Наука
Нет учётной записи?
Регистрация
Advertisement
Регистрация
в: Шаблоны, Страницы, использующие волшебные ссылки ISBN, Нерешённые проблемы современной геофизики,
и 2 других

Проблема формирования магнитного поля Земли

Sign in to edit

Пробле́ма формирова́ния магни́тного по́ля нашей планеты заключается в отсутствии непротиворечивого описания способа его реализации в рамках геомагнетизма на основе доминирующих научных представлений об окружающей нас природе.

В частности, геофизические теории и модели, описывая сюжеты выработки магнитного поля Земли, в конечном итоге оказываются несостоятельными с точки зрения научных представлений о физико-химических свойствах ядра планеты, а также закона сохранения энергии.

Формирование представлений о магнитном поле Земли

Исследования планетарного магнитного поля до ХХ века

Model Si Nan of Han Dynasty

Рис. 1. Модель компаса для геомантии времени династии Хань (206 г. до н. э. — 220 г. н. э.).

Ещё несколько тысячелетий назад в Древнем Китае было известно, что намагниченные предметы располагаются в определённом направлении, в частности стрелка компаса всегда занимает определённое положение в пространстве.

Дорожный компас (2)

Рис. 2. Дорожный компас и солнечные часы, XVIII век.

Благодаря этому человечество с давних пор получило возможность при помощи стрелки компаса ориентироваться в открытом море вдали от берегов. Однако до плавания Колумба из Европы в Америку (1492 г.) особого внимания к исследованию такого явления никто не проявлял, так как ученые того времени полагали, что оно происходит в результате притяжения стрелки Полярной звездой.

В Европе и омывающих её морях компас в то время устанавливался почти по географическому меридиану. При пересечении же Атлантического океана Колумб заметил, что примерно на полпути между Европой и Америкой стрелка компаса отклонилась почти на 12° к западу. Этот факт сразу же породил сомнение в правильности прежней гипотезы о притяжении стрелки Полярной звездой, дал толчок к серьезному изучению вновь открытого явления: сведения о магнитном поле Земли были нужны мореплавателям.

С этого момента и получила свое начало наука о земном магнетизме, начались повсеместные измерения магнитного склонения, то есть угла между географическим меридианом и осью магнитной стрелки, то есть магнитным меридианом.

В 1544 году немецкий учёный Георг Хартман открыл новое явление: магнитная стрелка не только отклоняется от географического меридиана, но, будучи подвешена за центр тяжести, стремится встать под некоторым углом к горизонтальной плоскости, названным магнитным наклонением[1].

У Хосе де Акосты (одного из основателей геофизики, по словам Гумбольдта) в его Истории (1590) впервые появилась теория о четырёх линиях без магнитного склонения. Он описал использование компаса, угол отклонения, различия между Магнитным и Северным полюсом, а также колебание отклонений от одной точки до другой, идентифицировал места с нулевым отклонением, например, на Азорских островах[2].

William Gilbert demonstrating the magnet before Queen Elizab Wellcome V0018144

Рис. 3. Уильям Гильберт демонстрирует магнит королеве Елизавете I в 1598 году. Картина Эрнеста Борда.

William Gilbert On the great magnet the earth

Рис. 4. Иллюстрация У. Гильберта, поясняющая происхождение склонения от неравномерного распределения магнитных свойств (стрелки L и H) на поверхнсоит Земли.

В результате наблюдений было установлено, что как склонение, так и наклонение имеют различные значения в разных точках земной поверхности. При этом их изменения от точки к точке подчиняются некоторой сложной закономерности. Её исследование позволило придворному врачу английской королевы Елизаветы и натурфилософу Уильяму Гильберту выдвинуть в 1600 году в своей книге «О магните и магнитных телах, и о большом магните — Земле» («De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure») гипотезу о том, что Земля представляет собой магнит, полюсы которого совпадают с географическими полюсами. Другими словами, У. Гильберт полагал, что поле Земли подобно полю намагниченной сферы. Свое утверждение У. Гильберт основывал на опыте с моделью нашей планеты, представляющей собой намагниченный железный шар, и маленькой железной стрелкой.

Главным аргументом в пользу своей гипотезы Гильберт считал, что магнитное наклонение, измеренное на такой модели, оказалось почти одинаковым с наклонением, наблюдавшимся на земной поверхности. Несоответствие же земного склонения со склонением на модель Гильберт объяснял отклоняющим действием материков на магнитную стрелку. Хотя многие факты, установленные позднее, не совпадали с гипотезой Гильберта, она не теряет своего значения и до сих пор. Основная мысль Гильберта о том, что причину земного магнетизма следует искать внутри Земли, оказалась правильной, равно как и то, что в первом приближении Земля действительно является большим магнитом, представляющим собой однородно намагниченный шар[1].

В 1634 году английский астроном Генри Геллибранд установил, что магнитное склонение в Лондоне меняется со временем. Это стало первым зафиксированным свидетельством вековых вариаций — регулярных (от года к году) изменений средних годовых значений компонентов геомагнитного поля[1][2].

М. В. Ломоносов в 1759 году в докладе «Рассуждение о большой точности морского пути» дал ценные советы, позволяющие увеличить точность показаний компаса. Для изучения земного магнетизма он рекомендовал организовать сеть постоянных пунктов (обсерваторий), в которых производить систематические магнитные наблюдения; такие наблюдения необходимо широко проводить и на море. Мысль Ломоносова об организации магнитных обсерваторий была осуществлена лишь спустя 60 лет в России[2].

Norman Robert dip circle

Рис. 5. Иллюстрация магнитного наклонения из книги Георга Хартмана "The Newe Attractive", 1581 год.

Углы склонения и наклонения определяют направление в пространстве напряженности магнитного поля Земли, но не могут дать её численного значения. До конца XVIII в. измерения величины напряженности не производились по той причине, что не были известны законы взаимодействия между магнитным полем и намагниченными телами. Лишь после того, как в 1785—1789 гг. французским физиком Шарлем Кулоном был установлен закон, названный его именем, появилась возможность таких измерений.

