13. «ПРОБЛЕМА № 1» В ФИЗИКЕ ЗЕМЛИ

Уже более 500 лет, со времен знаменитого плавания Колумба в 1492 г. и открытия магнитного наклонения Г. Гертманом в 1510 г., известно, что источником магнитного поля Земли являются процессы, протекающие в ее недрах. В разное время многие выдающиеся умы: С.И. Брагинский, Э. Буллард, К.Ф. Гаусс, У. Гильберт, П.Н. Лебедев, Я.Б. Зельдович, Д. Лармор, В. Сазерленд, Я.И. Френкель, А. Эйнштейн, М. Эльзассер и многие, многие др., пытались определить механизм генерации геомагнитного поля Земли [Буссе, 1984; Григорьев, 2004; Яновский, 1953, 1967]. Однако до настоящего времени так и нет достаточной ясности о природе такого механизма.

Трудности, стоящие на пути решения проблемы геомагнитного поля, связаны не только с недостаточным знанием строения Земли и состояния вещества в ее недрах, но и с пониманием самих основ электромагнетизма [Низовцев, Бычков, 2007; Николаев, 2002]. В этой главе остановимся на некоторых из них.

Суть проблемы геомагнетизма

Состояние проблемы, словами автора работы [Кузнецов, 2008], можно выразить следующим образом.

Ф. Буссе [1984] утверждает, что А. Эйнштейн считал эту проблему одной из трех важнейших проблем Физики. Несмотря на колоссальные усилия сотен физиков, занимающихся этой проблемой, нет ни одного достаточно серьезного успеха в этом деле. Проследим еще одну цепочку. Если магнитное поле на Земле обязано динамо-эффекту в жидком железном ядре (что не подвергается сомнению), то почему магнитное поле раньше было на Марсе, Луне, Ио, Ганимеде, а потом исчезло? (Возможно, что на Ганимеде поле ещё существует). Почему оно обнаружено на Меркурии, но его нет на Венере? Почему магнитное поле имеется на больших планетах (по своей структуре однотипное с земным), где, по-видимому, нет железного ядра? Разговоры относительно того, что, дескать, динамо на этих планетах “раскручивается” в жидком водороде, и вообще эти планеты “холодные”, “разбиваются” результатами наблюдений космической станцией Вояджер, которая обнаружила, что тепловой поток на этих планетах значительно превышает поток тепла от Солнца на их расстояниях.

Остановимся на теоретической проблеме динамо. Модель генерации геомагнитного поля базируется на совместном решении нескольких уравнений. Они описывают движение вязкой проводящей жидкости, заполняющей сферическую полость внешнего ядра. Жидкость подвергается воздействию гравитационных, гидродинамических, инерционных и электромагнитных сил. Движение жидкости описывается: 1) гидродинамическим уравнением Навье-Стокса, 2) уравнением индукции, связывающим магнитное поле с движением жидкости, 3) уравнениями неразрывности и 4) термодинамики.

Уравнение Навье-Стокса в векторной форме имеет вид:

∂v/∂ t + (v )v = ν v + ν/3 (div v) – 2(ω×v) – 1/ρ p + g - µ/4πρ rot H×H,

где t – время, v – вектор скорости, ν - коэффициент кинематической вязкости, ω - вектор угловой скорости вращения Земли, ρ - плотность вещества внешнего ядра, Р – давление, g

– ускорение массовых сил, µ - магнитная проницаемость, Н – вектор напряженности магнитного поля.

Уравнение индукции в векторной форме записывается в виде:

∂H/∂ t = rot(v×H) + νm∆H,

385

где νm – коэффициент «магнитной диффузии» (магнитная вязкость). Уравнения неразрывности и диффузии тепла (Т – температура):

(v×H) = 0,

∂T/∂ t + v T = Pr-1 2T,

где r 2 = x2 + y2 + z 2 , x, y, z - декартовы координаты.

