В.Н. Жарков - Внутреннее строение Земли и планет (1119250), страница 24
Текст из файла (страница 24)
Другой вариант гравитационной дифференциации предложен Брагинским. Брагинский считает, что в настоящее время все еще продолжаетсярост внутреннего ядра Земли, которое, в отличие от внешнего жидкого ядра, является твердым. При кристаллизации из железа выделяются легкие примесныекомпоненты, например кремний. Всплывание кремния как раз и приводит в действие ГД.
Высказывались также предположения, что некоторые геофизическиеявления, такие как приливы и прецессия земной осп, могут быть источникамиконвекции в ядре, однако эти гипотезы, по-видимому, менее правдоподобны.Важным нерешенным вопросом является содержание калия в земном ядре,радиоактивность которого в принципе могла бы обеспечить работу ГД Земли1 .ГД Земли представляет собой сложную автоколебательную систему, которую можно характеризовать определенным спектром колебаний. Исследованиягеомагнитных вариаций также обнаруживают, что так называемое «постоянное поле» изменяется довольно сложным образом и грубо схематически можетособенностью моделей со слабым полем (Bλ ∼ B p ) является сравнительно низкоезначение джоулевых потерь (∼ 1016 –1017 эрг/с), что не ставит столь серьезных проблем передисточником энергии, приводящим в движение ГД, как это имеет место в моделях с сильнымполем.1 Важной10310МГ крутильныеколебанияТурбулентностьОсновноеколебаниеМАК-волны?102103Периоды104 летРис.
24. Спектр магнитогидродинамических колебаний в земном ядребыть охарактеризовано некоторым спектром (рис. 24). И эксперимент, и теория указывают, что в спектре этих колебаний содержатся частоты трех заметноразличающихся величин:1) основная частота, соответствующая периоду около 7.5 ⋅ 103 лет;2) ряд колебаний «средних частот», соответствующих периодам ∼ 103 лет (период западного дрейфа);3) колебания высоких частот с периодами ∼ 102 лет и менее.
Кроме линейчатогоспектра, колебания ГД содержат также случайную компоненту типа шума —сплошной спектр. Сравнение экспериментального спектра с теоретическимпозволяет определить некоторые параметры земного ядра.Весьма удивительно то, что даже среднее геомагнитное поле (осевой диполь)не является стационарным, а колеблется с периодом ∼ 7.5 ⋅ 103 лет (основнаячастота в спектре), хотя все внешние условия на границе ядра сохраняютсяпостоянными в течение по крайней мере сотен тысяч лет из-за крайне большой тепловой инерции земных недр. Колебания поля происходят около некоторого среднего значения, не равного нулю, и обусловлены наиболее крупномасштабной конвекцией в ядре.Средние периоды колебаний геомагнитного поля, но палеомагнитным и археомагнитным данным, имеют значения ∼ 103 лет, и, в частности, выявлены периоды, равные 550, 700, 1200, 1800 и 7000 лет.Периодами ∼ 103 лет обладают МАК-волны.Высокие частоты в спектре геомагнитного ноля имеют периоды ∼ 102 лет икороче.
Обнаружено, что эти колебания коррелированы с вариациями в скоростивращения Земли. Колебания скорости дрейфа магнитного диполя и колебаниядлины суток происходят весьма согласованно с общим периодом ∼ 60 лет. Этиявления имеют общую причину — магнитогидродинамические колебания крутильного типа в земном ядре.1044.3.Электропроводность ЗемлиЭлектропроводность земных недр определяется по затуханию геомагнитных вариаций, которые возбуждаются солнечной активностью в верхних слояхземной атмосферы. Переменный электромагнитный сигнал индуцирует в Земле переменные электрические токи.
При распространении переменного токав проводнике ток течет в приповерхностных слоях, причем чем выше частота, тем сильнее ток «прижимается» к поверхности. Это явление называетсяскин-эффектом. Из теории скин-эффекта можно вывести, что глубина проникновения электромагнитных вариаций δ связана со средней электропроводностьюслоя σ̄ , круговой частотой ω и скоростью света в среде c размерным соотношением δ ≈ c(2π σ̄ ω )−1/2 .
Электромагнитное зондирование Земли и определение ее электропроводности σ (l) как функции глубины l основано на теориискин-эффекта. При скин-эффекте чем меньше частота сигнала, тем более глубокие слои могут быть прозондированы. На практике определение σ (l) встречает заметные трудности из-за маскирующего влияния океанов и слоев почвы,содержащих влагу и обладающих проводимостью, заметно превышающей проводимость скальных горных пород, из которых состоит земная кора. Трудности создают горизонтальные неоднородности земной коры и верхней мантии.Тем не менее геофизические методы позволили определить распределение σ (l)до глубины 1000 км, причем это потребовало выделения вариаций с периодом в полгода.
