CC BY
143
УДК 550.384; 551.14,16,24; 531.395
О возможном механизме генерации и инверсии геомагнитного поля
С.С. Цыганков
АНО Ассоциация «Содействие защите населения», Москва, 123007, Россия
В статье предпринята попытка объяснения генерации и циклического изменения знака магнитного поля исходя из гипотезы гидромагнитного динамо в рамках единой геодинамической модели Земли, в которой главными действующими физическими процессами являются охлаждение первоначально расплавленного тела с поверхности и внутренний радиогенный разогрев. Показано, что в процессе его кристаллизации, идущей с усадкой, и разогрева, сопровождающегося увеличением объема, происходит циклическое изменение (увеличение и уменьшение) радиуса Земли. Это приводит к созданию разности в угловых скоростях вращения внешней оболочки и ядра и образованию в нем различных вихревых течений электропроводящей жидкости. Исходя из гипотезы гидромагнитного динамо это может приводить к образованию и изменению знака геомагнитного поля в зависимости от того, вращается мантия быстрее ядра (прямое поле) или, наоборот, создавая разнонаправленные движения зарядов. При этом инверсия геомагнитного поля является одной из взаимосвязанных структур единого геодинамического процесса, формирующего и другие геоструктуры. Показан характер изменения напряженности геомагнитного поля в настоящее время.
Ключевые слова: геомагнитное поле, напряженность, угловая скорость вращения мантии и ядра, геодинамика, циклическое изменение радиуса, относительное движение (дрейф) мантии и ядра, движение зарядов, генерация поля, инверсия
On the possible mechanism of the generation and reversal of the geomagnetic field
S.S. Tsygankov
Autonomous Nonprofit Organization «Association for Population Protection», Moscow, 123007, Russia
The paper aims at explaining the generation and cyclic alternation in the magnetic field sign with regard to the hydromagnetic dynamo theory within the global geodynamic model of the Earth. Active physical processes in the model are surface cooling of the initially molten body and internal radiogenic heating. During its crystallization accompanied by contraction and heating occurring with dilatation the Earth’s radius experiences cyclic changes (increase and decrease). This results in different angular rates of rotation of the outer shell and core and in the formation of various vortex flows of an electrically conducting fluid. According to the hydromagnetic dynamo theory this can lead to the geomagnetic field generation and alternation in its sign depending on whether the mantle rotates faster than the core (a direct field) or in contrast generates the differently directed motion of charges. The geomagnetic field reversal presents one of the interrelated structures of the global geomagnetic process that forms other geostructures. The present behavior of the geomagnetic field strength is demonstrated.
Keywords: geomagnetic field, field strength, angular rate of rotation of the mantle and core, geodynamics, cyclic change in the radius, core-mantle relative motion (drift), charge motion, field generation, reversal
1. Введение
Инверсия магнитного поля является, по словам Ф. Стейси, одной из восьми главных проблем палеомагнитологии. В многочисленных натурных исследованиях быта установлена разнополярная намагниченность последовательности лав и осадочных пород. Сейчас можно считать доказанным, что знак полярности одновозрастных массивов различного состава и происхождения совпадает в разрезах разных континентов и океанического дна. Синхронность и глобальность обращений мо-
жет быть объяснена только тем, что магнитное поле на протяжении геологической истории неоднократно изменяло полярность на прямую и обратную. За последние 4.5 млн лет сменилось 4 эпохи: Брюнеса, Матуямы, Гаусса и Гильберта. Внутри них при более детальных исследованиях были обнаружены более краткие периоды чередования полярности. Обращение земного магнитного поля было обнаружено и в более древних вулканических и осадочных породах. Частота инверсий не оставалась постоянной в процессе эволюции Земли.
© Цыганков С.С., 2009
При анализе шкалы геомагнитной полярности был выявлен фактор предпочтительности полярности: в рифее преобладала обратная, а начиная с раннего палеозоя до настоящего времени идет увеличение доли прямой полярности поля с нарастанием частоты инверсий и уменьшением продолжительности магнитозон. Смена двух трендов — рифейского и фанерозойского — и всех характеристик геомагнитного поля приходится примерно на 600 млн лет назад. Отмеченные при анализе закономерности говорят о существовании в течение 1700 млн лет двух режимов генерации геомагнитного поля, создающих длиннопериодные устойчивые состояния с интервалом 160-200 млн лет, и режима частых смен геомагнитной полярности [1, 2].
В качестве причин возникновения инверсий магнитного 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. [1, 3-5].
В статье предпринята попытка объяснения генерации и циклического изменения знака магнитного поля исходя из гипотезы гидромагнитного динамо в рамках единой геодинамической модели Земли, в которой главными действующими физическими процессами являются охлаждение первоначально расплавленного тела с поверхности и внутренний радиогенный разогрев [6-8]. (Источники энергии могут быть и другими.)
2. О механизме генерации магнитного поля
Преобладание дипольного поля, его осевой характер говорят о связи геомагнитного поля с вращением Земли. О том, что вращение планет может являться одним из необходимых условий формирования их магнитного поля, отмечалось в работах [9, 10]. На это, в частности, указывает связь между скоростью вращения планет и величиной их магнитного момента [11, 12]. Для медленно вращающихся планет (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 [9, 13]. В частности, выделенные в [14] периоды в спектре вариаций геомагнитного диполя (66.7, 33.3 и 21.4 года) совпадают с периодами изменений скорости суточного вращения Земли.
Однако очевидно, что одного вращения недостаточно для создания магнитного поля. Для этого требуется некоторым образом организованное движение электрических зарядов в недрах или «относительное движение масс, обладающих электромагнитными свойствами»
[10]. Но тогда необходимо объяснить механизмы их образования, направленного движения и влияния на эти процессы вращения планеты.
Разделение и смещение зарядов в различных сферах Земли очевидно. Проявление этого процесса хорошо известно как при атмосферных, так и «подземных грозах», когда происходит протяженный электрический пробой земных недр [15-18]. В работе [19] показана возможность образования свободных зарядов на границе мантия - ядро, значительно различающихся по своим электрическим свойствам, при высоких давлениях и некоторых других условиях, присущих глубинным структурам Земли.
