В.А. Магницкий - Общая геофизика (1119278), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Аналогичные, но меньшие по размерамхребты есть в Индийском и Тихом океанах (2-4 на рис. 4.15). Эпицентры землетрясений располагаются вдоль хребтов.Для объяснения такой структуры океанского дна была выдвинутагипотеза о том, что дно образуется и разрастается в результатевнедрения изверженных пород в центральной части (рифтовые долины) океанских хребтов. Эти породы оттесняются в стороны, когдановая магма изливается в том же самом месте.За 200-300 млн лет все раздвигающееся океанское дно обновляется, а прежние породы погружаются в мантию в так называемых зонахсубдукции.На основе этой модели Вайн и Метьюз объяснили происхождение линейных магнитных аномалий.
После того как расплавы, поднимающиеся из мантии, затвердевают, они приобретают термоостаточную 1п, соответствующую направлению поля в это время. Новыепорции магмы, появляющиеся в том же месте, при охлаждении могут намагнититься уже в поле противоположного знака в результате происходящих с течением времени инверсий. Поэтому чередование положительных и отрицательных аномалий — это результатчередования прямо- и обратнонамагниченных участков океанскойкоры. Таким образом, картина линейных магнитных аномалий является естественным следствием расширения (спрединга) океанскогодна и инверсий геомагнитного поля. Линейные магнитные аномалииокеана являются, по существу, палеомагнитными аномалиями, непосредственно связанными с магнитохронологией инверсий геомагнитного поля. Такая связь позволяет оценить время, протекшее между образованием любых двух аномалий.
А зная их положение наокеанском дне, можно рассчитать скорость спрединга дна в данномрегионе океана.П РО И С Х О Ж Д Е Н И Е ГЛАВНОГО П ОЛЯДля того чтобы выдвинуть разумные гипотезы о происхожденииглавного геомагнитного поля, необходимо достаточно хорошо знать,во-первых, основные свойства поля и, во-вторых, внутреннее строение Земли. Любая современная теория генерации главного поля недолжна противоречить данным о его свойствах, основные из которых,как было показано выше, следующие.1.
В первом приближении главное поле является полем центрального, наклоненного к оси вращения Земли магнитного диполя.2. Напряженность поля изменяется в среднем от 35 • 103 нТлна экваторе до 65 • 103 нТл на полюсах.3. Магнитный момент земного диполя равен 8 • 1022 А • м2.4. Главному полю присущи вековые вариации, имеющие дискретный спектр с определенным набором периодов колебаний.5. Имеет место западный дрейф недипольной части главногополя.6.
Главное поле время от времени изменяет свою полярность —происходят инверсии геомагнитного поля с характерными временами 105-И 06 лет.Разумеется, ученые-геомагнитологи не откладывали вопрос о происхождении поля на то время, когда выяснятся все его свойства.Можно с уверенностью сказать, что и сейчас далеко не все свойствагеомагнитного поля нам известны. Поэтому, начиная с Гильберта(1600), выдвигались самые разнообразные, в том числе и совершенно фантастические, гипотезы о происхождении геомагнитного поля,о которых можно прочитать в соответствующих книгах по геомагнетизму.Если говорить о современных теориях геомагнитного поля, тоследует начать с теории динамоэффекта Френкеля (1947), которыйвпервые выдвинул разумную идею регенерации поля за счет вихревых движений в жидком электропроводящем ядре. В дальнейшем основополагающие работы по теории земного диполя выполнили Эльзассер и Буллард.
Основой современных теорий являются уравнения Максвелла и гидродинамические уравнения движения жидкости (Навье-Стокса) и неразрывности. Рассмотрим уравнение Максвелла:rot В = fJL • j,rot Е = - дВ/диdiv В = 0,(4 43)j = ст (Е + [v B ]),где /г — магнитная проницаемость (она может быть равной ^0) , а —электропроводность, j — плотность тока, Е — электрическая напряженность, v — скорость движения проводящей жидкости.Применим операцию rot к первому уравнению системы (4.43), приэтом учтем, что j = о+ [vB] ^ и rot Е = — dB /dt:rot rot В = /но (^-ЭВ/d t + rot [vB] ^ .Из этого уравнения с учетом того, что rot rot В = grad div В —V В == —V2B, получим уравнение для магнитного поляdB /dt = rot [vB] + (цо) ~ l V2B,где (//a)(4.44)1 —v m — магнитная вязкость, которая может рассматриваться как аналог кинематической вязкости v.В (4.44) помимо В есть еще неизвестное v, для определениякоторого следует использовать гидродинамические уравнения.
