Запропоновано просте пояснення інверсії магнітних полюсів Землі • Юрій Ерін • Новини науки на "Елементи" • Фізика, Науки про Землю

Запропоновано просте пояснення інверсії магнітних полюсів Землі

Мал. 1. Схема магнітного поля Землі. Мал. зі статті Н. В. Куренівський "Магнітне поле геологічного минулого Землі" в Соросовском освітньому журналі

Протягом усієї геологічної історії Землі магнітні полюси нашої планети неодноразово мінялися місцями. Таку зміну полюсів називають геомагнітної інверсією. Дослідники з Франції запропонували просту модель, яка пояснює дане явище. Згідно з їхньою теорією, на дипольні компоненту геомагнітного поля, яка призводить до існування двох полюсів, накладається «шумлива» квадрупольному мода. Вплив такого «шуму» і призводить до інверсії магнітних полюсів.

Вважається, що магнітне поле Землі існує вже понад 3 млрд років. Дослідження історії геомагнітного поля показують, що протягом усього часу свого існування це поле було непостійним і хаотичним чином змінювало полярність – північний магнітний полюс ставав південним і навпаки. Такий процес називають інверсією магнітних полюсів Землі. Згідно палеомагнітним даними, остання інверсія магнітного поля сталася приблизно 780 тис. Років тому.Особливістю таких змін полюсів є їх висока, за мірками геологічної історії нашої планети, швидкість – зміна полюсів відбувається приблизно за 10 тис. Років. Джерелом палеомагнітних даних служать гірські породи, які містять в собі ферро- або феррімагнітниє компоненти. Справа в тому, що в момент свого утворення осадова або магматична порода набуває намагніченість, напрямок і величина якої відповідає величині магнітного поля даної геологічної епохи. Іншими словами, мінерал як би «заморожує» в собі геомагнітне поле в момент існування даної породи.

В даний час земне магнітне поле являє собою магнітний диполь (див. Рис. 1). Істинний південний магнітний полюс (негативний, де силові лінії магнітного поля «входять» в планету) розташований поблизу Північного географічного полюса (в Канадському секторі Арктики), істинний північний магнітний полюс (позитивний, де силові лінії «виходять» з Землі) зараз знаходиться недалеко від Південного географічного полюса (в Індійському океані поблизу Антарктиди). Однак умовно магнітні полюси Землі прийнято називати відповідно до їх географічним положенням – південний магнітний полюс для зручності домовилися вважати північним, і навпаки.При цьому вісь магнітного диполя має нахил приблизно в 11,5 градусів по відношенню до земної осі обертання, а центр магнітного диполя зміщений від центру Землі приблизно на 430 км.

Магнітні полюси переміщаються по поверхні нашої планети зі швидкістю до 40 км на рік. Так, Північний магнітний полюс в 1900 році мав координати 69 ° с. ш. і 97 ° з. д., а в 2005 році – 83 ° с. ш. і 118 ° з. д. Тобто він рухався на північ і захід, наближаючись до Північного географічного полюса. А південний магнітний полюс за цей же період змістився з точки з координатами 72 ° ю. ш. і 148 ° сх. д., в точку з координатами 64 ° ю. ш. і 138 ° сх. д. Тобто він переміщався на північ і захід, віддаляючись від південного географічного полюса.

Наявність у Землі магнітного поля і його яскраво виражену дипольні структуру прийнято пояснювати за допомогою теорії так званого геодінамо. Вважається, що головною причиною народження магнітного поля є наявність у нашої планети рідкого зовнішнього ядра (внутрішнє ядро ​​з глибини 5120 км і до центру Землі – тверде). Температура нижніх шарів зовнішнього ядра вище, ніж на його периферії, тому за рахунок теплової конвекції відбувається перемішування рідких електропровідних мас заліза.Через обертання Землі швидкість течії мала б у зовнішній частині ядра бути більше, ніж у внутрішній. Однак піднімається з глибини розігріта рідина гальмує обертання зовнішніх шарів зовнішнього ядра, а зустрічні, більш холодні, низхідні потоки, навпаки, прискорюють внутрішні шари. Виходить, що внутрішня частина зовнішнього ядра обертається швидше зовнішньої і грає роль своєрідного ротора (тобто обертається) генератора, а зовнішня – роль статора (нерухомої частини). Звідси і назва моделі – земне динамо, або геодінамо. Подібні течії породжують кільцеподібні електричні струми, які виробляють сумарне магнітне поле дипольного характеру.

