Викулин А.В. Физика Земли и геодинамика

Подождите немного. Документ загружается.

два раза больше площади южного, то, в целом, при таком движении момент инерции

Земли увеличивается, а, следовательно, скорость вращения должна уменьшаться. При

ускоренном движении Земли в южном направлении должно происходить увеличение

скорости ее вращения.

Таким образом, короткопериодические изменения скорости вращения Земли могут

быть объяснены колебательными перемещениями континентов в меридиональном

направлении с амплитудой до 1 м.

Как видим, допуская существование поплавковых колебаний Земли можно в

рамках одной модели объяснить ряд важных эффектов, не находящих пока объяснения в

рамках существующих подходов к задачам геодинамики. Суть проблемы очевидна: для

объяснения причин, вызывающих такие колебания Земли на орбите, необходимо

механические движения Земли связать с

движениями других тел солнечной системы. И

приведенные выше в настоящей работе данные это позволяют сделать в полном согласии

с имеющимися геодинамическими данными.

Действительно. Все земные движения, включая сейсмические, вулканические,

тектонические и, в целом, геодинамические коррелируют с величиной солнечной

активности. По всей видимости, такой вывод является справедливым для всех планет

солнечной

системы. Солнечная активность, в свою очередь, определяется орбитальными и

вращательными вокруг своих осей движениями планет, в основном, движениями планет –

гигантов Юпитера и Сатурна. Эти данные показывают, что поплавковые колебания Земли,

как и такие же колебания других планет, могут являться тем связующим звеном, которое в

рамках модифицированной вихревой ротационно-упругой задачи Дирихле

для солнечной

системы отвечает за взаимодействие между геодинамическими планетарными

процессами.

Литература

Буллен К.Е. Плотность Земли. М.: Мир, 1978. 442 с.

Ван Беммелен Р.И. Теория ундаций // Структурная геология и тектоника плит /

Ред. К. Сейферт. Т. 3. Тектоника гравитационного скольжения. – Эллипсоид напряжений.

М.: Мир, 1991. С. 200-213.

Викулин А.В. О природе Австралийских

землетрясений // Вулканология и

сейсмология. 1994. № 2. С. 99-108.

Викулин А.В. Физика волнового сейсмического процесса. Петропавловск-

Камчатский: КОМСП ГС РАН, 2003. 150 с.

www.kscnet.ru/ivs/monograph/vikulin/index.html

Викулин А.В., Мелекесцев И.В. Вихри и жизнь // Ротационные процессы в геологии

и физике / Ред. Е.Е. Милановский. М.: ДомКнига, 2007. С. 39-101.

Викулин А.В., Тверитинова Т.Ю. Энергия тектонического процесса и вихревые

геологические структуры // Доклады РАН. 2007. Т. 413. № 3. С. 372-374.

Вихри в геологических процессах / Ред. А.В. Викулин. Петропавловск-

Камчатский: КОМСП ГС РАН, 2004. 297 с.

www.kscnet.ru

Геологическая история СССР и тектоника плит / Ред. Л.П. Зоненшайн, Е.И.

Приставакина. М.: Наука, 1989. 206 с.

Гончаров М.А., Талицкий В.Г., Фролова Н.С. Введение в тектонофизику. М.: УКД,

2005. 496 с.

Гущенко О.И. Реконструкция поля мегарегиональных тектонических напряжений

сейсмоактивных областей Евразии // Поля напряжений и деформаций в литосфере. М

Наука, 1979. С. 26-59.

Давыдов А.В. Долгих Г.И., Запольский А.М., Копвиллем У.С. Регистрация

собственных колебаний геоблоков с помощью лазерных деформографов // Тихоокеанская

геология. 1988. №2. С. 117-118.

Джеффрис Г. Земля, её происхождение, история и развитие. М.: ИЛ, 1960. 485 с.

381

Дмитриевский А.Н., Володин И.А., Шипов Г.И. Энергоструктура Земли и

геодинамика. М.: Наука, 1993. 155 с.

Жарков В.Н.

Внутреннее строение Земли и планет. М.: Наука, 1983. 416 с.

Иванчин А.Г.

Непонтенциальное вихревое решение задачи об электроне //

Ротационные процессы в геологии и физике / Ред. Е.Е. Милановский. М.: ДомКнига, 2007.

С. 211-218.

Клушин И.Г. Взаимосвязь тектонических напряжений и магматизма Земли на

основе вариационного принципа наименьшего действия // Зап. ЛГИ. 1963. Т. 46. Вып. 1.

