причины и следствия для безопасности

«Изменения магнитного поля – причины и следствия для безопасности «Космического
Корабля Планета Земля» (ККПЗ).
ЦЫГАНКОВ С.С.(II), к.ф.-м.н., с.н.с. Института динамики геосфер РАН,,
ЦЫГАНКОВ С.С.(III), м.н.с. Института космических исследований РАН.
Введение
Магнитное поле Земли, его напряженность, наклонение и склонение постоянно
изменялись на протяжении всей ее истории. Периоды этих изменений самые различные:
минуты, сутки (суточные вариации), сотни лет (вековые вариации), вариации основного
спектра (период от 300 до 20 тысяч лет).
Рис.1а
Палеомагнитная Рис.1б Карты магнитного поля Земли на границе
геохронологическая шкала для последних ядро-мантия, сделанные по измерениям со спутника
4,5 млн. лет (по Ф.Стейси).
[1].
Самые сильные и глобальные изменения – инверсии магнитного поля, когда оно на
протяжении геологической истории неоднократно изменяло полярность на прямую и обратную. В
качестве примера на рис.1а показана геохронологическая шкала для последних 4,5 млн. лет, согласно
которой в течение указанного периода сменилось 4 эпохи: Брюнеса, Матуямы, Гаусса и Гильберта. Внутри
них при более детальных исследованиях были обнаружены более краткие смены полярности. Но
изменения заметны и за более короткие промежутки времени. Так на рис.1б хорошо видны
изменения магнитного поля Земли произошедшие за 20 лет с 1980 по 2000гг.
Изменения магнитного поля приводят к изменениям и в других геосферах, в частности, в
большей степени в биосфере – жилом отсеке ККПЗ. Максимальные изменения соответствуют
периодам инверсии. Систематические исследования инверсий позволили выявить связь между
периодической сменой растительного и животного мира на Земле с циклическими изменениями
магнитного поля. В моменты слабого магнитного поля в процессе инверсий, когда его
напряженность уменьшается в 5-10 раз [2], Земля остается «беззащитной» перед космическим
излучением, которое оказывает очень большое воздействие на биосферу. Но и более слабые
изменения поля влияют на жизнедеятельность и безопасность ККПЗ.
1.О возможном механизме инверсии магнитного поля.
В качестве причин возникновения инверсий магнитного поля рассматриваются «внутренние» и
«внешние» механизмы: изменение активности и неустойчивость процессов в ядре, падение астероидов,
приливная эволюция системы Земля – Луна, эволюция Земли в составе Солнечной системы и даже
положение Солнечной системы в Галактике и т.д. [1, 3-5].
Предложенный авторами механизм генерации и инверсии магнитного поля построен на основе
разрабатываемой ими единой геодинамической модели Земли [6]. В рамках этой модели, в которой
главными действующими физическими процессами являются охлаждение первоначально расплавленного
тела и внутренний разогрев, показано, что в процессе его кристаллизации с поверхности, идущей с усадкой,
и разогрева, сопровождающегося увеличением объема, происходит циклическое изменение (увеличение и
уменьшение) радиуса Земли. Исходя из закона сохранения момента количества движения, это приводит к
созданию разности в угловых скоростях вращения внешней твердой оболочки (мантии) и жидкого ядра.
Опираясь на работы Воробьева А.А. [7] можно предположить наличие в ядре свободных
электрических зарядов, образование которых может быть связано с различными физикохимическими
(термоэлектрическими,
термоэмиссионными,
электрохимическими,
пьезоэлектрическими) в том числе кристаллизационными процессами, а также при высоких
градиентах температуры и давления, больших пластических деформациях, т.е. при тех
условиях и процессах, которые реально могут происходить в недрах Земли в рамках
предложенной геодинамической модели.
Тогда вращательное движение зарядов вместе с внешним ядром относительно мантии
может генерировать в пространстве дипольное магнитное поле. При этом, как это будет показано
ниже, величина индуцированного магнитного поля будет определяться скоростью вращения ядра
Δωс=ω2-ω1 (образно говоря, «ротора») относительно внешней оболочки Земли («статора») (рис.2).
1
Ωω1
τ
2
3
Q
Рис.2 Расчетная схема перераспределения
момента инерции при увеличении радиуса
Земли R на величину ∆R в процессе
расширения внутреннего вещества: 1 – твердая
оболочка; 2 – внешнее ядро 3 – внутреннее
ядро. Это приводит к появлению проворота
ядра относительно мантии; τ – сила вязкого
трения, действующая по границе мантия –
внешнее ядро; Q – тепло, выделяющееся на
границе за счет трения. В данном случае
ядро вращается быстрее Δωс=ω2-ω1>0 .
Из закона сохранения момента количества движения относительная скорость вращения
ядра Δωс=ω2-ω1 при изменении радиуса планеты:
где n=R1/R - отношение радиусов внешнего ядра и планеты, ω2- угловая скорость
вращения ядра; ω1 –мантии.