Щоб підкріпити кількісно гіпотезу геодінамо, вчені не раз вдавалися до чисельного аналізу складної системи магнитогидродинамических рівнянь, що описує дану модель. Серед різноманіття публікацій на цю тему тут варто згадати розрахунки 3D-моделі геодінамо, виконані Гері Глацмайер і Полом Робертсом. На суперкомп'ютерах того часу (1995 рік), які працювали близько 2000 годин, вченим вдалося поспостерігати народження і еволюцію геомагнітного поля протягом «всього лише» 40 тис. Років.Проте в результаті рішення тривимірних рівнянь магнітної гідродинаміки вони отримали не тільки дипольні структуру геомагнітного поля, а й «побачили» в кінці розрахункового інтервалу часу його інверсію. Робота Глацмайер і Робертса в тому ж році була опублікована в журналі Nature (У відкритому доступі цю статтю можна побачити тут).

Інверсію магнітного поля в моделі геодінамо можна спостерігати і в лабораторних умовах. Серед таких дослідів найбільш відомий експеримент Теодора фон Кармана. Земне динамо відтворювалося за допомогою установки, зображеної на рис. 2 (опис установки наводиться за статтею M. Berhanu et al. Magnetic field reversals in an experimental turbulent dynamo в журналі Europhysics Letters).

Мал. 2. верхній рисунок: Лабораторне моделювання геодінамо – експериментальна установка фон Кармана з генерування магнітного поля в обертовому рідкому натрії. Розміри установки: зовнішній мідний циліндр має радіус 289 мм і довжину 604 мм; внутрішній мідний – 206 мм і 524 мм з товщиною стінок 5 мм. Радіус залізних пропелерів 154,5 мм, відстань між ними 371 мм. "Корисний" обсяг натрію дорівнює 160 літрам. Нижній малюнок: Тимчасова залежність напруженості магнітного поля в експерименті фон Кармана. Зміна знака напруженості відповідає сталася інверсії полюсів. Малюнки зі статті M.Berhanu et al. Magnetic field reversals in an experimental turbulent dynamo в журналі EPL (Europhysics Letters)

В установці фон Кармана генерування магнітного поля відбувається в розплавленому електропровідному натрію (температура плавлення 98 ° C), який укладено в двох концентричних мідних циліндрах. Рух рідкого натрію відбувається у внутрішньому циліндрі. Простір між циліндрами також заповнене розплавленим лужним металом, але знаходяться в стані спокою. Два лопатевих колеса приєднані до торців внутрішнього циліндра і розташовуються усередині нього, змушуючи натрій обертатися. Частота обертання пропелерів F1 і F2 може змінюватися незалежно один від одного аж до 26 Гц. Як видно з опису, дана установка нагадує процеси, що відбуваються в надрах Землі: аналогом електропровідний залізної маси тут є рідкий натрій, також проводить струм; внутрішній циліндр відповідає внутрішній області зовнішнього ядра; зовнішній циліндр – периферії зовнішнього ядра. Спеціальними приладами фіксується временная залежність індукції народжується в такому експерименті магнітного поля, що володіє приблизно дипольної структурою. В експерименті фон Кармана також спостерігалася інверсія народжується магнітного поля, що виражається в зміні знака його напруженості (нижня частина рис.2, червона крива), що ще раз підтверджує правильність гіпотези геодінамо.

У вийшла недавно в журналі Physical Review Letters статті Simple Mechanism for Reversals of Earth's Magnetic Field французькі вчені запропонували просту теорію, засновану на моделі геодінамо, яка пояснює інверсію магнітного поля Землі, не вдаючись до чисельного аналізу надзвичайно складних рівнянь магнітної гідродинаміки, як, наприклад, в моделі Глацмайер-Робертса.