С конца XVIII в., наряду с наблюдением склонения и наклонения, начались повсеместные наблюдения горизонтальной составляющей, представляющей собой проекцию вектора напряженности магнитного поля на горизонтальную плоскость (зная же склонение и наклонение, можно рассчитать и величину полного вектора напряженности магнитного поля)[1].

Английский моряк, конструктор компаса и гидрограф Роберт Норман в 1571 году описал магн́итное наклонение — угол, на который отклоняется магнитная стрелка под действием магнитного поля Земли в вертикальной плоскости. В Северном полушарии указывающий на север конец стрелки отклоняется вниз, в Южном — вверх. Для измерения магнитного наклонения используют инклинатор.

James Clark Ross

Рис. 6. Инклинатор на портрете Джеймса Кларка Росса. Художник Джон Р. Вайлдман (1785)

Первая теоретическая работа о том, что представляет собой магнитное поле Земли, то есть каковы величина и направление его напряженности в каждой точке земной поверхности, принадлежит немецкому математику Карлу Гауссу. В 1834 году он дал математическое выражение для составляющих напряженности как функции координат — широты и долготы места наблюдения. Пользуясь этим выражением, можно для каждой точки земной поверхности найти значения любой из составляющих, которые носят названия элементов земного магнетизма. Эта и другие работы Гаусса стали фундаментом, на котором построено здание современной науки о земном магнетизме[1]. В частности, в 1839 году он доказал, что основная часть магнитного поля выходит из Земли, а причину небольших, коротких отклонений его значений необходимо искать во внешней среде[2].

В 1831 году английским полярным исследователем Джоном Россом в Канадском архипелаге был открыт северный магнитный полюс — область, где магнитная стрелка занимает вертикальное положение, то есть наклонение равно 90°. А в 1841 г. Джеймс Росс (племянник Джона Росса) достиг другого магнитного полюса Земли, находящегося в Антарктиде[2].

Инверсии магнитного поля

Geomagnetic polarity 0-169 Ma

Рис. 7. Инверсии магнитного поля Земли начиная со средней юры. Темные области  — полярность соответствующая сегодняшней. Светлые области  — противополложная полярность. Меловой Нормальный суперхрон виден как широкая, непрерывная черная полоса.

Основная статья: Инверсии магнитного поля Земли.

Геомагнитный разворот — изменение магнитного поля планеты, при котором положение северного магнитного полюса меняется местамии с южным магнитным полюсом (не следует путать с географическим севером и географическим югом). Магнитное поле Земли чередовало свою ориентированность между периодами нормальной полярности, в которых преобладающее направление поля было таким же, как настоящее направление, и обратной полярностью, в которой оно было противоположным. Эти периоды называются хронами.

В самом начале ХХ века геолог Бернард Брюнш впервые описал изменчивость направления намагниченности вулканических пород[3]. Первая оценка времени магнитных инверсий была сделана Мотонори Матуямой в 1920-х годах: он заметил, что камни с перевернутыми полями были раннего плейстоценового возраста или старше.[4][5]

В 1950-х годах были усовершенствованы методы радиоизотопного датирования. Аллан Кокс и Ричард Доулл из Геологической службы США хотели узнать, происходят ли изменения через регулярные промежутки времени, и пригласили геохронолога Брента Далримпла присоединиться к их группе. Они создали первую шкалу времени магнитной полярности в 1959 году. По мере накопления данных они продолжали совершенствовать эту шкалу, конкурируя с Доном Тарлингом и Яном Макдугаллом из Австралийского национального университета . Группа под руководством Нила Опдайка в геологической обсерватории Ламонт-Доэрти показали, что такая же картина изменений была зафиксирована в отложениях глубоководных кернов.[4][5]

В 1963 году Фредерик Вайн и Драммонд Мэттьюс предоставили простое объяснение, объединив теорию спрединга Гарри Гесса с известной временной шкалой переворотов: полосы намагниченного дна соответствуют изменениям ориентации магнитного поля в геологическом прошлом Земли[6]. Канадец Лоуренс Морли независимо предложил подобное объяснение в январе 1963 года, но его работа была отклонена научными журналами Nature и Journal of Geophysical Research и оставалась неопубликованной до 1967 года, когда она появилась в литературном журнале Saturday Review[4]. Гипотеза Морли-Вайна-Мэтьюса была первым ключевым научным испытанием теории распространения морского дна при континентальном дрейфе.[5]

Начиная с 1966 года, ученые Геологической обсерватории Ламонт-Доэрти обнаружили, что магнитные профили Южно-Тихоокеанского поднятия были подобны Срединно-Атлантическому хребту. Такие же магнитные аномалии были обнаружены в большинстве мировых океанов, что позволило оценить, когда образовалась большая часть океанической коры.[4][5]

Исследования остаточной намагниченности, приобретённой изверженными горными породами при остывании их ниже точки Кюри, свидетельствуют о неоднократных инверсиях магнитного поля Земли, зафиксированных в полосовых магнитных аномалиях океанической коры, параллельных осям срединных океанических хребтов.[7]

Случаи разворота статистически случайны. За последние 83 миллиона лет произошло 183 разворота. Последний разворот Брюнса – Матуямы произошёл 780 000 лет назад[8][9]. Продолжительность полного обращения колеблется от 2000 до 12000 лет, что на один-два порядка меньше продолжительности магнитных хрононов[10]

[11].

Смещение магнитных полюсов

Magnetic North Pole Positions 2015

Рис. 8. Движение Северного магнитного полюса Земли через канадскую Арктику.

