книги из ГПНТБ / Егоров Н.И. Физическая океанография

широта, тем больше вариации), сезона года (возрастают в осенние и весенние периоды). Кроме того, вариации существенно зависят от характера местных условий, что особенно важно для океана. На шельфе, у островов, а тем более на материке, вариации будут различными, поскольку будет различной структура земной коры. Существенное влияние на вариации оказывают и водные массы (магнитогидродинамический эффект, обусловленный морскими те­ чениями). Наконец, в районе магнитных аномалий вариации будут больше.

Вариации охватывают широкий спектр частот: от вековых вариаций до вариаций с периодом долей секунды. Если вековые изменения имеют свои основные причины внутри Земли, то боль­ шинство кратковременных изменений вызывается внешними источ­ никами, влияющими на состояние ионосферы.

Все вариации геомагнитного поля сопровождаются соот­ ветствующими системами . электрических токов в морях и оке­ анах.

При проведении измерений магнитного поля с целью составле­ ния карт вариации выступают в роли помех, которые следует удалять с наибольшей тщательностью для повышения точности и надежности магнитного картирования.

Магнитные аномалии. Если бы Земля представляла собой одно­ родно намагниченное тело с магнитной осью, параллельной оси ее вращения, можно было бы вычислить значения «нормальных» элементов земного магнетизма в любой точке ее поверхности. Рас­ хождения между этими «нормальными» значениями напряжения горизонтальной составляющей и наблюдаемым фактически пред­ ставляют собой магнитную аномалию.

Аномальное магнитное поле отражает пространственное распре­ деление ферромагнитных минералов, входящих в состав магнито­ активного слоя земной коры и, возможно, верхней мантии. Вели­ чина напряженности аномального поля в любой точке земной поверхности или над ней обусловлена влиянием множества возму­ щающих тел, которые характеризуются различными размерами, формой, глубиной залегания, ориентировкой и намагниченностью слагающих пород. Несмотря на наличие определенных геологиче­ ских закономерностей, геометрические и физические признаки ис­ точников аномалий столь разнообразны, что обусловливаемое ими аномальное магнитное поле в пространственном восприятии высту­ пает в той или иной степени как случайное. Следовательно, рассмотрение аномального магнитного поля, как случайного, имеет физико-геологические основания, заложенные в самой природе

аномалии.

«Магнитные аномальные карты, — писал академик А. Д. Архан­ гельский, — являются своеобразным рентгеновским снимком, по­ зволяющим видеть то, что скрыто глубоко под покровом осадочных пород и что иным способом мы видеть не в состоянии».

Использование аномального магнитного поля, получаемого в ре­ зультате магнитных съемок (наземных, наледных. морских, воздуш-

30

ных, космических), для исследования строения нижних горизонтов земной коры и мантии началось совсем недавно.

Установлено, что магнитное поле в океанах резко аномально. Сильные аномалии обычно связывают с линиями разлома земной коры и с геологическими структурами больших глубин.

В местах магнитных аномалий изменяются электрическое поле и, очевидно, некоторые свойства водной толщи.

Шельфовым областям океана свойственно сложно построенное магнитное поле, отличающееся разнообразием простираний, конфи­ гурации и интенсивности аномалий.

Магнитные аномалии глубоководного ложа океана характери­ зуются правильной регулярной структурой, проявляющейся в на­ личии строго выдержанных простираний и в ритмичной смене знака. Иначе говоря, такие аномалии образованы множеством че­ редующихся отрицательных и положительных аномалий в виде узких полос или небольших пятен. «Выражаясь образно, — говорит Р. М. Деменицкая, — это поле как бы причесано под гребенку». Четкость и симметричность рисунка на картах аномалий позволила назвать океаническое магнитное поле «зебровым».

Отдельные крупные и локальные формы рельефа (острова) создают ярко выраженные магнитные аномалии.

В отличие от срединноокеанических хребтов глубоководные желоба выражены в магнитном поле менее отчетливо.

Аномальное магнитное поле позволяет определить либо проис­ хождение той или иной части океанского дна или указывает на определенный этап его развития. Однако современная изученность Земли в магнитном отношении еще крайне мала. Магнитными съем­ ками охвачено всего лишь около 10% площади земного шара.

Планомерная магнитная съемка морей и океанов дает возмож­ ность произвести морфоструктурное районирование акваторий, выявить районы со сложной морфологией дна, правильно выбрать очередность и сеть гидрографического промера.§

§ 5. Электрическое поле океана

Понятие о естественном электрическом поле. Широкое изучение электрических полей в земной коре началось с середины 19-го сто­ летия. Однако о существовании электрических токов в морях и океанах стало известно недавно. Они впервые были обнаружены А. Т. Мироновым в Баренцевом море в 1935 г. Наблюдения над морскими токами пока немногочисленны и ненадежны.

