Атмосфера это внешняя газовая оболочка Земли, которая начинается у ее поверхности и простирается приблизительно на 3000 км в космическое пространство. С высотой у атмосферы меняются: давление, плотность, температура и другие физические свойства. Атмосфера содержит следующий химический состав (по объему): азот – 78,09%, кислород – 20,95%, аргон – 0,93%, углекислый газ – 0,03%. На долю остальных газов приходятся тысячные доли процента и меньше. Химический состав воздуха до высоты 100 км существенно не меняется. Слои атмосферы, расположенные несколько выше, также состоит главным образом из азота и кислорода. На высотах 100–110 км, под действием ультрафиолетовой излучения Солнца, молекулы кислорода расщепляются на атомы, появляется атомарный кислород. Выше 110-120 км кислород почти весь становится атомарным. Предполагается, что выше 400–500 км газы, составляющие атмосферу, также находятся в атомарном состоянии.

В результате температурных изменений атмосфера Земли на разных высотах имеет слоистую структуру. По температурным и физическим условиям ее делят на пять слоев. Вверх от поверхности Земли расположены: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера, экзосфера. Давление и плотность воздуха с высотой быстро уменьшаются. Основная масса атмосферы размещается в нижних слоях, прилегающих к поверхности земли. Быстрое уменьшение массы воздуха происходит на высоте выше 30 км. В слое между уровнем моря и высотами 5–6 км сосредоточена половина массы атмосферы, в слое 0–16 км – 90%, в слое 0-30 км – 99%. Вес воздуха у поверхности земли равен 1033 г/м³, на высоте 20 км он равен 43 г/м³, а на высоте 40 км лишь 4 г/м³. Высота слоя зависит от географической широты и времени года. Между слоями нет резких границ, некоторые из них частично перекрываются.

Тропосфера – нижний слой атмосферы Земли до высоты 10–15 км. Содержит около 80% массы всей атмосферы, взвешенную в атмосфере пыль и почти вся воду. Вертикальная мощность тропосферы значительно зависит от характера атмосферных процессов и достигает 16–18 км. Слой тропосферы не подвержен суточным и сезонным изменениям в экваториальной и тропической зоне. Над приполюсными и смежными областями верхняя граница тропосферы лежит на уровне 8–10 км. В средних широтах она колеблется от 8 до 16 км.

Переходный слой между тропосферой и вышележащей сферой (толщиной 1–2 км) носит название тропопаузы. Выше нее от высот 8–17 до 50–55 км простирается стратосфера. Начиная с высоты около 25 км, температура с высотой растет, достигая на высоте ~ 50 км (у границ слоя) максимальных положительных значений (+30 °С). Повышение температуры в этой сфере вызвано наличием озона. Под действием ультрафиолетовой радиации Солнца, молекулы кислорода расщепляются на атомы, появляется атомарный кислород. В процессе диссоциации молекулярного кислорода, ультрафиолетовое излучение поглощается. В слое возникают реакции, приводящие к образованию молекул озона (О₃) О₂ + О → О₃. Слой озона занимает часть стратосферы на высоте от 20 до 25 км (в тропических и умеренных широтах), в полярных – 15–20 км. Наличие в атмосфере озона меняет ее свойства. Излучение с длиной волны короче 290 нм полностью поглощается слоем озона, находящимся на высотах от 18 до 50 км (максимум плотности на высоте около 25 км). Общая толщина слоя озона, приведенного к нормальным условиям (т. е. к давлению 760 мм ртутного столба и температуре 0 °С), составляет около 3 мм. Озон защищает живую природу от действия ультрафиолетовых и других коротковолновых излучений, играет большую роль в создании режима температуры и воздушных течений в стратосфере. Температура воздуха в высоких широтах, в слое 10–40 км, зимой и летом резко различается. Зимой она опускается до –60 °С, –75 °С. Летом, вблизи тропопаузы, температура увеличивается до –45 °С. Выше тропопаузы температура растет. На высоте 30–35 км достигает –20 °С, что обусловлено прогреванием воздуха от слоя озона. В стратосфере не происходит процессов образования облаков, не выпадают осадки. Здесь очень мало водяного пара. Ранее считали: газы в стратосфере разделены по слоям, в соответствии со своими удельными весами. Предполагали, что при равенстве поглощенной и отраженной солнечной радиации, образуется равновесие температур в стратосфере и перемешивания воздуха не происходит. Данные, полученные с помощью радиозондов и метеорологических ракет, показали: температура изменяется в больших пределах, происходят интенсивная циркуляция воздуха ветром.

