Кузнецов В.В. Физика горячей Земли
Подождите немного. Документ загружается.
171
ГМА, джерки и ФВХ, это “особые точки” (hot spot) геомагнетизма, в которых это
явление проявляется наиболее ярко. Мы уже упоминали, что такие “проявления” должны
логично “вписываться” в общую концепцию. К таким особым точкам с полной
уверенностью можно отнести магнитные полюса и их дрейф. Нельзя сказать, чтобы
движение СМП, как и южного магнитного полюса (ЮМП), вызывало бы повышенный
интерес у магнитологов. По-видимому, отсутствие интереса оправдывалось тем, что в
модели магнитного динамо не существовало ни одной правдоподобной идеи, связанной с
дрейфом полюсов. Первым, кто высказал мысль о возможной связи дрейфа СМП с
глобальными магнитными аномалиями (ГМА) Канадской и Сибирской , был канадский
магнитолог Р. Хоуп (Hope, 1959). В своей статье он изобразил магнитные силовые линии в
Арктике, которые как бы сжимались в районе дрейфа СМП в некий "жгут" (см. рис. 6-11-
а). Хоуп считал, что СМП перемещается по линии, соединяющей обе аномалии. Идеи
Хоупа не нашли должного внимания среди магнитологов и были забыты.
Рис. 6-11. Структура магнитного поля в Арктике (Hope, 1959). (Кружки – ГМА)– а.
Компьютерная модель наклонений при различных величинах интенсивностей аномалий: С =
0.5S; S = 0.4; 0.6; 0.5 (b, c, d); x/R = 0.2.
В свое время я предложил модель, по которой движение СМП определялось
влиянием трех (а не двух, как у Хоупа) независимых друг от друга источников магнитного
поля (Кузнецов, 1984). Два из них это ГМА, а третий (или точнее, первый) это источник
основного (дипольного) поля Земли. Основное отличие этой модели от общепринятых
представлений о магнитном поле Земли заключалось в том, что ГМА представлялись не
недипольной частью, как это принято, а достаточно интенсивными источниками,
независимыми от основного поля (Кузнецов, 1990). Интенсивность источников ГМА была
сравнима с интенсивностью источника основного поля. Компьютерное моделирование
172
магнитного поля в Арктике, как суммы трех независимых источников, дает результат,
весьма напоминающий реальную ситуацию (см. рис. 6-11-b, -c, -d).
Разработанная модель позволяет прогнозировать положение СМП в зависимости от
интенсивностей источников поля ГМА, так как полагалось, что интенсивность основного
источника постоянна. На основе этой модели и интерполяции интенсивности магнитного
поля в районе ГМА к 1994 году (по данным полярных магнитных обсерваторий) был
составлен прогноз местоположения СМП-1994. Прогнозируемое положение СМП
практически совпало с определением его по результатам наблюдений во время
экспедиции к СМП в 1994 году (Кузнецов, 1996).
Прогноз СМП-1994. Наилучшим образом наша модель соответствует магнитному полю в
Арктике в том случае, когда интенсивность источника Z-компоненты основного главного
поля (ОП, ДИ или, ГП) равна 40 мкТл, а Н-компоненты 20 мкТл. Суммарная величина Z-
компоненты поля СМА равна 28 мкТл, а Z-компоненты КМА 24 мкТл. Соответственно,
величина Н-компонент источников поля этих аномалий в два раза меньше. Координаты
полюса источника главного поля (ГП) 68°N, 90°W (см. рис. 6-12). Допустим, что величина
поля основного источника заметно не изменилась за те десять лет, которые прошли от
одного наблюдения координат СМП до другого. Допустим так же то, что местоположение
этих трех источников поля не изменилось. Можно показать в этом случае, что дрейф
СМП происходит примерно вдоль линии А
*
В
*
. Предположим, что этим точкам
соответствуют квазиисточники магнитного поля А и В (см. вставку слева вверху на рис. 6-
12). Сплошная часть линии А
*
В
*
соответствует наблюдаемому с 1831 года перемещению
СМП. Таким образом, мы преобразовали двумерную картину магнитного поля в Арктике
и свели ее - к одномерной. Если бы в этой ситуации нам удалось предсказать
интенсивность квазиисточников поля А и В на 1994 год, то задача прогноза положения
СМП-1994 решалась бы очень просто.