С. 33-50.

Колосков А.В., Аносов Г.И. Особенности геологического строения и

позднекайнозойский вулканизм восточно-азиатской окраины в рамках концепции

вихревой динамики // Фундаментальные исследования океанов и морей. Книга 1 / Ред.

Н.П. Лаверов. М.: Наука, 2006. С. 278-291.

Кондратьев Б.П. Теория потенциала и фигуры равновесия. М.-Ижевск: Институт

компьютерных исследований, 2003. 624 с.

Крылов С

.В., Мишенькин Б.П., Мишенькина З.Р. и др. Детальные сейсмические

исследования литосферы на Р- и S- волнах. Новосибирск: Наука, 1993. 198 с.

Кузнецов В.В. Физика горячей Земли. Новосибирск, 2000. 365 с.

Кузнецов В.В. Введение в физику горячей Земли Петропавловск-Камчатский:

КамГУ им. Витуса Беринга, 2008. 367 с.

Кэрри У. В поисках

закономерностей развития Земли и Вселенной: История догм в

науках о Земле. М.: Мир, 1991. 447 с.

Ламб Г. Гидродинамика. . Т. 2. Москва-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая

динамика, 2003. 482 с.

Линьков Е.М. Сейсмические явления. Л.: Изд-во Лениградского ун-та, 1987. 248 с.

Ли Сы-гуан. Геология Китая. М.: Изд-во Иностр. лит-ры, 1952. 146 с.

Ли Сы-гуан. Вихревые структуры Северо-Западного Китая. М.-Л.: Госгеолтехиздат.

1958, 132 с.

Лукьянов А.В.

Нелинейные эффекты в моделях тектогенеза // Проблемы

геодинамики литосферы. М.: Наука, 1999. С. 253-287.

Ляпунов А.М. Общая задача об устойчивости движения. Череповец: Меркурий-

ПРЕСС, 2000. 386 с.

Магницкий В.А. Внутренне строение и физика Земли. М.: Недр,. 1965. 204 с.

Маслов Л.А. Геодинамика литосферы тихоокеанского подвижного пояса //

Хабаровск-Владивосток: Дальнаука, 1996. 200 с.

Международный геолого-геофизический

атлас Тихого океана. М-СПб:

Межправительственная океанографическая комиссия, 2003. 120 с.

Мелекесцев И.В. Вихревая вулканическая гипотеза и некоторые перспективы ее

применения // Проблемы глубинного вулканизма. М.: Наука, 1979. С. 125-155.

Мелекесцев И.В. Роль вихрей в происхождении и жизни Земли // Вихри в

геологических процессах. Петропавловск-Камчатский: КГПУ, 2004а. С. 25-70.

Мелекесцев И.В. Взгляд

геолога: вращательные движения и вихри как фактор

формирования литосферы и геолого-географической среды Земли // Вихри в

геологических процессах. Петропавловск-Камчатский: КГПУ, 2004б. С. 20-23.

Михайлов А.А. Курс гравиметрии и теории фигуры Земли. М., 1939. 432 с.

Мишин С.В. Элементы сейсмометрии. Магадан: СВКНИИ ДВО РАН, 1993. 167 с.

Морган В. Океанические поднятия, глубоководные

желоба, большие разломы и

блоки земной коры // Новая глобальная тектоника. М.: Мир, 1974. С. 68-93.

Мясников Е.А. Магматические и рудоконтролирующие морфоструктуры

центрального типа. На примере Верхнего Приамурья. Владивосток: Дальнаука, 1999. 84 с.

Пейве А.В. Тектоника и магматизм // Изв. АН СССР. Сер. геологическая. 1961. № 3.

С. 36-54.

382

Полетаев А.И. Ротационная тектоника земной коры // Материалы XXXVIII

Тектонического совещания. Т. 2. М.: ГЕОС, 2005. С. 121-123.

Полетаев А.И.

Ротационная тектоника или тектоническое вращение? // Актуальные

проблемы региональной геологии и геодинамики. Восьмые Горшковские чтения. М.:

МГУ, 2006. С. 32-38.

Поплавский А.А., Соловьев В.Н. Проблемы сейсмичности Дальнего Востока.

Петропавловск-Камчатский: КОМСП ГС РАН, 2000. С. 235-242.

Потапов Ю.С., Фоминский Л.П., Потапов С.Ю. Вихревая энергетика и холодный

ядерный синтез с позиции

теории движения. Кишинев-Черкассы: Око-Плюс, 2000. 324 с.

