Несмотря на многолетние усилия специалистов, научные методы прогнозирования землетрясений и извержений вулканов до сих пор не разработаны. Такое положение дел, на наш взгляд, в основном связано с тем, что в современной геофизике, к сожалению, отсутствует понимание причин этих грозных природных явлений.

Что касается источника энергии землетрясений, то считается, что он установлен: это энергия механических напряжений в земной коре. Но, поскольку пояса сейсмической активности распределены по земной поверхности неравномерно, то требуется объяснить, почему механические напряжения земной коры возникают преимущественно в этих поясах. Для случая тихоокеанского “горячего кольца”, на которое приходится 80% сейсмической энергии Земли [1], принятое в науке объяснение ссылается на тектонические подвижки материковых и океанических плит (см., например, [2]). Считается, что, давя друг на друга, они деформируются, и возникающие при этом напряжения сбрасываются посредством землетрясений. Однако, тектоническая модель, прежде всего, содержит логический подвох. Действительно, постулируется, что существуют отдельные жёсткие плиты, и что должна иметь место сейсмичность при их пограничном взаимодействии. Наблюдаемая сейсмичность, казалось бы, подтверждает эту модель. Но авторы [3] обращают внимание на то, что именно на основе расположения сейсмических поясов проводилось оконтуривание плит, и делают логичный вывод: “…сама по себе локализация эпицентров на окраинах плит не может служить подтверждением их границ”. Спрашивается: да справедлив ли постулат об отдельных жёстких плитах? Экспериментальные факты, свидетельствующие не в пользу этого постулата, приведены, например, в работе [4], а также в недавней статье [5]. Мы, в свою очередь, добавим два замечания. Во-первых, если к землетрясениям приводят деформации, возникающие при “типичном дрейфе” плит на 3 см в год, то непонятно, почему без последствий остаются ещё большие горизонтальные деформации плит, происходящие дважды в сутки – из-за приливов-отливов твёрдой коры. Во-вторых, во многих точках “горячего кольца” слабые землетрясения происходят чаще, чем раз в год. В рамках тектонической модели это означает, что, при характерном размере плиты в 3000 км, разрушения в ней происходят при относительных деформациях, меньших чем 10^-8. Но монолитов из материала с такой выдающейся хрупкостью в природе не существует: они крошились бы под своим собственным весом из-за вертикальных деформаций в поле силы тяжести на поверхности Земли. С учётом вышеизложенного, тектоническая модель происхождения землетрясений представляется нам совершенно неправдоподобной.

Следует оговорить, что изложенные здесь представления имеют, скорее, качественный характер, чем количественный, поскольку на сегодняшний день геоэлектрические явления изучены ещё весьма слабо. Тем не менее, даже на качественном уровне удаётся, в рамках единого подхода, дать объяснение ряду загадочных явлений – начиная от происхождения глубоководных впадин и срединно-океанических хребтов [6], и заканчивая усилением сейсмической и вулканической деятельности при повышении солнечной активности.

Известно, что при движении проводника со скоростью v в магнитном поле H, в проводнике возникает разность потенциалов в соответствии с индуцированным электрическим полем E_ind :

E_ind = m ₀ [vH], (1)

где m ₀ - магнитная проницаемость вакуума. Земная поверхность является проводящей, и она движется, из-за суточного вращения планеты, в её магнитном поле. Следовательно, экватор должен быть заряжен отрицательно относительно полюсов, причём интегральная разность потенциалов между экватором и полюсом должна составлять примерно 80 киловольт.

Странным образом, современная наука игнорирует этот вывод. Так, среди нескольких разновидностей электрических токов в океанах (см., например, [7]) учёные выделяют индукционные токи, но в качестве движущихся водных масс рассматриваются лишь океанические течения; при этом игнорируется тот факт, что весь Мировой океан движется из-за суточного вращения Земли. Таким образом, учитываются скорости водных масс лишь в геоцентрической вращающейся системе отсчёта, но не учитываются на 2-3 порядка большие скорости в геоцентрической невращающейся системе отсчёта, которые в данном случае являются локально-абсолютными (см., например, [8]); они-то и должны входить в уравнения не только механики, но и электродинамики. Игнорирование локально-абсолютного движения поверхности Земли делает картину происходящего неполной, и поэтому неудивительно, что происхождение теллурических токов до сих пор остаётся загадкой.

