Загадка инверсий магнитного поля Земли

Размещено на http://www.allbest.ru/

Загадка инверсий магнитного поля Земли

Нет сомнений, что происхождение магнитного поля Земли связано с ее вращением. Однако ось магнитного поля Земли не совпадает с её вращением. Координаты северного полюса: сев. шир. = 75,7 град; зап. дол.=101,5 град, а координаты южного полюса: южн. шир. = 65,5 град.; вост. дол. =140,3 град. Угол между осью вращения и осью магнитного момента Земли в настоящее время составляет около 11,5 град. Оси не пересекаются, и минимальное расстояние между ними равно 436 км. Кроме того, и это самое удивительное, магнитное поле Земли в прошлом многократно изменяло свою полярность.

Отсутствие магнитного поля во время смены поляризации представляет существенную угрозу для человечества, поэтому знание законов формирования и эволюции магнитного поля Земли имеет огромное значение.

Любое магнитное поле обусловлено наличием соответствующего тока. Рассмотрим естественные источники вихревых токов, которые формируют магнитное поле Земли.

К таким источникам, в первую очередь, относятся природные магнитные моменты некоторых атомов, молекул и кристаллов. Эти природные носители магнитного момента в естественных условиях распределяются хаотичным образом, так что суммарное поле, создаваемое ими, равно нулю. Однако при вращении вместе с Землей эти элементарные носители формируют дополнительное магнитное поле, направленное по оси вращения. Так как все интересующие нас источники, так или иначе, связаны с вращением Земли, то условно назовем поле, образованное дополнительным вращением элементарных моментов, - дополнительным полем вращения.

Дополнительное поле вращения является причиной эффекта Барнетта, который тоже относится к источникам магнитного поля. Суть эффекта в том, что твердый ферромагнетик, после интенсивного вращения приобретает остаточную намагниченность.

Хорошо известно, что остаточная намагниченность ферромагнетиков создается достаточно сильным постоянным внешним полем.

В случае эффекта Барнетта в качестве внешнего поля намагничивания выступает магнитное поле дополнительного вращения.

Традиционно, носители остаточной намагниченности называются постоянными магнитами, а создаваемое ими поле - постоянным магнитным полем. Воспользуемся этим названием, не забывая, что это не мешает постоянным полям изменять свои значения под воздействием внешних сил и внешних условий.

В перечень источников геомагнитного поля входят и сосредоточенные электрические заряды (предгрозовые), вращающиеся вместе с Землей. Эти заряды, формирующиеся в атмосфере Земли и на ее поверхности, образуют так называемый «глобальный конденсатор». Магнитное поле в этом случае создается благодаря разнице радиусов вращения равных разноименных зарядов. Это поле является флуктуирующим, как во времени, так и в пространстве; при этом его усредненные характеристики на сравнительно небольших интервалах эволюции достаточно стабильны, а создаваемое поле никогда не меняет поляризацию [6].

Перечисленных естественных источников, формирующих магнитное поле, вполне достаточно для объяснения эволюции магнитного поля Земли со всеми его особенностями. Однако необходимо добавить несколько слов о новомодной гипотезе геодинамо - т.к. описываемый ею источник магнитного поля тоже претендует на звание естественного.

Гипотеза геодинамо постулирует, а затем математически обосновывает, что источником геомагнитного поля являются самовозбуждаемые кольцевые электрические токи, подчиняющиеся законам динамо-машины. Поддержание таких токов внутри Земли требует наличия механического источника, в качестве которого предполагаются экзотические потоки заряженного вещества. Гипотеза геодинамо основана на массе произвольных допущений в плане реализации условий самовозбуждения. Но, даже допустив, что эти условия однажды случайно реализовались, на основе гипотезы невозможно объяснить, почему происходит смена направления генерируемого тока.

Установлено, что земное ядро вращается быстрее литосферы на 1/9000 секунды в год. Здравый смысл подсказывает, что требуемых для реализации геодинамо потоков не существует, т.е. не существует и геодинамо.

