Низкочастотные МТ-вариации

Физическая природа низкочастотных вариаций МТ-поля тесно связана с процессами на Солнце, создающими солнечный ветер – непрерывный, изменяющийся по интенсивности поток корпускул – заряженных частиц, набегающих на Землю. Земля представляет собой большой магнит, обращенный к Солнцу экваториальной областью. Силовые линии геомагнитного поля образуют магнитосферу Земли. Солнечный ветер набегает на магнитосферу со скоростью 400 км/с, но не может проникнуть внутрь нее, так как обладает высокой электропроводностью и поэтому «обегает» магнитосферу вдоль внешних магнитных силовых линий (рис. 2.1). Таким образом, магнитосфера выполняет роль щита, оберегающего все живое на Земле от губительного радиационного влияния солнечного ветра.

Тем не менее, часть проводящего потока солнечного ветра, проникает во внутреннюю область магнитосферы и концентрируется вдоль 70^й широты Северного и Южного полушарий Земли, образуя токовые полосы («электроджеты») шириной в сотни километров и длиной во многие тысячи километров (Рис. 2.1). В периоды магнитных бурь сила тока вдоль этих полос достигает 1,5 – 2 млн. ампер. Интенсивность солнечного ветра подвержена широким изменениям по амплитуде и частоте, что порождает вариации геомагнитного и теллурического полей. Выделяются 4 основных типа геомагнитных вариаций – мировые магнитные бури, солнечно-суточные вариации, бухтообразные возмущения и пульсации
(рис. 2.2).

Мировые магнитные бури (рис 2.2.а) – это мощные возмущения магнитного поля интенсивностью во многие сотни нТл, фиксируемые во всех обсерваториях мира. Природа их объясняется так называемыми хромосферными всплесками на Солнце. Для магнитной бури характерно внезапное начало, которое длится от 1 до 6 часов (рис 2.2.а). Эта фаза магнитной бури (SC вариация) фиксирует интенсивное вторжение заряженных частиц в магнитосферу Земли. Затем следует главная фаза магнитной бури, которая длится от 1 до 5 суток. Она связана с возникновением и распадом экваториального кольцевого тока, радиус которого равен 4-5 радиусам Земли.

Солнечно-суточные вариации (рис. 2.2.б)объясняются суточными деформациями токовых струй в ионосфере Северного и Южного полушарий по мере вращения Земли и изменения ее освещенности Солнцем. Определяются они по 5 спокойным дням (S_q, quite) или по 5 возмущенным дням (S_d, disturbed). Средняя интенсивность их составляет 50 нТл (рис. 2.2.б). Благодаря монохроматической природе и значительной интенсивности они легко обнаруживаются и имеют важное значение для решения задачи глубинного зондирования Земли, а также для оценки качества измерительной аппаратуры.

Бухтообразные возмущения, «бухты» (рис. 2.2.в) проявляются в виде плавного нарастания и последующего постепенного снижении интенсивности магнитного поля в течение от 30 минут до 2-3 часов. Форма вариаций напоминает залив или бухту, отсюда и название. В условиях Балтийского щита интенсивность бухт достигает сотен нТл, а в средних широтах подает до десятков нТл.

КПК пульсации (рис. 2.2.г) – короткопериодные колебания геомагнитного поля в диапазоне частот от 10^-3 до 5 Гц. Выделяются устойчивые квазисинусоидальные пульсации (Р_с, pulsations continuous) и нерегулярные пульсации случайного характера (P_i, pulsations irregular). Интенсивность Р_с и P_i пульсаций в среднем увеличивается от низких широт к высоким и от высоких частот к низким. На территории Балтийского щита средняя интенсивность КПК пульсаций в наиболее регулярном диапазоне периодов 20-60 с составляет 30-100 мВ/км по электрическому полю и 10-15 нТл по магнитному полю. В диапазоне периодов от 10 с до 0,3 с наблюдается так называемая «мертвая зона», где интенсивность и вероятность появления КПК вариаций резко снижена.

