормальных
к границе значений индукции
!ц Я ,. = М.jHt j .
(2.48)
Здесь индексы «1» и «/» х арактери зую т значения магнитного поля
в воде на границах течения и на этих же границах за пределами
течения в атмосфере и в океан е соответственно.
Еще два граничных условия обычно устанавли ваю тся на осно­
ве затух ан и я генерированного магнитного поля с удалением от
течения, т. е.
0 при Zj
оо.
(2.49)
В данной записи ось z принимается положительной в атмосфере и
в океане, а ее н ачало находится на поверхности океана.
В наиболее простом случае протяженного и однородного вдоль
стреж ня течения, при котором магнитное поле вэтом направлении
не меняется, два остальных граничных условия могут быть п олу­
чены на основании уравнения дивергенции магнитной н ап р я ж е н ­
ности. П оскольку касательны е составляю щ ие напряженности по
разн ы е стороны границы равны, то равны их производные по го­
ризонтальной оси, а следовательно,
=
(2.50)
dz
дг
v
Могут быть использованы и другие граничные условия, например,
получаемые на основе уравнений ( 1 . 1 2 ) и ( 1 . 1 3 ) .
Д л я очень протяженного по ширине течения, позволяющего
пренебрегать краевыми условиями на его боковых границах, р е ­
шение уравнений (2.44) и (2.45) при перечисленных граничных
условиях трудностей не вызывает.
31
Скорость дрейфового течения в северном полушарии при по­
стоянном коэффициенте вертикальной турбулентности k z в ы р а ­
ж а е т с я в комплексной форме формулой
c = cQe
—azY'ii
(2.51)
где a2=f/2kz', f — 1парам етр Кориолиса.
П оскольку скорость течения убы вает плавно с глубиной, то нет
необходимости учитывать уравнение (2.45).
Реш ение уравнения (2.47) с учетом (2.51) удобно проводить,
полагая, что с увеличением глубины Н к и d H K/ d z постепенно
уменьшаются. Тогда
(2.52)
И з формулы ясно, что индуцированное магнитное поле с глубиной
экспоненциально, и ка к дрейфовое течение, затухает. Его состав­
ляю щ ие при этом испытывают вращение:
Н.х = ~ ^ ~ e~az[(uo + vo)cos a z + (v0— «0)s in az],
(2.53)
Hy = y
(2.54)
^
e- ai ( v o - U o ) c o s a z - (u0+ v 0) s i n az],
Составляю щ ие напряженности электрического поля находятся из
уравнения (1.17), в котором учитывается неизменность скорости
течения и напряженности магнитного поля по горизонтальным ко ­
ординатам:
(2.55)
П о дстановка в эти формулы вы раж ений градиентов н ап ряж енн о ­
сти магнитного поля и скорости течения приводит к Ел. = Е у = 0, а
E ^ i x o i v F x - u F y ) =\.iQe~as [Fx (v0cos a z - u 0 sin az) — F y («о cos a z + v о sin az)].
(2.56)
П ри этом плотность индуцированных токов находится из закона
О ма (2.1):
Jx = y\i0v F z,
(2.57)
Jy = — ynouFz, / г = 0.
Н а поверхности океана выполняется условие равенства к а с а ­
тельных составляю щ их напряженности магнитного поля океана Н кi
и атмосферы Я к2. Следовательно, последние в ы р а ж аю тс я ф орм у­
лой (2.52) при 2 = 0. Это означает, что вторичное магнитное поле,
32
индуцируемое течением, прослеж ивается в атмосфере. Ёго изме­
нение с высотой характери зуется уравнением . (2.52), в котором
следует использовать электропроводность воздуха Y2 и скорость
ветра Сч. Это позволяет по наблю дениям вторичного эл е к тр о м а г­
нитного поля в атмосфере, в принципе, получать представление о
существовании течений в океане.
П олученны е в ы раж ен и я характер и сти к электромагнитного по­
ля из-за принятых упрощений приближенные, но в целом д аю т
представление об их зависимости от скорости течения и глубины.
В естественных условиях течения имеют конечные разм еры , по­
этому необходимо зн ать характеристики магнитного поля на их
боковых границах. Трехмерные уравнения магнитного поля реш ать
значительно сложнее, чем одномерные. Поэтому пока усложнение
теоретических решений достигло уровня двухмерных задач, при
котором течение представляется в виде круглой в сечении струи
[8] или цилиндрического круговорота [7]. При этом уравнения
(2.44) и (2.45) переводятся в цилиндрическую систему координат
с граничным условием на поверхности цилиндрического течения
или вихря в виде равенства касательны х составляю щ их н ап р я ж е н ­
ности в течении и за его п ределами и условий типа (2.15) и (2.16).
Удобство такой системы координат зак л ю ч ается в простоте з а д а ­
ния граничных условий, особенно если они по всей периферии
цилиндра одинаковые. М етодология решения в принципе не отли­
чается от рассмотренных примеров. Анализ расчетов электрическо­
го поля индуцируемого симметричным вихрем синоптического м а с­
ш таба при Б г = 4 ,4 5 - 1 0 ~5 т и Вгор = 2 , 2 5 - 1 0-5 т показал, что около
его внешней границы у поверхности в ерти кал ьн ая со ставляю щ ая
напряж енности составила 70— 110 мкВ/м и горизонтальная 150—
170 мкВ/м [7]. Д а ж е если вихрь притопленный, то электрическое
поле, хотя и более слабое, т а к ж е у поверхности океана п р осл еж и ­
вается.
Х а р ак те р н а я симметрия напряженности Е с минимумом в цент­
ральной части вихря, изменением зн ака, увеличением Е у пери­
ферии вихря и последующим уменьшением позволяет, в принципе,
д иагностировать вихрь.
2.5. Теория теллурических токов в океане
П од теллурическими токами понимаются характеристики э л е к ­
трического поля в океане, возникаю щ ие под действием перемен­
ного магнитного поля Земли. В первы е они были обнаруж ен ы в
1935 г. А. Т. М ироновым в Баренц евом море. Он обратил внимание
на то, что реакц ия морских рыб на электрический ток иная, чем
пресноводных, и предположил, что в океане существует электри ­
ческое поле, к которому рыбы в какой-то степени приспособились.
Д л я проверки им были опущены в море электроды и заф и к с и р о ­
ван а меж ду ними разность электрических потенциалов. Она. со­
стави л а единицы или доли м илливольта при расстоянии меж ду
3
33
э лектродам и 200 м, меняясь, ка к в дальнейш ем было обнаружено,
с изменением магнитного поля Зем ли (рис. 2.5). Неосредненные
значения напряженности электрического поля в несколько раз мо­
гут превыш ать приведенные на этом рисунке.
!Ч Л (к Ъ
Рис. 2.5. Колебание теллурических токов в море [18]
П озднее особенности формирования электрического поля в
океане под действием переменного магнитного поля изучались как
в естественных, так и в л аб ораторн ы х условиях [18]. Р а зр а б о т а н а
теория этого явления [12]. В простейшем изложении суть ее сво­
дится к тому, что предполагается неподвижный океан, на кото­
рый действует переменное магнитное поле. Вторичное магнитное
поле в этом случае мож ет быть описано уравнением (2. 10) при
V = 0, т. е.
V W - k 2H = 0.
(2.58)
Аналогичное уравнение получается для определения Е при ус­
ловии, что напряжениность электрического поля колеблется, как
и магнитного, по закону
Е = Е 0е ш .
(2:59)
Это вы р аж ен и е следует подставить в уравнение (2.2) и считать,
что океан неподвижный. Тогда
V 2£ _ £ 2£ _ 0.
(2.60)
В принципе уравнения (2.58) и (2.60) описывают изменения
электромагнитного поля в пределах М ирового океана и л ап л аси ан
д о лж ен в ы р а ж а т ь с я в сферических координатах. Однако, если
в первую очередь интерес представляет изменение характеристик
34
напряжённости толькб по глубине (считая, что вариации главного
магнитного поля однородны на большой площ ад и), то э л ектр о­
магнитные волны можно полагать плоскими, не меняющимися в
горизонтальной плоскости. П оэтому в л а п л аси ан е остается только
вторая производная по вертикали. Это учитывается при рас см отре­
нии электромагнитного поля, возникаю щего под действием м а г ­
нитных вариаций. В результате уравнение (2.60) принимает про­
стой вид
(2.61)
Аналогичный вид имеют уравнения д ля других составляю щ их н а ­
пряженности.
Д л я простоты решения предполагается, что в океане глубиной
h волновое число k = k h
Если нет каких-либо других источников электрического поля в
грунте дна, то оно т а к ж е описывается уравнением (2.61) с k = k 2,
полагаемым в данном случае постоянным. Решение уравнения
(2.61) д ля к аж д ой из сред известно:
(2.62)
Е х2 = С5ек^ х- ^ , z ^ h .
(2.63)
Считается, что Е х2 зату х а ет с удалением от дна в глубь Земли.
Поэтому второе сл агаем ое в ы р аж ен и я (2.63) отсутствует.
Граничные условия д ля нахож дения постоянных С выраж ений
(2.62) и (2.63) находятся из следующих положений. Д л я поверх­
ности океана (z = 0) справедливо уравнение (1.14), из которого
следует
(2.64)
где Ну0 — Н у ( г = 0).
На дне океана (z — h ) д о л ж н а выполняться непрерывность т а н ­
генциальных составляю щ их электрического и магнитного полей
М„
=
(2.65)
Д л я океанской коры магнитная проницаемость ji2 мож ет отли­
чаться от 1, поэтому этот парам етр не опущен.
П осле определения постоянных вы раж ен и е (2.62) приобретает
вид
, _ го^хо н
xl
kx
y0
3*
(h - z ) ] + k l\i2 ch[fet j h - z ) ]
^ 2ch (^i/i)
sh (^i/г.)
35
Зн ан и е Е х1 (z ) позвйляёт на оснбвайий уравнения (1.14) опре­
делить измерение с глубиной горизонтальной составляю щ ей н ап ­
ряженности магнитного поля:
Н
1 d E xl ^ k 2ch\ k{ ( h - z ) ] + k ,|i2 sh[/;t (h - z )]
•yl
ico^o ^ z
y0
k2ch(kih) + ^ 1 |д,2 s h ( ^ i / i )
Г оризонтальная составл яю щ ая напряженности электрического
поля по координате в грунте дна п редставляется зависимостью
Е хг - 1щю\х2Н
у, X
-ch{kih)+k^.i2sh(klh)
1 / Г / РГ и (/ г ~ 2)| ]^ м •
^
у
k2
(2
v -68)’
Аналогичным образом получаются в ы раж ен и я д ля другой го­
ризонтальной составляю щ ей напряженности электрического и м аг­
нитного полей ка к в океане, так и в грунте дна.
Из формул (2.66) и (2.67) видно, что горизонтальная состав­
л я ю щ а я электрического и магнитного полей зависит от ам пли ту­
ды вариаций напряженности магнитного поля Н 0, которое их в ы ­
зывает. На их величину влияет не только волновое число морской
воды, но и м а г н и т н а я . проницаемость и волновое число грунта
океанического дна.
Убывание горизонтальных составляю щ их напряженности обоих
полей с глубиной происходит примерно по экспоненциальному з а ­
кону, зави ся от частоты вариаций магнитного поля. Чем она б оль­
ше, т. е. короче длина электромагнитной волны, тем ослабление
Е и Н происходит быстрее. Л егче проследить эту зависимость, ес­
ли глубина океана больш ая. При этом гиперболические функции
можно представить экспонентами, пренебрегая малыми сл агаем ы ­
ми. Кроме того, при проведении непосредственных вычислений со­
ставляю щ их электрического и магнитного полей следует иметь в
виду, что частота изменчивости геомагнитного поля Земли, вызы­
в аю щ ая теллурические токи, небольшая. П оследнее приводит к то­
му, что в волновых числах k'i и k 2 слагаемое, сод ерж ащ ее элек­
тропроводность воды или грунта, намного больше другого с л а ­
гаемого. Поэтому можно принять
* « У ^о = (1 + 0 ]/"
(2-69)
В результате д ля глубокого океана
E xl =
Н у0 е~ A*[(cos /ez-f-sin kz ) + i (cos k z — sin fez)],
(2.70)
2k
= M y0 e ~ kz (cos k z — i sin k z ) ,
(2.71)
гд е /г = Уу 1|л0(й/2 .
И з этих вы раж ений видно, что при общем экспоненциальном
ослаблении составляющих напряженности электромагнитного поля
с глубиной происходит ещ е их вращение. О хар а к т ер е уменьшения
36
модулей горизонтальных составляю щ их напряженности Е и Я
можно судить т а к ж е по их величинам, приведенным в табл. 2. 1.
Таблица 2.1
Изменение Е и Н с глубиной [12]
П араметры
lii моря 200 м
/г2 грунта 2000 м
Yi 5 См/м
Y2 0,5 См/м
Аз = 100 км, уз = 0
мВ/км
Период
колебаний,
с
(10-5 Э)
2= 0
2
20
60
200
1200
1
2
5
10
20
0,80
0,84
2,0
4,0
6,6
Но
|/-/у| (10-5 Э)
Z = /l,
2= 0
1
0,60
0,80
2,0
4,0
6,6
2
5
10
20
2 = /l]
0,28
1,0
2,5
5,0
14,4
Б олее наглядное представление об ослаблении электрической и
магнитной напряженностей с глубиной в зависимости от длины
волны, т. е. от частоты колебаний магнитного поля, можно соста­
вить по рис. 2.6. Видно, что длинноволновое электромагнитное по­
ле практически не зату хает при увеличении глубины.
1
1
1.
ю*~
i
IgfrU нз-нвм
нс
i
1
/у / У
/ Г1 /
// 1
иf
ht
}00
L
hi
Рнс. 2.6. Зависимость электрической и магнитной напряженностей теллурического
поля от глубины и длины волны X для 3-слойного разреза: /t2/Ai = 10;
ЛзУЛ! = 500; Y-/V2=10; у ’Л’э —
Г — сумм арная продольная проводимость р а з­
реза. Шифр кривых — относительная глубина z/hi [12]
Зависимость составляю щ их напряженности электромагнитного
поля от глубины и проводимости дна приводит к так назы ваемом у
«береговому эффекту». Он заклю чается в том, что в прибрежной
зоне при уменьшении толщины слоя морской воды, хорошо прово­
дящ ей электрический ток, уменьш ается экранирую щ ее свойство
океан а и вариации магнитного поля оказы ваю тся довольно силь37
ными в грунте дна, электропроводность которого обычно слабее,
чем у воды. П ороды берега т а к ж е отличаются по электропровод­
ности от морской воды. В р езультате в прибрежной полосе сущест­
венно н аруш ается горизонтальная однородность среды по элек­
тропроводности. Это приводит к изменению вектора магнитной ин­
дукции: появляется в ерти кал ьн ая составл яю щ ая вторичного м а г ­
нитного поля, зату х а ю щ ая с удалением от берега.
Н а теллурические токи и магнитное поле оказы вает влияние
рельеф дна. П р и ро д а этого возмущения т а к а я же, к а к при внесе­
нии в однородное электромагнитное поле изолятора. П р и этом
над хребтом в озрастает величина гооризонтальных составляю щих
напряженности электрического и магнитного полей. Аномалия пер­
вого из них довольно с л аб ая и относительная величина ее по р а с ­
четам составляет у дна 4— 8 %, уменьш аясь к поверхности океана.
А номалия горизонтальной составляю щей магнитного поля сущ ест­
венно больше — до 40% . С удалением от дна она т а к ж е умень­
шается [12].
3.
