Кузнецов В.В. Физика горячей Земли

Подождите немного. Документ загружается.

271

Рис. 8-20 Схемы напряжений «σ» и направлений перемещений литосферы в Южной

Калифорнии (Walls et al., 1998), - слева вверху; в районе разлома Сан Андреас, - справа

вверху. Направления «главных ударов трех землетрясений (разрез по линии «АА»). Схема

напряжений в районах очагов этих землетрясений, «обеспечивающая» удары в заданных

направлениях.

Воспользуемся схемой направлений нагрузок (напряжений) «σ» и направлений

перемещений литосферы в Южной Калифорнии, в частности, в районе разлома Сан Андреас

(Walls et al., 1998). Эта схема приведена в левой части рис. 8-20. Справа изображена часть

схемы, относящаяся непосредственно к этому разлому. Напряжения обозначены буквами

“А”. Направление напряжений в этом районе совпадает с меридианальными, а перемещения

плит происходят, как и следует из закона Кулона-Мора, под углом 45 градусов к меридиану.

На правой части рисунка изображены три землетрясения. Одно из них произошло в

подвижной южной части и направление главного удара ориентировано на север. Например,

это может быть Нортриджское (Northridge) землетрясение 1994 г. По нашей схеме, другое

землетрясение находится на противоположной (северной) части, за разломом, и его удар

ориентирован в южном направлении. В качестве примера такого землетрясения, можно

рассмотреть землетрясение Коалинга (Coalinga) 1983 г. Между ними, на линии “АА”,

непосредственно в зоне разлома, происходят землетрясения, эпицентры разрушений которых

“выстраиваются” в линию, параллельную разлому Сан Андреас (см. рис. 8-20). К таким

землетрясениям, гипоцентр которых приходится непосредственно на зону разлома, можно

отнести известное Паркфилдское землетрясение 1966 г, о котором выше уже шла речь, а так

же землетрясение Лома Приета 1989 г. Главный удар этих землетрясений направлен

практически вертикально вверх, в отличие от первых двух, у которых он приходится к

горизонту примерно под углом 40-50°. Как видно из рисунка, литостатическая

(вертикальная) нагрузка одинакова для всех трех случаев. Горизонтальные (касательные)

напряжения (нагрузки) отличаются . Причина таких отличий заключается, на наш взгляд, в

том, что собственно “течет” только самый верхний слой литосферы, поэтому на удалении от

“русла”, которым является в данном случае сам разлом, чем меньше глубина, тем больше

напряжение. Совсем по-другому ведет себя касательное напряжение непосредственно в

области разлома (“русла”), где скорость течения максимальна, а, как известно, касательное

напряжение тем меньше, чем выше скорость течения.

272

Рисунок 8-20 демонстрирует одно из важнейших следствий нашей модели

землетрясения, состоящей в том, что характер его импульсного воздействия на земную кору

в виде подвижек и разрушений, повторяет и, более того, точно соответствует направлению

подвижек и разрушений, вызываемых медленным перемещением блоков земной коры и

литосферы. Как мы отмечали выше, именно это свойство землетрясения привело Рейда к

модели землетрясения, как уп ругой отдачи. Оказывается, что такой эффект находит

объяснение совсем с других, чем у Рейда, позиций. Эта особенность землетрясений,

основанная на взаимодействии в области их очага двух напряжений: литостатического и

касательного, связанного с “течением” литосферы, позволяет использовать её в модели

самоорганизации.

VIII. 8 Сейсмичность Земли как процесс самоорганизации

Принципиальным моментом ударно-волновой модели землетрясения является то, что

в геологической среде, которая подвержена только литостатической нагрузке (σ

↓

землетрясение возникнуть не может. Образование в напряженной геологической среде

когерентности акустических свойств и возникновение дальнего порядка и, как следствие

этого, возникновение землетрясения, возможно только при сложении литостатической и

касательной нагрузок. Причем, должно соблюдаться вполне определенное их соотношение.

