CC BY
39Механика
УДК 532.5:537.3:538.4:550.4
ЛОМОНОСОВ И ЗАГАДКИ ПРИРОДНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА. ЧАСТЬ 3. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ПРИРОДА СВЕТОВЫХ ПРЕДВЕСТНИКОВ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ
В. Л. Натяганов1
На основе гидроэлектромагнитных вихревых течений различных типов рассматриваются модельные подходы к теоретическому объяснению наблюдаемых на практике световых предвестников землетрясений в виде светящихся плоских слоев, цилиндрических столбов, необычных молний и наземных полусфер. Подчеркивается роль эффекта гигантского комбинационного рассеяния света на субмикронных аэрозольных частицах при визуализации подобных вихревых течений, возникающих вдоль литосферных разломов на стадии подготовки сильных землетрясений вследствие резкого усиления глубинной дегазации.
Ключевые слова: световые предвестники землетрясений, магнитно-винтовой поток, электровихревое течение, электротепловой пробой, эффект гигантского комбинационного рассеяния.
Based on hydroelectromagnetic vortex flows of different types, several model approaches to the theoretical explanation of the observed light earthquake precursors in the form of luminous planar layers, cylindrical pillars, unusual lightnings, and ground hemispheres are considered. The role of giant combinational scattering effect on submicron aerosol particles is stressed for the visualization of such vortex flows occurring along lithospheric fractures in the preparation phase of large earthquakes due to a sharp increase of deep degassing.
Key words: light earthquake precursors, magnetohelical flow, electrovortical flow, electrothermal breakdown, giant combinational scattering effect.
1. Введение. Фактически со времен М.В. Ломоносова (после Лиссабонского землетрясения 1755 г.) в научных кругах идут дискуссии о строении Земли, причинах и предвестниках землетрясений, а с начала ХХ в. и о возможностях их прогноза. Отдельные типы предвестников землетрясений, например световые и гидрологические, известны с глубокой древности, а геохимические и электромагнитные [1] были открыты во второй половине прошлого века.
В прогнозировании землетрясений перспективным является многодисциплинарный подход к одновременному мониторингу (см. работу А.В. Николаева в [2]) и моделированию нескольких типов предвестников разной природы (см. работу А.С. Алексеева в [2]), имеющих общий очаг возмущений в литосфере. Большая информативность совмещенных обратных задач геофизики (благодаря механизму компенсации дефицита данных в одной из подзадач за счет других) может приводить к единственности решения общей задачи, даже если каждая из подзадач является некорректной и не имеет единственного решения. Однако для успешного решения многодисциплинарной обратной задачи необходимы адекватные модели для каждого типа предвестников в отдельных подзадачах, что пока тоже является предметом дискуссий. В частности, различные виды световых предвестников обычно относят к электромагнитному типу [1], но модели этих аномальных оптических явлений до сих пор не созданы.
2. Типы световых предвестников землетрясений и подходы к их моделированию. Световые предвестники, или "предупреждающие огни землетрясений" [1, 3], различных видов (типа светящихся цилиндрических столбов и плоских занавесей, необычных и часто бесшумных "молний", мерцающих и движущихся шаров, необычного свечения облаков и т.д.) и продолжительностью от десятков секунд до часов и даже суток неоднократно наблюдались перед началом землетрясений. В ХХ в. отдельные аномальные оптические явления перед землетрясениями и в периоды возрастания сейсмической активности были даже сфотографированы [4]. Наиболее загадочными являются полусферические светящиеся образования на поверхности Земли [3, 4] с диаметром от 20 до 200 метров и длительностью до десятка минут, не описанные в более ранних источниках, а также "фальшивые болиды", или "загадочные огни Хессдаллена", которые по всем признакам были долгоживущими шаровыми молниями [5]. Эти светящиеся шары двигались по сложным траекториям, иногда не наблюдались визуально, но давали четкое отражение на экране
1 Натяганов Владимир Леонидович — канд. физ.-мат. наук, доцент каф. газовой и волновой динамики мех.-мат. ф-та МГУ, e-mail: tenzor@bks-mgu.ru.
радара с длиной волны 3 см, что свидетельствует о заметной ионизации воздуха. Представляют интерес "петарды" — тонкие (1-3 см) оранжево-красноватые струи высотой 0,7-1,5 м с расплывчатым утолщением вверху, окруженным зеленоватым ореолом. Около десятка мерцающих "петард" в течение нескольких минут наблюдалось на окраине г. Сайн-Шанд (Монголия) примерно в десять часов вечера, а утром на севере Китая произошло землетрясение.
