научная статья по теме К ВОПРОСУ О ВЕЛИЧИНЕ СМЕЩЕНИЯ ВНУТРЕННЕГО ЯДРА ЗЕМЛИ Геофизика

Текст научной статьи на тему «К ВОПРОСУ О ВЕЛИЧИНЕ СМЕЩЕНИЯ ВНУТРЕННЕГО ЯДРА ЗЕМЛИ»

ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2004, № 4, с. 63-66

УДК 550.31

К ВОПРОСУ О ВЕЛИЧИНЕ СМЕЩЕНИЯ ВНУТРЕННЕГО ЯДРА ЗЕМЛИ

© 2004 г. В. А. Антонов1, Б. П. Кондратьев2

1Главная астрономическая обсерватория РАН, г. С.-Петербург 2Удмуртский государственный университет, г. Ижевск Поступила в редакцию 28.11.2002 г.

Новым методом получены уравнения движения твердого внутреннего ядра Земли в окружающем его внешнем жидком ядре под действием приливной силы от небесных тел. Реальной является только приливная сила от Луны, а влиянием других небесных тел на внутреннее ядро нашей планеты можно пренебречь. Выяснено, что смещение твердого ядра возникает только от третьих гармоник возмущающего потенциала, причем приливная сила зависит от сплюснутости ядра и оказывает на него лишь незначительное воздействие. Конкретно установлено, что амплитуда колебаний ядра при учете Луны в качестве главного возмущающего тела оказывается ничтожно малой: в стационарном случае верхний предел смещения твердого ядра оказывается равным лишь 6.1 х 10-4 см. Это на порядок меньше результата, полученного ранее Н.Н. Парийским и почти на семь порядков меньше оценок смещения ядра, полученных другими авторами. Ключевые слова: внутреннее ядро Земли, приливные силы, гидродинамика.

1. ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время о динамике внутреннего твердого ядра Земли, а также о течениях в жидком ядре, нет четких представлений. В частности, вопрос о смещении внутреннего ядра как целого под действием приливных сил от внешних тел (практически надо учитывать только Луну) рассматривался в монографии [Авсюк, 1996], но, по нашему мнению, недостаточно полно и с погрешностями. Данная Авсюком оценка смещения ядра составляет около десяти метров (стр. 10 его монографии).

В работе [Чуйкова и др., 1997] сделана попытка анализа колебаний внутреннего ядра Земли под воздействием гравитационного и магнитного полей. Однако при конкретных расчетах все нелинейные члены в уравнениях движения были отброшены, то есть задача решалась в тривиальном линейном приближении. Данные расчетов оказались неполными; кроме частоты колебаний была дана только оценка стационарного смещения ядра Земли (оно оказалось равным порядка нескольких сотен метров; по порядку величины его можно оценить просто как следствие грушевидной формы Земли). В этой работе ничего, в частности, не говорилось о смещении ядра под воздействием других небесных тел. Но именно последнее и будет интересовать нас далее.

В оценке смещения твердого ядра Н.Н. Парий-ский [Парийский, 2000] дает совершенно другой результат. Используя потенциал гравитационного притяжения Луны на Землю в форме Мак-Кулло

GMM, CM,

V =--1--[A + B + C-3 J] (а)

r 2 r

(M1 - масса Луны, r - расстояние между центрами тяжести Земли и Луны, A, B, C - главные моменты инерции Земли, J - момент инерции Земли относительно направления r), он находит величину радиального приливного ускорения на центр твердого ядра равным (5 - склонение Луны, v -истинная аномалия, a - экваториальный радиус Земли)

А ar (5, v) = 0.495 GM^CzA (^^ 5). ^

rC

В итоге Н.Н. Парийский получил максимум смещения твердого ядра под воздействием Луны равным лишь 7 х 10-3 см.

В виду резкого различия в оценках смещения ядра у разных авторов необходимо рассмотреть этот вопрос заново, и желательно другим методом. Ниже вопрос о приливных эффектах и смещении внутреннего ядра мы рассмотрим, используя выражение приливного потенциала Луны на Землю.

Наш подход отличается от подхода Н.Н. Па-рийского (напомним, что он пользовался формулой Мак-Кулло), поскольку позволяет провести усреднение воздействия третьей гармоники на внутреннее ядро Земли. У Парийского никакого усреднения метод не предусматривает: действительно, Ааг из формулы (б) выражает приливное воздействие Луны лишь на одну центральную точку ядра. Именно в наличии усреднения мы усматриваем причину некоторого отличия нашего

результата от смещения, найденного Н.Н. Парий-ским.