Мал. 3. Схематичний малюнок, що пояснює інверсію магнітного поля Землі і його двояке поведінку в точці біфуркації ± Bu. Під дією турбулентних флуктуацій земні магнітні полюси можуть зміститися з стійких станів ± Bs в сідлові, нестабільні точки ± Bu. У цих точках виникає біфуркація поведінки магнітних полюсів – вони можуть повільно повернутися в вихідні стану (екскурс) або швидко перейти в протилежні стабільні положення (інверсія). Мал. з обговорюваної статті в Phys. Rev. Lett.

Взагалі кажучи, магнітне поле Землі можна представити як суму стабільної дипольної і нестабільних квадрупольної, октупольного і т. Д. Компонент, або мод (див. Мультиполя). Моди вище ніж дипольна народжуються з турбулентних флуктуацій течії електропровідного заліза всередині Землі.Автори статті в своїй теорії апроксимують геомагнітне поле сумою дипольної і квадрупольної мод, при цьому остання, згідно їх моделі, діє як білий шум на основну дипольні компоненту.

Завдяки такому шуму геомагнітні полюса відхиляються від своїх стійких положень рівноваги і переходять в так звані сідлові точки, або точки нестійкої рівноваги (див. Рис. 3, ± Bs; тут B позначає індукцію магнітного поля, s – stable «стійкий», ± Bu, u – unstable «нестійкий»). Далі ситуація може розвиватися за двома сценаріями (виникає біфуркація системи): полюса можуть повільно повернутися в колишнє стійке положення – така, що не відбулася інверсія називається екскурсом, або вони почнуть притягатися і швидко рухатися до протилежних точок рівноваги – в цьому випадку відбувається інверсія.

По суті, спостерігається бістабільних система, яка під дією шуму хаотично може змінювати своє положення рівноваги. Оскільки вплив шумливою квадрупольної моди на дипольні є слабким, то ймовірність зміни полюсів низька. А значить, не дивно, що в історії Землі були тривалі періоди, звані суперхронамі, протягом яких не відбувалися інверсії магнітних полюсів.

Свої якісні міркування автори теорії підкріплюють кількісними математичними розрахунками. В їх моделі еволюція магнітного поля Землі описується простим (в порівнянні з магнітогідродинамічними рівняннями) рівнянням, вирішуючи яке, вчені отримують временную залежність дипольного моменту (по суті, напруженості) магнітного поля Землі (див. рис. 4, верхній графік). На цій временнпрой залежності спостерігається велика швидкість інверсії магнітного поля, неперіодичні коливання його напруженості, відповідні екскурсів, і наявність суперхронов.

Мал. 4. вгорі – временная залежність дипольного моменту D магнітного поля в обговорюваній теорії французьких вчених; від'ємне значення D відповідає зміні полярності, тобто сталася інверсії; час вимірюється в мільйонах років (Myr). У середині – залежність індукції магнітного поля в експерименті фон Кармана з частотами обертання пропелерів F1 = 22 Гц і F2 = 16 Гц (див. Пояснення вище) від часу, що вимірюється в секундах. внизу – залежність відносного дипольного моменту магнітного поля Землі від часу, заснована на палеомагнітних даних.Спільними рисами даних графіків є хаотичні зміни індукції або дипольного моменту магнітного поля, що відповідає екскурсів, тривалі інтервали часу без інверсії – суперхрони і висока швидкість інверсії для обраного тимчасового масштабу. Мал. з обговорюваної статті вPhys. Rev. Lett.

Таким чином, в теорії французьких дослідників спостерігається і пояснюється все те, що притаманне поведінки магнітного поля в експерименті фон Кармана (рис. 4, середній графік) і, що найголовніше, еволюції геомагнітного поля (рис. 4, нижній графік).

джерело: François Pétrélis, Stéphan Fauve, Emmanuel Dormy, Jean-Pierre Valet. Simple Mechanism for Reversals of Earth's Magnetic Field // Physical Review Letters 102, 144503 (2009).

Юрій Ерін


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: