Исследования ЭМИ на акваториях с целью картирования сейсмоактивных объектов

Слой морской воды, отделяющий морское дно от наблюдателя, находящегося в области воздушного пространства над акваторией, и являющийся по сути электролитом, осуществляет специфическую фильтрацию и преобразование электромагнитных полей, которые генерируются донными породами в механических (т.е. локально деформационных), тектонических, сейсмических, акустических и прочих процессах, протекающих на придонных участках земной коры, как в фоновом, так и в аномальных режимах [9, 10].

Такдля ЭМИ оптической частоты (например, для видимого глазом света) морская вода достаточно прозрачна и позволяет им распространяться на сотни и более метров; постоянное магнитное поле в движущейся морской воде, в силу закона о вмороженности силовых линий магнитного поля в проводящую среду, будет возмущено и искажено в соответствии с линиями тока воды и для турбулентного потока даже разорвано на части. Для квазистационарных полей (в частности, для килогерцовых и менее частот ЭМИ) слой морской воды является экраном, полностью исключающим их проникновение в виде электромагнитных колебаний от придонного источника в атмосферу над ним через водную среду. Все сказанное относится к достаточно однородному слою морской воды в его естественной динамике.

Ограничиваясь далее рассмотрением ЭМИ стационарного и квазистационарного типа, генерируемого в придонных областях земной коры, дадим качественное описание влияния слоя морской воды на это ЭМИ и обсудим возможность регистрации проявления этого ЭМИ на поверхности моря и в окружающем акваторию надводном пространстве.

В стационарном и в квазистационарном случаях электрическая компонента ЭМИ от источника в донном грунте (на произвольной его глубине) при переходе из грунта (который, для простоты будем считать чистым диэлектриком) в морскую воду будет сразу и навсегда погашена за счет достаточно подвижных ионов соленой морской воды, которые при указанных частотах колебаний поля успевают смещаться в воде по направлениям электрического поля ЭМИ (положительные ионы движутся по полю, а отрицательные — против поля) и создают дипольное контрполе, которое нейтрализует электрическое поле ЭМИ. Таким образом, в водную среду из грунта проникает только магнитная компонента рассматриваемого ЭМИ. Ей не возбраняется иметь в морской воде нетривиальные значения, но, в отсутствие своей напарницы — электрической компоненты, распространяться в воде как часть электромагнитной волны и по законам последней эта магнитная компонента не может. И тогда реализуется другой способ распространения ЭМИ в морской воде, который разрешен уравнениями Максвелла — способ диффузионного распространения его магнитной компоненты. Последняя распространяется в морской среде без сопровождения электрической составляющей путем «диффузного просачивания» от точки к точке со «скоростями» диффундирования порядка сотен метров в секунду и в соответствии с векторным уравнением диффузии [9].

Результат деятельности источника квазистационарного ЭМИ, расположенного в придонном грунте, проявится в морской воде в появлении дополнительной к фоновой компоненте (вообще говоря, переменного) магнитного поля, т. е. проявится в изменении магнитной ситуации в толще морской воды. Ни о каком распространении этого ЭМИ через толщу воды (как электромагнитной волны по законам волнового уравнения) здесь речи быть не может. Разумеется, изменение магнитной обстановки в воде вызовет ее возмущение и в надводном пространстве появится, в частности, аномалия электромагнитного поля, которую можно зафиксировать теми или иными (электро)магнитными измерениями (в водной среде это изменение также можно зарегистрировать).

Указанный выше способ проявления ЭМИ от источника, локализованного в придонном грунте, в надводном пространстве не является единственно возможным. Имеется также следующий, описанный выше, механизм выноса электромагнитной энергии из толщи морской воды на водное зеркало и в надводное пространство. Именно, акустические волны (морские шумы естественного и искусственного происхождения, сейсмои акустические колебания, поступающие в морскую толщу из придонных участков земной коры), пронизывающие морскую толщу во всех направлениях, при наличии в последней магнитных полей, возбуждают в ней магнито-гидродинамические волны (МГД-волны). Часто этих МГД-волн, — МАВ, «несомые» звуковыми волнами, со скоростями и частотами того же (звукового) порядка переносят электромагнитную энергию «закачанную» в воду во всех направлениях, и, в частности, в направлении от морского дна к.