В результате совместного воздействия многочисленных физиче­ ских процессов в морях и океанах создается сложная картина токо­ вых систем, претерпевающих непрерывные изменения. Токи в море сравнительно слабы и для их измерения нужна высокочувстви­ тельная аппаратура. Разработанной теории электрических явлений в море не существует.

До настоящего времени при изучении естественного элек­ трического поля в морской среде основное внимание уделялось

31

теллурическим токам, т. е. естественным электрическим токам не­ стационарного режима, захватывающим обширные области земной коры. порядка сотен и тысяч квадратных километров. Главной при­ чиной образования теллурических (от латинского слова tellus — telluris — земля) токов считают изменение интенсивности солнеч­ ной радиации, создающей в атмосфере, гидросфере и литосфере пе­ ременное электромагнитное поле. Эти токи непрерывно изменяются во времени и в пространстве.

Однако кроме теллурических токов в океане существует также квазистационарное электрическое поле, вызванное различными физическими, химическими и биологическими процессами.

Электрическое поле может характеризоваться либо величиной тока, проходящего через замкнутый контур, либо разностью потен­ циалов между двумя выбранными точками.

Общепринятая методика измерения горизонтальных составляю­ щих естественного электрического поля основана на измерении разностей потенциалов между двумя электродами, обычно разнесен­ ными на 100 м друг от друга. Отдельные измерения вертикальной составляющей поля проводились со льда и с судна, стоящего на якоре. Применявшаяся при этом методика не отличалась от мето­ дики измерений горизонтальных составляющих, только один из электродов опускался на определенную глубину, а второй оста­ вался в поверхностном слое.

В 1962 г. был предложен более совершенный метод изучения вертикального распределения естественного электрического поля в водной толще. Измерения осуществлялись в двух модификациях, принятых в разведочной геофизике: потенциала и градиента потен­

При измерении градиента потенциала опускались оба электрода при неизменной базе. В ходе эксперимента индукционная составля­ ющая, вызванная течением, и теллурические токи исключались с помощью градиентомикрозонда.

Теллурические токи. Плотность теллурических токов (/) опре­ деляется по формуле

1=КЕ,

где X— электропроводность морской воды (выбирается из океано­ логических таблиц), Е — градиент потенциала электрического тока.

В среднем плотность теллурических токов в земной коре равна 2* 10~10 А/м2. Она значительно возрастает во время магнитных воз­ мущений и магнитных бурь. Обычно теллурические токи создают градиенты потенциала порядка от десятых до десятка милливольт на километр, но в периоды сильных магнитных бурь градиенты могут достигать десяти и более милливольт на километр.

По сравнению с токами на суше токи на морях имеют большую плотность. Электрический ток в море при градиенте 1 мВ/км соз­ дает плотность тока З-Ю-6 А/м2. При наблюдавшихся градиентах потенциала 100 мВ/км в Баренцевом море и 30 мВ/км в Черном

32

море плотность тока чрезвычайно велика по сравнению со средней плотностью токов на суше. Это создает большие перспективы для изучения процесса в общепланетарном масштабе, а не только для исследования Мирового океана. Большая плотность, а следова­ тельно, меньшие относительные ошибки при измерении, доступ­ ность, по сравнению с земной корой, проникновения на глубины дают возможность более глубокого, полного и точного изучения причин и динамики теллурических токов в целом.

Первые измерения теллурических токов в океане были сделаны в Атлантике В. В. Шулейкиным в 1957 г.

Поле теллурических токов испытывает постоянные вариации в связи с вариациями геомагнитного поля. Поэтому единичные из­ мерения поля теллурических токов в океане могут дать лишь ориен­ тировочные, чисто качественные оценки. Величина напряженности электрического поля в морской воде за счет вариаций колеблется в широких пределах (от нескольких до сотен мВ/км).

Очевидно, можно считать установленным, что с глубиной плот­ ность теллурических токов линейно увеличивается.

Индукционные (Фарадеевы) токи. Они возникают при движении морской воды в магнитном поле Земли. Согласно закону электро­ магнитной индукции Фарадея возбуждаемая при этом ЭДС опре­ деляется по формуле

(электромагнитный измеритель течения), применяемая для изме­ рения течений в поверхностном слое океанов и морей на ходу судна. Токи, индуцируемые течениями, следует рассматривать как квазипостоянные индукционные токи. Для средних широт, где Hz 0,5 Э, напряженность электрического поля, индуцируемая те­ чениями, при Vi —2 узла составляет 50 мВ/км.

