Влияние солнечной активности на генерацию импульсов радиоволн земной коры

В результате анализа данных мониторинга естественного импульсного электромагнитного поля Земли на Камчатке и Сахалине в январе - марте 2010 г. установлено, что уровень электромагнитных шумов анти- коррелирует с солнечной активностью (коэффициент корреляции - 0,88 [109, рис. 38]. Для объяснения данного явления выдвигаются следующие предположения: во время солнечной вспышки интенсивность вторичных космических лучей, особенно нуклонов, резко возрастает (рис. 39), а следовательно, должна возрастать и электропроводность литосферы, так как вторичные нуклоны косвенно ионизируют породы литосферы. В этом случае глубина скин-слоя в земной коре должна резко уменьшиться. В свою очередь, амплитуда электромагнитного сигнала обратно пропорциональна электропроводности земной коры. Следовательно, минимальное количество импульсов радиоволн должно наблюдаться во время максимума развития солнечной вспышки.

Естественное импульсное электромагнитное поле Земли (ЕИЭМПЗ) генерируется горными породами в процессе непрерывного движения земной коры. Импульсы возникают на границах блоков земной коры, в структурных и литологических неоднородностях, трещинах. При определенных способах установки датчиков и соответствующей настройке чувствительности аппаратуры удается отстраниться от атмосферных помех и обеспечить преимущественный прием импульсов из литосферы, которые содержат информацию о физических свойствах горных пород. Благодаря этому метод мониторинга вариаций ЕИЭМПЗ применяют для оценки сейсмогеодинамического состояния геологической среды и степени сейсмической опасности. Однако динамика ЕИЭМПЗ, регистрируемого на поверхности земли, определяется не только источниками электромагнитной эмиссии, но и колебаниями параметров среды между источником и приемником импульсов, в частности колебаниями проводимости литосферы. Одним из факторов, оказывающих влияние на проводимость верхних слоев земной коры, является солнечное излучение, а также затяжные дожди в регионах.

Рис. 38. Вариации интенсивности нуклонного компонента и импульсов радиоволн земной коры во время солнечной вспышки 8 февр. 2010 г. [109]

Наибольшие вариации интенсивности испытывает нуклонный компонент (до 5000 %) [3,13,54,55]. Вариации общеионизующего компонента (мюонов и электронов) не превышают 10 %. Проникая в верхний слой земной коры, нейтроны способствуют косвенной ионизации вещества. Следовательно, в максимум развития солнечной вспышки электропроводность литосферы должна скачкообразно увеличиваться (в течение 15 мин), особенно в высоких широтах. Переменные токи, текущие в ионосфере, индуцируют в Земле магнитотеллурическое поле, глубина проникновения которого зависит от периода вариаций (скин-эффект) и распределения электропроводности [110, 111]. Во время солнечной вспышки горизонтальная составляющая геомагнитного поля претерпевает вариации, что должно вносить дополнительный вклад в изменение электропроводности литосферы, хотя и значительно меньший, чем вариации интенсивности вторичных космических лучей. Непосредственно перед падением интенсивности радиоволн наблюдается резкий всплеск электромагнитного сигнала, так как вследствие эффекта Форбуша [112, 113] электропроводность земной коры резко уменьшается в результате падения интенсивности вторичных космических лучей. Далее электромагнитный сигнал медленно возрастает в течение 8-10 ч. Это объясняет антикорреляцию числа импульсов радиоволн с вариациями интенсивности вторичных космических лучей (преимущественно нуклонов).

Рис. 39. Вариации числа импульсов радиоволн (ряд 1) и электропроводности (ряд 2) литосферы [ 109]

На рис. 38. изображены вариации интенсивности нуклонного компонента и числа импульсов радиоволн, генерируемых литосферой на Сахалине 8 февр. 2010 г. во время солнечной вспышки. Видно, что число импульсов радиоволн антикоррелирует с интенсивностью нуклонов. На рис. 39 показаны вариации числа импульсов радиоволн и электропроводности литосферы. Следует отметить, что аналогичный эффект наблюдался в экспериментах с водопроводной водой: при максимальной солнечной активности электропроводность воды увеличивалась [114], но данный эффект пока не получил должного объяснения.

Очень кратко опишем модель электропроводности земной коры. Электропроводность почвы сильно зависит от механического, химического состава и влажности. Так как природа проводимости в значительной степени ионная (растворы электролитов), то она повышается при увеличении её солёности и влажности (уменьшается удельное сопротивление) Среднее значение удельного сопротивления почвы (глины, глинистые сланцы, илистая, суглинок) - 4,06 Ом - м [115].