С П Е Ц И Ф И Ч Е С К И Е ЭЛ ЕК ТРО М А ГН И Т Н Ы Е ПОЛЯ,
В О З Б У Ж Д А Е М Ы Е ГИДРО- И АЭРОФИЗИЧЕСКИМИ
ПРОЦЕССАМИ В ЗОНЕ РАЗДЕЛА ОКЕАН — АТМОСФЕРА
3.1. Общие положения
Кроме рассмотренных выше естественных электромагнитных
полей (Е Э М П ), формирую щихся в морской воде вследствие м а г ­
нитогидродинамического эффекта, при некоторых гидро- и аг р о ­
физических процессах, х арактерн ы х д ля зоны р азд ел а море — а т ­
мосфера, возбуж даю тся весьма специфические поля, в механизме
формирования которых роль постоянного магнитного поля Земли
(М П З ) оказы вается малосущественной. П р ео бл ад аю щ ую ж е роль
здесь начинаю т играть процессы квазипериодического, либо и м ­
пульсного р азделения электрических зарядов с их последующей
релаксацией, либо иным восстановлением электронейтральности.
П р и этом интенсивность возбуж даемого электромагнитного поля
обусловливается интенсивностью исходного гидро- либо агроф и зи ­
ческого процесса и скоростью его протекания. П одобны е специфи­
ческие электромагнитные поля характерн ы для приводного слоя
атмосферы над морем и д ля морского ледяного покрова.
П риводны й слой атмосферы над морем, особенно в условиях
волнения, является сильно ионизированной средой. И онизация со­
зд ается за счет поверхностных эффектов, в частности, из-за р а з ­
рушения пузырьков на поверхности (кумулятивный выброс аэр о ­
золей) , срыва аэрозолей ветром с верхушек волн в штормовых ус­
ловиях и т. д. В ы брасы ваем ы е в атмосферу аэрозоли претерпе­
ваю т дополнительное разруш ение в результате взаимостолкнове38
ниы и оказы ваю тся зар я ж ен н ы м и разноименными электрическими
зар я дам и . Такой механизм з ар я ж ен и я аэрозольных частиц изве­
стен под названием ба'ллоэлектрического эффекта. Электрические
заряды в приводном слое оказы ваю тся сосредоточенными на с р а в ­
нительно крупных капл ях воды. Д ви ж ен и е среды с таким видом
ионизации в магнитном поле Зем ли не мож ет приводить к сущ ест­
венным магнитогидродинамическим эф ф ектам из-за бльших масс
заряж ен н ы х капелек. Однако в этой ситуации сильно возрастает
роль так назы ваемы х «инерционных» электрофизических эффектов,
обусловленных различием масс разноименно зар яж ен н ы х капель.
В отличие от М Г Д эф ф екта здесь разделени е зар я дов происходит
в направлении вектора движ ения V, а не в направлении вектор—У
^
ного произведения [ К х 5 ] . Аналогично формирую тся системы э л е к ­
трических токов.
П ри рассмотрении токов и индуцированного ими магнитного
поля в столь специфической среде как приводный слой атмосферы
традиционное вы раж ен и е д ля обобщенного закона Ампера вида
(1.13), кроме тока проводимости и тока смещения, долж но допол—>
нительно содерж ать ток переноса зарядов / пер:
г) Г)
rot H = J пр + / пер -j-
•
(3.1)
П р и этом ввиду чрезвычайно малой проводимости воздуха ток
проводимости / „ р существенно меньше / ПС1,, т. е. в формировании
магнитного поля преобладаю щ ую роль начинает играть непосред­
ственное («механическое») движ ение зар яж ен н ы х частиц.
Обобщенное вы раж ен и е д ля закона Кулона вида (1.16) прим е­
нительно к приводному слою атмосферы долж но использоваться
в своем полном виде, т. е. ка к уравнение П уассон а (pv ф 0). И с­
пользовавш ийся выше для морской воды частный случай этого
зак о н а (div ZD= 0) в данны х условиях при наличии свободных з а ­
рядов оказы вается некорректным.
С ледует т а к ж е отметить возможность существования в привод­
ном слое воздуха некоторых весьма специфических токов, в ч аст ­
ности, так н азы ваем ы х токов Педерсена и Холла. Эти токи обычно
р ассм атриваю тся в процессах, х арактерн ы х д ля верхних слоев
атмосферы (ионосфера), и обусловливаю т ряд особенностей этих
процессов, в частности, отклонения д виж ения заряж ен н ы х частиц
от направления Е и спиральный хар актер этого движ ения при од ­
новременном действии полей Е и В в условиях наличия столкно­
вений с нейтральными частицами. Однако д ля нижних слоев а т ­
мосферы роль этих токов в электрофизических процессах п р акти ­
чески не изучалась,
39
В качестве дополнительного источника, способного индуциро­
вать электромагнитные поля в морской воде, целесообразно рас­
сматривать также в целом нижний слой атмосферы над морем.
Электрофизическая структура этого слоя, и особенно — облачно­
сти, также преимущественно обусловлена наличием аэроионов,
т. е. заряженных аэрозолей. Турбулентные движения в такой струк­
туре, в частности, во внутримассовых конвективных облаках и в
зонах фронтальных разделов циклонов, так ж е как и в приводном
слое, обусловливают «инерционное» разделение зарядов с соответ­
ствующими вариациями электрического и магнитного полей.
Ввиду того что отмеченные электрофизические процессы пре­
имущественно сосредоточены в крайне низкочастотной области
(доли герца и единицы герц), их проникновение в морскую воду
происходит с рядом особенностей. Д ля таких частот глубина так
называемого скинслоя составляет сотни метров, т. е. собственно
затухание в морской воде весьма слабое. Однако при этом наб—>
людается резкое уменьшение напряженности Е при прохождении
через границу раздела воздух (индекс 2) — вода (индекс 1). Д ей ­
ствительно, в граничном условии (1.24) показано, что E zX— —^ - E Z2~г,
Поскольку —
10 10,
то «прошедшая»
через границу раздела
si
часть вертикальной составляющей электрического поля оказывает­
ся исчезающе малой, не способной быть зарегистрированной совре­
менными измерительными средствами.
Все сказанное, естественно, применимо лишь для идеально вер­
тикальной ориентации электрического поля и идеально горизон­
тального положения поверхности раздела, что в реальных усло­
виях практически отсутствует. Тем не менее, рассмотренная осо­
бенность является чрезвычайно важной, поскольку она наглядно
демонстрирует, каким образом при прохождении границы раздела
происходит как бы «переориентация» вектора Е с преимуществен­
но вертикального в атмосфере к преимущественно горизонтальному
в воде. При этом результирующее ослабление, естественно, оказы­
вается значительно меньшим.
Таким образом, в морской воде могут формироваться дополни­
тельные электромагнитные поля, источники которых находятся в
атмосфере над морем.
3.2. Специфическке электромагнитные поля, возбуж даем ы е в
приводном слое атмосферы в условиях морского волнения
Для атмосферы характерно наличие статического электрическо­
го поля с вертикальной ориентацией вектора Е и средним значе­
нием порядка 130 В/м. Экспериментально установлено, например
40
[14, i9], что в приводном слое атмосферы над морем наблю даю тся
значительные вариации этого поля и, соответственно, — вариации
потенциала на некотором уровне г и над поверхностью. Причем,
уровень г н мож ет быть фиксированным относительно средней (не­
возмущенной) поверхности моря либо «отслеживающим». В а р и а ­
ции наблю даю тся в обоих случаях.
Простейшим физическим механизмом возбуждения вариаций
потенциала на фиксированном уровне z„ по-видимому, может счи­
таться механизм, предложенный в работе [3]. В его основу поло­
жено наличие ненулевой поверхностной плотности зарядов на по­
верхности моря, а именно as порядка 10~9 Кл/м2. Приводный слой
атмосферы рассматривается здесь как среда, в которой отсутст­
вуют как свободные заряды, так и объемный заряд. Д ля таких у с­
ловий распределение потенциала Ф в приводном слое подчиняется
уравнению Лапласа
У 2Ф = 0.
(3.2)
Реш ение этого уравнения д ля случая колебания заряж енной
поверхности, например, д ля двухмерных морских волн вида
g = ! 0exp[i(Ax—со/)]
(3.3)
получается в виде
Ф (z) = -
(3.4)
ео
П р и этом вариации вертикальной составляю щей электрического
поля будут описываться выражением
E z = E z0[l + l ^ k e 1
(3.5)
Здесь | — ордината колеблющейся поверхности моря в стационар­
ной системе координат; | 0— амплитуда колебаний поверхности; k —
2it
волновое число; ш = — — к р у г о в ая частота; os — поверхностная
плотность зарядов; E z0 — напряженность статического электриче­
ского поля в приводном слое атмосферы.
Оценки амплитуд вариаций
8ФИ =
e ~ kz,
ЪЕг = Е л Ък е-* *,
(3.6)
(3.7)
вблизи поверхности составлют: 6ФШ— порядка 10 В; 5Е г — поряд­
ка 10 В/м.Это существенно меньше, чем экспериментально наблю­
дающиеся значения.
Для «отслеживающего» уровня наблюдений z a = z + £ , выраже­
ние для вариаций потенциала получается в виде
Фи (z) = — ^£.[2 + £0е'(^ + » О (1_ е -к(г+6))]
Ео
и оценки амплитуды здесь оказы ваю тся меньшими.
(3.8)
41
Основным недостатком этого простейшего механизм а в о збуж де­
ния, который уместно называть параметрическим, является пре­
небрежение реальной электрофизической структурой приводного
слоя. Как уж е отмечалось выше (раздел 3.1), этот слой в условиях
волнения содержит разноименно заряженные частицы (аэроионы)
и не может рассматриваться как электрически нейтральная среда.
Механизм возбуждения вариаций Ф и Е, основанный на специ­
фике динамических процессов в приводном слое, содержащ ем р аз­
ноименные заряды, рассмотрен в работе [15]. В ней приводный слой
представлен состоящим из трех самостоятельных систем (рис. 3.1):
электрически нейтральной воздушной системы 1 и как бы «вмо­
роженных» в нее сопутствующих систем: системы положительных
аэроионов 2 и системы отрицательных аэроионов 3. Заряды в си­
стеме 2 сосредоточены в частицах массой М\ и радиусом
а в
системе 3 — в частицах массой Мч и радиусом R% При этом из-за
особенностей баллоэлектрического эффекта разделения зарядов
(раздел 3.1) М {> М 2 и R\>R% при одинаковой внутренней плотно­
сти материала аэроионов, равной плотности воды рш. Объемная
плотность аэроионов в системах составляет соответственно ri\ и п%
а их заряды — q\ и дъ
Рис. 3.1. Схема приводного слоя с «вмороженнымг
рядами
электрическими з а ­
При отсутствии колебаний поверхности м.^ря 4 все системы счи­
таются находящимися в статистически равновесном состоянии. При
этом П\ и п% достаточно малы, чтобы в условиях динамики отсут­
ствовали столкновения меж ду аэроионами и связанная с этим ре­
комбинация зарядов.
Такое представление позволяет рассматривать индуцированные
движения в слое под воздействием колебаний поверхности 4 от42
Дельно д ля к а ж д о й системы. Д и н а м и к а системы 1 широко изучает­
ся в зад ач ах взаимодействия океана и атмосферы. Д ви ж е н и я ж е
систем 2 и 3 оказы ваю тся довольно специфическими.
Очевидно, что движ ение частиц в системах 2 и 3 формируется
только в результате взаимодействия с системой 1, но не непосред­
ственно с поверхностью 4. В таком случае силой, обеспечивающей
д ви ж ени е, яв л яется сила Стокса, а уравнения дви ж ени я систем
можно представить в следующем упрощенном виде (ветровой пе­
ренос частиц считается сохраняющим исходное статистически р а в ­
новесное состо ян и е):
M i d%
dt2
c_ d
(&
йгл
(ЗЛ0>
=
где т] — д инам ическая вязкость воздуха; Z\ и z2 — перемещения си­
стем 2 и 3 по вертикали.
Д л я случая чисто потенциальных двухмерных волн | = | 0cos(ot.
Не учиты вая затухание вертикальных скоростей в пределах
рассматриваемого слоя, получим решение уравнений (3.9— 3.10)
в виде
2 sin
2i (0 =1° ( 1
M
гд
t
)
9*<]
=
i
о
(
\
2 I + A 2U)2
’
s i n M
1 2 , cos соЛ ;
+
/ +
r
h
1: + Л
2- wr
' 2 0 5
a
t ]
/'
(3.11)
( З Л 2 )
9 7)
В результате различий R\ и R 2 возникаю т взаимные смещения
систем 2 и 3. Т екущ ая величина смещения составит
z 2( t ) - Z i ( t ) = (z 2- z 1) m c o s (ш /-Ьф),
где (z2- 2i)
| о (^2 —^41) со
V (1 + A W ) (1 +
ср= arc tg
(3.13)
aW)
1 —А ]А2(л2
to (A i + ^ 2)
Д л я определения вариаций электрического
уравнением П уассона
V £ = -^,
e0s
поля
воспользуемся
(3.14)
где Е — напряженность электрического поля; V — оператор Г а ­
мильтона; е0 — электрическая постоянная; е — диэлектрическая
проницаемость; р.„ — об ъем н ая плотность зарядов.
43
Будем считать, что выше некоторого уровня г 0 относительно
поверхности воды ( z > z 0 при (г0—£) = const) вертикальный про­
филь объемной плотности зарядов в приводном слое оп ределят­
ся выражением
’о) —<72^ 02^
Pv(z ) ==PVl~ P Vi = cJ\n oie
,
(3.15)
где
— з а р я д отдельного аэроиона в системе 2; п01 — объемная
плотность частиц в системе 2 на уровне z 0-, q2 и п 02 — аналогичные
характеристики д ля системы 5; ai и а 2 — постоянные коэф ф и ­
циенты.
Н е учитывая индукционные зваимодействия по горизонтали,
получим решение уравнения (3.14) в статическрм реж им е д ля не­
которого уровня г„, на котором производятся измерения
р"
ри
£ 1И= £-гП------ (3.16)
aiSoe
a 280s
где р" ■
— объем н ая плотность зарядов в системе 2 на уровне z„
р" ■
— аналогично в системе 3; Ег0—'н ап р яж ен н о с ть вертикального
электрического поля в свободной атмосфере (2 ^ > г0).
В динамическом режиме, т. е. при перемещениях систем 2 и 3,
объемные плотности на уровне z„ будут варьироваться в зав и си ­
мости от перемещений gi(£) и (t)
P«
vi ( t) = qi «01 e
(P»
Vi)0e-°A {‘\
(3.17)
P ljt ) =g2n02e-atIi»+et(l)- ^ = (P l ) 0e - ^ u>,
(3.18)
[ги
<«-*•) =
где
S i(0 = z i ( 0 - 6 (0 < ( 2 H- z o ) ;
l 2 ( t ) = z 2 { t ) ~ U t ) < { z H- z 0).
В результате формируются вариации Е ги, причем это происхо­
дит д а ж е в случае исходной электрической нейтральности сово­
купности систем, т. е. при (pjjjo и (Р"0) = Рг.„ и ai = a 2= a. Д ей стви ­
тельно, тогда
Е „ = Е го------ [е~а Ш - e ~ ah{t)\.
