Найбільш важливою і найдосконаліше вивченою властивістю є електрична провідність. Електрична провідність як властивість се редовища переносити електричні заряди під впливом зовнішнього електричного поля найчастіше кількісно оцінюється питомим елек тричним опором ре, який є величиною, оберненою у(ре = І/у)- Оди ницею вимірювання ре є Ом м, значення у вимірюється в сименсах на метр (См/м). Сименс на метр дорівнює питомій електричній про відності провідника, який при площі поперечного перерізу 1 м2 і довжині 1 м має електричну провідність 1 См.
Залежно від природи електричних зарядів розрізняють електрон ну, іонну і змішану електричні провідності. Перша з них властива металам, рудним тілам, силікатним і оксидним матеріалам. Іонна провідність притаманна електролітам, їх водним розчинам і при родним водам. Для гірських порід здебільшого характерна елект ронна, іонна та змішана електрична провідність, атмосфері - іонна. За значенням ре природні речовини поділяють на провідники (104...10-1 напівпровідники (101 10*) і діелектрики (>106) Ом м. ), ... Такий поділ умовний, оскільки сухі і вологі гірські породи, морські й прісні води, поміщені в змінне електромагнітне поле, можуть про являти себе або як провідники, або як діелектрики. Зокрема, морсь ка вода при низьких частотах (у/а/є = 1... ІО-4) є провідником, а при надвисоких частотах (у/со'є = 101) - діелектриком. 0 Електрична провідність атмосфери. До складу атмосфери вхо дять нейтральні молекули і атоми, позитивно і негативно заряджені іони та вільні електрони. Внаслідок наявності електрично заряд жених частинок атмосфера володіє електропровідністю, яка в кож ній точці визначається джерелами іонізації та іонними констан тами. Основними збудниками електрично заряджених частинок в ат мосфері, або основними іонізаторами атмосфери, є космічні про мені, сонячна і земна радіація (випромінювання). Кожну секунду через площу в 1 км2 атмосфери в напрямку зем ної поверхні з Космосу влітає понад 10000 релятивістських (таких, що рухаються зі швидкістю, близькою до швидкості світла) заря джених частинок. Вони називаються космічними променями. По ходження більшої частини цих променів пов’язують з грандіозни ми вибухами т. зв. наднових зірок у Галактиці. При взаємодії з атомними ядрами атмосфери ці частинки ви кликають утворення величезної кількості електронів і мезонів різних знаків і енергії (вторинне космічне випромінювання). Переважна частина сонячної радіації ультрафіолетового та рент генівського діапазонів поглинається у верхніх шарах атмосфери (вище 40 км). Цей процес супроводжується розщепленням атомів атмосфери на іони - носії електрично заряджених частинок. Корпускулярне сонячне випромінювання також іонізує атмо сферу в межах, тотожних тим, які викликаються електромагнітним випромінюванням Сонця. Особливо це стосується полярних районів Землі. Земна радіація іонізує атмосферу безпосередньо біля земної поверхні. Оскільки випромінювання радіоактивних речовин зем-
мої кори майже повністю поглинається приповерхневим шаром, то іонізатором нижньої атмосфери є вторинні продукти радіоактив ного розпаду. В атмосфері іони утворюються також у результаті її збурення продуктами атомної промисловості, випробувань ядерної зброї, а також короткохвильового випромінювання зірок та за рахунок метеорних часток. Мають місце й інші, локальні іонізатори атмо сфери (ударна іонізація під час гроз, механічна іонізація, що вини кає в ході морських прибоїв і річкових водопадів, хімічна іонізація при виверженні вулканів тощо). Суттєве значення для іонізації ат мосфери має вміст в ній вологи, твердих мінеральних часток, інших домішок, які сукупно знижують електричну провідність ат мосфери. Поряд з іонізацією в атмосфері протікає зворотний процес рекомбінація (з’єднування) іонів і електронів з утворенням нейт ральних атомів і молекул із вільних електронів та позитивних атом них і молекулярних іонів. Рекомбінація позитивних і від’ємних іонів має місце переважно у нижніх шарах атмосфери, позитивних іонів з електронами - у верхніх шарах атмосфери. У результаті іонізації і рекомбінації в атмосфері утворюються носії електричного струму різної величини. Електрична провідність гідросфери. Загалом природні води яв ляють собою суміш розчинів електролітів. Електричні заряди в них під дією зовнішнього електричного поля переносяться іонами. Пи тома електрична провідність води у залежить від концентрації роз чину пї, валентності іонів г ±, їх рухомості І/ і електричної актив ності V. В одиницях СІ (См/м) ця залежність має вигляд