Амплитуда электромагнитного сигнала обратно пропорциональна электропроводности земной коры. Поэтому рассмотрим подробнее влияние солнечной активности на электропроводность верхнего слоя земной коры. Пусть электропроводность задается выражением

где Е_п, E_Q, Е^ - энергия нейтронов, электронов и мюонов соответственно; L, /_е, /_ц - свободный пробег до поглощения нуклонов, электронов и мюонов;/,*, j_Q,jp - интенсивности нуклонов, электронов и мюонов.

Выражения для пространственного распределения вторичных нуклонов и электронов при максимальной и минимальной солнечной активности получены в пп. 2.3, 3.3 [54, 65] на основе синтеза двух методов: коэффициентов связи [13, 54, 65] и последовательных поколений [54, 65].

Тогда электропроводность земной коры при максимальной солнечной активности можно задать формулой

где р, Це - подвижность для почвы и электронов соответственно.

Например, если во время сильнейших солнечных вспышек, зарегистрированных 23 февр. 1956 г. [82] и 25 мая 2010 г., максимальное увеличение интенсивности нуклонов достигало 50 000 %, то электропроводность земной коры должна была, соответственно, возрасти, по крайней мере, в 2 раза. На рис. 39 показаны вариации числа импульсов радиоволн и электропроводности литосферы. Из рис. 39 видно, что максимум интенсивности нуклонов смещен относительно пика импульсов радиоволн, и поэтому корреляция не так заметна, как на рис. 38. Это, скорее всего, связано с суточным вращением Земли.

Глубина скин-слоя обратно пропорциональна электропроводности:

где с - скорость света; со - частота радиоволн. Тогда глубина скин-слоя при максимальной солнечной активности определяется по формуле

Рис. 40. Пространственное распределение глубины электропроводности во время солнечной вспышки 8 февр. 2010 г. в Северном полушарии [109]

Рис. 42. Пространственное распределение относительных вариаций электропроводности во время солнечной вспышки 8 февр. 2010 г. в Северном полушарии [109]

Рис. 44. Пространственное распределение глубины скин-слоя во время солнечной вспышки 8 февр. 2010 г. в Северном полушарии [109]

Рис. 46. Пространственное распределение относительных вариаций глубины скин-слоя во время солнечной вспышки 8 февр. 2010 г. в Северном полушарии [109]

Относительные вариации глубины скин-слоя при максимальной солнечной активности определяют по формуле

На рис. 40, 47 показано пространственное распределение и относительные вариации электропроводности наружного слоя земной коры и глубины скин-слоя в периоды максимальной солнечной активности в Северном и Южном полушариях. Из рис. 39, 40 следует, что максимальное увеличение интенсивности во время солнечной вспышки соответствует 85° N и 90° S - в этих областях относительные вариации достигают почти 100 % в Северном полушарии и 50 % в Южном полушарии, а далее следует спад по экспоненциальному закону. В обоих полушариях наблюдается экспоненциальная зависимость от глубины почвы, но вариации электропроводности практически не зависят от глубины слоя почвы. На рис. 41, 44 видно, что глубина скин-слоя также изменяется по экспоненциальному закону в зависимости от географической широты и глубины почвенного слоя, при этом в области полярных широт толщина скин-слоя минимальная, следовательно, в данной области будет наблюдаться максимальное поглощение радиоволн во время солнечной вспышки. Относительные вариации глубины скин-слоя достигают 50 % в обоих полушариях.

Итак, резкое поглощение радиоволн в земной коре при максимальной солнечной активности объясняется резким возрастанием свободных носителей заряда. Это явление аналогично ППШ (поглощение в полярной шапке) [111, 112, 115], которое есть следствие увеличения электропроводности ионосферы в результате возрастания интенсивности вторичных космических лучей. Непосредственно перед падением интенсивности радиоволн наблюдается резкий всплеск электромагнитного сигнала, так как вследствие эффекта Форбуша электропроводность земной коры резко уменьшается в результате падения интенсивности вторичных космических лучей. Далее электромагнитный сигнал медленно возрастает в течение 8- 10 ч. Это объясняет антикорреляцию числа импульсов радиоволн с вариациями интенсивности вторичных космических лучей (преимущественно нуклонов).