Напротив, приведём результаты подхода, в котором учитываются локально-абсолютные движения. Вспомним, что на высоте ~ 100 км над земной поверхностью находится нижняя граница ионосферы – той области атмосферы, в которой свободные заряженные частицы, которые образуются, в частности, из-за ионизирующего действия ультрафиолетового излучения Солнца, могут двигаться практически без столкновений с нейтральными частицами, т.е. практически только под действием электрических и магнитных сил. Эти заряженные частицы в совокупности стремятся двигаться так, чтобы достигалась и поддерживалась их равновесная конфигурация. При этом, одним из факторов, влияющих на равновесную конфигурацию ионосферных зарядов, является распределение заряда на земной поверхности. Если, как отмечалось выше, на площадях вблизи экватора увеличена плотность электронов, то в экваториальном поясе нижней ионосферы должны доминировать положительные ионы, поскольку свободные электроны, имеющие меньшую инертность, должны концентрироваться в полярных областях. Так и происходит в действительности, причём фигуры, в которых концентрируются электроны, представляют собой не “полярные шапки”, а “полярные нимбы”. Именно такая конфигурация является равновесной, поскольку объёмный отрицательный заряд в каждом сегменте нимба отталкивается не только от отрицательных зарядов на экваторе, но и от остальных сегментов нимба – и поэтому, чем больше полное число свободных электронов в ионосфере, тем больше радиусы полярных нимбов. Следует добавить, что в полярных нимбах наиболее благоприятны условия для рекомбинации положительных ионов и электронов, и не случайно области максимума полярных сияний всегда совпадают с полярными нимбами. Главной причиной полярных сияний является отнюдь не бомбардировка полярных областей высокоэнергичными частицами, захваченными магнитным полем Земли - как это обычно полагают [9]. В самом деле, даже при магнитных бурях дипольная компонента магнитного поля Земли не изменяется настолько, чтобы заметно деформировались радиационные пояса, в которых курсируют захваченные частицы; между тем, при магнитных бурях радиус линии максимума полярных сияний может возрастать в несколько раз. На наш взгляд, свет полярных сияний с характерными длинами волн [10] излучается в основном как раз при рекомбинации ионов, сопровождаемой “скатыванием” присоединённого электрона на низкоэнергетические уровни; этому механизму совершенно незаслуженно не уделяется должного внимания при анализе явлений “тихого свечения”.

Теперь заметим, что Земля – без учёта годичного обращения – вращается внутри невращающейся ионосферы, у которой с солнечной стороны концентрация положительного электричества над земным экватором больше, чем с противоположной стороны, прикрытой от Солнца Землёй. Это должно вызывать движение отрицательного электричества по земной поверхности – с ночной её половины на дневную. Если поверхность Земли была бы идеальной фигурой вращения с везде одинаковой проводимостью, то результатом сложения этих движений электричества была бы суточная волна поверхностной плотности заряда, движущаяся с востока на запад. В реальности океаны планеты чередуются с материками, имеющими на несколько порядков худшую проводимость и рельефную поверхность, поэтому результирующая картина теллурических токов чрезвычайно сложна. Но главную причину их непрерывной циркуляции мы уже сформулировали: это вращение Земли внутри ионосферы, имеющей неоднородное распределение заряда вдоль центрального обода.

С учётом вышеизложенного, естественно объясняется давно подмеченная корреляция между солнечной активностью и скоростью суточного вращения Земли: при активном Солнце вращение Земли замедляется [4]. Действительно, при возрастании количества свободных зарядов в ионосфере, очевидно, увеличивается сила теллурических токов. Можно сказать, что увеличивается “электромагнитное трение” Земли об ионосферу; механическим аналогом здесь является увеличение момента инерции крутящегося тела. До тех пор, пока избыточные свободные заряды ионосферы не “рассосутся” через рекомбинацию в полярных нимбах, избыточная энергия теллурических и атмосферных токов будет диссипироваться, расходуясь на джоулево тепло и на энергию циклонов, тайфунов, ураганов – при активном Солнце наблюдается особенно сильное буйство этих стихий [11].

Обрисованный выше электрический портрет планеты следует дополнить ещё двумя штрихами: истечением отрицательных зарядов с земных острий в атмосферу, а также грозовой деятельностью, при которой молнии возвращают эти заряды обратно [12]. Мы остановимся на первом из этих явлений, поскольку, на наш взгляд, именно токи утечки с гор приводят к вулканизму и сопутствующей сейсмичности.