Смещение магнитных полюсов регистрируется с 1885 года. За последние 100 лет магнитный полюс Южного полушария переместился почти на 900 км и вышел в Южный океан. Новейшие данные по состоянию арктического магнитного полюса (движущегося по направлению к Восточно-Сибирской мировой магнитной аномалии через Северный Ледовитый океан) показали, что с 1973 по 1984 год его пробег составил 120 км, с 1984 по 1994 год — более 150 км. Эти расчётные данные подтверждены замерами северного магнитного полюса.[12][13]

В 1831 году было впервые зафиксировано положение северного магнитного полюса в канадской Арктике. К 2019 году полюс сместился уже более чем на 2300 км в сторону Сибири и продолжает двигаться с ускорением. Скорость его перемещения увеличилась с 15 км в год в 2000 году до 55 км в год в 2019 году. Такой быстрый дрейф приводит к необходимости более частой корректировки навигационных систем, использующих магнитное поле Земли, например, в компасах в смартфонах или в резервных системах навигации кораблей и самолётов.[14]

Напряжённость земного магнитного поля падает, причём неравномерно. За последние 22 года она уменьшилась в среднем на 1,7 %, а в некоторых регионах — например, в южной части Атлантического океана, — на 10 %. В некоторых местах напряжённость магнитного поля, вопреки общей тенденции, даже возросла[12].

Мировые магнитные аномалии

World Magnetic Field 2019

Рис. 9. Интенсивность магнитного поля Земли на поверхности из Всемирной магнитной модели за 2019 год. 1 — Восточно-Сибирская положительная ММА.              2 — Канадская положительная ММА. 3 — Бразильская отрицательная ММА. 4 — Приантарктическая положительная ММА.

1024px-Geomagnetisme

Рис. 10. Ось Ng Sg вращения Земли — определеет северный и южный географические полюса;

Ось Ngm Sgm магнитного диполя — определяет северный и южный геомагнитные полюса;

Ось Nm Sm, проходящая через Канадскую и Приантарктическую магнитные аномалии, — реальные северный и южный магнитные полюса.

Мировые магнитные аномалии (ММА) – часть нормального магнитного поля Земли. Протяженность ММА от нескольких тысяч до десятков тысяч километров, по форме они близки к изометричным. За нормальное поле для выделения ММА принимается поле диполя.[15]

Центры ММА определяются по экстремальным значениям вертикальной составляющей магнитного поля Земли и по прохождению через нуль горизонтальной составляющей. Положительными аномалиями считаются те, у которых направления вертикальных составляющих совпадают с направлением нормального поля, отрицательными — те, у которых они противоположны.[15]

На поверхности Земли выделяются шесть ММА, три положительные и три отрицательные. По состоянию на 2019 год, четыре наиболее крупные из них — Восточно-Сибирская положительная (напряженность поля около 60 тыс. нТл) и Канадская положительная (напряженность поля около 55 тыс. нТл) ММА в северном полушарии, Бразильская отрицаетельная (напряженность поля около 25 тыс. нТл) и Приантарктическая положительная (напряженность поля около 65 тыс. нТл) ММА в южном полушарии.[15][16]

Необходимо упомянуть при этом, что Канадская и Приантарктическая ММА представляют собой области, где линии магнитного поля расположены вертикально поверхности Земли. Однако, вследствии того, что их расположение не совпадает с расположением геомагнитных полюсов, они называются мировыми магнитными аномалиями.

Особенности ММА говорят о том, что они представляют собой недипольную часть геомагнитного поля и отражают неоднородности строения ядра. Основанием для такого вывода служат следующие факты:

  1. картина мировых магнитных аномалий не зависит от строения земной коры, а их интенсивность не соответствует магнитным характеристикам пород литосферы и мантии,
  2. интенсивность мировых аномалий с высотой (расстоянием магнитной съемки от поверхности Земли) убывает незначительно, что указывает на глубинное расположение источников этих аномалий, близкое к ядру,
  3. обнаружен «западный дрейф» ММА, т.е. смещение изолиний ММА к западу, что отражает процессы в ядре,
  4. суммарная амплитуда вековых вариаций направления геомагнитного поля закономерно растет по мере приближения к эпицентрам положительных ММА в интервале времени 0-10 тысяч лет назад, эта зависимость «ослабевает» для более раннего интервала времени 10-100 тысяч лет назад и вовсе исчезает в интервале 0,1-0,7 млн. лет назад.[15]

Таким образом, можно утверждать, что существует связь между ММА и амплитудой вариаций поля, т.е. связь или общность источников тех и других. При этом время существования нарушений стационарного состояния движений в ядре, приводящих к появлению ММА и повышению суммарной амплитуды вековых вариаций геомагнитного поля в определенных районах жидкого ядра, не превышает первых десятков тысяч лет.[15]

Геомагнитная вековая вариация

Earth Magnetic Field Declination from 1590 to 1990

Рис. 11. Расчетные контуры склонения по годам, с 1590 по 1990 год.

Геомагнитное вековое изменение относится к изменениям магнитного поля Земли в масштабе времени около года или более. Эти изменения в основном отражают изменения в недрах Земли, в то время как более быстрые изменения происходят в основном в ионосфере или магнитосфере.[17]

Development_of_the_South_Atlantic_Anomaly

Development of the South Atlantic Anomaly

Рис. 12. Развитие Южноатлантической аномалии. Эта анимация показывает изменение напряженности магнитного поля на поверхности Земли в 2014-2020 гг. На основе данных, собранных спутниковой группировкой Swarm. Изображение предоставлено Европейскм космическим агентством.

Геомагнитное поле изменяется во временных масштабах от миллисекунд до миллионов лет. Короткие временные масштабы в основном возникают из-за течений в ионосфере и магнитосфере, и некоторые изменения могут быть связаны с геомагнитными бурями. Изменения во временных масштабах в год или более в основном отражают изменения в недрах Земли, особенно в богатом железом ядре.[17]

Вековые изменения наблюдаются в измерениях в магнитных обсерваториях, некоторые из которых существуют уже сотни лет (например, королевская обсерватория в Кью). В таком масштабе времени магнитное склонение изменяется на десятки градусов.[17] Изображение в формате GIF показывает, как глобальные склонения изменились за последние несколько веков.[18]

Geomagnetic axial dipole strength

Рис. 13. Сила аксиально-дипольной составляющей магнитного поля Земли с 1600 по 2020 г. по трем моделям.

Чтобы проанализировать глобальные закономерности изменения геомагнитного поля, геофизики подгоняют данные поля к сферическому гармоническому расширению (см. Международное геомагнитное эталонное поле). Члены в этом расширении могут быть разделены на дипольную часть, такую ​​как поле вокруг стержневого магнита, и недиполярную часть. Дипольная часть доминирует в геомагнитном поле и определяет направление геомагнитных полюсов. Направление и интенсивность диполя меняются со временем.[17]  За последние два столетия дипольная сила уменьшалась со скоростью около 6,3% в столетие. При такой скорости снижения поле достигнет нуля примерно через 1600 лет. Эта сила находилась вблизи среднего значения последние 7 тысяч лет, и нынешние темпы изменений не являются необычными.[19]

Характерной особенностью недиполярной части векового отклонения является дрейф в западном направлении со скоростью около 0,2 градуса в год.  Этот дрейф не везде одинаков и менялся с течением времени. Усреднённый по всему миру дрейф был на запад примерно с 1400 г. н.э., но на восток - примерно с 1000 до 1400 г.г. н.э.[20] 

Геомагнитный рывок

В геофизике геомагнитный рывок или вековое изменение геомагнитного импульса является относительно внезапным изменением второй производной магнитного поля Земли по времени.[21]

Название «рывок» было заимствовано из кинематики, где оно означает скорость изменения ускорения тела, то есть третью производную его положения по времени (ускорение является второй производной), или, более конкретно, внезапный и кратковременный всплеск или падение этой скорости.

Геомагнитные рывки были отмечены Винсентом Кортийо и Жаном-Луи Муэлем в 1976 году.[22][23] Самые явные, наблюдаемые во всем мире, произошли в 1969, 1978, 1991 и 1999 годах. Данные до 1969 года более скудны, но есть свидетельства других глобальных рывков в 1901, 1913 и 1925 годах. В 1932, 1949, 1958, 1986 и 2003 годах были зафиксированные отдельные геомагнитные рывки в некоторых частях мира.[21][24][25]  Считается, что эти события происходят внутри Земли (а не вследствии внешних явлений, таких как солнечный ветер), однако их точная причина всё ещё остаётся предметом исследований.[25]

В период между рывками компоненты поля в определенном месте изменяются во времени t как многочлен второй степени Ат2 + Bт + C. Каждый рывок представляет собой относительно внезапное изменение (в течение периода от нескольких месяцев до пары лет) коэффициента A этой формулы (который определяет вторую производную), а также коэффициентов B и C.

Сила каждого рывка варьируется от места к месту, причём рывки затрагивают только в отдельные регионы. Например, рывок 1949 года явно наблюдался Тусонской магнитной обсерваторией (Северная Америка, 32,1745° с. ш., 110,7337° з. д.), но не был замечен Национальной магнитной обсерваторией в Шамбон-ля-Форе (Европа, 48°04′09″ с. ш. 2°17′56″ в. д.). Более того, глобальные рывки не только происходят в разное время в разных регионах; но и чаще в Северном полушарии, чем в Южном.[21]

Считается, что эти события вызваны изменениями характера потока жидкого внешнего ядра Земли. Например, быть может вызвается гидромагнитными волнами.[24] Численное моделирование динамики вращающегося тела успешно воспроизвело характеристики хорошо документированных рывков.[26] В этом моделировании рывки вызваны альвеновскими волнами, испускаемыми внутри внешнего ядра и фокусирующимися на границе раздела с мантией.[26][27] 

Предполагаемый генератор магнитного поля Земли

При выборе и оценке существующих гипотез относительно природы генератора глобального магнитного поля Земли научный метод накладывает определённые ограничения на свободу творческого мышления. В частности, предлагаемые концепции должны быть верифицируемы, фальсифицируемы, базироваться на уже известных законах и принципах природы, исключать логическую противоречивость. Очень полезно при этом помнить методологический принцип бритвы Оккама «Не следует множить сущее без необходимости», который имеет в качестве своего следствия запрет на объяснение непонятного при помощи неизвестного.

Земной шар — гигантский постоянный магнит

2000px-VFPt Dipole field

Рис. 14. Магнитное поле Земли примерно совпадает с полем диполя (отмечены на русунке как два разноимённых заряда). При этом «N» и «S» (северный и южный полюса) отмечены «географически», то есть противоположно полюсам магнитного диполя.

В 1600 году Уильям Гильберт опубликовал книгу «О магните и магнитных телах, и о большом магните — Земле», в которой он пришел к выводу, что Земля в целом обладает магнитными свойствами, и предложил первую гипотезу происхождения этого магнетизма — постоянный магнетизм (подобный тому, который обнаружен в магнетите). В 1839 году Карл Гаусс доказал, что основная часть магнитного поля выходит из Земли, а причину небольших, коротких отклонений его значений необходимо искать во внешней среде[2].

Основанием к тому, земной шар в целом не представляет из себя огромный постоянный магнит служат следующие доводы:

  1. картина мировых магнитных аномалий (в том числе, Северный и Южный магнитные полюса) не зависит от строения земной коры, а их интенсивность не соответствует магнитным характеристикам пород литосферы и мантии,
  2. интенсивность мировых аномалий с высотой (расстоянием магнитной съемки от поверхности Земли) убывает незначительно, что указывает на глубинное расположение источников этих аномалий, близкое к ядру,

Кроме того, инверсии магнитного поля, смещение полюсов, геомагнитная вековая вариация указывают на изменчивость свойств внутреннего источника магнитного поля, что делает полностью несостоятельной гипотезу постоянства магнитного поля Земли.

Ядро Земли

Earth poster

Рис. 15. Строение недр Земли.

Основная статья: Ядро Земли

Slice earth

Рис. 16. Схематическое изображение недр Земли. 1. —  континентальная кора. 2. — океаническая кора. 3. —  верхняя мантия. 4. — нижняя мантия. 5. — внешнее ядро . 6. — внутреннее ядро​. A: — поверхность Мохоровичича. B: — граница Гутенберга. C —  разрыв Леманн–Буллена.

Общепринятой точкой зрения на источник магнитного поля нашей планеты являются представления. связанные с ядром Земли. В частности считается, что магнитное поле вырабатывается во внешней жидкой части ядра в ходе процессов её взаимодействия с внутренним твёрдым ядром, а также в результате тепловой конвекции в сочетании с кориолисовой силой.[28]

Внешнее ядро Земли

Основная статья: Внешнее ядро Земли

Внешнее ядро Земли представляет собой жидкий слой толщиной около 2400 км (1500 миль), состоящий в основном из железа и никеля, который находится между твёрдым внутренним ядром и мантией.[29]  Его внешняя граница лежит 2885 км ниже поверхности Земли. Переход между внутренним ядром и внешним ядром расположен примерно на 5155 км под поверхностью Земли.[30]

Сейсмические инверсии объемных волн и нормальных мод ограничивают радиус внешнего ядра 3483 км с неопределенностью 5 км, в то время как радиус внутреннего ядра 1220 ± 10 км.[30]

Оценки для температуры внешнего ядра составляют около 3000–4500 K во внешних областях и 4000–8000 K вблизи внутреннего ядра. Распределение давления и плотности вещества будет определено исходя из условий, при котороых станет возможной жизнеспособность численной модели, способной описать достаточную интенсивность и конфигурацию циркуляции материи для создания глобального магнитного поля.

Доказательства для жидкого внешнего ядра включают в себя сейсмологию, которая показывает, что сейсмические поперечные волны не передаются через внешнее ядро. Из-за его высокой температуры работы по моделированию показали, что внешнее ядро ​​представляет собой жидкость с низкой вязкостью, которая турбулентно движется. Теория магнитного геодинамо рассматривает вихревые токи в никель-железной расплава внешнего ядра в качестве основного источника магнитного поля Земли. Средняя напряженность магнитного поля во внешнем ядре Земли была измерена как 2,5 миллитесла, что в 50 раз сильнее, чем магнитное поле на поверхности нашей планеты. Внешнее ядро ​​не находится под давлением, достаточным для того, чтобы быть твёрдым, поэтому оно жидкое, хотя имеет состав, аналогичный внутреннему ядру. Сера и кислород могут присутствовать во внешнем ядре.

Поскольку тепло передается наружу к мантии, общая тенденция заключается в замерзании внутренней границы жидкой области, что приводит к росту твердого внутреннего ядра за счет внешнего ядра. Этот показатель оценивается в 1 мм в год. 

Внутреннее ядро Земли

Основная статья: Внутреннее ядро Земли

Preliminary Reference Earth Model (PREM)

Рис. 17. Строение Земли.

Вверху:модель Земли как функция глубины.

Внизу: Профили эталонной модели Земли (PREM) в недрах Земли: скорости поперечных vs и продольных волн vp, плотность ρ и давление Р. Сейсмические границы слоёв определяют скачки графиков.

Изображение редоставлено: Simone Anzellini.

Внутреннее ядро является самой глубокой геосферой Земли и, согласно сейсмологическим исследованиям и магнитного поля, представляет собой сплошной шар радиусом около 1220 километров, что составляет около 20% радиуса Земли или 70% радиуса Луны.[31][32]

Считается, что внутреннее ядро ​​состоит из железо-никелевого сплава с примесью некоторых других элементов. 

Давление во внутреннем ядре Земли несколько выше, чем на границе между внешним и внутренним ядрами: оно колеблется от 330 до 360 ГПа (от 3 300 000 до 3 600 000 атм).

Расчётное ускорение свободного падения на поверхности внутреннего ядра может определено как 4,3 м/с2, что составляет менее половины его значения на поверхности Земли (9,8 м/с2).

Считается, что плотность внутреннего ядра плавно изменяется от, примерно, 13,0 кг/л (= г/см 3 = т/м3) в центре до, примерно, 12,8 кг/л на поверхности. Как и в случае с другими свойствами материала, плотность на этой поверхности внезапно падает: считается, что жидкая внешняя компонента ядра значительно менее плотная, примерно 12,1 кг/л.  Для сравнения, средняя плотность в верхних 100 км Земли составляет около 3,4 кг/л.

Эта плотность подразумевает массу около 1023 кг для внутреннего ядра, что составляет 1/60 (1,7%) от массы всей Земли.

Железо может быть твердым при таких высоких температурах только потому, что его температура плавления резко возрастает при давлениях этой величины (см. Соотношение Клаузиуса – Клапейрона).

Температуру внутреннего ядра можно оценить по температуре плавления нечистого железа при давлении, под которым железо находится на границе внутреннего ядра (около 330 ГПа). Исходя из этих соображений, в 2002 году Дарио Альфе (Dario Alfè) и другие исследователи оценили его температуру в диапазоне от 5600 К.[33][34][35]

Melting curves

Рис. 18. Кривые плавления, полученные статическим (синие символы), динамическим (красные символы) методами, а также путём экстраполяции (зеленые символы). Изображение редоставлено: Simone Anzellini.

Phase stability domains for Fe

Рис. 19. Поля фазового равновесия для Fe. Поле стабильности для ε-Fe основано на данных современных исследований. Изображение предоставлено: Simone Anzellini.