Следующая проблема связана с направленным движением масс внутри Земли. В работах [10, 20] показана возможность возникновения такого движения в планетах, вращающихся в поле тяготения других небесных тел. Методом физического моделирования было показано, что приливные деформации способны создать глобальный перенос масс в недрах Земли. За полный оборот приливной волны внутренние частицы описывают почти замкнутые траектории, но к первоначальному положению не возвращаются. При этом на различных горизонтах могут возникать вихри, показанные на рис. 1, а, б. Аналогичные результаты получены при моделировании вихревых течений, возникающих в атмосфере, когда в результате потери устойчивости исходного сдвигового течения (фронта) возникает несколько «циклонов», образующих устойчивую систему [21]. В работе [22] приведены результаты моделирования образования вихревых структур во вращающейся жидкости, показывающие большое влияние на процессы устойчивости сдвиговых течений внешнего трения (рис. 1, в) [23].
Таким образом, возникает цепочка взаимодействий, которая могла бы объяснить существование магнитного поля в рамках теории гидромагнитного динамо: вращение планеты ^образование свободных зарядов на границе мантия - ядро и их направленные вихревые движения. Однако и в этой схеме остается достаточно много вопросов, и один из них — это механизм инверсии магнитного поля.
Еще одним геофизически установленным фактом, очень важным для понимания механизма генерации поля, является «дрейф» картины изолиний магнитного поля Земли в западном направлении со скоростью 0.2°/год. Так как источники поля расположены во внешнем ядре, то это означает долготное течение жидкости со скоростями примерно 0.1 см/с [24]. Из этого можно сделать предположение, что механизм генерации магнитного поля связан с вращением планеты и «работает» при провороте жидкого проводящего ядра относительно твердой оболочки (мантии) [25]. Идея о том, что «земной шар состоит из вложенных одно в другое сфери-
Рис. 1. Результаты моделирования возникновения вихревых движений в сыпучих средах (а); траектории движения частиц в вихрях [20] (б); трековые фотографии докритического (1) и закритического течения вращающейся жидкости (2) — возникновение регулярной вихревой картины (на внутренней границе образовалось 8 вихрей) [22] (в)
ческих тел, поворот (проскальзывание) которых одного относительно другого и приводит к магнитному полю», высказывалась в [10]. На границе двух этих структур, значительно различающихся по своим физическим свойствам, возможно образование электрических зарядов [26], а их вращательное движение как раз и приводит к образованию магнитного поля (рис. 2).
В качестве механизмов возникновения таких движений электрических зарядов, помимо приведенных выше, в работе [26] предполагается, что в Северном и Южном полушарии у границы ядро - мантия возникает система вихрей под действием горизонтального градиента температур в поле силы Кориолиса. Направление вращения вихрей различное: в Северном полушарии — против, в Южном по часовой стрелке. При этом они создают магнитные поля разных знаков. В настоящее время поле определяется большей величиной индукции вихрей в Северном полушарии. Кроме этих известны и другие возможные источники поля [27].
На рассогласованность в движении жидкого ядра и его жестких ограничений указывают и геофизические
ю-!, ю2, ю3
Рис. 2. Схема вращения геосфер: — угловая скорость вращения
мантии; Ю2 — угловая скорость вращения внешнего ядра; Ю3 — угловая скорость внутреннего ядра; Аю — скорость проворота внешнего ядра относительно мантии («западный дрейф»), Аю ~ 0.2°/год
у с
. 1_х
Рис. 3. Взаимосвязь крупно- и мелкомасштабных конвективнык структур в опыте Кутателадзе (1979) при изменении вязкости жидкого неравновесного слоя (в разрезе). Эффект сохраняется при усложнении геометрии неравновесного слоя от плоского до цилиндрического и сферического [29]
данные [3]. Вращение внешнего ядра при большом изменении физико-механических свойств его вещества (в частности вязкости на 4-5 порядков [28]) по глубине от мантии до внутреннего ядра и разница в скоростях вращения на твердых границах могут приводить к его «расслоению» — образованию помимо основного «проворота» тонких приграничных слоев и созданию в них условий для возникновения вихревых движений (рис. 1, в и 3). При этом возникают два типа источников генерации магнитного поля разного объема и соответственно мощности — основное и приграничные динамо. Для совместимости движения жидкости на границах направления вращения в них должны быть противоположными (п. 4). Соответственно они будут создавать магнитные поля разных знаков.
При этом величина индуцированного магнитного поля будет определяться 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. При этом, учитывая их разные знаки, может начаться процесс «мигания» поля (резкой смены знака). Это согласуется с фактом, что по мере уменьшения магнитного момента в начале инверсии наблюдается увеличение числа коротких резких флуктуаций направления магнитного поля (экскурсы), которые, согласно предположению [30], 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 образова-
нием основной и приграничных систем с другим направлением течения проводящего вещества.
Таким образом, если исходя из вышесказанного принять, что генерация магнитного поля связана с различными угловыми скоростями вращения мантии и жидкого проводящего ядра (когда то мантия вращается быстрее ядра (прямое поле), то ядро быстрее мантии (обратное)), то для объяснения инверсий поля надо найти механизм, производящий такие «переброски» момента количества движения внутри тела планеты.
3. О геодинамической модели Земли
Анализ геодинамических процессов, их энергетики показывает, что в основе эволюции Земли лежат два основных физических фактора: внешнее охлаждение с поверхности и внутренний разогрев [6, 7]. (На протяжении всей истории вклад от различных источников менялся [10, 28, 31-38].) Если принять, что в начальный период Земля была расплавлена (что следует из оценки мощности процессов, протекающих на ранней стадии ее развития: столкновение планетезималей в период аккреции планеты, дифференциация и сжатие вещества, распад короткоживущих радиоактивных элементов [3941], и отсутствия геологических данных о первом полу-миллиарде жизни планеты), то фазовый переход жидкость—твердое тело, идущий с усадкой в процессе ее охлаждения и кристаллизации с поверхности, и внутренний разогрев, идущий с увеличением объема, — это и есть те два основных физических процесса, которые постоянно циклически изменяли ее радиус и соответственно геометрические и инерционные характеристики внешней и внутренних оболочек Земли.
