Siūlomas paprastas Žemės magnetinių polių inversijos paaiškinimas. • Jurijus Erinas. • Mokslo naujienos apie "Elementus". • Fizika, Žemės mokslai.

Siūlomas paprastas Žemės magnetinių polių inversijos paaiškinimas.

Pav. 1. Žemės magnetinio lauko schema. Pav. iš N. V. Koronovskio straipsnio "Žemės Žemės geologinės praeities magnetinis laukas" Soros švietimo žurnale

Visoje geologinėje Žemės istorijoje mūsų planetos magnetiniai poliai pakartotinai pasikeitė. Šis poslinkis vadinamas geomagnetine inversija. Prancūzijos mokslininkai pasiūlė paprastą modelį, kuris paaiškina šį reiškinį. Remiantis jų teorija, geomagnetinio lauko dipolio sudedamoji dalis yra "triukšmingo" kvadrupolio režimas, kuris lemia dviejų polių egzistavimą. Tokio "triukšmo" poveikis ir veda prie magnetinių polių apversimo.

Manoma, kad Žemės magnetinis laukas egzistavo daugiau nei 3 milijardus metų. Geomagnetinio lauko istorijos tyrimai rodo, kad per visą savo egzistavimą šis laukas buvo nestabilus ir atsitiktinai keičia poliškumą – šiaurinis magnetinis polas tapo pietine ir atvirkščiai. Šis procesas vadinamas Žemės magnetinių polių inversija. Pagal paleomagnetinius duomenis paskutinė magnetinio lauko inversija įvyko prieš 780 tūkstančius metų.Tokių polių pokyčių ypatumas yra jų didelis pagal mūsų planetos geologinės istorijos standartus, greitis – polių pasikeitimas įvyksta maždaug per 10 tūkstančių metų. Paleogomagnetinių duomenų šaltinis yra uolos, kuriose yra feromagnetinių arba ferrimagnetinių komponentų. Faktas yra tai, kad jo formavimo metu nuosėdinė ar tuktinė uoliena įgauna užmagnetinimą, kurio kryptis ir dydis atitinka tam tikros geologinės epochos magnetinio lauko dydį. Kitaip tariant, minėto mineralo "užšąla" geomagnetinis laukas esant šios uolos egzistavimui.

Šiuo metu magnetinis laukas yra magnetinis dipolis (žr. 1 pav.). Tikrasis pietų magnetinis polnis (neigiamas, kai magnetinio lauko linijos "įeina" į planetą) yra netoli šiaurinio geografinio poliaus (Kanados Arkties regione), tikrojo šiaurinio magnetinio poliaus (teigiamas, kai jėgos linijos "išeina" iš Žemės) dabar yra toli nuo Pietų geografinis polius (Indijos vandenyne netoli Antarktidos). Tačiau tradiciškai magnetiniai Žemės polinkiai paprastai vadinami pagal jų geografinę vietovę – patogumui jie susitarė laikyti pietų magnetinį polą šiauriniu polu ir atvirkščiai.Magnetinio dipolio ašis palinkusi maždaug 11,5 laipsnių, susijusių su žemės sukimosi ašies ir magnetinės Dipolio centras kompensuoti nuo Žemės centro į maždaug 430 km.

Magnetiniai poliai eina palei mūsų planetos paviršių, esant greičiui iki 40 km per metus. Taigi 1900 m. Šiaurės magnetinis polnis turėjo 69 ° s koordinačių. sh. ir 97 ° val. d., o 2005 m. – 83 ° N. sh. ir 118 ° val. Tai reiškia, kad jis persikėlė į šiaurę ir vakarus, artėja prie Šiaurės geografinio poliaus. Tuo pačiu laikotarpiu pietinis magnetinis polas paslinktas iš taško, kurio koordinatės yra 72 ° S. sh. ir 148 ° c. iki taško, kurio koordinatės yra 64 ° į pietus. sh. ir 138 ° c. D. Ie jis persikėlė į šiaurę ir vakarus, išvykdamas iš pietų geografinio poliaus.

Žemės magnetinio lauko ir jo ryškios dipolio struktūros buvimą galima paaiškinti vadinamojo geodinamo teorija. Manoma, kad pagrindinė magnetinio lauko atsiradimo priežastis yra mūsų planetoje esanti skysta išorinė šerdis (vidinė šerdis nuo 5120 km gylio ir iki Žemės centro yra tvirta). Apatinio sluoksnio išorinės šerdies temperatūra yra aukštesnė nei jos periferijoje, todėl dėl terminės konvekcijos sumaišomos skysčio elektrai laidžios geležies masės.Dėl Žemės sukimosi, srauto greitis turėtų būti didesnis išorinėje branduolio dalyje nei vidinėje dalyje. Tačiau šildomas skystis, kilęs iš gylio, lėtina išorinio šerdies išorinių sluoksnių sukimąsi, o atvirkščiai, šaltesnis, mažėjantis srautas, greičiausiai pagreitina vidinius sluoksnius. Pasirodo, išorinės šerdies vidinė dalis sukasi greičiau nei išorinė ir atlieka generatoriaus rotoriaus (ty sukamojo) dalį, o išorinėje dalyje – statoriaus vaidmenį (fiksuota dalis). Taigi modelio pavadinimas – žemės dinamo, arba geodynamo. Tokios srovės generuoja žiedo formos elektrines sroves, kurios sukuria bendrą dipolinio pobūdžio magnetinį lauką.

