доцент, к.ф.-м.н. В.Л. Натяганов, м.н.с. С.А. Маслов

ОБРАТНЫЕ ЗАДАЧИ ГЕОФИЗИКИ: МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПАСНЫХ ЯВЛЕНИЙ ПРИРОДЫ

Под опасными явлениями природы (ОЯП) различных геофизических типов далее принимаются неожиданные сильные землетрясения и мощные извержения вулканов, волны цунами, тайфуны или ураганы, смерчи типа торнадо и шаровые молнии.

Физико-математическое моделирование этих ОЯП подразумевает не только создание моделей и разработку механизмов реализации этих явлений катастрофического характера с явной неоднозначностью причинно-следственных связей, но и выяснение признаков подготовки (т.е. набора необходимых условий) их возникновения в целях прогноза.

В частности, для сильных землетрясений самым информативным предвестником оказались облачные сейсмотектонические индикаторы (ОСТИ) – специфические облачные структуры, длительное время (от первых часов до нескольких суток) визуально стоящие на месте на космоснимках за счет глубинной дегазации легких газов (водород, гелий, метан…) через нарушения сплошности литосферы (земной коры).

Однако механизмы электромагнитной накачки земных недр, которая часто является триггером землетрясений, до сих пор не вполне ясны, хотя есть несколько альтернативных и физически правдоподобных гипотез.

Для вихрей типа торнадо необходимыми условиями оказались сильные возмущения атмосферного электрического поля (АЭП) под грозовыми облаками, когда его напряженность возрастает на 2-3 порядка, и где с энергетической точки зрения в целом “магнитная” Земля превращается локально в “электрическую”.

Учет этого фактора позволил на основе системы уравнений электрогидродинамики (ЭГД) описать математически не только процессы формирования воронки смерча из грозового облака, но и ее некоторые характерные черты типа “воротника” – цилиндрического выступа в виде хоккейной шайбы внизу облака, а также “каскада” – столба пыли на суше или холма капель на водной поверхности еще в начале процесса опускания воронки, которые длительное время не удавалось теоретически объяснить на основе уравнений термогидродинамики.

Хотя эти уравнения на качественном уровне неплохо описывают тайфуны в развитой стадии, которые как и торнадо относятся к катастрофическим атмосферным вихрям, но с существенно большими горизонтальными размерами (до нескольких сотен км в диаметре). Однако полное отсутствие ураганов (так в Америке называют тайфуны) по обе стороны Южной Америки (в зоне Бразильской магнитной аномалии, где напряженность геомагнитного поля сильно понижена) еще ждет теоретического обоснования.

Для шаровой молнии до сих пор является загадкой ее парадоксальная способность проникать с сохранением объема сквозь малые отверстия, при этом сильно меняя свою форму от первоначальной сферы к гантелевидной (типа знака ∞ - бесконечности) и снова к сферической.

Заметим, что иногда одни виды ОЯП являются триггерами для других (тайфуны могут спровоцировать землетрясения, которые могут стать триггерами вулканических извержений или вызвать цунами на море и масштабные оползни в горах…); а наиболее опасными становятся цепочки природно-техногенных катастроф по принципу “домино”, как это случилось в марте 2011 г. в Японии. Тогда подводное землетрясение вызвало волну цунами до 12 м высотой, которая гидравлическим прыжком перепрыгнула через заградительную дамбу в 6-8 м и разрушила наземно-резервный энергоблок, что в итоге спровоцировало техногенную аварию на энергоблоках АЭС “Фукусима” и вызвало радиоактивное заражение местности на большой площади и прибрежных вод океана…

В частности, поэтому краткосрочный прогноз сильных землетрясений считается одной из главных задач геофизики на XXI век.

ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ (ЭГД) ТЕЧЕНИЙ

Для теоретического обоснования ЭГДП было необходимо проанализировать электротепловую аналогию в родственных задачах тепло- и электрокапиллярного дрейфа одиночной капли с ДЭС, причем последнюю задачу надо было решать в электромагнитном приближении с учетом генерации собственного магнитного поля. Это привело к новому понятию в математической теории обобщенных функций – тройному электромагнитному слою (ТЭМС), представляющий собой двойной токовый слой (векторное обобщение ДЭС) меридионального направления с зажатым внутри него магнитным полем азимутального направления.

Этот неожиданный ЭГДП обусловлен зависимостью поверхностного напряжения от величины заряда ДЭС и его относительной толщиной, а позднее был использован в электрокапиллярно-вихревой модели шаровой молнии – одном из самых загадочных явлений атмосферного электричества и в модели формирования из грозового облака воронки торнадо для теоретического обоснования таких характерных черт как “воротник” и “каскад”.

Другим интересным приложением ЭГД-течений вне цилиндрических тел является вращение с большой угловой скоростью цилиндрических роторов в вязкой жидкости и в присутствии внешнего электрического поля, что уже используется в электротехнике малогабаритных электродвигателей небольшой мощности.

Если ЭГД-течения рассматривать внутри вращающихся цилиндров, наполненных вязкими жидкостями с различными гидро- и электрическими характеристиками (проводимостью и диэлектрической проницаемостью), то можно обнаружить и предсказать ряд неожиданных эффектов: в частности, обобщенное течение Куэтта-Пуазейля с генерацией продольного электрического поля, которое вызывает сложное спиральное течение внутри каждой из наполняющих вращающийся цилиндр несмешивающихся жидкостей.

Технологические приложения этой задачи достаточно многоплановы и перспективны в различных производствах сверхтонких, но многослойных нитей с наперед заданными механическими и электрическими свойствами.

Публикации:

1. Натяганов В.Л. Ломоносов и загадки природного электричества.
   Часть 1. Парадоксы шаровой молнии.//Вестн. Моск. ун-та, Сер. 1, 2005, №6.
   Часть 2. Электротепловой пробой в литосфере как триггер землетрясений//Вестн. Моск. ун-та., сер. 1, Матем.. Мех., 2007, № 4, с. 40-46.
   Часть 3. Электромагнитная природа световых предвестников землетрясений// Вест. Моск. ун-та, сер. 1, Матем., Мех., 2010, № 3, с. 24-31.
   Часть 4. Электромагнитные механизмы формирования торнадоподобного смерча// Вестн. Моск. ун-та., сер. 1, Матем. Мех., 2014, № 2, 32-38. (совместно с Масловым С.А.)
   Часть 5. Проблема квазистационарности атмосферного электрического поля//Газовая и волновая динамика, выпуск 5.-М.: Айрис-пресс, 2013, с. 317-324.
2. Маслов С.А., Натяганов В.Л. Влияние зарядовой структуры грозовых облаков на формирование торнадоподобных вихрей // Прикладная физика, 2015, № 6, с. 16-20.
3. Дода Л.Н., Натяганов В.Л., Степанов И.В. Эмпирическая схема краткосрочного прогноза землетрясений// ДАН, 2013. Т. 453. N 5. С. 551-557.
4. Doda L.N., Malashin A.A., Natyaganov V.L., Stepanov I.V. Seismotectonics and Ground-Space Monitoring of Signs of Natural Disasters in the Earth // Acta Astronautica, 2015. V. 109. PP. 254-263. DOI
5. Дода Л.Н., Натяганов В.Л., Шопин С.А. Результаты сейсмопрогнозного эксперимента по Камчатке//ДАН. 2016.Т. 469. № 6. С. 729-733.
6. L.N. Doda, V.R. Dushin, V.L. Natyaganov, N.N. Smirnov, I.V. Stepanov. Earthquakes forecasts following space- and ground-based monitoring. Acta Astronautica 69 (2011) 18–23. DOI