Оценка изменения радиуса Земли, проведенная в статье [42], показала, что он за всю ее историю не изменялся более чем на 1 %. Это значение ставит под вопрос правомерность применения в полном объеме гипотез расширяющейся и пульсирующей Земли, для которых предполагалось, что это изменение «составляет от нескольких до 50-80 %», а для второй не найдены реальные физические механизмы. На самом деле, многократное циклическое изменение радиуса Земли с амплитудой даже значительно меньшей ±1 % вполне достаточно для создания ее основных геодинамических структур (растяжения и сжатия, воздымания и опускания, оболо-чечного строения, в том числе магнитного поля и т.д.).
Суммарное сокращение радиуса Земли в процессе движения фронта кристаллизации до глубины 2 900 км (толщина твердой оболочки на сегодняшний момент), с учетом уменьшения удельного объема на 3 %, что соответствует средней величине усадки различных металлов [43] (для магмы — до 10 % [44]), составляет примерно 60 км [45]. Со временем примерно на столько же должно происходить увеличение объема в процессе внутреннего разогрева за счет радиогенного тепла [46].
Однако из этого не следует, что радиус планеты все время оставался постоянным. Образование в процессе кристаллизации твердых внешних оболочек приводит к изменению термодинамического режима планеты: чередованию превалирования охлаждения и разогревания и соответственно процессов сжатия (при усадке) и растяжения (при расширении внутреннего вещества), созданию цикличности в изменении ее радиуса [7]. В предлагаемой модели эти эпохи несколько схематично разнесены во времени. На самом деле, это взаимосвязанные процессы, когда один, затухая, вызывает другой. Так, в процессе охлаждения скорость движения фронта кристаллизации будет резко падать как за счет ухудшения теплообмена с поверхностью, так и за счет собственного тепловыделения при кристаллизации. Совместно с внутренним разогревом это приводит к смене знака превалирующего процесса, вызывая растяжение внешней оболочки. Процесс разрушения при растяжении с выбросом на поверхность горячего мантийного вещества активизирует процесс движения фронта охлаждения и кристаллизации и т.д.
В процессе кристаллизации идет образование новых оболочек. Увеличение их размеров идет до тех пор, пока возникающие в них напряжения не достигают критических значений, прерывая дальнейшее наращивание толщины и приводя к смене знака превалирующего процесса. При этом смена эпох будет характеризоваться катастрофическими процессами: потерей устойчивости (глобальной с изменением формы планеты или локальной с образованием изгибных форм высшего порядка) в конце этапа усадки и разрушением при растяжении всей внешней твердой сферы или составляющих ее оболочек на этапе расширения внутреннего вещества. Эпоха превалирования усадки при кристаллизации внутреннего вещества приводит к уменьшению радиуса, а на этапе расширения, при разрушении внешней твердой оболочки за счет образования разломов, их раскрытия, внедрения и излияния через них на поверхность внутреннего вещества (того объема, на который он увеличился в процессе разогревания), происходит увеличение радиуса [7]. При этом изменение радиуса во времени будет носить пилообразный характер с резкой сменой знака процесса.
Образование новых глубинных оболочек идет в несколько этапов, разнесенных во времени, что отражается в различии их физико-химических свойств. Поэтому всю твердь Земли схематически можно представить состоящей из вложенных одна в другую сферических оболочек, образованных в процессе циклического продвижения фронта кристаллизации вглубь. В настоящее время говорить о верхних твердых оболочках в полном соответствии с их техническим определением можно весьма условно, так как в процессе их многократного разрушения и внедрения через ослабленные зоны внут-
реннего вещества произошло их частичное «перемешивание». При этом процессы разрушения (потери устойчивости) могут происходить как для всей твердой оболочки, так и для ее отдельных составляющих (кора, литосфера, астеносфера, верхняя мантия и т.д.) или их набора, создавая несколько циклов увеличения и уменьшения объема Земли с различной частотой.
Решение прочностных задач для гравитирующих оболочек под действием внутреннего давления показывает, что с увеличением толщины оболочки происходит увеличение периода между актами их разрушения [47]. Соответственно для составных или отдельных оболочек частота процессов их разрушения должна быть выше. Таким образом, максимальный период Т0 связан с разрушением (потерей устойчивости) всей твердой оболочки. По данным расчетов [47] их могло быть 310 в течение всей жизни Земли (в зависимости от энергетики недр), по геологическим данным — «по крайней мере, четыре» [48]. Между ними «располагаются» циклы (акты) с периодом Т, связанные с разрушением (потерей устойчивости) от нескольких до отдельных оболочек. При этом их частота будет нарастать при уменьшении их количества или толщины.
Мы видим здесь наличие нескольких циклов «дыхания» Земли. Если под структурой подразумевается некоторая пространственная отдельность, то временная «отдельность» — это цикл, и они взаимосвязаны: каждой пространственной структуре соответствует своя частота или их набор. Это проявляется на всех масштабных уровнях от атома, который, испуская или поглощая фотон определенной частоты, уменьшает или увеличивает при этом свой «объем» до самого глобального цикла, связанного с расширением и сжатием всей Вселенной. Для Земли в целом такая связь (структура - период), когда «интервал значений отношения соседних преимущественных размеров блоков лежит в интервале отношения продолжительности соседних циклов», отмечена в [49, 50]. Факт связи размеров блоков с толщиной разрушаемого слоя [51] также говорит о связи толщины оболочки с периодичностью ее разрушения.