Кроме световых атмосферных предвестников были также обнаружены ионосферные [6], в частности было замечено усиление зеленого свечения ночного неба в Е-области ионосферы на высотах порядка 100 км с длиной волны 557,4 нм атомарного кислорода. В [7] подобное свечение объясняется передачей возмущений акустико-гравитационными волнами от поверхностных рэлеевских волн при возрастании сейсмической активности. Однако известны случаи, когда такое свечение наблюдалось и в периоды сейсмического затишья перед землетрясениями.
Для моделирования световых предвестников возможно предложить несколько не альтернативных, а скорее дополняющих друг друга подходов, основанных: 1) на нелокальной статистической механике А.А. Власова [8]; 2) термодинамических принципах И.Р. Пригожина для диссипативных структур [9]; 3) учете микрокинетики возможных химических реакций в электрическом газовом разряде [10, 11]; 4) уравнениях электромагнитной гидродинамики. Первый и третий подходы можно отнести к описанию на микроуровне, тогда как второй и четвертый являются мезо- и макроподходами соответственно.
Заметим, что в [8] установлена принципиальная возможность существования в кристаллах плазменных нитевидных и пластинчатых локализованных структур, которые при определенных условиях могут возникать в жидких и газообразных средах. Подобные структуры на качественном уровне могут описывать световые предвестники в виде светящихся плоских занавесей, цилиндрических столбов или "петард". Кроме этого в [8] предложена теория сферических плазмоидов, которая по многим интегральным параметрам (в частности, наличию тонкого двойного электрического слоя на границе раздела фаз) близка к электрокапиллярно-вихревой модели [5] шаровой молнии. Развитый Власовым аппарат по сути представляет собой математический язык для описания на микроуровне самоорганизующихся через явление ионной конденсации структур в проводящих диссипативных средах.
На мезоуровне в термодинамическом подходе Пригожина [9] к явлениям самоорганизации в подобных средах часто используются нелинейные уравнения параболического типа с диффузией. В простом, но достаточно общем случае активные системы с диффузией описываются двумя уравнениями вида
dA dJ
ta—=£2AA-Qa(A,J,G), tj — = L2AJ — Qj(A, J, G), (1)
где та, tj, £ и L — характерные времена и длины изменения величин A (активатора) и J (ингибитора), а источниковые члены Qa и Qj — нелинейные функции от A и J, не зависящие явным образом от координат и времени. При tj ^ та, L ^ £ и определенном уровне внешнего возбуждения G возможно расслоение однородного состояния активной системы, сопровождающееся различными автоволновыми процессами и образованием автосолитонов — квазистационарных неоднородных структур [9, 12]. Далее будут рассматриваться модели инициирования световых предвестников литосферным электротепловым пробоем, который может служить триггером ряда землетрясений [13].
3. Предупреждающие огни землетрясений как следствие протонного электротеплового пробоя литосферы. Модель развивающегося в режиме с обострением литосферного макропробоя предложена в [13]. Заметим, что еще на временах t ^ to, где to — время обострения, развитие макропробоя сопровождается многочисленными мезопробоями газовых пор в земных слоях. Напряженность E электрического поля в малой сферической газовой полости, находящейся в квазиоднородном неидеальном диэлектрике с постоянными электропроводностью а, диэлектрической проницаемостью е = жео (ж — относительная проницаемость) и приложенным полем Eo, после каждого мезопробоя возрастает по закону
2 + ж
Е = Е0 —[1 - exp(-i/r)] , т = 2е0(ае-1)/(5ае-2)<7, (2)
до величины E* — поля пробоя, резко спадает почти до нуля и далее растет опять согласно (2). Пилообразный характер (2) приводит к эрозии стенок полости, росту ее размеров в направлении Eo, понижению E* и повышению температуры T, что способствует увеличению частоты микропробоев [10] и развитию макропробоя [13]. Заметим, что время релаксации т в (2) отличается от значения в [10] из-за неучета там скачка {а/е} на границе полости. В результате т ~ 20 с вместо 1 мин для приведенных в [10, с. 843] значений а и е.