Рассмотренные естественные источники в обычных условиях создают осе симметричные магнитные поля.

Создать существующую сейчас ситуацию, в которой магнитный полюс не совпадает с осью вращения Земли, позволяют свойства постоянного магнита. Для этого намагниченные породы каким-то способом должны быть перемещены, нарушив осевую симметрию.

Реально допустимых вариантов такого перемещения совсем немного.

Вариант с тектоническими плитами подробнейшим образом описан во многих публикациях. Но эта теория содержит как сомнительные произвольные допущения, так и белые пятна. Плиты, несомненно, есть; и они, несомненно, перемещаются. Однако, авторы теории приписывают им непозволительную резвость, ни чуть не утруждаясь объяснением причин их транс глобальных рейдов. Теоретики явно не замечают, что тектоническая плита это не айсберг в океане. Если использовать для сравнения айсберг, то это айсберг в заторе других айсбергов, и затор этот без просветов. А в таких условиях перемещающийся континент должен крушить все на своем широком пути, как ледокол, ведь другие тектонические плиты раздвинуться не могут. Некуда.

Обоснованная критика этой теории заняла бы много места, поэтому просто рассмотрим альтернативный вариант, в котором обосновывается и возникновение тектонических плит. Речь о неоднократных столкновениях Земли с очень большими космическими объектами [7].

Учитывая известные нам данные о прошлом Солнечной системы, зафиксированные внешним обликом Луны и других космических объектов, вполне естественно предположить, что смещение магнитного полюса могло произойти в результате столкновения с достаточно крупным космическим телом. Однако современная геоморфология полностью исключает космическое столкновение такого масштаба (так называемый катастрофический вариант). Аргументом для такой позиции служат устрашающие теоретические расчеты, которые будучи произведенными для малых метеоритов, необоснованно применены к крупным объектам. Эти расчеты определяют, какое количество тепла выделяется при сгорании и испарении в атмосфере Земли одного грамма вещества метеорита. Обычным недостатком подобных расчетов является отсутствие сведений о границе применяемости. Прямое умножение массы многотонного астероида на удельное выделение энергии, рассчитанное для полного сгорания метеорита, приводит к чудовищной ошибке. Дело в том, что чем больше астероид, тем меньшая его часть принимает участие в процессе тепловых превращений, и все большая - в чисто кинетическом обмене моментами, т. к. крупный астероид только обгорает в атмосфере Земли.

В пользу предположения о гигантском столкновении свидетельствует следующее обстоятельство.

Подавляющее большинство планет вращается в плоскостях, близких к плоскости эклиптики.

Практически все спутники планет обращаются вокруг своих планет в плоскостях близких к плоскости их экватора. Это правило соблюдается даже для «лежащего» Урана.

Наклон плоскости орбиты Луны к плоскости эклиптики составляет чуть больше 5є. Этот наклон, с учетом допустимых отклонений, и определяет неизвестную нам начальную ориентацию плоскости вращения Земли.

За счет внутренних сил изменить момент вращения планеты невозможно, а он явно изменял направление. Значит, аномальный наклон земной оси мог произойти только в результате космического столкновения. Такое столкновение не могло не оставить заметного следа. Место падения астероида легко определяется, это Таримская котловина. Направление удара - почти точно по меридиану с севера на юг. Результатом этого столкновения является создание Гималаев и Тибетского нагорья, - это по направлению удара. И образование гор Тянь-Шаня, - в противоположном направлении. Географический облик перечисленных объектов не вызывает сомнений в их катастрофическом происхождении.

Итак, первым результатом анализа исходных данных является вывод, что магнитное поле Земли является суперпозицией дополнительных полей вращения всех типов и полей постоянных магнитов, частично смещенных вместе с участками земной коры, и частично повернутых как целое.

Всякое изменение любой из двух составляющих по амплитуде будет вызывать изменение общего поля, но уже не только по амплитуде, но и по направлению, как результат векторного сложения. В простейшем случае это будет возвратно-поступательное движение. Однако, если постоянное магнитное поле само будет перемещаться по каким-либо причинам в пространстве, то движение магнитного полюса окажется более сложным.