Кроме этого, изменение радиуса планеты во времени (амплитуды и частоты) связано с увеличением толщины внешней оболочки, приводящим к ухудшению теплообмена с поверхностью. Это выравнивает скорости процессов усадки и расширения. При этом возможна ситуация, предположительно свойственная сегодняшнему состоянию, когда Земля расширяется и сжимается как бы одновременно, но эти два процесса разделены в пространстве. Различны и области их распространения: сжатие, вызванное усадкой, связано с «работой» всей образовавшейся в процессе кристаллизации «конструкции» целиком, и поэтому имеет глобальное распространение [7]; область внутреннего разогревания и соответственно расширения представляет собой локальное рас-
пространение и «реализуется» образованием глубинных разломов. При этом, как показали исследования на двухслойных моделях, помимо субвертикальных, на определенной стадии деформирования происходит образование субгоризонтальных сдвиговых нарушений («тектонических срывов») и смещений по ним [51, 52]. Выделившаяся при этом энергия («вторичное тепло») приводит к разогреванию и расширению вещества, повышению давления и к локализации растяжения на этих горизонтах, вызывающего образование разломов различной глубины, пронизывающих как отдельные слои, так и пачки слоев, вплоть до внешней твердой оболочки с выжиманием по ним внутреннего вещества [51, 53]. Исходя из современных геодинамических представлений эти разломы можно идентифицировать как плюмы. В [52] приводятся данные о 32 плюмах: 8 из них относятся к рубежу ядро-мантия, 3 — к разделу слоя D и низов мантии, 4 — к зоне раздела средней и нижней мантии, 13 — к разным по уровню частям средней мантии и 4 — к основанию верхней мантии.
Оценить максимальные амплитуды изменения радиуса «сверху» можно для локальных вертикальных выжиманий на поверхности Земли через разломы, образованные при растяжении, исходя из решения задачи оптимального сохранения и восстановления прочности — несущей способности разрушенной оболочки. При этом разница между внутренним давлением, приведшим к ее разрушению, и весом будет уравновешена силой тяжести вертикальных воздыманий уАН (у — удельный вес). Предполагая в качестве уравнения прочности критерий Кулона-Мора, для оболочки толщиной 700 км (максимальная глубина землетрясений), у = = 3 г/см3 и угла внутреннего трения вещества 30° по формулам [47, 54] получим АН порядка 20 км, что примерно соответствует максимальной амплитуде вертикальных движений на Земле (от -8000 до +9000 м). Оценка «снизу» амплитуд изменения радиуса будет сделана в п. 4 исходя из условия возникновения инверсий магнитного поля.
4. О механизме инверсий геомагнитного поля
Как следует из геодинамической модели, во времени происходит поочередное увеличение и уменьшение радиуса планеты. Представляется, что с циклическим изменением радиуса как раз и связана инверсия магнитного поля согласно теории геомагнитного динамо и в соответствии с предположениями, сделанными в п. 2. Упрощенная схема такова: изменение внешнего радиуса планеты исходя из закона сохранения момента количества движения вызывает относительное движение проводящего жидкого ядра-«ротора» относительно «статора» (мантии). Причем движение бывает двух типов: ротор опережает статор и наоборот, создавая соответственно обратное и нормальное магнитное поле в зависимости
Рис. 4. Расчетная схема (не в масштабе) (а): 1 — твердая оболочка; 2 — внешнее ядро (а, с — приграничные области с вихревым движением вещества, Ь — основной проворот жидкого субстрата); 3 — внутреннее ядро; 4 — разломы; R — начальный радиус Земли; ^ — начальная скорость вращения всей планеты; АЯ—увеличение радиуса планеты за счет излившегося внутреннего вещества; Аш — относительная скорость вращения твердой оболочки по отношению к жидкому ядру; т — сила вязкого трения; — радиус внешнего ядра; ,&2 — радиус внутреннего ядра. Начальное уменьшение угловой скорости вращения мантии (-Аш) при увеличении радиуса планеты (+АЯ) (6): 1 — распределение угловой скорости вращения ядра в момент времени V; 2 — движение фронта торможения
от того, увеличивается или уменьшается радиус планеты.
Предположим, вся планета — внешняя оболочка радиуса R, внешнее жидкое ядро радиуса R1 и внутреннее твердое R2 вращаются с постоянной скоростью ю0. На рис. 4, а показана схема изменения скорости вращения оболочки и ядра на фазе расширения внутреннего вещества, приводящего к разрушению внешнего твердого слоя, образованию разломов 4, их раскрытию и выжиманию через них магмы, приводящих к увеличению радиуса планеты на величину ЛК и соответственно осевого момента на величину ЛСМ. Исходя из закона сохранения момента количества движения до и после увеличения радиуса:
(См + Ся )Ю0 = (См + ЛСм )(Ю0 - Лю) + СяЮ0 >
где См и Ся — осевые моменты мантии и ядра, это приведет к уменьшению угловой скорости «статора» на величину
Аш = Ю0 (А СМ/(СМ + АСМ )), (1)
с которой внешнее и внутреннее ядро будут проворачиваться относительно мантии, предполагая, что их угловая скорость в это время не изменилась (рис. 4, 6). При этом вращательное движение заряженных частиц в жидком ядре приведет к созданию магнитного поля. Суммарный дипольный магнитный момент всего жидкого ядра Рт можно получить, проинтегрировав по его объему магнитные моменты отдельных замкнутых токов рт, различающихся радиусом г и угловой скоростью проворота Аш: рт = is, где 5 = пг2 — площадь контура; i = пеАшг/, где п — число зарядов в единице объема; е — заряд; f— площадь поперечного сечения [55].
Разница в скоростях вращения на границе мантия -внешнее ядро приводит к возникновению силы вязкого трения т = пАш (где п — вязкость), направленной против проворота ядра (рис. 4, а). Она приведет к тому, что от границы будет развиваться фронт замедления угловой скорости вращения субстрата со скоростью, зависящей от его динамической вязкости (рис. 4, 6) [28]. При этом энергия вращения будет переходить в тепловую энергию трения (один из возможных источников внутренней энергии).
Как отмечалось выше (п. 2), разница скоростей во вращающемся жидком субстрате (рис. 4, 6) с изменяющимися по глубине вязкостными свойствами может привести к образованию в нем помимо основного течения — проворота (2Ъ на рис. 4, а) в приграничной области (2с на рис. 4, а) вихревых течений, как в опытах, показанных на рис. 1, в и 3. Согласование движений вещества по границе вихревых ячеек с основным прово-ротом (приповерхностное и основное динамо) создает в них противоположные направления движения вещества и соответственно вектора магнитной индукции. Можно предположить, что именно с этим связана очень четкая зависимость появления экскурсов при минимуме магнитного момента, когда происходит его выравнивание с величиной приповерхностного динамо, и тогда знак поля на небольших временных отрезках будут определять случайные флуктуации.