Индуцированные токи, текущие вокруг океанских островов, могут вызывать локальные эффекты, обусловливающие уменьшение магнитных вариаций на море. Следует ожидать аномальных эффек­ тов также вблизи границ между океанами и материками, обуслов­ ленных той же токовой системой.

Измерения естественного электрического поля водной толщи показывают, что полученные значения потенциала, очевидно, связаны с магнитогидродинамическим эффектом, проявляющимся в возникновении индуцированного электромагнитного поля и токов, сопутствующих течениям.

Морские течения (например, ветровые) вызывают местные изме­ нения горизонтальной составляющей магнитного поля Земли, срав­ нимые с амплитудой его суточных вариаций.

Токи, обусловленные концентрационным эффектом. В морской воде имеют место локальные электрохимические процессы,

возникающие в результате диффузии ионов между слоями с различ­ ной концентрацией солей. Величина потенциала электрического поля, обусловленного диффузионными процессами, может быть определена по известной формуле Нернста, в которую введен попра­ вочный множитель за ионную активность морской воды. Для рас­ творов хлористого натрия, соответствующих концентрациям мор­ ской воды, формула имеет вид

Ed = —11,6/Clg-^—,

•bi -

где Si и S2 — соленость сопредельных водных масс, К — коэффи­ циент ионной активности морской воды, Ed — концентрационная разность потенциалов.

Токи, обусловленные биоэлектрическим эффектом. В формиро­ вании естественного электрического поля океана имеет существен­ ное значение и биоэлектрический эффект. Разность потенциалов, как показали эксперименты, проводившиеся в 1966 г. на Черном море, обусловлена скоплением микроорганизмов (например, сапро­ фитных бактерий и фитопланктона), локализующихся в слое повы­ шенного градиента плотности.

Токи, обусловленные суспензионным эффектом. Разность потен­ циалов создается за счет различных концентраций взвесей в со­ предельных водных массах. Наиболее значительно эффект проявля­ ется в бассейнах с пониженной соленостью. Величина разности потенциалов возрастает с увеличением концентрации суспензий и уменьшением размеров взвешенных частиц.

Конвекционные электродинамические токи возникают при кон­ вективном перемешивании ионизированных слоев морской воды в магнитном поле Земли. Они очень слабы и не могут быть измерены.

Электрические процессы в атмосфере (грозовое электричество), очевидно, оказывают существенное влияние на формирование элек­ трического поля и на токовую систему в верхних слоях океана. Однако ничего определенного об этом сказать пока нельзя.

Структура электрического поля.1 Удельный вес каждого из рас­ смотренных факторов может быть разным в отдельных районах Мирового океана. Измерения естественного электрического поля водной толщи обнаружили неоднородность его структуры. По ха­ рактеру структуры электрического разреза все зарегистрированные при вертикальных зондированиях кривые электрического потен­ циала можно подразделить пока на три типа (по мере увеличения числа наблюдений в различных районах океана, очевидно, значи­ тельно увеличится и количество типов).

Первый тип характеризуется возрастанием потенциала на 4— 6 мВ в верхнем слое, глубже потенциал меняется незначительно. Этот тип кривых характерен для Саргассова моря, моря Лаптевых

1 По Р. М. Деменицкой, А. М. Городницкому, 1Л. М. Казанскому, Н. Н. Трубятчинскому.

34

и юго-западной части Черного моря, где течения довольно слабые

(рис. 1.3).

Второй тип характеризуется возрастанием потенциала на 12— 20 мВ до горизонта 500 м, глубже, до горизонта 1000 м, происходит

с большими скоростями водных потоков

(рис. 1.4).

Третий тип характеризуется изменением потенциала перемен­ ного знака в пределах 3—5 мВ в верхнем 200—300-метровом слое, далее до горизонта 600—900 м наблюдается падение потенциала

естественного электрического поля в от- 1200

Структура электрического поля, величина и интенсивность вариаций в значительной степени зависят от характера магнитного поля района. Исходя из теоретических разработок Максвелла, Прайса и др., были сделаны попытки создать методы расчета

Глава II

СТРОЕНИЕ, ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОРСКОЙ ВОДЫ

§ 6. Современные представления о молекулярном строении воды

Вода состоит из 11,19% водорода и 88,81% кислорода, причем характерно, что по объему водорода в 2,00285 раз больше, чем кис­ лорода.

Аномалии воды. При рассмотрении воды как физического тела в ней можно заметить много особенностей — аномалий, отличаю­ щих ее от большинства других физических тел. Наиболее важные из них следующие:

1.Из кинетической теории следует, что плотность тела при по­ вышении температуры должна уменьшаться. Плотность воды при повышении температуры от 0 до 4° С увеличивается. При 4° плот­ ность становится наибольшей и при дальнейшем повышении темпе­ ратуры уменьшается.