Приведенные выводы явно усложняют задачу по восстановлению процесса формирования геомагнитного поля. Дело в том, что если после сдвига оси процесс формирования поля продолжался, а этого нельзя исключать, то новое намагничивание ферромагнитных пород происходило уже не в симметричном магнитном поле. Но в задачу данной статьи не входит ретроспективное восстановление реальных процессов, а только выявление механизмов, которые их вызывают.

Таким образом, имеется достаточно средств, для обоснования сложного движения магнитных полюсов, что и будет сделано ниже. Но еще не видно ни средств, ни способов, которые могли бы доступно объяснить многократные инверсии магнитного поля.

Чтобы раскрыть секрет инверсий, необходимо рассмотреть формирование геомагнитного поля в динамике и с учетом целого комплекса обстоятельств, возникавших и возникающих в процессе эволюции Земли.

Инженерное описание процесса намагничивания сплошного сердечника в катушке с током, приводимое в большинстве учебных пособий, постепенно превратилось в устойчивый стереотип, который и стал преградой для понимания чуть более сложных реальных геофизических процессов. Это можно утверждать, т.к. подробно и последовательно процесс намагничивания Земли нигде не описан и не обсуждается. Восполним этот пробел.

Если намагнитить ферромагнитный образец при температуре близкой к точке Кюри Q слабым внешним полем, а затем охладить образец, то возросшая за счет охлаждения напряженность остаточной индукции, в принципе, может превысить напряженность поля намагничивания. Экспериментально установлено, что можно добиться превышения в 2 - 3 раза.

Для удобства изложения назовем зону температуры, оптимальную для такого намагничивания, и выделенную толстой линией, - оптимальной зоной.

Вернемся к катушке с сердечником. Заполним внутреннее пространство круговой петли с током ферромагнитным диском. Ферромагнитный сердечник усилит поле петли. Это простое и совершенно верное инженерное правило маскирует, упрощает и, в конечном счете, искажает суть явления. Покажем это на примере. Заменим наш плоский сердечник, который полностью заполняет петлю, малой его частью, т.е. малым телом, которое разместим вплотную к петле тока. Из рисунка понятно, что внешнее поле петли действительно усилится, но поле внутри петли, в ближней зоне малого тела, ослабится. Если процесс намагничивания малого тела в рассматриваемой системе произвести при температуре близкой к точке Кюри, а затем тело охладить, то поле малого тела в ближней внутренней зоне кольца, увеличившееся после охлаждения, может превзойти поле намагничивания, т.е. поле петли. В этой ситуации общее поле системы в ближней внутренней зоне ферромагнитного образца тоже станет инверсным.

Если теперь малое тело заменить достаточно массивным тонким кольцом, примыкающим к петле тока, то поле кольца, после горячего намагничивания и последующего охлаждения, также превысит поле петли, и тогда вся ближняя зона внутри ферромагнитного кольца станет инверсной по отношению к полю петли.

Процесс намагничивания ферромагнитных пород Земли в процессе их остывания, естественным образом реализует именно эту модель, которая и является ключом к пониманию процесса инверсии. Убедимся в этом.

Рассмотрим формирование магнитного поля Земли в процессе пассивного остывания, начиная с момента, когда температура поверхности опустилась до точки Кюри. Для упрощения анализа и для большей наглядности представим Землю в форме дисков, образованных срезами, параллельными экваториальной плоскости, и рассмотрим только экваториальный диск. В первом приближении рассмотрим равномерное распределение всех магнитных и не магнитных пород Земли по всему диску.

Расплавленные породы (магма) не обладают ферромагнитной восприимчивостью. Их дополнительное поле вращения очень мало, и его организующее воздействие на существующие элементарные магнитные моменты почти полностью разрушается тепловым движением. Это состояние фиксируется в момент начального отвердения коры и сохраняется в дальнейшем. Северный магнитный полюс этого поля будет совпадать с северным географическим полюсом. Условимся считать направление этого геомагнитного поля за «прямое».