На Земле возникновение тангенциальных (касательных) напряжений (σ

) приводит к

растеканию литосферы (движению плит), которое может служить своеобразным

«переносчиком» напряжений на сравнительно большие расстояния (аналогично тому, как это

происходит в гидравлике). Таким образом, в сейсмичности Земли можно выделить цепочку

взаимодействующих друг с другом процессов: «возникновение σ

→ течение литосферы →

смещение литосферных масс → возникновение соответствия: σ

+ σ

↓

→ землетрясение →

смещение литосферных масс → изменение величины σ

→ течение литосферы и т.д.». В этой

цепочке можно выделить два основных элемента: дрейф – течение литосферы и «диффузия»

- перераспределение напряжений при землетрясениях. Как мы неоднократно отмечали в этой

и других главах и приложении, сумма этих процессов, взаимодействующих между собой и

приводящих к их взаимному усилению, является необходимым условием для

самоорганизации. В соответствии с обоснованным нами принципом минимизации

гравитационного потенциала (минимизации высоты геоида), цель самоорганизующихся на

Земле процессов подобного типа состоит в приведении зон глубоководных желобов и

островных дуг (зон субдукции ) к гравитационному (изостатическому) равновесию.

Рассмотрим в качестве примера самоорганизации результаты исследований эффекта

миграции сейсмичности вдоль зон субдукции Тихого океана. Остановимся на двух недавних

работах (Кузнецов, Кейлис-Борок, 1997; Рундквист и др., 1998), хотя таких исследований

много больше. В первой работе авторы выделили цепочку сейсмической активности,

начавшейся со второй половины 40-х годов в районе Новой Зеландии - Тонга и

мигрирующей вдоль Тихоокеанического пояса по «часовой стрелке» до Южной Америки.

Этот этап закончился известным сильнейшим Чилийским землетрясением 1960 г.

Сейсмическая активность распространялась, по оценке авторов, со скоростью около 3000

км/год (v ≈ 10 см/с). Во второй работе рассмотрен более поздний период времени (1963 –

1995 гг.) и выявлена миграция активности сейсмичности Тихоокеанического пояса в

обратном (к первой работе) направлении, преимущественно «против часовой стрелки»,

примерно с такой же скоростью. Характерный размер кластера (сейсмоактивного сегмента)

составляет примерно 1000 км (l ≈ 10

см). Зная v и l, можно оценить диффузионный параметр

сейсмичности γ (γ ≈ 10

cм

/с).

273

Воспользуeмся формулой фрактальной размерности D: D = (α/γ)

1/2

l, приведенной

выше в этой главе, и оценим скорость течения литосферы α (скорость дрейфа): α ≈ D

γ/l

, т.к.

D ≈ 1, то величина α составляет примерно 10

-7

см/с, что соответствует скорости растекания

литосферы (до 10 см в год). Приведенная оценка показывает, что сейсмичность

Тихоокеанического пояса (составляющая примерно 80 % полной сейсмичности Земли)

непосредственно связана с растеканием литосферы (движением плит). Этот вывод тривиален

и именно в таком виде он следует из плитной тектоники. В нашей модели он наполнен

принципиально другим физическим смыслом. Суть его состоит в том, что на Земле в

настоящее время реализуется принцип минимизации гравитационной энергии, происходят

самоорганизующиеся процессы переноса и диффузии , направленные на минимизацию

высоты геоида в районе островных дуг и зон субдукции. Результатом влияния этих

процессов является возникновение пространственных кластеров-фракталов в виде

сейсмоактивных зон (сегментов) и сейсмического фликкер-шума, фиксируемого как

известный закон Гутенберга-Рихтера. Дрейф сейсмичности сначала по «часовой стрелке», а

потом – «против», должен быть связан (по нашей модели) с изменением вектора течения

(дрейфа плит). К сожалению, нам неизвестно точно, как изменялась скорость растекания

литосферы за последние 50 лет, и поэтому нет возможности убедиться в правомерности (или

ошибочности) нашей модели. Однако, можно попытаться получить эту информацию,

например, анализируя вертикальные движения земной коры в зонах субдукции и изменения

уровня Тихого океана.

Вывод.

Заключая главу, следует отметить: Ударно-волновая модель землетрясения и причина

сейсмичности Земли, как процесс самоорганизации при минимизации её гравитационной

энергии, не находится в принципиальном противоречии с тектоникой плит в плане

интерпретации известных экспериментальных данных, но, как уже отмечалось, наша модель

базируется на совершенно других физических принципах. Возможно, жизнь покажет, какая

из моделей более достоверна.

274

Литература

Аки К., Ричардс П. Количественная сейсмология: Теория и методы. М. Мир. 1983.

