?

Log in

No account? Create an account

Previous Entry | Next Entry

На рисунке вы видите фатальное столкновение разноцветных веников силовые линии магнитного поля ядра Земли в момент смены полюсов.



Геологи изучают, каким было магнитное поле Земли в древности, измеряя остаточную намагниченность застывшей лавы. Когда лава жидкая, частички магнитного материала, словно маленькие компасы, ориентируются по силовым линиям магнитного поля Земли; когда лава затвердевает, она сохраняет эту намагниченность, «запечатлевая» историческую величину и направление магнитного поля. Измеряя намагниченность пород, можно узнать, каким было магнитное поле Земли в разные геологические периоды.

Оказывается, что поле Земли не только менялось по своей силе, но и меняло направление. Древние камни, намагниченные «не в ту сторону», были найдены еще в начале XX века. Земной магнетизм тогда был мало понятен, и теоретики пытались объяснить аномальную намагниченность камня его перемагничиванием в момент застывания — такой эффект перемагничивания при фазовом переходе известен — либо при большом механическом напряжении, давлении соседних пород. Однако, количественные предсказания этих моделей оказываются далеки от реальных измерений.

Только когда внутренне устройство Земли было понято, возникла теория геогидромагнитного динамо. Внутреннее ядро Земли состоит из затвердевшего под гигантским давлением сплава железа и никеля. Оно окружено внешним, жидким ядром из тех же металлов, но уже расплавленных. В жидком слое ядра происходят конвекционные течения, поддерживаемые энергией конденсации этого слоя на границе с внутренним твердым ядром. Эти конвекционные потоки закручиваются силами Кориолиса в спиральные структуры. Создайте магнитное поле, даже самой малой напряженности, и получите генератор электрического тока. Электрический ток усилит магнитное поле, а это поле еще усилит ток… Такая положительная обратная связь вызывает самовозбуждение динамо, и электрические токи в ядре Земли начинают вырабатывать самоподдерживающееся магнитное поле.

Такой же механизм образования магнитного поля есть и у Солнца. Такой же, если смотреть качественно — да не такой. Солнце меняет полярность своего поля будто по расписанию, раз в 11 лет, происходит это на пике солнечной активности, и при этом поле усиливается в несколько раз. А Земля меняет направление поля совершенно нерегулярно — иногда поле инвертировалось много раз за миллион лет, а иногда не меняло направления в течение 50 миллионов. Кроме того, в процессе смены полярности (а это тоже «запротоколировано» в застывших каменных породах) поле планеты не усиливается, а, наоборот, ослабевает, причем в десятки и даже сотни раз!

Динамические процессы в текущей жидкости невероятно сложны, и даже теории, количественно описывающей турбулентные течения, нет: турбулентность — одно из физических явлений, где мы можем наблюдать хаос в действии. Такие явления мы можем пока только моделировать численно.

Физическую модель магнитогидродинамического генератора в ядре Земли разработали геофизики Г. Глатцмайер из Национальной лаборатории в Лос-Аламосе и П. Робертс из университета Калифорнии[1] в 1995 г. Рассчитывали они эту модель на суперкомпьютерах в течение целого года. В начале работы они еще не знали, как поведет себя вычислительная модель — но через 36 тысяч модельных лет после запуска поле инвертировалось! С этого момента счет продолжали по двум ветвям: в одной сохранили неравномерный теплообмен ядра и прилегающей мантии, а в другом убрали эту асимметрию. В первой ветви поле еще несколько раз меняло направление, а во второй, как Глатцмаейр и предполагал, осталось стабильным. Маленькие «шероховатости» на границе ядра и мантии как будто «раскачивают» хаотическую систему, в какой-то момент она подхватывает эти малые колебания положительной обратной связью — и ядро становится многополюсным магнитом, полюса «бродят» по всей его поверхности, и, в конце концов, «успокаиваются», собравшись опять вблизи геометрических полюсов — иногда при том же направлении магнитного поля, а иногда и поменявшись местами. Смотрите сами:


http://www.youtube.com/watch?v=SJDcyyY01p4

Количественные предсказания модели неплохо согласуются с наблюдениями². Интересно, что модель Г.-Р. предсказывает, что ядро земли — еще и электромотор: оно вращается относительно коры! Это предсказание было подтверждено другими наблюдениями, хотя скорость вращения, предсказанная моделью (2—3 градуса в год, т. е. один оборот в 120—180 лет) оказалась в несколько раз выше наблюдаемой.

___________________________________________
1. G. A. Glatzmaier and P. H. Roberts, A three-dimensional self-consistent computer simulation of a geomagnetic field reversal, Nature, 377, 203-209 (1995).

2. По состоянию на 1996 год. Если знаете о существенных расхождениях, выявленных с тех пор, то расскажите обязательно!

Tags:

Comments

( 15 comments — Leave a comment )
eednew
Jan. 19th, 2010 11:34 am (UTC)
А напряженность магнитного поля при инверсии падает достаточно, чтобы нам настал кирдык?
fregimus
Jan. 19th, 2010 11:36 am (UTC)
Да сколько раз уже инверсия случалась. При сапиенсах, правда, не было, но при эректусах и хабилисах много раз, и ничего, выжили. У нас атмосфера толстая, да и солнечное магнитное поле в ней тоже свое, хоть и маленькое, наведет.