2. О СИЛЕ, ДЕЙСТВУЮЩЕЙ НА ВНУТРЕННЕЕ ЯДРО ЗЕМЛИ

Примем следующие обозначения: Ф - полный гравитационный потенциал внутри ядра, состоящий из двух частей Ф1 + Ф2, где Ф1 - потенциал самой Земли, а Ф2 - внешнего тела (Луны); ре и -плотности соответственно внешнего и внутреннего ядра Земли, предполагаемые здесь постоянными (эффекты неоднородности и сжимаемости практически не меняют результата); Яе и Я, -средние радиусы внешнего и внутреннего ядра Земли; Т и 5 - область пространства и поверхность внутреннего ядра; п - вектор внешней единичной нормали на поверхности раздела внутреннего и внешнего ядра; р - давление внутри жидкого ядра (вязкостью и магнитным полем пренебрегаем); у(ух, vy, v.) - вектор скорости течений в жидком ядре.

Ввиду крайней малости ожидаемых приливных течений, в уравнениях гидродинамики можно пренебречь инерционными членами, так что остается

д V 1

■-— =--grad р + grad Ф, divv = 0. (1)

д г Ре

Мы пользуемся системой координат, связанной с твердым телом Земли. Кроме того, в векторном уравнении (1) опущен член, представляющий центробежное ускорение, поскольку это ускорение заведомо мало и составляет всего 1-2% от внешней приливной гравитационной силы.

Формально уравнениям (1) удовлетворяет решение

V х = v у = v. = 0, р = Ре Ф. (2)

Это решение, однако, не совсем удовлетворяет граничным условиям, так как при движении ядра граница раздела, вообще говоря, подвижна. Обозначив вектор смещения центра инерции внутреннего ядра через И и соответствующую ско-—И

рость через w = — , находим решение системы (1)

при нулевой правой части, но смещающейся границе раздела (ф - потенциал скоростей)

V = grad ф, р = -р

—ф

а + w - ^п(wг) 1п = 0, (г = Яе),

кг' Г I

или

а

-24 = 1, а-24 = 0.

Я

я

Очевидно,

1 в 1 Я

а =--; Р = 2-

Я 2 я

ее

(5)

Полное решение получается суммированием обоих предыдущих

V = grad ф, р = реГф -—. (6)

Таким образом, поле скоростей и давление в жидком ядре найдены.

Изучим баланс сил, действующих на внутреннее ядро. Во-первых, это сила давления на него от жидкого окружения

= рП—5 = -РеДф -—ф)П—5 =

= - р-1[ф - <—;п)я, - Сп)я [I

п —5 =

= -Ре

Ф—п ^ Га Я, + 1

3 —г

(7)

= -Ре

Ш grad Ф—х—уй.

Я

1+Я:

3 3

4кяи——w_2Яз

3 —г Яъ

1-Я3

Я3

Во-вторых, есть сила непосредственного гравитационного воздействия на точки внутреннего ядра

ф = аwг + р -3-;

г3

а + w - п(wг) - w 1п = 0; (г = Я1),

\ Г ' Г I

(3)

Е2 = Р;Ц1 gradФ —х—у.

(8)

Полная сила равна Е1 + Г2. Уравнения движения ядра имеют вид

Т

Т

К ВОПРОСУ О ВЕЛИЧИНЕ СМЕЩЕНИЯ ВНУТРЕННЕГО ЯДРА ЗЕМЛИ

65

з йг2

= (р; - Ре)|Цgradфйхйуйг ■

+

1 + *

4П Р; М; _$

3 я; йг2'

(9)

1-

я

Следовательно,

4 п Я2

2 я; + я;

Р; + —-з—-з- Ре

йТЪ йг2

2(яе - я;)

= (Р; - Ре )|Ц gradФ йхйуйг.

(10)

Отметим, что коэффициент при второй производной содержит, кроме самой массы внутреннего ядра, также и присоединенную массу [Ламб, 1947].

Основную часть потенциала дает притяжение самой Земли. Притом в состоянии покоя Ф1(х, у, z) -симметричная функция и поэтому интегрирование grad Ф1 дает нуль. Несимметричный член происходит от смещения внутреннего ядра. Это смещение дает как бы дополнительную плотность р; - ре на фоне симметричного распределения, так что соответствующая добавка к потенциалу

8Ф1 = 2КО(Р; - Ре) -2пО(Р; - Ре)

2-,

я2-

я2-;- (г + И)2

ПО(Р; - Ре)Иг.

