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.