Потапов Ю.С., Фоминский Л.П., Потапов С.Ю. Энергия вращения.

http://www.fund-

ckip.ru/books/Potapov/1.html.

Пуанкаре А. Фигуры равновесия жидкой массы. Ижевск: НИЦ «Регулярная и

хаотическая динамика», 2000. 208 с.

Пущаровский Ю.М.

Глобальная тектоника в перспективе // Материалы XXXVIII

Тектонического совещания. М.: ГЕОС, 2005. Т. 2. С. 121-123.

Рикитаке Т. Геофизические и геологические данные о Японской островной дуге и

ее обрамлении // Окраины континентов и островные дуги. М.: Мир. 1970. С. 216-236.

Rikitake T. Geophysical and geological data in and around the Japan Arc. Japanese National

Report for the UMP. Tokyo. 1967.

Риман Б. О движении жидкого однородного эллипсоида. М.-Л.: Гостехиздат, 1948.

339 с.

Роль сдвиговой тектоники

в структуре литосферы Земли и планет земной группы.

СПб.: Наука, 1997. 591 с.

Ротационные процессы в геологии и физике / Ред. Е.Е. Милановский. М.:

ДомКнига, 2007. 528 с.

Сато Х. Повторные геодезические съемки // Методы прогноза землетрясений. Их

применение в Японии. М.: Недра, 1984. С.108–120. Sato H. A study of horizontal movement

of the crust. Bull. Geograph. Survey Inst. 1973. 19 (1). 89-130.

Серкеров С.А. Теория гравитационного и магнитного потенциалов. М.: Недра,

1990. 304 с.

Система планета Земля. (Нетрадиционные вопросы геологии). XI научный

семинар

. 3-5 февраля 2003 г. Материалы. М.: МГУ, 2003. 336 с.

Слензак О.И. Вихревые системы литосферы и структуры докембрия. Киев: Наукова

Думка, 1972. 182 с.

Спорные аспекты тектоники плит и возможные альтернативы / Ред. В.Н. Шолпо.

М.: ИФЗ РАН, 2002. 236 с.

Стовас М.В. Избранные труды. Ч. I. М.: Недра, 1975. 155 с.

Тверитинова Т.Ю., Викулин А.В

. Геологические и геофизические признаки

вихревых структур в геологической среде // Вестник КРАУНЦ. Серия наук о Земле. 2005.

№ 5. С. 59-77.

www.kscnet.ru/kraesc/2005/2005_5/2005_5/html

Тектоника и геофизика литосферы. Материалы XXXV Тектонического совещания.

Т. 1, 2. М.: ГЕОС, 2002.

Тимашев С.Ф. О бвзовых принципах «Нового диалога с Природой» // Проблемы

геофизики XXI века. Кн. 1 / Ред. А.В. Николаев. М.: Наука, 2003. С. 104-141.

Тяпкин К.Ф. Физика Земли. Киев: Вища школа, 1998. 312 с.

Хаббард У. Внутреннее строение планет. М.: Мир, 1987. 327 с.

Шен

Э.Л. Расширение Земли в связи с формированием её глобальной структуры //

Проблемы расширения и пульсаций Земли. М. Наука, 1984. С. 180-185.

Шен Э.Л. Типы внутренней структуры Земли и возможные схемы эволюции

Земли и планет. Изв. АН СССР. Физика Земли. 1991. № 2. C. 18-25.

Шипов Г.И. Теория физического вакуума. М.: Изд-во

ООО «Кириллица-1», 2002.

128 с.

383

Шустер Г. Детерминированный хаос: Введение. М.: Мир, 1988. 240 с.

Эвернден Дж.Ф. О чем говорят параметры фигуры Земли ε = 1/298, C/Ma

= 0.333?

// Изв. РАН. Физика Земли. 1997. № 2. С. 85-94.

Bak P. How nature works: The science of self-organized criticality/ Oxford: Oxford

Univ. press. 1997. 212 p.

Chao B.F., Gross R.S. Changes in the Earth’s rotation and low-degree gravitational field

induced by earthquakes // Geophys. J.R. astr. Soc. 1987. V. 91. P. 569-596.

Chao B.F., Gross R.S. Changes in the Earth’s rotational energy induced by earthquakes //

Geophys. J. Int. 1995. V. 122. P. 776-783.

Chao B.F., Gross R.S. and Dong D-N. Changes in global gravitational energy induced by

earthquakes // Geophys. J. Int. 1995. V. 122. P. 784-78.

