научная статья по теме ВОЗМОЖНЫЕ ПРИЧИНЫ ИНВЕРСИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ Космические исследования

Текст научной статьи на тему «ВОЗМОЖНЫЕ ПРИЧИНЫ ИНВЕРСИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ»

Гипотезы, дискуссии, предложения

Возможные причины инверсии магнитного поля Земли

С.С. ЦЫГАНКОВ,

президент Автономной некоммерческой организации «Ассоциация

"Содействие защите населения"» (АНО "АСЗН")

С.С. ЦЫГАНКОВ (II),

кандидат физико-математических наук

вице-президент АНО "АСЗН"

С.С. ЦЫГАНКОВ (III),

кандидат физико-математических наук

ИКИ РАН

Авторы попытались объяснить циклические изменения знака магнитного поля Земли в рамках единой геодинамической модели, в которой главными действующими физическими процессами являются охлаждение первоначально расплавленного тела с поверхности, его кристаллизация, идущая

с усадкой, и внутренний радиогенный разогрев, сопровождающийся увеличением объема. Это приводит к циклическому изменению (увеличению и уменьшению) радиуса Земли и созданию разности в угловых скоростях вращения внешней оболочки и ядра. Если исходить из гипотезы гидромагнитного дина-

мо, это может являться причиной генерации и изменения знака геомагнитного поля в зависимости от того, вращается мантия быстрее ядра (прямое поле) или, наоборот, создавая разнонаправленные движения зарядов. Показана связь инверсии с процессами в геосферах и биосфере.

ИНВЕРСИЯ

ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

Магнитное поле Земли, его напряженность, наклонение и склонение постоянно изменялись на протяжении всей ее истории. Периоды этих изменений самые различные:

60

минуты, сутки (суточные вариации), сотни лет (вековые вариации), вариации основного спектра (период от 300 до 20 тыс. лет). Самые сильные и глобальные изменения -инверсии магнитного поля, когда оно на протяжении геологической

истории неоднократно изменяло полярность на прямую и обратную. За последние 4.5 млн лет сменилось четыре эпохи: Брюнеса, Матуямы, Гаусса и Гильберта. Внутри них при более детальных исследованиях были обнаружены более краткие

© Цыганков С.С., Цыганков С.С. (II), Цыганков С.С. (III)

смены полярности. Обращение земного магнитного поля обнаружено и в более древних вулканических и осадочных породах. Частота инверсий не оставалась постоянной в процессе эволюции Земли. При анализе шкалы геомагнитной полярности был выявлен фактор предпочтительности: в рифее (1650-650 млн лет назад) преобладала обратная, а начиная с раннего палеозоя (геологическая эра, началась 542 млн лет назад) до настоящего времени идет увеличение доли прямой полярности поля с нарастанием частоты инверсий и уменьшением продолжительности магнитозон. Смена двух трендов, рифейского и фанерозойского (геологический зон, начавшийся 570 млн лет назад, характеризуется резким увеличением числа биологических видов), и всех характеристик геомагнитного поля произошла примерно 600 млн лет назад.

В качестве причин возникновения инверсий геомагнитного поля рассматриваются "внутренние" и "внешние" механизмы: изменение активности и неустойчивость процессов в ядре, падение астероидов, приливная эволюция системы Земля - Луна, эволюция Земли в составе Солнечной системы и даже положение Солнечной системы в Галактике и т.д.

МЕХАНИЗМ ГЕНЕРАЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Преобладание диполь-ного поля, его осевой характер говорят о связи геомагнитного поля с вращением Земли. На то что вращение планет может быть одним из необходимых условий формирования их магнитного поля указывает, в частности, связь между скоростью вращения планет и величиной их магнитного момента. Для медленно вращающихся Меркурия и Венеры магнитный момент составляет примерно одну десятитысячную часть от земного, а для быстро вращающихся Юпитера и Сатурна -на несколько порядков больше. Связь величины магнитного поля со скоростью вращения планеты проявляется и в четкой корреляции между незначительными вариациями скорости вращения и вариациями ее магнитного поля. В частности, выделенные периоды в спектре вариаций геомагнитного диполя (66.7; 33.3 и 21.4 года) совпадают с периодами изменений скорости суточного вращения Земли.

Одного вращения планеты, очевидно, недостаточно для создания магнитного поля. Для этого требуется организованное движение электрических зарядов в недрах. Образование свободных зарядов на границе мантия - ядро возможно в геосферах, значительно различающихся по своим

физическим (электрическим) свойствам, а также при высоких давлениях и некоторых других условиях, присущих глубинным структурам Земли. Возникновение их вихревого движения может быть вызвано как приливными деформациями, способными создать глобальный перенос масс в недрах Земли, так и за счет потери устойчивости сдвиговых течений во вращающейся жидкости.