(11)

Гравитационным влиянием на ядро от мантии Земли здесь можно пренебречь [Кондратьев, 2003].

Нас интересует приливная сила от Луны. Пусть положение ее центра инерции в системе отсчета, связанной с твердой оболочкой Земли, дается вектором г'(х', у', ¿). Разлагаем гравитационный потенциал Луны, Ф2 в ряд по степеням координат х, у, z (без штрихов!) внутренней точки Земли. Члены первого порядка несущественны, так как они дают ускорение, действующее на Землю целиком, исключаемое у нас фиксацией положения твердого тела Земли. Эффект от члена второго порядка (для краткости мы его не выписываем) симметричен относительно начала координат и также не относится к делу. Возможное воздействие начинается только с членов третьей степени

Ф2 = От

,5( г г' ) 3 - 3 Г2 (г г' ) г2

7 ,

2 г'7

(12)

где т - масса Луны. Тогда

^ ^ .[ 15(гг')2-3г,2г2]г'-6г'2(гг')г

gradФ2 = От -—-—--7---——. (13)

2 г'

Очевидно, интеграл от этого grad Ф2, по точному шару был бы равен нулю, поскольку любая сферическая гармоника порядка >1, усредняясь по всей сфере, дает нуль. Стало быть, в данном пункте приходится учитывать несферичность внутреннего ядра Земли. По современным данным [Буллен, 1978], оно имеет форму слегка сжатого сфероида с квадратом эксцентриситета е2 ~ 5 х 103. Обозначим полуоси этого сфероида через а, с. Результаты интегрирования по телу ядра дают

|Ц( гг' )2 йxйyйz = |Ц( хХ + уу' + zz' )2 йxйyйz =

4па4с, ,2 ,2Ч 4па2с3 ,2 (Х + у ) + Z ;

15

И! г2 йxйyйz =

15

8 па4 с 4па2 с +

15

15

!!!(гг' )2 гйxйyйz =

Т

= |Ц[x(xХ + уу' + zz'), у(xХ + уу' + zz'),

z (xХ + уу' + zz') ]йxйyйz =

4па4с , 4па4с , 4па4с Х, -7--— у , —ГТ— Z |.

15

15

15

Вместе:

Ц! grad Ф2 йxйyйz =

2пОт'а2сггс, 2, ,2 ,2Ч 2 ,2

5 г"

{[5 (а (Х + у ) + с Г) -

- (2а2 + с2)г'2 ]г' - 2г'2(а2У, а2у', Л')} =

2кОт'а2сгг, 2, ,2 ,2, , 2 ,2-, , = --— {[5 а (Х + у ) + 5 с z ]Х -

5 г'7

- (2а2 + с2)г'2Х - 2а2Х(х'2 + у'2 + z'2) +

+ [ 5а2( х,2 + у'2) + 5с2 z•2 ] у'- (2а2 + с2)г'2у' - 2а2у'(х'2 + у'2 + z'2) + + [ 5а2( х,2 + у'2) + 5с2 z•2 ] у'-

Т

Т

Т

Т

Т

Т

Т

- (2 а2 + с2) г'2- 2 а2 г'( х'2 + у'2 + г'2)} =

2пОт'а2с Г ,. 2 2Ч, ,2 ,2 . ,2Ч = --— {х (а - с )(х + у -4. ) +

5 г'1

+ у' (а2- с2)(х,2 + у'2-4 г'2) + + г' (а2- с2)(3 х'2 + 3 у,2-2г'2)}.

Рассмотрим, согласно (10), уравнение движения твердого ядра в х - направлении

есть x ~ r, находим

4 п R3

Pi +

2 п Gm'R

,5

2 R 3 + R -

3 3 re

2( R3 - R3)

(Pi - Pe) e2 (x'2 + y'2-4 Z2) X-

d2 hx

dt

.,7

(15)

4 п GR- 2

■—5—(Pi- Pe) hx>

10

(Pi - Pe)Г'

.,7

3 m'e2(x,2 + y,2-4z'2)r2 ,

hy = -г-----y;

10

(Pi- Pe)Г

7

(16)

= 3 m' e2 ( 3 x' 2 + 3 y' 12 - 222 Z 12 ) R 2 , Z =10 ( P i - P e) r'7 Z' Встречающиеся здесь постоянные равны

25

-4

hx ~ hy ~ 6.1 х 10 см.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

(17)

где е - эксцентриситет ядра Земли. Нас интересует максимальная а

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком