О механизмах воздействия солнечной активности на

Показано влияние изменения солнечной активности на геодинамический, в частности сейсмический, режим
мантии. Посредником такого взаимодействия выступает магнитное поле Земли. Его изменение, вызванное
вспышками на Солнце, приводит к изменению скоростей вращения внешнего ядра Земли, являющегося источником
поля, и всей планеты. В свою очередь, это приводит к появлению дополнительных напряжений в коре и мантии,
которые инициируя процессы разрушения, приводят к изменению их сейсмического режима. Рассмотрено
взаимодействие других геосфер
«Солнце – истинный бог нашего солнечного мира»
К.Э.Циолковский
О МЕХАНИЗМАХ ВОЗДЕЙСТВИЯ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ НА
ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ПОЛЯ.
ЦЫГАНКОВ С.С.(II), к.ф.-м.н., с.н.с. Института динамики геосфер РАН.
Введение.
В качестве введения к данной статье приведем выдержку из одной работы основателя
космической биологии и гелиофизики профессора А.Л.Чижевского [1], которая отражает ее суть
и дает толчок для дальнейших исследований в направлении изучения механизмов
взаимодействия различных геофизических полей как между собой, так и с космическими и
биологическими полями: «Вся природа Земли во время страшных извержений и вспышек на
Солнце приходит в неистовое, так сказать маниакальное, состояние. Телеграф и радио приносят
нам вести о бедствиях, происходящих в различных странах земного шара, сотни и тысячи людей
гибнут под сумасшедшей водой, злобно выкатывающей на сушу свои волны, сгорают в пожарах,
проваливаются под землю или заливаются огненной лавой.
Живая материя в эти годы приходит также в неистовство. Эпидемии и пандемии, эпизоотии
и эпифитотии проносятся по земному шару, вырывая из жизни десятки и сотни тысяч жертв. Это
годы «глада и моровых поветрий». Появляются резкие отклонения от обычного хода
хронических и острых заболеваний, общая смертность во всех странах в эти годы достигает
своих максимальных значений. Микробы и вирусы также испытывают бешенство солнечных
корпускул и радиации. Саранчовые совершают в эти годы опустошительные налеты, мигрируют
якобы без особых внешних причин рыбы, птицы, грызуны, крупные хищники. Все неживое и
живое на планете приходит в движение. Все волнуется, включается в общий вихрь волнений
беспокойства и смятения». Это же относится к геологическим и геофизическим процессам. Более
того, в статье «Физические факторы исторического процесса» А.Л.Чижевским была показана
взаимосвязь процессов на Солнце и с процессами в человеческом обществе.
1.В настоящее время имеется много исследований посвященных связям геодинамических
процессов, в частности сейсмичности, с различными геофизическими параметрами: скоростью
вращения Земли [2], амплитудой земных приливов [3], геомагнитной активностью [4] (рис.1),
инверсией магнитного поля [5].
Рис.1 Нормированные на уровень
долговременного шума значения разности
между суммарным числом землетрясений
после 34 бурь и до них в районах наибольшего
эффекта в Южной Калифорнии. [4].
Также имеются данные о связях сейсмичности, количества горных ударов и вулканизма с
возмущениями межпланетной среды, вызванными повышенной активностью Солнца [6-8]
(рис.2а, б).
Рис.2а Зависимость энерговыделений в
землетрясениях от минимальных значений потоков
частиц, зарегистрированных нейтронными
мониторами в Магадане (а), Апатитах (б), Туле (в) во
время форбуш-понижений, вызванных солнечными
вспышками в 1984 и 1985 гг. Коэффициент
корреляции между сейсмической энергией
землетрясений и данными нейтронных мониторов:
0,97 (а), 0,94 (б), 0,95 (в) [6].
Рис.2б. Сопоставление изменений вулканической
деятельности (а.б) и количества горных ударов (в) в
течение сдвоенного цикла солнечной активности [8].