Daly M.C. Correlation between Nazka-Farallon plate kinematics and forearc basin

evolution in Ecuador // Tectonics. 1989. 8. N 4. P. 769-790.

Dirichlet G.L. Untersuchungen uber ein Problem der Hydrodynamik // J. Reine Angew.

Math. 1860. V. 58. P. 801.

Forsyth D., Uyeda S. On the relative importance of the driving forces of plate motion //

Geophys. J. R. Astr. Soc. 1975. V.43. P. 163-200.

Geist E.L., Childs J.R., Scholl D.W. The origin of basins of the Aleutian ridge:

implications for block rotation of an arc massif // Tectonics. 1988. 7. N 2. P. 327-341.

Hashimoto M., Tada T. Horizontal Crustal movements in Hokkaido and its tectonic

implications // Jour. Seismol. Soc. Jap. 1988. 41. N 1. P. 29-38.

Hegger R., Kantz H., Schreiber T. Practical implementation of nonlinear time series

methods: The TISEAN package // Chaos. 1999. V. 9. N 2. P. 413-435.

Lee J.S. Some Characteristic Structural Types in Eastern Asia and Their Bearing upon the

Problems of Continental Movements // Geol. Mag. LXVI. 1928. P. 422-430.

Mandeville M.W. An outline of the principles of vortex tectonics. 2000.

http://www.aa.net/∼mwm

Maps of part of the Northern hemisphere of Venus. Miscellaneous investigations series /

Published by the U.S. Geological Survey. 1989.

Nur A., Ron H., Scotti O. Fault mechanics and the kinematics of block rotation //

Geology. 1986. 14. P. 746-749.

Takeuchi A. On the episodic vicissitude of tectonic stress field of the Cenozoic northeast

Hounshu arc, Japan / Formation of active ocean margins. Ed. N. Nasu et. al. Tokyo. 1985. P.

443-465.

Teisseyre R., Takeo M., Majewsky E. (Eds.). Earthquake Source Asymmetry, Structural

Media and Rotation Effects. Heidelberg, Germany: Springer, 2006. 582 p.

Thomson W. Mathematical and physical papers. V. VIII. L.: Cambridge Uversity Press,

1890. P. 484-515.

Whitney M.I. Aerodynamic and vorticity erosion of Mars: Part II. Vortex features, related

systems, and some possible global patterns of erosion // Geol. Soc. America Bull.1979. Part I. V.

90. P. 1128-1143.

384

13. «ПРОБЛЕМА № 1» В ФИЗИКЕ ЗЕМЛИ

Уже более 500 лет, со времен знаменитого плавания Колумба в 1492 г. и открытия

магнитного наклонения Г. Гертманом в 1510 г., известно, что источником магнитного

поля Земли являются процессы, протекающие в ее недрах. В разное время многие

выдающиеся умы: С.И. Брагинский, Э. Буллард, К.Ф. Гаусс, У. Гильберт, П.Н. Лебедев,

Я.

Б. Зельдович, Д. Лармор, В. Сазерленд, Я.И. Френкель, А. Эйнштейн, М. Эльзассер и

многие, многие др., пытались определить механизм генерации геомагнитного поля Земли

[Буссе, 1984; Григорьев, 2004; Яновский, 1953, 1967]. Однако до настоящего времени так

и нет достаточной ясности о природе такого механизма.

Трудности, стоящие на пути решения проблемы геомагнитного поля, связаны не

только с недостаточным знанием строения Земли и состояния вещества в ее недрах, но и с

пониманием самих основ электромагнетизма [Низовцев, Бычков, 2007; Николаев, 2002]. В

этой главе остановимся на некоторых из них.

Суть проблемы геомагнетизма

Состояние проблемы, словами автора работы [Кузнецов, 2008], можно выразить

следующим образом.

Ф. Буссе [1984] утверждает, что А. Эйнштейн считал эту проблему одной из трех

важнейших проблем Физики. Несмотря на колоссальные усилия сотен физиков,

занимающихся этой проблемой, нет ни одного достаточно серьезного успеха в этом деле.

