научная статья по теме АНАЛИТИЧЕСКАЯ АППРОКСИМАЦИЯ РЕШЕНИЙ УРАВНЕНИЙ МАКСВЕЛЛА ДЛЯ ТРЕХМЕРНОЙ МОДЕЛИ МАНТИИ ЗЕМЛИ Геофизика

Текст научной статьи на тему «АНАЛИТИЧЕСКАЯ АППРОКСИМАЦИЯ РЕШЕНИЙ УРАВНЕНИЙ МАКСВЕЛЛА ДЛЯ ТРЕХМЕРНОЙ МОДЕЛИ МАНТИИ ЗЕМЛИ»

ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2004, том 44, № 5, с. 710-716

УДК 550.384.3

АНАЛИТИЧЕСКАЯ АППРОКСИМАЦИЯ РЕШЕНИЙ УРАВНЕНИЙ МАКСВЕЛЛА ДЛЯ ТРЕХМЕРНОЙ МОДЕЛИ МАНТИИ ЗЕМЛИ

© 2004 г. П. М. Ахметьев

Институт земного магнетизма ионосферы и распространения радиоволн РАН, Троицк (Московская обл.)

e-mail: akhmetev@izmiran.rssi.ru Поступила в редакцию 24.07.2002 г.

После доработки 25.12.2003 г.

Строятся аналитические решения уравнений Максвелла для простейшей модели Земли в условиях квазистатического приближения с источником на границе ядра. Предполагается, что проводящий слой в мантии является тонким и рассматриваем с толщиной LM как малый параметр, среднее значение электропроводности о0 в этом слое рассматривается как большой параметр, при этом считается, что произведение этих двух параметров L2M о0 имеет порядок 1, а функция электропроводности, задающая распределение неоднородностей проводимости в мантии медленно меняется по пространственным координатам. Вычисляется главное приближение решения для электромагнитного поля на поверхности Земли через вектор тока на границе ядра.

1. ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время аналитические решения в задаче моделирования электромагнитных полей в трехмерно-неоднородных проводящих средах практически не известны. Разложения точных аналитических решений подобных задач в ряд по малым параметрам и явные вычисления главных поправок построенных рядов, насколько известно автору, в полном объеме не проводилось. Поэтому любые результаты в этом направлении важны для задач, возникающих в геофизике. В настоящей публикации мы рассматриваем задачу описания особенностей поля вековых вариаций магнитного поля Земли, обусловленных пространственно-неоднородными областями проводимости в нижней мантии. Рассматривается подход к ее анализу и последующему решению.

Изучается простейшая плоская модель мантии Земли, состоящая из двух подобластей. Одна из них представляет бесконечный плоский проводящий слой U1, заданный в декартовой системе координат формулой 0 > z > z0. Этот слой моделирует мантию. Проводимость в слое постоянна. Другая подобласть представляет собой бесконечное полупространство, примыкающее к верхней границе проводящего слоя. Эта бесконечная область моделирует диэлектрик. Представленная модель возбуждается плоской волной, периодической по х,у-координатам, затухающей при z —- Такая волна однозначно определяется своими граничными условиями на нижней границе проводящего слоя. В аналогичной постановке (для сферической модели) задача впервые изучалась в работе [Lahiri and Price, 1939].

В дальнейшем представленная модель существенно обобщалась. Было предложено изучать модели со сферическим слоем, проводимость в котором зависит от радиуса (быстро убывает от нижней границы мантии к ее верхней границе). Тем не менее в работе [Брагинский и Фишман, 1977] было показано, что в предположении о проводимости, сосредоточенной вблизи нижней границы мантии, которое общепринято в современной геофизике, точное решение, представляемое сложными формулами, возможно упростить. Приближенное решение характеризуется операторами индукционного экранирования и геометрического ослабления, которые перестановочны между собой. Таким образом, оказалось, что простейшая модель с соответствующими усредненными параметрами отвечает требованиям для работы с главным магнитным полем Земли, наблюдаемом на поверхности. Более того, оказалось, что предложенная модель выдерживает дополнительный предельный переход, при котором толщина мантии стремится к нулю, а проводимость в этом бесконечно тонком слое возрастает до бесконечности, пропорционально квадратному корню от значения толщины. При этом предположении процесс экранирования поля в мантии вполне характеризуется единственным безразмерным параметром т - комплексным числом, модуль которого определяет ослабление сигнала при прохождении через мантию, а аргумент определяет фазовый сдвиг электромагнитной волны.

При таком предельном переходе "громоздкие" формулы для точных решений значений наблюдаемого электромагнитного поля становятся простыми. Для случая рассматриваемой модели эти

формулы напоминаются в разделе 4. Заметим, впрочем, что рассматриваемый предельный переход трехмерной модели не соответствует пленочной модели токового слоя. Во избежание путаницы используются лишь безразмерные величины, которые выражаются через отношения амплитуд граничных условий и наблюдаемого поля.

Целью работы является изучение простейшей трехмерно-неоднородной плоской модели в рамках предложенного подхода. Предположим, что вариация проводимости в трехмерном плоском слое мала по абсолютной величине и характеризуется безразмерным малым параметром а. Геометрия неоднородностей определена периодической функцией по х,у-координатам, а также вещественным параметром у, связанным с абсолютной величиной г-компоненты градиента функции вариации электропроводности, или, неформально говоря, со скоростью затухания вариации электропроводности от нижней границы слоя к его верхней границе. Среднее же значение проводимости в каждом плоском слое постоянной глубины не зависит от глубины.