173
Рис. 12 Схема дрейфа северного магнитного полюса (СМП) под влиянием трех источников:
двух аномалий и дипольного (ГП). А
*
и В
*
– квазиисточники, × - геомагнитный полюс. Слева
вверху: схема для оценки положения СМП.
Специальных наблюдений за интенсивностью магнитного поля глобальных
магнитных аномалий не ведется. Однако, сравнительно недалеко от них и от положений
точек А
*
(64°N, 95°W) и В
*
(87°N, 185°E), расположены высокоширотные магнитные
обсерватории: Форт Черчилл и Резольют Бей в Канаде, а так же Мыс Челюскин и Тикси в
России (см. рис. 6-12). Данные этих обсерваторий по изменению во времени величины Н-
компоненты поля, начиная с 1973 года по 1991 год, экстраполировались к точкам А
*
и В
*
и
к 1994 году (см. рис. 6-13). Определялись расстояния a и b (см. вставку на рис.) для 1973,
1984 годов и, на основании прогноза величин А и В на 1994 год, делалась оценка a и b для
1994. Расстояние А
*
В
*
равно примерно 3.3 тысячи км, отношение a/b в 1973 году было:
1330/1970, a/b в 1984 году: 1450/1850, а для 1994 года это отношение прогнозировалось
равным: 1600/1700. Дрейф СМП с 1973 по 1984 г.г. составил 120 км. Прогнозируемый
дрейф СМП на период с 1984 по 1994 г.г. должен был быть примерно 150 км. Это
соответствует прогнозируемому положению - СМП-94: 78.3°N, 105°W.
Рис. 6-13. Изменение во времени Н-компоненты на 4-х обсерваториях расположенных в
окрестности СМП.
Во время экспедиции СМП-94 магнитологи Л. Ньюитт из Канады и Ч. Бартон из
Австралии произвели ряд наблюдений за положением СМП. После обработки результатов
наблюдений Л.Ньюитт рассчитал положение - СМП-94: 78.3°N, 104.0°W.
Точность определения положения СМП, по оценке Ньюитта, составляет 15 км.
Расхождение в 1° по долготе (между прогнозом и определением) на высоких широтах
соответствует примерно 22 км. Наше прогнозируемое положение СМП-94 практически
попадает в область точности его определений. Есть основания считать, что прогноз
местоположения СМП был весьма удачным.
Очередное измерение местоположения СМП было проведено французскими
магнитологами (при участии Л. Ньюитта) в 1999 г. Прогноз положения СМП-99 по нашей
модели - СМП-99: 79.3°N, 106.0°W был подтвержден с хорошей точностью. Это означает,
что скорость дрейфа СМП все возрастает и вместо 15 км/год в 1994 г. он движется в 1999
г. уже со скоростью 17 км/год. Анализируя рис. 6-13, можно видеть, что тенденция хода
174
временной зависимости Н-компонент на обсерваториях Челюскин и Тикси изменяется и,
возможно, в 2000 г. и в последующие годы величины Н-компонент начнут увеличиваться.
Если такое изменение произойдет, то можно говорить о том, что скорость дрейфа СМП
начнет уменьшаться, и он остановится тогда, когда скорости нарастания величины Н
компоненты на канадских обсерваториях сравняются со скоростями нарастания - на
российских. Ориентировочно, это может случиться (если мы правильно уловили
тенденцию) примерно через 150 - 200 лет.
Рис. 6-14. Схема дрейфа южного магнитного полюса (ЮМП). Н-компоненты поля изображены
прямыми. А и В – источники поля, 1 – 5 – точки наблюдений. Звездочка – ЮМП.
Южный магнитный полюс. Как и раньше, рассматриваемые в модели источники
будем представлять диполями. Допустим, что мы имеем два диполя интенсивностью А и
В, находящихся на расстоянии x (в географических градусах) один от другого (рис. 6-14).