Эти уравнения содержат скорость v и напряженность магнитного поля Н и должны решаться совместно. Однако, их совместного решения до сих пор не получено (и вряд ли возможно), поэтому проблема генерации геомагнитного поля идет в направлении разработки кинематической теории динамо, в которой скорость жидкости v считается известной и решается только уравнение индукции, определяющее геомагнитное поле. Если принять, что характер движения жидкости задан, необходимость решения уравнения Навье-Стокса отпадает, а уравнение индукции превращается в линейное уравнение в частных производных второго порядка, которое после соответствующих преобразований может быть решено.

Заметим, что внимательный анализ особенностей геомагнетизма, рассматриваемые

вконтексте динамо модели (глобальной тектоники плит) показывает:

-Модель-динамо не решает ни одной из проблем геомагнетизма, кроме одной, в которой показывается принципиальная возможность генерации магнитного поля посредством взаимодействия полоидального (дипольного) и тороидального магнитных полей. При этом не находят решения и такие задачи геомагнетизма как: инверсии поля, западный дрейф, движение магнитных полюсов, джерки, морфология поля и т.п.

-Принято считать, что причина появления джерков, т.е. быстрых (в течение одного года) изменений магнитного поля, присуща механизму генерации геомагнитного поля. Если джерки генерируются около поверхности внутреннего ядра, то в этом случае можно оценить электропроводность внешнего ядра Земли. Оцененная таким образом электропроводность примерно на 5 порядков меньше, чем постулированная величина проводимости, необходимая для протекания динамо-эффектов.

-Не найдены численные решения уравнения гидродинамики, подтверждающие принятую в динамо модель конвекции.

-Данные сейсмологии (travel time, splitting functions) не подтверждают принятую модель конвекции, а, скорее, ей противоречат.

-Нет единой теоретической модели динамо. Огромное количество противоречащих

друг другу моделей αω-динамо: α2 – динамо, динамо Рикитаке, диск Фарадея и т.д. (рис. 13.1), указывает на сомнительность таких подходов.

Рис. 13.1. Известные модели αω-динамо [Кузнецов, 2008].

386

- Принципиальным моментом многих моделей динамо является наличие во внешнем ядре сильного тороидального поля. По некоторым моделям интенсивность тороидального поля больше дипольного в 500 раз. Тем не менее, тороидального поля по наблюдениям на поверхности Земли не обнаружено. Мы, вероятно, могли бы не обнаружить наличие тороидального поля на земной поверхности, например, если бы ядро было окружено сверхпроводящим экраном. Однако если бы по какой-либо немыслимой причине на границе ядра оказался бы сверхпроводящий экран, то мы, тем не менее, могли бы судить о его наличии с помощью электромагнитного зондирования.

Втечение последних веков, в основном, в XVIII – XX вв., усилиями ученых многих специальностей были достигнуты значительные успехи в изучении строения планеты (главы 2 - 6). Получены несколько менее значимые, но вполне определенные знания о распределении температуры в недрах Земли (глава 8) и, как следствие, о природе границ между ее слоями (глава 9). На этом фоне существующие «неопределенности» в проблеме геомагнитного поля, как Земли, так и других планет Солнечной системы, позволяют, и даже «вынуждают» нас считать ее Проблемой № 1 в Геофизике.

Определенные надежды на решение проблемы Геомагнетизма возникли в рамках Новой глобальной тектоники, в основе которой были заложены представления о тектонических плитах, «движущихся» на «спинах» конвекционных ячеек, возникающих во внешнем ядре и нижней мантии. Однако, как оказалось (глава 12), в рамки таких представлений «не вписываются» вихревые геологические структуры. В этой связи, «неуспехи» в решении проблемы генерации геомагнитного поля планеты, по-видимому, могут быть объяснены недостаточно полной разработкой представлений о геодинамических движениях планеты, не учитывающих «вихревые» особенности геологических структур. Рассматриваемая в такой плоскости, проблема геомагнитного поля Земли является, по сути, Проблемой № 1 в Геодинамике [Викулин, 2004, 2008].