Жирными
линиями
показаны
аппроксимации
й й
полиномами 5 6 степеней.
На сегодняшний день часть связей достаточно «прозрачна», в частности увеличение
солнечной активности во время вспышек, выбрасывающих в пространство потоки заряженных
частиц и магнитными бурями с внезапным началом на Земле, которые генерируются при
передаче импульса от солнечного ветра магнитосфере Земли (рис.3).
Рис.3 Схематическое изображение конфигурации
магнитосферы в плоскости полуденнополуночного меридиана солнечномагнитосферной системы координат [9].
В свою очередь солнечная активность во многом определяется напряженностью
гравитационных полей и в большей степени взаимодействием Солнце – Юпитер [10]. Однако в
качестве эффектов второго порядка, существенно влияние и других планет. Особенно это важно
при изучении «парада» планет или влияния пролетающих крупных комет [10,11]. Кроме этого,
имеются экспериментальные данные, по которым можно предположить связь
микросейсмических пиков с распределением ближайших к Солнечной системе звездных масс
(рис.4). При этом можно говорить о резонансе волнового взаимодействия (гравитационного) в
системе Земля – i-е звездное скопление, в которой Земля выступает приемником этого резонанса
[12].
Рис.4. Наблюдаемый микросейсмический фон (сплошная
кривая) после накопления фонового сигнала с выхода
интерферометра:
(а) — диапазон 0.1-5 гц; (6) - диапазон 0.1-2 гц.
Пунктирная кривая на (а) показывает вычисленное
распределение звездного гравитационного потенциала
плюс монотонная часть микросейсмического фона.
Пунктирная кривая нормирована так, чтобы совпадали
величины на пунктирной и сплошной кривых при 2.28
гц. (в) - вычисленное распределение звездного
потенциала. Точки соответствуют всем ближайшим
звездам с расстояниями L<4 пк (1 пк= 3.1хЮ18 см), а
звездочки ближайшим ярчайшим звездам, для которых
L>4 пк. Масса М в массах Солнца. Числа около точек
экстремумов
кривых
означают
частоты.
Соответствующие этим частотам значения L=0.3C/ в пк
на (в) являются расстояниями до наиболее массивных
звезд или их скоплений в созвездиях [12].
Достаточно очевидна и связь сейсмичности с приливными воздействиями, которые, как
показали модельные эксперименты, вызывают движения вещества в теле планеты [13]. Во
всех случаях, возникающие в мантии дополнительные напряжения, будучи даже на несколько
порядков меньше основных, генерируемых в недрах самой планеты, могут служить в качестве
спускового механизма в зоне будущего события находящейся в критическом состоянии,
«когда слабые, определенным образом ориентированные воздействия инициируют появление
слабых землетрясений» [3,14].
Рис.5 Полярная диаграмма установившихся лунных приливных
нормальных напряжений σх и σу, действующих в направлениях
географических параллелей (β=const) и меридианов (α=const) в
тонкой оболочке пород Земли. N –северный полюс, β=0 – экватор
[15].
Рассмотрим механизмы взаимосвязи других геофизических полей, где в качестве
«посредника» выступает магнитное поле Земли.
2.О возможном механизме генерации магнитного поля
В рамках единой геодинамической модели Земли, 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 [16]. Это приводит к
созданию разности в угловых скоростях вращения внешней оболочки и жидкого ядра. В работах [17,18]
показано, что образование магнитного поля Земли может быть связано с различной скоростью
вращения мантии и жидкого внешнего проводящего ядра, в котором находятся свободные
электрические заряды. Их образование может быть связано с термоэлектрическими,
термоэмиссионными, электрохимическими и пьезоэлектрическими процессами [19].
«Существенно важным является образование свободных электрических зарядов в самом
диэлектрическом твердом теле, например, при его кристаллизации…», а также при высоких
градиентах температуры и давления, больших пластических деформациях [19].