На протяжении геологической истории при циклическом изменении радиуса Земли
происходит смена полярности в зависимости от того, вращается ядро быстрее мантии Δω с>0
(прямое поле), или, наоборот, мантия быстрее ядра Δωс<0 (обратное) (при увеличении и
уменьшении радиуса планеты). При этом происходит постоянное изменение напряженности
магнитного поля, с максимумом в моменты инверсии (до 10 раз).
На рассогласованность в движении жидкого ядра и его жестких ограничений указывают и
геофизические данные. Вращение внешнего ядра при большом изменении физико-механических свойств
его вещества по глубине от мантии до внутреннего ядра, сила трения и разница в скоростях вращения на
твердых границах может приводить к его «расслоению» – образованию помимо основного «проворота»
тонких приграничных слоев и созданию в них условий для возникновения вихревых движений (рис.3а).
Рис.3а
Схема
образования
вихревых
движений
проводящего вещества внешнего ядра
при Δωс>0: 1 – мантия; 2 –
внешнее
ядро
(а,с
–
приграничные области; b –
основной
проворот);
3
–
внутреннее ядро.
(не в масштабе)
При этом возникают два типа источников генерации магнитного поля разного объема и,
соответственно, мощности – основное и приграничные динамо. Для совместимости движения жидкости
на границах направления вращения в них должны быть противоположными. Соответственно, они будут
создавать магнитные поля разных знаков. При этом магнитное поле всей Земли будет определяться
суммой диполей создаваемых отдельными вихревыми движениями. Суммарный дипольный
магнитный момент всего жидкого ядра Pm можно получить проинтегрировав по его объему
магнитные моменты отдельных замкнутых токов pm, различающихся радиусом (r) и угловой
скоростью вращения (ω) pm=i·s, где s=π·r2 – площадь контура, i=n·e·ω·r·f, где n – число зарядов в
единице объема, e - заряд, f – площадь поперечного сечения. Как видно для основного проворота
величина индуцированного магнитного момента пропорциональна относительной угловой скорости
Δωс.
Результаты модельных экспериментов образования вихревых движений во вращающейся
жидкости показаны на рис.3б.в
Рис.3б Взаимосвязь крупно- и
мелко
масштабных
конвективных структур в опыте
Кутателадзе
(1979)
при
изменении вязкости жидкого
неравновесного слоя (в разрезе).
Эффект
сохраняется
при
усложнении
геометрии
неравновесного
слоя,
от
плоского до цилиндрического и
сферического [8].
.Рис.3в Трековые фотографии
докритического
(а)
и
закритического
течения
вращающихся жидкостей (б) –
возникновение
регулярной
вихревой картины [9].
При выравнивании скоростей Δωс →0 за счет вязкого трения по границе мантия – ядро
вращательные движения будут затухать, поле распадаться, и напряженность резко уменьшаться. Процесс
уменьшения относительной скорости течения вязкой жидкости по глубине происходит неравномерно.
При этом остановка основного проворота и вращательных движений в приграничных «вихревых»
системах и, соответственно, «разрушение» основного и приповерхностного динамо будут разнесены во
времени и происходить сначала в приповерхностном слое, а затем в объеме основного проворота. Это
согласуется с фактом, что по мере уменьшения магнитного момента в начале инверсии наблюдается
увеличение числа коротких резких флюктуаций направления магнитного поля (экскурсы), которые,
согласно предположению Брагинского С.И. [10], генерируются в приповерхностном слое и становятся
заметными на фоне слабого основного динамо.
Процесс зарождения магнитного поля обратной направленности будет связан с изменением знака
относительной скорости вращения ядра и мантии и с образованием основной и приграничных систем с
противоположным направлением течения проводящего вещества.
Изменение направления относительного проворота мантии и ядра связан с изменением
превалирующего процесса (охлаждения с усадкой или разогревания с расширением) внутри Земли
согласно геодинамической модели [6]. В частности, это может быть связано с изменением
энергетического баланса внутри планеты во время инверсии. Уменьшение до нуля скорости основного
проворота приводит к «выключению» теплового генератора работающего за счет силы трения Q,
действующей по границе мантия – ядро и величина которого может быть значительной [11]. Это может
инициировать дальнейшее продвижение вглубь фронта кристаллизации, идущего с усадкой, с
изменением моментов инерции и, соответственно, угловых скоростей вращения мантии и ядра.
2. Изменение магнитного поля в настоящее время. Возможность скорой инверсии.
