Brown & Mussett The Inaccessible Earth 06 Chapter (1119259), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Изменения поля, происходящие на всей поверхности Землв, явшпотся результатом изменений ориентировки и силы как дипольпой, так и недипольной составляющих магнитного ноля. Отмечаются два вида наложенных друг па друга отклонений от полк простого осевого диполп 1) Дипольное поле ориентировано не по осп вращения, а наклонено на небольшой (обычно с 12'), но меняющийся угол. Когда этот угол меняется, магнитные полюсы как бы «рвскачвваютсяв относительно географических полюсов, хотя в среднем поле остается осевым п двпольным. Такое «качаниев диполя-глав- Схавав«вв а' Рис.
б.З. Изменения ориенти- аь ровки вектора магнитного поля Земли по иаблюденияы, выполненным на различных обсерваториях в течение нескольких последних столетий. Склонение— зто горизовтальный угол между направлениями на магнитный и географический север, а наклонение-угол между направлениеммагннтнойстрелки,способной колебаться в вертикальной плоскости, и горизонтальной плоскостью (см. рис. б.2). (По работе (108), перепечатано с разрешения Ди. Днейкобса и компании Асаньею(с Ргезз, 1пс.) 114 б.
ЭВМНОБ ЛДВО Песе«тече« -гс гс за ная прнчвна вековых вариаций, наблюдавшихся в течение нескольких последних столетий и показанных на рис. 6.3. 2) В отдельных местах дипольное поле усиливается или ослабляется в результате прнсутствюг неднпольной составляющей. Чтобы продлить наблюденив магнитного пола в глубь геологического времени, проводится изучение наяеомагнетиэма («ископаемой» намагниченности) древних горных пород.
Применение этого метода возможно потому, что многие породы приобретают некоторую постоянную намагниченность в том поле, которое существует во время их образования. Например, богатые железом минералы базальтовой лавы, проходя при ' остыванив через свою температуру Кюри, должны намагничиваться. Это означает, что породы могут сохранить до нынешнего дня свидетельства о характере древнего намагничивающего поля. Указанное свойспю горных пород используют путем отбора образцов ориентированного керна из скважнн, пробуренных на том нли ином обнажении, и после- ' дующих магнитных измерений в лаборатории, выполняемых с целью опрелеления палеополюсов. (Использование палеомагнитного метода для установления прежнего рясположения матервков обсуждается в гл. 10.) В результате применения этого метода прв ' изучении разреза лав, накопившихся за миллионы лет, было обнаружено, что в прошлом магнитное поле много раз полностью меняло направление, т.е.
испытывало инверсии. Например, северные палеополюсы становились южными и наоборот. Пялеомагнитные' данные об инверсиях для последних 80 млн, лет показаны на рис. 6.4. Если говорить о еще более раннем времеви, то представляется, что инверсии происходили на значи-, тельных отрезках геологической истории (более подробно см. в работе Мак-Элхинни ~1451).
Кроме того, заметно меняется и напряженность поля, особенно в периоды инвер-, сий, когда эта напряженность минимальна (631. ! ' Вечен / / l / / / / Пеяеаче« / / / / / / ! нея / Рко 6,4. Хрояологячссквя шкала кзмекешш полярности дипольяой составляющей мвгннтвого поля Земли в течение последках 80 мли.лет. Черные витервалм соответствуют «кормелькому» нвпрзвлшшю поля (ямаощему тот же знак, что н современное полей а белые матеря!» лм -пропшоположному вапрввленшо. Предполагается, по процесс обрвщешт поля зеви. мает до 1О» лет, но после кендой каяерсвн мвпщтвое пояс сохрвкяет свою полетность прямеряо 1О'-10« лет.
(По работе (102Ь С рязрешепяя /чмерккяиского геофизического сою) б. ЗНМНОН ЯДРО 115 Ясно, что магнитное поле Земли-зто очень изменчивая и динамичная система во всех масштабах времени, система, которая существовала на протяжении большей часты истории Земли и не связана с постоянной намагниченностью вещества в ядре.
Как же тогда генерируется в ядре зто магнитное полеу 6.22.Г«омагиитиов дииамо. Измеыения ориентировки и напряженности магнитного поля Земли заставляют предположить, что источник этого поля находится в жидком подвижном внешнем ядре. Почта все вещество твердой мантии и внутреннего ядра имеет температуру выше своей точки Кюри, поэтому оно не обладает, очевидно, постоянной намагниченностью. Движения внутри этого вещества также недостаточно интенсивны, чтобы стать причиной наблюдаемых вековых вариаций. В качестве единствешюго вероятного возбудителя магнитного пола остаются только электрические токи во внешнем ядре.
Идея состоит в том, что там существуют токовые петли, грубо напоминающие витки провода в соленоиде (электрической катушке), которые и генерируют различные составляющие геомагнитного поля; развитие этой идеи привело к появлению почти общепринятой теперь модели «геомагнитыого динамо» (специальный обзор см. в работе 1371). На рис, 6.5 показана схема действия простого динамо с вращающимся диском. На рыс. 6.5,а проводюций диск вращается в мапштном поле; пры этом между осью и диском образуется некоторая э.д.с„но ток не возникает. На рнс. 6.5, б добавлен внешний проводник, по которому ток идет от осн к периметру диска Зтот ток создает вторичное магнитное поле; чтобы происходило вращение, требуется внешнее магнитное поле и какомто источник энергии.