у = Ю*'Цут'2±(^о + С/0)] '
(21.1)
де: 1/0 і и д - рухомість одиничного заряду. Зовсім чисті природні * води є поганим провідником. Так, при температурі 18 °С електрич на провідність води, позбавленої будь-яких домішок, становить 3,8-10"* См/м, дистильованої води - 2-10-4См/м, морської - 3...7 См/м. Такі малі значення у чистих вод пояснюються частковою дисоціа цією їх на іони Н *і ОН . Проте води материків і Світового океану ніколи не бувають хімічно чистими. Вони містять розчинені солі, гази, органічні спо луки. Підвищення солоності води супроводжується ростом концен трації іонів і, як наслідок, - збільшенням у. Підвищення температу ри морської води призводить до зростання електричної провідності. У зв’язку із значною просторовою і часовою мінливістю соло ності і температури води, особливо у верхньому шарі, електрична
провідність морських вод, як і атмосфери, має нерегулярний ре жим. Електрична провідність вод річок, озер, боліт теоретично і екс периментально вивчена слабше, ніж морських вод. Узагальнені дані показують, що концентрація електронів у них незначна (0,1... 0,001 моль), а тому у складає всього 0,1 ТО'2...2,410'2 См/м. Електрична провідність літосфери. Тут у змінюється у значно більших межах, ніж це властиво для морської води, оскільки елект рична провідність кристалів, мінералів і гірських порід має досить різні значення. Електропровідність складових земної кори і зем них надр у значній мірі залежить від цілого ряду змінюваних у часі та просторі факторів (температури, мінеральної структури гірських порід, вмісту в них вологи, газів, нафти). Тому лише стосовно од нокомпонентних непористих гірських порід можна говорити про певні або однозначні величини у. Значною мірою таке становище пов’язане із різною електричною провідністю вологи, що знахо диться у порах гірських порід, і зовнішньої мінералізованої води. Просторові зміни електричної провідності (або електричного опору) у земній корі та мантії вивчені недостатньо. Достовірно ви значені поки що опори осадових товщ (1... 100 Омм). Складність роботи полягає у визначенні сукупного впливу високих темпера тур і тиску, а також оцінки впливу незначних варіацій складу порід на ре. Тому гірських порід у земній корі оцінюють шляхом лабо раторних досліджень і електрозондування, а у верхній мантії - по залежності рг лише від температури. Розраховані значення як величини, що залежить тільки від температури, за даними Інститу ту геофізики ім. С. І. Субботіна, подано у табл. 21.1. Таблиця 21.1. Питомий електричний опір земної кори, верхньої і середньої мантії Глибина, км 0...40 40...80 80...120 120...160 160...200 р^, Ом-м 5000 5000 5000 2000
У літосфері з глибиною електричний опір рг зменшується, що обумовлює зростання питомої електричної провідності у земних надр. Ще більш побічні дані є щодо електричної провідності ядра Землі. Більшість оцінок рг ядра отримано шляхом простої екстра поляції значень опору чистого феруму при високій температурі і тискові з урахуванням 10 % домішок ніколу (оскільки припускається саме такий хімічний склад ядра Землі). Для цих умов багато ав торів вважають, що ре ядра Землі знаходиться в межах 11ТО'5... 