В 2013 г. Симон Анжеллини (Simone Anzellini) с группой исследователей провели эксперименты со статическим лазерным нагревом алмазных наковален до 200 ГПа с использованием быстрой рентгеновской дифракции на основе синхротрона в качестве первичной диагностики плавления. При экстраполяции на давление 330 ГПа, они заключили, что температура плавления железа на внутренней границе ядра составляет 6230 ± 500 Кельвин (что немного больше температуры 5772 К[36] на поверхности Солнца,). Эта оценка способствует высокому тепловому потоку на границе ядро-мантия с возможным частичным плавлением мантии.[37][38]

В 2010 году Брюс Баффет определил, что среднее магнитное поле в жидком внешнем ядре составляет около 2,5 миллиТесла (25 гаусс), что примерно в 40 раз превышает максимальную интенсивность на поверхности.[39]

Хотя сейсмические волны распространяются через ядро, как если бы оно было твёрдым, измерения не могут отличить совершенно твердый материал от чрезвычайно вязкого. Поэтому некоторые учёные рассмотрели вопрос о том, может ли медленная конвекция во внутреннем ядре (как полагают, существует в мантии). Это может быть объяснением анизотропии, обнаруженной в сейсмических исследованиях. В 2009 году Баффет оценил вязкость внутреннего ядра в 1018 Па·с, что в 1023 раз больше вязкость воды и более чем в миллиард раз больше вязкости смолы.[40] 

История формирования теорий геодинамо

Гипотеза геодинамо Джозефа Лармора

В 1919 году Джозеф Лармор предложил гипотезу геодинамо в соответствии с которой электрические токи в жидкой внешней части ядра, вызванные вращением внутренней части, генерируют глобальное магнитное поле. Открытым оставался вопрос о том, почему в условиях гигантских давлений и температур, с учётом громадной силы трения внутреннее твёрдое ядро не прекращает своё вращение.

Том Каулинг в 1934 году доказал несостоятельность теории Лармора. Теорема Каулинга о невозможности стационарного осесимметричного МГД-динамо устанавливает невозможность реализации самоподдерживающегося механизма генерации магнитного поля Земли потоками вещества во внешнем жидком металлическом ядре за счёт вращения твёрдого внутреннего ядра. Такая система не обеспечивает собственной устойчивости (затухает).30,31

Гипотеза Альберта Эйнштейна электрон-протонной асимметрии

Эйнштейн полагал, что между зарядами электрона и протона может быть асимметрия, так что магнитное поле Земли будет производиться всей Землей.

Патрик Блэкетт получил нобелевскую премию за серию экспериментов, которые опровергли гипотезу Эйнштейна о фундаментальной связи между угловым и магнитным моментом.

Toroidal coord

Рис. 20. Диаграмма с изображением полоидального (θ) направления, обозначенное красной стрелкой, и тороидальное (ζ или же φ) направление, обозначенное синей стрелкой.

Гипотеза Уолтера Эльзассера обратного механизма

Уолтер М. Эльзассер, считающийся «отцом» принятой в настоящее время теории динамо в качестве объяснения магнетизма Земли, предположил, что это магнитное поле возникает в результате электрических токов, индуцированных самоподдерживающемся динамо во внешнем жидком ядре Земли. Его динамо приводилось в действие конвекцией в жидком внешнем ядре при помощи механизма обратной связи между потоками, имеющими две разные геометрии, тороидальную и полоидальную.

Эта гипотеза считается по-праву революционной, поскольку отпадает необходимость поддерживать вращение внутреннего твёрдого ядра за счёт энергии геодинамо.

Чтобы удерживать магнитное поле от омического (электрического сопротивления) затухания, которое произойдет практически мгновенно в геологическом масштабе времени для дипольного поля (примерно через 20 000 лет), внешнее ядро ​​должно быть конвективным. Конвекция, в этом случае, представляет из себя сочетание тепловой и композиционной циркуляции. Мантия контролирует скорость, с которой тепло исходит из ядра.

Источники тепла включают гравитационную энергию, выделяемую при сжатии ядра, гравитационную энергию, выделяемую отторжением легких элементов (вероятно, серы, кислорода или кремния) на внутренней границе ядра по мере его роста, скрытую теплоту кристаллизации на внутренней границе ядра, и радиоактивность калия, урана и тория.

Несостоятельность теории заключается в её неспособности объяснить недипольный характер глобального магнитного поля Земли (мировые магнитные аномалии), инверсии магнитного поля, смещение магнитных полюсов, геомагнитные вековые вариации, геомагнитные рывки. Кроме того, не были произведены расчёты в отношении способности всёх перечисленных источников энергии для обеспечения жизнеспособности геодинамо на протяжении 4,3 млрд лет существования Земли.

Численное моделирование магнитного поля Земли

Simulation of the magnetic field in Earth s core

Рис. 21. Моделирование магнитного поля в ядре Земли. Copyright: Julien Aubert, IPGP/CNRS/CNRS Photothèque.

На заре XXI века численное моделирование магнитного поля Земли показало несостоятельность выдвигаемых теорий в отношении источника планетарного магнитного поля. Первоначальные модели были ориентированы на генерацию поля путем конвекции в жидком внешнем ядре планеты. Необходимо было показать генерацию сильного поля при однородной температуре поверхности ядра и исключительно высокой вязкости жидкого ядра. 

Вычисления, которые включали более реалистичные значения параметров, давали магнитные поля, которые были мало похожими на реально наблюдаемые, однако указывали на возможность уточнения параметров модели, которые в конечном итоге могли бы привести к точному аналитическому описанию. 

Решением этой проблемы видится в незначительных колебаниях температуры поверхности ядра в диапазоне нескольких милликельвинов, которые приводят к значительному увеличению конвективного потока и создают более реалистичные магнитные поля.  