C18qS
(3.19)
Отмеченная особенность является чрезвычайно важной. Д е л о в
том, что при рассмотрении вопросов возбуж дения электрических
вариаций, например, при процессах в об лаках принято связы вать
Е с флуктуациям и ненулевого объемного зар я д а , т. е. очень малой
части совокупности имеющихся в объекте зарядов ( < 10% при т и ­
п и ч н о ! п+/л_» 1,1). П ри исходной ж е электрической н ейтрально­
сти о бъекта (п+/ п - = 1,0) уравнение П у ассон а обычно не р а с с м а т ­
ривается, поскольку в таком случае оно ф ормально превращ ается
в уравнение Л а п л а с а (\72Ф = 0), а в связи с этим при внутренней
44
динам ике ф ормально не Mofyf возникать й вариации Ё. П ри
п +/ п _ ф 1 флуктуации объемного за р я д а бр.-,, очевидно, меньше ис­
ходного значения р..,. Ввиду пропорциональности б-Е —бр^ ам пли ту­
д а вариаций 8 Е т не мож ет превыш ать величину статической н а­
пряженности Е СТ. В таком рассмотрении очень малой величиной
является
электрическая
мощность вариаций N B,
поскольку
В рассмотренном выше механизме сущность принципиально
иная. Д и н а м и к а объекта приводит к флуктуирую щим нарушениям
электронейтральности и в формировании вариаций Е участвуют
все заряды , а не только их нескомпеисированная часть. И з-за это­
го перестает работать условие 8Ет < ^ Е ет и, ка к следует из в ы р а ­
жения (3.19), ам плитуда вариаций Е 2И мож ет существенно превы­
шать £ го. Соответственно резко в озрастаю т возможны е значения
мощности.
Д л я условий gi ( / ) <с (2Н— 20) и | 2 ( / ) < С ( z „ — 2 0 ) М О Ж Н О
зоваться линейным приближением вы раж ен и я (3.20)
— Ezo +
ВОСПОЛЬ-
РуО £ о ( ^ 1 ~ ^ 2 ) с Р
т. е. в этом случае формируются в ари ац ии E za на той ж е частоте,
что и колебания поверхности раздела. П р и малом расстоянии
(z„ — z 0), когда с ним сравнимы %\(t) и | 2(/)> возникаю т дополни­
тельные вариации E zn на гармониках, в частности, на частоте 2ш
при учете квадратичны х членов в разлож ени и экспонент.
Оценки изменчивости амплитуды на основной гармонике
выполненные по вы раж ению (3.20) д ля различного состава з а р я ­
женных частиц, показы ваю т (рис. 3.2), что на хар актер зав и си ­
мости ам плитуд вариаций от периода волн существенно влияет
разм ер частиц. В частности, д л я сравнительно крупных ч а ­
стиц ( > 1 0 мкм) характерн о усиление вариаций при возрастании
периода еолн. Т а к ж е следует отметить существование условий
кв ази резон ан са в колебательны х д виж ениях систем зарядов. П ри
этом отсутствие экстремумов на кривых 1 я 4, естественно, говорит
не о каких-либо исключениях, а лиш ь о том, что здесь они сме­
щены в область значений t B, не использовавшихся в расчетах.
Преимущ ественное формирование в ариаций Е г с теми ж е ч а ­
стотами, что и колебания поверхности, н аблю дается т а к ж е и в
р езу л ьтатах натурных экспериментов (рис. 3.3).
О С- 7Т
О а
ДО
Н
о
2
я к
^
>< 8
Он С
о;
к1 2о
S Я
<■> я
2
я ^£
Он
3о ^и
S
лЧ
(ft
Й
»я
о
S
о<
5
Е-« Л
WS
сСУЛ
<Я
О
и
о?.
со
.
О О
к
о Ч
К о
Д. «
<
>»
я
I
t-.
и =•
га со
о ^1
I
XО
2н<©
•м
Й
л
Я СЗ . е45 XT
04
£ 3 I
5 5ю
8S
* ^ LO
П “R•J,I
сз ^
со
а*-,
sо соI
S^9
gк I
4
a nw
5 Ck
s
д.
46
ДополнйтеЛьнб следует краткб остановиться на использован­
ных здесь упрощениях и их влиянии на основополагающие выводы.
П р е ж д е всего, в уравнениях 3.9— 3.10 не учитывалось затухание
вертикальных скоростей. К ак известно, например [5],, вертикальные
скорости в приводном слое (система 1 в данном рассмотрении) и
колебания поверхности связы ваю тся следующим соотношением:
( z) — 0,7ojU)0exp( —8z/A,B),
(3.22)
где ow (z) — среднее квадратическое значение вертикальной ско­
рости над волной; а с — среднее квадратическое значение высоты
т
волн; со0 = 2к
™----- круговая частота волн; Ув—
период;
*
А1в — длина;
В
г — высота над поверхностью моря.
Таким образом, в уравнениях (3.9— 3.10) скорость - ^ - ц е л е с о о б ­
разно сопроводить сомножителем ехр( —8z/X„). Это у слож н яет ре­
шение, но принципиальных изменений не вносит, поскольку в конеч­
ном итоге интерес п редставляю т перемещения систем 2 и 3 на неко­
тором фиксированном уровне z„ (( г и —£ ) = co n st), а в таком случае
с учетом условий в в ы р аж ен и ях (3.18) этот сомножитель мож ет быть
внесен в величины А\ и Лг. П оскольку ж е типичное z a лв, то это
уточнение ск аж е тся лиш ь в области м алы х Т в и приведет к неко­
торому сглаж иван и ю кривых &Е( ТВ) в этой области.
И спользованное условие лам инарного ветрового переноса ч а ­
стиц в реальны х условиях, к а к известно, наруш ается при р а з л и ­
чиях скорости ветра и фазовой скорости волн. Учет этого ф ак тор а
обусловливает формирование самостоятельной системы простран­
ственно разделенны х источников электромагнитного поля на соб­
ственных х арактерн ы х частотах (см. н иж е). П оскольку частоты
существенно различны, то это не сказы вается на сделанных здесь
выводах.
Р ассмотрение потенциальных волн ( | = | 0c o s со/), а не распро ­
страняю щ ихся (g = gqCOs(£jc —со/ ) ) , очевидно, д л я про ан ал и зир о­
ванных вариаций Е г т а к ж е не имеет принципиального значения,
поскольку эти в ари ац ии связаны лишь с различиям и вер ти кал ь ­
ных скоростей. То есть д л я случая | = | 0c o s ( / j x — соt) вариации В г
становятся распространяю щ имися, но с таким ж е значением в о л ­
нового числа k, т. е. «привязаны» к волнам. П ринципиально иной
результат получается при учете собственных электрофизических
взаимодействий в системах 2 и 3 в направлении х. В этом случае
могут формироваться самостоятельны е электростатические во л ­
ны, распространяю щ иеся в приводном слое без «привязки» к по­
верхностным волнам [14]. Такие электростатические волны в н а ­
стоящее время зарегистрированы в экспериментах.
47
3.3. Э лектромагнитны й «голос моря»
Весьма специфической особенностью электрофизических про­
цессов в приводном слое атмосферы над морем в условиях волне­
ния является то, что рассмотренное выше периодическое форм иро­
вание нескомпенсированного объемного за р я д а не происходит
«гладко», а преимущественно при наличии турбулентных вихрей
в загребневой зоне волн при их обтекании ветром. К ак выявлено
Б. В. Шулейкиным, за счет этих вихрей возбуж дается так н азы ­
ваемый «голос моря» — акустическое излучение взволнованной по­
верхности в области инфразвуковых частот.
Р асс м атр и в ая эту особенность обтекания в электрофизическом
аспекте, следует полагать, что на периодически формирующийся
нескомпенсированный объемный зар я д р” (/) на уровне 2И при
(zH —g ) = c o n s t дополнительно н акл ад ы ваю тся турбулентные пуль­
сации с некоторой средней частотой й при й > ш , где со — средняя
круговая частота вариаций р,” (0 В таком случае вы раж ен и е д л я объемного з а р я д а на уровне z H
мож ет быть представлено в виде
(3.23)
PSp= ( l + Pе<е,)Р£(*).
где р — коэффициент, учитывающий вовлечение объемного з а р я д а
в турбулентные пульсации с частотой й .
Такое представление учитывает все возможны е ситуации. Здесь
при р < 1 в турбулентные пульсации вовлекается только часть з а ­
р яд а и р”р не меняет зн ака по сравнению с р"(£); при р = 1 в овле­
кается весь заряд, но р”р по-прежнему не меняет зн ака; при Р > 1
происходит дополнительное разделение зарядов систем за счет
участия «сверхлегких» аэроионов и р”р в части периода меняет
знак.
Воспользуемся полученным ранее решением уравнения П у а с ­
сона в. форме (3.16). С учетом флуктуирующего разделения з а р я ­
дов в соответствии с вы р аж ен и ям и (3.18) получим
N■2 £-<*2^2(0
а2
(3.24)
гДе ( Р ^ ) о = (Р,-2)о = Р^;
yV] = e ~ a,(^
0);
А2=
е -
“ 2 (г ц
- г 0 ! ■
Д л я условий gi (/) <с (ги — г 0) и £2( 0 <С (z„ - z 0) запишем в ы р а­
жение (3.24) в линейном приближении
С учетом наличия пульсаций в виде (3.23) и взаимосвязи
K = P v 0N i — pt.0w 2 = p50
получим напряженность поля д ля турбулентного реж им а
рт _ р
■WH —
0"
рт
г»о
з0 е
P p ;o(W ia 2 - W 2a i )
N,
La i
a.
8г рт
1го
[N 2h ( t ) - N ll l ( t ) ]ei
s0 s
1Ш _
e0s a ta 2
Р азность [yV2^ ( 0 —
+ N £ 2 ( t ) - N ll l (t)
(/)] найдем из вы раж ен и я (3.19):
Л ^сИ гй
Л?
1 - -Лги)
2 2
+
^ iM
2
1ш2
1 + Л 2 ш2
1 + Л 2 (и2
(3.26)
ko
„ „
sin со/ +
1+Л?о,2
(3.27)
cos соt = Gmcos(co/ + @),
где Gm— амплитудное значение; 0 - - фазовый сдвиг.
Тогда окончательно получим
P l A N i a 2 - N 2a l)
E-zO
so8a i a 2
PpSe ( ^ i 02- ^ 2ai)
Pvo m
/ / , r^\
-cos(co£ + 0 )
e„3
PpJ0G„
-cos(coH-0 )
eosaia2
jet
(3.28)
П ервы й член в вы раж ении (3.28) обусловливает существование
постоянной составляю щей вертикального электрического поля; вто2 тс
„
рои — наличие вариации с частотой со=
где Т в— период мор'В
ских волн; третий — наличие амплитудно-модулированных вариа„
2л
ц
2тг
ции на несущей частоте Q = - 7 — с частотой модуляции со= т .
П
D
Такой спектральный состав вы является и в результатах н атур ­
ных экспериментов. П р и этом особый интерес вызы ваю т вариации
на частоте £2. Ввиду того, что Q > c o , а плотность тока переноса
—
^
^
^
(оцениваемая ка к /пер*5^ ' 0 * Р" ( 0 > где v # — скорость перемещения
зарядов) сказы вается на несколько порядков превышающей а н а ­
логичную плотность тока в вари ац иях на частоте со, магнитный
компонент поля на частоте Q мож ет достигать значений порядка
Ю-1— 10° нТ. Это позволяет использовать в натурных эксперимен­
тах сравнительно простые и весьма надеж ны е индукционные м а г ­
нитоизмерительные устройства. О характерн ы х р езультатах таких
экспериментов по выявлению магнитного компонента вариаций на
частоте й сообщается, в частности, в работе [14].
Естественно, что в реальных условиях регистрируются электро ­
магнитные вариации не на конкретной частоте Q, а в некоторой
полосе частот. П о имеющимся данным экспериментов эту полосу
49
можно у к а за ть ка к 4— 12 Гц с энергетической модой в области
6— 8 Гц. Т а к а я ж е полоса хар а ктер н а и д ля инфразвукового «го­
лоса моря». Однако в отличие от инфразвукового электром агнит­
ный «голос моря» является амплитудно-модулированным. Причем
Со'
г
Рис. 3.4. Пример спектрального ан а ­
лиза синхронных записей волнения
(^влн)
и сигнала амплитудной мо­
дуляции электромагнитного «голоса
моря» (С?к„„)
спектральный ан али з выделяемого магнитометром сигнала ам пл и ­
тудной модуляции позволяет установить (рис. 3.4), что его спектр
в области энергонесущих частот хорошо соответствует спектру вет­
рового волнения, наблю даю щ егося в пункте измерений,
50
3.4. Электромагнитны е поля рад иодиапазона, в озбуж даем ы е в
морском ледяном покрове
Э ф фект возбуж дения естественных электромагнитных полей
(ЕЭ М П ) рад и о ди ап азон а при деформационны х процессах в. мор­
ском ледяном покрове выявлен экспериментально: вначале — в л а ­
бораторных условиях, затем — при натурных экспериментах. С ф ор ­
мировавш иеся к настоящ ему времени теоретические п редставле­
ния о механизме в озбуж дени я таких ЕЭ М П преимущественно ос­
новываются на закономерностях электрофизических процессов в
микротрещинах, образую щ ихся во льду под действием м еханиче­
ских напряжений. П р и этом имеет место эф ф ект разд елени я э л е к ­
трических зар ядо в по бортам микротрещин (М Т), иногда н а зы в а е ­
мый в лит ературе трибоэлектрическим эффектом. Это разделение
обусловлено тем, что р азры в водородных связей в кри сталл ах
л ьд а при образовании МТ происходит в целом в неравновесных
условиях. И з-за этого на к а ж д о й из поверхностей (бортов) МТ
формируется некоторая «зар я д о в ая мозаика» — л о к а л ь н а я . избы ­
точность зарядов одного знака. П оверхностная плотность избы точ­
ных зарядов в «мозаике» мож ет быть оценена по вы ражению
q s ~ e nsо ех р
,(3.29)
Ка I ft
где е = 1,6 - 10-19 К л — элементарны й заряд; n s0— плотность по­
верхностного одноатомного слоя; и0 — энергия связи нейтральных
атомов (теплота суб лим ац ии ); и с — энергия связи ионов; k a — по­
стоянная Б о л ьцм ана; T k — абсолю тная температура.
П р и n j0 = 13,3-1018 м~2, характерном д ля кристаллической струк­
туры натурных льдов, оценки ^ с о с т а в л я ю т 10-8— 10~6 К л /м 2.
С амо по себе разделение электрических зарядов еще не о зн а­
чает возбуж дение ЕЭМ П , а всего лишь приводит к формированию
локальн ы х (внутри МТ) электростатических полей, но поскольку
МТ не остается стационарной, во всяком случае в пределах про­
м еж утка времени п орядка 2-=-10 мс по данны м акустической эмис­
сии, то к а ж д а я МТ с л окальн ы м полем мож ет рассм атриваться ка к
электрический диполь с переменным дипольным моментом. Это
обусловливает парам етрическое возбуж дение переменного ЕЭМ П .
П редельно уп рощ ая этот процесс, можно представить ц ен трал ь ­
ный участок МТ к а к п лоскоп араллельн ы й конденсатор с зар я д а м и
+ Q и —Q на о б к л ад к ах (бортах М Т). П о л н а я энергия такого ко н ­
д енсатора составит
Г = V2s S n r
2С
2во8г
где С — емкость конденсатора; qs — поверхностная плотность з а ­
рядов; 5 Ц — площ адь колеблю щ егося центрального участка МТ;
г — расстояние м еж д у бортами на участке S u; ео — электрическая
постоянная; вг — д иэлектрическая проницаемость среды внутри МТ.
4*
51
Энергия переменной части электрического поля может 'быть
представлена как изменения ® мт в результате изменений г:
<72 S a
d w MT = 2 ^ ; d r -
(3.31)
Учитывая, что изменения г происходят с теми ж е периодами,
которые формируются в автоколебательном сигнале акустической
эмиссии (50— 70 мкс), можно оценить выделяющуюся мощность
ЕЭМП.
Кроме параметрического механизма возбуждения ЕЭМП не­
посредственно в процессе образования МТ действует механизм,
связанный с дискретным характером ее роста. Д ело в том, что
каждая МТ образуется не за счет некоторого единовременного акта
микроразлома, а в результате ряда последовательных таких актов.
При этом для разделенных зарядов обеспечивается движение с
ускорением и за счет этого возбуж дается переменное (импульсное)
ЕЭМП. П о имеющимся оценкам [10] длительность импульсов
ЕЭМП может составлять 10~3-М мкс при очень малой мощности
излучения (порядка 10-20— Ю-22 Вт).