Распределение электропроводности в нижней мантии удалосьоценить с помощью методов физики твердого тела и физики высоких давлений. Некоторые сведения об электропроводности нижней мантии получаютсяпри анализе прохождения недипольной части геомагнитного поля из ядра черезмантию на поверхность Земли.
Наши знания об электропроводности мантиихарактеризуются заметной неопределенностью. В схематизированном виде онисуммированы на рис. 25. Физическая интерпретация данных о распределенииэлектропроводности в мантии исходит из следующих фактов.Согласно экспериментальным данным, при умеренных температурах T <1000–1200∘ C проводимость горных пород примесная полупроводниковая, причем носителями могут быть как электроны, так и их антиподы в полупроводниках — положительные дырки. С T ≈ 1000–1200∘ C начинает преобладать собственная ионная проводимость, которая при более высоких температурах становится доминирующей.Так как с ростом глубины растет и температура, а рост температуры в изоляторах и полупроводниках приводит к быстрому росту электропроводности,то это объясняет резкое нарастание электропроводности с глубиной в наружных слоях Земли (на рис.
25 показано прерывистой линией). По мере по105Мантия10σ, Ом−1⋅см−1110−1Ядро10−210−310−410−5400800 1200 1500 2000 2400 2900Глубина, кмРис. 25. Электропроводность мантии как функция глубиныгружения на большие глубины мы вступаем в область «проводящего слоя»,где основную роль уже играет собственная ионная проводимость со значением ∼ 10−4 Ом−1 ⋅ см−1 . Температура на глубине залегания «проводящего слоя»может рассматриваться как реперная температурная точка (T ≈ 1100–1200∘ С).Проводимость продолжает нарастать по мере приближения температуры земныхнедр к температуре плавления мантийного вещества. С погружением в глубьЗемли давление заметно нарастает, что в свою очередь приводит к росту температуры плавления мантийных пород с глубиной.
Заметим, что при этом температура плавления растет быстрее, чем реальные температуры земных недр.По мере продвижения вглубь и отклонения температуры земных недр от температуры плавления Tn (l) начинает уменьшаться и проводимость. Это обусловленотем, что собственная ионная проводимость тем больше, чем ближе температурак температуре плавления, и если температура начинает отклоняться от температуры плавления, то проводимость уменьшается. Это объясняет зону пониженнойэлектропроводности на глубинах ∼ 150–420 км.Уменьшение электропроводности продолжается до границы с переходнымслоем Голицына (слой C) на глубинах ∼ 400 км и, вероятно, захватывает верхние части этого слоя.
В переходном слое проводимость снова резко возрастаетв связи с переходом к собственной полупроводниковой электронной проводимости. Физически это обусловлено рядом фазовых переходов с ростом глубины в слое C. Показанное на рис. 25 распределение проводимости в зонефазовых переходов носит условный характер. Оно схематизировано скачкообразным ростом коэффициента электропроводности на глубинах фазовых переходов (l ∼ 420 км и l ∼ 670 км). Вещество нижней мантии является электронным106полупроводником. На проводимость полупроводника влияет как давление, таки температура.Исследование показывает, что в условиях нижней мантии (слой D) электропроводность возрастает как из-за роста температуры, так и из-за роста давления. По современным представлениям (см.
§8.4), на обеих границах нижнеймантии должны формироваться тепловые погранслои — зоны аномально больших градиентов температуры, разделенные обширной зоной адиабатическогораспределения температур (см. рис. 26, кривая 3). В связи с этим на границах нижней мантии возрастание электропроводности происходит заметно быстрее, чем на протяжении основной ее части с адиабатическим распределениемтемператур. В целом на протяжении нижней мантии происходит возрастаниеэлектропроводности примерно в тысячу раз.Земное ядро состоит из расплавленного металла. По оценкам проводимостьядра равна ∼ 3 ⋅ 103 Ом−1 ⋅ см−1 .Глава 5ГЕОТЕРМИКА. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ.ТЕПЛОВОЙ ПОТОК ИЗ НЕДР ЗЕМЛИ«Представляется несомненным, что наблюдаемыйтепловой режим нашей планеты можетсуществовать лишь в том случае, когдаколичество урана и тория быстро падаетуже на небольшом расстоянии от земнойповерхности».В.И.
Вернадский,«Очерки геохимии».Геотермика изучает тепловое состояние Земли и распределение температурыв ее недрах. Вопрос о распределении температуры тесно связан с распределением источников тепла в глубинах Земли. Оба этих вопроса имеют фундаментальное значение для любых гипотез о строении и эволюции Земли. Температура Tвместе с давлением p являются важнейшими параметрами земных недр, так какзадание p и T определяет состояние вещества.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