Проследим еще одну цепочку. Если магнитное поле

на Земле обязано динамо-эффекту в

жидком железном ядре (что не подвергается сомнению), то почему магнитное поле

раньше было на Марсе, Луне, Ио, Ганимеде, а потом исчезло? (Возможно, что на

Ганимеде поле ещё существует). Почему оно обнаружено на Меркурии, но его нет на

Венере? Почему магнитное поле имеется на больших

планетах (по своей структуре

однотипное с земным), где, по-видимому, нет железного ядра? Разговоры относительно

того, что, дескать, динамо на этих планетах “раскручивается” в жидком водороде, и

вообще эти планеты “холодные”, “разбиваются” результатами наблюдений космической

станцией Вояджер, которая обнаружила, что тепловой поток на этих планетах значительно

превышает поток тепла от Солнца

на их расстояниях.

Остановимся на теоретической проблеме динамо. Модель генерации геомагнитного

поля базируется на совместном решении нескольких уравнений. Они описывают

движение вязкой проводящей жидкости, заполняющей сферическую полость внешнего

ядра. Жидкость подвергается воздействию гравитационных, гидродинамических,

инерционных и электромагнитных сил. Движение жидкости описывается: 1)

гидродинамическим уравнением Навье-Стокса, 2) уравнением индукции, связывающим

магнитное поле

с движением жидкости, 3) уравнениями неразрывности и 4)

термодинамики.

Уравнение Навье-Стокса в векторной форме имеет вид:

∂

t + (v

∇

)v =

ν∇

v +

∇

(div v) – 2(

ω×

v) – 1/

ρ∇

p + g -

πρ

rot H

где t – время, v – вектор скорости,

- коэффициент кинематической вязкости,

- вектор

угловой скорости вращения Земли,

- плотность вещества внешнего ядра, Р – давление, g

– ускорение массовых сил,

- магнитная проницаемость, Н – вектор напряженности

магнитного поля.

Уравнение индукции в векторной форме записывается в виде:

∂

t = rot(v

H) +

∆

385

где

– коэффициент «магнитной диффузии» (магнитная вязкость).

Уравнения неразрывности и диффузии тепла (Т – температура):

∇

H) = 0,

∂

t + v

∇

T = Pr

-1

∇

где

2222

zyxr ++= , zy

,, - декартовы координаты.

Эти уравнения содержат скорость v и напряженность магнитного поля Н и должны

решаться совместно. Однако, их совместного решения до сих пор не получено (и вряд ли

возможно), поэтому проблема генерации геомагнитного поля идет в направлении

разработки кинематической теории динамо, в которой скорость жидкости

v считается

известной и решается только уравнение индукции, определяющее геомагнитное поле.

Если принять, что характер движения жидкости задан, необходимость решения уравнения

Навье-Стокса отпадает, а уравнение индукции превращается в линейное уравнение в

частных производных второго порядка, которое после соответствующих преобразований

может быть решено.

Заметим, что внимательный анализ особенностей геомагнетизма, рассматриваемые

контексте динамо модели (глобальной тектоники плит) показывает:

- Модель-динамо не решает ни одной из проблем геомагнетизма, кроме одной, в

которой показывается принципиальная возможность генерации магнитного поля

посредством взаимодействия полоидального (дипольного) и тороидального магнитных

полей. При этом не находят решения и такие задачи геомагнетизма как: инверсии поля,

западный дрейф, движение магнитных

полюсов, джерки, морфология поля и т.п.

- Принято считать, что причина появления джерков, т.е. быстрых (в течение одного

года) изменений магнитного поля, присуща механизму генерации геомагнитного поля.

Если джерки генерируются около поверхности внутреннего ядра, то в этом случае можно

оценить электропроводность внешнего ядра Земли. Оцененная таким образом

электропроводность примерно

на 5 порядков меньше, чем постулированная величина

проводимости, необходимая для протекания динамо-эффектов.

- Не найдены численные решения уравнения гидродинамики, подтверждающие

принятую в динамо модель конвекции.

- Данные сейсмологии (travel time, splitting functions) не подтверждают принятую

модель конвекции, а, скорее, ей противоречат.

- Нет единой теоретической модели динамо. Огромное количество противоречащих

друг другу моделей

αω-динамо: α

– динамо, динамо Рикитаке, диск Фарадея и т.д. (рис.

13.1), указывает на сомнительность таких подходов.

Рис. 13.1. Известные модели αω-динамо [Кузнецов, 2008].

386

- Принципиальным моментом многих моделей динамо является наличие во

внешнем ядре сильного тороидального поля. По некоторым моделям интенсивность

тороидального поля больше дипольного в 500 раз. Тем не менее, тороидального поля по

наблюдениям на поверхности Земли не обнаружено. Мы, вероятно, могли бы не

обнаружить наличие тороидального поля на земной поверхности, например, если

бы ядро

было окружено сверхпроводящим экраном. Однако если бы по какой-либо немыслимой

причине на границе ядра оказался бы сверхпроводящий экран, то мы, тем не менее, могли

бы судить о его наличии с помощью электромагнитного зондирования.