После того как волна торможения (2 на рис. 4, 6) дойдет до границы жидкое ядро - твердое ядро, там сложится аналогичная ситуация, когда на границе возникнет разница в скоростях вращения внешнего и внутреннего ядер [56] и становится возможным образование другой приграничной области с круговым движением субстрата (2а на рис. 4, а). При этом три основные геосферы (мантия, внешнее и внутреннее ядро) будут вращаться с различными угловыми скоростями, что и наблюдается в настоящее время. Со временем за счет трения значения скоростей будут выравниваться до возникновения следующего разбаланса и т.д. Как известно, магнитное поле наилучшим образом аппроксимируется центральным диполем и 8 радиальными диполями, рас-
положенными на границе внутреннего и внешнего ядра [3]. На рис. 1, в показаны результаты экспериментов, моделирующих возникновение подобных течений. В работе [57] описана модель источников магнитного поля Земли, включающая, кроме главного, еще 12 диполей.
Аналогичная схема имеет место (только с противоположным направлением движения вещества в ядре) в процессе усадки. Уменьшение радиуса Земли приведет к увеличению угловой скорости вращения мантии и изменению направления течения вещества в ядре относительно мантии и изменению направления магнитного поля.
Это подтверждают исследования сферического течения Куэтта (сдвиговое течение вязкой несжимаемой
Рис. 5. Линии равнык угловык скоростей и линии тока вторичного течения при 7*2/г = 0.5, Rе = 100 и шп= 0 (внешняя сфера стоит) [60] (а); линии тока вторичного течения в слое 8 = 0.11 при различных значениях Re = 1270 (1), 1600 (2), 1900 (3), 2300 (4) [59] (6); фо-
тографии вторичных течений в тонком слое [58] (в)
жидкости в сферическом слое, границы которого вращаются вокруг одной оси с постоянными, но разными угловыми скоростями), которые показали, что движение жидкости при этом состоит из «первичного течения» вокруг оси вращения и «вторичного течения», тип и структура которого зависят от трех параметров подобия: числа Рейнольдса Re1 =ш1г12/у, относительной толщины слоя 8 = (г1 _г2)/г2 и числа Росби е = = (ш1 _ш2)/ш2, где ш1 и ш2 — угловые скорости внешней и внутренней сферы; г1 и г2 — радиусы внешней и внутренней сферы; V — кинематическая вязкость [5861].
На рис. 5, а представлены линии равных угловых скоростей и линии тока вторичного течения при г2 / г1 = = 0.5 и Rе = 100 для случая, когда внешняя сфера неподвижна (ш1- = 0), а внутренняя проворачивается относительно нее. Очень важный результат экспериментов состоит в том, что в случае когда внутренняя сфера неподвижна (ш2- = 0) и как бы внешняя сфера ее опережает, направление вторичного течения меняется на обратное.
Отмечено, что при больших числах Рейнольдса существенными становятся различные явления, связанные с образованием пограничных и сдвиговых слоев. При этом в тонких слоях могут образовываться различные вихревые структуры (рис. 5, 6). В некоторых экспериментах, в зависимости от параметров подобия, вторичное течение на пределе устойчивости трехмерно и имеет вид спиралей, тонкая структура которых зависит от направления вращения внешней сферы (рис. 5, в). Эти результаты качественно подтверждают сделанные в модели предположения о возможности возникновения различного вида течений проводящей жидкости между двумя вращающимися с различными угловыми скоростями оболочками и разнонаправленности этих движений в зависимости от того, внутренняя или внешняя сфера вращается быстрее.
Циклическое изменение (увеличение и уменьшение) радиуса «статора» R на величину АR, изменяя его осевой момент СМ, создает разность в относительных угловых скоростях вращения ядра и твердой оболочки, которую можно получить из (1), подставив в нее формулы для осевых моментов:
Аш= 1 _ 1 - п5 1 - п3 + 3 АR/R
ш = 1 _ п3 1 _ п5 + 5 АR/R ’
где п = R1/ R — отношение радиусов внешнего ядра и планеты.
Изменение относительной скорости проворота с увеличением толщины внешней твердой оболочки Н = = R _ R1 описано в табл. 1. Видно, что с увеличением толщины внешней твердой оболочки «конструкция» становится более чувствительной к изменению радиуса. Это может быть одним из объяснений увеличения числа инверсий в процессе эволюции Земли [1].
Таблица 1
Н, км 500 1000 2 000 2900
Аю/ю0 1.108А^ 1.223А^ 1.463А^ 1.67А^
Как видно, относительная скорость вращения зависит и от абсолютной скорости вращения планеты: у медленно вращающейся планеты будет и маленькая максимальная скорость проворота ядра Аш. Это может являться причиной слабого поля у Меркурия и Венеры, периоды обращения которых значительно больше земного — 58.6 и 243.2 суток соответственно. В более общем случае зависимость величины магнитного момента от периода вращения наблюдается и для других планет (рис. 6) [11].
На рис. 6 хорошо видно, что из общего хода кривой зависимости магнитного момента от периода вращения планеты явно «выпадает» точка 4 (Марс). Низкое значение магнитного момента предположительно связано с малым по размерам ядром [62] и соответственно его незначительным моментом инерции. Ядро Марса составляет 7 % от полной массы планеты [24], для сравнения масса внешнего ядра Земли составляет 30 % [63]. Однако по последним данным его магнитное поле определяется только остаточной намагниченностью пород, а само динамо «не работает» уже несколько миллиардов лет. При этом возникает вопрос: «А почему динамо встало?» Возможно, это связано с тем, что процесс охлаждения на Марсе шел гораздо интенсивнее, чем на Земле, как меньшей по размеру и более удаленной от Солнца, являющегося главным внешним источником энергии. При этом на определенном историческом этапе все ядро могло затвердеть и процесс генерации магнитного поля на основе предположений п. 2 прекратился.