Наша задача состоит в том, чтобы найти расстояние k (внутри отрезка x), показывающее
положение МП. Условие равенства нулю горизонтальных компонент источников можно
записать в следующем виде:
A cos (π/2 +k) + B cos{π/2 + (x - k)} = 0. (6.18)
Решение уравнения (6.18): c tg k = (A/B + cos x)/sin x. Если: A = B, то: k = x/2; если A = 0,
то: k = x; если B = 0, то: k = 0. Так как x << π/2 (т.е. источники расположены один
относительно другого ближе, чем 90 географических градусов), то для представления
наших функций вместо тригонометрических кривых можно использовать наклонные
прямые, пересекающие горизонтальную ось в точках расположения источников А и В
(рис. 6-14). Представим себе, что источник А соответствует аномалии, а В - дипольному
основному полю. Если их интенсивности равны, то местоположение МП: k = x/2.
Допустим, что А не меняется со временем, а В - уменьшается. Уменьшение интенсивности
источника дипольного поля вызовет смещение МП влево (рис. 6-14). В точках 1, А и 2, в
результате этого уменьшения, Н-компонента поля уменьшится. Уменьшится она и в точке
5, а в точках 3 и 4 - увеличится. В точке В, как следует из нашей схемы, величина Н-
компоненты останется без изменения. Допустим, что ЮМП действительно дрейфует в
направлении от дипольного источника (интенсивность которого, как известно, убывает со
скоростью 5% за 100 лет), к глобальной магнитной Антарктической (Южной) аномалии.
Тогда, в этом регионе должна наблюдаться выявленная нами особенность: уменьшение
величины Н-компоненты “левее” и “правее” МП, увеличение ее в области, примыкающей
к МП и отсутствие вариации Н-компоненты в районе положения дипольного, основного
поля.
С целью проверки этого предположения, были исследованы временные зависимости Н-
компонент на 16 магнитных обсерваториях, расположенных в Австралии, Новой
Зеландии, Антарктиде и на островах, ближайших к этим материкам, приведенные в
(Головков и др. 1993). Перечень обсерваторий, их географические координаты и характер
175
зависимости величины Н-компоненты: ↑ - возрастает, ↓ - убывает, о - не меняется,
представлены в Таблице 6.2. Рисунок 6-15 показывает пространственное распределение
характера изменения величины Н-компоненты поля. Проецируя данные обсерваторий на
140° Е меридиан, легко видеть, что область, в которой Н-компонента возрастает,
соответствует примерно 65° - 85° S. В районе 85° - 90° S величина Н-компоненты поля
постоянна. В других районах: < 65° и > 90° (см. рис. 6-15) - поле уменьшается.
Замеченная особенность поведения Н-компоненты поля в пространстве и во времени
подтверждает нашу модель. (Знак “> 90°“ надо понимать условно, т.к. широты, большей,
чем 90°, - быть не может).
Рис. 6-15. Расположение магнитных обсерваторий в районе ЮМП, 1 – в которых Н-компонента
поля возрастает со временем, 2 – убывает, 3 – не меняется.
Таблица 6.2
Lat. 00° 00’ Long. 000° 00’ ↑ o ↓
1 Toolangi 37 32 145 28
↓
2 Gnangara 31 47 115 57
↓
3 Amberli 43 09 172 43
↓
4 Macquarie 54 30 158 57
↓
5 Dumont d’Urville 66 40 140 00
↓
6 Мирный 66 33 93 01
↑
7 Scott Base 77 51 166 47
↑
8 Восток 78 27 106 52
↑
9 Casey 66 17 110 32
↑
10 South Pole 90 00 346 41
↑
11 Orcadas 60 44 315 13
↓
12 Argentine Island 65 15 295 45
↓
13 Syowa Base 69 02 39 36 o
14 Sanae 70 19 357 40
↓
15 Hallett Station 72 18 170 14
↑
176
16 Byrd Station 79 59 240 00
↑
Как следует из рис. 6-16-а, координаты ЮМП надежно измерены начиная
примерно с 1965 г. Известно, что полюс находился непосредственно в районе
обсерватории Dumont d’Urville в 1959 г., когда X-компонента была равна нулю. Можно ли
сказать что-либо определенное о траектории дрейфа ЮМП раньше (до 1959 г). Насколько
она соответствует нашей модели? Находился ли ЮМП в 1909 г действительно там, где он
был определен Маусоном? Знание данных австралийских обсерваторий и особенно,
обсерватории Toolangi, начавшей работать примерно в 1860 г, позволяет ответить на эти
вопросы. Для этого воспользуемся данными обсерваторий (с 1 по 9 из Таблицы 6.2) для
оценки поведения во времени виртуальных магнитных полюсов (ВМП).