В течение последних веков, в основном, в XVIII – XX вв., усилиями ученых многих

специальностей были достигнуты

значительные успехи в изучении строения планеты

(главы 2 - 6). Получены несколько менее значимые, но вполне определенные знания о

распределении температуры в недрах Земли (глава 8) и, как следствие, о природе границ

между ее слоями (глава 9). На этом фоне существующие «неопределенности» в проблеме

геомагнитного поля, как Земли, так и других планет Солнечной системы, позволяют,

даже «вынуждают» нас считать ее Проблемой № 1 в Геофизике.

Определенные надежды на решение проблемы Геомагнетизма возникли в рамках

Новой глобальной тектоники, в основе которой были заложены представления о

тектонических плитах, «движущихся» на «спинах» конвекционных ячеек, возникающих

во внешнем ядре и нижней мантии. Однако, как оказалось (глава 12), в рамки таких

представлений «не вписываются» вихревые геологические структуры. В этой связи,

«неуспехи» в решении проблемы генерации геомагнитного поля планеты, по-видимому,

могут быть объяснены недостаточно полной разработкой представлений о

геодинамических движениях планеты, не учитывающих «вихревые» особенности

геологических структур. Рассматриваемая в такой плоскости, проблема геомагнитного

поля Земли является, по сути, Проблемой № 1 в

Геодинамике [Викулин, 2004, 2008].

В настоящей главе постараемся собрать «под одной крышей» все наработанные к

настоящему времени «нестыковки», которые, на наш взгляд, являются «камнем

преткновения» в решении Проблемы № 1 Геодинамики.

Нестыковки [Тверитинова, Викулин, 2007]

Выше (см. раздел «Новые данные» предыдущей главы) приведены тектонические

нестыковки между существующими геодинамическими концепциями и моделями, с одной

стороны, и наблюдаемыми данными – с другой. Перечень такого рода нестыковок может

быть продолжен. Действительно, в соответствии с геосинэнергетическими

представлениями [Жуланова, 2003], для оценки геодинамических моделей в качестве

наиболее надежных должны использоваться термодинамические критерии. Но, в таком

случае [Жуланова, 2003], «несмотря

на гигантский массив расчетов и физические

эксперименты, доводы в пользу ячеистой конвекции мантийных масс, остаются большие

сомнения в том, что она может рассматриваться как фактор сопряженного проявления

тектонических сил (горизонтальное движение плит, субдукция) и петрогенетических

(выплавление огромных объемов магм на границах плит) процессов. Дело в том, что

стационарная ячеистая конвекция

способна реализоваться только в закрытых

термодинамических системах, будучи направлена на выравнивание внутренних тепловых

неоднородностей. Она несовместима с выносом энергии и вещества вовне,

сопровождающим вулканизм (и, добавим, сейсмичность – А.В.)».

Как видим, тектоническая нестыковка «потянула» за собой и электромагнитную

нестыковку, что вполне можно было ожидать, т.к. последняя парадигма геологии - Новая

глобальная тектоника, представляет собою вполне завершённую самосогласованную

концепцию, подтверждаемую данными многих разделов науки.

387

Перечень геомагнитных нестыковок может быть продолжен. Действительно, на

основании обзора в [Низовцев, Бычков, 2007], имеем:

1. Согласно классической теории электромагнетизма, магнитное поле есть

проявление завихренности эфирных течений, не связанных обязательно с электрическим

током. Так, В. Томсон (лорд Кельвин) полагал, что магнитное поле суть «движение,

вращение которого есть магнитная сила» [Thomson, 1890], а не

электрический ток.

2. Накопленные экспериментальные данные указывают на то, что магнетизм

является более универсальным явлением, нежели электричество. Еще М. Фарадей

истолковывал криволинейность магнитных силовых линий как признак того, что сила есть

результат процесса. Согласно Кельвину, «объяснение всех явлений электромагнитного

притяжения или отталкивания и электромагнитной индукции следует искать просто в

инерции и

давлении материи, движения которой образуют тепло» [Максвелл, 1989, с.

831]. Для Максвелла «в каждой точке среды существует нечто такое, что имеет природу

угловой скорости относительно оси, направленной вдоль магнитной силы» [Максвелл,

1989, с. 821]. Эффект Холла однозначно свидетельствует о том, что магнетизм есть

явление вращательной природы [Уиттекер, 2001].