По данным обсерваторских наблюдений магнитный момент Земли неуклонно
уменьшается [2]. Из этого можно сделать вывод, что Земля постепенно теряет приобретенный
когда-то большой магнитный момент. По некоторым оценкам за последние 170 лет
геомагнитное поле ослабло почти на 10% - 15%, причем со временем скорость этого процесса
возрастает. Если этот уровень сохранится, то через 1,5 – 2 тыс. лет Земля может войти в
интервал переполюсовки, который по различным исследованиям может составить ~10 тыс.
лет [12].
Изменение геомагнитного поля показанное на рис.1б, показало образование новых
участков обратного магнитного поля, в частности, под восточным побережьем Северной
Америки и Арктикой. Кроме этого, ранее выявленные участки обратного поля выросли и
сдвинулись в сторону полюсов. Исследования показали, что образование, рост и смещение в
сторону полюсов участков обратного поля объясняет снижение силы диполя и может говорить
о скорой переполюсовке.
Исходя из предложенной модели генерации магнитного поля, уменьшению его
напряженности перед инверсией, связанному с уменьшением скорости основного проворота
Δωс , предшествует изменение в вихревых движениях (распад, изменение направления
движения) в приграничной области (мантия-внешнее ядро), где сила трения максимальна
(рис.2, 3а). Спустя некоторое время волна торможения доходит и до границы внешнее ядровнутреннее ядро, вызывая изменения и там. Из этого следует, что смену полюсов предваряет
образование в приграничном слое вихрей (диполей) и, соответственно, участков на границе
мантия-ядро с обратным магнитным полем и с постепенным увеличением их числа и
размеров, что мы и наблюдаем на рис.1б. Так что эти факты на самом деле могут
свидетельствовать о возможности скорой переполюсовке, которой уже не было в течение 780
тыс. лет.
Помимо этого надо учесть, что любое геодинамическое событие, связанное с
разрушением или потерей устойчивости внешней или внутренних оболочек, приводящих к их
вспучиванию или проседанию, раздвиганию, внедрению внутреннего вещества, в общем
случае приводящее к смещению масс в и на Земле, должны приводить к изменению момента
инерции мантии и ядра и, соответственно, исходя из закона сохранения момента количества
движения, к изменениям значений и направлений их угловых скоростей (рис.4). Согласно
предложенной модели это должно приводить и к изменению напряженности и ориентации
основного и приповерхностного динамо.
Рис.4 Качественная схема, показывающая изменения
геометрии, моментов инерции и угловых скоростей
мантии и ядра, приводящих к изменению
напряженности и ориентации магнитного поля Δφ при
различных геодинамических событиях (разрушения,
потери устойчивости, вспучивания, опускания,
раздвигания, внедрения и т.п.).
В работе [13] также проводится четкая корреляция зон разломов и вспучивания как
очагов дифференциации вещества, возбуждения движения проводящего вещества в ядре
(струй) и как следствие создания «локальных» магнитных полей. При этом магнитное поле
всей Земли будет представлять сложение отдельных «диполей», а магнитные полюса
соответствовать местам, где сумма напряженности всех полей достигнет максимума.
Из предложенной в статье модели должна следовать тесная взаимосвязь между
цикличностью процессов разрушения в верхней твердой оболочке Земли с инверсией
магнитного поля. Из тех данных, которые сразу «бросаются в глаза» надо отметить
совпадение эпох длиннопериодных устойчивых состояний магнитного поля с
интервалом 160-200 млн. лет [2] с геодинамической цикличностью Бертрана (150-250
млн.лет), [14]. Более того, эти периоды совпадают и с климатическими циклами,
связанными с вулканической деятельностью [15].
3.О влиянии изменения магнитного поля на био- и техносферы.
Влияние изменения величины магнитного поля на биосферу можно оценить по
результатам воздействия космического излучения во время увеличения солнечной активности.
Наблюдающееся в настоящее время уменьшение напряженности магнитного поля
эквивалентно увеличению солнечного излучения попадающего на поверхность Земли. При
увеличении солнечного потока происходит
и увеличение «пропускной» способности
защитного поля. Это приводит к широкому спектру изменений в биосфере. Работы
А.Л.Чижевского однозначно показывают взаимосвязь увеличения солнечной активности с
изменениями в биосфере, в частности, с увеличением заболеваемости и смертности в мире от
различных болезней и эпидемий (рис.5а).
Рис. 5а Схема распределения холерных
эпидемий и пандемий на кривой
пятнообразовательной деятельности Солнца
[16].
Рис.5б. Коэффициент корреляции между
спектрами ежесуточного числа инфарктов
миокарда по данным скорой помощи
г.Москвы за 1979-1989 гг. и Bz компоненты
межпланетного магнитного поля [18].
В частности, большой процент населения России, в основном пожилые люди, во время
увеличения солнечной активности чувствуют ухудшение самочувствия . Об их приближении заранее
предупреждают некоторые газеты и радиоканалы. Это тоже одна из превентивных мер.