Kiekybiškai pagrįsdama geodinaminę hipotezę, mokslininkai pakartotinai naudojosi kompleksinės magnetohydrodinaminės lygties sistemos, apibūdinančios šį modelį, skaitine analize. Tarp šios publikacijos įvairovės čia verta paminėti Gary Glazmeierio ir Paulo Robertso geodinamo 3D modelio skaičiavimus. Tuo metu superkompiuteriuose (1995), dirbantiems maždaug 2000 valandų, mokslininkams pavyko stebėti geomagnetinio lauko gimimą ir evoliuciją "tik" 40 tūkst. Metų.Vis dėlto, sprendžiant trimatis magnetohydrodinamikos lygtis, jie gavo ne tik dipolinę geomagnetinio lauko struktūrą, bet ir "pamačiau" pasibaigus apskaičiuotam laiko intervalui jo inversija. "Glatsmeyer" ir "Roberts" darbai tais pačiais metais buvo paskelbti žurnale Gamta (atviroje prieigoje šis straipsnis matomas čia).

Magnetinio lauko inversija geodynamo modelyje taip pat gali būti stebimas laboratorinėmis sąlygomis. Tarp tokių eksperimentų labiausiai žinomas Theodore von Karman eksperimentas. Žemės dinamo buvo atgamintas naudojant parodytą fig. 2 (įrengimo aprašymas pateiktas M. Berhanu ir kt. Magnetinio lauko pasikeitimai eksperimentine turbulentine dinamo žurnale Eurofizikos raidės).

Pav. 2 Viršų piešinys: geodinamo laboratorinis modeliavimas yra eksperimentinis von Karmano įrengimas magnetinio lauko generavimui rotaciniame skystyje natris. Montavimo matmenys: išorinis vario cilindras turi 289 mm spindulį ir 604 mm ilgį; vidinis varis – 206 mm ir 524 mm, sienelės storis – 5 mm. Geležies sraigtų spindulys yra 154,5 mm, atstumas tarp jų – 371 mm. "Naudojamas" natrio kiekis yra 160 litrų. Apatinis paveikslėlis: magnetinio lauko stiprio laiko priklausomybė von Karmano eksperimente. Įtampos požymis pasikeičia, kai įvyko polių inversija. Straipsniai M.Berhanu ir kt. Magnetinio lauko pasikeitimas eksperimentiniame turbulentiniame dinamo žurnale EPL (Eurofizikos raidės)

"Von Karman" sistemoje magnetinis laukas generuojamas išlydyto elektriškai laidžiojo natrio (lydymosi taške 98 ° C), kuris yra uždaras du koncentrinius vario cilindrus. Skysčio natrio judėjimas atsiranda vidiniame cilindre. Tarpas tarp cilindrų taip pat užpildo išlydytu šarminiu metalu, bet būna poilsio. Du cilindrai pritvirtinti prie vidinio cilindro galų ir yra viduje, todėl natris pasisuka. Propelerio greitis F1 ir f2 gali savarankiškai keistis vienas nuo kito iki 26 Hz. Kaip matyti iš aprašymo, šis įrenginys primena procesus, vykstančius Žemės žarnyne: čia elektrai laidžios geležies masės analogas yra skystas natris, kuris taip pat atlieka srovę; vidinis cilindras atitinka vidinę išorinės šerdies dalį; išorinis cilindras yra išorinės šerdies periferija. Specialūs įtaisai, įrašyti laikoaAš priklausau nuo tokio eksperimento, kuris turi maždaug dipolinę struktūrą, susidarančio magnetinio lauko indukciją. Karmano eksperimento metu taip pat buvo pastebėta atsirandančio magnetinio lauko inversija, pasireiškusi jo intensyvumo ženklo pasikeitimu (apatinė dalis Fig.2, raudona kreivė), kuri dar kartą patvirtina geodynamo hipotezės teisingumą.

Naujausiame žurnale Fizinės peržiūros raidės pasiūlė prancūzų mokslininkai straipsnis "Paprastas mechanizmas žemės magnetinio lauko atstatymui" paprasta teorija, pagrįsta geodynamo modeliu, paaiškinanti Žemės magnetinio lauko inversiją, nenaudojant labai sudėtingų magnetohidrodinamikos lygčių, pavyzdžiui, modelio Glazmaier-Roberts, skaičiavimo analizės.