Ядро Земли, смоделированное в численном геодинамическом моделировании как часть исследований геомагнитных рывков и быстрых гидромагнитных волн, опубликованных в качестве материала для обложки  в журнале Nature Geosciences , май 2018 (Рис. Моделирование магнитного поля в ядре Земли). Линии магнитного поля (оранжевые) растягиваются, скручиваются и складываются турбулентной конвекцией, приводящей к сдвиг электропроводящей жидкости (красный и синий). Гидромагнитные волны запускаются, когда сдвиг смещается относительно силовых линий, и распространяются вдоль этих линий к поверхности ядра, где они могут фокусироваться и вызывать геомагнитные рывки.[41][42]

См. также

Палеонтологический парадокс

Вариация интенсивности гравитационного поля Земли

Литература

  1. Жарков В. Н. Внутреннее строение Земли и планет. — М.: Наука, 1978. — 192 с.
  2. Криволуцкий А. Е. Голубая планета. Земля среди планет. Географический аспект. — М.: Мысль, 1985. — С. 228.

Примечания 

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 А. В. Викулин. VII. Геомагнитное поле и электромагнетизм Земли // Введение в физику Земли. Учебное пособие для геофизических специальностей вузов.. — Издательство Камчатского государственного педагогического университета, 2004. — 240 с. — ISBN 5-7968-0166-X. (см. ISBN )
  2. ↑ 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 Наука о Земле: Магнитное поле Земли. Влияние Солнца на магнитосферу
  3. ↑ Brunhes B., David P, Sur la direction d’aimantation dans des couches d’argile transformée en brique par des coulées de lave, Comptes rendus de l’Académie des sciences, vol. 133,‎ , p. 155-157.
  4. ↑ 4,0 4,1 4,2 4,3 Cox A.. Plate tectonics and geomagnetic reversals. — 1. — W. H. Freeman, 1973. — ISBN 978-0-7167-0258-0.
  5. ↑ 5,0 5,1 5,2 5,3 Glen W. The Road to Jaramillo: Critical Years of the Revolution in Earth Science. — 1. — Stanford University Press, 1982. -  ISBN 0-8047-1119-4
  6. ↑ Matthews D. H., Vine F. J. Magnetic Anomalies Over Oceanic Ridges (англ.) // Nature. — 1963-09. — Vol. 199, iss. 4897. — P. 947–949. — [стандартный серийный номер|ISSN]1476-4687. — [[1]]:10.1038/199947a0.
  7. ↑ Kearey P., Klepeis K. A., Vine, F. J. Global tectonics. — 3 — Chichester: Wiley-Blackwell, 2009. С. 74-77. —  ISBN 978-1-4051-0777-8
  8. ↑ Coe R. S., Mochizuki N, Jicha B. R., Singer B. S.. Synchronizing volcanic, sedimentary, and ice core records of Earth’s last magnetic polarity reversal (англ.) // Science Advances. — 2019-08-01. — Vol. 5, iss. 8. — P. eaaw4621. — [стандартный серийный номер|ISSN] 2375-2548. — [[2]]:10.1126/sciadv.aaw4621.
  9. ↑ Johnson S. K.. The last magnetic pole flip saw 22,000 years of weirdness - When the Earth's magnetic poles trade places, they take a while to get sorted". Ars Technica, 11 August 2019.
  10. ↑ Clement B. M. . Dependence of the duration of geomagnetic polarity reversals on site latitude (англ.) // Nature. — 2004-04. — Vol. 428, iss. 6983. — P. 637–640. — [стандартный серийный номер|ISSN] 1476-4687. — [[3]]:10.1038/nature02459.
  11. ↑ Glatzmaier G. A.,. Coe R. S. 8.11 - Magnetic Polarity Reversals in the Core // Treatise on Geophysics (Second Edition) / Gerald Schubert. — Oxford: Elsevier, 2015-01-01. — С. 279–295. — [9780444538031].
  12. ↑ 12,0 12,1 Newitt L. R., Chulliat A., Orgeval J. -J..Location of the North Magnetic Pole in April 2007 // Earth, Planets and Space. — 2009-06-01. — Т. 61, вып. 6. — С. 703–710. — [стандартный серийный номер|ISSN] 1880-5981. — [[4]]:10.1186/BF03353178.
  13. ↑ Wandering of the Geomagnetic Poles. Website NOAA.
  14. ↑ Trevor Nace. Earth's Magnetic North Pole Has Officially Moved (англ.). Forbes.
  15. ↑ 15,0 15,1 15,2 15,3 15,4 Печерский Д. М. Петромагнетизм и палеомагнетизм: справочное пособие для специалистов из смежных областей науки. // М.: Наука, — 1985. — 128 с.
  16. ↑ Main Field Total Intensity (F). US/UK World Magnetic Model - 2019.0 // Natonal Centers for Environmental Information. NOAA.
  17. ↑ 17,0 17,1 17,2 17,3 Merrill R. T., McElhinny M. W., McFadden, P. L. . The Magnetic Field of the Earth: Paleomagnetism, the Core, and the Deep Mantle. // Academic Press. — 1996. — С. 531 —  ISBN 978-0124912465.
  18. ↑ Gubbins D., Kent D. V., Laj C., Jackson A., Jonkers A. R. T.. Four centuries of geomagnetic secular variation from historical records // Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. — 2000-03-15. — Т. 358, вып. 1768. — С. 957–990. — [[5]]:10.1098/rsta.2000.0569.
  19. ↑ Constable C. Dipole Moment Variation. // In Gubbins, David; Herrero-Bervera, Emilio (eds.). Encyclopedia of Geomagnetism and Paleomagnetism. Springer-Verlag. — 2007. — pp. 159-161. — doi:10.1007/978-1-4020-4423-6_67. ISBN 978-1-4020-3992-8.