22Т0'4 Ом м. Інші електромагнітні властивості Землі. Якщо у є основною електричною характеристикою провідників, то для діелектриків такою ознакою є відносна діелектрична проникність е. Вона зале жить від полярних властивостей молекул речовини, температури, вмісту і властивостей домішок, а також від частоти зовнішнього поля. Вимірюється у безрозмірних одиницях від 1 до 80. Значення діелектричної проникності дистильованої, прісної і морської води для частот від 1 до 2104 МГц приблизно однакові і складають в середньому 80. За частоти 2,652 ГГц при зростанні тем ператури від 5,5 до 240 °С є прісної води зменшується від 80,52 до 77,44. На більш низьких частотах зміни значення є морської і прісної води лінійно залежать від температури. Для гірських порід значення є змінюється в широких межах. Ді електрична проникність порід при збільшенні їх вологості зростає, оскільки є води приблизно у 10... 12 разів вища, ніж у породотвір них мінералів. Діелектрична проникність порід в міру переходу від кислих до основних підвищується, так як в останніх більший вміст плагіоклазів і кольорових металів. Магнітна сприйнятливість % характеризує здатність речовини м змінювати свій магнітний момент під впливом зовнішнього магніт ного поля. У залежності від числового значення і знака хм всі при родні речовини поділяють на діамагнітні, парамагнітні і феро магнітні. Для повітря магнітна сприйнятливість практично дорів нює одиниці, тобто повітря не змінює зовнішнього магнітного поля. Природні води являють собою діамагнітну речовину. Для них є від’ємною величиною, яка залежить від температури і фазового стану води (табл. 21.2).
Таблиця 21.2. Магнітна сприйнятливість води
Фазовий стан води Рідка Тверда Важкогідроґенна; рідка тверда
Температура, К 293 273 273
Хм-104 - 12,97 - 12,93 - 12,65
276,8 276,8
- 12,76 -12,54
Вважається, що осадові породи, якщо вони не містять феромаг нітних речовин, загалом є немагнітними. Магнітні властивості цих порід визначаються наявністю в них акцесорних парамагнітних і феромагнітних мінералів. Всі магматичні породи поділяються на феро-парамагнітні та феромагнітні. У феромагнітних порід підви щена намагніченість може бути пов’язана з парамагнітними й фе ромагнітними мінералами (магнетит, магеміт, піротин). Магнітні властивості метаморфічних порід змінюються в найширших межах. Серед них трапляються діамагнітні, феро-парамагнітні та феро магнітні. Магнітні властивості їх залежать від складу та властивос тей первинного субстрату, а також від видів процесів їх перетво рення.
Від’ємний знак % для діамагнітних тіл (дерево, мармур, скло, м нафта, гіпс, кам’яна сіль, а також деякі метали - золото, срібло, свинець, мідь та ін.) характеризує направленість магнітного момен ту в сторону, протилежну зовнішньому магнітному полю. Це озна чає, що діамагнітні речовини під дією магнітного поля намагнічу ються в напрямку, протилежному діючому полю; вони викликають послаблення магнітного поля Землі, тобто від’ємні магнітні ано малії. До парамагнітних тіл належать 0 2, оксиди Нітрогену, солі рідкісноземельних елементів, лужні і лужноземельні метали та ін. Магнітна сприйнятливість в них додатна і співпадає з напрямком зовнішнього магнітного поля. Зазвичай вона сягає 10~5...10'3 оди ниць у залежності від температури, агрегатного стану і хімічного складу речовини. Гірські породи, що містять парамагнітні речови ни, створюють найбільші додатні магнітні аномалії. їх магнітна про никність сягає дещо більше одиниці. Феромагнітні речовини (ферум, нікол, кобальт та інші метали, деякі оксиди їх) володіють рядом характерних властивостей і ознак. Вони здатні сильно намагнічуватись. їх позитивна магнітна сприйнятливість часто складає одиниці, а іноді десятки і тисячі оди ниць. Це означає, що у порівнянні з діа- і парамагнітними речови нами феромагнітні в даному полі намагнічуються сильніше в мільйон разів. Через наявність феромагнітних речовин магнітне поле посилюється у десятки і сотні разів. Це призводить до утво рення на Землі потужних додатних магнітних аномалій. Іншою особливістю цих речовин є їх здатність зберігати набуту намагні ченість або володіти залишковим намагнічуванням.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Електромагнітні властивості геосфер» з дисципліни «Геофізична екологія»
