Инверсии геомагнитного поля

В. В. Орлёнок, доктор геолого-минералогических наук

Объяснение инверсий геомагнитного поля самопроизвольным обращением практически не оставляет места для экспериментальной проверки такого механизма. Поэтому дальнейшее развитие гипотезы сильно затянулось.

Заманчиво в рамках гипотезы гидромагнитного динамо попытаться найти другой механизм, объясняющий перемену знака поля, который согласовывался бы с данными палеомагнитных измерений. В этой связи мы рассмотрели модель, в которой инверсии объясняются вязким торможением вращающегося с различной угловой скоростью внутреннего ядра (w1) относительно оболочки w2 (рис. 33). При этом влиянием электромагнитного и топографического сцепления ядра и оболочки будем пренебрегать ввиду их несомненно меньшей роли по сравнению с механически-вязким сцеплением. Дело в том, что для поддержания динамо-процесса во внешнем ядре требуется энергии, по единодушным оценкам исследователей, около 1012 Дж/с (Вт). Если гидромагнитные течения в ядре возникают в результате прецессии земной оси («болтание» твердого субъядра) или вследствие гравитационной дифференциации, то вклад первой составляет 108 Дж/с, второй – 2×1012 Дж/с, что в принципе достаточно для поддержания динамо-процесса. Однако наблюдаемые вариации изменения длительности суток на 0,1 мс в год соответствуют изменению кинетической энергии вращения Земли около 1,6·1013 Дж/с. Это на порядок превосходит мощность рассмотренных источников энергии в ядре. Поэтому неравномерность вращения Земли обусловлена не изменением величины электромагнитного сцепления, а передачей энергии извне внутрь жидкого ядра.

Предположим, что выравнивание угловых скоростей ядра и оболочки (w1 = w2) с последующим обменом моментами вращения может вызвать перемену знака поля. При этом общее прямое направление вращения планеты сохраняется. В современную эпоху внутреннее субъядро вращается быстрее оболочки. Судя по западному дрейфу, эта скорость составляет один оборот за 2 тыс. лет. Если учесть большую вязкость вещества жидкого ядра и малую скорость проворачивания оболочки, то можно предположить здесь наличие огромных инерционных сил, практически исключающих свободное течение жидкости ядра, т. е. жидкость увлекается неровными границами вращающихся сфер, образуя в условиях существенно ламинарного течения минимальное число ячей конвекции. В данном случае их может образоваться не более двух. Отсюда дрейф геомагнитного поля отражает, по существу, прохождение сферической оболочки над магнитными силовыми линиями различной плотности (и конфигурации). Коль скоро происходит такое проворачивание сфер, то вследствие вязкого трения будет происходить постепенное торможение более быстро вращающейся внешней оболочки относительно внутренней, что в итоге приведет к кратковременному стационарному состоянию системы. Сферы станут вращаться с одинаковой угловой скоростью. В результате конвекция будет затухать, а «накрученные» витки тороидального поля (рис. 32) – распадаться. Это приведет к диффузии магнитного поля и, как следствие, – уменьшению дипольной составляющей. Следовательно, в момент выравнивания скоростей напряженность магнитного поля Земли резко уменьшится, а оставшаяся часть будет обусловлена величиной напряженности остаточного распадающегося поля и поля намагниченности верхних 30 – 60 км перисферы.

В дальнейшем при увеличении вращения оболочки относительно ядра вновь образуется конвекция, но уже с восточным дрейфом недипольной составляющей. Перестройка конвекции должна происходить очень быстро, так как отсутствует свободное течение вязкого вещества внешнего ядра. Едва наметившееся изменение направления движения сфер увлекает в том же направлении «жидкость». Математическое доказательство этого процесса весьма сложно и к тому же не решает всех проблем. Однако если удастся обнаружить восточный дрейф поля на Марсе и Юпитере, имеющих обратный по сравнению с Землей знак полярности современного поля, то предложенный механизм инверсий можно будет считать доказанным.

Имеются и прямые доказательства существования подобного механизма инверсий. Речь идет о палеомагнитных изменениях напряженности геомагнитного поля в момент инверсий, или, иными словами, о резком уменьшении интенсивности намагниченности пород в момент инверсии и постепенном возрастании ее после обращения. Смена знака происходит быстро – в интервале 10 тыс. лет. Продолжительность существования поля одного знака различна – от нескольких миллионов и даже десятков миллионов до нескольких десятков тысяч лет. Исходя из этих данных оценим время, необходимое для выравнивания скоростей вращения субъядра и оболочки. Будем исходить из условия вязкого взаимодействия без учета магнитных сил.

Пусть тангенциальная сила на единицу площади движения сферы в вязкой жидкости определяется выражением:

, (VI.5)

где Dv = u1 – u2, h – вязкость внешнего ядра, a – угол. Причем u1, u2 – линейные скорости оболочки и ядра, соответственно u1 = w1r, а u2 = w2R.

Если u1 >u2, то кинетическая энергия ядра (Е) расходуется на работу (А) по преодолению сил вязкости, возникающих при вращении его в жидкой среде, причем E = A; I – момент инерции шара, равный , .

