Геомагнетизм и аэрономия, 2019, T. 59, № 5, стр. 666-670

1. ВВЕДЕНИЕ

В статье [Безруков и др., 2018] предложена гидридная модель земного электричества (ГМЭ), в которой ток разряда земного конденсатора проходит через земную кору и достигает отрицательный электрод земного конденсатора, расположенный под корой Земли. Ток заряда земного конденсатора представляет собой струи горячих положительно заряженных водородосодержащих газов, вырывающихся с больших глубин, в основном, в районах рифтов. Таким районом также является озеро Байкал (ниже будем использовать просто слово Озеро).

В состав газов входят положительные ионы этих газов и ион водорода – протон. Проходя через водную толщу, газы частично охлаждаются и растворяются в воде. Таким образом, в водной среде Озера появляются дополнительные протоны, которые являются основными носителями тока в воде. Эти протоны присоединяются к току разряда земного конденсатора. Поэтому в Озере мы можем в одних местах наблюдать ток, движущийся вверх, а в других местах ток, движущийся вниз. Причем, именно в Байкале можно ожидать, что величины этих токов значительно превосходят величины средних токов, текущих в атмосфере. Эти токи должны быть подвержены значительным флуктуациям.

В работах [Коротаев и др., 2011, 2015] экспериментально изучалась вертикальная компонента падения электрического напряжения в озере Байкал. При этом в работе [Коротаев и др., 2011] использовались свинцовые электроды, а в работе [Коротаев и др., 2015] – морские метрологические Ag–AgCl электроды.

Задача данной статьи дать интерпретацию экспериментальным данным из работ [Коротаев и др., 2011, 2015] на основе ГМЭ. В работе [Безруков и др., 2018] также рассматривалась взаимосвязь ГМЭ с землетрясениями. При этом использовались модельные представления о процессах при землетрясениях. Модель ГМЭ вводит понятие избытка положительного заряда в коре Земли в виде протонов, что может приводить к образованию положительно заряженных водородосодержащих газов на глубинах порядка 10 км и, как следствие, к появлению на этих глубинах многочисленных пор и трещин. Последнее наблюдается в сверхглубоких скважинах. Быстрый выход этих заряженных газов на поверхность Земли может сопровождать землетрясение и даже быть его причиной, так как давление газов в порах при этом упадет. Также можно себе представить, что процесс разряда Земного конденсатора иногда приводит к электрическому пробою на больших глубинах. Этот подземный пробой также может сопровождать землетрясение и даже быть его причиной. Поэтому дополнительной задачей данной статьи является дать объяснение наблюдавшейся в работе [Коротаев и др., 2011] реакции вертикальной компоненты падения электрического напряжения в Озере на землетрясение в августе 2008 г.

2. ПРИРОДА РАЗНИЦЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ МЕЖДУ СВИНЦОВЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ В ОЗЕРЕ БАЙКАЛ

В работе [Коротаев и др., 2011] исследовалась вертикальная компонента напряженности естественного электрического поля. Использовалась подводная установка со свинцовыми электродами, расположенными на вертикальном буйрепе с притопленным буем. Расстояние между электродами составляло d = 1250 м. Измерялось электрическое напряжение между электродами.

Известно [Верещагин, 1949], что в воде Озера содержатся анионы Cl^– : 0.7; ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$ : 5.0; ${\text{СО}}_{3}^{{2 - }}$ : 0.6– 0.06; ${\text{HCO}}_{3}^{ - }$ : 63.6; ${\text{PO}}_{4}^{{3 - }}$ : 0.02–0.06 (первая цифра – концентрация в мг/л на поверхности, вторая – на дне). Из них потенциально значение имеют Cl^–, ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$ и ${\text{СО}}_{3}^{{2 - }},$ поскольку они при контакте со свинцом образуют на его поверхности труднорастворимые хлорид, сульфат и карбонат свинца – PbCl₂, PbSO₄ [Михайлов и др., 2008] и PbCO₃ [El-Egamy, 1996], обладающие свойствами электродов второго рода, и способны обменивать анионы Cl^–, ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$ и ${\text{СО}}_{3}^{{2 - }}.$ Однако концентрации Cl^– и ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$ по всей глубине Озера одинаковы, поэтому электрохимическими процессами с участием PbCl₂ и PbSO₄ мы можем пренебречь. Наибольший интерес представляет концентрация ${\text{СО}}_{3}^{{2 - }},$ т.к. с глубиной она изменяется. Поэтому мы можем полагать, что в эксперименте [Коротаев и др., 2011] имел место случай концентрационного гальванического элемента с карбонатно-свинцовыми электродами второго рода, обменивающего карбонат-анионы ${\text{СО}}_{3}^{{2 - }}$