Рис. 6-16. Прогноз положения широты ЮМП – а, изменение во времени интенсивности Н-
компоненты на обсерваториях рисунки 14-б и 14-в показывают плавный ход этого параметра,
зарегистрированного на обсерваториях Dumont d’Urville и Macquarie (b и c, соответственно).
Изменение координат ВМП в течение периода работы обсерваторий изображено на
рисунке 6-17. Здесь же приведен дрейф ЮМП с 1965 по 1990 г.г. Из рис. 6-17 видно, что и
ВМП, и ЮМП движутся вдоль меридианов на север. На рисунке отдельной звездочкой с
координатами 72° S и 155° E изображено положение ЮМП определенное в 1909 г. во
время экспедиции Шеклтона (когда, собственно, и произошло определение координат
ЮМП Маусоном). Из рисунка видно, что виртуальные полюса явно группируются в две
области. Одна, тяготеющая к 120°-меридиану, принадлежит к обсерваториям Новой
Зеландии и Австралии (1-4 на рисунке и в таблице 6.2). Другая группа ВМП,
расположенная вблиз и 150°-меридиана, показывает ВМП обсерваторий Антарктиды (6-9
табл. 6.2). Виртуальные полюса, определенные по данным обсерватории Дюмон
д'Юрвиль, располагаются вблизи ЮМП.
Рисунок 6-17 демонстрирует, что ЮМП находится примерно посередине между этими
областями, отстоя от каждой на 8.5°. Из анализа характера движения австралийских и
новозеландских ВМП следует, что примерно в 1920 г. произошло изменение направления
движения ЮМП. Южный полюс отклонился от первоначального направления дрейфа к
востоку на 2-3 градуса, а затем вернулся к прежнему, северному направлению дрейфа
вдоль меридиана.
177
Хорошее совпадение между направлением и величинами скоростей дрейфа ЮМП и
ВМП дает основание путем простого геометрического преобразования получить
возможный путь дрейфа ЮМП (см. вставку внизу на рис. 6-17) начиная с 1860 года (года
начала работы обсерватории Туланги). Такое "восстановление" пути дрейфа ЮМП
представляется автору вполне обоснованным. Однако в этом случае оказывается, что
измерение положения ЮМП, выполненное участниками экспедиции Э. Шеклтона в 1909
(отдельная звездочка на рисунке) году, отстоит от определенного нами положения ЮМП в
1910 г. примерно на 500 км. Могли ли авторы этого определения так ошибиться? В пользу
этого и справедливости нашей оценки, приведем еще один достаточно важный на наш
взгляд аргумент. Если бы южный магнитный полюс действительно находился в 1909 году
там, где его обнаружил профессор Моусон, то скорость его дрейфа за 50 лет (с 1909 по
1960) была бы не 6 км/год (как сейчас), а примерно в 2 - 3 раза быстрее. Такое "ускорение"
движения ЮМП обязательно нашло бы отражение в данных магнитных обсерваторий
Австралии и Новой Зеландии, чего реально не наблюдается.
Рис. 6-17. Изменение координат ЮМП (с 1965 по 1990 г.г.) и ВМП в течение периода работы
обсерваторий (1-9 на рис. и в табл. 2). Звездочка с координатами 72° S и 155° E - положение
ЮМП, определенное в 1909 г. во время экспедиции Шеклтона.
Внизу справа – совмещение дрейфа ЮМП с ВМП обсерватории Toolangi.