Считается, что токи утечки с острий обусловлены возрастанием электрического поля вблизи острия. Френкель [13] приводит выражение для коэффициента k этого возрастания в случае острия-иглы, у которой поперечный размер много меньше продольного. Для горы это соотношение не выполняется; но, поскольку искомое возрастание поля является в чистом виде эффектом формы, сводящимся к сближению эквипотенциальных поверхностей вблизи острия, то для случая горы с вертикальной осью симметрии можно приближённо записать

, (2)

где H - полная высота горы, d - радиус закругления вершины, h и r(h) - текущие высота и радиус горы. Тогда для конусной горы коэффициент возрастания поля на вершине есть

k_con » 1+tga ln(H/d ), (3)

где a - угол, который образует склон горы с горизонтом. У типичных горных пиков, согласно (3), k_con составляет всего несколько единиц, что никак не может привести к возрастанию поля до пробивного напряжения воздуха (30 кВ/см). Следовательно, тихое свечение воздуха над высокими горами является отнюдь не результатом самостоятельного разряда, а, на наш взгляд, результатом рекомбинации положительных атмосферных ионов, плотность вертикального тока которых составляет в обычных условиях ~ 10^-12 А/м² [14]. И, поскольку эффект острия для горных пиков ничтожен, то электроны в горных породах движутся к вершинам в основном благодаря индуцированному электрическому полю (1), причём главным механизмом, удаляющим отрицательный заряд с горных вершин, является, на наш взгляд, обдув гор ветром, который уносит и развеивает наэлектризованный воздух.

Оценим тепловое действие тока при движении электронов через подошву горы к вершине. Распределение электрического потенциала у однородной конусной горы оказывает своего рода фокусирующее действие на этот ток, поэтому, начиная с некоторой высоты над подошвой, практически весь ток течёт в центральном створе с характерным радиусом R. Процесс превращения горы в вулкан можно условно разбить на два этапа: подготовительный и прорывный. На подготовительном этапе происходит предварительный разогрев токового створа и прилегающих к нему областей до стадии, на которой теплопоток от токового створа отводит всё джоулево тепло, выделяющееся в створе. В качестве ориентировочной температуры створа на этой стадии возьмём величину 700^оС. Тогда время t ₁, необходимое для достижения этой стадии, можно грубо оценить, если приравнять джоулево тепло, с поправкой на теплопотери, и количество теплоты, требуемое для разогрева створа.; это время не зависит от высоты створа и есть

t ₁ = p ²R⁴cr D T(h I² l )^-1 , (4)

где c и r - удельная теплоёмкость и плотность вещества створа, D T=400^oC, h - КПД джоулева нагрева, описывающий теплопотери, I - ток в створе, l - удельное электрическое сопротивление вещества створа. Для горы на берегу океана, величина тока в 2А не представляется нам чрезмерной. В таблице приведены ориентировочные значения физических констант трёх типичных горных пород (справочные данные взяты из [15]), а также соответствующие времена t ₁, рассчитанные согласно (4) при значении R=10 м и при упрощающем предположении о том, что h постоянен и равен 0.5.

	Сухие базальты	Сухие граниты	Сухие известняки
l , ом× м	5000	50000	100000
r , кг/м3	3000	2700	2600
с, Дж/кг× К	750	900	1200
t 1	280 лет	30.4 года	19.5 лет
t 2	15.5 лет	1.7 года	1.1 года

Уже на подготовительном этапе, и тем более на стадии, когда все джоулево тепло расходуется на разогрев окружения токового створа, в этом окружении могут возникать сейсмические события – главным образом, из-за неоднородного теплового расширения и неоднородного расплавления. В таком режиме гора может время от времени генерировать сейсмические события как угодно долго – до тех пор, например, пока сила тока вдруг не возрастёт в степени, достаточной для начала прорывного этапа превращения в вулкан. Выше 700^оС удельное электрическое сопротивление горных пород быстро уменьшается с ростом температуры [15], что должно сопровождаться соответствующим уменьшением радиуса токового створа и, значит, уменьшением площади, через которую происходят теплопотери. Таким образом, могут возникнуть благоприятные условия для быстрого проплавления жерла вулкана. Приведённые в таблице времена t ₂, необходимые для такого проплавления с достижением температуры 1100^оС, рассчитаны при учёте следующих изменений параметров: увеличения тока с 2А до 3А, уменьшения R с 10 м до 7 м, а также при прежней мощности тепловых потерь, что в данном случае эквивалентно увеличению h с 0.5 до 0.94. Подчеркнём, что полученные здесь численные результаты имеют сугубо ориентировочный характер.

Тем не менее, даже эти ориентировочные результаты позволяют качественно объяснить повышение интенсивности сейсмических и вулканических явлений в годы активного Солнца. Действительно, сейсмичность, в рамках излагаемого здесь подхода, напрямую определяется силой теллурических токов; что же касается вулканизма, то, как проиллюстрировано выше, даже небольшое увеличение тока утечки может спровоцировать процесс проплавления жерла у “подготовленного” вулкана и, таким образом, вызвать вулканическое извержение. Нельзя не отметить, что одним из первых, кто утверждал о наличии причинно-следственной связи между солнечной активностью и сейсмичностью-вулканизмом, а также опубликовал статистические данные на этот счёт, был А.Л.Чижевский [11].