Различают два типа поляризации КПК – линейную и нелинейную. При линейной поляризации поле не меняет направление и изменяется только по величине. При нелинейной (эллиптической или круговой) поляризации меняется величина и направление поля. Это наиболее благоприятные вариации для зондирования, так как дают богатый материал для исследования горизонтальной неоднородности строения Земли при разном направлении поляризации первичного поля.

2.2. Вариации АМТ диапазона (1 – 10⁴ Гц).

Природа вариаций в звуковом (АМТ) диапазоне связывается, главным образом, с приземными, некосмическими явлениями – с грозовыми разрядами. Их называют атмосфериками. В западной литературе АМТ вариации называют ELF (Extra Low Frequency) излучением. Атмосферики сопровождаются свистом и шипением. Они возбуждают возмущения, так называемого очень низкочастотного (ОНЧ) диапазона в интервале частот от единиц герц до десятков килогерц и выше. Считается, что основным источником АМТ вариаций (атмосфериков) являются центры грозовой активности, среди которых выделяются три основных центра - экваториальная Африка, Парагвай и Пакистан. Наибольшее число гроз приходится на Центрально-Африканский массив. Поэтому источниками АМТ-вариаций принято называть «африканские» грозы.

Ярким примером АМТ вариаций являются возмущения, распространяющиеся в волноводе «Земля-ионосфера» с примерными резонансными частотами – 7.5, 15, 20, 25, 32 Гц (Шумановские резонансы). Частота первой гармоники Шумановского резонанса (около 7,5 Гц) численно равна отношению скорости света в вакууме к периметру Земли. Факт регистрации ослабевающих с частотой гармоник Шумановских резонансов является критерием качества измерительной аппаратуры и ее помехозащищенности в условиях отсутствия или слабого проявления индустриальных помех. Аппаратура (включая датчики) считается хорошей, если она позволяет регистрировать первые 4-5 гармоник Шумановских резонансов (подробнее этот вопрос рассмотрен в разделе 11).

Интенсивность АМТ-вариаций по магнитному полю в условиях дальней зоны и горизонтально-слоистой Земли зависит преимущественно от параметров источника и слабо (под корнем квадратным) зависит от свойств нижнего полупространства. Она уменьшается по мере повышения частоты (1 порядок амплитуды на 1 порядок частоты) – от 10^-2 нТл/ на частоте 1 Гц до 10^-5 нТл/ на частоте 10³ Гц. Далее, с повышением частоты до 10⁴ Гц средняя амплитуда слегка повышается до 2·10^-5 нТл/ . Средняя интенсивность естественного АМТ-поля в спектральном представлении дана на рис.2.3 (штриховая полоса). Верхняя граница штриховой полосы соответствует возмущенному МТ-АМТ полю, нижняя граница – спокойному полю МТ-АМТ вариаций.

Интенсивность электрической составляющей МТ-АМТ поля линейно зависит как от параметров источника, так и от электрических свойств геологической среды. Это позволяет использовать импеданс АМТ поля для зондирования нижнего полупространства. На результаты АМТ-зондирования существенное искажающее влияние оказывают ближние грозы и индустриальные помехи. Их влияние приводит к тому, что вследствие высокой интенсивности ближнего источника структура суммарного измеряемого электромагнитного поля, искажается. Она перестает соответствовать принятой за основу модели в виде плоской электромагнитной волны, падающей вертикально, сверху вниз на земную поверхность (раздел 11). Такие искажения, по возможности, устраняются в процессе предварительной обработки материалов.

АМТ поле наблюдается непрерывно, с незначительными изменениями амплитуды в зависимости от времени суток и времени года. Интенсивность и спектральный состав МТ и АМТ вариаций сильно зависят от географической широты точки наблюдения, от времени года и времени суток. В целом интенсивность вариаций выше в высоких широтах, летом и в дневное время, т.е. в условиях, когда ионосфера лучше освещена Солнцем и, благодаря этому, обладает более высокой электропроводностью.