При этом водная среда Озера служит ионным мостом, соединяющим полуэлементы: катод К(–) и анод А(+), где К(–): Pb/PbCO₃ // А(+): Pb/PbCO₃.

В работе [El-Egamy, 1996] изучалась реакция (1) и для нее приведен электродный потенциал для стандартных условий Е₀ = –0.5 В. Для условий Озера можно переcчитать электродный потенциал при помощи уравнения Нернста. Если не учитывать ток положительного заряда, текущий в Озере, то электродвижущая сила ε концентрационного гальванического элемента с карбонатно-свинцовыми электродами второго рода будет равна разности электродных потенциалов, которые вычисляются из уравнения Нернста:

где ${{\left[ {{\text{CO}}_{3}^{{2 - }}} \right]}_{t}}$ – концентрация иона ${\text{СО}}_{3}^{{2 - }}$ около верхнего электрода, равная 0.6 мг/л;

${{\left[ {{\text{CO}}_{3}^{{2 - }}} \right]}_{b}}$ – концентрация иона ${\text{СО}}_{3}^{{2 - }}$ около нижнего электрода, R – универсальная газовая постоянная 8.31 Дж/(моль K);

F – постоянная Фарадея 96 485.35 Кл/моль;

Т – абсолютная температура в К;

n – число электронов, которые участвуют в реакции (в нашем случае для свинца n = 2).

В нашей электрохимической ячейке ток J течет вверх через вольтметр и вниз через Озеро. Напишем обобщенный закон Ома для этой замкнутой цепи:

где R – входное сопротивление вольтметра, R₁ – сопротивление озера току между электродами.

Известно, что сопротивление между двумя шаровыми электродами с радиусом r, помещенными в бесконечную среду с удельным сопротивлением ρ, равно:

Согласно [Русинек и др., 2012] для байкальской среды ρ = 150 Ом м. Видно, что R₁ много меньше входного сопротивления вольтметра. Поэтому член JR₁ в (3) мы не будем учитывать в дальнейшем.

Уравнение (2) справедливо для случая одинаковой температуры обоих электродов. Однако на глубине расположения верхнего электрода температура водной среды меняется в течение года в пределах от 2.5 до 5.5°С, а на глубине расположения нижнего электрода температура сохраняется около 3.3°С. Из уравнения (2) видно, что электродвижущая сила концентрационного элемента пропорциональна температуре и изменение температура на 3°С в районе 0°С приводит к изменению электродвижущей силы только приблизительно на 1%. Учет изменения давления с глубиной также не приведет к смещению нашей оценки электродвижущей силы (2), так как вода является несжимаемой субстанцией, и количество молекул воды вокруг электрода с большой точностью не изменится при увеличении давления. Интересным является факт независимости электродвижущей силы от формы и размеров электродов для электродов с линейным размером больше 1 см (формулы (2), (3) и R₁ = ρ/2πr). В случае, если электроды были изготовлены из материала одного тигля, собственная разность электродных потенциалов в течение длительной работы не должна превышать 0.5 мВ [Шулейкин, 1968], что значительно меньше значения (2), поэтому в этой статье мы ограничимся оценкой (2).

Теперь перейдем к анализу реальной ситуации. Выше упоминалось, что токи заряда и разряда земного конденсатора протекают через Озеро, обозначим их вертикальную результирующую плотности тока в месте расположения буйрепа j_ext(t) и введем в уравнение (3):

где положительное значение j_ext соответствует направлению тока сверху вниз.