Возмущения атмосферного электромагнитного поля, вызванные наложением многих колебаний типа (2), способны генерировать на промышленной частоте в электрических проводах наведенную электро-
движущую силу, что, возможно, послужило причиной самопроизвольно мерцающего свечения люминесцентных ламп перед Ташкентским землетрясением 1966 г. [1]. Подобные свечения можно описать на основе системы уравнений биполярной диффузии типа (1), где концентрация п и температура Т электронов выступают соответственно активатором и ингибитором в теории возникновения страт [12] в высокочастотном газовом разряде [11].
В модели аквапроводимости земных недр [13] подчеркивалась важная роль литосферных протонов в подготовке и осуществлении макропробоя. Как следствие из гипотезы Вернадского-Ларина [14] о преимущественно гидридном составе земного ядра в серии депонированных работ [15, 16] (см. приведенную там библиографию) подчеркивается определяющее влияние глубинных протонов на подготовку и запуск ряда землетрясений. Зависимость активизации сейсмических процессов от глубинных водо- и водородосодер-жащих флюидов [2, 17] и восходящей сквозь литосферу диффузии [18] легких газов (водорода и гелия) позволяет говорить о геопротонике [15] как отдельном и перспективном направлении в геофизике.
С точки зрения современных представлений [2, 16-18], глубинный водород в верхней литосфере и коре лишь частично окисляется до воды. При этом вода адсорбируется на поверхности микропор и площадок скольжения [13] в заряженной форме, что способствует сохранению части глубинного водорода в виде протонов, которые могут накапливаться в различных протонных ловушках [15-18]. Поэтому протонный подход к литосферным электротепловым пробоям при прорыве протонов из подобных ловушек в режимах с обострением [13] остается в силе. Учитывая при этом исключительно большую теплоемкость на единицу массы 14,4 Дж/(г • град) для молекулярной и 21 Дж/(г • град) для атомарной формы) и высокую скорость диффузии водорода, его деструктивно-разрушающее воздействие [14-18] на различные горные породы, можно утверждать, что М.В. Ломоносов был прав, когда основной причиной землетрясений назвал внутреннее тепло Земли.
При выходе протонных макропробоев на земной поверхности вдоль литосферных разломов будут возникать локальные области (называемые далее "пятнами") с аномальными свойствами прилегающих к ним слоев атмосферы: повышенными значениями температуры, степени ионизации, сильными возмущениями электромагнитного поля, другими химическим составом и физическими характеристиками запыленного воздуха. Над подобными "пятнами" в атмосфере может протекать коронный, тихий или барьерный разряд с интенсивным образованием озона, атомарного и синглетного кислорода и его различных ионов [19].
Однако попытка учета микрокинетики возможных химических реакций в воздухе при протонных электротепловых пробоях с участием лишь водорода, кислорода, азота и их возможных соединений вряд ли осуществима из-за большого числа таких реакций (от 20 основных до 70 и более, по [19] и другим источникам), причем скорости многих реакций сильно зависят от температуры, парциального давления газов и влажности воздуха. И если в гидродинамике нелинейные эффекты обусловлены инерциальными и электромагнитными членами, то "задачам химической кинетики может соответствовать практически бесконечное разнообразие допустимых математических схем" [9], т.е. "что заложишь (в численную модель), то и получишь" [19]. Более того, в реальных условиях атмосферы настоящие ионы за счет "прилипания" к ним дипольных молекул воды быстро превращаются в так называемые "легкие ионы" типа Н30+ • (Н20)з, которые представляют собой относительно стабильные и слабозаряженные кластеры. "Тяжелые ионы" пылевой плазмы [20] могут иметь большой заряд, но изучение их образования и динамики только начинается. Однако эмпирически установленный факт [20] выброса вместе с газовыми струями в атмосферу (при импульсной дегазации через литосферные разломы) большого числа аэрозольных частиц субмикронного размера (в том числе металлических) позволяет с учетом эффекта гигантского комбинационного рассеяния [21] визуально обнаружить эти струи, имеющие различные типы гидроэлектромагнитных вихревых течений. Поэтому далее будет рассматриваться макроподход к моделированию световых предвестников на основе уравнений электромагнитной гидродинамики [22-24].