Внастоящей главе постараемся собрать «под одной крышей» все наработанные к настоящему времени «нестыковки», которые, на наш взгляд, являются «камнем преткновения» в решении Проблемы № 1 Геодинамики.

Нестыковки [Тверитинова, Викулин, 2007]

Выше (см. раздел «Новые данные» предыдущей главы) приведены тектонические нестыковки между существующими геодинамическими концепциями и моделями, с одной стороны, и наблюдаемыми данными – с другой. Перечень такого рода нестыковок может быть продолжен. Действительно, в соответствии с геосинэнергетическими представлениями [Жуланова, 2003], для оценки геодинамических моделей в качестве наиболее надежных должны использоваться термодинамические критерии. Но, в таком случае [Жуланова, 2003], «несмотря на гигантский массив расчетов и физические эксперименты, доводы в пользу ячеистой конвекции мантийных масс, остаются большие сомнения в том, что она может рассматриваться как фактор сопряженного проявления тектонических сил (горизонтальное движение плит, субдукция) и петрогенетических (выплавление огромных объемов магм на границах плит) процессов. Дело в том, что стационарная ячеистая конвекция способна реализоваться только в закрытых термодинамических системах, будучи направлена на выравнивание внутренних тепловых неоднородностей. Она несовместима с выносом энергии и вещества вовне, сопровождающим вулканизм (и, добавим, сейсмичность – А.В.)».

Как видим, тектоническая нестыковка «потянула» за собой и электромагнитную нестыковку, что вполне можно было ожидать, т.к. последняя парадигма геологии - Новая глобальная тектоника, представляет собою вполне завершённую самосогласованную концепцию, подтверждаемую данными многих разделов науки.

387

Перечень геомагнитных нестыковок может быть продолжен. Действительно, на основании обзора в [Низовцев, Бычков, 2007], имеем:

1.Согласно классической теории электромагнетизма, магнитное поле есть проявление завихренности эфирных течений, не связанных обязательно с электрическим током. Так, В. Томсон (лорд Кельвин) полагал, что магнитное поле суть «движение, вращение которого есть магнитная сила» [Thomson, 1890], а не электрический ток.

2.Накопленные экспериментальные данные указывают на то, что магнетизм является более универсальным явлением, нежели электричество. Еще М. Фарадей истолковывал криволинейность магнитных силовых линий как признак того, что сила есть результат процесса. Согласно Кельвину, «объяснение всех явлений электромагнитного притяжения или отталкивания и электромагнитной индукции следует искать просто в инерции и давлении материи, движения которой образуют тепло» [Максвелл, 1989, с. 831]. Для Максвелла «в каждой точке среды существует нечто такое, что имеет природу угловой скорости относительно оси, направленной вдоль магнитной силы» [Максвелл, 1989, с. 821]. Эффект Холла однозначно свидетельствует о том, что магнетизм есть явление вращательной природы [Уиттекер, 2001].

3.Во второй половине ХХ в. был установлен квантовомеханический эффект Ааронова-Бома [Чирков, Агеев, 2001], сущность которого заключается в том, что заряженная частица, движущаяся в области, в которой отсутствует магнитное поле, но векторный потенциал отличен от нуля, испытывает воздействие неясной природы (согласно данным работы [Иванчин, 2007] – вихревой?), приводящее к изменению фазы частицы.

4.Имеет место несовпадение в расположении географических и магнитных полюсов при закономерной (по спиральной линии) миграции последних с течением геологического времени. При этом, в истории Земли неоднократно происходили переполюсовки геомагнитного поля. В.И. Уломовым также отмечена «близость расположения большинства полюсов вращения литосферных плит…к геомагнитным, а не географическим полюсам» [Атлас, 1980].

