В.С. Захаров, В.Б. Смирнов - Физика Земли (1119252), страница 40
Текст из файла (страница 40)
Само по себе движение проволяцгей жилкости не приводит к появлению магнитного поля. Чтобы в движущейся проволяшей жидкости возник ток. необходимо внешнее магнитное поле. Тогда при определенных конфигурациях движений и соогношенинх скорости и потерь, выделяющихся в внле тепла (омические г!озари), возможно гамоводдержяыающее динамо, Характерным временем этого процесса является время магнитной диффузии — время распада токовой системы за счет дигрфузни: г, = ! 3 000 лет. Поэтому проблема динамо заключается в том, чтобы найти такие лвижения в жилком ялре Земли, которые непрерывно поддерживали бы магнитное поле.
В качестве слабого начального магнитного поля, необхолимою лля начала генерации, может быть межпланетное магнитное поле Солнца, величина которого на расстоянии !вымой орбиты Рис.7.18, Деформации линий магнитного полл в модели геодннвмо 1по сечу 1976, 1979; нэ Еотч!ег, 2005. Р 377) 1!50 млн км) равно примерно 6 нТл 16 7), Вращение электропроволной жидкости внешнего ядра приводит к вытягиванию линий первоначального поля, оно деформируется в тороидальное поле 1рис. 7.)в, а). Это поле не выхолит за пределы ядра. Если бы Земля не вращалась достаточно быстро вокруг своей оси.
магнитное поле не возникло бы в силу симметрии движений. быстрое вращение Земли вокруг своей оси приводит к возникновению Кориолиговойсилы: Г -2гл ))'й), Эта сила весьма важна для динамики атмосферы и океана, олнако в ~еологи ческих процессах она обычно не играет существенной роли, поскольку скорости перемешений обычно малы. Единственный пример проявления Кориолисовой силы в геологии — так называемый задол Бэрд: правый берег рек, текущих в северном направлении по мерилиану, подмывается больше, чем левый, и поэтому он оказывается круче. В ядре действие сил Кориолиса на жидкость, в которой происхолит интенсивная конвекция, приводит к возникновению спирального движения 1рис. 7.1))„б), имеющего противоположное направление закручивания в северном и южном полушариях (по аналогии с атмосферными вихрями), В результате глороидалгьлое лоле деформируется этими вихрями в замкнутые петли. Эти петли стремятся повернуться в меридиональном направлении, что в конечном итоге приводит к возникновению дипольного поля (рис.
7.13, л). Скорость вращения Земли в далеком прошлом можно оценить по головым наростам кораллов или по ритмичности осадков прибрежной зоны, подверженной влиянию морских приливов. Анализ ритмичности приливных осадочных тслш на побережье южной Австралии позволил установить, что скорость вращения Земли за ло- следвий мгаыиард лет существенна не менялась (1Ч)((апзк ! 990, 2000) и составляет примерно ! 0' ~ )/с. Следовательно, имеется достаточно оснований утверждать, что механизм генерации магнитного поля сохраняется на протяжении всей истории Земли. Можно утвержлать, что конвективные лвижения в ядре обусловлены необходимостью передачи тепла из центральных областей наружу; а магнитное поле есть побочный продукт этого процесса, вызванный тем, что жидкость является электропроводной.
7.4.3, ааодель самоподдерживающегося динамо Чтобы понять суть проблемы, рассмотрим молель дискового динамо, предложенную Буссе (рис. 7. )9). При вращении металлического (проводя!пего) диска с некоторой угловой скоростью, даже при слабом начальном магнитном иоле В, в витке проводника возникнет ток и вызванное током магнитное поле, направление которого параллельно начальному полю, Магнитное поле начнет расти (по экспоненциальному закону), если скорость вращения диска превысит величину й, = 2кд/Х.
где Ю вЂ” суммарное омическое сопротивление„А — взаимная индуктивность никака и диска. Такой простой механизм, конечно, не существует в Земле, но позволяет понять принцип работы самовозбуждающегося динамо. Гипотеза однодискового магнитного динамо, однако, не обьясняет смену знака полярности (инверсий) магнитного поля Земли, которая, как мы увидим ниже, играет важную роль в палеомагнито- Рнс.
7,19. Схема самовозбуждающегосв динамо —.-мгоцяхв)+ — 1? В, дВ 1 1)г ра (7,14) где 1/))о — магг1нтная вязкость, которая может рассматриваться как аналог кинематической вязкости у;  — индукция ма~нитного поля; е — скорость; О 6 Рмс.7.2О. Деухднсковое динамо: а — схеме; 6 — изменение силы тока е системе дкухднскоеолз динамо (ло Рнкнте«н, 19$В; нз Токсове, 2003.