4. Световые предвестники землетрясений как разновидность электромагнитных. На "пятне" выхода литосферного макропробоя в виде слоя Самарского-Соболя или вдоль боковых граней "теплового кристалла" [13] в атмосферном электрическом поле с напряженностью Е = Ех к может возникнуть светящийся плоский занавес [22, 23] по типу образования токового слоя в плоскости уог на основе механизма магнитного пересоединения [24] в модели квазистационарного деформационного потока с точкой стагнации:
p(v • V)v = -V(p + Б2/2ц) + (B • V)B/v, div v = 0, rot E = 0, E + [v x B] = Dm rot B, div B = 0.
(3)
Этому случаю при Ez = Eq = const и направленном вдоль оси oy магнитном поле соответствует
простейшее решение системы (3) вида [22-24]
1 2 1 п2
vx = -V0x/L, vy = V0y/L, p = Vo--pv
By = B0F*(0 = Bo^F (1; |; -£2) , jz = (tEq [l - 2£2F (l; |; -£2)]
(4)
где £2 = Vox2/2LDm, L — характерная длина, Dm = 1/ца — коэффициент магнитной диффузии; F(...) — вырожденная гипергеометрическая функция; В — индукция магнитного поля; ¡л, р, р, v — магнитная проницаемость, плотность, давление и скорость среды; Во = Eo^2L/VoDm] ро — давление в точке стагнации, расположенной в начале координат. Представление By и jz в (4) через гипергеометрическую функцию является новым и наиболее удобным для асимптотического анализа. В [24] магнитное поле выражено через «
F* = exp(-{2) ■ j exp(t2)dt — интегральную функцию Доусона, тогда как в отечественной литературе F* o
обычно связывают с интегралом вероятности от мнимого аргумента. Кроме решения (4) система (3) имеет и более сложные решения [24], описывающие плоский токовый слой и при vz = 0, что характерно для обратных задач интерпретации, которые могут иметь не единственное решение. Подчеркнем, что решение (4) является также решением при замене в системе (3) уравнения движения Эйлера на уравнение Навье-Стокса.
В первом уравнении системы (3) магнитная сила Лоренца [j х B] разложена на потенциальную часть и магнитно-вихревую (B -V)B/^ часть, которая отвечает за эффективное натяжение магнитных силовых линий, влияет на завихренность потока и имеет одинаковую структуру с инерционным членом (v ■ V)v.
Последний факт, указанный в [25, 26], позволяет при описании цилиндрических светящихся столбов на круглых в плане "пятнах" использовать известные модели и решения [27] для концентрированных колоннообразных вихрей. По аналогии с определением в [27] винтовых потоков (когда скорость v кол-линеарна завихренности ш = rot v) и винтовых вихрей (когда в некоторой инерциальной системе
координат) будем называть случай j = aB магнитно-винтовым потоком, случай B = av — магнитно-вихревым течением, а случай, когда основным является взаимодействие приложенного тока с собственным магнитным полем [26], — электровихревым течением, при этом часто v±B.
В цилиндрической системе координат r, ф, z случай бессилового магнитно-винтового потока со спиральными магнитными линиями и электрическим током
B = Bo(t) [Jo(^r)ez + Ji(^r)e^j , j = aB, a = /З/ц = const,
(5)
где Jo и Ji — функции Бесселя, особого интереса для описания световых предвестников не представляет, так как дает просто омическое ослабление поля в отсутствие внешнего источника энергии. Для магнитно-вихревого течения (B = av, j = о:ш/ц, a = const) применение операции rot к стационарному уравнению движения в форме Громеки-Ламба [27] с учетом силы [j х B] дает
(р - a2/ц) rot [ш х v] = 0 ^
р* = р — a2/ц = 0, (a) rot [ш х v] = 0. (b)
(6)
В случае (6а) любые соленоидальные поля v и В при В = ±^rjlpv удовлетворяют стационарным МГД уравнениям [25] несжимаемой идеальной жидкости. При этом силы инерции компенсируются натяжением магнитных силовых линий, а жидкость течет по трубкам тока без трения; в частности, при v = uo = const реализуется так называемый снарядный поток. Этот поток может быть ядром цилиндрического течения с кольцевой завихренностью:
Uz =
Г (1, a ^ r ^ b; n(b2 — a2) | 0, r < a, r > b,
0, r < a;
Ф(г) = { (r2 — a2)/(b2 — a2), a < r < b;
1, r >b,
(7)
г
2п [
где через безразмерную функцию Ф(г) = — / сог(х)хйх определяются осевая и = и окружная и) =
о
компоненты скорости по формулам и = ио — ГФ(т)/2пс1, и> = ГФ(г)/2пг, где й — шаг спирали винта [27].