  20. ↑ Dumberry M., Finlay.' C. C.Eastward and westward drift of the Earth's magnetic field for the last three millennia // Earth and Planetary Science Letters. — 2007-02-15. — Т. 254, вып. 1. — С. 146–157. — ISSN: 0012-821X. — DOI: 10.1016/j.epsl.2006.11.026.
  21. ↑ 21,0 21,1 21,2 De Michelis P. ,Tozzi R., Meloni A. Geomagnetic jerks: observation and theoretical modeling. Memorie della Società Astronomica Italiana, 2005, — Vol. 76, pp. 957–960. — ISSN (P) 0037-8720 ISSN (E) 1824-016X
  22. ↑ Courtillot V., J.-L. Le Mouël, On the long-period variations of the Earth’s magnetic field from 2 months to 20 years, // J. Geophys. Res.,1976.  — 81, 2941–2950. — ISSN 0148-0227.
  23. ↑ Courtillot V. and J.-L. Le Mouël, Geomagnetic secular variation impulses, // Nature,1984. — 311, 709–716, — ISSN (papier) 0028-0836.
  24. ↑ 24,0 24,1 Mandea M.,Bellanger E, Le Mouël J.-L. A geomagnetic jerk for the end of the 20th century? // Earth and Planetary Science Letters, 2000. — Volume 183, Issues 3-4, — Pages 369–373. — DOI:10.1016/S0012-821X(00)00284-3.
  25. ↑ 25,0 25,1 Olsen N.,Mandea M. Investigation of a secular variation impulse using satellite data: The 2003 geomagnetic jerk. Earth and Planetary Science Letters, 2007, — Volume 255, Issues 1-2. — Pages 94–105. — DOI:10.1016/j.epsl.2006.12.008.
  26. ↑ 26,0 26,1 Aubert J., Finlay C. C. Geomagnetic jerks and rapid hydromagnetic waves focusing at Earth's core surface. // Nature Geoscience, 21 April 2019. — 12 (5): 393–398. — DOI:10.1038/s41561-019-0355-1. ISSN 1752-0894.
  27. ↑ Florindo F. et al. Could the Mw = 9.3 Sumatra earthquake trigger a geomagnetic jerk? (англ.) // Eos, Transactions American Geophysical Union. — 2005. — Vol. 86, iss. 12. — P. 123–123. — [стандартный серийный номер|ISSN] 2324-9250. — DOI:10.1029/2005EO120004.
  28. ↑ Weiss N. Dynamos in planets, stars and galaxies. // Astronomy and Geophysics, 2002. — 43 (3): 3.09–3.15. — DOI:10.1046/j.1468-4004.2002.43309.x.
  29. ↑ Earth's Interior (англ.). Science & Innovation (18 January 2017). Дата обращения 19 сентября 2019.
  30. ↑ 30,0 30,1 Ahrens T. J. Global earth physics a handbook of physical constants  — 3 —  Washington, DC: American Geophysical Union, 1995. —  ISBN 9780875908519.
  31. ↑ Monnereau M. et al. . Lopsided Growth of Earth's Inner Core. // Science. — May 21, 2010). — 328 (5981): 1014-1017.  —  DOI:10.1126/science.1186212.
  32. ↑ Engdahl E. R., Flinn E. A., Massé R. P. Differential PKiKP Travel Times and the Radius of the Inner Core. // Geophysical Journal International — 1974 — 39 (3): 457–463. — DOI:10.1111/j.1365-246x.1974.tb05467.x.
  33. ↑ Alfè D., Gillan M. J., Price G. D.Composition and temperature of the Earth’s core constrained by combining ab initio calculations and seismic data // Earth and Planetary Science Letters. — 2002-01-30. — Т. 195, вып. 1. — С. 91–98. — [стандартный серийный номер|ISSN] 0012-821X. — [[6]]:10.1016/S0012-821X(01)00568-4.
  34. ↑ Alfè D., Gillan M. J., Price G. D.. Ab initio chemical potentials of solid and liquid solutions and the chemistry of the Earth’s core // The Journal of Chemical Physics. — 2002-04-11. — Т. 116, вып. 16. — С. 7127–7136. — [стандартный серийный номер|ISSN] 0021-9606. — [[7]]:10.1063/1.1464121.
  35. ↑ Alfè D., Gillan M. J., Vočadlo L., Brodholt J., Price G. D.The ab initio simulation of the Earth's core // Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. — 2002-06-15. — Т. 360, вып. 360 (1795). — С. 1227–1244. — [[8]]:10.1098/rsta.2002.0992.
  36. ↑ Sun Fact Sheet. NASA.
  37. ↑ Anzellini S, Dewaele A., Mezouar M., Loubeyre P., Morard G.. Melting of Iron at Earth’s Inner Core Boundary Based on Fast X-ray Diffraction (англ.) // Science. — 2013-04-26. — Vol. 340, iss. 6131. — P. 464–466. — [стандартный серийный номер|ISSN] 1095-9203 0036-8075, 1095-9203. — [[9]]:10.1126/science.1233514.
  38. ↑ Anzellini S. Phase diagram of iron under extreme conditions measured with time resolved methods. — PhD Thesis of Physics. — Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2014-5. — NNT: 2014PA066155. — tel-01164980.
  39. ↑ Buffett B. A. . Tidal dissipation and the strength of the Earth’s internal magnetic field (англ.) // Nature. — 2010-12. — Vol. 468, iss. 7326. — P. 952–954. — [стандартный серийный номер|ISSN] 1476-4687. — [[10]]:10.1038/nature09643.
  40. ↑ Buffett B. A. Onset and orientation of convection in the inner core (англ.) // Geophysical Journal International. — 2009-11-01. — Vol. 179, iss. 2. — P. 711–719. — [стандартный серийный номер|ISSN] 0956-540X. — [[11]]:10.1111/j.1365-246X.2009.04311.x.
  41. ↑ Simulation of the magnetic field in Earth’s core (англ.) European Space Agency. Дата обращения 20 сентября 2019.
  42. ↑ esa. Swarm helps explain Earth’s magnetic jerks (англ.) European Space Agency. Дата обращения 20 сентября 2019.
Материалы сообщества доступны в соответствии с условиями лицензии CC-BY-SA, если не указано иное.
Advertisement

Fan Feed

More Наука