Алексеев А.С., Глинский Б.М., Дряхлов С.И., Ковалевский В.В., Михайленко Б.Г., Пушной

Б.М., Фатьянов А.Г., Хайретдинов М.С., Шорохов М.Н. Эффект акустосейсмической

индукции при вибросейсмическом зондировании. ДАН, 1996-а, Т. 346. № 5. С. 664-667.

Алексеев А.С., Глинский Б.М., Ковалевский В.В., Пушной Б.М. Вибросейсмические

источники для глобальной томографии Земли. Труды ВЦ СО РАН. Математические модели в

геофизике, вып.4. Новосибирск, 1996-б. С. 18-29.

Бердыев А.А., Мухамедов В.А. Землетрясения - фликкер-шум? ДАН СССР 1987. Т.297. № 5.

С. 1077-1082.

Гвоздев А.А., Кузнецов В.В. Откольные явления в грунтах, наблюдаемые при

сейсморазведке. Изв. АН СССР. Физика Земли. 1967. N. 5. С. 21-27.

Глинский Б.М., Ивакин А.Н., Ковалевский В.В., Левшенко В.Т., Руденко О.В., Собисевич

А.Л., Собисевич Л.Е. Изучение сейсмомагнитных эффектов, возникающих при

вибровоздействии на среду. Развитие методов и средств экспериментальной геофизики,

вып.2. 1996. С. 226-234.

Гохберг М.Б., Моргунов В.А., Похотелов О.А. Сейсмоэлектромагнитные явления. М., Наука.

1988. 174 с.

Журков С.Н., Куксенко В.С., Петров В.А. и др. Концентрационный критерий объемного

разрушения твердых тел. В сб. Физические процессы в очагах землетрясений. М. Наука.

1980. 282 с.

Заславский Г.М., Сагдеев Р.З. Введение в нелинейную физику. М. Наука. 1988. 368 с.

Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных

гидродинамических явлений. 1966. М. Наука. 686 с.

Касахара К . Механика землетрясений. М. Мир. 1985. 262 с.

Киселев С.П., Фомин В.М. Ударная волна разрежения в пористом материале. ДАН. 1995. Т.

341. N. 5. С. 630-631.

Климонтович Ю. Л. Уменьшение энтропии в процессе самоорганизации. S-теорема (на

примере перехода через порог генерации. Письма в ЖТФ. 1983. Т. 9. N. 23. C. 1412-1416.

Крылов С.В., Мишенькин Б.П., Мишенькина З.Р. и др. Детальные сейсмические

исследования литосферы на Р- и S-волнах. Новосибирск. Наука. 1993. 198 с.

Кузнецов И.В., Кейлис-Борок В.И. Взаимосвязь землетрясений Тхоокеанского

сейсмического пояса. ДАН. 1997. Т. 355. № 3. С. 389-293.

Кузнецов В.В. Физика земных катастрофических явлений. 1992. Новосибирск Наука. 96с.

Кузнецов В.В., Плоткин В.В., Хомутов С.Ю. и др. Исследование геофизических возмущений

при вибросейсмическом зондировании. Геология и геофизика. 1999. Т. 40 № 3. С. 442-456.

Липеровский В.А., Похотелов О.А., Шалимов С.Л. Ионосферные предвестники

землетрясений. М., Нау ка, 1992, 304 с.

Малышков Ю.П., Джумабаев К.Б., Омуркулов Т.А., Гордеев В.Ф. Влияние литосферных

процессов на формирование импульсного электромагнитного поля Земли, прогноз

землетрясений. Вулканология и Сейсмология. 1998. № 1. С. 92-105.

Моргунов В.А. Электрические явления, предшествующие Шикотанскому землетрясению и

его афтершокам. ДАН. 1998. Т. 359. № 1. С. 102-105.

Накоряков В.Е., Донцов В.Е. Усиление ударной волны в насыщенной пористой среде. ДАН.

2000. Т. 373. № 4. С. 477-478.

Плоткин В.В. Ионосфера как нагрузка глобальной атмосферной электрической цепи.

Известия вузов. Радиофизика 1992.Т. 35. № 11-12. С. 900-913.

Поль Б. Макроскопические критерии пластического течения и хрупкого разрушения, в сб.

Разрушение т. 2. Ред. Г. Либовиц. М. Мир. 1975. 764 с.

275

Рикитаке Т. Предсказание землетрясений. М. Мир. 1979.