В случае (66) эффективная плотность р* = 0 и альфвеновский механизм распространения возмущений уже не работает. При р* < 0 в ядре магнитно-вихревого течения уравнение движения можно записать (с учетом сил вязкости) в виде
(-р*)— -У)—) + У(—р*) = ри Д(—V), р* = р + В2/2ц,, (8)
откуда следует возможность обращения потока с заменой направления V на противоположное. Не останавливаясь на других следствиях [25] этого явления, по сути, отрицательной инерции, подчеркнем лишь, что возможно образование магнитно-вихревого течения в виде суперпозиции [27] двух концентрических винтовых вихрей с различными значениями осевой скорости в ядре и кольцевой области и даже разными направлениями завихренности типа обобщения (7) с = 0 при г < а. Естественно, описываемые уравнениями (5)—(8) цилиндрические столбы далеко не всегда видны и без реальных данных о спектре говорить о природе их свечения можно только в гипотетическом плане, однако механизм гигантского рассеяния [21] универсален и работает практически всегда.
Развиваемый в настоящей работе подход с учетом важной роли литосферного водорода [13-18] можно отнести (по Д.А. Кузнецову [15]) к разделу геопротоники, а светящиеся плоские слои и цилиндрические столбы назвать квазимолниевыми структурами Власова [8]. Такие структуры обеспечивают эффективную локализованную транспортировку водорода и других легких газов в верхние слои атмосферы за счет явления обратной термодиффузии [12] разогретого электромагнитным излучением легкого газа в тяжелом воздухе. А учет почти резонансной перезарядки Н+ + 0 ^ Н + 0+ дает возможность нового теоретического объяснения усиления зеленого свечения ночного неба в Е-области ионосферы [7] перед сильными землетрясениями даже в случаях, когда "сейсмика еще молчит" [2, 6].
Описанные выше квазимолниевые структуры могут служить своеобразными и часто невидимыми "нитями", которые "привязывают" к энергоактивированным зонам литосферных разломов (в окрестности которых и происходят затем землетрясения) недавно обнаруженные с помощью космических средств мониторинга [28] аномальные по ряду признаков облачные сейсмоиндуцированные структуры. Этот новый класс облачных предвестников в совокупности с другими методами [29, 30] дает высокую реализацию (более 90%!) краткосрочного прогноза землетрясений с магнитудой М ^ 6 одновременно по месту, времени и магнитуде (похоже, в первом приближении получен положительный ответ на главную триаду: "Где? Когда? Какой силы?"), чего пока не удавалось добиться с помощью других типов предвестников.
Подчеркнем, что альфвеновский механизм распространения возмущений при условии (6а) или явление отрицательной инерции открывает принципиальную возможность формализованного описания электромагнитной накачки литосферных разломов во время земных магнитных бурь, спровоцированных солнечными вспышками. Такая накачка может осуществляться и бессиловым винтовым потоком типа (5) во время магнитных суббурь [24] вследствие отрыва магнитосферного плазмоида с ночной стороны Земли. Подобные представления об электромагнитной накачке недр согласуются с приведенными в [28] эффектом D-триггера и 7-суточной гармоникой активизации сейсмической активности на Гармском полигоне при глубинном электрическом зондировании в 1976-1978 гг. с помощью МГД генератора.
В качестве заключения к разделу о цилиндрических электромагнитных вихрях отметим, что на основе системы уравнений электровихревых течений, записанных в электродинамическом приближении [26] через электрическую фе и гидродинамическую Ф функции тока и оператор Стокса О2:
<9Ф д <9Ф д
дг дг дг дг
О2Ф 4 2п дф,
+ г/1)4Ф =--^фе
г2 рг2 дг
2 2 д /1 д \ д2 . 2 д (9)
02фе = О, О2 = г—[-—)+ —= А-- — , дг \г дг) дг2 г дг
^Ф = гийг — гьйг, j = [Уфе х е^] /г, В^ = цфе/г,
можно уточнить представленный на качественном уровне в [31, 32] сценарий возникновения шаровых молний в разрядном канале линейных. Подобный сценарий (с точностью до членов первого порядка по малому параметру е*) описывает следующее решение системы (9):
Фе = 30
2
^ + е*г 1\(г) со8 г
г2 . _ , „ и0г2 Ьг г 2
Ф = —- + — + [сгД(г) + Аг210(г)] соэг, (10)
28
г
где Аио = е*/2р, 1о(г) и 1\(г) — модифицированные функции Бесселя. Решение (10) при соответствующем подборе констант А, Ь и с моделирует возможный распад четочной молнии (рисунок линий тока
Ф = const и пояснения см. в [31, 32]) на серию шаровых [5]. Образование последних из цилиндрических светящихся столбов и необычных "молний" перед землетрясениями иногда отмечалось [3] рядом случайных наблюдателей. И если в магнитно-вихревых течениях основным является геомагнитное поле, то в теории электровихревых течений приложенным является ток jo, с которым взаимодействует собственное магнитное поле, создающее при этом вихревую силу. Это может быть главным эффектом, если jo и геомагнитное поле практически коллинеарны.