В дополнение вышеизложенного, следует упомянуть о принципиальной разнице между картинами теллурических токов в океанах, окаймлённых гористыми побережьями или гористыми островными дугами, и в океанах, имеющих равнинные побережья. Везде выше подразумевался случай гористого окаймления, характерного для Тихого океана. В этом случае отрицательные ионы в океане не просто скапливаются вблизи окаймляющей линии: там происходит сток отрицательного электричества, которое через прибрежное дно течёт в горы, и этот процесс дополняется диссоциацией донных молекул – с оттоком образующихся положительных ионов в океан. Загадочные глубоководные впадины, которые поражают специалистов точным повторением соответствующих линий берега или островной дуги, являются, таким образом, результатом обычной электрохимической эрозии [16]. Теперь рассмотрим случай Атлантического океана, который, за вычетом Карибского бассейна, можно считать лишённым островов и имеющим равнинные побережья. В этом случае береговой сток отрицательного электричества ничтожен, и ведущая роль переходит к положительным ионам, которые, стремясь двигаться вниз в индуцированном электрическом поле, “скатываются” от обоих побережий и концентрируются на срединной донной линии. Это скопление положительного заряда вызывает приток электронов из прилегающих участков дна. Таким образом, на срединной донной линии создаются наиболее благоприятные условия для рекомбинации положительных ионов, поэтому индуцированное электрическое поле пригоняет всё новые и новые их порции взамен рекомбинировавших, а им навстречу притекают всё новые порции электронов. В результате, во-первых, происходит электрохимическое осаждение [16] рекомбинировавших ионов, что является одним из главных факторов, формирующих срединно-океанический хребет. Во-вторых, токи рекомбинации производят тепловое действие, причём максимум джоулева тепла выделяется не в воде, а в донных породах, имеющих большее удельное сопротивление. Это джоулево тепло, на наш взгляд, и обусловливает сейсмическую и вулканическую активность срединно-океанических хребтов – особенно бурную, как и следует ожидать, вблизи экватора.

Выше мы не уделили внимания внутриматериковым землетрясениям. Можно предположить, что одной из их причин также является джоулево тепло теллурических токов, главные каналы которых проходят по системе подземных вод. Локализацию сейсмических событий вдоль трещин и разломов земной коры можно, по-видимому, объяснить тем, что теллурические токи вынуждены огибать эти препятствия, сгущаясь вблизи их периферийных частей – где и происходит повышенное выделение тепла.

Если такой очаг тлеет не слишком глубоко, то, благодаря прилегающей к нему зоне повышенной проводимости, может возникнуть канал стока электричества через земную поверхность в атмосферу. Интенсивный сток электричества, сопровождаемый световыми и искровыми явлениями, нередко предшествует сильному землетрясению [17].

1. В.А.Магницкий. Основы физики Земли. “Геодезиздат”, М., 1953.
2. К.Моги. Предсказание землетрясений. “Мир”, М., 1988.
3. Р.М.Деменицкая, С.С.Иванов, Э.М.Литвинов. Естественные физические поля океана. “Недра”, Л., 1981.
4. Физика Земли: новый взгляд на некоторые проблемы. “Наука”, Сибирское отделение, Новосибирск, 1989.
5. И.А.Резанов. Вестник РАН, 71, 11 (2001) 1031.
6. П.Вейль. Популярнаяя океанография. “Гидрометеоиздат”, Л., 1977.
7. Н.И.Егоров. Физическая океанография. “Гидрометеоиздат”, Л., 1974.
8. А.А.Гришаев. Иерархия частотных склонов в роли “светоносного эфира”. – Доступна на данной веб-странице.
9. Физический энциклопедический словарь. “Советская энциклопедия”, М., 1983.
10. И.А.Хвостиков. Свечение ночного неба. Изд-во АН СССР, М.-Л., 1948.
11. А.Л.Чижевский. Земное эхо солнечных бурь. “Мысль”, М., 1976.
12. П.Н.Тверской. Атмосферное электричество. “Гидрометеоиздат”, Л., 1949.
13. Я.И.Френкель. Теория явлений атмосферного электричества. Гос. изд-во технико-теоретической литературы. Л.-М., 1949.
14. Атмосфера. Справочник. “Гидрометеоиздат”, Л., 1991.
15. Справочник физических констант горных пород. “Мир”, М., 1969.
16. И.Ф.Федулов, В.А.Киреев. Учебник физической химии. “Госхимиздат”, М., 1955.
17. Ищите в Интернете по ключевым словам “Призрачные огни землетрясений”, “Огненные призраки трагедий”.