Рундквист Д.В., Владова Г.Л., Рожкова В.В. Закономерности миграции очагов землетрясений

вдоль островных дуг. ДАН. 1988. Т. 360. № 2. С. 263-266.

Си Г., Либовиц Г. Математическая теория хрупкого разрушения, в сб. Разрушение т. 2. Ред.

Г. Либовиц. М. Мир. 1975. 764 с.

Сидорин Л.Я. Предвестники землетрясений. М. Наука. 1992. 192 с.

Хакен Г. Синергетика. М.: Мир. 1980. 404 с.

Юшин В.И., Егоров Г.В., Сперанский Н.Ф., Астафьев В.Н. Акус тическое исследование

нелинейных и реологических явлений в ближней зоне сейсмического вибратора. Геология и

геофизика. 1996. Т. 37. № 9. С.156-165.

Adushkin V.V., Soloviev S.P. Generation of low-frequency electric fields by explosion crater

formation. J. Geophys. Res. V. 101. 1996. P. 20165-20173.

Bak P., Tang C., Wiesenfeld K. Self-organized criticality: An explanation of 1/f noise. Phys. Rev.

Lett. 1987. V. 59. P. 381-384.

Bak P., Tang C. Earthquakes as a self-organized critical phenomenon. J. Geophys. Res. 1989. V.

94. N. B11. P. 15.635-15.637.

Balachandran N.K., Donn W.L., Rind D.H. Concords sonic booms as an atmosphere probe.

Science, 1977. V. 187. № 4298. P. 47-49.

Ben-Zion Y., Rice R. Slip patterns and earthquake populations along different classes of faults in

elastic solids. J. Geophys. Res. 1995. V.100. N. B7. 12,959-12,983.

Blanc E. Observations in the upper atmosphere of infrasonic waves from natural or artificial

sources: a summary. Ann. Geophys. 1985. V. 3. P. 673-688.

Blanc E., Rickel D. Nonlinear wave fronts and ionospheric irregularities observed by HF sounding

over a powerful acoustic source . Radio Sci. 1989. V. 24. № 3. P. 279-288

Brace W.F., Byerlee J.D. Stick-slip as a mechanism for earthquakes. Science. 1966. V.153. P. 990-

992.

Brown S.R., Scholz C.H., Rundle J.B. A simplified spring-block model of earthquakes.

Geophys. Res. Lett. 1991. V. 18. N.2. P. 215-218.

Burridge R., Knopoff L. Model and theoretical seismicity. Bull. Seism. Soc. Am. 1967. V.57. N.3.

P. 341-372.

Calais E., Minster J.B. GPS, earthquakes, the ionosphere, and the Space Shuttle. Phys. Earth and

Planet. Inter. 1998. V. 105. P. 167-181.

Calais E., Minster J.B., Hofton M.A., Hedlin M.A.H. Ionospheric signature of surface mine blasts

from Global Positioning System measurements. Geophys. J. Int. 1998. V. 132. P. 191-202.

Carlson J.M., Langer J.S., Shaw B.E. and Tang C. Intrinsic properties of a Burridge- Knopoff model

of an earthquake fault. Phys. Rev. A. 1991. V.44. N. 2. P. 884-897.

Carlson J.M., Langer J.S., Shaw B.E. Dynamics of earthquake fault. Rev. Mod. Phys.1994. V. 66.

N. 2. P. 657-670.

Chao B.F., Gross R.S., Dong D.-N. Changes in global gravitational energy induced by

earthquakes. Geophys. J. Int. 1995. V. 122. P. 784-789.

Christensen K. Replies. Phys. Rev. Lett. 1993. V. 71. N. 8. P. 1289.

Dicke R.H. Coherence in spontaneous radiation processes. Phys. Rev. 1954. V.93. N. 1. P. 99-110.

Ding E.J., Lu Y.N. Analytical treatment for a spring-block model. Phys. Rev. Lett. 1993. V. 70. N.

23. P. 3627-3630.

Eberhart-Phillips D., Michael A.J. Three-dimensional velocity structure, seismicity, and fault

structure in the Parkfield region, Central California. J. Geoph. Res. 1993. V. 98. N. B9. P. 15737-

15758.

276

Francel M.S., A.M.Peterson. Remote temperature profiling in the lower troposphere Radio Sci.

1976. V. 2. № 3. P. 157-166.

Geller R.J. Shake-up for earthquake prediction. Nature. 1991. V. 352. 275-276.