Картина дрейфа ЮМП, отличная от нашей, представлена в работе (Barton et al.,
1987). Ч.Бартон пытался совместить данные по современному дрейфу ЮМП с прошлыми
измерениями (рис. 6-18-в). Примерно такая же картина дрейфа ЮМП (рис. 6-18-б
получается и у (Dawson, Newitt; 1982).
178
Рис. 6-18. Дрейф СМП – а и ЮМП - б (Dawson, Newitt, 1982) и ЮМП - с (Barton et al., 1986).
Попытаемся восстановить характер дрейфа ЮМП, по крайней мере, за последние
100 лет. Воспользуемся для этого данными обсерватории Туланги и предположим, что
изменение величины Н-компоненты прямо связано с величиной и направлением скорости
дрейфа ЮМП (v
др
∼ dH/dt). На рис. 6-19, в верхней его части, изображен временной ход
скорости южного полюса. Видно, что в 1870 г. скорость дрейфа полюса уменьшалась до
нуля, а в 1920-30 г.г. она даже меняла знак. Эти факты не противоречат нашей модели,
наоборот, находят в ней простое объяснение. Для этого достаточно того, чтобы по какой-
либо причине изменился характер вариации величины одного (или обеих) источников
поля: аномалии, либо основного поля. Ход зависимости скорости дрейфа ЮМП,
изображенный на рис. 6-19 вверху еще раз показывает, что наша оценка местоположения
ЮМП-99, сделанная выше, правильна. По-видимому, Бартон и Ньюитт, восстанавливая
картину дрейфа ЮМП, ошибались.
Рис. 6-19. (a)-Изменение Н-компоненты поля (в нТл) в обсерватории Toolangi (1860-1980)
(Паркинсон), (b) – скорость дрейфа ЮМП (в км/год).
В заключение оценим географическое положение источников: дипольного (ДИ) и
ГМА. Очевидно, что они близки к 140° Е- меридинану. Из нашей модели следует, что ДИ
должен находиться в области, где Н-компонента не меняется. Это происходит примерно
на 85° - 90° S. “Выберем” координату ДИ = 85° S. Как оценить положение источника
179
ГМА? Воспользуемся правилом, согласно которому магнитное поле двух источников
выглядит как от одного, если их интенсивности различаются меньше чем в 0.67, а их
эпицентры отстоят друг от друга меньше чем на 40° (Knapp, 1955).
Аномалия “Южный полюс” обычно представляется как следствие одного
источника - ДИ. По нашей модели она “обязана” аддитивному сложению интенсивностей
двух источников: ДИ и ГМА. Согласно модели, интенсивности обеих источников
соизмеримы. Все это дает основание предположить, что расстояние между ними может
оказаться порядка 35° (т. е. < 40°). В этом случае положение источника ГМА будет
соответствовать примерно 50° S. В настоящее время ЮМП дрейфует в районе 65°. Это
может говорить, в рамках наших предположений и оценок, о том, что интенсивности
ДИ/ГМА соотносятся как 0.75 или, примерно, 30 и 37 мкТл, соответственно.
Прогноз ЮМП-2000. В 2000 г. планировалось проведение инструментального
определения местоположения южного магнитного полюса (ЮМП) [частное сообщение
Чарли Бартона]. Оценим координаты ЮМП по данным предыдущих определений. Рис. 6-
16-а показывает местоположение ЮМП-2000 (64° 18’ S, 139° 12’ E), при условии, что в
течение 1996-99 г.г. не произошло (и не произойдет) заметных изменений в характере его
дрейфа. Уверенность в неизменности характера дрейфа южного полюса основывается на
анализе данных Н-компонент магнитного поля Земли, полученных на различных
обсерваториях этого региона. В качестве иллюстрации сказанному, рисунки 6-16-б и 6-16-
в показывают плавный ход этого параметра, зарегистрированного на обсерваториях
Dumont d’Urville и Macquarie. Действительно, если изменение величин Н-компонент поля,
измеренного севернее и южнее магнитного полюса, происходит плавно, таким образом,
что производная по времени остается практически постоянной, то можно полагать, что и
скорость его дрейфа будет практически постоянной. (Напомним, что координаты
магнитного полюса определяются в точке, где: I (наклонение) = 90°, а Н = 0).