Р 281, 284) логии. Для объяснения возникновения инверсий японский геофизик Т. Рякятака П 963) предположил, что каждую конвектнвную ячейку или вихрь в жидком внешнем ядре можно считать как бы одним диском динамо. Простейшим примером является модель деухдискоеого с)ияазта (рис. 7,20, а). В этой модели ток ?п генерируемый в диске 1, создает магнитное поле В,, пронизывающее диск 2: это генерирует ток ?, от которого, в свою очередь, усиливается магнитное поле В, около лиска 1.
Сила тока (рис, 7.20, б) колеблется сначала около некоторого стационарного состояния, а затем, увеличивая амплитуду колебаний, внезапно совершает резкий перескок с изменением направления и начинает испытывать колебания уже вокруг друптго стационарного состояния. Магнитная индукция ведет себя аналогично. Таким образом„в молели двухдискового динамо получена возможность сазюпроязваеьяах инверсий магнитного поля. В реальном магнитном поле Земли время, в течение которого происходит изменение знака полярности. может быть как коротким, вплоть до тысячи лет, так и составлять миллионы лет, Математическая проблема геомагнитного динамо заключается в решении системы уравнений, в которую вхолят: ! ) уравнения Максвелла 2) уравнения Навье — Стокса течений вязкой проводящей жидкости: дп 1 1 — +о во= — 17р+у)7 о+й-2)ь2хп)+ — )гогВхВ), (7,15) дг рп где р — плотность; р — давление.
Предпоследний член в уравнении — сила Кориолиса, послелний — сила Лоренца; 3) уравнение переноса тепла лвижущейся жидкостью рс — + ! т)Г) = тг!) т)7') ЭТ дг (7.16) !или уравнения термохимической конвекции). Блятядлтаяе)т и )за6ертяс (1995) решили численными методами зту трехмерную магнитогидродинамическую звлачу в наиболее общем анде. Учитывалось и наличие твердого металлического внутреннего ялра, в котором магнитное поле инлуцирует токи.
Картина течений в жидком ялре, обусловленных тепловой конвекцией, рассчитанная Глатцмайером и Робертсом„прелставлена на рнс. 7.21, а. Силовые линии магнитного поля показаны на рис. 7.21, б: темно-серым и светло-серым изображены силовые линии поля в северном и южном полушариях соответственно. Хорошо видны силовые линии тороидального поля, не выходящие за пределы внешнего ядра, и полоидальное поле, которое мы наблюлаем на поверхности Земли и которое является дипольным.
Глатцмайер и Робертс моделировавн работу геомагнитного линамо на интервале 40 000 лет. Им удалось наблюдать самопроизвольную инверсию магнитного паля на поверхности Земли (рис. 7.22). Во время инверсии изменяются как тороидальное, так и полондальное поля. Рис. 2.21. Численное моделирование геомвгнитного динамо по модели Глвтцмвйерв и Робертса: а — изопинии радиального компонента скорости течений в ядре, сплошные линиив направленные вверх, штриховые — вниз; б — силовые линии магнитного поля, ТЕМНОСЕРЫŠ— СЕВЕРНЫЕ, СВЕтЛОСЕрЫŠ— ЮЖНЫЕ (Ст1ВПГПа!ЕГ, аОЬЕП я 199К Р 70; ПО Глацмвйер, Олсон, 2005.С.
29) об 7.$.1, Остаточная намагниченность Намагниченность | породы состоит из двух основных компонент где 1ьм — индуктивная намагниченность, всегда направленная по современному полю, 1, — естественная остаточная намагниченность. Естественная остаточная намагниченность l~е как правило, возникает во время образования породы, и ее возраст практически одинаков с возрастом породы. Отсюда делается вывод, что направление 1„,, отражает направление древнего магнитного поля, которое сушествовало в то время, когда порода образовалась.
Выделяют слелуюшие основные типы остаточной намагниченности. — Термоостаточная г АМ (ТЬегта! Кетапеп! Майпебаа(гоп, ТКМ). Приобретается при остывании ниже температуры Кюри (около 580 ьС вЂ” для магнетита). — Седиментационная остаточна» (зйМ (Оеггйа! Кетапеп! Майпебзайоп, ОКМ). Приобретается при механическом закреплении ориентации магнитных зерен при осадконакоплении.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