Geller R.J. VAN: a critical evaluation, in Critical review of VAN, ed. J.Lighthill, World

Scientific, P. 155-238, 1996. Singapore.

Harp E.L., Jibson R.W. Landslides triggered by the 1994 Northridge, California, earthquake. BSSA.

1996. V.86. N.1B. P. S319-S332.

Horton S. A fault model with variable slip duration for the 1989 Loma Prieta, California, earthquake

determined from strong-ground-motion data. BSSA 1996. V. 86. № 1A P. 122-132.

Ichinose T., Takagi K., Tanaka T., Oquzawa T., Shibata T., Sato Y., Nagasawa C., Ogawa T. HF

Doppler observations of acoustic waves excited by the earthquake Middle Atmosphere Program,

Handbook for MAP. 1982. V. 18. P. 310-318.

Ide S., Takeo M., Yoshiba Y. Source process of the 1995 Kobe earthquake: determination of spatio-

temporal slip distribution by Bayesian modeling. BSSA 1996. V. 86. №3. P. 547-566.

Ishido T., Nishizawa O. Effect of zeta potential on microcrack growth in rock under relatively low

uniaxial compression. J. Geophys. Res. 1984. V. 89. N. B6. P. 4153-4159.

Ito K., Matsuzaki M. Earthquakes as self-organized critical phenomena. J. Geophys. Res. 1990. V.

95. N. B5. P. 6853-6860.

Iyemori T., Kamei T., Tanaka Y., Takeda M, Hashimoto T., Araki T., Okamoto T., Watanabe K.,

Sumitomo N., Oshiman N. Co-seismic geomagnetic variations observed at the 1995 Hyogoken-

Nanbu earthquake. J. Geomag. Geoelectr. 1996. V. 48. p. 1059-1070.

Jacobson A.R., Carlos R.C., Argo P.E., Rickel D.G. Radio wave diffraction during the passage of an

acoustic shock through a sporadic E layer. Radio Sci. 1986, v. 21, № 4, p. 752-760.

Kitov I.O., Murphy J.R., Kusnetsov O.P., Barker B.W., Nedoshivin N.I. An analysis of seismic and

acoustic signals measured from a series of atmospheric and near-surface explosions. Bull. Seism.

Soc. Amer. 1997. V. 87. P. 1553-1562.

Klein W., Rundle J. Comment on “Self-organized criticality in a continuous, nonconservative

cellular automaton modeling earthquakes”. Phys. Rev. Lett. 1993. V. 71. N. 8. P.1288.

Knopoff L., Landoni J.A., Abinante M.S. Dynamical model of an earthquake fault with localization.

Phys. Rev. A. 1992. V. 46. P. 7445-7449.

Kusunose K., Lei X., Nishizawa O., Satoh T. Effect of grain size on fractal structure of acoustic

emission hypocenters distribution in granitic rock. Phys. Earth Planet. Inter.1991. V. 67. P. 194-199.

Kuznetsov V.V., Plotkin V.V., Izraileva N.I. The investigation of electromagnetic interactions

between regions surrounding the Earth. J. Atmos. Terr. Phys. 1995. V. 57. № 13. P. 1639-1660.

Kuznetsov V.V., Plotkin V.V., Khomutov S.Y. Acoustic, electromagnetic and ionospheric

disturbances during the vibroseismic sounding. Geophys. Res. Lett. 1999. V. 26. P. 2017-2020.

Kuznetsov V.V., Plotkin V.V., Khomutov S.Y. et al. Powerful seismovibrators as a possible source

of acoustic and electromagnetic disturbances. Phys. Chem. Earth (A). 2000. V. 25. # 3. P.325-328.

Lei X., Nishizawa O., Kusunose K., Satoh T. Fractal structure of the hypocenter distributions and

focal mechanism solutions of acoustic emission in two granites of different grain sizes. J. Phys.

Earth. 1992. V. 40. P. 617-634.

Masood E. Greek earthquake stirs controversy over claims for prediction method. Nature. 1995. V.

375. P. 617.

Nielsen S., Knopoff L., Tarantola A. Model of earthquake recurrence: role of elastic wave radiation,

relaxation of friction, and inhomogeneity. J. Geophys. Res. 1995. V.100. N. B7. P. 12,423-12,430.