Корректировка положений СМП. Систематические наблюдения за склонением и
наклонением начинаются примерно с 1540 года. Наиболее полными, - они известны для
Лондона (обсерватория в Хартленде, коордиаты: 51° 00’ N, 355° 31' E) после перевода ее
из Гринвича и Абингера. На рисунке 6-20 представлены сглаженные результаты
наблюдений за I и D, опубликованные впервые Бауэром для Лондона и Бостона (Bauer,
1895) и впоследствии повторенные в нескольких монографиях по геомагнетизму. На
рисунке 6-21 показаны соответствующие этим данным рассчитанные ВМП и реальное
перемещение СМП (начиная с 1831 г.). Взглянув на этот рисунок, можно видеть, что, по
крайней мере, в течение 450 лет наша модель движения СМП (согласно которой он
дрейфует внутри треугольника, углами которого являются три источника магнитного
поля), не противоречит реально наблюдаемой ситуации. Более того, анализируя
результаты наблюдений склонения и наклонения в Лондоне и Бостоне (для Бостона
данные наблюдений, так как они заканчивались 1900 годом, редуцированы по результатам
наблюдений обсерватории в Оттаве), можно получить информацию о том, как в
действительности перемещался СМП в течение последних 450 лет. Если СМП двигался по
эллипсу, как это показано на рисунке 6-18, то вполне возможно, что определение
местоположения СМП, сделанное Дж. Россом, было ошибочное, и в действительности
СМП в 1831 году находился восточнее примерно на 100 км. Если мы правильно
восстановили дрейф СМП за этот период времени, то он перемещался в полном
соответствии с нашей моделью. По крайней мере, СМП во время своего дрейфа никогда
не пересекал условного (по модели) треугольника, углами которого являются две
аномалии и полюс источника дипольного поля (ГП на рис. 6-12). Что касается возможной
ошибки Джеймса Росса, то при существовавшем в то время техническом уровне
180
измерений и отсутствии контроля за временными вариациями магнитного поля, это
вполне допустимо. Можно добавить еще один аргумент в пользу того, что Росс ошибся.
Анализ данных по магнитному полю в период с 1550 по 1990 г.г. показывает плавный
характер его изменения в 1830-1900 гг., что должно было бы быть не так, если бы Росс не
ошибся. Действительно, СМП дрейфовал, начиная с 1904 года с более или менее
постоянной скоростью (примерно 10 км/год). В то же время как за 70 с лишним
предыдущих лет (1831-1904) он "прошел" всего 50 км. Нам представляется, что наша
модель движения СМП, когда он сначала дрейфовал к югу, а затем (в 1860 году) изменил
направление дрейфа и стал двигаться к северу , подкрепленная данными по дрейфу ВМП,
более логична, чем тот его путь, который изображен на рис. 6-10 и рис. 6-18-а.
Рис. 6-20. Склонение и наклонение на обсерваториях Лондона и Бостона (Bauer, 1895).
О несимметрии магнитных полюсов. Отметим еще один достаточно важный
результат, который, возможно, будет использоваться при построении общей теории
земного магнетизма. Речь идет о том, что в наших моделях дрейфа магнитных полюсов,
мы достаточно произвольно определяли местоположение точек, как в Арктике, так и
Антарктике, в которых диполь основного поля пересекает земную поверхность. В
Арктике его координаты 70° с.ш. и 90° з.д., а координаты в Антарктике: 85° ю.ш. и 140°
в.д. Во-первых, эти координаты значительно расходятся с координатами геомагнитных
полюсов. Во-вторых, оба определенных нами диполя не параллельны друг другу. Они как
бы "притянуты" к той области ядра (или внутреннего ядра) на которую проектируется
область, занятая Тихим океаном. Эта область имеет ряд особенностей в магнитном поле
Земли. Одна из них, по Паркинсону (1986), состоит, например, в том, что этот регион
практически не посещают фокусы векового хода. Уместно заметить, что Ф.Стейси в своей
известной книге (1972) отмечал, что физический диполь вовсе не обязан быть точно равен
диполю математическому.