Edited at 2010-01-19 11:40 am (UTC)
eednew
Jan. 19th, 2010 12:36 pm (UTC)
Может, от этого сапиенсы и появились. :)
fregimus
Jan. 19th, 2010 06:36 pm (UTC)
Никак не может быть — последняя инверсия была 720 kya, сапиенсы появились намного позже.
gunya
Jan. 19th, 2010 01:33 pm (UTC)
При смене полюсов поле не исчезнет настолько, чтобы солнечная радиация стала совсем губительной для всего земного. Когда это происходит поле сначало из биполярного (два полюса) превращается в многополярное (один из красивых эффектов возможных - полярные сияния можно будет видеть и в средней полосе и даже на экваторе - там, где полюса в тот момент окажутся), после чего магнитные линии снова собираются и образуют диполь уже другой полярности. В данным момент, кстати поле обратнонаправленно, то есть северный магнитный полюс находится в южном полушании. Для человечества проблем больших не возникнет, тем более, что к моменту начала (а это все происходит не так быстро) люди уже точно успеют достаточно развиться. Проблемы могут возникнуть у птиц и животных, отриентирующихся по магнитным направлениям. Для них такая смена может повлечь за собой серьезные напряжения.
Хороший фильм про это все для тех, кому интересно:
http://www.youtube.com/watch?v=5XmaAzdKfDk
Это первая часть, там можно найти и все оставшиеся.
eednew
Jan. 19th, 2010 03:03 pm (UTC)
Спасибо. Но вообще, думаю, проблемы у многих возникнут. В т.ч. у нас.
andrei_koval
Jan. 19th, 2010 11:35 am (UTC)
Да, чудовищно сложные процессы. И к тому же -- никак не контролируемые.
fregimus
Jan. 19th, 2010 11:39 am (UTC)
Что неконтролируемые — это к лучшему. А то ведь нам только дай порулить…
andrei_koval
Jan. 19th, 2010 11:43 am (UTC)
Да, тоже верно.
sandegud
Jan. 19th, 2010 01:23 pm (UTC)
А почему бы и не порулить?
Можно придумать множество применений системе, управляющей магнитным полем Земли (хотя пока это конечно невозможно). От запуска микроспутников до магнитных мегаструктур вокруг планеты.
gunya
Jan. 19th, 2010 01:51 pm (UTC)
Для старта динамо маленького магнитного поля может оказаться недостаточно. Необходимо несколько вещей - большой объем жидкого очень хорошо проводящего материала, большая угловая скорость и сильное начальное магнитное поле. Правда, "большой" - понятние относительное. Но эти параметры формируют несколько безразмерных величин. При маленьких значениях этих величин динамо получится, при больших нет.
На Земле есть несколько экспериментов, где ученые пытаются воссоздать динамо (В Гренобле (Франция), Мериленде (США)). В Мериленде не так давно сделали огромную 3-хметровую сферу, наполняют ее жидким натрием и из-за размеров несравнимых с земными ооочень быстро раскаручивают при сильном внешнем магнитном поле. После чего поле отключают и изучают, как работает динамо.
Как стартовало земное динамо до сих пор загадка. Есть несколько предположений, одно из которых, что все это в результате большого взрыва стартовало или при каком-то серьезном столкновении двух или более тел.
gunya
Jan. 19th, 2010 01:53 pm (UTC)
"При маленьких значениях этих величин динамо получится, при больших нет".

Наборот, конечно, хотя это и не так важно.
fregimus
Jan. 19th, 2010 06:45 pm (UTC)
Спасибо за поправку. Я не знал этого. У Вас нет под рукой каких-нибудь ссылок? Казалось бы, динамо — явление частое, магнитные поля есть у большинства звезд, и у многих планет в Сол. сист., и у спутников Юпитера. На первый взгляд, требование крупной катастрофы в каждом случае кажется не очень убедительным. Хотя и столкновений они, конечно, пережили много.
gunya
Jan. 20th, 2010 10:12 am (UTC)
Самые ранние и основополагающие работы на эту тему, насколько я знаю у Брагинского и Робертса:
Braginsky SI (1965a) Self-excitation of a magnetic field during the motion of a highly conducting fluid. Proceedings of the National Academy of Sciences Washington 20: 726–735.
Braginsky SI (1965b) Theory of the hydromagnetic dynamo. Soviet Physics JETP 20: 1462–1471.
Braginsky SI (1964a) Kinematic models of the Earth’s hydromagnetic dynamo. Geomagnetism and Aeronomy 4: 572–583.
Roberts GO (1972) Dynamo action of fluid motions with twodimensional periodicity. Philosophical Transactions of the Royal Society of London A 271: 411–454.
Roberts GO (1972) Dynamo action of fluid motions with twodimensional periodicity. Philosophical Transactions of the Royal Society of London A 271: 411–454.
Есть много новых современных статей, но они уже больше связаны с моделированием и экспериментом.
Интересная статья Робертса "How MHD Transformed the Theory of Geomagnetism". Не могу сказать журнала, к сожалению.

Есть очень хорошая книга (сборник), вышла недавно. Treatise on Geophysics, издатель Elsevier. В ней отдельная часть посвящена теории Геодинамо. Там достаточно просто и понятно.
Если Вам интересно, могу выслать по почте pdf версию и пару интересных статей.=)
fregimus
Jan. 20th, 2010 10:24 am (UTC)
Спасибо. Treatise сам меня уже нашел, а статьи пришлите, пожалуйста — если только думаете, что я их одолею. Собсно, я, @gmail.com.
( 15 comments — Leave a comment )