Olami Z., Feder H.J.S., Christensen K. Self-organized criticality in a continuous, nonconservative

cellular automaton modeling earthquakes. Phys. Rev. Lett. 1992. V. 68. N. 8. P. 1244-1247.

Qamar A. Space Shuttle and meteroid - tracking supersonic objects in the atmosphere with

seismographs. Seism. Res. Lett. 1995. V. 66, № 5. P. 6-12.

277

Reid H.F. The elastic-rebound theory of earthquakes. University of California Publ. Geol. Sci.

1911. V. 6. 413-444.

Rial J.A., Saltzman N. G., Ling H. Earthquake-induced resonance in sedimentary basins. American

Scientist. 1992. V. 80. November-December. Р. 566-578.

Rundle J.B. A simplified spring-block model of earthquakes. Geophys. Res. Lett. 1991. V. 18. N.2.

P. 215-218.

Sahimi M., Robertson M.C., Sammis C.G. Fractal distribution of earthquake hypocenters and its

relation to fault patterns and percolation. Phys. Rev. Lett. 1993. V. 70. N. 14. P. 2186-2189.

Smith D.L., Evans B. Diffusional crack healing in quartz. J. Geophys. Res. 1984. V. 89. P. 4125-

4135.

Somerville P., Saika C., Wald D., Graves R. Implications of the Northridge earthquake for strong

ground motions from thrust faults. 1996. BSSA. V. 86. N. 1B. P. S115-S125.

Suzuki R.K., Yuen P.C., Weaver P.F. Continuous travelling coupling between seismic waves and

the ionosphere evident in May 1968 Japan Earthquake Data . J. Geophys. Res. 1969. V. 74. № 9.

P. 2256-2264.

Sweeney J.J. Low-frequency electromagnetic measurements as a zero-time discriminant of nuclear

and chemical explosions - OSI research final report: Lawrence Livermore National Laboratory,

Livermore, CA, report UCRL-ID-126780, December, 1996, 23 p.

Tomizava I., Yamada I. Generation mechanism of electric impulses observed in explosion seismic

experiments. J. Geomagn. Geoelectr. 1995. V. 47. P. 313-324.

Vasconcelos L., Vieira M.S., Nagel S.R. Implications of a conservation law for the distribution of

earthquake sizes. Phys. Rev. A. 1991. V. 44. N. 12.P. R7869-R7872.

Vieira M.S., Vasconcelos L., Nagel S.R. Dynamics of spring-block model: Tuning to criticality.

Phys. Rev. E. 1993. V.47. N.4. P. R2221-R2224.

Wald D.J., Heaton T.H., Hudnut K.W. The slip history of the Northridge, California, earthquake

determined from strong-motion, teleseismic, GPS, and leveling data. BSSA. 1996. V.86. P. S49-

S70.

Walls C., Rockwell T., Mueller K., et al. Escape tectonics in the Los Angeles metropolitan region

and implications for seismic risk. Nature. 1998. V. 394. P. 356-360.

Wiens D.A., McGuire J.J., Shore P.JU. et al. A deep earthquake aftershock sequence and

implications for the repture mechanism of deep earthquakes. Nature. 1994. V. 372. P. 540-543.

Willemann R.J. A simple explanation for the depth distribution of deep earthquakes. Geoph. Res.

Lett. 1991. V. 18. P. 1123-1126.

Yamada I., Masuda K, Mizutani H. Electromagnetic and acoustic emission associated with rock

failure. Phys. Earth and Planet. Int. 1989. V. 57. P. 157-168.

278

Глава IX. ВЗАИМОСВЯЗЬ ЛИТОСФЕРЫ, АТМОСФЕРЫ И ИОНОСФЕРЫ

Традиционный подход к проблеме взаимосвязи геооболочек ограничивается

рассмотрением влияния Солнца на магнитосферу, ионосферу, атмосферу, океан и

литосферу, вернее на её самую верхнюю оболочку, хотя иногда это влияние пытаются

находить даже в сейсмичности Земли. На общем грандиозном фоне фундаментальных

работ в области физики Солнца и солнечно-земных связей, физики атмосферы и океана,

физики сейсмичности и вулканизма, эта проблема не получила должного внимания,

соответствующего её важности. Нельзя отрицать колоссальной роли Солнца во многих

процессах, происходящих на Земле, однако, в ряде ситуаций ведущую роль во взаимосвязи

геооболочек играют эндогенные, внутриземные процессы и явления. Одним из наиболее

ярких примеров, показывающих преимущественную роль Земли в явлениях , происходящих

в атмосфере, океане, ионосфере, это комплекс явлений, связанных с сейсмичностью и

физикой землетрясения.