2. ОПИСАНИЕ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛЕЙ

И ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ПОСТРОЕНИЯ

Рассмотрим простейшую плоскую модель мантии, состоящую из двух подобластей, описанную во введении. Нижнюю границу проводящей области и1 будем обозначать через Бс, а верхнюю через Бм.

Уравнения Максвелла для квазистационарного поля в пренебрежении токами смещения имеют вид

а(х, у, z) = gq[1 + af(x, y, z)] G(x, y, z) = C,

Ui,

(3)

(4)

rotH = o(x, y, z)E - jext rotE = i юцН,

(I)

где а - вещественный малый параметр; а0 - положительная константа (среднее значение проводимости). Функция / определяет вариацию проводимости в слое. Предполагается, что эта функция периодическая по х,у-координатам.

Теперь опишем граничные условия, требующиеся для согласования различных ветвей решения в областях и0 и и1 вдоль поверхности £м, и правило, связывающее вектор тока с решением на границе £с. Мы начнем построения с хорошо изученного случая однородной мантии, соответствующего а = 0. Рассмотрим разложение вектора тока

je

-- jp + j^

(5)

где ц - вещественная положительная константа, определяющая магнитную проницаемость среды; а - вещественнозначная функция, принимающая неотрицательные значения, которая определяет проводимость среды. Зависимость от времени искомых векторов Н, Е определяется множителем е-иы, где щ - частота рассматриваемого поля, г =

= л/-1. Для описания решения, т.е. для вычисления векторов Н, Е, удовлетворяющих уравнению (1) задают граничные условия на поверхности 8с в виде вектора тока }ех1(х, у). Этот вектор, вообще говоря, произвольный и лежит в плоскости £с. Подробности в постановке граничных условий рассмотрены чуть ниже в этом разделе и в начале раздела 4.

Функция а проводимости определяется формулами

а(х, у, г) = 0 ио, (2)

на полоидальную и тороидальную составляющие, jp, в, ф = n х gradф, jT; в, ф = gradф, где ф = ф(^ у) - периоДическая функция по обеим координатам в плоскости SC.

В области U1 произвольный бездивергентный вектор разлагается на полоидальную и тороидальные компоненты (см. [Zhang and Schulz, 1992; Брагинский и Фишман, 1977]) и это разложение соответствует разложению вектора тока в формуле (5). В соответствии с этим разложением определяют Н = Hp + HT, E = Ep + ET, где каждая пара векторов Hp, Ep, HT, ET является решением уравнения (1) для соответствующего вектора тока. Ниже рассматривается случай полоидального

полЯ jext = jp.

На границе SM вектор Hp лежит в классе функций C1 (непрерывен вместе с первыми частными производными). На практике это равенство достаточно проверить для касательных компонент поля, поскольку нормальная компонента удовлетворяет тому же полному уравнению. Из этого вытекает, что и вектор Ep является непрерывным, но, вообще говоря, имеет разрыв частной производной по z. Заметим, что вектор Ep имеет лишь (x, у)-компоненты. Вектор jp равен вектору aQ(x, y)Ep на поверхности SC.

Предложенная модель может быть дополнена бесконечной областью U2, определяемой уравнением z ^ zQ, с бесконечной проводимостью. При конечных значениях проводимости вектор тока определяет разрыв решения на поверхности SC, а граничные условия дополняются нулем на Это соответствует предельному процессу для од-нопараметрического семейства моделей, при котором проводимость в области U2 возрастает до Хорошо известно, что решения предельной модели обращаются в области U2 в нуль и удовлетворяют поставленным граничным условиям на SC. При этом интерпретации граничные условия, действительно, будут соответствовать токам, текущим на границе ядра и мантии. Такая модель яв-

ляется, конечно, упрощенной, так как не учитывает процесс генерации поля внутри жидкого ядра.

В случае а Ф 0, граничные условия на 8С и 8М полностью определяются разложением соответствующего вектора на полоидальную и тороидальную составляющие в малой окрестности границы. Главная поправка решения по параметру неоднородности разлагается на тороидальную и полоидальную составляющие, причем интересующая нас полоидальная компонента удовлетворяет граничным условиям для однородной задачи.

3. ОБЩИЙ МЕТОД ВЫЧИСЛЕНИЯ ПОПРАВКИ ПЕРВОГО ПОРЯДКА

ПО ПАРАМЕТРУ НЕОДНОРОДНОСТИ

Удобно объединить систему уравнений (1) для Н, Е в одно уравнение второго порядка с неизвестным вектором Е(х, у, z, а).

rotrot(E) = kо[ 1 + af (x, y, z)]E - je

(6)

7 2

причем k0 = ¿юцсо - чисто мнимая постоянная, определяющая волновое число среды. Вектор H вычисляется по вектору E согласно следующей формуле H = (¿юц)-1 rot E.

В случае a = 0 проводимость в проводящей мантии постоянна, мы напоминаем этот случай в разделе 4. Рассмотрим предельный переход

z0 — 0, (7)

и изучим асимптотику точных решений.

При этом вводится безразмерный параметр т = = ^-¿ЮцОоLM, где LM = -z0 - малый параметр, равный толщине проводящего слоя. В условиях предельного перехода (7) параметры a0, LM выбираются такими, что т = const. Для этого необходимо предположить, что а0 —► Кроме того, в дальнейших построениях предполагается, что и сам параметр т мал и после предельного пе

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