Рассмотренные механизмы связаны только с динамикой р азде­
ленных электрических зарядов, но не учитывают возможность их
релаксации. Как показывают имеющиеся экспериментальные дан ­
ные, такая возможность реализуется в МТ за счет искровых элек­
трических разрядов внутри полости. Если считать, что полость
заполнена газовой средой, в частности, водяным паром (для та­
кого предположения достаточно много оснований), то формирова­
ние искрового разряда происходит при напряженности электриче­
ского поля порядка 3 •1 06 В/м. В вакуумированной полости разряд
также может происходить, но при значительно более высокой на­
пряж енности— порядка 109 В/м.
Несомненно, что «пробойная» напряженность электрического
поля не создается непосредственно в результате разделения заря­
дов по бортам. Это принципиально невозможно, поскольку р азде­
ляющиеся заряды «возвращались» бы создающимся полем обрат­
но и релаксировали. Однако из-за геометрической формы МТ за ­
ряды могут стекать к устьевым участкам и там накапливаться,
обеспечивая резкое возрастание заряда qs . При этом расстояние
между бортами на устьевых участках, опять ж е в силу формы МТ,
на несколько порядков меньше расстояния в центральной части.
И з-за отмеченных причин закономерно обеспечивается возрастание
напряженности поля до «пробойных» значений.
Возникновение искрового заряда дает возможность практически
полной релаксации накопившихся зарядов. При этом выделяется
энергия, близкая к полной энергии эквивалентного заряженного
конденсатора Q?/2C. Каждый такой элементарный разряд приво­
дит к возбуждению импульса ЕЭМП.
В настоящее время экспериментально подтверждено существо­
вание искровых электрических разрядов при образовании микро52
трещин во льду. Это подтверждается путём синхронной регистра­
ции следующих сигналов: а) импульсов акустической эмиссии, сиг­
нализирующих об образовании МТ; б) импульсов оптической эмис­
сии (световых вспышек), сигнализирующих о возникновении иск­
рового разряда; в) импульсов ЕЭМП.
Рис. 3.5. Возрастание напряженности ЕЭМ П с приближением
к кромке припая (сж атие в районе кромки 2 балла)
Из трех рассмотренных основных механизмов возбуждения
ЕЭМП в радиодиапазоне последний является наиболее интерес­
ным и наиболее изученным.
Причина такого интереса заключается преимущественно в том,
что в разрядном механизме реализуется наибольшая мощность,
возбуждения ЕЭМП. А это немаловажно для использования эф53
фекта в практических задачах авиаразведки действующих механи­
ческих напряжений в морском ледяном покрове.
Возможность решения отмеченных задач следует из того, что,
во-первых, в больших массивах деформирующегося льда количест­
во образующ ихся микротрещин достаточно велико для того, чтобы
излучение от массивов считать практически непрерывным, а не
импульсным. Во-вторых, ввиду наличия подо льдом проводящей
морской воды подобный «ледовый излучатель» обладает верти­
кальной диаграммой направленности, т. е. со средств авиаразведки
ЕЭМП Деформирующихся участков льда регистрируется непосред­
ственно над этими участками. Выполненные к настоящему време­
ни натурные эксперименты однозначно подтверждают отмеченные
особенности.
На рис. 3.5 приведен пример регистрации суммарной напря­
женности поля в радиодиапазоне с высоты —100 м по маршруту
полета, пересекающему участок припайного льда и кромку припая.
В зоне кромки сосредоточены поля, обломки полей и крупноби­
тый лед сплоченностью .10 баллов. И з-за действия ветра (пока­
зано стрелкой) сжатие льдов составляет 2 балла. Напряженность
поля над зоной кромки возрастает почти в 2 раза по сравнению
с фоновым значением, причем это возрастание начинается над
припаем примерно за 2 - ь 2,5 мили до кромки, а с удалением от
кромки в сторону открытого моря снова начинает уменьшаться.
Такая закономерность вполне естественна, поскольку максималь­
ный уровень механических напряжений обычно характерен имен­
но для кромки.
В области припайных льдов, как свидетельствуют имеющиеся
в настоящее время данные, повышение уровня напряженности по­
ля характерно для зон концентраций механических напряжений:
торосистых участков припая, магистральных трещин, границ льдов
различных возрастных категорий и т. д.
4. М Е Т О Д Ы И З М Е Р Е Н И Й Х А Р А К Т Е Р И С Т И К М О Р С К И Х
ЭЛЕКТРОМ АГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
4.1. Методы измерений электрический составляющей
электромагнитного поля
Измерение электрической составляющей электромагнитного по­
ля в морской воде в наиболее общем случае представляет собой
не что иное, как измерение разности потенциалов меж ду двумя
точками на некоторой базе L.
Эта разность связана с объемной плотностью электрического
тока / и с напряженностью поля Е 0 следующей зависимостью:
Аср = ф1—т2= 4-~Ь cosa = E 0L cos а,
,где
у — удельная
электрическая
проводимость
(4.1)
воды;
а — угол
меж ду измерительной базой L и направлением векторов / и Е 0.
И
С ледует р азд ел я ть методический и технический аспекты таких
измерений. Методический аспект заключается преимущественно в
выборе базы L и условий выполнения измерений. Технический —
в выборе средств измерений.
Выбор базы L обусловлен тем, какое именно поле предпола­
гается изучать в процессе эксперимента. Если ставится задача изу­
чения индуцированного поля, источник которого находится вне
изучаемой области, то, база L не должна превышать половины
длины волны этого поля. В противном случае соотношение (4.1)
оказывается несправедливым. При этом необходимо учитывать,
что длина волны в морской йоде намного меньше длины волны,
например в атмосфере, при одной и той лее частоте. Оценка длины
волны в морской воде может быть выполнена по выражению
(4.2)
где f — циклическая частота поля.
В задачах изучения магнитогидродинамических полей в области
их формирования база L не должна превышать половины некото­
рого характерного масштаба гидродинамического источника. В ча­
стности, при изучении М ГД полей ветровых волн, конкретнее —
составляющей Е х (в направлении распространения) — половины
длины этих волн.
Нижний предел выбираемой базы L методических ограничений
практически не имеет. Ограничения связаны с техническим аспек­
том измерений, в частности, с размерами и конструкцией преоб­
разователей, их собственным уровнем измерительных помех и чув­
ствительностью измерительного тракта.
В связи с тем, что корректность получаемой информации свя­
зана с методической обоснованностью выбора базы L, естественно
стремление использовать измерительные устройства с как можно
меньшей базой. Преимущественно в этом направлении предприни­
маются попытки технического совершенствования устройств.
Кроме выбора базы важным методическим фактором является
выбор условий измерений. В океанологической практике принято
осуществлять измерения в трех основных вариантах: стационарном,
буксируемом и зондирующем. Несомненно, что в большинстве из­
мерительных задач наиболее корректным является стационарный
вариант. Д ело в том, что при любом движении измерительного
устройства с базой L возрастает уровень помех — формируются не­
которые «шумы движения». При нежесткой базе (например, в
ЭМИТе) это проявляется в «рыскании» электродов относительно
друг друга, а также — участка кабеля меж ду электродами. Такое
«рыскание» приводит к возрастанию помех из-за взаимодействия
«рыскающих» элементов с магнитным полем Земли (возникнове­
ние ЭДС помехи в участках кабеля из-за эффекта Ф арадея) и не­
посредственно с водой (вариации собственных потенциалов элек­
тродов из-за пульсаций скорости обтекания).
55
П ри буксировании «рыскание» происходит не только в горизон­
тальном (по нормали и направлению д ви ж ен и я), но и в в ер ти к ал ь ­
ном направлении. Кроме этого, при столь длинных б азах ка к в
Э М И Те (порядка 100 м) дальн и й электрод оказы вается более
заглубленным, чем передний. Тем самым меж ду электродам и по­
лучается некоторая в ерти кальн ая база.
И з-за рассмотренных методических причин в ЭМ И Те ф орм и­
руются ка к систематическая (Э ДС из-за вертикальной б азы ), так
и случайная (из-за «рыскания») погрешности. Их ан али з и учет
в реальных условиях представляет собой довольно большие тр уд ­
ности. Простейшими практическими приемами являю тся: осред­
нение результатов регистрации на к аж д ом галсе; определение
«нуля» электродов по р езультатам измерений на противоположных
галсах.
У казанны е приемы вполне оправданы при измерениях электр и ­
ческих полей, формируемых течениями. Хотя здесь следует отме­
тить, что эти приемы и сам метод преимущественно используются
больше с прикладной целью; д ля определения скорости и н а п р а в л е ­
ния поверхностного течения по измеренным хар актери сти кам э л е к ­
трического поля.
В последнее, время предпринимаются попытки применить бук­
сируемые электродные конструкции д ля измерений электрических
полей, формируемых при волнении. Конечной целью подобных ис­
следований т а к ж е является получение не чисто электроф изиче­
ской, а в большей степени гидрофизической информации — инст­
рументальных данных о х арактери сти ках волнения. О днако опи­
санные выше методические особенности здесь не могут быть скор­
ректированы простейшими приемами. Особенно это относится к
помехам из-за «рыскания», поскольку спектральный состав этих
помех в значительной мере соответствует спектральному составу
сигналов, формируемых волнением. В таких случаях мало помо­
гаю т и какие-либо оригинальные приемы математической о б р аб о т­
ки результатов. Здесь наиболее перспективны поиск новых в а р и а н ­
тов конструкции измерительного устройства, в частности, в н а п р а в ­
лении использования короткобазовы х конструкций п р еоб р азов а­
телей, р ассм атриваю щ ихся ниже.
Р ассмотренные виды измерений в буксируемом реж им е ориен­
тированы на изучение электрических М Г Д полей в поверхностном
слое моря. Принципиально возможно выполнение таких ж е и зм е­
рений и на глубинах, в частности, с использованием специальных
гидродинамических заглубителей д ля каж дого из электродов. О д ­
нако методические и, особенно, технические трудности при этом
существенно возрастаю т и подобные измерения пока не нашли ш и­
рокого применения.
И змерение электрических полей в реж им е зондирования ср а в ­
нительно просто обеспечивается лишь д ля вертикальной с о с т а в - .
ляю щей электрического поля, естественно, при отсутствии дрейфа
судна, с которого производятся измерения, поскольку при наличии
56
д рей ф а возникает систематическая составл яю щ ая погрешности,
обусловленная эффектом Ф ар а д е я в участке ка б е ля м еж д у э л е к ­
тродами. В этом несложно убедиться, применив д л я таких условий
широко известное «правило левой руки».
Измерение ж е горизонтальны х составляю щ их электрического
поля в реж им е зондирования методически представляет собой з н а ­
чительно более сложную задачу. Действительно, здесь необходи­
мо обеспечивать достаточно жесткую пространственную ори ен та­
цию измерительной б азы с электродами. Очевидные технические
трудности такого требования з ас тав л яю т использовать ка к можно
более короткобазовы е конструкции преобразователей.
К а к у ж е отмечалось ранее, наиболее привлекательны м д л я изу­
чения электрических полей в море является стационарный вариант
измерений. Однако и здесь бсть свои особенности. М инимальным
уровнем помех х арактеризую тся лишь измерения в придонных ус­
ловиях, когда ж естко ф иксирована измерительная б аза и участок
к абеля м еж д у электродами. Эти требования несложно обеспечи­
ваются при исследованиях в прибрежной зоне на небольших гл у ­
бинах. В з а д а ч а х стационарных измерений в толщ е воды стано­
вится необходимым использовать буйковые станции с присущими
им особенностями динам ики несущего буя и базового троса, на
котором р асполагаю тся измерительные устройства. Все это при­
водит к возрастанию к а к систематических, так и случайных по­
грешностей измерений.
Таким образом, все разн о об рази е зад ач измерений электриче­
ской составляю щ ей электромагнитных полей в море не позволяет
остановиться на широко известном традиционном варианте Э М И Та
и требует поиска и разработки новых технических средств и но­
вых методов измерений.
4.2. Технические средства измерений. Измерительные
преобразователи
В соответствии с (4.1) определение Е 0 мож ет быть выполнено
не только по Дер, но т а к ж е по измеренному значению / при извест­
ной электропроводности у. В связи с этим принято различать
потенциальные (по Дер) и токовые (по /) типы преобразователей.
Типичные потенциальные преобразователи выполняются в ви ­
де пары электродов, контактирую щ их с водой и расположенны х
на расстоянии L друг от друга. П ри измерении малы х значений
Дф (единицы и десятки м и лливольт), характерны х д ля полей в
морской среде, обычные металлические электроды, ка к правило,
неприменимы из-за наличия эф ф екта поляризации, зак л ю ч аю щ его­
ся в .появлении двойных электрических слоев в зоне контакта и,
соответствено — собственной разности потенциалов, которая вслед­
ствие совокупности электрохимических, термических и д инам иче­
ских причин в целом меняется случайным образом. Это создает
измерительные помехи, уровень которых часто превыш ает уровень
сигнала полезной информации.
57
В практике л аб ораторн ы х и полевых измерений малых зн ач е­
ний разности потенциалов нашли широкое применение различные
типы неполяризующихся электродов. Уровень измерительных по­
мех у неполяризующихся электродов значительно ниже, чем у ме­
таллических, особенно в сверхнизкочастотной области, которая в
настоящее время вы зы вает наибольший интерес в морских э л е к ­
тромагнитных исследованиях. Н аиболее характерной конструк­
цией
неполяризующегося
электрода
является
конструкция
(рис. 4.1), используемая в электромагнитных измерителях мор­
ских течений (ГМ-15, ГМ-15М). Электрод выполнен в виде цилин­
дрического обтекаемого корпуса 2, внутрь которого входит соеди­
нительный кабель 1. Вход ка б е ля герметизируется системой'резиновых уплотнительных п рокладок 3. М едная ж и л а ка б е ля подсое­
динена к металлическому электроду 4, выполненному из серебра с
гальванически нанесенной на поверхность пленкой хлористого се­
ребра. Электрод 4 расположен в форме спирали внутри перфори­
Рис. 4.1. Конструкция
неполяризующегося электрода
прибора ГМ-15
рованного стаканчика 5 из оргстекла. С таканчик полностью з а ­
полнен плотной пастообразной набивкой из химически чистого
осажденного хлористого серебра. П ространство м еж д у стакан ч и ­
ком и корпусом заполнено стекловатой 6, пропитанной н асы щ ен­
ным раствором хлористого калия. Н авинчиваю щ иеся сменные к о л ­
пачки 7 и 8 разли чаю тся выполнением. В колпачке 8 отсутствуют
отверстия, и он используется, при хранении электрода, при этом
туда зали вается насыщенный раствор КС1. К олпачок 7 перфори­
рован, он навинчивается при работе, при этом через отверстия
осущ ествляется контакт электрода с окруж аю щ ей водой,
58
С пециальные измерительны е электроды конструкции И ЗМ И Р А Н несколько упрощены по сравнению с электродами Э М И Т а и
меньше их по разм ерам . Основные узлы у них аналогичны, отли­
чия состоят в форме корпуса, а т а к ж е в том, что стаканчик с п а ­
стой хлористого серебра обернут фланелевой прокладкой и кон­
тактирует с окр уж аю щ ей водой через сквозные прорези в корпусе.
Кроме традиционных хлорсеребряных электродов при измере­
ниях находят применение хлорсвинцовые. Известны т а к ж е попытки
использования электродов из чистого свинца, состаренных про­
пусканием переменного тока, а т а к ж е угольных электродов. Из
всех этих вариантов наилучшими метрологическими свойствами
все ж е о б ладаю т хлорсеребряные электроды. Тем не менее, и для
них характерен ряд специфических особенностей, приобретающих
очень в.ажное значение при измерениях на длинных базах, когда
п одобранная п ара электродов попадает в различаю щ иеся термохалинны е условия. Д л я каж д ого электрода х ар а ктер н а зав и си ­
мость его собственного потенциала от температуры Т и солености
5 воды. П ри р азличиях' Т и S м еж д у электродам и появляется р а з ­
ность потенциалов (собственная Э Д С ), которая в реальных у сл о­
виях мож ет достигать нескольких милливольт д а ж е у тщательно
подобранной пары.