Назовем электровихревыми аэропузырями наземные светящиеся полусферы большого диаметра, описанные в [3, 4]. Основой для их моделирования может служить на микроуровне обобщение методов и результатов Власова [8] для сферических плазмоидов, а на макроуровне — уравнения теории электровихревых течений [26], когда аэропузырь можно описать моделью, похожей на предложенную в [33] для элекродугового расплава металла интегральным током Jo от точечного электрода, помещенного в центр основания полусферического контейнера (с той лишь разницей, что теперь полусфера перевернута и плоская поверхность является твердой землей, сферическая поверхность — свободной, а внешняя среда — воздухом).
В сферических координатах r, в, ф с началом координат в центре основания полусферы эта модель для функции тока Ф(г, в) = vrh(R,z), где R = r/a, a — радиус полусферы, ( = cos в, v — коэффициент вязкости, в квазистационарном случае и в приближении Стокса сводится к решению уравнения
д2 1 - z2 д2
+
дг2 f2 д(2
2
с соответствующими граничными условиями при Я =1, ( = 0 и ( = 1.
Аргументы в пользу применимости в квазистационарном случае к аэропузырю в качестве первого приближения уравнений Стокса (а не уравнений идеальной жидкости) подобны приведенным в § 3.1 монографии [26].
Интересный случай, когда течение внутри полусферы не генерирует течения в окружающем пространстве, рассмотрен в [33] и соответствует условиям
Я = 1 : Уг = юв = 0; ( = 1 : юв = 0, У| < то; ( = 0 : юв = рвг = 0, (12)
что позволяет искать решение уравнения (11) в виде
2
h(R, z)/S = ho(z) + (1 - z2) E (a2nR2n + b2nR2n+2) P2n(Z),
n=l
<x
ho(z) = (1 + z) In(i + z) + ^z2 + bz + с = (1 - z2) E C2n PL(z),
n=l
(13)
где р2п(С) — производные от полиномов Лежандра степени 2п; А, В, С, а2П и Ь2П — произвольные константы. Выполнение граничных условий (12) дает
А = —1/2, В = 1/2 — 21п 2, С = 0, а2п = —(п + 1)с2п, Ь2п = пс2п,
где С2п, определяемые рядом (13), быстро убывают с ростом номера п. В итоге при п = 2 функция тока Ф имеет вид
22
Ф = 2avSRz(1 - z2)(1 - R2)
5 3 -
96 2560
(1 + 2R2 )(7z2 - 3) + ...
(14)
Если ограничиться первым членом ряда (14), то полученное течение будет иметь интересную особенность: у$ =0 не только на плоском основании (что означает условие непротекания через земную поверхность), но и на воздушной полусфере. При этом тангенциальная составляющая тензора вязких напряжений рг$ = 0 при Я =1, что возможно (в отсутствие движения вне полусферы), лишь когда рг$ компенсируется напряжением Тгв другой природы. Обсуждение физических причин возникновения Тгв и математических следствий из этого (как и общий случай течения вне полусферы) не является целью данной работы и требует отдельного анализа. Однако на границе плазменных сфероидов может образоваться двойной электрический [5, 8] или простой слой зарядов [34], которые генерируют Тг$ за счет электрокапиллярного эффекта и придают всей структуре определенную упругость.