водному зеркалу, например, по каналам с особыми условиями распространения этих волн. Выходя на поверхность раздела «вода-воздух» МАВ-волны разделяются (по законам преломления типа законов Френеля для ЭМИ) на электромагнитную и акустическую компоненты и частью уходят с поверхности водного зеркала в атмосферу, а частью возвращаются в виде МАВ-волны обратно в воду. В отсутствие нелинейных процессов в этой схеме частоты уходящих в атмосферу полей (и электромагнитного и акустического) имеют порядок частоты выходящей из глубины на поверхность МАВ-волны, т. е. имеют частоты порядка частоты акустических сигналов моря. Опираясь на накопленные данные о составе и энергетике акустических сигналов в океане и сказанное выше, можно утверждать, что значительную роль в процессах переноса электромагнитной энергии в океанической среде играют мощные естественные инфразвуковые поля, пронизывающие океан во всех направлениях и на всех глубинах.

Учитывая характер акустических сигналов в море и стохастический характер волнений и формы водной поверхности можно утверждать, что электромагнитная компонента МАВ-волн, перешедшая из воды в атмосферу, будет некогерентным (т.е. потерявшим детерминированные фазовые соотношения) волновым полем. Кроме того, наличие постоянного магнитного поля Земли, пронизывающего всю толщу моря, и постоянных фоновых акустических шумов моря обеспечивают наличие постоянного фонового ЭМИ описанного выше происхождения, уходящего с водного зеркала в атмосферу. Для ЭМИ, уходящего указанным способом из морской среды в атмосферу, характерна очень малая плотность энергии, так что весьма важным фактором возможности его регистрации становится площадь «собираемости» излучения, т. е. площадь акватории, ЭМИ с которой попадает на входной канал регистрирующего устройства. Ясно, что чем больше эта площадь, тем выше энергетика регистрируемого сигнала и тем надежнее данные измерений.

В свете сказанного рассмотрим задачу регистрации в надводном пространстве аномального ЭМИ, вынесенного в атмосферу из морской среды при условии, что причиной (первичным источником) этой аномальной электромагнитной активности является донный геологический разлом.

Опираясь на вышеописанные механизмы переноса ЭМИ из морской среды в атмосферу и свойства ЭМИ, уходящего в атмосферу, выполненные в этой области экспериментальные исследования и работы, можно сформулировать основные требования к системам измерений и обработки информации для решения поставленной задачи:

• 1. Система измерений должна быть системой пассивной электромагнитной локации, настроенной на обнаружение и измерение волн в частотном диапазоне от единиц Гц до десятков кГц.
• 2. С целью увеличения и варьирования площади сбора ЭМИ, а также для реализации разноракурсных схем измерений необходим измерительный комплекс воздушного бортового базирования; желательно иметь такую систему на космическом борту.
• 3. Технология измерений должна включать в себя схемы разноракурсности, разновысотности, разночастотности измерений, съем данных в условиях вариаций времен суток, сезонов, атмосферных и магнитосферных условий.
• 4. Системы обработки информации должны быть ориентированы на работу с некогерентными полями указанных выше частот, должны существенно использовать разноракурсность положений принимающей антенны относительно поверхностно распределенного излучателя (в данном случае водного зеркала), выделять компоненты поля заданной частоты, производить квалифицированное накопление информации по выделенным частотам и совокупности частот, по совокупности пролетов над заданной акваторией, по временам суток, по совокупности варьируемых метеоусловий, магнитных состояний и иных представляющих интерес параметров.
• 5. Выделение аномального ЭМИ предполагает и требует создания фонового ЭМИ-портрета заданной акватории в различных условиях и параметрах измерений, что является первоочередной задачей деятельности всего обсуждаемого технологического комплекса.

Представляется, что в качестве прототипа для системы обработки данных измерений ЭМИ указанного класса для поставленной задачи может быть взят известный в астрономии метод синтезированной апертуры, решающий в радиоастрономии задачу весьма близкую к обсуждаемой и в похожих условиях.

Здесь полностью исключены из рассмотрения вопросы взаимодействия электромагнитных состояний моря и ионосферы, учет и измерение которых могут, вероятно, дать некоторую дополнительную информацию об электромагнитном состоянии моря на значительных по площади акваториях. Однако, чересчур глобальные масштабы этого взаимодействия, по крайней мере, в области ионосферы, выступающей в рассматриваемом случае как индикатор состояния моря, вряд ли позволят дать какие-либо содержательные заключения о конкретных ограниченных акваториях, привязанных к донным разломам или волноводам в морской среде.

Экспериментальные работы, положенные в основу статьи, выполнены с аппаратурой, которая была модернизирована за счет средств, выделенных Министерством Науки РФ.