В рамках геодинамической модели имеют место и высокие напряжения, образующиеся в
процессе движения фронта кристаллизации и внутреннего разогрева, и перепады температур, и
большие деформации и процессы разрушения оболочек [16].
Рис. 6. Распределение сжимающих напряжений в оболочках толщиной: 1-50, 2-200
и 3-400
км,образом,
от которых
движется
усадки, нафизические
момент предпосылки
потери ими для
Таким
в модели
имеются фронт
все необходимые
устойчивости
и
в
кристаллизованном
слое,
который
при
этом
оказывается
возникновения свободных электрических зарядов, однако этот вопрос требует
дальнейшей более
растянут; 4 – во внешней оболочке
толщиной
800 км при глубине фронта
детальной
проработки.
кристаллизации
2900км. электрических зарядов во внешнем ядре генерирует в пространстве
Вращательное движение
дипольное магнитное поле. При этом величина индуцированного магнитного поля будет
определяться скоростью вращения ядра Δωс (образно говоря «ротора») относительно внешней оболочки
Земли («статора»). На протяжении геологической истории при циклическом изменении радиуса Земли
происходит смена полярности в зависимости от того, вращается ядро быстрее мантии (прямое поле), или,
наоборот, мантия быстрее ядра (обратное) [18]. При этом происходит постоянное изменение
напряженности магнитного поля, с максимумом в моменты инверсии (до 10 раз).
3. Механизм взаимодействий.
Воздействие солнечного ветра на магнитосферу и, соответственно, на ее источник
магнитное поле, которое можно представить как бы «вмороженным» в пространство, приводит к
обратному воздействию – на источник возникновения этого поля [20]. О таком воздействии, как
бы напрямую, говорит и тот факт, что характерное время «памяти» магнитосферы на изменение
параметров солнечного ветра не превышает шести часов, а с другой стороны, развитие
флуктуаций поля зависит от трехчасовой предыстории состояния магнитосферы, т.е. от общего
тренда изменения индекса геомагнитной активности Кр. Это проявляется в улучшении качества
предсказаний индекса при учете предыдущего значения Кр [21].
Если магнитное поле генерируется в процессе проворота ядра относительно мантии с угловой
скоростью Δωс, то это воздействие должно приводить к изменению относительной скорости
вращения источника – внешнего ядра на величину δ(Δωс). Исходя из закона сохранения момента
количества движения это приведет к изменению скорости вращения мантии с обратным знаком
δωм=-(Сс/(Сс+См))хδ(Δωс), где Сс и См.- осевые моменты ядра и мантии соответственно. Изменение
скорости вращения мантии идет с некоторым запаздыванием из-за перераспределения скоростей в
ядре, вызванного вязким трением по границе внешнее ядро-мантия. Таким образом осуществляется
связь: солнечные вспышки → возмущение космического пространства → изменение магнитного
поля Земли (магнитные бури) → изменение скорости вращения планеты. При этом в мантии
образуются дополнительные тангенциальные напряжения Δσ~2А•ωм•δωм, где А – коэффициент,
зависящий от радиуса и толщины мантии и широты места, ωм – скорость вращения мантии [22],
которые также могут выступать в роли спускового механизма для напряженной оболочки Земли и
поэтому цепочку можно продолжить: изменение скорости вращения→ изменение напряженного
состояния литосферы→ изменение режима микросейсмичности. Это подтверждается в работе
[23], где отмечено изменение режима микросейсмичности с годовой периодичностью, и наиболее
вероятной причиной называется неравномерность угловой скорости вращения, установленная по
изменению продолжительности суток. Длительность отклика в сейсмичности на воздействие
магнитной бури составляет порядка 10 суток, причем максимум приходится на 2-7 сутки после
бури [24], что, как показано выше, может быть связано с реологическими процессами во
внешнем ядре.