Работа по преодолению сил вязкости А = FL, где L – путь, который пройдет точка на поверхности ядра до момента, когда линейные скорости ядра и оболочки будут равны; F – сила, действующая на ядро по касательной (тангенциальная составляющая). Учитывая, что dF = sdS? (S? – поверхность шара), находим F:

. (VI.6)

Если a = R – r, Du = w1r – w2R; dS? = 2pr×r cosjr cosjdj, тогда

. (VI.7)

Подставляя (VI.7) в (VI.6), получим:

(VI.8)

В выражении А = FL будет выполняться условие w1r = w2R. В этом случае сила вязкости трения между двумя сферами будет равна нулю. Найдем

, (VI.9)

где t – время, в течение которого происходит выравнивание скоростей сфер. Из уравнения кинетической энергии вращения ядра определим:

(VI.10)

Подставим известные значения соответствующих величин в формулу (VI.10): m = 3,6·1024 кг; r = 1,21·106 м; r = 12,5×10-3 кг/м3; u1 = = 1,5·10-2 м/с; u2 = 10-2 м/с; h = 105 нс/м2; R – r = 2,26×106 м; w1 = = 1,25·10‑8 рад/с. Тогда t» 1014 c » 107 лет. Таким образом, кинетическая энергия вращения гасит конвекцию в ядре за 10 млн. лет. Полученная величина расходится со средним значением t за последние 107 лет на два порядка (t = 1012с). Следовательно, гашение конвекции происходит не только вязким торможением сфер, но и магнитным силовым полем, на долю которого, как следует из полученного значения, приходится меньшая часть работы (где-то около второго порядка t). Из приведенных оценок следует, что предложенный механизм инверсий в принципе осуществим. Движение в целом неустойчиво и стабилизируется лишь на короткий период при выравнивании скоростей.

Можно отметить, что приливное трение тормозит в основном верхнюю оболочку: на ядро это торможение передается через вязкую жидкость. Поэтому при уменьшении приливного взаимодействия системы Земля – Луна больший период времени оболочка будет отставать от ядра и при этом станет преобладать поле положительных инверсий. Возможно, этим объясняется преобладание прямой полярности геомагнитного поля второй половины фанерозоя, начиная с верхней перми, что связано с прогрессирующим удалением Луны. В первой половине фанерозоя периоды преобладающих прямой и обратной полярности были примерно одинаковы.

Определим современную плотность силовых линий магнитного поля во внешнем ядре Земли исходя из его напряженности, регистрируемой на ее поверхности.

Число витков N определяется из соотношения:

. (VI.11)

Подставив в него А×м-1, I = 106A, R = 6,4·106 м, получим N » 103

Наблюдаемый полный оборот оболочки вокруг ядра происходит в течение 2·103 лет. Следовательно, время, в течение которого было «накручено» полученное число витков, будет равно 2×103лет×103 = = 2×106 лет.

Таким образом, если регистрируемые скорости дрейфа сохранялись в среднем, то современное магнитное поле Земли (считая от последней инверсии) имеет «возраст» около 2 млн. лет. Как известно, начало эпохи Брюнеса датируется в 0,7 млн. лет (рис. 34), а если включить сюда эпизод Джарамильо, то 0,95 млн. лет. Исходя из средней периодичности инверсий в 1 млн. лет можно предположить, что мы находимся на пороге очередной инверсии геомагнитного поля. Этот вывод хорошо согласуется с быстрым уменьшением магнитного момента диполя, о чем говорилось выше. Если темпы его уменьшения сохранятся на уровне 0,05 % в год, то через один оборот оболочки (через 2 тыс. лет) Земля войдет в интервал переполюсовки, т.е. будет иметь очень слабый магнитный экран (около 20% от современного). Как это отразится на человечестве? Первобытные люди пережили уже одну такую инверсию 0,7 млн. лет назад – в эпоху Брюнеса. Из вышесказанного становится ясно, что минимально возможный интервал существования поля одного знака приближается к 1 млн. лет. Вязкомеханический эффект сцепления и торможения оболочки вследствие большой инерционности системы ядро-оболочка не может «работать» быстрее. Поэтому выделение эпох инверсий длительностью менее 0,7 – 1,0 млн. лет неубедительно. Это скорее всего локальные особенности намагниченности пород, не имеющие отношения к полю диполя. Сходная картина уже наблюдалась при выделении фаз складчатости и попытках распространения местных тектонических подвижек в общепланетарный ранг.

Если вещество внешнего ядра обладает сверхпроводимостью, то «приклеенные» к нему магнитные силовые линии должны выталкиваться к поверхности ядра. Следовательно, средняя плотность силовых линий составляет примерно одну линию на каждые 9 км ядерного меридиана. Вероятно, такой же характерный порядок имеют поперечные размеры силовых линий. Поэтому они могут оказывать существенное влияние на распространение упругих волн. Из физики плазмы известно, что ток, циркулирующий вокруг магнитных силовых линий, сжимает их, т.е. магнитные силовые линии превращаются в своего рода упругие натянутые шнуры со сжатым внутри них веществом. Такие шнуры в направлении их простирания абсолютно несжимаемы. Поэтому они должны вести себя подобно своеобразной поляризованной жидкости. Поскольку Р-волны представляют собой движение частиц среды по направлению движения, а S-волны – перпендикулярное направление движения, прохождение последних через внешнее ядро будет затруднено. Поляризация колеблющихся частиц среды будет совпадать с направлением абсолютного сжатия жгутов магнитных силовых линий, опоясывающих поверхность внешнего ядра, и вследствие равенства m нулю значительная часть энергии S-волн будет гаситься на этой границе или полностью отражаться обратно в мантию. Иными словами, для S-волн граница внешнего ядра будет являться абсолютно отражающей (коэффициент отражения для S-волн близок единице).

Распространение же P-волн сопровождается изгибом силовых линий поля, поэтому последние для них не являются преградой.

Предлагаемая модель для объяснения феномена с S-волнами как будто разрешает противоречие между данными о ненулевом m во внешнем ядре, существованием вязкой конвекции и непрохождением S-волн через него.