Судя по западному дрейфу поворот ядра относительно мантии Земли происходит за период Т ~ 2 000 лет [24, 25]. Таким образом, в настоящее время относительная скорость проворота «ротора» относительно «статора» составляет ш0 —3.5-10-3 год-1 (отстает). Такое относительное вращение могло возникнуть при изменении радиуса Земли всего на 10 м. Как было показано
Рис. 6. Зависимость магнитного момента М (Гс-см2) от периода вращения планеты t (ч): Юпитер (1), Сатурн (2), Земля (3), Марс (4), Меркурий (5), Венера (6')
выше, суммарное изменение радиуса при расширении и усадке внутреннего вещества составляло порядка 50 км, при этом средняя продолжительность существования поля одного знака за всю историю Земли (4.5 -109 лет) будет примерно 1 млн лет, что согласуется с натурными данными [25]. По геологическим данным объем излияний плюмов за последние 50 млн лет составил 2-106 км3/млн лет [64]. Предполагая такую же скорость излияний и в прошлом, а также учитывая, что они происходили практически по всей поверхности планеты, равномерно увеличивая ее размеры, это дает в среднем увеличение радиуса на 5 м/млн лет и частоту инверсий раз в 2 млн лет. Видно, что полученные модельные и натурные значения имеют один порядок. На самом деле, продолжительность эпох одной полярности изменяется: в докембрии — менее 1 инверсии за 10 млн лет, в палеозое — около 6 за 10 млн лет, в мезозое — более 8 инверсий за 10 млн лет и в кайнозое — около 30 за 10 млн лет [1].
5. О связи инверсии магнитного поля с другими процессами в гео- и биосферах
Из предложенной модели должна следовать тесная взаимосвязь между цикличностью процессов разрушения в верхней твердой оболочке Земли и инверсии магнитного поля. Таких глобальных чередований в текто-носфере, когда задействована вся внешняя оболочка, («суперциклов») в истории Земли было несколько (по крайней мере, четыре [48]). Они задают основные тренды и в превалировании той или иной направленности геомагнитного поля. Однако процессы разрушения и потери устойчивости могут происходить и в отдельных или в нескольких внутренних оболочках, создавая различную цикличность поля меньшей продолжительности. При этом должна быть связь между такими основными структурами Земли, как блочность, расслоенность и т.п., и основными циклическими колебаниями (ритмами) магнитного поля.
Из тех данных, которые сразу «бросаются в глаза», надо отметить совпадение эпох длиннопериодных устойчивых состояний магнитного поля с интервалом 160-200 млн лет [1] с геодинамической цикличностью Бертрана (150-250 млн лет) [38]. Более того, эти периоды совпадают и с климатическими циклами, связанными с вулканической деятельностью [65], также отражающей геодинамическую активность.
Особенно наглядна взаимосвязь процессов разрушения с изменением знака поля в эпохи превалирования расширения внутреннего вещества, заканчивающиеся разрушением верхней твердой оболочки с выжиманием через разломы расплавленной магмы и ее кристаллизацией с фиксацией знака магнитного поля. Об этом «говорит» рисунок линейных магнитных аномалий, которые обозначают зоны глубинных расколов. Здесь отчетливо
видна причинно-следственная связь между процессами растяжения, разрушения и переполюсовки. Часть этой цепочки растяжение ^ разрушение была промоделирована в экспериментах. На рис. 7 показаны результаты моделирования разрушения внешней твердой оболочки при ее разрушении и выжимании через образовавшийся разлом внутреннего вещества. Как видно, развитие нарушений и соответственно уменьшение возраста структур внедрения идет от периферии области растяжения к ее центру, в отличие от гипотезы Вайна-Мэтью-за, которая это объясняет за счет раздвигания дна океанов. При этом процесс расширения не только создает разломы, через которые происходит выжимание внутреннего вещества, но изменяет и знак магнитного поля, что фиксируется при кристаллизации магмы.
На самом деле, хорошая корреляция изменения режима геомагнитного поля с тектонической активностью имеет место лишь для 5 фаз из 21: салаирская (ранний
Рис. 7. Результаты моделирования процессов разрушения внешней оболочки и выжимания через разлом внутреннего вещества при его расширении: картина разрушения слоя песка при его локальном растяжении по основанию, моделирующего образование и раскрытие разлома (а); фотографии различных стадий образования нарушений во внешней оболочке в процессе выжимания через разлом внутреннего вещества [66] (6)
Участки обратного
Магнитный поток, направленный изнутри направленный внутрь
участок
Рис. 8. Карты магнитного поля Земли на границе ядро-мантия, сделанные по измерениям со спутника [69]
палеозой), астурийская и заальская (поздний палеозой), пфальцская (начало мезозоя), ларамийская (кайнозой) [25]. Кроме связи с геодинамикой, понижение магнитного момента в процессе инверсии (на центральном этапе в 5-10 раз) пропорционально увеличивает попадающее на Землю космическое излучение, что, в свою очередь, должно резко изменять условия существования животного мира на Земле [67]. Это согласуется с определенной связью режима инверсий с геологическими эрами, отражающими крупные изменения в биосфере Земли, в частности это относится к границе рифея и палеозоя.
Последние исследования по вопросам взаимосвязи инверсий геомагнитного поля с геодинамическими проявлениями (плюмами) и изменениями в органическом мире в течение 370 млн лет [68] показали, что эти явления на самом деле близки к синхронным, что говорит о едином конструктивном механизме взаимодействия как оболочек Земли, так и генерируемых в них физических полей.
6. Что же происходит с магнитным полем в настоящее время и как близко время его переполюсовки?
По данным обсерваторских наблюдений магнитный момент Земли неуклонно уменьшается [1]. По некоторым оценкам за последние 170 лет геомагнитное поле
ослабло почти на 10-15 %, причем со временем скорость этого процесса возрастает.
Изменение геомагнитного поля, произошедшее за последние 20 лет с 1980 по 2000 гг., приведенное на рис. 8, уже показало образование новых участков обратного магнитного поля, в частности под восточным побережьем Северной Америки и Арктикой. Кроме этого, ранее выявленные участки обратного поля выросли и сдвинулись в сторону полюсов. Исходя из предложенной модели процессы «мигания» поля (образования участков с другой полярностью), вызванные уменьшением напряженности основного динамо, можно считать первыми сигналами планеты, говорящими о возможности скорой глобальной переполюсовки.