В качестве “агентов”, связывающих геооболочки, рассматриваются различные

электромагнитные явления, в частности, атмосферное электрическое поле, и упругие волны,

способные перевозбуждаться на границах оболочек. В последние годы обнаружилось, что

практически все геофизические объекты: ландшафты и береговые линии, облака и

магнитосферные возмущения, землетрясения и солнечные вспышки и космические лучи,

фрактальны. С одной стороны, это означает, что все они представляются в определенном

смысле, как результат самоорганизующихся процессов, происх одящих в Природе, а, с

другой, все они находятся во взаимосвязях между собой, подчас не слишком явных и

скрытых от пытливого взгляда наблюдателя.

IX.1. Фрактальные свойства Земли и связь геооболочек

Модель горячей Земли, о которой идет речь в этой книге, базируется на теснейшей

взаимосвязи геооболочек. По модели: внутренне ядро связано с внешним, посредством

реализации процессов “конденсация-испарение”, происходящих в F-слое; внешнее ядро - с

мантией, посредством происходящих в D”-слое явлений “кристаллизация-плавление”.

Термодинамические явления и процессы, происходящие в F-слое, где, по модели,

осуществляется генерация геомагнитного поля, “маркируются” магнитным полем и мы

регистрируем их как джерки, фокусы векового хода, инверсии и т.п. Сейсмичность и

вулканизм Земли, согласно нашей модели, являются своеобразным “инструментом”,

направленным на то, чтобы “исправить” её форму, искаженную во время цикла

расширения. Эти явления теснейшим образом связаны с движениями литосферы.

Посредством этих явлений на Земле реализуется принцип минимизации гравитационной

энергии, приводящий к тому, что Земля стремится “быть” более компактной, а её форма – в

большей степени соответствовать скорости её вращения. Растекание литосферы, с одной

стороны, и сейсмичность и вулканизм, с другой, являются «у частниками» происходящих на

Земле процессов самоорганизации. На Земле можно видеть теснейшую связь между

структурой внутреннего ядра, мантии и высоты геоида и т.п.

В этом разделе мы остановимся на некоторых работах, имеющих отношение к

процессам самоорганизации на Земле и взаимосвязи её оболочек, которые, по той или иной

причине, не рассматривались нами подробнее. Тем не менее, упоминание об этих работах

дополняет общую картину взаимосвязи верхних геооболочек и ещё глубже раскрывает

физику Земли и планет.

Фликкер-шум в природных явлениях. Практически все процессы и явления,

происходящие в Природе, в том числе и на Земле, слу ч айны и уподоблены шуму. Однако ,

это не хорошо известный нам т.н. «белый» шум, когда система каждый раз начинает заново

и не “помнит” о своих предыдущих действиях. В Природе преобладает другой принцип,

279

согласно которому, процессы случайны, но система помнит, что произошло с ней раньше.

Этот алгоритм носит название “фликкер-шум”. Временные и пространственные события,

происходящие в системе, реализующей алгоритм фликкер-шума, фрактальны. Они

сопряжены с самоорганизацией процесса, а сами фракталы-кластеры возникают в системе,

как реакция на процессы переноса и перколяции и как продукт деятельности механизмов,

препятствующих переносу и перколяции (см. Приложение I). Эти процессы

характеризуются линейной зависимостью между логарифмом энергии события и

логарифмом частоты его появления, а так же высокой степенью пространственной и

временной масштабной инвариантности процессов (scaling). В качестве примера

природного фликкер-шума, обычно приводят известный закон повторяемости

землетрясений (см. рис. 9-1-а). Похожий закон характеризует, например, зависимость

полной энергии излучения вспышек на звездах, в том числе и на Солнце (рис. 9-1-б),

аналогичные зависимости характерны для спектров галактических космических лучей и т.п.

Всё это говорит об универсальности в Природе такого явления, как фликкер-шум.

Рис. 9-1. Повторяемость землетрясений (а), энергетические спектры вспышек (б) (Кузнецов,

1982).