Собственный потенциал электрода зависит от значений тем пе­
ратуры к а к на внешней (м еж ду пастой и морской водой), т ак и на
внутренней (м еж ду пастой и серебряным электродом) поверхно­
стях. П ри скачкообразном изменений температуры среды и зм е­
нения потенциала могут оцениваться эмпирическим выражением
A^>c — k \A T 1+ W
2,
где АТх — изменение тем пературы внутренней поверхности; АТ% —
изменение температуры внешней поверхности.
Зн ачен ия коэффициентов, выявленны е д ля электродов И ЗМ И РА Н , составляют: k\ — 0,294 мВ /К, k%= 0,054 мВ/КП р и случайных вари ац иях тем пературы среды значения АТ\ и
А Т 2 могут не совпадать из-за инерционности стаканчика с пастой,
тем самы м в реальных условиях Дсрс оказы вается практически не­
известной.
С олевая чувствительность электродов связан а преимуществен­
но с электродиффузионным эффектом, заклю ч аю щ им ся в возник­
новении разности потенциалов на границах разд ел а жидкостей с
различной концентрацией солей. П р и измерениях в воде этот э ф ­
фект проявляется незначительно', поскольку различия в солености
при типичных значениях измерительных баз, как правило, не су­
щественны. Однако он важ ен при измерениях со льда, когда э л е к ­
троды помещ ают в лунки, и в лунках могут создаваться различия
солености за счет таяни я льда.
В а ж н а т а к ж е солевая инерционность электродов, которая мо­
ж е т достигать нескольких суток, что требует обязательной пред59
верительной подготовки выбранных пар длительной выдержкой
их в воде той солености, в которой планируется проведение изме­
рений.
В связи с рассмотренными особенностями возникает целесооб­
разность располож ения электродов ка к можно ближ е друг к д р у ­
гу, чтобы обеспечить д ля них одинаковые термохалинные условия.
В предельном случае это приводит к конструкциям ( рис. 4.2), где
электроды 2 и 6 помещены по обе стороны от перегородки 1, а
измерительная б аза создается диэлектрическими трубами 3 и 5,
заполненными окруж аю щ ей водой. Т а к а я конструкция получила
название «солевого моста».
Рис. 4.2. П реобразователь типа «солевой мост»
Д л я контроля собственной Э Д С применяемой пары электродов
в устройстве предусмотрен кл ап ан 4 (гидроклю ч). П ри закрытом
состоянии к л ап ан а электроды подключены к концам измеритель­
ной базы, а при открытом — замкнуты меж ду собой, при этом на
выход поступает величина собственной ЭД С.
Недостатки электродов привели к р азрабо тк е пр еоб разо вате­
лей, у которых отсутствует непосредственный гальванический кон­
так т с водой. В конструкции, получившей название емкостного
зонда, металлический стержень покрыт слоем изоляции и пред­
ставляет собой не что иное, к а к цилиндрический конденсатор,
внешней обкладкой которого является морская вода. Д л я двух
таких стержней, расположенны х на базе L, выходной сигнал (р а з­
ность потенциалов Дер) связан с напряженностью электрического
поля в воде следующим выражением:
А у = Е 0Ь — С°Тв
- cos а,
(4.3)
У 1 + ы2х 2
в
где со — круговая частота поля; т в — постоянная времени входной
цепи измерителя, определяемая произведением входного сопротив­
ления на емкость зонда,
60
В связи с этим емкостные зонды могут быть использованы толь­
ко д ля переменных полей (ю=#=0), при этом целесообразно прим е­
нение измерителей с ка к мож но большим значением входного со­
противления, в, предельном случае — с электрометрическим входом.
Отсутствие гальванических контактов с водой х арактерн о т а к ­
ж е д ля токовых преобразователей, которые позволяю т определять
плотность тока проводимости / через поверхность с известной п ло­
щадью и в соответствии с зависимостью ( 4 . 1 ) — напряженность
£о = //уКонструкция токового п реобразователя представляет собой то ­
роидальный магнитопровод с измерительной обмоткой, пом ещ ае­
мый в воду. И ндуцируемая в обмотке Э Д С пропорциональна току,
проходящему через внутренний объем тороида, и частоте поля.
Д л я повышения чувствительности внутрь тороида помещают, д л и н ­
ный металлический стержень — концентратор тока. К ак и емкост­
ные зонды, токовые преобразователи могут использоваться только
д ля измерений в переменных полях (со ф 0).
В последнее время р азрабо тан р яд оригинальных конструкций,
где использованы наиболее удачны е приемы из рассмотренных в ы ­
ше и реализованы некоторые новые решения, что позволило соз­
дать измерители с малой базой и высокой разреш аю щ ей способ­
ностью.
Двухкомпонентный преобразователь (рис. 4.3), описанный в
работе [6], предназначен д л я высокоточных измерений н а п р я ж е н ­
ности электрического поля на б азе порядка 1 м. П реоб р а зо ва тел ь
выполнен в виде кубической конструкции из стеклопластика 1,
облицованного диэлектрическими экр ан ам и 2 из оргстекла. Внут­
ри корпуса расположены : синхронный электродвигатель 4 с син­
хронизатором 3, установленные в массивном основании 5; в р а щ а ю ­
щийся гидроключ 7 на оси 6, связанной с двигателем; блок чув­
ствительных элементов 9 с кабельным и вводами 12.
В качестве чувствительных элементов использованы четыре не­
поляризую щ ихся электрода 11, уровень заполнения которых регу­
лируется с помощью отводных трубок 10. Соединение блока чув­
ствительных элементов с о круж аю щ ей водой обеспечивается че­
рез ги дрокан алы 8.
Гидроключ 7 состоит из активной и пассивной частей. П а сси в ­
ная (неподвижная) часть выполнена в виде диска из оргстекла
с системой отверстий. Четы ре внутренних отверстия состыкованы
с рабочими торцам и неполяризую щ ихся электродов, а четыре
внешних — с концевыми участкам и гидроканалов 8. Активная
(в р ащ аю щ а яся ) часть т а к ж е выполнена из оргстекла и содерж ит
систему вырезов, разм еры которых соответствуют расстояниям
м еж д у отверстиями в пассивной части. В результате вращ ения
гидроключ периодически зам ы к ает накоротко соответствующие
пары электродов, отсоединяя их от гидроканалов. Сигнал в этом
61
случае о то б р аж а ет Э Д С пары, Обусловленную электрохимически­
ми различиями электродов.. Измерительны й сигнал формируется в
таком положении гидроключа, когда электроды подключены к гид­
роканалам , к а к показано на рисунке, а внутренняя связь меж ду
ними разорвана. Таким образом, з а .о д и н период переключений на
выход п реобразователей поступает информ ация о сумме собствен­
ной Э Д С электродов и измеряемой разности потенциалов (при
подключении к ги дро к ан ал ам ) и о значении собственной ЭДС
(при зам ы кании электродов). Н есл о ж н ая об р аботка информации
позволяет разделить измеряемую разность потенциалов и собст­
венную ЭД С, а при необходимости обеспечить конпенсацию соб­
ственной ЭДС.
Рис. 4.3. П реобразователь
с объемной базой
П одобного типа преобразователи получили название п рео б разо­
вателей с объемной базой. Сущность объемной б азы заклю чается
в следующем. Если в проводящую среду с электрическим полем
внести однородное диэлектрическое тело, например, сферу, то это
приведет к искаж ениям поля, которые, однако, оказы ваю тся п р а к ­
тически постоянными и могут быть легко определены, в частности,
расчетным путем. В таком случае измерения на базах, располо­
женных по осям симметрии тела, будут достаточно корректными.
П р и этом эф ф ект «емкостного зонда» (влияние электростатической
индукции) несущественен.
62
Р азн ость потенциалов кеэкду д в у к я осёсимметричными то ч к а­
ми в окрестностях сферы мож ет быть определена по в ы р а ж е ­
нию [6]:
где Е о — напряж енность неискаженного поля; R — радиус сферы;
г — расстояние от центра сферы до данной точки; 0 — угол между
радиус-вектором данной точки и вектором напряженности изме­
ряемого электрического поля.
Тем самым, по измерениям разности (cpi —фэ) на б азе 2г мож ет
быть определено действительное значение напряженности Е 0. П р и ­
чем в самом общем случае (при неизвестной ориентации вектора
Е о) измерения д олж н ы осущ ествляться на трех взаимно ортого­
нальных базах.
Рассмотренными особенностями, собственно, и обусловливаю т­
ся возможности измерений с объемными базам и. Причем д и э л ек ­
трическая сфера не является наиболее удобной формой корпуса
п реобразователя. Л учш им вариантом является куб, д ля которого
коэффициент при Е 0 в зависимости Дср(£'о) равен 2а, где а — д л и ­
на раб р а куба, при этом измерительные базы д олж н ы проходить
через центры противолеж ащ их граней. Именно такой в ар и ан т кон­
струкции реализован в рассмотренном выше двухкомпонентном
преобразователе.
И спользование гидроключа, характерн ое д ля «солевых мостов»
и п реобразователей с объемной базой, имеет некоторые специфи­
ческие особенности, н ал агаю щ ие р яд требований к конструкции.
Н есмотря на тщ ательную приш лифовку в ращ аю щ ей ся и неподвиж ­
ной частей гидроклю ча при разомкнутом состоянии его сопротив­
ление не является бесконечно большим, а составляет 105-4- 106 Ом.
Аналогично при замкнутом состоянии сопротивление не равно ну­
лю, а обусловлено активным сопротивлением воды в соединитель­
ных прорезях. В целом, эквивал ен тн ая схема п реобразователя с
гидроключом мож ет быть представлена в виде сочетания источ­
ника измеряемой Э Д С е0, имеющего внутреннее сопротивление R 0
(рис. 4.4), сопротивлениями участков гидроканалов и зм еритель­
ной базы R rf 2, сопротивлением гидроклю ча в открытом ( R i) и з а ­
крытом (R 2) состояниях, источниками Э Д С электродов е, и е2 и
нагрузочным сопротивлением R„. П ри этом возможны два в а р и а н ­
та конструкции. В первом из них (рис. 4.4, а), характерном для
«солевых мостов» при закры том состоянии клю ча электроды при­
соединены к измерительной базе и на выход п реобразователя по­
ступает суммарное н апряж ение
(4.5)
где
63
п р и открытом состоянии электроды зам ы к аю тся на малое соп­
ротивление R ь оставаясь при этом подсоединенными к изм ери ­
тельной базе. Величина выходного нап ряж ени я
е°Г1
н2=
- + ( е , - е 2),
(4.6)
где
г 1=
Я Л
Rl+R„
И зм ер яе м ая напряженность поля определяется отношением в е­
личины во к эквивалентной длине измерительной базы 1акв:
е0
‘•акв
щ — и2 / /
и
''
1
к
1+ R 2
1
1+
Ui ~U2
hi'а vn
•Ы
Rr
(4.7)
1 n /?!
при R r < t R„
Величина k является передаточным коэффициентом п рео б разо­
вателя. П оскольку сопротивление R 2 мож ет существенно изме­
няться из-за качества пришлифовки поверхности, то это приводит
к изменениям k. Чтобы уменьшить этот недостаток целесообразно
у станавли вать следующие примерные соотношения сопротивлений:
R r/ R {
5-=-50, R r / R2 — 0,04-^0,001, при одинаковых вари ац иях R 2
изменчивость k уменьш ается при большем значении R r/ R t.
Я.)
W z
Рис. 4.4. Эквивалентные
схемы преобразователей
с гидроключом
у®
-r —i —1
1 3 ----------------------------©
i—с = л - '
й
6)
Во втором вари ан те конструкции '(рис. 4.4, б) при открытом
состоянии ключа электроды по-прежнему зам ы к аю тся на малое
сопротивление R u но отсоединяются от измерительной базы, т. е.
64
м еж д у этой цепью и базой появляю тся большие сопротивлений
разомкнутого клю ча R 2. П рактически это о зн ачает не что иное,
к а к наиболее эффективное выполнение выш ерассмотренных реко­
мендаций, и влияние изменчивости R 2 на k становится м и н и м ал ь­
ным.
Именно такой в ари ан т конструкции применен в описанном вы ­
ше двухкомпонентном преобразователе, что позволило обеспечить
в нем порог чувствительности до 0,1 мкВ/м при длине ребра куба,
равной 0,5 м [6].
П р и всех своих несомненных достоинствах преобразователи с
гидроклю чами имеют явный недостаток — наличие электром ехан и ­
ческих узлов, затрудняю щ их эксплуатацию и требующих зн ачи ­
тельного расхода энергии. В связи с этим п редставляю тся весьма
перспективными разработки, где компенсация собственной Э Д С
электродов производится не за счет переключений либо м о д у л я­
ций измерительной базы, а путем модуляции электрического поля
в измерительной области.
В частности, изместна конструкция, с о д ер ж ащ а я дополнитель­
ные компенсирующие электроды, на которые периодически подает­
ся напряжение, пропорциональное сигналам с дополнительного
токового п реобразователя измеряемого электрического поля, т. е.
в этой ситуации на измерительной базе компенсируется Э Д С сре­
ды, и с измерительных электродов снимается сигнал, соответст­
вующий значению их собственной ЭДС. П ри отключении цепи
компенсации сигнал пропорционален суммарной ЭД С. К ак и в
п рео бразователях с гидроклю чами, п оследую щ ая об р аб отка ин­
формации позволяет здесь выделить действительное значение из­
меряемой напряженности поля.
Выполненный обзор конструкций измерительных устройств,
естественно, не является полным, а лишь демонстрирует основные
принципы и тенденции соверш енствования приборов.
4.3. Методы измерений магнитной составляющей
электромагнитного поля
В океанологических з а д а ч а х наибольший интерес пред став­
ляю т исследования не собственно магнитного поля З ем л и (М П З ),
а его вариаций, причем преимущественно тех вариаций, которые
связаны с гидродинамическими и аэродинамическими источника­
ми. Д и а п а зо н частот исследуемых вариаций при этом довольно
широк и составляет примерно от 0,001 Гц до 200 Гц, но эти г р а ­
ницы никак нельзя р ассм атр и в ать ка к жесткие. П ри столь ш иро­
ком диапазоне весьма трудно (хотя и возможно) выделить неко­
торые универсальны е средства преобразования измеряемой в ел и ­
чины. К ак правило, при проведении экспериментов п р ео б разов а­
тели выбираю тся в соответствии с поставленными, обычно более
узкими по частотному диапазону, зад ачам и. Д опол н ител ьн ая осо­
бенность состоит еще в том, что амплитуды, исследуемых вариаций
5
65
довольно малы (обычно не более 101 нТл), что требует высоких
порогов
чувствительности
у
п реобразователей — порядка
0 , 1 4 - 0 , 0 1 нТл. Значение ж е постоянной составляю щей индукции
М П З, к а к известно, составляет « - 1 0 4 нТл. П ри коэффициенте
преобразования, не зависящ ем от частоты, эти условия предопре­
дел яю т высокие требования к классу точности п реобразователя
( ± 2 • 10~4-f-2 • 10^5% ), что д ля многих известных конструкций в н а ­
стоящее время просто недостижимо. В связи с этим, несмотря на
наличие довольно большого количества прецизионных разработок
в области магнитометрии, н аряду с ними в геофизических экспери­
ментах находят применение более простые преобразователи, н а ­
пример, в виде индукционной петли либо многовитковой катушки
с сердечником, которые позволяют в принципе избавиться от по­
стоянной составляю щ ей М П З и тем самым при значительно мень­
шем классе точности добиться достаточно корректного результата.