В техносфере увеличение солнечной активности и связанные с ними магнитные бури
приводят к увеличению числа аварий на линиях электропередач, в системах теле и радио
связи, в системе спутниковой связи, так, в частности, статистика аварий в авиации (с 1989 – 95
гг. – 219 событий ) свидетельствует, что с магнитными бурями с внезапным началом совпало
57% всех происшествий) [16-18].
Рис. 5в. Районы катастроф на линиях
электропередач
на
территории
США,
вызванных
выходом
из
строя
трансформаторов
во
время
сильных
геомагнитных бурь [18].
Максимально эффект изменения напряженности магнитного поля проявляется в процессе
инверсии, когда понижение магнитного момента (в центральном этапе в 5 – 10 раз)
пропорционально увеличивает попадающее на Землю космическое излучение, что в свою очередь
должно резко изменять условия существования животного мира на Земле. Это согласуется с
определенной связью режима инверсий с геологическими эрами, отражающими крупные изменения
в биосфере Земли, в частности, это относится к границе рифея и палеозоя.
Последние исследования по вопросам взаимосвязи инверсий геомагнитного поля с
геодинамическими проявлениями (плюмами) и изменениями в органическом мире в течение 370 млн. лет
[19] показали, что эти явления на самом деле близки к синхронным.
Заключение.
В заключении надо сказать, что в последние столетия на Земле происходит постоянное изменение
напряженности магнитного поля в сторону ее уменьшения, связанное с геодинамическими процессами
внутри Земли. На это накладываются процессы, связанные с изменением солнечной активности и
космическим излучением. Все это приводит к уменьшению защитных свойств главного защитного экрана
космического корабля, и, как следствие, к отрицательным последствиям в биосфере и техносфере – «жилом
и производственном отсеках» ККПЗ. Со временем негативные последствия будут нарастать вплоть до
начала момента инверсии, который «не за горами», и последствия которого будут значительно больше.
Литература
1. Глацмайер Г., Олсон П. Изучение геодинамо//В мире науки, 2005.-№7.-С.29-35.
2.Петрова Г.Н. Цилические изменения магнитного поля Земли//Физика Земли, 2002.- №5.- С.514.
3.Авсюк Ю.Н. Приливные силы и природные процессы М. , 1996, 186 с.
4.Шалимов С.Л. О механизме нестабильности динамо// ДАН, Том 395, №2, 2004, С.258-260.
5.Чуйкова Н.А., Семенков К.В. Зависимость частоты инверсий геомагнитного поля от
положения Солнечной системы в Галактике/ сб. Земное ядро как источник аномалий в
гравитационном и магнитном поле Земли и геодинамических эффектов Аналог, МГУ, 1996.
С.136-145.
6.Цыганков С.С., Цыганков С.С. (II), Цыганков С.С.(III) Конструкция космического корабля
«Планета Земля»//Природа. 2003.- №6.- С 70-79.
7.Воробьев А.А. Физические условия залегания и свойства глубинного вещества. (Высокие
электрические поля в земных недрах). Томск: изд-во ТГУ, 1975, 296 с.
8.Петров О.В., Мовчан И.Б. Самоподобие и размерность в диссипативном
струкутурировании/Региональная геология и металлогения №19, 2003 СПб Изд-во ВСЕГЕИ
С.33-47
9.А.М.Обухов Турбулентность и динамика атмосферы. Л. Гидрометеоиздат, 1988, 442с.
10.Брагинский С.И. Волны в устойчиво-стратифицированном слое на поверхности земного
ядра//Геомагнетизм и аэрономия. –1987.- Т.28.-С.476-482.
11Летников Ф.А. К проблеме источника внутреннего тепла// ДАН, 2001, Том 378, №3, С.387389.
12.Орленок В.В. Основы геофизики. 2000.-446 с.
13.Ромашов А.Н. Планета Земля. УРСС, 2002, 261 с.
14.Хаин В.Е. Крупномасштабная цикличность в тектонической истории земли и ее возможные
причины//Геотектоника. -2000. -№6. -С. 3 -14.
15. Чумаков Н.М. Периодичность главных ледниковых событий и их корреляция с эндогенной
активностью Земли//ДАН, 2001. Т.378. №5.
16.Чижевский А.Л. Земное эхо солнечных бурь. -М.: Мысль. 1976, 350 с.
17.Владимирский Б.М., Кисловский Л.Д. Космические воздействия и эволюция биосферы. М.,
1986.
18.Бреус Т.К., Конрадов А.А. Эффекты ритмов солнечной активности/ Атлас временных
вариаций природных, антропогенных и социальных процессов. Том 3. Природные и
социальные сферы как части окружающей среды и объекты воздействий. С. 516-524.
19.Печерский Д.М. Инверсии геомагнитного поля, плюмы и изменения органического мира в
фанерозое: удивительные совпадения//Физика Земли.- 2003. №1. С.53-56.