Функция тока (14) описывает электровихревое течение в полусфере, топологически близкое к электрогидродинамическому течению в половине сферической капли с поверхностным зарядом простого слоя [34], которое внутри и вне капли задается функциями тока вида
r3 f r2 \ / а2\
Ч>(г,в) = А1— —-1 ) sin2 0 cos в, Ъ'(г,в)=А1 1-— sin20cos0. (15)
а \ а / \ r /
Различия этих течений наиболее наглядны в начальной стадии: если течение типа (14) возникает в результате выброса протонной струи и дальнейшего образования "квазитвердой" границы полусферического облака ионизированного воздуха по сценарию Созоу-Пикеринга [35] развития затопленной струи Слезкина-Ландау-Сквайра, то течение (15) развивается от границы капли внутрь и во внешнее пространство. Роль приосевой заряженной струи в виде точечного подвода электрического тока к центру основания полусферы сохраняется и на квазистационарной стадии существования аэропузыря, в том числе для поддержания необходимого импульса в начале координат и двойного или простого электрического слоя зарядов на его границе. Заметим, что в общем случае итоговое решение уравнения (11) зависит от граничных условий и конкретного вида Tr$ на свободной полусфере.
5. Заключение. Возможность ионной конденсации на микроуровне и образования различных локализованных макроструктур была предсказана Власовым [8]. На макроуровне подобные локализованные структуры (типа описанных в работе плоских токовых слоев, цилиндрических магнитно-винтовых потоков, магнитно- или электровихревых течений) могут работать как ионные насосы, вбирающие в себя из окружающего пространства различные заряженные частицы со скоростью электромагнитного дрейфа [24]. Это обеспечивает относительно длительное, а при наличии внешнего ионизатора и почти автономное существование таких локализованных в атмосфере структур из пылевой или кластерной плазмы. Внутри этих макроструктур под действием атмосферного электрического или геомагнитного поля возникает электрический ток за счет разделения частиц в зависимости от знака заряда, что позволяет назвать подобные локализованные образования квазимолниевыми, а в ряде случаев и обнаружить их визуально. Для световых предвестников землетрясений роль внешнего ионизатора может играть импульсный прорыв через разломы земной коры радиоактивного радона [2, 3], литосферных протонов, заряженных гидроксильных групп [13-16], а также других ионов [10, 17]. В настоящей работе акцентировалась роль литосферных протонов.
Автор выражает особую признательность Л.Н. Доде за консультации по облачным сейсмоиндуциро-ванным структурам и их корреляциям с измерениями, выполненными камчатской группой Д.А. Кузнецова, вариаций протонной эмиссии из литосферных разломов перед рядом землетрясений.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 08-08-00712).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Электромагнитные предвестники землетрясений / Под ред. М.А. Садовского. М.: Наука, 1982.
2. Проблемы геофизики XXI века / Под ред. А.В. Николаева. М.: Наука, 2003.
3. Ольховатов Ю.А. Тунгусский феномен 1908 года. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008.
4. Derr J.S. Earthquake light: a review of observations and present theories // Bull. Seismol. Soc. Amer. 1973. 63, N 6. 2177-2187.
5. Натяганов В.Л. Ломоносов и загадки природного электричества. Часть 1. Парадоксы шаровой молнии //Вестн. Моск. ун-та. Матем. Механ. 2005. № 6. 42-49.
6. Липеровский В.А., Похотелов О.А, Шалимов С.Л. Ионосферные предвестники землетрясений. М.: Наука, 1992.
7. Абурджаниа Г.Д. Самоорганизация нелинейных вихревых структур и вихревой турбулентности в диспергирующих средах. М.: КомКнига, 2006.
8. Власов А.А. Нелокальная статическая механика. М.: Наука, 1978.
9. Гленсдорф П., Пригожин И. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций. М: УРСС, 2003.
10. Сканави Г.И. Физика диэлектриков (область сильных полей). М.: ГИФМЛ, 1958.
11. Недоспасов А.В., Хаит В.Д. Колебания и неустойчивости низкотемпературной плазмы. М.: Наука, 1979.
12. Кернер Б.С., Осипов В.В. Автосолитоны: локализованные сильнонеравновесные области в однородных дисси-пативных системах. М.: Наука, 1991.
13. Натяганов В.Л. Ломоносов и загадки природного электричества. Часть 2. Электротепловой пробой в литосфере как триггер землетрясений // Вестн. Моск. ун-та. Матем. Механ. 2007. № 4. 40-46.