Методические особенности. В отличие от средств измерений
электрической составляющей измерители магнитного поля я в л яю т­
ся л о к ал ьн ы ми , т. е. не требуют разнесенной по пространству и з­
мерительной базы. В связи с этим многие трудности, характерны е
д ля использования длинных баз в буксируемом и зондирующем
вариантах, при магнитных измерениях становятся мало зн ач им ы ­
ми. Однако это не означает, что магнитные измерения в море я в ­
ляю тся методически более простыми. Причина этого — в у ж е о т­
мечавшихся особенностях измерений, а именно в том, что необхо­
димо измерять довольно м алы е по амплитуде вариации на фоне
большой постоянной составляю щей М П З. Ведь независимо от того,
какое измерительное устройство используется (чувствительное или
нечувствительное к постоянной составляю щ ей), вариации его р а с ­
полож ения относительно вектора индукции М П З закономерно при­
водят к появлению помех. Вариации ж е располож ения о к а зы в аю т­
ся характерны ми ка к д ля буксируемого, так и для зондирующего
режимов. Л иш ь жесткий стационарный вари ан т измерений полу­
чается достаточно корректным.
Х арактерны й пример появления помех при использовании не­
чувствительных к постоянной составляю щей М П З измерительных
устройств, подробно рассм атривается в этом разд еле применитель­
но к преобразователям в виде индукционной петли.
Все сказанное относится, естественно, к векторным измеритель­
ным устройствам, которые преимущественно используюстя на п р а к ­
тике, поскольку задачи гидрофизических измерений, ка к правило,
требую т выделения составляю щ их вектора магнитного поля. О д ­
нако н аряду с ними существуют конструкции устройств д ля мо­
дульных измерений, в частности, некоторые из модификаций к в а н ­
товых магнитометров. Несомненно, что их использование методи­
чески проще и корректнее, особенно д л я буксируемого и зонди­
рующего режимов, но круг экспериментальных задач, реш аемых с
их помощью, весьма ограничен.
66
4.4. Технические средства измерений. Измерительные
преобразователи магнитного поля и его вариаций
Преобразователи в виде индукционной петли. Типичный преоб­
разо в ател ь выполняется из изолированного провода, р ас п о л аг а е­
мого на неподвижном основании, например, на поверхности л ьд а
в виде круга (рис. 4.5) из одного (а) либо нескольких (б) витков.
8)
Рис. 4.5. П реобразователи в
виде индукционной петли
Рис. 4.6. Схема возникновения номехи от изменений положения
В случае, если магнитное поле в пространстве, охваты ваемом пет­
лей, однородно, мож но записать
е ь=
-Wb
с1Ф
dt
= — w k S,
dB
dt
-> ->
dH
cos (В, n) = — w k S k p0 - ^ r C o s ( B , n), (4.8)
где e k — значение Э Д С на выходе петли; w k — количество витков;
—^ ^
Ф — магнитный поток; S k — площ адь петли; (В, п) — угол между
векторами индукции В и нормалью п к поверхности петли.
В связи с тем что выходной сигнал пропорционален первой
производной напряженности магнитного поля Я по времени, чув5*
67
ствительность п реобразователя оказы вается функцией частоты ЭМ
поля. Действительно, если Н — Я /п sin со /, то чувствительность
dcu.
—^ —>
- j j ^ - = - 2 n f w k S k ix0cos (B, п),
(4.9)
где / — частота; е&т — амплитудное значение ЭД С ; Н т — ам пл и ­
тудное значение напряженности.
П ри этом Э Д С е к сдвинута по ф азе относительно Н на угол
п/2.
Ш ирокополосный сигнал в такой ситуации, естественно, будет
преобразовы ваться со значительными искажениями. Однако, по­
скольку зависимость (4.9) линейна и известна, то при последую­
щей обработке результатов, в частности, при спектральном ан а л и ­
зе вариаций, эти искаж ения могут быть скорректированы.
В некоторых устройствах наш ли применение методы ав то м ати ­
ческой коррекции чувствительности. Основная их сущность со­
стоит в применении масштабного п реобразователя с коэффициен­
том передачи, обратно пропорциональном частоте.
Многовитковые петли используются значительно реже, чем одновитковые. Д ел о в том, что при одной и той ж е длине провода
более выгодно увеличение чувствительности за счет увеличения
площ ади S k, а не за счет количества витков w k. Конечно, все это
справедливо лишь при сохранении условия однородности поля в
объеме петли.
—^
В неоднородных полях эффективный магнитный поток Фэф о п ­
ределяется выражением
f
5 cos (В, n ) d S .
(4.10)
(h)
Это приводит к тому, что чувствительность, преобразования
оказы вается практически ненормированной. В таком случае ц еле­
сообразнее использовать многовитковые петли с малой площадью.
При измерениях в натурных условиях, к а к у ж е отмечалось,
важ н ое значение приобретают изменения располож ени я (в и б ра­
ция) преобразователей, что мож ет создавать значительные сигна­
лы помехи. Р ассмотрим это применительно к одновитковой петле,
расположенной на горизонтальном основании, например, на поверх­
ности л ьд а (рис. 4.6). П л о щ а д ь петли равн а S k. Вектор постоян—^
ной составляющей индукции М П З В 3 составляет угол а с нор­
малью к плоскости петли.
При плоскопараллельны х перемещениях петли, например, в н а ­
правлении ОО' (рис. 4.6, а ), сигнал помехи на выходе петли будет
отсутствовать, поскольку при этом равны нулю изменения м а г ­
нитного потока:
®эф =
d 0 __d,[B3 S k cos a]
= 0,
dt
dt
т ак ка к B 3 = const, S h = const и cos a = const.
6§
(4.11)
С игнал помехи Ё п появится в том случае, если петля будет йзменять наклон по отношению к вектору В 3, т. е. при c o s a = var.
Величина Еп при этом
E n= - B aS
w
„
,
(4.12)
где w k = 1 — количество витков.
П редставим а = а 0+ р , где ао = const — исходная величина угла,
а (3 — приращение этой величины (рис. 4.6, б). Тогда
cl (cos a)
d (cos (3)
dt
” cos “ °
dt
.
й? (sin р)
Sin а °
dt
'
П оскольку [AB] = D — диаметр петли, а [А'С] обозначим h ( t ) ,
то, используя геометрические соотношения, нетрудно получить
d ( cos a)
dt
~
dh(t)
dt
cos а 0
D
h(t)
sin ар
~]/D2— h ( t ) 2 ^
D
'(4' 13)
Учитывая, что h { t ) < ^ D , получим приближенную результирую ­
щую зависимость Е п от скорости перемещений точки А (при не­
подвижной точке В):
£п
n D w л В аsin а о - ^ j P - .
(4.14)
Естественно, полученные оценки справедливы д ля ситуации,
когда петля достаточно надежно скреплена со сплошным основа­
нием (в данном случае — ледяны м полем) и перемещ ается ц ели ­
ком вместе с ним. Если ж е отдельные участки петли могут пере­
м ещ аться самостоятельно, например, находятся в воде и ко л еб ­
лются под действием волнения, то в таком случае следует р ас см а т­
ривать не петлю целиком, а участок провода конечной длины /,
перемещ аю щ ийся в постоянном М П З с периодически изменяю ­
щимся вектором скорости v. В этом участке возникнет перемен­
ная Э Д С E h пропорциональная / и составляю щей скорости по
нормали к проводу
E t = B , avl sin© ,
(4.15)
—>
где 0 — угол меж ду вектором v и осью участка провода; В 3н —
—^
составл яю щ ая индукции М П З по нормали к вектору v.
П оскольку /< С А то при близких скоростях перемещений о к а зы ­
вается E t
Е п. Но в реальных условиях скорости все ж е сущестdk(t)
с
венно различны, причем у>>
, поэтому ооычно помеха b t н а ­
много опаснее. В связи с этим при проведении измерений с по­
мощью петли все ее участки тщательно закрепляю тся.
69
П реобразователи й виде многовитковой катуш ки с ф ерром аг­
нитным сердечником. Достоинством таких п реобразователей я в ­
ляется возможность использования в неоднородных ЭМ полях и
высокая чувствительность, обусловленная применением концент­
р атора поля — ферромагнитного сердечника. Зависимость выход­
ной ЭД С е к катуш ки от напряженности поля Я в отличие от в ы ­
раж ен и я (4.8) вклю чает эффективную магнитную проницаемость
сердечника
-> - *
cLH
ek = - w k S k m ^ c o 5 { B , я ) - г р
(4.16)
которая существенно больше единицы, что и обусловливает повы­
шение чувствительности.
Здесь при измерениях важ н о е значение приобретает индуктив­
ность преобразователя. П ри работе на согласованную активную н а ­
грузку R H (входное сопротивление измерителя нап ряж ени я) реги­
стрируемый выходной сигнал п реобразователя отличается от ек
и составляет
«вых =
-7 =
L
^
=
=
,
,
(4.17)
где L n — индуктивность; R w ■
— активное сопротивление обмотки.
Д л я п реобразователей в виде катуш ек с ферромагнитными сер­
дечниками уровни вибрационных помех, ка к правило, выше, чем у
индукционной петли. Д е л о в том, что у них появляется р я д д о ­
полнительных факторов, приводящих к в ариациям ЭД С. Причем
некоторые из этих факторов иногда более важны, чем изменения
угла наклона по отношению к В 3. Если катуш ка намотана на
жесткий каркас, а сердечник находится внутри к а ркас а, то к в а ­
риациям Э Д С приводят изменения взаимного полож ения к а р к ас а
и сердечника. Д л я уменьшения этого влияния целесообразно уве­
личение
жесткости крепления меж ду каркасом исердечником.
Второй значительный фактор — магнитоупругий эф ф ект в сердеч­
нике. П ри воздействии вибраций происходят изменения магнитной
проницаемости сердечника и, следовательно, изменения магнит­
ного потока в объеме ИП. Величина сигнала помехи, вызванного
изменениями [хотн, в некоторых конструкциях мож ет более чем на
порядок превышать помеху от изменений угла наклона.
Кроме помех, связанны х с механическими воздействиями, в
И П индукционного типа возникают помехи, вызванные электриче­
скими полями. В частности, кату ш ка с ферромагнитным сердечни­
ком, предназначенная д л я измерений в инфранизкочастотном д и а ­
пазоне, обычно имеет довольно большую длину (до 1 м), и тем
самым мож ет рассм атриваться не только к а к магнитный, но т а к ж е
и ка к электрический диполь. П ри налчии в среде электрического
70
поля с напряженностью Ёи величина возникающего в Й Й сйгнйл а помехи от воздействия Е м мож ет быть оценена по выражению
(4-18)
где / э — эквивален тн ая длина Р1П ка к электрического диполя;
0 — угол м еж д у вектором Е к и осью И П ; z t — индуктивное сопро­
тивление обмотки И П ; 28 — сопротивление ЙП ка к электрического
диполя.
П ри неизменных п ар ам етр ах И П сигнал е п в озрастает с уве­
личением частоты, поскольку при этом уменьшается соотношение
z,/zz. Основным способом уменьшения влияния электрических по­
лей на характеристики И П является использование электрических
экранов. Кроме этого, целесообразно уменьш ать соотношение м е ж ­
ду длиной катуш ки и длиной сердечника: длинный сердечник
улучш ает чувствительность к магнитному полю, помеха ж е от
электрических полей воспринимается только катушкой. Р еко м ен ­
дуется т а к ж е применять секционную намотку катуш ки с соответ­
ствующим симметричным подключением секций к входной цепи
измерительного устройства.
Вращ аю щ иеся преобразователи индукционного типа. З а в и с и ­
мость чувствительности от частоты ЭМ поля значительно огран и ­
чивает возможности индукционных преобразователей. В частности,
их нельзя использовать при исследованиях сравнительно м едлен ­
ных вариаций, характерн ы х д ля ветрового волнения, зыби и т. д.
Повышение чувствительности на частотах менее 1 Гц, а т а к ж е
обеспечение возможности измерений постоянной составляющей ин­
дукции М П З и ее вариаций достигается путем вращ ения п реоб ра­
зователя в заданном направлении с заданной постоянной скоро­
стью. В типичной конструкции (рис. 4.7, а ), содерж ащ ей многовитковую рам ку 1, установленную на оси 2 электродвигателя 4,
вращение рамки обеспечивается в плоскости, параллельной векто­
ру Я3. ЭД С, возни каю щ ая в рамке, ка к и ранее, пропорциональна
изменениям магнитного потока
йФ
'*
dt
'
П оскольку при В3= const во в ращ аю щ ей ся системе
йФ
о о da.
~ = - B 3S k s m a w ,
то при заданной скорости вращ ения Q величина угла меж ду осью
рам ки и вектором В 3 будет соответственно равн а
а его изменъ
-п
ч и в о с т ь - ^ - = й. В этом случае на выходе рам ки возникает пере­
менная Э Д С с частотой Q
ек = е кш$\п Q t = w kB z S k Q sin.fi/,
(4.19)
71
а чувствительность преобразований
Лр
a i3-
^
kQ
.(4.20)
пропорциональна скорости в ращ ения и является постоянной в е­
личиной.
■
Если В 3ф const, а содерж ит периодические вариации с часто­
той со и ам пли тудой .В м
B ^ B ^ + B^sinwt,
' ........... ” ;
'
ek = ( B 30 + B u sin(,'it)wk S k Q s i n Q t — B Mw ilS k a c o s a t c o s Q t ,
(4.21)
ТО
т. е. появляется изменчивость чувствительности. О днако при со<С О
этой, изменчивостью в большинстве случаев мож но пренебречь.
Ьз
о.)
Рис. 4.7. Вращающ иеся преобразователи
Н аибольш ую трудность при реали заци и вращ аю щ и хся преоб­
разователей вида (рис. 4.7, а) представляет съем сигнала е к. В
наиболее простом случае это осущ ествляется с помощью кон так т­
ного коллектора 3. Однако при этом возникаю т помехи, сн и ж аю ­
щие возможный порог чувствительности. Б олее целесообразен бес­
контактный съем сигнала (рис. 4.7, б ) . В этой конструкции р ам к а
1 подключена к катуш ке 2. Они расположены на одной оси и в р а ­
72
щ аю тся совместно. О днако ка ту ш ка 2 изолирована от влияния
внешнего магнитного поля. П оскол ьку цепь зам кнута, то индук­
тируемая в р ам ке 1 Э Д С е к обусловливает прохождение тока по
катуш ке 2. Вследствие индуктивной связи магнитное поле этого
тока вы зы вает появление Э Д С в неподвижной катуш ке 3 (ез).
Э Д С е3 используется к а к сигнал измерительной информации. Уро­
вень помех, возникаю щ их в бесколлекторной конструкции, сущ ест­
венно ниже, чем при наличии контактного коллектора. Однако
здесь всеравно существует ограничение по порогу чувствительно­
сти, связанное с тем, что сигнал помехи формируется на нечетных
гармониках сигнала измерительной информации, причем преиму­
щественно на его первой гармонике. .
П о сравнению с рассмотренными конструкциями лучшими свой­
ствами о б ладаю т так назы ваем ы е четногармонические п р еоб ра­
зователи. И з них получили распространение «-преобразователи,
где периодически изменяется угол м еж д у вектором В 3 и осью чув­
ствительного элемента, и 5 -п реобразователи, где изменяется пло­
щ адь элемента.
Вращ аю щ ийся четногармонический п реобразователь (а-преобразо в ател ь Б а р н е т т а ). Особенностью этого п реобразователя я в ­
ляется возможность принципиального р азделения частот инфор­
мационного сигнала и помех, создаваемы х электроприводом цепи
вращения. Это позволяет обеспечить весьма низкий порог чувст­
вительности — до 10-10 Тл.
