Инверсии геомагнитного поля

Пусть тангенциальная сила на единицу площади движения сферы в вязкой жидкости определяется выражением:

, (VI.5)

где Dv = u1 – u2, h – вязкость внешнего ядра, a – угол. Причем u1, u2 – линейные скорости оболочки и ядра, соответственно u1 = w1r, а u2 = w2R.

Если u1 > u2, то кинетическая энергия ядра (Е) расходуется на работу (А) по преодолению сил вязкости, возникающих при вращении его в жидкой среде, причем E = A; I – момент инерции шара, равный , .

Работа по преодолению сил вязкости А = FL, где L – путь, который пройдет точка на поверхности ядра до момента, когда линейные скорости ядра и оболочки будут равны; F – сила, действующая на ядро по касательной (тангенциальная составляющая). Учитывая, что dF = sdS? (S? – поверхность шара), находим F:

. (VI.6)

Если a = R – r, Du = w1r – w2R; dS? = 2pr×r cosjr cosjdj, тогда

. (VI.7)

Подставляя (VI.7) в (VI.6), получим:

(VI.8)

В выражении А = FL будет выполняться условие w1r = w2R. В этом случае сила вязкости трения между двумя сферами будет равна нулю. Найдем

, (VI.9)

где t – время, в течение которого происходит выравнивание скоростей сфер. Из уравнения кинетической энергии вращения ядра определим:

(VI.10)

Подставим известные значения соответствующих величин в формулу (VI.10): m = 3,6·1024 кг; r = 1,21·106 м; r = 12,5×10-3 кг/м3; u1 = = 1,5·10-2 м/с; u2 = 10-2 м/с; h = 105 нс/м2; R – r = 2,26×106 м; w1 = = 1,25·10‑8 рад/с. Тогда t » 1014 c » 107 лет. Таким образом, кинетическая энергия вращения гасит конвекцию в ядре за 10 млн. лет. Полученная величина расходится со средним значением t за последние 107 лет на два порядка (t = 1012с). Следовательно, гашение конвекции происходит не только вязким торможением сфер, но и магнитным силовым полем, на долю которого, как следует из полученного значения, приходится меньшая часть работы (где-то около второго порядка t). Из приведенных оценок следует, что предложенный механизм инверсий в принципе осуществим. Движение в целом неустойчиво и стабилизируется лишь на короткий период при выравнивании скоростей.

Можно отметить, что приливное трение тормозит в основном верхнюю оболочку: на ядро это торможение передается через вязкую жидкость. Поэтому при уменьшении приливного взаимодействия системы Земля – Луна больший период времени оболочка будет отставать от ядра и при этом станет преобладать поле положительных инверсий. Возможно, этим объясняется преобладание прямой полярности геомагнитного поля второй половины фанерозоя, начиная с верхней перми, что связано с прогрессирующим удалением Луны. В первой половине фанерозоя периоды преобладающих прямой и обратной полярности были примерно одинаковы.

Определим современную плотность силовых линий магнитного поля во внешнем ядре Земли исходя из его напряженности, регистрируемой на ее поверхности.

Число витков N определяется из соотношения:

. (VI.11)

Подставив в него А×м-1, I = 106A, R = 6,4·106 м, получим N » 103

Наблюдаемый полный оборот оболочки вокруг ядра происходит в течение 2·103 лет. Следовательно, время, в течение которого было «накручено» полученное число витков, будет равно 2×103лет×103 = = 2×106 лет.

Таким образом, если регистрируемые скорости дрейфа сохранялись в среднем, то современное магнитное поле Земли (считая от последней инверсии) имеет «возраст» около 2 млн. лет. Как известно, начало эпохи Брюнеса датируется в 0,7 млн. лет (рис. 34), а если включить сюда эпизод Джарамильо, то 0,95 млн. лет. Исходя из средней периодичности инверсий в 1 млн. лет можно предположить, что мы находимся на пороге очередной инверсии геомагнитного поля. Этот вывод хорошо согласуется с быстрым уменьшением магнитного момента диполя, о чем говорилось выше. Если темпы его уменьшения сохранятся на уровне 0,05 % в год, то через один оборот оболочки (через 2 тыс. лет) Земля войдет в интервал переполюсовки, т.е. будет иметь очень слабый магнитный экран (около 20% от современного). Как это отразится на человечестве? Первобытные люди пережили уже одну такую инверсию 0,7 млн. лет назад – в эпоху Брюнеса. Из вышесказанного становится ясно, что минимально возможный интервал существования поля одного знака приближается к 1 млн. лет. Вязкомеханический эффект сцепления и торможения оболочки вследствие большой инерционности системы ядро-оболочка не может «работать» быстрее. Поэтому выделение эпох инверсий длительностью менее 0,7 – 1,0 млн. лет неубедительно. Это скорее всего локальные особенности намагниченности пород, не имеющие отношения к полю диполя. Сходная картина уже наблюдалась при выделении фаз складчатости и попытках распространения местных тектонических подвижек в общепланетарный ранг.

Полезные статьи

Территориальное размещение и его значение.
Роль того или иного угольного бассейна в территориальном разделении труда зависит от количества и качества ресурсов, степени их подготовленности для ...

Горы Афганистана
Гиндукуш труднодоступный горный массив, большей частью лишенный растительности. Афганистан no праву может быть назван страной гор. При взгляде с сам ...

Развитие и размещение отраслей легкой промышленности. Факторы, особенности, определяющие их размещение и развитие.
Основные показатели легкой промышленности 1992 1995 1995 в % к 1992 1 2 3 4 Ткани всех видов, млн. кв.м 5090 ...