Ток j_ext в модели ГМЭ может поменять направление в случае выхода из недр большого количества горячих, положительно заряженных газов в районе установки. В этом случае член j_extρd поменяет знак.

Экспериментально наблюдаемая в работе [Коротаев и др., 2011] величина J_PbR (см. рис.) перед и после землетрясения составляет ~10 мВ. Из (4) и (2) следует, что для объяснения этой величины, вклад от внешнего тока, текущего вертикально вниз в августе, в Южном Байкале, в 3-х километрах от берега в невозмущенных условиях, должен быть равен:

Таким образом, наша модель двух источников напряжения: электрохимический источник и движение избытка положительного заряда в водной среде Озера, предсказанного в ГМЭ, позволяет нам из (5) оценить величину вертикальной результирующей плотности тока в месте расположения буйрепа. На момент измерения она оказалась j_ext = 10^–8 А м^–2. Эта величина значительно больше средней плотности тока, текущего в атмосфере.

Отметим, что наше рассмотрение предсказывает изменчивость измеряемого электрического напряжения в Озере в случае использования свинцовых электродов за счет изменения концентрации карбонат иона в поверхностных слоях Озера из-за дыхания микроорганизмов и за счет фотохимических реакций у водорослей. Также можно ожидать, что измеряемое электрическое напряжение зависит и от изменения концентрации свободных протонов в непосредственной близости от поверхности электродов.

3. ПРИРОДА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ, ИЗМЕРЯЕМОГО МЕЖДУ ХЛОРСЕРЕБРЯНЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ В ОЗЕРЕ БАЙКАЛ

В работе [Коротаев и др., 2015] использовались метрологические Ag–AgCl электроды. Как отмечалось выше, концентрации ионов Сl^– в приповерхностных и в придонных слоях Озера равны [Верещагин, 1949]. Поэтому в случае Ag–AgCl электродов концентрационный гальванический элемент не образуется. Уравнение (4) для Ag–AgCl электродов примет вид:

Знак минус означает, что направление тока J_Ag совпадает с направлением тока j_ext и имеет обратное направление по сравнению со случаем свинцовых электродов, если отсутствует значительный выход из недр горячих, положительно заряженных газов в районе установки. Наблюдаемая в [Коротаев и др., 2015] нестабильность j_ext может объясняться конкуренцией между током тепловых протонов, идущих вниз в районе рассматриваемой установки и нестабильным током горячих газов, поднимающихся вверх, в стороне от рассматриваемой установки. Байкал является активным сейсмическим районом, поэтому выход горячих положительно заряженных газов должен наблюдаться постоянно. Согласно [Коротаев и др., 2015] в течение 2013 года величина J_AgR менялась от 26 до 8 мВ. В августе экспериментальное значение составило J_AgR = 13 мВ. Из нашего анализа эксперимента со свинцовыми электродами мы получили оценку (5) для августа 2008 года j_extρd = 18 мВ.

Видно, что эти значения для j_ext ρ d, полученные из данных для свинцовых электродов и из данных в случае хлор-серебряных электродов в рамках нашей модели, близки по величине. Отметим, что ГМЭ предсказывает, что в случае свинцовых электродов измеряемый ток большую часть времени должен быть направлен вверх (3) из-за наличия электрохимической компоненты.

4. РЕАКЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЕ В АВГУСТЕ 2008 ГОДА

В работе [Коротаев и др., 2011] было зарегистрировано увеличение напряжения при землетрясении в августе 2008 года, эпицентр которого находился на расстоянии в 16.5 км от буйрепа и на глубине 17 км (см. рис. 1).

Причем увеличение напряжения началось за полсуток до землетрясения с уровня J_PbR ~ 10 мВ, а непосредственно перед землетрясением оно достигло величины в ~37 мВ. Затем в момент землетрясения был зарегистрирован короткий импульс величиной ~10 мВ. Напряжение плавно вернулось на уровень в ~10 мВ через трое суток после момента землетрясения.

Что в действительности регистрирует установка и почему она реагирует на землетрясение? Какова природа зарегистрированного короткого импульса во время землетрясения?