5.Экспериментальные исследования гиромагнитного эффекта, проведенные П.Н. Лебедевым и С. Барнеттом, не позволяют связать геомагнетизм с вращением планеты [Паркинсон, 1986], что в то же время не позволяет исключить наличие неизвестного физического (ротационного, торсионного, вихревого, согласно данным работ [Дмитриевский, Володин, Шипов, 1993; Иванчин, 2007; Шипов, 2002] поля, которое одновременно могло бы поддерживать и вращение планеты, и создавать ее магнитное поле. Такие экспериментальные факты вынуждают искать более универсальное, нежели гидромагнитное динамо, решение.

Приведенные данные позволили авторам работы [Низовцев, Бычков, 2007] в рамках модельных представлений природу геомагнетизма планеты увязать с имеющими место в литосфере и других слоях Земли вихревыми течениями, связанными с вращением планеты. При этом удается объяснить существование пропорциональной взаимосвязи между магнитным и механическим угловым моментами Земли.

Бароэлектрический эффект и электромагнетизм планет

[Григорьев, Григорьева, Ростовский, 2003]

Почему Земля – магнит?

Почему магнитные поля есть и у других планет, и у звезд? Какую физическую природу имеют эти поля? Как объяснить вариации геоэлектрического и геомагнитного полей? На эти и многие другие вопросы, которые стоят перед человечеством уже не одну сотню лет, пока так и нет ответа.

388

Поиски объяснения физической природы магнетизма небесных тел, в первую очередь геомагнетизма, шли по путям по хорошо всем известным путям (глава 7). В их начале – теория Гильберта, согласно которой Земля является большим магнитом. Открытие явления Кюри, в основе которого заложено разрушающее влияние высокой температуры на остаточное намагничивание, заставило искать другие пути. Одним из возможных путей является гипотеза разделяющихся зарядов, предложенная В. Сазерлендом в начале ХХ в. [Suthtrland, 1903]. Согласно этой гипотезе, магнетизм планет и звезд, хотя бы частично, обязан действию следующего механизма: внутренняя часть космического тела под действием его гравитации деформируется, что в результате разделения зарядов ее заряжает положительно. Вращение этих перераспределившихся зарядов вместе со всем телом и порождает его магнитное поле.

Согласно настольной книге всех физиков [Ландау, Лифшиц, 1982], внутри проводников электростатические поля отсутствуют. В этой связи многие исследователи полагали и, по-видимому, полагают, что в недрах планет и звезд, которые обладают достаточно высокой проводимостью, не может существовать электрических полей. Однако, как следует из теории, электрические поля отсутствуют только внутри таких химически однородных проводников, внутри которых и температура и давление являются постоянными. Земля и другие планеты, как мы видели из данных, представленных в предыдущих главах настоящей книги, имеет достаточно сложное слоистое строение, а температура и давление увеличиваются с глубиной до достаточно больших значений. Таким образом, «запрет» на обширный класс бароэлектрических явлений, приводящих к появлению внутри Земли электромагнитных полей, оказывается несостоятельным.

Физическая причина возникновения бароэлектрических полей определяется существованием зависимости работы выхода электрического заряда от давления. Если распределение давлений в проводнике неоднородно, то электроны, переходят из областей, где работа выхода меньше в те, где она больше. Такое перераспределение электронов и порождает бароэлектрические поля.

Проведем некоторые оценки. Пусть в центре атома в отсутствии гравитации находится ядро заряда Ze, окруженное облаком электронов. Равновесие наступает, когда гравитационная сила Mg, действующая на ядро, уравновешивается электрической силой ZeE, где Е – напряженность электрического поля, создаваемое окружающими ядро электронами, М – масса ядра, g – вектор ускорения свободного падения. Отсюда следует элементарная оценка для величины напряженности этого поля:

E = MgZe .