При дальнейшем охлаждении ниже точки Кюри, начнут проявляться ферромагнитные свойства соответствующих пород, и соответственно начнет образовываться первый ферромагнитный слой. Эффект Барнетта сформирует в этом слое остаточную индукцию (наведенное постоянное магнитное поле), созданную за счет вращения Земли. При этом намагничивание пород неизбежно произойдет и при самой оптимальной температуре. Анизотропная структура вещества, сформированная эффектом Барнетта, при неизменной скорости вращения Земли будет в дальнейшем сохраняться, однако напомним, магнитное поле, которое она создает, будет возрастать по мере остывания земной коры. Сначала это происходит относительно быстро, затем процесс замедляется.

По мере остывания земной коры, которое сопровождается увеличением объема первого магнитного слоя, поле, вносимое ферромагнитными носителями, будет все время усиливаться еще и по мере охлаждения, и в некоторый момент превзойдет в ближней зоне напряженность слабого поля дополнительного вращения. Это приведет к появлению инверсного общего поля (суммарного) в ближней внутренней области первого магнитного слоя земной коры. Инверсная область по мере дальнейшего охлаждения также будет постепенно увеличиваться, формируя следующий магнитный слой, но уже с обратной намагниченностью по отношению к инверсному слою.

Второй (инверсный) слой будет увеличиваться в соответствии со скоростью остывания Земли на этой глубине. Поле, создаваемое инверсным слоем во внутренней области будет вновь прямым, зато поле снаружи - обратным. При благоприятных условиях напряженность этого обратного поля может превзойти суммарную напряженность всех других составляющих геомагнитного поля, в результате чего у поверхности Земли образуется результирующее инверсное поле, и величина его будет какое-то время увеличиваться.

Таким образом, для первой инверсии магнитного поля Земли необходимо и достаточно двух слоев магнитных пород, один из которых намагничен противоположно полем, созданным другим слоем. И это условие само реализуется естественным образом.

Поле второго, инверсного магнитного слоя создает во внутренней области следующий слой, который будет инверсным по отношению ко второму (предпоследнему) слою, и т.д. Процесс будет циклически повторяться. А магнитное поле у поверхности Земли при этом будет менять свою поляризацию после образования каждого нового слоя.

Эффект Барнетта действует при формировании каждого слоя, и при этом не меняет своей направленности. В результате, инверсные слои создаются в условиях чуть менее благоприятных по сравнению с прямыми слоями, что проявится в параметрах создаваемых слоев.

Напряженность магнитного поля, создаваемая каждым конкретным слоем в рассматриваемый момент, никогда не бывает окончательной и зависит от многих причин. Но самые интенсивные изменения происходят во время формирования слоя, при температуре, близкой к точке Кюри.

Суммарное геомагнитное поле на поверхности Земли определяется динамикой следующих составляющих:

· прямым дополнительным полем вращения, которое растет по мере образования новых естественных носителей, прибывающих за счет остывания и за счет процесса аккреции;

· прямым полем Барнетта, которое растет за счет накапливающейся массы кристаллов ферромагнетиков по мере остывания и увеличения объема земной коры;

· прямым полем глобального конденсатора, которое сильно зависит от глобальных климатических условий;

· суммарным полем всех намагниченных слоев, которые изменяют свои характеристики от слоя к слою, а интенсивность их магнитного поля меняется во времени по общему закону в зависимости от температуры, т.е. с отставанием по фазе.

Последняя составляющая очень сильно зависит от аномальных тепловых потоков в области постоянной намагниченности.