Над различными частями Земли количество озона неодинаково. В 1984 г. в слое над Антарктидой спектроскопическими методами была обнаружена «озоновая дыра» [46]. Спутниковые измерения позволили "оконтурить" озоновую дыру и следить за ее развитием. Измерения носили эпизодический характер, делались и делаются спектроскопическими методами. Депрессия озона, или озоновая «дыра», развивается в Антарктике ежегодно в весенний период. Разрушение озона в области, ограниченной стратосферным полярным вихрем, демонстрирует значительные межгодовые флуктуации, интенсивность которых сравнима с величиной многолетнего отрицательного тренда содержания озона, наблюдающегося с начала 80-х годов прошлого века [47].

В январе, мае, июле и сентябре 2019 года отмечались существенные отдельные отклонения ежедневных значений ОСО от нормы. Все аномалии, зарегистрированные на территории России и прилегающих территориях, были положительными. Средние значения ОСО над большей частью территории России в I квартале 2020 г. были ниже средних значений за период 1974–1984 гг. Над островами и побережьем Северного Ледовитого океана, в Центральной и Восточной Сибири снижение достигало 25–28%. Межгодовые флуктуации озона, по мнению ученых, вызваны причинами динамического характера. Это не позволяют однозначно определить многолетний тренд общего содержания озона.

Над стратосферой, примерно до высоты 80 км, лежит слой мезосферы. Наблюдениями с помощью метеорологических ракет установлено, что общее повышение температуры, наблюдающееся в стратосфере, заканчивается на высотах 50-55 км. Выше этого слоя температура понижается и у верхней границы мезосферы достигает –90 °С. Понижение температуры в мезосфере с высотой на различных широтах и в течение года происходит неодинаково. Снижение температуры происходит с большей скоростью в высоких широтах, медленней – в низких широтах. Средний вертикальный градиент температуры для мезосферы равен 0,23–0,31 °С на 100 м. Температура в мезосфере опускается до –138 °С. В верхней мезосфере (в слое мезопаузы) понижение температуры с высотой прекращается. Как показали новейшие исследования в высоких широтах, температура на верхней границе мезосферы летом на несколько десятков градусов ниже, чем зимой [48].

Атмосфера, лежащая выше 80 км, состоит главным образом из азота и кислорода. Выше мезосферы, на высоте от 80 до 800 км над поверхностью Земли, расположена термосфера, для которой характерно повышение температуры с высотой. По данным, полученным преимущественно с помощью ракет, установлено, что в термосфере уже на уровне 150 км температура воздуха достигает 220–240 °С, а на уровне 200 км более 500 °С. Выше температура продолжает повышаться и на уровне 500–600 км превышает 1500 °С. Предполагают, что газы, составляющие атмосферу выше 400–500 км, находятся в атомарном состоянии. Наблюдениями с помощью искусственных спутников Земли, было установлено: в течение суток температура в верхней термосфере значительно колеблется и достигает около 2000 °С. Температура газа – мера средней скорости движения молекул. В высоких слоях, где плотность воздуха очень мала, столкновения между молекулами, находящимися на больших расстояниях, очень редки. Чем вызван подъем температуры в высоких слоях атмосферы, ученые не знают. На высотах выше 110–120 км кислород почти весь становится атомарным. В сумерки, или перед восходом солнца, при ясной погоде, здесь наблюдаются тонкие облака серебристо-синего цвета, уходящие за горизонт. Природа серебристых облаков изучена слабо.

Давление и плотность воздуха с высотой быстро уменьшаются. Воздух на высоте 300–400 км и выше – разреженный, в течение суток его плотность сильно изменяется. Исследования показывают, что изменение плотности согласуется с положением Солнца. Наибольшая плотность воздуха – около полудня, наименьшая – ночью. Объясняют тем, что верхние слои атмосферы реагируют на изменение электромагнитного излучения Солнца. Поверхность, разделяющая термосферу от экзосферы, испытывает колебания в зависимости от изменения солнечной активности и других факторов. Экзосфера (сфера рассеяния) – самая верхняя часть атмосферы, расположена выше 800 км. Она мало изучена. По данным наблюдений температура в экзосфере с высотой возрастает предположительно до 2000°. Частицы в экзосфере, двигаясь с огромными скоростями, почти не встречаются друг с другом.