В схематичном и зображ ении преобразователь такого типа
(рис. 4.8, а) содерж ит короткозамкнутое кольцо 2, вращ аю щ ееся
внутри неподвижной обмотки 1. В ращ ение обеспечивается д в и г а ­
телем 3. Если система находится во внешнем магнитном поле с
—>
—
индукцией В 3 и ось обмотки совпадает с направлением вектора В 3,
то внутри витка 2 индуктируется Э Д С и соответственно п о яв л яет­
ся ток. М агнитное поле этого тока изменяется с одинаковой ч а ­
стотой ка к по модулю, т ак и по направлению. В результате проек­
ция вектора индукции этого поля на ось обмотки будет пропорцио­
нал ьн а cos2 Qt, где Q — частота вращения. П р и В 3 = c o n s t су м м ар ­
ный магнитный поток через обмотку составит
= B 3S — B 3S cos2 Ш = 0,5 B 35 ( l —cos 2Ш )
(4.22)
при пренебрежении активным сопротивлением короткозамкнутого
витка.
Соответственно н аводим ая в обмотке Э Д С равна
аФ.
ek = — w k —rj£- = w k Q S B 3s m 2Ш,
(4.23)
т. е. имеет в два р а з а большую частоту, чем частота вращения,
что, собственно, и позволяет легко избавиться от помех на ч а­
стоте Q.
73
Вибрационные преобразователи. В вибрационных п р еоб р азо ва­
телях т а к ж е обеспечивается частотное разделение сигнала и по­
мехи, но модуляция сигнала выполняется путем периодических
изменений площ ади сечения чувствительного элемента, т. е. они
являю тся S -преобразователями. Типичная конструкция
(рис.
4.8, б) содерж ит цилиндр 3 из сегнетокерамики, например, типа
PbZrOa, на котором укреплена воспринимаю щ ая катуш ка 4.
Электроды воздуж дения 1 и 2 нанесены на внутренней и внешней
поверхности цилиндра, причем внешний электрод 1 образует ко ­
роткозамкнутое кольцо, а внутренний 2 имеет разры в по всей д л и ­
не цилиндра. П одключение электродов к источнику пременной
Э Д С приводит к радиальны м колебаниям цилиндра, при этом из­
меняется площ адь кольца 1.
£
Рис. 4.8. Четногармонические преобразователи
Если п реобразователь находится на внешнем поле с индукцией
В 3, то в таком случае в кольце наводится Э Д С и проходит пере­
менный ток. Магнитное поле этого тока, как и в предыдущей кон­
струкции, вызы вает появление ЭД С в воспринимающей катуш ке 4.
В результате Э Д С в катуш ке пропорциональна В а и используется
к а к сигнал измерительной информации.
74
Ч асто та ради альн ы х колебаний цилиндра равна удвоенной ч а ­
стоте в озбуж даю щ ей ЭД С. Тем самым и Э Д С сигнала на выходе
катушки 4 тож е имеет удвоенную частоту.
Чувствительность вибрационного п реобразователя рассмотрен­
ной конструкции определяется выражением:
*4,
с1В3
= -xRl QM2xE2
u Q w k,
(4.24)
где R 0 — радиус цилиндра; Q — частота возбуж дения; М 21 — к оэф ­
фициент электрострикции; Е м — ам плитуда электрического поля
возбуж дения; Q — м еханическая добротность цилиндра; w k — чис­
ло витков воспринимающей катушки.
Р еал ь н ое значение чувствительности мож ет достигать 2 В/Тл.
Однако метрологические свойства все ж е хуже, чем у в р ащ а ю щ и х ­
ся четногармонических преобразователей. Это связано с трудно­
стями обеспечения стабильной амплитуды колебаний цилиндра.
Феррозондовые п реобразователи. Принцип искусственной моду­
ляции измеряемого магнитного потока с выделением четногармо­
нического сигнала измерительной информации получил свое д а л ь ­
нейшее развитие в феррозондовых преобразователях, которые в
н астоящ ее время рассм атриваю тся ка к один из наиболее перспек­
тивных видов средств измерения слабы х постоянных и медленно
изменяю щ ихся магнитных полей. Чувствительность феррозондов
практически не зависит от частоты, при этом достигнутый в л у ч ­
ших конструкциях порог чувствительности составляет 0,14-0,01 нТ.
Конструктивно феррозонд представляет собой устройство, со­
стоящее из одного или двух ферромагнитных сердечников 1 с р а с ­
пределенными по их длине обмотками возбуж дения 3 и 4 и изм е­
рения 2 (рис. 4.9, а). Обмотки возбуж дения при наличии двух сер­
дечников включены последовательно и встречно. Обмотка и зм ере­
ния охваты вает оба сердечника. Сущность процессов, происходя­
щих в феррозондовом п реобразователе, обусловлена взаим одейст­
вием в объеме обоих сердечников внешнего (измеряемого) поля и
вспомогательного переменного поля, формируемого током, п о д а ва е­
мым в обмотки возбуж дения. П ри взаимодействии полей в и зм е­
рительной обмотке наводится ЭДС, величина которой х ар а к т е р и ­
зует внешнее измеряемое поле. Можно считать, что при соответст­
вующих разм ер ах сердечник феррозонда намагничивается под дей­
ствием проекции внешнего поля на его продольную ось и совер­
шенно нечувствителен к магнитным полям, направленным по его
продольной оси. В результате феррозонд во внешнем магнитном
поле об л а д а ет д и аграм м ой направленности, и ЭД С, индуцируемая
в измерительной обмотке, будет пропорциональна проекции внеш­
него магнитного поля на ось феррозонда. Величина этой ЭДС
75
мож ет быть определена из следующего соотношения:
где Ф — магнитный поток в сердечнике; Я 0 — проекция н а п р я ж е н ­
ности измеряемого поля на продольную ось феррозонда; |л/д — д и ф ­
ф еренциальная м агнитная проницаемость сердечника; ш и — число
витков измерительной обмотки; S,, — площ адь поперечного сече­
ния сердечника.
Вспомогательное поле, формируемое переменным током в об ­
мотках возбуж дения, вы зы вает периодические изменения д и ф ф е­
ренциальной магнитной проницаемости р,д, и именно в результате
этого обеспечивается чувствительность феррозонда к # 0= c o n s t и
к сравнительно медленным в ари ац иям НоД и ф ф ер ен ц и а л ь н ая магнитная проницаемость цд связан а с э ф ­
фективной проницаемостью 1хэ4 и соответственно с ц отн:
(4.26)
т. е.
=
только в случаях Н = 0 либо й ^эф ( H ) / d H = Q. В об ­
щем случае у.а ф ^Эф, причем нелинейность связи р.д (Я ) в ы р аж ен а
зн а ч и т е л ь н о си л ьн ее, чем у (хЭф ( //) .
•f
f)
а)
Рис. 4.9. Конструкция и принцип действия преобразователя в виде двухстержневого
феррозонда
У феррозондов могут быть реализованы два реж и м а работы.
В первом из них в цепь возбуж дения подается сумма слабого пе­
ременного и сильного постоянного токов. В таком случае значение
(1Д (рис. 4.9, б) см ещ ается в сторону H s и, б л а го д а р я наличию
76
слабой переменной составляющей, обеспечивается треб уем ая пе­
риодическая изменчивость |хд в к а ж д о м из сердечников. В отсут­
ствие внешнего поля влияние этих изменений на сигнал в изм ери ­
тельной обмотке взаимно скомпенсировано и ек = 0. П ри Н 0 ф 0 и
соответственно B Q= \ i H 0=£0 вследствие нелинейности зависимости
|1Д(Я ) возникаю т различия в изменчивости р,д у обоих сердечни­
ков, а в результате •— Э Д С в измерительной обмотке, пропорцио­
н ал ьн ая В 0. О днако этот реж им сравнительно редко используется.
К ак следует из описанного принципа, он требует очень высокой
стабилизации постоянной составляю щ ей тока возбуждения, что не
всегда осуществимо.
Во втором реж им е в цепь возбуж дения подается только пере­
менный ток, причем ам плитуда этого тока такова, что с о зд ав ае­
мое им магнитное поле H 1= H Msmu>t (рис. 4.9, в) периодически
превыш ает напряженность магнитного насыщения H s. Это проис­
ходит четыре р а за за период. В р езультате изменения
проис­
ходят с удвоенной частотой (рис. 4.9, г). В отсутствие внешнего
поля, ка к и ранее, влияние изменчивости |лд каж д ого из сердеч­
ников на сигнал в измерительной обмотке взаимно компенсирует­
ся. П ри В о Ф § в обмотке появляется Э Д С в виде разнополярных
импульсов, следующих с удвоенной частотой по отношению к току
в озбуж дени я (рис. 4.9, д ) .
У такого выходного сигнала мож но выделить три х ар а к т е р и ­
стики, которые пропорциональны измеряемой индукции В 0: сред­
нее значение Э Д С е*ср, пиковое значение е К[1 и амплитудное з н а ­
чение второй гармоники {ek).in.
Среднее значение
определяется выражением
тс
М -®0 ( l J,l m a x
!^ дггмп)>
(4.27)
т. е. связано лишь с диапазоном изменчивости [1 д и не зависит ни
от вида характери сти ки |ЛД( Я ) , ни от зак он а изменения н а п р я ж е н ­
ности поля. О днако использование е*ср в качестве информ ацион­
ного сигнала м алоцелесообразно, поскольку при этом фактически
не отфильтровы ваю тся помехи, возникаю щ ие в измерительной об ­
мотке вследствие прямого влияния обмоток возбуж дения.
П иковое значение е /?п в ы р а ж ае тся через максим альное зн ач е­
ние изменчивости |ад
(4.28)
max
В этом варианте, к а к и в предыдущем, затруднена ф ильтрация
помех и он сравнительно редко используется.
Н аиб олее распространено использование в качестве сигнала
измерительной информации величины
( ^ ) г л— амплитудного з н а ­
чения Э Д С 2-й гармоники. В общем случае вы ходная Э Д С е к мо77
Жет быть п редставлена к а к сумма четных гармоний
ее
ek = = 4 гуи5 м В о ^ п ц 2л 81п 2ЛЮ/1,
п=1
(4.29)
где Ц2п — амплитуды четных гармоник диф ф еренциальной прони­
цаемости.
Величина \12п в ы р а ж ае тся формулой
2 х
= — j* jj-д ( at ) cos 2n a t d (соt ) ,
.(4.30)
о
где n = - 1, 2, 3 . . . — номера четных гармоник.
Чупствительность феррозонда по любой из четных гармоник
2л
dB0
= 4nw„Sa\L2n.
(4-31)
Коэффициент .(i2n очень зависит от номера гармоники и имеет
максим альное значение д л я 2-й гармоники. П оэтом у д л я этой г а р ­
моники (частота равна 2со) хар а ктер н а м а к си м ал ь н ая чувстви­
тельность преобразования.
Кроме рассмотренной конструкции с двум я сердечниками (двухстержиевого феррозонда) в практике магнитометрии находят при­
менение т а к ж е одностержневые конструкции, конструкции с з а м к ­
нутым тороидальным магнитопроводом, конструкции с поперечным
возбуждением сердечников и др. [1]. И з них значительный инте­
рес представляет торо и дал ьн ая конструкция феррозонда, н аш ед ­
ш ая применение в измерениях нап равлен ия течения [13].
1
-
п
г
и
'а
,
1
в
6
1
м
igfr
....£
Рис. 4.10. П олная функциональная схема
феррозондового преобразователя
В полном виде п реобразователь магнитной составляю щей ЭМ
поля кроме самого феррозонда 3 (рис. 4.10) содерж ит источник воз­
буждения / с фильтром пропускания 2, настроенным на частоту
78
тоКа возбуж дения (1-й гарм он и ки ), систему фильтров 4, содер^
ж а щ у ю за г р а ж д а ю щ и й фильтр 1-й гармоники и фильтр п ропуска­
ния 2-й гармоники, селективный усилитель 2-й гармоники 5, у м ­
нож итель ( Х 2 ) частоты 6 и синхронный детектор 7. В результате
на выходе синхронного детектора формируется выпрямленное н а ­
пряжение, величина которого пропорциональна амплитудному з н а ­
чению второй гармоники ( eftM)2n, а знак соответствует н а п р а в л е ­
нию вектора В 0.
П ри необходимости выделить лишь переменную составляю щую
(вариации гидро- или аэрофизического происхождения) феррозонд
3 помещ ается внутрь компенсационной катушки, линейные р а з ­
меры которой превыш ают разм еры феррозонда д л я обеспечения
однородности компенсирующего магнитного поля. Ток в катуш ку
поступает либо от отдельного регулируемого источника, либо с
выхода синхронного детектора. Н о во втором случае меж ду д етек­
тором и катушкой ставятся дополнительные узлы, обеспечивающие
р азв я зк у измерительной и компенсационной цепей, а т а к ж е уст—^
раняю щ ие (сглаж и ваю щ и е) в ариации В 0 в том частотном д и а п а ­
зоне, который подлеж ит измерениям, т. е. автоматически компенси­
руются только постоянная составл яю щ ая So и те ее медленные
вариации, которые не представляю т интереса при выполняемом
эксперименте.
Феррозондовые преобразователи являю тся одним из наиболее
перспективных типов преобразователей д ля измерений слабы х м а г ­
нитных полей. Их предельный порог чувствительности оценивается
примерно в 5 -10-13 Тл, реально достигаемый в настоящ ее время
составляет 10_10-Ч-10-11 Тл при практически постоянном коэф ф и ­
циенте п реобразован ия в частотном д и ап азо н е от 0 до нескольких
сотен герц.
Квантовые преобразователи. В практике морских измерений по­
лучили широкое распространение квантовые магнитометры, о б л а ­
даю щ и е высокой р азреш аю щ ей способностью (до 10' 3 нТл) при
измеряемом значении индукции М П З порядка 5 -1 05 нТл. Принцип
их действия зак л ю ч ается в следующем.
П р и облучении паров некоторых щелочных м еталлов (рубидия,
цезия и др.) светом волны определенной длины (оптическая н а ­
качка) производится ориентация магнитных моментов атомов. Это
связано с тем, что атомы при облучении переходят из исходного
энергетического состояния на наиболее высокий уровень, а уж е
оттуда, и злучая соответствующие кванты света, — в так н а з ы в а е ­
мое м етастабильное со с то ян и е— среднее м еж д у исходным и воз­
бужденным состояниями. Атомы в метастабильном состоянии не
возбуж даю тся под воздействием оптической накачки с установ­
ленной длиной волны. Если т а к а я система находится в магнитном
—^
поле с индукцией В 0, то становится возмож ны м индуцировать пе­
реход атомов с м етастабильного состояния на исходный энерге­
тический уровень путем воздействия внешним радиочастотным
79
Магнитным полем с частотой (й0 ~ у г Ё 0, где y f — гиромагнитное
отношение. И н д икац ия перехода легко осущ ествляется по интен­
сивности поглощения образцом света от источника оптической н а ­
качки. Действительно* если возрастает количество атомов на ис­
ходном энергетическом уровне, то усиливается процесс их перехода
на наиболее высокий уровень, описанный выше, а значит, у в ел и ­
чивается поглощение от источника накачки.
В заимосвязь м е ж д у частотой резонанса и индукцией д л я п ри ­
меняемых в магнитометрах паров щелочных металлов в общем
случае отличается от линейной, однако при В 0^ 1 0 -4 Тл этой не­
линейностью можно пренебречь. Тогда зависимость меж ду сдви­
гом частоты и индукцией устанавл и в ается через коэффициент а,
который составляет, например, д ля Rb87 примерно 7• 109 Гц-Тл~‘,
Rb85 — 4 , 7 - 109 Г ц - Т л - 1, д л я C s 133 — 3,5- 109 Г ц - Т л '1.
Рис.