При этом напряжения, возникающие при изменении скорости вращения планеты,
накладываясь на основное поле, соответствующим образом ориентируют направления развития
регулярной планетарной трещиноватости. Эта сетка диагональных разломов, распространенная
на всех континентах, которая наблюдается в разновозрастных и разного состава геологических
телах. [25].
С изменением напряженности магнитного поля связана и отмеченная суточная, 27 дневная,
годовая и сезонная периодичность земных токов, которая в работе [19] объясняется «их связью с
вариациями земного магнетизма, пятнообразовательной деятельностью Солнца, обращением
Земли вокруг Солнца и вращением вокруг своей оси». Как показано выше, это все
взаимосвязанные процессы, в которых вспышки на Солнце изменяя напряженность магнитного
поля Земли изменяют и ее скорость вращения.
Вариации скорости вращения ядра, изменяя напряженность магнитного поля Земли могут,
соответственно приближать или отдалять процессы его инверсии, связанные с относительным
движением (проворотом) ядра и мантии [18]. В свою очередь инверсия магнитного поля
вызывает изменение в других оболочках Земли. Последние исследования по вопросам
взаимосвязи инверсий геомагнитного поля с геодинамическими проявлениями (плюмами) и
изменениями в органическом мире в течение 370 млн. лет [5] показали, что эти явления на самом
деле близки к синхронным.
4.Магнитные бури, вызванные вспышками на Солнце изменяют геомагнитное поле и,
соответственно, его защитные функции. Поэтому в моменты солнечной активности помимо
увеличения солнечного потока происходит и увеличение «пропускной» способности защитного
поля. Это приводит к широкому спектру изменений в биосфере и техносфере ( в частности,
статистика аварий в авиации (с 1989 – 95 гг. – 219 событий ) свидетельствует, что с магнитными
бурями с внезапным началом совпало 57% всех происшествий) (рис.7а,б) [26-28].
Рис.7а. Коэффициент корреляции между
спектрами ежесуточного числа инфарктов
миокарда по данным скорой помощи г.Москвы
за 1979-1989 гг. и Bz компоненты
межпланетного магнитного поля [28].
Рис. 7б. Районы катастроф на линиях
электропередач на территории США,
вызванных
выходом
из
строя
трансформаторов во время сильных
геомагнитных бурь [28].
Максимально этот эффект 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 [5].
При этом изменение в одной из геосфер вызывает изменение и в других [29]. К этой цепочке
взаимодействий надо добавить воздействие еще одного поля антропогенной природы. В последнее
столетие влияние «человеческого фактора» приобретает все большее значение, а воздействия
физических и биологических полей, им созданных, могут вызывать катастрофические процессы в коре
с выделением запасенной в среде энергии, в частности тектонической, на порядки больше
«вложенной». Дополнительные статические и динамические поля напряжений, возникающие в
верхних слоях Земли при строительстве сооружений, заполнении водохранилищ, разработке полезных
ископаемых, подземных ядерных взрывах и т.п. сами по себе или вместе с «основным»
(тектоническим) полем могут вызывать техногенную или техногенно-индуцированную сейсмичность
[30-32].
а
б
Рис.8. Распределение землетрясений района до (t < 0) и после (t > 0) пусков МГД-генератора во
времени для Северного Тянь-Шаня (а), а также событий с К > 8 для приповерхностного
пятикилометрового слоя (б). По оси ординат - суточное число землетрясений, нормированное
на их среднее значение до пусков; по оси абсцисс - время, отсчитываемое от даты пусков.
Пунктирная линия - доверительный интервал шириной Зσ [30].