6.4. Ионосферные слои в атмосфере планеты

К ионосфере относится область атмосферы выше 50 км, содержащая заряженные частицы. Особенностью атмосферы выше 60-80 км является ее ионизация, т. е. процесс образования большого количества электрически заряженных частиц – ионов. Положительно и отрицательно заряженные атомы и молекулы называются ионами. Ионы и свободные электроны делают газ проводником электричества. Менее всего изучены высокие слои атмосферы. Современное понимание атмосферного электричества в начале XX века в физику внес Вильсон (C.T.R. Wilson). Он обнаружил наличие ионов в атмосфере и показал, что Земля заряжена отрицательно, а космические лучи вызывают разрядку планеты. Ранее предполагали, что верхняя граница атмосферы находится на высоте около 1000 км. Представление ученых о ионосфере Земли изменилось, после запуска искусственных спутников на орбиту. Результаты исследований показали, что околоземное пространство заполнено заряженными частицами. На основе торможения искусственных спутников Земли было установлено, что на высотах 700–800 км в 1 см³ содержится до 160 тысяч положительных ионов атомного кислорода и азота.

В исследовании высоких слоев атмосферы и околоземного пространства используются данные, получаемые со спутников серии «Космос» и космических станций. Применение ракет, а позже спутников, позволило непосредственно измерить ионный состав и другие физические характеристики ионосферы на всех высотах. Установлено, что концентрация электронов nе в слоях распределена по высоте неравномерно: имеются области, где она достигает максимума. Таких слоев, расположенных на разных высотах, в ионосфере несколько, они не имеют резко выраженных границ. На высоте 60–470 км имеется сплошной массив ионизованного газа с отдельными неоднородностями. Ранее предполагалось, что в ионосфере имеются четыре основных ионизованных слоя: слой D (на высоте 50 км), на высотах 110–120 км находится слой Е ~ 100 км, слой F₁ (120–200 км) и слой F₂ (250–400 км). Средняя концентрация ионизованных частиц (электронов/см³): слой D – имеет концентрацию 10⁴, слой Е – 10⁵, слой F₁ – 5·10⁵, слой F₂ – 10⁶ [49]. Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии № 857-ст введен в действие с 1 января 2020 г. межгосударственный стандарт «Ионосфера Земли» в качестве национального стандарта Российской Федерации [50]. Стандарт уточнил местоположение слоев.

Область F: часть ионосферы, расположенная над поверхностью Земли на высоте более 140 км.

Область Е: часть ионосферы, расположенная приблизительно между 90 и 140 км над поверхностью Земли.

Область D: часть ионосферы, расположенная приблизительно между 50 и 90 км над поверхностью Земли.

Слой F₂: верхний из двух ионизированных слоев, на которые может распадаться область F.

Слой F₁: нижний ионизированный слой из двух слоев, на которые может распадаться область F.

Слой E_S (спорадический): узкий, нерегулярно образующийся слой на высотах области Е.

Максимуму ионизации соответствует верхний слой (F₂). Положение ионосферных слоев и концентрация ионов в них все время меняются. Температура в ионосфере растет с высотой до очень больших значений и достигает 1000 °С на высоте ~ 800 км. Электропроводность атмосферы зависит от степени ионизации газов. Проводимость ионосферы в 10¹² раз больше, чем у земной поверхности. В ионосфере различают две части: простирающуюся от мезосферы до высот порядка 1000 км и лежащую над нею внешнюю часть. На высоте около 2000-3000 км газы, постепенно разрежаясь, переходят в мировое пространство.

7. Электрические свойства горных пород

Твердую оболочку Земли (земную кору) слагают различные типы горных пород, состоящие из определенного сочетания минералов, в состав которых входят различные химические элементы. Земная кора больше чем на 98% сложена из элементов О, Si, Al, Fe, Mg, Ca, Na, К. При этом свыше 80% составляют кислород, кремний и алюминий. В его центре находится ион кремния Si⁺⁴ , а в вершинах – ионы кислорода О^–2, которые создают четырехвалентный радикал [SiO₄]^–4. Частичная замена ионов кремния на трехвалентные ионы алюминия приводит к возникновению у такого соединения некоторого дополнительного отрицательного заряда. В земной коре минералы находятся, преимущественно, в кристаллическом состоянии, а незначительная часть – в аморфном [51].