4.11. Упрощенная схема
преобразователя
квантового
Схематически
конструкция
квантового
п реобразователя
(рис. 4 . 11) содерж ит спектральную л ам п у 1 — источник оптической
накачки, фокусирующую систему 2 с поляроидом, ячейку 3 с п а ­
рам и м еталла, катуш ку 4 возбуж дения электромагнитного поля
радиочастоты, приемную систему 5, фотодетектор 6, усилитель 7,
синхронный детектор 8, модулятор 9 и у п равляем ы й генератор р а ­
диочастоты 10.
П ринцип действия преоб разо вател я состоит в следующем. С
помощью м одулятора 9 частота генератора 10 периодически и з ­
меняется, регулярно п опадая на значение резонансной частоты
80
д л я возбуж денны х атомов в ячейке 3. П р и совпадении частот м а к ­
симальное поглощение света ячейкой 3, поэтому периодически и з­
меняется световой поток, попадаю щий на фотодетектор 6. Усилен­
ный сигнал с фотодетектора в общем случае не совпадает по ф азе
с сигналом м одулятора 9. Р азность м еж д у ними выделяется в син­
хронном детекторе 8 и поступает в виде н ап р яж ени я на у п р а в л я ю ­
щий вход генератора 10. В результате частота генератора изме­
няется, подстраиваясь под значение резонансной частоты ячейки.
Кроме модуляции частоты генератора в п р еобразователях мо­
ж е т модулироваться величина измеряемой индукции. П р и н ци ­
пиальн ая схема при этом остается практически такой же, лишь
изменяются реж им ы работы ее отдельных узлов. П ри модуляции
индукции играет роль тот факт, что значение резонансной частоты
ячейки изменяется пропорционально индукции и при неизменной
частоте генератора 10 в фотодетекторе 6 формируется, к а к и ранее,
переменный сигнал с частотой, соответствующей частоте моду­
ляции.
П р е об ра зова тел и рассмотренного типа характеризую тся малой
инструментальной погрешностью — порядка ± 0 ,0 0 5 % и низкими
значениями порога чувствительности ( » 0 ,0 1 4 - 0 ,0 0 5 н Тл), что поз­
воляет их широко использовать при измерениях магнитных полей
гидрофизических источников. Определенным недостатком является
их сравнительно м ало е быстродействие, практически Не позволяю ­
щее производить измерения переменных полей с частотами выше
1 Гц. Д е л о в том, что при необходимости реализовать высокую
разреш аю щ у ю способность, например, « 0,01 нТл, необходимо су­
щественно увеличивать длительность процесса измерения, посколь­
ку изменения частоты при таком изменении индукции составляю т
всего лиш ь 0,05 Гц (Rb85) либо 0,07 (R b87), что следует из при­
веденных выше значений коэффициентов а. П р и этом во зм ож н о­
сти, связанны е с умножением частоты, довольно ограничены.
Р езу л ь тат п реобразован ия зависит от ориентации 0 оптической
оси ячейки относительно измеряемого вектора индукции. Эта з а ­
висимость пропорциональна cos20 .
Значительны й интерес п редставляю т автогенераторны е кван то­
вые преобразователи (спиновые генераторы ), у которых обеспечи­
ваю тся условия самовозбуж дения на резонансной частоте яч'ейки.
Их порог чувствительности мож ет достигать 0,024-0,002 нТл при
д иа гр ам м е направленности вида s i n © c o s 0 , однако при этом выше
погрешность, чем у предыдущего вари ан та, из-за собственных ф а ­
зовых сдвигов в схеме генератора.
В н астоящ ее время т а к ж е р азра б ота н ы преобразователи, поз­
воляю щ ие измерять модуль вектора магнитной индукции, а т а к ж е
градиент индукции.
П реобразователи на основе э ф ф е к та Д ж озеф сон а. Эф фект Д ж о зефсона проявляется в области контакта сверхпроводника и нор­
мального м ет ал л а либо двух сверхпроводников, разделенны х тон­
ким слоем д иэл ектр и ка (1 . . . 2 нм). Ток через переход при отсут­
6
81
ствии внешнего магнитного поля обусловливается туннелирова­
нием электронов, а т а к ж е т а к н азы ваем ы х куперовских пар (объе­
динений из двух электронов). Переход пар происходит со стороны
сверхпроводника с более высоким уровнем Ферми в сверхпровод­
ник с более низким уровнем, при этом выделяется энергия qv, р а в ­
ная разности уровней. Эта энергия излучается в виде э ле ктр ом а г­
нитной волны с частотой
где h — постоянная П л ан ка .
Ток туннелирования пар через переход осциллирует с такой
ж е частотой, т. е. зона перехода мож ет рассм атриваться как ге­
нератор колебаний.
П р и воздействии внешнего магнитного поля величина м акси ­
мального тока изменяется в соответствии с выражением
(4.33)
где Ф —- магнитный поток, перпендикулярный направлению тока;
Ф-о — значение кванта магнитного потока.
Рис. 4.12. П реобразователь с двумя
джозефсоновскнми переходами
Типичной конструкцией п реобразователя напряженности м а г ­
нитного поля является кольцо 1 (рис. 4.12) из сверхпроводника с
двумя джозефсоновскнми переходами 2 и 3. Через кольцо пропу­
№
с к а ю т то к /„, н ем ного п р е в ы ш а ю щ и й о ж и д а е м у ю в е л и ч и н у п р и ­
чем 1 т в с л у ч а е к о л ь ц а с д в у м я п е р е х о д а м и в отли чи е от (4.33)
и зм е н я е т с я по к о си н у с о и д а л ь н о м у за к о н у :
7сФ
1п =
^ т 0 C0Sl j r -
1О
(4 -3 4 )
В р е з у л ь т а т е о б щ и й т о к при у в ел и ч ен и и м агн и тн о го п отока
у м е н ь ш а е т с я . В ел и ч и н а ж е п а д е н и я н а п р я ж е н и я н а п ер ех о д е при
этом в о з р а с т а е т , при чем н а п р я ж е н и е о с ц и л л и р у ет в п р о т и в о ф а зе с
током .
П р е о б р а з о в а т е л ь о б ы чн о и с п о л ь з у ет с я в к о м п ен сац и о н н о м в а ­
р и ан те . У си лен н о е и в ы п р я м л е н н о е н а п р я ж е н и е с п ер ех о д а п о д а е т ­
ся на ко м п ен сац и о н н у ю к а т у ш к у , со зд аю щ у ю м агн и тн ы й поток,
р а в н ы й по в ел и ч и н е и п р о т и в о п о л о ж н о н а п р а в л е н н ы й и зм е р я е м о ­
му. С и гн ал о м и зм е р и те л ь н о й и н ф о р м а ц и и в т а к о м в а р и а н т е я в ­
л я е т с я в ел и ч и н а т о к а ч ер е з к а т у ш к у .
В к а ч е с т в е с в е р х п р о в о д н и к а при и зго то в л ен и и п р е о б р а зо в а т е л я
ч ащ е всего и с п о л ь зу ет с я ниобий. Р а з д е л и т е л ь н а я д и э л е к т р и ч е с к а я
п л е н к а с о з д а е т с я его о ки сло м .
П о р о г ч у в ств и те л ь н о с ти п р е о б р а зо в а т е л е й н а осн ове э ф ф е к т а
Д ж о з е ф с о н а н а м н о го вы ш е, чем у д р у ги х типов. И х ш и р о к о е и с­
п о л ь зо в а н и е в н а с т о я щ е е в р е м я с д е р ж и в а е т с я , в основн ом , т е х н о ­
л о ги ч еск и м и т р у д н о ст я м и , в ч астн о сти , н е о б х о д и м о стью о б есп е ч е ­
н и я у сл о в и й св ер х п р о в о д и м о сти , т. е. гл у б о к о го о х л а ж д е н и я .
6*
.83
ЛИТЕРАТУРА
1. А ф а н а с ь е в Ю. В., Студенцов Н. В., Щ е л к и н А. П. Магнитометрические
преобразователи, приборы, установки. — Л.: Энергия, 1972.— 272 с.
2. Б о г о р о д с к и й В. В., Г а в р и л о В. П. Л ед. Физические свойства. Современ­
ные методы гляциологии. — Л.: Гидрометеоиздат, 1980.— 383 с.
3. Б ы ч к о в В. С., Ж м у р В. В., Л а п ш и н В. Б. Об электромагнитных эффектах
при колебаниях заряж енной поверхности моря. — Геомагнетизм и аэрономия,
1979, т. 19, № 4, с. 15— 18.
4. Д е м е н и ц к а я Р. М., Г о р о д н и ц к и й А . М. И змерение электрических полей в
океане. Тр. «Севморгео», т. 181. Л.: Н едра, 1979.— 86 с.
5. Д о р о н и н Ю. П. Взаимодействие океана и атмосферы. — Л.: Гидрометео­
издат, 1981.— 288 с.
6. Е р е м ш и н В. Ф. и др. И змеритель напряженности электрического поля в
проводящ ей среде с объемной базой измерения. — В сб.: И зучение глубинного
строения земной коры и верхней мантии на акваториях морей и океанов элек­
тромагнитными методами. — М.: И ЗМ И Р А Н , 1981.'— с. 35— 40.
7. К а р н а у ш е н к о Н. Н., Ж и л и н а А. И. Возм ож ность диагностики вихрей от­
крытого океана путем измерения электромагнитных полей. Пролемы исследова­
ния электромагнитных полей на акваториях. Матер. 5 Всес. семинара. Звениго­
р од 1983 (1 984), с. 98— 105.
8. Пантелеев И. Г., С о ч е л ь н и к о в В. В. Влияние электропроводности окру­
жающ ей среды на электромагнитное поле течений в шельфовой зоне. — Тр.
Л ГМ И , 1988, вып. 100, — с. 129— 135.
9. П а р с е л л Э. Электричество и магнетизм. Берклеевский курс физики, т. II. М.: Н аука, 1975.
10. П е р е л ь м а н М . Е., Х ат иа ш ви л и Н. Г. О радиоизлучении при хрупком р а з­
рушении диэлектриков. — Д окл. АН СССР, 1981, т. 256, № 4,-— с. 824— 827.
11. П о п о в Н. И., Ф ед оро в К. Н., О р л о в В. М. М орская вода. — М.: Наука,
1979,— 327 с.
12. С о ч е л ь н и к о в В. В. Основы теории естественного электромагнитного поля
в море. — Л.: Гидрометеоиздат, 1979.— 215 с.
13. Степанюк И. А . Океанологические измерительные преобразователи. — Л.:
Гидрометеоиздат, 1986.— 272 с.
14. Степанюк И. А. Вариации электрического и магнитного полей в привод­
ном слое атмосферы при морском волнении. — В сб.: Структура и динамика вод
М ирового океана. — Л., изд. Л ГМ И , 1983, вь5п. 80, с. 140— 146.
15. Степанюк И. А. Формирование вариаций электрического поля в привод­
ном слое атмосферы в условиях волнения. — В сб.: М оделирование и экспери­
ментальные исследования гидрологии шельфовых морей. Л., изд. Л ГМ И , 1988,
вып. 100, с. 135— 142.
16. Т р оф им ов И. Л . К изучению электромагнитного поля, вызванного дви­
жением воды в .безграничном море. — Геомагнетизм и аэрономия, 1979, т. XIX,
№ 1, (126— 134).
17. Физика океана. П од ред. Ю. П. Д оронина. — Л.: Гидрометеоиздат, 1978.
18. Ш у л е й к и н В. В. Физика моря. — М.: Н аука, 1968.— 1083 с.
19. V o n n e g u t В. Electric potential above ocean w aves. — J. Geoph. Res, 1974,
79, N 24, p . 3480— 3481.
СО ДЕРЖ А Н ИЕ
Стр.
Введение ................................................................................. .... ........................... 3
1. Макроскопические электромагнитные свойства морской воды
ильда . .
.6
1. Электромагнитные свойства морской в о д ы ................................................................... 6
1.2. Макроскопические электромагнитные свойства морского льда . . .
.1 3
............... ................16
1.3. Уравнения, описывающие электромагнитное поле океана
2. Основные электромагнитные поля о к е а н а ............................................
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.5.
18
М агнитное поле З е м л и .....................................................................................
18
Электромагнитное поле океана динамической п р и р о д ы .............................20
Электромагнитное поле, генерируемое поверхностными волнами . . . 22
Генерация электромагнитного поля т е ч е н и я м и ................................................... 27
Теория теллурических токов в о к е а н е .................................................................... 33
3. Специфические электромагнитные поля, возбуждаемые гидро- и аэрофизическими процессами в зоне раздела океан — атм осф ер а ............................................ 38
3.1. Общие п о л о ж е н и я .................................................................... ................................................. 38
3.2. Специфические электромагнитные поля, возбуж даем ы е в приводном
слое атмосферы в условиях морского в о л н ен и я ................................................... 40
3.3. Электромагнитный «голос м о р я » ................................................................................48
3.4. Электромагнитные поля радиодиапазона, возбуж даем ы е в морском
ледяном покрове ............................................................................................. ....
51
4. Методы измерений характеристик морских электромагнитных полей . . . 54
4.1. М етоды измерений электрической составляющей электромагнитного поля 54
4.2. Технические средства измерений. Измерительные преобразователи . . 57
4.3. М етоды измерений магнитной составляющей электромагнитного поля 65
4.4. Технические средства измерений. Измерительные преобразователи маг­
нитного поля и его вариаций ......................................................................................67
85
CONTENTS
I n tr o d u c tio n
.
1. M a c r o s c o p i c
1.1.
1.2.
1.3.
.
.
.
.
.
.
.
e le c tr o m a g n e tic
.
.
.
.
................................................... .....
p ro p e rtie s
of sea
w a te r
and
3
i c e ................................6
E lectrom agn etic properties of sea w ater ..................................................................6
M acroscopic electrom agnetic properties of sea i c e ..........................................13
E quations for discription of an electrom agnetic field of the ocean
.
2. F u n d a m e n ta l
e le c tr o m a g n e tic
fie ld s
of
th e
o c e a n ................................................... 18
2.1. The m agnetic field of the E a r t h ............................................................................... . 18
2.2. The ocean electrom agnetic field of the dynam ic n a t u r e ...............................20
2.3. The electrom agnetic field generated by surface w a v e s ...............................22
2.4. G eneration of the electrom agnetic field by c u r r e n t s .....................................27
2.5. Theory of the telluric electric currents in the o c e a n .................................... 33
3. Specific electromagnetic fields, generated by hydro- and airphysical proces­
ses in the vicinity of the atmosphere — ocean b o u n d a r y .................................... 38
3.1. General d e s c r i p t i o n ................................. .......................................................................38
3.2. Specific electrom agnetic fields, generated in the atm osphere boundary
layer under influence of sea w a v e s .............................................
40
3.3. An electrom agnetic „sea v o ice” ............................................................................48
3.4. Low frequency electrom agnetic fields, generated in sea i c e ................... 51
4. M e t h o d s o t m e a s u r e m e n t s c h a r a c t e r i s t i c s o f s e a e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d s . . . 54
4.1. M ethods ot m easurem ents electric com ponent of electrom agnetic fields 54
4.2. M ethods ot m easurem ents m agn etic com ponent of electrom agnetic fields 52
86
.. 1 6
ЮР ИИ ПЕТРОВИЧ ДО Р О НИ Н
И В А Н АНТОНОВИЧ СТЕПАНЮК
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ ОКЕАНА
Учебное пособие
Редактор О. С. Крайнова
Сдано в набор 8.01.92. Подписано в печать 07.09.92. Формат бумаги 60x907ieБумага тип. № 2. Лит. гарн. Печать высокая. Печ. л. 5,5. Уч.-изд л. 6,0
Тираж 300 экз. Темплан 1992 г. поз 179. Зак. 1. С № 3.
РГГМИ, 195196, Малоохтинский пр., 98.
Типография ВВМУПП им, Ленинского комсомола