Такое вмешательство может иметь и глобальные последствия. Изменение температуры
атмосферы, в основном вследствие неконтролируемой производственной деятельности, приводит
к необратимым изменениям в атмосфере, криосфере, гидросфере и биосфере («глобальное
потепление»). Последствия этого процесса наблюдаются и в литосфере. Даже незначительное
увеличение температуры внешнего слоя планеты изменяет термодинамический режим и внешних
твердых оболочек [33]. Это приводит к изменению «основного» поля напряжений в коре и,
соответственно, ее геодинамической активности. Результаты влияния жизнедеятельности на
планете и изменения параметров солнечной активности становятся соизмеримыми. При этом
человечество по степени своего воздействия на различные геосферы, а, следовательно и Землю в
целом, становится космическим фактором. Более того, если учесть, что, коль скоро, мы не в
силах изменить или даже подправить процессы, протекающие в недрах и за пределами Земли, то
роль Человечества возрастает, так как его производственная активность может и должна быть
контролируемой. Задача заключается в правильном выборе и принятии«оптимального
поведения», для чего необходимо знать причину движения вещества в различных геосферах, в
частности природу возникновения тектонических напряжений в твердых оболочках; условия их
устойчивого функционирования и механизмы взаимодействия между ними, чему частично
посвящена предлагаемая статья.
Заключение.
Все звездные и планетарные объекты помимо собственной энергетики находятся во
взаимодействии с другими телами и физическими полями, изменение напряженности которых
может инициировать катастрофические процессы на самих объектах или составляющих их
оболочках. Для Солнца гравитационные поля планет могут, в определенных случаях,
способствовать «разрушению» его поверхностного слоя с выбросом значительных масс или
потоков частиц. На Земле такие вспышки приводят к активизации геодинамических процессов.
Посредником этих взаимодействий выступает магнитное поле Земли. Его изменение, вызванное
вспышками на Солнце, приводит к изменению скоростей вращения внешнего ядра Земли,
являющегося источником поля, и всей планеты. В свою очередь это создает дополнительные
напряжения в коре и мантии, которые в определенных регионах, инициируя процессы
разрушения, приводят к изменению сейсмического режима. Изменение напряженности
магнитного поля приводит и к изменениям в био и техносфере. В последнее столетие все
большую значимость приобретает антропогенное воздействие на геофизические поля. При этом
возникает глобальная цепочка взаимодействия: Звездные скопления  Солнце  планеты
(гравитационное взаимодействие)  солнечная активность  возмущение космической среды
 Земля (гравитационное, электромагнитное взаимодействие)  изменение магнитного поля
Земли  изменения: в атмосфере (циклоны, торнадо и т.п.), в криосфере (таяние льдов), в
гидросфере (цунами и т.п.), в литосфере (землетрясения, вулканизм и т.п.), в техносфере (аварии
и т.п.), в биосфере (миграция животных, эпидемии, пандемии и т.д.)  человечество
(производственная деятельность), изменение условий проживания на планете. Причем цепочка
работает в обоих направлениях, когда человечество становится по сути, космическим фактором.
Литература.
1.Чижевский А.Л. Гневы Солнца. в кн. На берегу Вселенной. М.: Мысль, 1995 С.491-543.
2.Рулев Б.Г. Годовая периодичность в эмиссии микроземлетрясений и неравномерность
вращения Земли/Землетрясения и процессы их подготовки. М.: Наука, 1991. С.127-138.
3.Тюпкин Ю.С. Модулирование слабой сейсмичности приливными деформациями перед
сильными землетрясениями//Вулканология и сейсмология 2002, №3, С.3-10.
4.Закржевская Н.А., Соболев Г.А. Влияние магнитных бурь с внезапным началом на
сейсмичность в различных регионах// Вулканология и сейсмология, 2004, №3, С.63-75.
5.Печерский Д.М. Инверсии геомагнитного поля, плюмы и изменения органического мира в
фанерозое: удивительные совпадения//Физика Земли.- 2003. №1. С.53-56.
6.Соболев Г.А., Шестопалов И.П., Харин Е.П. Геоэффективные солнечные вспышки и
сейсмическая активность Земли//Физика Земли, 1998, №7, С.85-90.
7.Сытинский А.Д. О связи землетрясений с солнечной активностью//Физика Земли, 1989.
№2,С.13.