7. Заключение
В рамках единой геодинамической модели Земли, в которой главными действующими физическими процессами являются охлаждение первоначально расплавленного тела и внутренний разогрев, показано, что в процессе его кристаллизации с поверхности, идущей с усадкой, и разогрева, сопровождающегося увеличением объема, происходит циклическое изменение (увеличение и уменьшение) радиуса Земли. Это приводит к созданию разности в угловых скоростях вращения внешней оболочки и ядра и образованию в нем разнонаправленных вихревых течений электропроводящей жидкости. Исходя из гипотезы гидромагнитного динамо это может приводить к образованию и изменению знака геомагнитного поля в зависимости от того, вращается мантия быстрее ядра (прямое поле) или, наоборот, ядро вращается быстрее мантии, создавая разнонаправленные движения зарядов.
При этом инверсия геомагнитного поля является одной из взаимосвязанных структур единого геодинами-ческого процесса, формирующего и другие геоструктуры, в том числе блочность, расслоенность, вертикальные движения, цикличность и т.д.
Литература
1. Петрова Г.Н. Циклические изменения магнитного поля Земли // Физика Земли. - 2002. - № 5. - С. 5-14.
2. Печерский Д.М. Некоторые характеристики геомагнитного поля за 1700 млн лет // Физика Земли. - 1997. - № 5. - С. 3-20.
3. Авсюк Ю.Н. Приливные силы и природные процессы. - М.: ОИФЗ
РАН, 1996.- 186 с.
4. Шалимов С.Л. О механизме нестабильности динамо // ДАН. -
2004. - Т. 395. - № 2. - С. 258-260.
5. Чуйкова Н.А., Семенков К.В. Зависимость частоты инверсий геомагнитного поля от положения Солнечной системы в Галактике // Земное ядро как источник аномалий в гравитационном и магнитном поле Земли и геодинамических эффектов: Аналог. - М.: МГУ, 1996. - С. 136-145.
6. РомашовА.Н., Цыгганков С.С. В поисках обобщающей геотектони-
ческой концепции // Геотектоника. - 1996. - № 4. - С. 3-12.
7. Цыганков С.С., Цыганков С.С. (II), Цыганков С.С. (III) Конструкция
космического корабля «Планета Земля» // Природа. - 2003. -№ 6. - С. 70-79.
8. Цыганков С.С. О возможном механизме инверсии магнитного поля
// ДАН. - 2006. - Т. 409. - № 3. - С. 338-342.
9. Косыгин Ю.А., Маслов Л.А. О физических полях вращающихся планет // Геотектоника. - 1989. - № 1. - С. 8-11.
10. БодряковА.П., Ревуженко А.Ф., Шемякин Е.И. Приливное деформирование планет: опыт экспериментального моделирования // Геотектоника. - 1991. - № 6. - С. 21-35.
11. Хаббард У. Внутреннее строение планет. - М.: Мир, 1987. - 327 с.
12. Маров М.Я. Планеты солнечной системы. - М.: Наука, 1986. -320 с.
13. КалининЮ.Д., КисилевВ.М. Неравномерности суточного вращения Земли и солнечная активность. - М.: ИЗМИРАН, 1978. - 32 с. / Препринт № 20.
14. Брагинский С.И. Аналитическое описание вековых вариаций геомагнитного поля прошлых веков и скорости вращения Земли // Геомагнетизм и аэрономия. - 1982. - Т. 22. - С. 115-122.
15. ВоробьевА.А. Физические условия залегания и свойства глубинного вещества (Высокие электрические поля в земных недрах). -Томск: Изд-во ТГУ, 1975. - 296 с.
16. Электромагнитные предвестники землетрясений / Под ред. М.А. Садовского. - М.: Наука, 1982. - 88 с.
17. Немчинов И.В. Электрические поля и токи вблизи поверхности раздела земля - атмосфера при возникновении «огней землетрясений» // Нестационарные процессы в верхних и нижних оболочках Земли. - М.: ИДГ РАН, 2002. - С. 209-230.
18. Друянов В.А. Загадочная биография Земли. - М.: Недра, 1989. -159 с.
19. Воробьев А.А. Равновесие и преобразование видов энергии в недрах. - Томск: Изд-во ТГУ, 1980. - 211 с.
20. Ревуженко А.Ф. Механика сыпучей среды. - Новосибирск: Изд-во ЗАО ИПП «Офсет», 2003. - 373 с.
21. ОбуховА.М. Турбулентность и динамика атмосферы. - Л.: Гидро-метеоиздат, 1988. - 442 с.
22. Должанский Ф.В., Манин Д.Ю. Устойчивость квазидвухмерных сдвиговых и струйных течений вращающейся жидкости // Нелинейные волны. - М.: Наука, 1993. - С. 165-172.
23. Крымов В.А. Устойчивость и закритические режимы квазидву-мерных сдвиговых течений при наличие внешнего трения // МЖГ. - 1987. - № 2. - С. 12-18.
24. Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли и планет. - М.: Наука, 1983. - 406 с.
25. Орленок В.В. Основы геофизики. - Калининград: Калинингр. гос. унив., 2000. - 446 с.
26. Добрецов Н.Л., Кирдяшкин А.Г., Кирдяшкин А.А. Турбулентная конвекция и магнитное поле внешнего ядра Земли // Проблемы глобальной геодинамики. - М.: Геос, 2000. - С. 54-65.
27. Джекобс Дж. Земное ядро. - М.: Мир, 1979. - 306 с.
28. Летников Ф.А. К проблеме источника внутреннего тепла // ДАН. -2001. - Т. 378. - № 3. - С. 387-389.
29. Петров О.В., Мовчан И.Б. Самоподобие и размерность в диссипативном структурировании // Региональная геология и металлогения. - 2003. - № 19. - С. 33-47.
30. Брагинский С.И. Волны в устойчиво-стратифицированном слое на поверхности земного ядра // Геомагнетизм и аэрономия. -1987.- Т. 28. - С. 476^82.
31. ЛюбимоваЕ.А. Термика Земли и Луны. - М.: Наука, 1968. - 278 с.
32. Смыслов А.А., Моисеенко У.И., Чадович Т.И. Тепловой режим и радиоактивность Земли. - Л.: Недра, 1979. - 191 с.
33. Ботт М. Внутреннее строение Земли. - М.: Мысль, 1974. - 275 с.