3. Во второй половине ХХ в. был

установлен квантовомеханический эффект

Ааронова-Бома [Чирков, Агеев, 2001], сущность которого заключается в том, что

заряженная частица, движущаяся в области, в которой отсутствует магнитное поле, но

векторный потенциал отличен от нуля, испытывает воздействие неясной природы

(согласно данным работы [Иванчин, 2007] – вихревой?), приводящее к изменению фазы

частицы.

4. Имеет место несовпадение в расположении географических и

магнитных

полюсов при закономерной (по спиральной линии) миграции последних с течением

геологического времени. При этом, в истории Земли неоднократно происходили

переполюсовки геомагнитного поля. В.И. Уломовым также отмечена «близость

расположения большинства полюсов вращения литосферных плит…к геомагнитным, а не

географическим полюсам» [Атлас, 1980].

5. Экспериментальные исследования гиромагнитного эффекта, проведенные П.Н.

Лебедевым

и С. Барнеттом, не позволяют связать геомагнетизм с вращением планеты

[Паркинсон, 1986], что в то же время не позволяет исключить наличие неизвестного

физического (ротационного, торсионного, вихревого, согласно данным работ

[Дмитриевский, Володин, Шипов, 1993; Иванчин, 2007; Шипов, 2002] поля, которое

одновременно могло бы поддерживать и вращение планеты, и создавать ее магнитное

поле. Такие экспериментальные

факты вынуждают искать более универсальное, нежели

гидромагнитное динамо, решение.

Приведенные данные позволили авторам работы [Низовцев, Бычков, 2007] в

рамках модельных представлений природу геомагнетизма планеты увязать с имеющими

место в литосфере и других слоях Земли вихревыми течениями, связанными с вращением

планеты. При этом удается объяснить существование пропорциональной взаимосвязи

между магнитным и механическим угловым

моментами Земли.

Бароэлектрический эффект и электромагнетизм планет

[Григорьев, Григорьева, Ростовский, 2003]

Почему Земля – магнит?

Почему магнитные поля есть и у других планет, и у звезд? Какую физическую

природу имеют эти поля? Как объяснить вариации геоэлектрического и геомагнитного

полей? На эти и многие другие вопросы, которые стоят перед человечеством уже не одну

сотню лет, пока так и нет

ответа.

388

Поиски объяснения физической природы магнетизма небесных тел, в первую

очередь геомагнетизма, шли по путям по хорошо всем известным путям (глава 7). В их

начале – теория Гильберта, согласно которой Земля является большим магнитом.

Открытие явления Кюри, в основе которого заложено разрушающее влияние высокой

температуры на остаточное намагничивание, заставило искать другие пути.

Одним из

возможных путей является гипотеза разделяющихся зарядов, предложенная В.

Сазерлендом в начале ХХ в. [Suthtrland, 1903]. Согласно этой гипотезе, магнетизм планет

и звезд, хотя бы частично, обязан действию следующего механизма: внутренняя часть

космического тела под действием его гравитации деформируется, что в результате

разделения зарядов ее заряжает положительно. Вращение этих перераспределившихся

зарядов вместе

со всем телом и порождает его магнитное поле.

Согласно настольной книге всех физиков [Ландау, Лифшиц, 1982], внутри

проводников электростатические поля отсутствуют. В этой связи многие исследователи

полагали и, по-видимому, полагают, что в недрах планет и звезд, которые обладают

достаточно высокой проводимостью, не может существовать электрических полей.

Однако, как следует из

теории, электрические поля отсутствуют только внутри таких

химически однородных проводников, внутри которых и температура и давление являются

постоянными. Земля и другие планеты, как мы видели из данных, представленных в

предыдущих главах настоящей книги, имеет достаточно сложное слоистое строение, а

температура и давление увеличиваются с глубиной до достаточно больших значений.

Таким образом, «запрет» на обширный класс

бароэлектрических явлений, приводящих к

появлению внутри Земли электромагнитных полей, оказывается несостоятельным.

