диссертация (1097652), страница 40
Текст из файла (страница 40)
ниже) в относительно слабыхмагнитных полях [Трухин и др., 1997, 2004].В связи с тем, что магнитное поле Земли имеет небольшую напряжённость(НГМ≈0.5 Гс [Merill et al., 1998]), наибольшее число случаев самообращения, как этоследует из анализа литературы, наблюдалось на ферримагнитных минералах горныхпород. Вопрос о самообращении естественной остаточной намагниченности (NRM, отангл. Natural Remanent Magnetization) горных пород имеет глобальное и фундаментальноедля геофизики значение, так как NRM горных пород является основным информативнымпараметром о величине и направлении древнего геомагнитного поля (ГМП), а тем самымоб эволюции геомагнитного поля, которая неразрывно связана с эволюцией нашеймагнитной планеты [Jacobs, 1994].Все тела как макро-, так и микромасштаба в той или иной степени обладаютмагнитными свойствами.
В микромире носителями магнетизма являются атомы и ядра, вкоторых электроны и нуклоны обладают элементарными магнитными моментами. Причёмвзаимодействия элементарных магнитных моментов на микроуровне в основномопределяют магнитные свойства макрообъектов. В планетарных масштабах всекосмические объекты, включая Солнце, Луну, звёзды и все планеты (кроме Плутона,данных о магнитном поле которого пока нет) являются магнитами и обладаютмагнитными полями. Существует межпланетное магнитное поле, и даже межзвёздноепространство характеризуется галактическим магнитным полем [Merill et al., 1998].
198 НаЗемлесуществуетсобственноемагнитноеполе.Геомагнитноеполепронизывает всю Землю, океан и атмосферу, воздействует на живую и неживую природу.ГМП намагничивает все горные породы, особенно эффективно во время их образования,когда создаются чрезвычайно благоприятные условия для резкого возрастания магнитнойвосприимчивости пород. Силовые линии и напряжённость ГМП находятся в непрерывномизменении. Изменения (вариации) ГМП имеют периоды как в сотни и тысячи лет, так и отнескольких месяцев, до долей секунд [Трухин и др., 2005].
Кроме того, имеется тенденциясмещения силовых линий ГМП на запад со скоростью 0.2°/год (западный дрейф).Длиннопериодные вариации с периодом от 60 до 1800 и более лет называются«вековыми», короткопериодные (Т < 1 года) очень различны как по своим периодам, так ипо своей природе. Источники вековых вариций, по современным представлениям [Merillet al., 1998], находятся в ядре Земли, источники короткопериодных – в верхних слояхатмосферы, в ионосфере и магнитосфере. Интенсивность короткопериодных вариацийзависит от активности солнечно-земных взаимодействий.
Наиболее интенсивныегеомагнитныесигналыназываютсясуббурямиибурями.Солнечно-земныевзаимодействия являются также причиной полярных сияний.В магнитосфере на высотах от 2-х до 6-ти земных радиусов существуютрадиационные пояса, удерживающие заряженые частицы высоких энергий. Вполневозможно, что отсутствие этих своеобразных магнитных ловушек (при НГМ=0) привело бык тому, что частицы высоких энергий достигали бы поверхности Земли и оказывали бысущественное влияние на её биосферу [Яновский, 1978].Таким образом, ГМП имеет глобальное экологическое значение не только потому,что воздействует на биосферу и ноосферу Земли, но является ещё барьером на путипроникновения космических частиц высоких энергий к поверхности Земли.Проведённые с начала ХХ века геомагнитные исследования (см.ниже) установили,что горные породы различного геологического возраста имеют NRM, направленную какпо, так и против направления современного ГМП [Jacobs, 1994].
Это дало возможностьпредположить, что в прошлые геологические эпохи ГМП неоднократно изменяло своюполярность, происходили инверсии ГМП, во время которых напряжённость ГМП былаблизка к нулю. Тем самым был открыт вопрос о влиянии инверсий на прошедшую ибудущую эволюцию ГМП и Земли.
Однако вопрос и о самих инверсиях не является доконцарешённым.Какотмечалосьвыше,существуютфизическиемеханизмысамообращения («инверсий») самой NRM горных пород – так называемое самообращениенамагниченностиферримагнитныхминералов,магнетизм горных пород. 199 которыевосновномопределяютПоставленным во введении очень важным вопросам, которые имеют чистофизический интерес и несомненное глобальное геофизическое значение, и посвящёнаданная глава. § 5.2. Основные свойства геомагнитного поля и другие геофизические явления 5.2.1. Современная модель и структура ГМП.Рассмотрим основные свойства ГМП вблизи поверхности Земли.
Согласно общей теориигеомагнетизма Гаусса [Гаусс, 1952], магнитный потенциал ГМП можно представить ввиде бесконечного ряда сферических гармонических функций:Rn + 2 m(2.1)( g n cos m λ + hnm sin m λ ) ⋅ Pnm (cosθ ),n +1rn =1 m = 0где R – радиус Земли, r - расстояние от центра Земли до точки наблюдения с∞nU = ∑∑географическими координатами (θ, λ, θ=π/2-ϕ), Pnm (cosθ ) - присоединённые функцииЛежандра, g nm , hnm - постоянные коэффициенты Гаусса.