34. Войткевич Г.В., Бессонов О.А. Химическая эволюция Земли. -М.: Недра, 1986. - 216 с.
35. Адушкин В.В., Зецер Ю.И. Перераспределение энергии во внутренних и внешних геосферах при высокоэнергетических воздейст-
виях // Динамические процессы в геосферах. - М.: 1994. - С. 9094.
36. Шейдеггер А. Основы геодинамики. - М.: Недра, 1987. - 384 с.
37. Сафьянов ГА. Энергия рельефообразующих процессов земной поверхности // Рельеф и климат. - М.: Недра, 1985. - С. 23-27.
38. Хаин В.Е. Земля — уникальная планета солнечной системы // Вестник РАН, 2003. - Т. 73. - № 9. - С. 822-829.
39. Ringwood A.E. Chemical evolution of the terrestrial planets // Geo-chim. Cosmochim. Acta. - 1966. - V. 30. - P. 41-104.
40. Wetherill G.W. The beginning of continental evolution // Tectonophy-sics. - 1972. - V. 13. - P. 31-45.
41. Смит Д.В. Развитие системы Земля-Луна и выводы применительно к геологии ранней Земли // Ранняя история Земли. - М.: Мир, 1980.- С. 9-28.
42. Короновский Н.В., Копаев А.В., Герасимов И.А., Киквадзе Г.М. О возможных пределах изменения среднего радиуса Земли в геологическом прошлом // Геотектоника. - 2003. - № 5. - С. 89-94.
43. Hütte. Справочник для инженеров, техников и студентов. - М.-Л.: ГНТИ, 1931. - 1471 с.
44. Аллисон А., Палмер Д. Геология. - М.: Мир, 1984. - 565 с.
45. Турусов Р.А., Розенберг Б.А., Ениколопян Н.С. О формировании напряжений и разрывов в процессе фронтального отверждения // ДАН. - 1981. - Т. 260. - № 1. - С. 90-94.
46. Ромашов А.Н. Механическое действие подземного взрыва. - М.: Недра, 1976.
47. РомашовА.Н., Цыганков С.С. Модель поведения Земли как единой конструкции // Деформирование и разрушения горных пород. - Бишкек: Илим, 1990. - С. 16-22.
48. Хаин В.Е. Крупномасштабная цикличность в тектонической истории Земли и ее возможные причины // Геотектоника. - 2000. -№6. - С. 3-14.
49. Садовский М.А., Болховитинов Л.Г., Писаренко В.Ф. Деформирование геофизической среды и сейсмический процесс. - М.: Наука, 1987. - 101 с.
50. Афанасьев С.Л. Определение геологического возраста по нано-циклитам // Математические методы анализа цикличности в геологии. - М.: Наука, 1984. - С. 6-26.
51. РомашовА.Н., Цыганков С.С. Моделирование блочных структур в верхних слоях Земли // Динамические процессы в геосферах. -М.: ИДГ РАН, 1994. - С. 57-68.
52. Пущаровский Ю.М. Строение, энергетика и тектоника мантии Земли // Вестник РАН. - 2005. - № 12. - С. 1115-1122.
53. Цыганков С.С. Модель формирования блоковых структур, обладающих иерархически дискретным распределением их элементов по размерам // Физ. мезомех. - 2004. - Т. 7. - № 3. - С. 25-28.
54. Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел. Т. 2. - М.: Мир, 1969. - 863 с.
55. ЯворскийБ.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. - М.: Наука, 1977. - 942 с.
56. Левин Б.В. Роль движений внутреннего ядра Земли в тектонических процессах // Земное ядро как источник аномалий в гравитационном и магнитном поле Земли и геодинамических эффектов: Аналог. - М.: МГУ, 1996. - С. 444^51.
57. Демина И.М., Фарафонова Ю.Г., Сас-Ухрыновский А., Велкер Е. Мировые аномалии главного магнитного поля Земли и динамическая модель их источников // Геомагнетизм и аэрономия. - 2006. -Т. 46. - № 1. - С. 135-144.
58. Яворская И.М., Беляев Ю.Н., Монахов А.А. Исследование устойчивости и вторичные течения во вращающихся сферических слоях при произвольных числах Росби // ДАН. - 1977. - Т. 237. - № 4. -С. 804-807.
59. Яворская И.М., Астафьева Н.М., Введенская Н.Д. Об устойчивости и неединственности течений жидкости во вращающихся сферических слоях // ДАН. - 1978. - Т. 241. - № 1. - С. 52-55.
60. Джозеф Д. Устойчивость движений жидкости. - М.: Мир, 1982.638 с.
61. Munson B.R., Menguturk M. Viscous incompressible flow between concentric rotating spheres // J. Fluid. Mech. - 1975. - V. 69. - P. 705719.
62. Стейси Ф. Физика Земли. - М.: Мир, 1972. - 312 с.
63. Жаров В.Е. Масса и момент инерции Земли // Земное ядро как источник аномалий в гравитационном и магнитном поле Земли и геодинамических эффектов: Аналог. - М.: МГУ, 1996. - С. 148151.
64. Добрецов Н.Л., Кирдяшкин А.Г., Кирдяшкин А.А. Параметры горячих точек и термохимических плюмов // Геология и геофизика. - 2005. - Т. 46. - № 6. - С. 589-602.
65. Чумаков Н.М. Периодичность главнык ледниковык событий и их корреляция с эндогенной активностью Земли // ДАН. - 2001. -Т. 378. - № 5. - С. 656-659.
66. Ромашов А.Н. Планета Земля. - М.: УРСС, 2002. - 261 с.
67. ЧижевскийА.Л. Земное эхо солнечнык бурь. - М.: Мысль. - 350 с.
68. ПечерскийД.М. Инверсии геомагнитного поля, плюмы и изменения органического мира в фанерозое: удивительные совпадения // Физика Земли. - 2003. - № 1. - С. 53-56.
69. Глацмайер Г., Олсон П. Изучение геодинамо // В мире науки. -
2005. - № 7. - С. 29-35.
Поступила в редакцию 29.09.2008 г., после переработки 23.12.2008 г.
Сведения о6 авторе
Цыганков Сергей Сергеевич, к.ф.-м.н., внс АНО «Ассоциация «Содействие защите населения», [email protected]