14. Ларин В.Н. Гипотеза изначально гидридной Земли. М.: Недра, 1980.
15. Кузнецов Д.А. Геопротоника: феноменологические основы методики прогнозирования землетрясений с применением многофакторного анализа вариаций параметров гео-космо-астро-физических явлений, включая протонную и гидроксид-ионную импульсную дегазацию из разлома. Деп. в ВИНИТИ. № 3295-В92. М., 1992.
16. Бобровский В.С., Кузнецов Д.А. Электросетевая модель космометеотектоники. Водородная модель тектонического очага. Сейсмическая активность и облачность. Деп. в ВИНИТИ. № 1133-И2006. М., 2006.
17. Флюиды и геодинамика: материалы Всероссийского симпозиума (Москва, 2003) / Под ред. Ю.Г. Леонова, В.Л. Русинова. М.: Наука, 2006.
18. Гуфельд И.Л., Гусев Г.А, Матвеева М.И. Метастабильность литосферы как проявление восходящей диффузии легких газов // Докл. РАН. 1998. 362, № 5. 677-680.
19. Лунин В.В., Попович М.П., Ткаченко С.Н. Физическая химия озона. М.: Изд-во МГУ, 1998.
20. Алексеев В.А., Алексеева Н.Г. Поступление аэрозолей в зонах тектонической активности // Регулярности и симметрия в строении Земли (мат-лы науч. семинаров ТРИНИТИ РАН-МГУ: 1994-1996 гг.). М.: Рост, 1997. 120-132.
21. Емельянов В.И., Коротеев Н.И. Эффект гигантского комбинационного рассеяния света молекулами, адсорбированными на поверхности металла // Успехи физ. наук. 1981. 135, вып. 2. 345-361.
22. Натяганов В.Л. Электротепловой пробой в литосфере и сопутствующие явления в атмосфере // Упругость и неупругость: Мат-лы симпозиума, посвященного 95-летию со дня рождения А.А. Ильюшина. М.: ЛЕНАНД, 2006. 385-389.
23. Натяганов В.Л. Моделирование сейсмоэлектрических процессов в литосфере и сопутствующих явлений в атмосфере // Сб. тр. Междунар. школы-семинара "Современные проблемы механики и прикладной математики". Воронеж: Изд-во ВГУ, 2005. 54-57.
24. Прист Э., Форбс Т. Магнитное пересоединение: магнитогидродинамическая теория и приложения. М.: Физмат-лит, 2005.
25. Шерклиф Дж. Курс магнитной гидродинамики. М.: Мир, 1967.
26. Электровихревые течения / Под ред. Э.В. Щербинина. Рига: Зинатне, 1985.
27. Алексеенко С.В., Куйбин П.А., Окулов В.Л. Введение в теорию концентрированных вихрей. М.; Ижевск: Изд-во Ин-та компьютерных исследований, 2005.
28. Дода Л.Н. Геосейсмическое эхо солнечных бурь, или землетрясения рождаются на Солнце // Новости космонавтики. 2003. 13, N 6(245). 56-59.
29. Дода Л.Н., Новикова Н.Н., Пахомов Л.А. и др. Прогнозирование и космический мониторинг предвестников землетрясений: проблемы, реалии, надежды // Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций: V Науч.-практ. конф., 15-16 ноября 2005 г., доклады и выступления. М.: 2006, 114-120.
30. Добровольский И.П. Теория подготовки тектонического землетрясения. М.: Изд-во ИФЗ, 1991.
31. Натяганов В.Л. Четочная молния как промежуточная стадия между линейной и шаровой // Сб. докл. VII Междунар. конф. "Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкостей". СПб.: ИК "Синтез", 2003. 189-192.
32. Натяганов В.Л. Неординарные явления атмосферного электричества // Вестн. МГУЛ (Лесной вестник). 2005. № 4(40). 53-62.
33. Sozou C, Pickering W.M. Magnetohydrodynamic flow due to the discharge of an electric current in a hemispherical container //J. Fluid Mech. 1976. 73, part 4. 641-650.
34. Мелчер Дж., Тейлор Дж. Электрогидродинамика: обзор роли межфазных касательных напряжений // Механика: Сб. переводов. 1971. N 5. 66-99.
35. Cantwell B.J. Transition in the axisymmetric jet //J. Fluid Mech. 1981. 104, part 2. 369-386.
Поступила в редакцию 04.09.2007