Кристаллы – это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают определенные, упорядоченные положения в пространстве. Свойства кристаллических веществ обусловлены их составом. Кристалл состоит из ионов, попеременно заряженных противоположными зарядами. Электропроводность естественных кристаллов, меняется от вида к виду и зависит от примесей, заключенных в кристаллах. Кристаллический кварц является анизотропным одноосным кристаллом; плавленый кварц (стекло) – хороший диэлектрик. Многие вещества в кристаллическом состоянии, в отличии от металлов, не являются хорошими проводниками электричества. Их нельзя отнести и к диэлектрикам, т.к. они не проявляют себя хорошими изоляторами. Такие вещества, как германий, кремний, селен, различные оксиды, сульфиды и др. относят к полупроводникам, этих веществ большинство, их общая масса составляет 4/5 массы земной коры.

При исследовании электропроводности кристаллов кальцита и кварца А.Ф. Иоффе установил, что прохождение электрических токов через кристаллы-изоляторы характеризуется некоторыми особенностями. Если к кристаллической пластине, с обеих сторон покрытой слоем металла, приложить постоянную разность потенциалов, то возникнет ток, спадающий со временем, величина которого иногда не приближается к конечному пределу. Если снять напряжение и подключить обе обкладки к гальванометру, то будет зафиксирован противоположно направленный ток, который постепенно ослабевает и стремится к нулю. Оказалось, что кристаллы поляризуются, величина этой поляризации может достигать многих тысяч вольт. Это явление объяснили образованием встречной поляризации.

Стационарное состояние в газе, соответствующее току насыщения, устанавливается в течение долей секунды. В кварце, этот же процесс, занимает несколько секунд. Сразу после включения тока число свободных ионов в кварце остается тем же, но их скорости становятся прямо пропорциональными приложенной разности потенциалов. В начальный момент (0,5 сек) закон Ома остается еще справедливым, ионы постепенно подводятся к электродам. Через 3 секунды достигается состояние насыщения. В кварце ток насыщения наблюдается при приближении к напряженности поля от 10000 до 50000 В/см [52].

Влияние поля на кристаллы, по мнению А. Иоффе, определяется не их электропроводностью, а диэлектрическими свойствами. Прочная кристаллическая решетка, допускает только слабое диэлектрическое смещение ионов, а не полное их удаление и перемещение к электроду. При механических, температурных, электрических и оптических воздействиях на кристалл, ионы смещаются со своих положений равновесия как одно целое, вместе с присущим им зарядом. По отношению к постоянной электрической силе, ученый предлагает их считать упруго закрепленными в тех положениях, которые по строению кристаллической сетки соответствуют минимуму их потенциальной энергии [53]. Передвижение зарядов предполагает перенос самого вещества. Академик считает, что кроме переноса зарядов, образующих ток, аналогичные явления могут вызываться и вращением заряженных диполей. Если в данном веществе преобладает число молекул с такими свойствами, то поворот этих молекул представляет явление, аналогичное току. Положительные заряды при этом повороте смещаются в одну сторону, отрицательные – в противоположную. Происходит разделение зарядов, как при непосредственном их переносе сквозь диэлектрик [54]. Явления, разные по своей физической природе, но одинаковые по своим внешним проявлениям, представляют собой движение зарядов (ток).

Важной характеристикой свойств вещества, находящегося в недрах Земли, является удельная электропроводность горной породы. Она меняется в значительном интервале: от 10³ до 10^–7 (Ом·м)^–1 и зависит от минерального состава, фазового состояния, пористости, развитости системы трещин, насыщенности влагой, температуры, давления. До середины XX века основные сведения о распределении электропроводности в Земле были получены по данным электроразведочных работ и бурения. Данные электроразведки с искусственными источниками позволяли исследовать строение коры не более чем на 2–3 км. Рождение глубинной геоэлектрики произошло в 50-е годы, когда была высказана идея о возможности применения естественного электромагнитного поля внешнего происхождения для исследования электропроводности Земли. Его создают (главным образом) токовые системы, расположенные в ионосфере и магнитосфере Земли. Метод, основанный на использовании естественного электромагнитного поля, получил название "магнитотеллурический". В основе предложенного метода лежит упрощенная модель естественного электромагнитного поля. Предполагается, что первичное поле, возбуждаемое внешними источниками, однородно на горизонтальной поверхности Земли. В этом случае отношение взаимно перпендикулярных горизонтальных компонент электрического и магнитного полей, измеренных на поверхности Земли, будет зависеть только от периода вариации и распределения проводимости по глубине. Это отношение, названное импедансом Z, может быть вычислено по любой паре ортогональных компонент:

Z = E_x/H_y = – E_y/H_x.