Предположим, что в соответствии с нашей моделью землетрясения [Безруков и др., 2018] заряженные положительно горячие водородосодержащие газы, возникшие и накопившиеся на глубине 17 км, образовали канал для выхода на поверхность в районе буйрепа со свинцовыми электродами. В этом случае j_ext в уравнении (4) может начать достаточно быстро меняться со временем:

Экспериментальные данные, согласно нашей модели, показывают, что выход горячего газа начался за полсуток до момента землетрясения. Поток газа увеличивался до момента землетрясения, и это привело к уменьшению величины j_ext(t) и увеличению J_Pb(t)R. К моменту землетрясения j_ext(t) поменял направление, т.е. ток в Озере стал течь вверх. Таким образом, в момент землетрясения:

Согласно (2) ε = 0.028 В. Это значение меньше экспериментально наблюдаемого максимума напряжения непосредственно перед моментом землетрясения. После момента землетрясения поток газа стал уменьшаться и по истечении трех суток уменьшился до нуля. Значение J_PbR = ε – j_extρd вернулось к своему значению до землетрясения.

Быстрое изменение регистрируемого напряжения в момент землетрясения связано с электромагнитной наводкой от подземного электрического пробоя на электрический контур нашей электрохимической ячейки. Экспериментальные данные работы [Коротаев и др., 2011], содержащие быстрое изменение электрического напряжения в момент землетрясения согласуются с представлением о подземном электрическом пробое, рассматриваемым в модели ГМЭ [Безруков и др., 2018].

5. ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Предложена модель, в которой напряжение, измеряемое между электродами в озере Байкал [Коротаев и др., 2011, 2015], является следствием двух эффектов: электрохимических процессов около электродов и тока положительного заряда, текущего через Озеро и предсказанного моделью ГМЭ.

Отметим, что в данной работе мы не рассматриваем другие часто обсуждаемые эффекты, которые могли бы приводить к появлению измеримых токов между электродами в водной среде. Одним из таких эффектов является движение заряженных ионов, увлекаемых течениями, в магнитном поле Земли. В нашей модели ГМЭ возникает дополнительный аргумент в пользу этого эффекта, так как модель подразумевает наличие дополнительных положительных зарядов – протонов, коэффициент диффузии которых в воде велик. Однако, для рассматриваемой установки с электродами, расположенными в приповерхностном и придонном слоях озера Байкал, этот эффект незначителен по следующим соображениям. Во-первых, величина течений в озере Байкал не велика, характерные горизонтальные приповерхностные и придонные течения составляют 2 см/с. Во-вторых, угол между направлением течений в месте расположения установки и направлением магнитного поля Земли не велик. Эти рассуждения подтверждаются экспериментальными результатами из работы [Коротаев и др., 2015], в которой произведен поиск корреляции изменений магнитного поля Земли и величины электрического напряжения между электродами в озере Байкал. Таких корреляций обнаружено не было.

Наше рассмотрение предсказывает изменчивость электрического напряжения в Озере в случае использования свинцовых электродов как за счет изменения концентрации карбонат иона в поверхностных слоях Озера из-за продуктов метаболизма микроорганизмов и за счет фотохимических реакций у водорослей, так и из-за изменчивости величины и направления тока положительного заряда, текущего в Озере.

Нами предложено объяснение наблюдавшейся в работе [Коротаев и др., 2011] реакции вертикальной компоненты падения электрического напряжения в озере Байкал на землетрясение в августе 2008 года. Основной идеей является то, что перед моментом землетрясения и после него происходил выброс положительно заряженных водородосодержащих газов из земных недр в районе землетрясения, и он затронул район расположения установки. Быстрое изменение регистрируемого напряжение в момент землетрясения мы связываем с электромагнитной наводкой подземного пробоя на электрический контур установки.

Нам удалось в рамках модели ГМЭ самосогласованно объяснить экспериментальные результаты для свинцовых и хлор-серебряных электродов. Успех модели ГМЭ в объяснении наблюдаемых электрических явлений в Озере мог бы быть хорошим аргументом в пользу ее справедливости.

6. БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы благодарят Н.М. Буднева, А.И. Панфилова и И.И. Ткачёва за плодотворные дискуссии.