Баланс энтропии Определяющую роль энтропии и негэнтропии (отрицательной

энтропии) в процессе самоорганизации планет Солнечной системы вскрывает Изаков

(1997). Для планеты притоком и оттоком массы можно пренебречь, а в энергетическом

балансе рассматривать только приток солнечной радиации Ф

, поглощенной планетой и

отток инфракрасной радиации Ф

. Это справедливо для планет земной группы, где поток

тепла из недр пренебрежимо мал по сравнению с радиационными потоками:

В = Ф

- Ф

= f

(1 - A) π R

- 4 π R

, (9.1)

280

Здесь f

- поток солнечной радиации на единицу площади, A - альбедо планеты, R - её

радиус, f

= σТ

- поток инфракрасной радиации, испускаемый с единицы площади

планеты, Т - равновесная температура. Многолетние измерения потоков радиации с

помощью приборов, установленных на спутниках, показали, что энергетический баланс

Земли в среднем за год близок к нулю, т.е. приток и отток энергии примерно равны. Из

уравнения 9.1 видно, что при увеличении солнечного потока увеличивается и планетный

поток, обеспечивая, таким образом, примерное постоянство климатических условий на

планете.

Изаков задает вопрос, что же расходуется в планетарных процессах, в которых

перерабатывается огромное количество энергии и вещества и отвечает на него, доказывая,

что расходуется получаемая планетой негэнтропия.

Если считать, что спектры солнечной и планетарной радиации близки к спектрам

радиации абсолютно черного тела, то приток негэнтропии на планету равен:

∆S = 4/3(Ф

- Ф

). (9.2)

Температура Т

(Т

= 5780 К) всегда больше чем температура тепловой радиации планеты

(для планет земной группы Т

= 211 - 441 К), следовательно, на любой планете всегда

есть отток энтропии ∆S < 0 и приток негэнтропии ∆N = - ∆S, которая расходуется во всех

процессах, происходящих на планете.

Представим себе, что изменилась величина Т

, хотя величина солнечной постоянной

осталась прежней. Согласно формулам 9.1 и 9.2, Земля будет получать тот же приток

энергии, но меньший приток негэнтропии. При этом многие процессы на Земле могут

пойти по другому сценарию. Например, фотоны, приходящие на Землю окажутся

неспособными обеспечить фотосинтез и биосфера будет совсем другая, отличная от

настоящей. Таким образом, негэнтропия выражает качество притока энергии.

На Земле по данным спутниковых измерений: f

= 1368 Вт м

-2

, А = 0.29, Т

= 5778 К,

= 254 К. Приток негэнтропии на Земле ∆N = 6.2×10

Вт К

-1

. (на Венере - ∆N = 4.0×10

Вт К

-1

; на Марсе - ∆N = 9.9×10

Вт К

-1

). Приток негэнтропии расходуется на поддержание

теплового баланса планеты, на что идет примерно 70% негэнтропии, приходящей на Землю.

Около 25% притока негэнтропии расходуется на испарение воды с поверхности океанов.

Водяной пар, поднимаясь в атмосфере, конденсируется, создавая облака, переносимые

ветром на сушу, и выпадающие осадки обеспечивают водой биосферу. В этом процессе

принимает участие примерно 5×10

т воды в год. (Как будет показано в следующем

разделе, этот процесс приводит к возникновению атмосферного электричества и

“контролю” его полярности). Из этих оценок следует, что на всю динамику атмосферы и

океана, включая все потоки массы и тепла в атмосфере и океане, цунами, ураганы и тому

подобные явления, расходуется не более 5% пришедшей на Землю негэнтропии. Кстати, на

Венере, где вода отсутствует, на динамику атмосферы расходуется значительно большая

часть прих одящей негэнтропии.

Такие процессы и явления на Земле, как парниковый эффект, гидрологический цикл

воды, общая циркуляция атмосферы и океана, а также ряд других, - суть диссипативные

структуры, поддерживаемые притоком негэнтропии и слагающие единую

самоорганизующуюся систему , характеристикой которой является климат Земли.

Фрактальность климата Проблема изменений климата продолжает волновать ученых,

т.к. она не находит простого и логичного объяснения. Парниковый эффект, причем,

решающую роль здесь всегда играла его антропогенная компонента, был до недавних пор

основным фактором, на базе которого строили объяснения изменений климата. В последнее

время специалисты пришли к общему мнению, что обнаружить антропогенный вклад на

фоне мощных естественных колебаний климата, по-видимому, не удастся. Этот вывод