На рис. 6.5,в внешнее, или возбужлающее, магнитное поле снято, а ток проводится через виток спирали, обходящей ось диска, так что для возбуждения динамо используется создаваемое им же вторичное магнитное поле. Теперь это-самовозбулгдаюи1ввся динамо, генерирующее поле до тех пор, пока не прекращается его вращение. Такая схема дает очень хорошее представление о генерации магнитного поля Земли круговыми токами в ядре: если система динамо получает «подпитку» слабым первичным магнитным полем (возможно, полем Солнца), требуется только, чтобы сохранялся некоторый источник энергии.
Если ток (только ток, а не само вращеыие) меняет направление, изменяется и направление поля. Процесс самаабраи1виия геомагиитыого поли, конечно, на деле гораздо более сложен, но он успешно моделируется с помощью пары динамо, генерирующих друг для друга возбуждающее поле (обсужденые этой модели см. в работе 11083). В жидком внешнем ядре существует, вероятно, почти бесконечное число взаимодействующвх и взаимосвязанньзх токовых петель разных размеров и форм, которые появляются, растут, угасают и менязот знак во всех масштабах времени. Возмов:но, расположение этих петель в той или иной мере контролируется вращением Земли, что н объясняет близость ориентировки магнитного поля к направленню осн вращения нашей планеты.
Сделаны оденки полной мощности источника энергии, необходимой для генерации геомагнитного поля, Зтн оценки колеблются от 1Оэ до 10" Вт в зависимости от коэффициента превращениа тепловой или механической энергии в магннтную (см. работу [139] н приложение 8). По сравыению с мощностью, высвобождающейся при землетрясениях (около 10'г Вт), н с тепловым потоком через поверхность Земли (3+ 4 10'з Вт) энергия, идущая на создание магнитного поля, относительно невелика. Однако существует проблема того, откуда берется необходимая энергия в механической форме на таках больших глубинах. 6.23.Истяочиики »мяла и энергии в ядре.
Прелсце всего рассмотрим»миговую коиввкЯюо, возникающую либо вследствие радиоактивного распада, либо в связи с выделением 116 6. ЗЕМНОЕ ЯДРО (а1 Рис. 6.5. Иллюстрация к моделя динамо, генерирующего магнитное поле Земли. а-диск врашается в магнитном поле, при этом образуется разность потенциалов, но ток не идет; 6-подключеняе внешнего проводника приводит к воз- никновению тока; а-появившийся ток питает магнитное воле н заставляет динамо самовозбуидаться. Дальнейшие подробности см. в тексте.
(По Булларду [32) и из работы Гесса и др [Щ) скрытой теплоты при затвердении и росте внутреннего ядра, Эта форма энергии, по всей виднмостзь достаточна для поддержаыия температурного градиента ые ниже адиабатического, так что тепловая конвекция может иметь место. Единственный долгоживущий радиоактивный иаотоп, который способен дать требуемую энергию и может существовать в ядре;зто еаК. Все щелочные металлы (К, йЬ, Св и др.) образуют при низких давлениях крупные атомы, н поэтому они, казалось бы,,' должны проявлять литофильные тенденции и концентрироваться в коре (равд.
5.3), но, и теоретические термодинамические представления .[134, 943, и экспериментальные; данные [301 указывают на то, что единственный внешний в-электрон может переходить ' при высоких давлениях в более низкую г(-оболочку, придавая этим элементам халько-, фнльные свойства. Это означает, что они могут содержаться в главной сульфидной зоне Земли, т.ц во внешнем ядре. (По случайному совпадению, эта идея получает подтвержде-'' ние в том, что в метеоритах обнаружен минерал джерфишерит-сульфид калия.)' Допустив, что калай относится к литофильной группе элементов Земли, мы пришли' в равд.
5.4.1 к заключению, что в состав Земли входит втрое меньше щелочных металлов, чем в состав хондритов. Если бы весь енедостающий» еоК (период полураспада 1300' млн. лет) был сосредоточен во внешнем ядре, то там выделялось бы около 10'з Вт тепла, т.е. как будто бм вполне достаточно, чтобы привести геомагыитное двнамо в деиствие., Однако Рингвуд [1871 и другие исследователи настаивают на том, что Земля потеряла.' калий (по сравнению с хондрнтами) н что в ядре могут быть только его следы.
Чтобы выделилось 10" Вт тепла, во внешнем ядре должно содержаться 5 млн ' калия, что спт, ставляет 1,5;; калиевого бюджета хондритовой Земли. Однако это тепло надо еще с почтя 100;/-ным к.пд. превратить в механическую энергню, необходимую для поддержання ', магнитного поля. Как будет показано ниже, зто едва ли сколько-нибудь похоже ыа:. правду! Альтернативный источнюг тепловой энергии в ядре [232, 2333-скрытая теплота, высч вобождающаяся при последовательном росте твердого внутреннего ядра.
Высказывалисд» предположения, что внешнее ядро постепеныо кристаллизуется при понижении темпераь; туры путем увеличения количества железо-никелевого сплава, в результате чего растет внутреннее ядро. В ходе этого процесса часть тепла, которое уже имеется в недрах Земли и успело расплавить внешнее ядро, сохраыяется в язцзе в течение всей истории Земзяй.,' а земнОе ядРО 117 Ферхуген [232, 233] подсчитал, что при скорости остывания 12'С за миллиард лет ыепрерывное выделение тепла составляет 10'э Вт, т.е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