Pav. 3 Scheminis brėžinys, paaiškinantis Žemės magnetinio lauko inversiją ir jo dvigubą elgesį bifurkacijos taške ± Bu. Pagal turbulentinių svyravimų poveikį žemės magnetiniai poliai gali pereiti nuo stabilių būsenų – Bs į balną, nestabilius taškus ± Bu. Šiose vietose atsiranda magnetinių polių elgesio bifurkacija – jie gali lėtai grįžti į savo pradines būsenas (ekskursiją) arba greitai pereiti į priešingą stabilų padėtį (inversija). Pav. iš aptariamo straipsnio Fiz. Rev. Lett.

Apskritai, Žemės magnetinis laukas gali būti pateikiamas kaip stabilus dipolio ir nestabilaus kvadrupolio, octupolio ir tt komponentai arba režimai (žr. Daugiaploką). Režimai, didesni už dipolį, gimsta iš elektra laidžios geležies srauto sukrėtimo viduje.Straipsnio autoriai jų teorijoje apibendrina geomagnetinį lauką pagal dipolio ir kvadrupolio režimų sumą, o pastarasis pagal jų modelį veikia kaip baltas triukšmas ant pagrindinio dipolio komponento.

Dėl šio triukšmo geomagnetiniai poliai nukrypsta nuo jų stabilios pusiausvyros pozicijų ir patenka į vadinamuosius balno taškus arba nestabilius pusiausvyros taškus (žr. 3 pav., ± Bs, čia B reiškia magnetinę indukciją, s – stabili tu – nestabili "nestabili"). Tada situacija gali išsivystyti dviem scenarijais (atsiranda sistemos bifurkacija): poliai gali lėtai grįžti į savo ankstesnę stabilią poziciją – tokia nepavykusi inversija vadinama ekskursija, arba ji pradės pritraukti ir greitai pereiti prie priešingų pusiausvyros taškų – šiuo atveju atsiranda inversija.

Tiesą sakant, yra bistabili sistema, kuri pagal triukšmą gali atsitiktinai pakeisti savo pusiausvyros padėtį. Kadangi triukšmingo kvadrupolio režimo poveikis dipolei yra silpnas, polių poslinkio tikimybė yra maža. Taigi, nenuostabu, kad Žemės istorijoje buvo vadinami superkūnai, per kuriuos nebuvo magnetinių polių inversijos.

Teorijos autoriai savo kokybinius argumentus palaiko kiekybiniais matematiniais skaičiavimais. Pagal savo modelį Žemės magnetinio lauko evoliucija apibūdinama paprasta (lyginant su magnetohydrodinaminėmis lygtimis) lygtimi, kurios sprendimus mokslininkai gaunaneŽemės magnetinio lauko dipolio momento (iš tiesų intensyvumo) priklausomybė (žr. 4 pav., viršutinė grafika). Šiuo metuapieEsant šiai priklausomybei stebima didelė magnetinio lauko inversija, jo intensyvumo neperiodiniai svyravimai, atitinkantys ekskursijas, ir superkronų buvimas.

Pav. 4 Aukščiau – laikinasaAš priklausoma nuo magnetinio lauko dipolio momento D aptariamoje Prancūzijos mokslininkų teorijoje; neigiama D reikšmė atitinka poliškumo pasikeitimą, ty įvykusį konversiją; laikas matuojamas milijonais metų (Myr). Viduryje – magnetinio lauko indukcijos priklausomybė von Karmano eksperimente su sraigtais F sukimosi dažniais1 = 22 Hz ir F2 = 16 Hz (žr. Paaiškinimą aukščiau), palyginti su laiku, matuojamas sekundėmis. Žemyn žemyn – laiko priklausomybė nuo Žemės magnetinio lauko reliacinio dipolio momento, pagrįsto paleomagnetiniais duomenimis.Bendrieji šių charakteristikų ypatumai yra chaotiški magnetinio lauko indukcijos ar dipolio momento pokyčiai, atitinkantys ekskursijas, ilgus laiko intervalus be inversijos – superkranų ir aukštą inversijos greitį pasirinktam laiko mastui. Pav. iš aptariamo straipsnioFiz. Rev. Lett.

Taigi, Prancūzijos mokslininkų teorijoje stebimas ir paaiškinamas viskas, kas būdingas magnetinio lauko elgesiui von Karmano eksperimente (4 pav., Vidutinė grafika) ir, svarbiausia, geomagnetinio lauko evoliucija (4 pav., Apatinė grafika).

Šaltinis: François Pétrélis, Stéphan Fauve, Emmanuel Dormy, Jean-Pierre Valet. Paprastas magnetinio lauko atstatymo mechanizmas // Fizinės peržiūros raidės 102, 144503 (2009).

Jurijus Yerinas


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

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