Генерация геомагнитного поля

В. В. Орлёнок, доктор геолого-минералогических наук

Современные воззрения на природу геомагнитного поля базируются на гипотезе Лармора, согласно которой процесс генерации геомагнитного поля аналогичен действию гидромагнитного динамо.

Рассмотрим существо этой гипотезы.

Если бы магнитное поле Земли было постоянным, например, вызвано намагниченностью земной коры или верхней мантии, то вследствие процессов размагничивания с течением времени следовало бы ожидать существенного уменьшения величины магнитного момента, а вместе с ним и напряженности геомагнитного поля. Однако изучение естественной остаточной намагниченности горных пород показало, что начиная с силура (около 400 млн. лет назад) дипольный момент не убывал, а непрерывно возрастал. Следовательно, для поддержания напряженности геомагнитного поля в недрах Земли должен действовать механизм постоянной генерации поля. Преобладание дипольного поля и его осевой характер, а также западный дрейф с исключительно большой для геологических процессов скоростью (0,2°, или 20 км/год) свидетельствуют о связи геомагнитного поля с вращением Земли. Данные Рикитаки о периодах и величине вековых вариаций, а также расчетные глубины источников дипольной и недипольной составляющих указывают на то, что механизм генерации располагается во внешнем «жидком» ядре. Как было показано выше, отсутствие жесткой связи между твердым субъядром и нижней мантией при вращении должно приводить к «проворачиванию» твердой оболочки относительно субъядра. Это в свою очередь должно найти отражение в изменении продолжительности суток. Непосредственные измерения подтвердили такое изменение в длительности суток, которое имеет порядок 1 мкс за 10 лет. Прямая зависимость напряженности поля от скорости вращения Земли – доказательство взаимосвязанности этих явлений. Следовательно, внешние оболочки в настоящее время вращаются медленнее внутреннего ядра, скорость которого оценивается в 10 – 4 м/с. Отмеченная флуктуация годовой скорости вращения не связана с приливным трением, прогрессивно увеличивающим длительность суток на 2 с в течение каждых 105 лет (Мельхиор, 1975), а накладывается обертонами на этот общий процесс.

Следствием физико-химических преобразований протопланетного вещества в первой реакционной зоне является фракционное разделение продуктов реакции (подъем примесного легкого кремния и дегазация гелия и водорода с опусканием тяжелого FеNiS) с образованием термогравитационной конвекции, усиленной кориолисовыми силами (2wu) вращения Земли. В результате возникает вязкое течение жидкости между двумя сферами, вращающимися вокруг общей оси. Предполагается, что вследствие малой вязкости «жидкость» внешнего ядра несжимаема, а оболочка вращается с меньшей угловой скоростью по отношению к твердому субъядру.

Характер течения вязкой жидкости между границами увлекающих ее сфер будет зависеть от толщины слоя R – R0 = DR, плотности жидкости r, коэффициента кинематической вязкости n и средней линейной скорости потока u, что определяется безразмерной комбинацией Rе, называемой числом Рейнольдса:

,      (VI.1)

где кинематическая вязкость жидкости определяется выражением n=h/r, а линейная скорость – u = wk. Из гидродинамики известно, что при Rе<2500 образуется ламинарный поток, а при Rе > 2500 – турбулентный. При определенных условиях ламинарное течение может образоваться и при более высоких значениях Rе, однако структура такого потока не будет устойчивой.

Для жидкого ядра получены следующие приблизительные оценки параметров (Мельхиор, 1975): n = 106 см2/c, R = 3,47×108 см, w = = 7×10-5 рад/с, R0 = 1,210×108 см, u = 10-1 см/с, r = 10 г/см3. Подставив эти значения в формулу (VI.1), получим Rе = 22,16, т. е. течение в жидком ядре устойчиво ламинарное, если только v не имеет величину значительно меньшую, чем 106 см2/c. Физически ламинарность течения жидкости внешнего ядра обусловлена прежде всего малой угловой скоростью проворачивания внешней сферы относительно внутреннего ядра и большой вязкостью жидкости. Эта скорость соизмерима со скоростью западного дрейфа недипольной составляющей геомагнитного поля. Однако чисто ламинарное движение жидкости приводит к осесимметричному распределению скоростей с формой движения в виде цилиндрических вихрей, оси которых параллельны оси вращения Земли (рис. 32). Уравнение такого движения имеет вид (Мельхиор, 1975):

,           (VI.2)

где 2wu – сила Кориолиса, ÑР – градиент давления; g – сила, действующая на фракционное разделение жидкости;

.              (VI.3)