Физическая причина возникновения бароэлектрических полей определяется

существованием зависимости работы выхода электрического заряда от давления. Если

распределение давлений в проводнике неоднородно, то электроны, переходят из областей,

где работа выхода меньше в те, где она больше. Такое перераспределение электронов и

порождает бароэлектрические поля

Проведем некоторые оценки. Пусть в центре атома в отсутствии гравитации

находится ядро заряда

Ze, окруженное облаком электронов. Равновесие наступает, когда

гравитационная сила

Mg, действующая на ядро, уравновешивается электрической силой

ZeE, где Е – напряженность электрического поля, создаваемое окружающими ядро

электронами,

М – масса ядра, g – вектор ускорения свободного падения. Отсюда следует

элементарная оценка для величины напряженности этого поля:

E =

Подстановкой численных значений получаем ничтожно малую величину для

значения напряженности поля, возникающего в атоме в результате его деформации под

действием силы тяготения

СГСЕ.

Однако, оценивая величину поля в макроскопических масштабах, получаем

совершенно другую величину. Действительно, полагая, что перепад напряженности

гравитационного поля между поверхностью Земли и ее центром составляет

СГСЕ, среднее число атомов в единице объема составляет

, для поля

−

≈E

10≈g

10≈N PE

, где

- вектор поляризации, получаем значение, близкое к 10

СГСЕ!

Таким образом, поляризационный механизм формирования бароэлектрического (и

баромагнитного, образующегося при движении обязанных бароэлектрическому эффекту

зарядов) полей может играть весьма существенную роль. При этом бароэлектрические

эффекты будут играть тем более заметную роль, чем значительнее перепады давлений.

Именно поэтому важным примером их проявления являются такие объекты, как планеты

и звезды.

389

В монографии [Григорьев, Григорьева, Ростовский, 2003] детально излагаются

некоторые варианты теоретического описания бароэлектрического эффекта. Значительная

их часть базируется, в конечном итоге, на наиболее общем условии термодинамического

равновесия – условии постоянства электрохимического потенциала, а различаются они

лишь подходами к вычислению плотности «избыточной» энергии в зависимости от

давления.

Особый вопрос занимают дифференциальные внутренние

движения. Именно такие

движения ответственны за магнитогидродинамическую генерацию (усиление) магнитных

полей, т.е. за те «эффекты динамо», которые, по мнению большинства исследователей,

играют доминирующую роль. Палеомагнитные данные о магнитном поле Земли и,

конечно, наблюдения над магнитными полями Солнца и ряда звезд убедительно

показывают, что эта роль действительно велика и что

она тем заметнее, чем более

интенсивны дифференциальные движения.

В рассматриваемой монографии «элекромагнитной» модели Земли придаются

более реалистические черты, по сравнению с моделями предшественников. При этом,

конечно, авторам пришлось столкнуться с вопросом: какое место внутри планеты

занимают области ионной проводимости и какую они играют роль в формировании ее

электрического и магнитного

полей. Ионная проводимость, естественно, доминирует в

приповерхностных участках планеты. Ионы, перегруппировываясь под действием

бароэлектрического поля, приводят к его ослаблению и даже, возможно, полному

занулению вблизи поверхности. В итоге авторам пришлось признать, что, в

действительности, отрицательно заряженная поверхность, под которой такое поле

имеется, не совпадает с поверхностью планеты, а определяется границей между

областями

проводимости первого и второго рода.

Следует отметить, что бароэлектрический эффект в проводниках должен

проявляться при наличии градиентов давлений, вне зависимости от того, какие

физические причины вызывают появление этих градиентов. Непрерывность

тангенциальных составляющих напряженности электрического поля на границе раздела

сред должна привести к тому, что электрическое поле может обнаружиться и

за

пределами неоднородно напряженного проводника. Конечно, при малых градиентах

давления поле также будет мало. Однако, как показывают оценки, это поле доступно для

экспериментального обнаружения, его напряженность может быть измерена даже при

нагрузках, далеких от разрушающих.

Как показывают оценки [Григорьев, Григорьева, Ростовский, 2003], около 10%

магнитного момента планет земной группы обязано перераспределению зарядов

создаваемому в результате действия их собственного

тяготения и вращения.

Та же часть давления, которая обязана действию приливных сил, ответственна за

создание электрических полей над поверхностью планет. В частности, наблюдаемые

черты поля ясной погоды над поверхностью Земли [Имянитов, Шифрин, 1962; Чалмерс,

1974; Френкель, 1947] объясняется не как результат действия «грозового механизма», а

как следствие действия приливных сил со стороны Луны и, в

меньшей мере, Солнца. Из

сказанного, в частности, следует вывод о наличии электрических полей над

поверхностями таких небесных тел, которые лишены атмосферы, но испытывают

приливные воздействия, например, над Луной [Григорьев, Григорьева, 1995].

390