Чем больше период вариаций, тем глубже поле проникает внутрь Земли. Изменение импеданса с ростом периода отражает изменение удельного сопротивления с глубиной. На практике удобнее следить за изменением кажущегося удельного сопротивления r_к, которое вычисляется по формуле [55]:

r_к = |Z|²/wμ,

w = 2π/Т,

где μ = 4π·10^–7 Генри/м – магнитная проницаемость вакуума; w – частота вариации поля, 1/с; T – период вариации в секундах; Z – в Ом.

Единица измерения удельного сопротивления в Международной системе единиц (СИ) – Ом·м. Значения r_к близки к истинному значению удельного сопротивления только в предельных случаях. При очень малых значениях периода, когда поле не проникает в нижележащий слой, значение r_к равно удельному сопротивлению первого слоя.

К основным электрическим и магнитным свойствам горных пород относится: удельное электрическое сопротивление, электрохимическая активность, диэлектрическая и магнитная проницаемость, поляризуемость. По величине удельного электрического сопротивления вещества подразделяют на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики. Диэлектриками называются вещества, не проводящие электрического тока. В них отсутствуют свободные электрические заряды. Поляризация диэлектриков – процесс образования объемного дипольного электрического момента (смещение электрических зарядов) в диэлектрике. При возбуждении электрического поля, происходит поляризация диэлектрика, что может сопровождаться появлением в нем механических сил, упругих напряжений и изменением температуры.

Если диэлектрик внести во внешнее электрическое поле, на его поверхностях появляются заряды. Под действием приложенного электрического поля, молекулы становятся электрическими диполями, ориентированными положительно заряженными концами в направлении электрического поля Е. Электростатическая индукция связана с тем, что в диэлектрических телах с одной стороны тела оказываются отрицательные концы диполей, а с другой – положительные. Смещение положительных и отрицательных зарядов диэлектрика в разные стороны называют электрической поляризацией. При наложении электрического поля диэлектрик становится поляризованным, дипольные моменты молекул ориентируются преимущественно в направлении поля. Заряды в диэлектрике могут смещаться из своих положений равновесия лишь на малые расстояния, порядка атомных [42. С. 57].

Электрическое поле неотделимо от зарядов, являющихся его источниками, оно однозначно определяется величиной и расположением зарядов. Заряженное тело возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле. Поле, возбуждаемое зарядами тела, существует в каждой точке пространства, даже если в него не помещено никакое другое тело. Оно проявляется в силе, действующей на другое заряженное тело, вносимое в это поле. Современная теория утверждает, что поле реально существует и, наряду с веществом, является одним из видов материи. Поле обладает энергией, импульсом и другими физическими свойствами. Заряды противоположных знаков могут нейтрализовать друг друга. Посредством полей осуществляются электромагнитные взаимодействия тел. Поле, которое они возбуждают, может продолжать существовать в виде электромагнитных волн. Оно может существовать самостоятельно, независимо от возбудивших его электрических зарядов [42. С. 115]. Понятие электромагнитного поля не связывают с упругими деформациями, натяжением, давлением и пр.

Поле внутри диэлектрика, создаваемое связанными зарядами, направлено против внешнего поля, создаваемого сторонними зарядами. Существуют диэлектрики, полярные молекулы которых обладают дипольными моментами в отсутствие электрического поля. Такие полярные молекулы беспорядочно ориентированы, совершают хаотические тепловые движения. Помимо электрически нейтральных молекул в диэлектрике могут существовать положительно или отрицательно заряженные ионы. Избыток ионов того или иного знака в какой–либо части диэлектрика означает наличие в этой части некомпенсированных макроскопических зарядов. Избыток ионов того или иного знака в какой-либо части диэлектрика означает наличие в этой части некомпенсированных макроскопических зарядов.

Деформационная поляризация наблюдается для веществ с неполярными молекулами. Они ориентируются, образуя диполи, под действием электрического поля. В молекулах неполярных диэлектриков (Н₂, N₂, ССl₄, углеводороды и др.) центры тяжести положительных и отрицательных зарядов в отсутствие внешнего поля совпадают, дипольный момент у молекул равен нулю. Горючие газы (углеводородные соединения) содержатся в земной коре в виде скоплений в пластах. Растворенные они присутствуют в нефти (попутный газ) и подземных водах. При помещении таких диэлектриков во внешнее электрическое поле происходит деформация молекулы (атома) и возникает индуцированный дипольный электрический момент молекулы, пропорциональный напряженности поля Е. При снятии внешнего поля поляризация исчезает.