Составляющие (элементы)геомагнитного поля находятся дифференцированием по соответствующим направлениям:∂U∂U(северная); Y = − ∂ U(восточная); Z = −(вертикальная),(2.2)∂rr sin θ ⋅ ∂ λr ∂θВ связи с непрерывными изменениями ГМП Международная ассоциацияX =−геомагнетизма и аэрономии каждые пять лет утверждает необходимый ограниченныйнабор коэффициентов Гаусса, которые с наибольшей точностью определяют современноеГМП, измеряемое на геомагнитных обсерваториях и со спутников. В настоящее времямодель ГМП ограничивается в ряде (2.1) до n=10, что даёт 120 коэффициентов Гаусса[Трухин и др., 2005].Rn + 2 m(2.3)U = ∑∑ n +1 ( g n cos m λ + hnm sin m λ ) ⋅ Pnm (cosθ )rn =1 m = 0Эта модель называется “International Geomagnetic Reference Field”. Модель Гаусса10nдаёт в принципе возможность анализировать структуру геомагнитного поля, которое восновном состоит из главного геомагнитного поля (дипольная + недипольная части),аномального, создаваемого намагниченными горными породами и внешнего магнитныхполей.Однако уравнение (2.3) описывает только главное геомагнитное поле (ГГМП) ипозволяет выделить в нём только дипольную (n=1, m=0,1) и недипольную (n=от 2 до 10,m=от 0 до n) части.
Аномальное поле составляет около 3% поля, а внешнее – много менее1%.Дипольная часть составляет более 90% всего ГМП и поэтому в первомприближении ГМП считается полем центрального диполя, наклонённого к оси вращения 200 Земли на 10-12°.
Аномальная часть ГМП легко определяется, если из измеренного поля вданной точке с координатами (ϕ, λ) вычесть главное ГМП, задаваемое уравнением (2.3).5.2.2. Происхождение геомагнитного поля. Основой современной теории генерации главного ГМП являются уравнениямагнитной гидродинамики и идея динамо-эффекта, впервые высказанная в работе[Френкель, 1947].
Предполагается, что за счёт движений в жидком электропроводящемядре Земли, в частности, за счёт отставания при вращении Земли верхних слоёв ядра отмантии Земли, на что указывает западный дрейф ГМП, возможна регенерация ГМП изпервоначального очень слабого магнитного поля и генерация всех вековых вариаций[Трухин и др., 2005].Уравнения Максвелла дают возможность записать уравнение для индукциимагнитного поля В в следующем виде:∂B= (µσ) −1∇2 B + rot[υ ⋅ B], ∂t (2.4) где ( µσ ) −1 - магнитная вязкость.
Для определения скорости движения υ используетсяуравнение движения единицы объёма жидкости Навье-Стоксаdυ11= − grad p + g + ν ∇ 2 υ − 2[ω ⋅ υ] +[rotB ⋅ B], dtρµρ (2.5) dυ ∂υ=+ (υ ⋅ gradυ); ρ - плотность, р-давление, g- ускорение силы тяжести,dt ∂tν- кинематическая вязкость, 2[ω ⋅ υ] - сила Кориолиса, 1 [rotB ⋅ B] - сила электромагнитногоµρвзаимодействия.Сюда следует добавить уравнение неразрывности∂ρ(2.6)+ div(ρ ⋅ υ) = 0,где∂tкоторое при ρ=const будет(2.7)divυ = 0Простейший начальный подход к проблеме генерации ГГМП заключается впостроении кинематических моделей динамо, при этом скорость жидкости считаетсязаданной, а определяется только B согласно (2.5).
Первые модели динамо появились в1958 году [6]. Были построены модели однородного динамо [Яновский, 1978],турбулентного динамо [Яновский, 1978] и т.д. Суть проблемы заключается в том, чтобынайти схему преобразования и усиления изначально очень слабого магнитного поля доуровня наблюдаемого на поверхности Земли современного полоидального поля. Для этогов теориях кинематического динамо используются «ω-эффект» и «α-эффект».
В результатеω-эффекта изначально из очень слабого полоидального поля за счёт вращения слоёв 201 жидкого ядра относительно мантии Земли генерируется достаточно сильное (100-300 Гс вядре Земли) тороидальное поле. Затем в результате α-эффекта из тороидального полягенерируется полоидальное (30-40 Гс в ядре Земли, 0.5 Гс на поверхности Земли).Генерация полоидального поля из тороидального происходит в результате конвекции вядре.
Динамика ядра определяется силами Лоренца и Кориолиса. Модели динамо, вкоторых используются эти эффекты, называются «αω-динамо» [Яновский, 1978]. Впринципе тороидальное поле может образовываться из полоидального по α-механизму.Такие динамо называются «α2-динамо» [Яновский, 1978].Существующие в настоящее время модели гидромагнитного динамо являютсякинематическими. Совершенно неизвестными остаются динамика и энергетика ядра.Поэтому в настоящее время не имеется достаточно удовлетворительной, соответствующейнаблюдаемым особенностям ГМП, теории происхождения магнитного поля Земли.Более естественным и правдоподобным механизмом генерации ГМП был бымеханизм, обусловленный тороидальными токами, текущими в ядре Земли.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