Осесимметричное движение проводящей жидкости не может создавать и поддерживать магнитное поле. Поэтому для обеспечения механизма генерации Малкус указал на прецессию оси вращения Земли как на возможный механизм несимметричной конвекции во внешнем ядре и, следовательно, движущую силу магнитного динамо (Долгинов, 1974). Прецессия земной оси вызвана действием гравитационных полей Луны и Солнца, полный ее размах составляет большую величину – 23°27’ и скорость l = 7,7·10-12 с-1. Эта скорость, дающая дополнительную силу инерции F, называемую силой Пуанкаре, вызывает различные крутящие моменты в ядре и мантии, что и способствует возникновению несимметричной конвекции в жидком ядре. Период прецессии равен 25800 лет. Этого оказывается достаточно для генерации магнитного поля и подтверждается сравнительным феноменологическим анализом магнетизма других планет Солнечной системы. Как показал Альвен, магнитные линии в проводящей жидкости как бы «вморожены» в эту жидкость и перемещаются вместе с ней. Но согласно закону индукции Фарадея, ЭДС по любому замкнутому контуру пропорциональна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего этот контур. Следовательно, величина индуцируемого магнитного поля будет связана со скоростью вращения оболочки относительно ядра и соответственно вязкого движения между ними. В качестве магнитного поля, необходимого для запуска гидромагнитного динамо, предполагается межпланетное магнитное поле (Hп). В соответствии с этим в уравнение движения жидкости (VI.2) необходимо добавить электромагнитные силы – силу тока i и напряженность магнитного поля В, а также внешнюю силу Пуанкаре F плюс другие неизвестные нам силы:

.      (VI.4)

Это основное уравнение магнитной гидродинамики характеризует образование магнитного поля Земли во внешнем ядре. Решение его представляет значительные математические трудности и возможно лишь при определенных упрощениях. В целом оно выражает равновесие между силами Кориолиса 2r(wu), градиентом давления (gradP), полем силы тяжести (g), электромагнитными силами (i+B) и внешними силами (F), поддерживающими непрерывное возбуждение магнитного поля.

В случае стационарного процесса, т. е. при отсутствии внешних источников и u = 0, по данным Эльзассера, магнитное поле распадается в течение примерно 15·103 лет, так как уравнение (VI.4) обращается в обычное уравнение диффузии (t = msL2, для земного ядра L = 106 м, s = 3×105 (ом×м)-1, m = 4p×10-7 г/м, т.е. t » 104 лет. Вследствие вращения вытянутые вдоль меридиана магнитные силовые линии будут вытягиваться и накручиваться в широтном направлении. Таким образом, из полоидального поля Нп образуется тороидальное поле Нт (рис. 32). Полоидальное поле создает дипольную составляющую геомагнитного поля. Непрерывная закрутка тороидального поля ведет к уплотнению магнитных силовых линий и, следовательно, усилению дипольного поля. В дальнейшем поднимающийся конвекционный вихрь распадается. Распад происходит в приполярных областях ядра (рис. 32).

Такова в общем основа идеи гидромагнитного динамо Земли, являющегося, судя по намагниченности докембрийских пород, в среднем стационарным процессом. В зависимости от величины поля и скорости углового вращения Земли модель динамо может осуществлять колебания со случайными обращениями знака поля.

Из вышесказанного можно заключить, что механизм гидромагнитного динамо возможен в условиях Земли лишь при наличии конвекции в ядре. Следовательно, в ходе эволюции Земли был период продолжительностью 5×108 – 1×109 лет, когда первой реакционной зоны не существовало, а значит, не было и магнитного поля. Это соответствует протопланетной стадии развития Земли, имевшей место примерно 4 млрд. лет назад.

Рост толщины зоны внешнего ядра, несомненно, сопровождался усилением конвекции и размеров ее ячей, что должно было увеличивать напряженность дипольного поля. В дальнейшем с увеличением массы твердого субъядра и расходованием материала протовещества оболочки толщина реакционной зоны станет уменьшаться и соответственно будут уменьшаться конвекция, а с ней и напряженность геомагнитного поля.

Идея гидромагнитного динамо находит подтверждение при исследованиях магнитных полей Меркурия, Марса, Венеры и Луны. По данным космических исследований, размеры магнитоактивных зон у Меркурия и Марса в настоящее время не превышают 200 – 500 км, у Юпитера в 1600 раз превосходят объем жидкого ядра Земли (для сравнения: у Земли – порядка 2000 км). Луна не имеет жидкого ядра и собственного поля (Долгинов, 1974).

Современная полярность магнитных полей Марса и Юпитера обратна полярности магнитного поля Земли и Меркурия, хотя все эти планеты имеют прямое вращение. Эти факты, и особенно последний, служат доказательством того, что знак поля не связан с направлением вращения, а обусловлен неустойчивостью самого механизма динамо.