Уравнение движения запишем в форме Навье-Стокса:^7 = - ^ Srad Р + v b 2* + g “ 2 [a>v] + ^ [jB ].(4.45)В гидродинамике оператор d /d t = д /dt + (v grad ). Выражая в (4.45) jсогласно первому уравнению (4.43), получимot+ v grad v = ——grad р + vV2v + g p—2[o j v ] + ■—[rot Б x Б ] .(4 46)Уравнение (4.46) — уравнение движения единицы объема жидкости, р — ее плотность, р — давление за вычетом гидростатического,v — кинематическая вязкость, член 2 [ct>v] — сила Кориолиса, гдесо — угловая скорость вращения Земли. Последний член правой частипредставляет силу Лоренца.
Для полного замыкания системы уравнений магнитной гидродинамики к (4.44) и (4.46) следует еще добавить уравнение неразрывностиdp/dt + div (р\) = 0,(4.47)которое для несжимаемой жидкости (р = const) будет иметь видdiv v = 0.(4.48)В принципе, уравнения магнитной гидродинамики дают возможность в случае их строгого решения определить, существует ли самовозбуждающееся динамо в ядре Земли. Однако даже если были бы точно известны все члены уравнений, решение их было быкрайне затруднительно.
А если учесть, что в применении к ядру Земли значения многих параметров уравнений либо известныприблизительно, либо вообще неизвестны, то задача гидромагнитного динамо Земли в такой общей постановке в настоящее время неразрешима.94Простейший начальный подход к проблеме генерации главногополя заключается в построении кинематических моделей земногодинамо.
При этом скорость жидкости считается заданной, а определяется только магнитное поле согласно (4.44). Выбор скорости частично определяется данными наблюдений, частично — соображениями симметрии и самой формой уравнений генерации. Например,наличие западного дрейфа указывает на существование азимутальной скорости и дает порядок ее величины. Уже первые кинематические модели показали, что кроме меридионального (полоидального) поля, которое проникает наружу и наблюдается на поверхности Земли, в земном ядре имеется также гораздо большее азимутальное (тороидальное) поле с замкнутыми силовыми линиями, котороене выходит из ядра наружу.
Относительная скорость ядра и мантиивозникает за счет значительного магнитного взаимодействия мантиис ядром.С.И. Брагинский рассмотрел кинематические модели с помощьюуравнений генерации и показал, что можно подобрать правдоподобные скорости в ядре, которые приводят к генерации магнитного поля,близкого к реально наблюдающемуся. Из теории вытекает, что наличие несимметричных скоростей, необходимых для генерации поля,вызывает появление соответствующих несимметричных компонентмагнитного поля В.Отсюда следует, что наблюдающиеся поперечные составляющиемагнитного диполя — наклон магнитной оси, а также более высокие гармоники, например квадрупольные, дающие эксцентриситетдиполя,— не являются случайными, а непосредственно связаны с самим механизмом генерации.
Наличие этих составляющих, согласноС.И. Брагинскому, связано с несимметричными движениями в ядре,приводящими к невыполнению условий запрещающей генерациютеоремы Каулинга, что и необходимо для работы динамо.Согласно теории С.И. Брагинского, возникающая в результатедействия гидромагнитного динамо генерация главного поля не является стационарной, а испытывает ряд колебаний, которые можносопоставить с вековыми вариациями геомагнитного поля.Основное колебание поля с Т ~ 8000 лет, представляющее изменение дипольной части поля в 1,5-2,0 раза, связано, согласно теории,со временем взаимодействия между тороидальными и полоидальными полями в объеме ядра Земли в процессе крупномасштабной конвекции вещества ядра.
Колебания с Т ^ 600-1800 лет, обусловливающие движение и распад крупных неоднородностей геомагнитногополя, объясняются неустойчивостью осесимметричного радиальногопотока вещества в низких широтах, при которой взаимодействиемагнитных, архимедовых и кориолисовых сил приводит к возникновению своеобразных МАК-волн, движущихся в широтном направлении.60-летние вариации, по С.И. Брагинскому, объясняются крутильными колебаниями в системе ядро — мантия, возникающими придвижении альвеновскои волны в жидком ядре Земли. Вариации сТ ^ 4-40 лет внутриземного происхождения связаны с мелкомасштабными турбулентностями в верхних частях ядра, осуществляющими более эффективное “перемешивание”, чем механизм молекулярного переноса.Существуют и другие подходы к теории происхождения геомагнитного поля.
Теория гидромагнитного динамо является только наиболее распространенной среди геофизиков. Однако и в этой теории разработаны лишь кинематические аспекты, практически неразработанными остаются проблемы динамики и энергетики земного динамо.ГЛАВА 5ЛИТОСФЕРА ЗЕМ Л И И Е Е ЭВОЛЮ ЦИЯЛ И ТО С Ф Е Р А И АС Т Е Н О С Ф Е Р АДостаточно детально сейсмическими и другими геофизическимиметодами изучена верхняя мантия Земли.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