Подстановкой численных значений получаем ничтожно малую величину для значения напряженности поля, возникающего в атоме в результате его деформации под

действием силы тяготения E ≈10−12 СГСЕ.

Однако, оценивая величину поля в макроскопических масштабах, получаем совершенно другую величину. Действительно, полагая, что перепад напряженности

гравитационного поля между поверхностью Земли и ее центром составляет δg ≈103

СГСЕ, среднее число атомов в единице объема составляет N ≈1024 , для поля E = 4πP , где P - вектор поляризации, получаем значение, близкое к 106 СГСЕ!

Таким образом, поляризационный механизм формирования бароэлектрического (и баромагнитного, образующегося при движении обязанных бароэлектрическому эффекту зарядов) полей может играть весьма существенную роль. При этом бароэлектрические эффекты будут играть тем более заметную роль, чем значительнее перепады давлений. Именно поэтому важным примером их проявления являются такие объекты, как планеты и звезды.

389

Вмонографии [Григорьев, Григорьева, Ростовский, 2003] детально излагаются некоторые варианты теоретического описания бароэлектрического эффекта. Значительная их часть базируется, в конечном итоге, на наиболее общем условии термодинамического равновесия – условии постоянства электрохимического потенциала, а различаются они лишь подходами к вычислению плотности «избыточной» энергии в зависимости от давления.

Особый вопрос занимают дифференциальные внутренние движения. Именно такие движения ответственны за магнитогидродинамическую генерацию (усиление) магнитных полей, т.е. за те «эффекты динамо», которые, по мнению большинства исследователей, играют доминирующую роль. Палеомагнитные данные о магнитном поле Земли и, конечно, наблюдения над магнитными полями Солнца и ряда звезд убедительно показывают, что эта роль действительно велика и что она тем заметнее, чем более интенсивны дифференциальные движения.

Врассматриваемой монографии «элекромагнитной» модели Земли придаются более реалистические черты, по сравнению с моделями предшественников. При этом, конечно, авторам пришлось столкнуться с вопросом: какое место внутри планеты занимают области ионной проводимости и какую они играют роль в формировании ее электрического и магнитного полей. Ионная проводимость, естественно, доминирует в приповерхностных участках планеты. Ионы, перегруппировываясь под действием бароэлектрического поля, приводят к его ослаблению и даже, возможно, полному занулению вблизи поверхности. В итоге авторам пришлось признать, что, в действительности, отрицательно заряженная поверхность, под которой такое поле имеется, не совпадает с поверхностью планеты, а определяется границей между областями проводимости первого и второго рода.

Следует отметить, что бароэлектрический эффект в проводниках должен проявляться при наличии градиентов давлений, вне зависимости от того, какие физические причины вызывают появление этих градиентов. Непрерывность тангенциальных составляющих напряженности электрического поля на границе раздела сред должна привести к тому, что электрическое поле может обнаружиться и за пределами неоднородно напряженного проводника. Конечно, при малых градиентах давления поле также будет мало. Однако, как показывают оценки, это поле доступно для экспериментального обнаружения, его напряженность может быть измерена даже при нагрузках, далеких от разрушающих.

Как показывают оценки [Григорьев, Григорьева, Ростовский, 2003], около 10% магнитного момента планет земной группы обязано перераспределению зарядов, создаваемому в результате действия их собственного тяготения и вращения.

Та же часть давления, которая обязана действию приливных сил, ответственна за создание электрических полей над поверхностью планет. В частности, наблюдаемые черты поля ясной погоды над поверхностью Земли [Имянитов, Шифрин, 1962; Чалмерс, 1974; Френкель, 1947] объясняется не как результат действия «грозового механизма», а как следствие действия приливных сил со стороны Луны и, в меньшей мере, Солнца. Из сказанного, в частности, следует вывод о наличии электрических полей над поверхностями таких небесных тел, которые лишены атмосферы, но испытывают приливные воздействия, например, над Луной [Григорьев, Григорьева, 1995].

390