Длительность существования суммарного поверхностного поля с неизменной поляризацией, т.е. время полупериода магнитных колебаний, зависит от следующих причин:

§ от скорости пассивного охлаждения Земли и каждого слоя, а она со временем (с каждым новым слоем) замедляется;

§ от толщины каждого слоя, которая зависит от концентрации магнитных минералов в слое;

§ от характера неравномерности распределения магнитных пород, равномерное распределение которых не является самым оптимальным для поддержания колебаний;

§ от интегрального, изменяющегося воздействия всех слоев;

§ от теплового режима Земли в целом, который зависит от активности Солнца и от активности земного ядра;

§ от столкновений с крупными космическими объектами, которые вызывают скачкообразное изменение многих геофизических параметров (скорость вращения Земли, наклон оси вращения, увеличение скорости остывания в ледниковые периоды, скачкообразное изменение температуры коры при попадании льда под кору и пр.).

Процесс квазипериодического изменения магнитного поля будет развиваться, пока температурная граница, определяемая точкой Кюри, будет продолжать свое движение к центру Земли, пересекая при этом области пород, обладающих ферромагнитными свойствами. Процесс закончится, если точка Кюри достигнет центра, или если ее движение к центру прекратится в силу каких-то причин.

Таким образом видно, что представленная модель, при заданных условиях, реализует работу параметрического генератора магнитных колебаний, формирующихся за счет отрицательной обратной связи, реализованной с большой задержкой. Источником энергии этого генератора является тепловой поток, создающийся в процессе охлаждения Земли.

Условием поддержания автоколебаний является превышение эквивалента магнитного момента каждого последнего слоя по сравнению с эквивалентом магнитного момента предыдущих слоев с учетом всех полей дополнительного вращения. Это условие, принимая во внимание еще и замедление скорости остывания Земли, вызывает постепенное увеличение продолжительности периодов инверсий от слоя к слою, что явно видно по результатам исследований.

Представленный процесс генерации автоколебаний магнитного поля Земли является всего лишь основой для всестороннего анализа реальных смен поляризаций, зависящих от множества причин. Но все эти вариации доступны качественному анализу и допускают количественную оценку при условии разработки необходимых методик, использующих результаты натурных исследований.

Наиболее вероятной представляется ситуация, при которой на инверсии автоколебаний накладываются принудительные смены поляризации, вызываемые независимыми от естественного остывания процессами.

Если предположить, что пассивное остывание приостановилось, то автоколебания приостановятся. Однако, инверсии магнитного поля могут при этом происходить за счет изменения температуры уже имеющихся слоев. Если нестабильность тепловых потоков будет достаточно интенсивной, то разогрев и последующее пассивное остывание уже существующих намагниченных слоев могут вызывать инверсии магнитного поля самой различной длительности, тогда как чистые автоколебания должны иметь тенденцию к увеличению длительности каждого следующего периода.

Все эти выводы подтверждаются результатами проведенных изысканий, приведенных в таблице смен поляризаций, заимствованными из [3]. Так, на таблице 1 отображено всего семь последних периодов автоколебаний, а остальные инверсии этого интервала явно вызваны температурными перепадами иной природы.

Обратная направленность результирующего магнитного поля Земли по отношению к естественным полям вращения свидетельствует, что магнитный слой, определяющий существующее направление геомагнитного поля, является инверсным.

Изменения геомагнитного поля, вызванные естественным охлаждением Земли, должны развиваться очень медленно, особенно в настоящий период. Однако, величина геомагнитного поля за последнее время ослабла почти на 10% с тех пор, как впервые была измерена в 30-х гг. XIX в. Это обстоятельство и наблюдаемая в последние годы скорость перемещения магнитного полюса, выходят за рамки модели чисто пассивного охлаждения.

Учитывая полученные в рамках рассматриваемой модели выводы, наблюдаемый современный процесс можно объяснить быстрым разогревом земного ядра за счет экзотермических процессов: ядерных реакций (гипотеза американского геофизика М. Херндона) или других. При быстром и симметричном (относительно центра Земли) разогреве существующих намагниченных слоев, произойдет обратный процесс размагничивания пород. Геомагнитное поле ускоренно (со скоростью разогрева) повторит в обратном порядке некоторую составляющую часть предшествующих состояний. Это повторение не будет абсолютным, т. к. на результате разогрева будут сказываться гистерезисные явления, а также различия в симметрии пассивного охлаждения и активного разогрева. Однако, все эти тонкости и различия доступны для анализа на основе приведенного механизма формирования магнитного поля остывающей планеты.