2.При замерзании вода увеличивает свой объем (почти на 10%). Плотность пресного льда равна 0,9 г/см3. Плотность большинства

других тел, кроме висмута и галлия, увеличивается при переходе из жидкого состояния в твердое.

3.Вода обладает большой удельной теплоемкостью. При плавле­ нии льда (0°) отмечается увеличение удельной теплоемкости с 0,49

втвердой фазе до 1,009 в жидкой. Затем теплоемкость воды до тем­ пературы около 40° уменьшается и только после этого начинает уве­ личиваться.

4.Лед обладает исключительно большой теплотой плавления, равной 79,4 калорий на грамм, т. е. вода и лед при 0° отличаются по содержанию скрытой энергии почти на 80 калорий.

5.Скрытая теплота парообразования очень велика — 539 кало­ рий на грамм при температуре 100°.

6.Диэлектрическая постоянная воды е при 20° равна 81 единице СГСЭ, а у большинства других тел она находится в пределах от 2 до 3 единиц.

37

Прямым следствием такой большой диэлектрической постоян­ ной, с химической точки зрения, является большое ионизирующее свойство воды (расщепление растворенных веществ на ионы) и па­ раллельная ей большая способность к растворению.

7.Коэффициент преломления света в воде п= 1,34. Между тем

как по волновой теории света, он должен был бы быть равным п =

= Уе =9.

Все эти аномалии объясняются строением молекулы и особен­ ностями структуры воды.

Молекулярное строение морской воды. Для выяснения строе­ ния молекулы воды рассмотрим, как расположены два атома (по­ ложительных иона) водорода относительно одного атома (отрица­ тельного иона) кислорода. Это можно сделать, исследуя тепловое движение молекулы, которое можно представить как сумму шести составляющих. Три из них характеризуют поступательное движение вдоль трех взаимно перпендикулярных осей, а три другие — враща­ тельное— вокруг тех же осей. Эти составляющие характеризуют шесть степеней свободы молекулы.

Максвелл и Больцман доказали, что при тепловом движении молекулы газа (а следовательно, и водяного пара) на каждую из степеней свободы приходится одинаковое количество кинетической

*-4 кт-

Полная кинетическая энергия грамм-молекулы любого газа, со­ держащей N молекул, будет

где М = 6,02472-1023 г/моль — постоянная Авогадро.

Произведение из постоянной Больцмана k и постоянной Авога­

С кинетической энергией связана теплоемкость газа при посто­ янном объеме, которая может быть подсчитана из соотношения

38

Для модели молекулы водяного пара, представляющего собой газ с шестью степенями свободы

g

с*= — £ = 5,958 кал/град • моль.

Точные измерения показали, что у водяного пара при низких температурах молекулярная теплоемкость cv стремится к этой ве­ личине. Следовательно, можно утверждать, что строение молекулы водяного пара должно быть таким, чтобы обеспечивалось шесть сте­ пеней свободы молекулы. Этому условию соответствует только та­ кая модель молекулы, в которой составляющие ее ионы (атомы) не располагаются на одной прямой.

Одной из наиболее подходя­ щих моделей молекулы водяного пара является модель, в которой ядра атомов располагаются по вершинам равнобедренного тре­ угольника таким образом, что центр инерции их лежит вблизи вершины его, занимаемой ядром кислорода. Вокруг этого центра инерции движутся электроны. Уп­ рощенно можно принять, что электронная оболочка молекулы есть сфера радиуса г.

Геометрический образ модели молекулы водяного пара пред­ ставлен на рис. 2.1. Доказано, что молекулы воды имеют анало­ гичную структуру. Физическое обоснование приведенной выше

модели объясняется связями электрического происхождения. Всту­ пая в химическое соединение, при образовании воды атом кисло­ рода присоединяет к своей системе по одному электрону, отнятому от атомов водорода, и тем самым становится отрицательно заря­ женным ионом. В свою очередь, оба водородных атома, лишенные электронов, превращаются в положительно заряженные ионы.

Исследование этих электрических связей показало, что молекулы воды образуют электрический диполь, обладающий значительным результирующим электрическим моментом (1,84-10-18 электроста­ тических единиц). Поэтому, попадая в электрическое поле, они сами воздействуют на это поле, давая сильную поляризацию, которая характеризуется большой диэлектрической постоянной (е = 81 еди­ нице СГСЭ). Такой большой результирующий момент возможен только при строении молекулы воды по модели молекулы водяного пара.

В настоящее время известны с большой точностью основные эле­ менты, характеризующие геометрическую модель воды (рис. 2.1). Расстояния между атомами водорода НН = 1,50-10~8 см, между

39