8.Цирель С.В. О возможной зависимости вулканической деятельности от солнечной
активности/Атлас временных вариаций природных, антропогенных и социальных процессов. Том
3.Природные и социальные сферы как части окружающей среды и объекты воздействий.С.254256.
9.Хоунс Е.И. Связь между солнечным ветром, ионосферой и магнитосферой /в сб. Солнечноземные связи, погода, климат М.Мир, 1982, С.102-122.
10.Шемякин Е.И. О возможной природе солнечной активности//ДАН, 1992, Том 326, №1, С.5962.
11.Мерс Х.Т., Шламмингер Л. Движение планет, солнечные пятна и климат /в сб. Солнечноземные связи, погода, климат М.Мир, 1982, С.222-235.
12.Дубровский В.А. Связь фона микросейм с космическими объектами и гравитационные
волны/Геофизические процессы в нижних и верхних оболочках Земли. ИДГ РАН, 2003, С.268274.
13.Бобряков А.П., Ревуженко А.Ф., Шемякин Е.И. Приливное деформирование планет: опыт
экспериментального моделирования//Геотектоника, №6, 1991, С.21-35.
14.D.Emter Tidal triggering of earthquakes and volcanic events/Tidal phenomena, 1997,P.294-309.
15.Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел. Т.2.-М.: Мир, 1969.-863 с.
16.Цыганков С.С. Конструкция космического корабля «Планета Земля»//Природа. 2003.- №6.- С 70-79.
17.Орленок В.В. Основы геофизики. 2000.-446 с.
18.Цыганков С.С. Инверсия магнитного поля – часть единого геодинамического процесса/сб. ИДГ РАН (в
печати).
19.Воробьев А.А. Физические условия залегания и свойства глубинного вещества. (Высокие
электрические поля в земных недрах). Томск: изд-во ТГУ, 1975, 296 с.
20.Шемякин Е.И. Модель магнитного поля Земли (в печати).
21.Русанов А.А., Петрукович А.А. Влияние параметров солнечного ветра на уровень флуктуаций
геомагнитного поля//Космические исследования, том 42, №4, 2004, С.368-375.
22.Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. М.: Наука, 1979. 560 с.
23.Нерсесов И.А., Рулев Б.Г., Боканенко Л.И. и др. Сезонные вариации ряда сейсмологических и
деформационных параметров на Гармском полигоне//ДАН, 1985, Т.282, №5, С.1086-1089.
24.Закржевская Н.А., Соболев Г.А. О связи сейсмичности с магнитными бурями//Физика Земли,
2002, №4, С.3-15.
25.Косыгин Ю.А. Геотектоника. М.: Недра, 1969. 616 с.
26.Чижевский А.Л. Земное эхо солнечных бурь. -М.: Мысль. 1976, 350 с.
27.Владимирский Б.М., Кисловский Л.Д. Космические воздействия и эволюция биосферы.
М.,1986.
28.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.
29.Адушкин В.В., Щукин Ю.К. Динамические процессы во взаимодействующих геосферах
/Физические процессы в геосферах их проявление и взаимодействие. М., ИДГ РАН, 1999, С.7-22.
30.Тарасов Н.Т. Воздействия мощных электромагнитных импульсов на сейсмичность средней
Азии и Казахстана//Вулканология и сейсмология, 1999, №4,5. С.152-160.31.Адушкин В.В., Зецер
Ю.Б. Перераспределение энергии во внутренних и внешних геосферах при
высокоэнергетических воздействиях/Взаимодействие процессов во внутренних и внешних
геосферах Земли. М., ИДГ РАН, 1994, С.10-18.
32.Турунтаев С.Б. Разработка месторождений углеводородов и сейсмичность/ Физические
процессы в геосферах их проявление и взаимодействие. М., ИДГ РАН, 1999, С.80-98.
33.Любимова Е.А. Термика Земли и Луны.-М.:Наука,1968.-278 с.