Другой геофизически установленный факт, ключевой для понимания механизма генерации поля, - "дрейф" картины изолиний магнитного поля Земли в западном направлении со скоростью 0.2° в год. А так как источники поля рас- ф

положены во внешнем ядре, это означает долготное течение жидкости со скоростями примерно 0.1 см/с. Из этого можно сделать предположение, что механизм генерации магнитного поля связан с вращением планеты и "работает" при "проворо-те" жидкого проводящего ядра относительно твердой оболочки (мантии). На границе двух этих структур, значительно различающихся по своим физическим свойствам, могут образовываться электрические заряды, а их вращательное движение как раз и приводит к возникновению магнитного поля.

На рассогласованность в движении жидкого ядра и его жестких

61

Вращение геосфер: ю1 - угловая скорость вращения мантии, ю2 - угловая скорость вращения внешнего ядра, ю3 - угловая скорость внутреннего ядра, Дю - скорость проворота внешнего ядра относительно мантии ("западный дрейф"- около 0.2° в год).

ограничений указывают и геофизические данные. Вращение внешнего ядра при большом изменении физико-механических свойств вещества от мантии до внут-

62

реннего ядра и разница в скоростях вращения на твердых границах может приводить к его "расслоению" - образованию помимо основного прово-рота приграничных слоев

и созданию в них условий для возникновения вторичных вихревых движений. При этом возникает два типа источников генерации магнитного поля разного объема и, соот-

ветственно, мощности -основное и приграничные динамо. Для совместимости движения жидкости на границах направления вращения в них должны быть противоположными. Соответствен-Ф но, они будут создавать

магнитные поля разных знаков, а суммарная величина индуцированного ими магнитного поля станет определяться средней скоростью вращения ядра Аю (образно говоря, "ротора") относительно внешней оболочки Земли ("статора"). При выравнивании скоростей Аю ^ 0 за счет вязкого трения по границе мантия - ядро вращательные движения будут затухать, поле -распадаться и напряженность - резко уменьшаться.

По мере уменьшения напряженности основного диполя, в связи с уменьшением скорости проворота, она может сравняться с напряженностью полей, генерируемых в приграничных

областях. Из-за разности их знака может начаться процесс "мигания" поля (резкой смены знака). Это согласуется с тем фактом, что по мере уменьшения магнитного момента в начале инверсии наблюдается увеличение числа коротких резких флюктуаций направления магнитного поля (экскурсы), которые, согласно предположению, генерируются в приповерхностном слое и становятся заметными на фоне слабого основного динамо.

Процесс зарождения магнитного поля обратной направленности будет связан с изменением знака относительной скорости вращения ядра и мантии и с образованием основной и приграничных систем с другим направлением течения проводящего вещества. Каков же физический механизм, производящий такие "переброски" момента количества движения внутри тела планеты?

Результаты моделирования возникновения вихревых движений: трековые фотографии докритического (а) и закритического течения вращающейся жидкости (б); помимо основного про-ворота видно возникновение регулярной вихревой картины. Щ

ГЕОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЗЕМЛИ

Анализ геодинамических процессов, их энергетики показывает, что в основе эволюции Земли лежит два основных физических фактора: внешнее охлаждение с поверхности и внутренний разогрев. Если принять, что в начальный период Земля была расплавлена, то фазовый переход жидкость - твердое тело, идущий с усадкой, и внутренний разогрев, идущий с увеличением объема, - это и есть те два основных физических процесса, которые постоянно циклически изменяли ее радиус и,

63

Схема изменения скорости вращения мантии и ядра на фазе расширения внутреннего вещества: 1 - твердая оболочка; 2 - внешнее ядро (а, с - приграничные области с вихревым движением вещества; b - основной проворот жидкого субстрата); 3 - внутреннее ядро; 4 - разломы; R - начальный радиус Земли; ш0 - начальная скорость вращения всей планеты; ДR - увеличение радиуса планеты за счет излившегося внутреннего вещества; Дю - относительная скорость вращения твердой оболочки по отношению к жидкому ядру; т - сила вязкого трения; R1 - радиус внешнего ядра; R2 - радиус внутреннего ядра.

соответственно, геометрические и инерционные характеристики внешней и внутренних оболочек Земли.

Суммарное уменьшение радиуса Земли в про-

64

цессе движения фронта кристаллизации до глубины 2900 км (толщина твердой оболочки на сегодняшний момент) составляет примерно 60 км. Со временем примерно

на столько же должно происходить увеличение объема в процессе внутреннего разогрева за счет радиогенного тепла. Однако из этого не следует, что радиус на-

шей планеты все время оставался постоянным. Образование в процессе кристаллизации твердых внешних оболочек приводит к изменению термодинамического режима Земли: чередованию превалирования охлаждения и разогревания и, соответственно, процессов сжатия (при усадке) и растяжения (при расширении внутреннего вещества), созданию цикличности в изменении ее радиуса.

В процессе кристаллизации идет образование новых оболочек. Увеличение их размеров идет до тех пор, пока возникающие в них усадочные напряжения не достигают критических значений. При этом смена эпох Ф будет характеризовать-

ся катастрофическими процессами: потерей устойчивости (глобальной с изменением формы планеты или локальной с образованием изгибных форм высшего порядк

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