Наблюдаемое перемещение магнитного полюса к географическому полюсу может иметь две причины. Либо поле последнего слоя, рассматриваемое отдельно, имеет смещение от результирующего поля остальных составляющих в сторону Канады. Либо оно имеет нормальную симметрию и направленность, но разогревается несимметрично.

Рассмотренный процесс формирования геомагнитного поля хорошо объясняет его многочисленные инверсии и возможность перемещения полюсов в допустимой области, расположенной между географическим полюсом и полюсом смещенного постоянного магнита.

Из анализа модели следует, что в сложившихся обстоятельствах магнитный полюс никогда не приблизится вплотную к северному полюсу, тем более не переместится в восточное полушарие.

Дальнейший разогрев ядра Земли вызовет продолжение ослабления геомагнитного поля. Прогнозировать этот процесс модель не может. Однако наблюдение за геомагнитным полем дает возможность прогнозировать динамику теплового режима на поверхности Земли. Если постепенное и достаточно равномерное ослабление магнитного поля Земли (по 0,07% в год) длилось 150 лет, а в период с 1980 по 2000 годы скорость возрастала иногда до 1,7% в год, то можно ожидать, что постепенное потепление тоже будет длиться 150 лет. Затем скорость потепления на 20 лет существенно возрастет. Отставание начала потепления климата от начала разогрева ядра вызывается скоростью распространения тепловой волны, что позволяет оценить глубину последнего магнитного слоя.

Это стратегический прогноз, на котором можно и нужно строить государственную экономическую политику. Но для этого необходимо убедиться в справедливости гипотезы. А для этого, в свою очередь, необходимо довести гипотезу до соответствующих специалистов.

Представленная модель параметрического генератора колебаний магнитного поля не может вызывать сомнений. Можно усомниться только в причастности ее к процессу формирования магнитного поля Земли. Экспериментальная проверка предложенной модели представляется вполне доступной. Например, можно создать натурный макет, а можно разработать компьютерную модель. Но самым убедительным аргументом в пользу предложенной модели являются её интерпретационные возможности, которые представлены, и которые могут быть продолжены профессиональными специалистами.

В статье рассмотрен только принцип формирования магнитного поля остывающей планеты. Применяя этот принцип с использованием имеющихся данных о Земле, и интерпретируя их с учетом известных аномальных явлений и известных катастрофических событий, можно более точно восстановить эволюцию Земли. А зная конкретную историю процесса, можно произвести максимально достоверные прогнозы на будущее.

Неоценимую пользу человечеству может принести разработка и внедрение методики раннего обнаружения извержений вулканов, разработанной на основе изложенной концепции, и использующей результаты всеобъемлющих глобальных наблюдений за флуктуациями и перемещениями магнитных аномалий.

При подъеме магмы в месте будущего извержения, намагниченность имеющихся слоев «стирается», что отражается на местном магнитном поле.

После извержения, или при отступлении магмы, слои не восстанавливаются, формируя новый постоянный магнит в соответствии с изменившимися условиями.

Всякие подвижки в напряженности магнитного поля, наблюдаемые в зоне риска, должны изучаться и сверяться с сейсмическими методами на предмет возможного землетрясения или извержения. Службу контроля магнитного поля можно совместить с существующей службой метеонаблюдений.

Предложенная концепция является реальной возможностью осуществления мониторинга глубин Земли с целью предупреждения природных катаклизмов. Сейсмические наблюдения не предоставляют перечисленных возможностей. Стратегия, разработанная с объединением двух принципов наблюдения, даст наилучший результат. А проводимый в настоящее время точечный мониторинг магнитного поля приобретет действенный инструмент по интерпретации наблюдаемых, но пока не очень понятных, флуктуаций.

магнитный поле планета инверсия

Размещено на Allbest.ru