Изменения магнитного поля – причины и следствия для безопасности «Космического Корабля Планета Земля» (ккпз) icon

Изменения магнитного поля – причины и следствия для безопасности «Космического Корабля Планета Земля» (ккпз)


Смотрите также:
Доклад на 2-ой международной научно практической конференции «Проблемы безопасности Космического...
Космического Корабля «Планета Земля»...
План Понятие магнитного момента атома. Микро и макротоки. Намагниченность...
Закон Био-Савар-Лапласа...
«Роль и значение воинских формирований в подготовке и запуске космического корабля «Восток»...
Исследование магнитного поля в катушках Гельмгольца...
Исследование магнитного поля Земли...
Лабораторная работа № Исследование магнитного поля модели сверхпроводникового индуктора...
Домашн задание Примечание 1 Введение (3 ч.) Что изучают в курсе «Земля-планета людей». Вводный...
Заседание Государственной комиссии по пуску космического корабля "Восток-3А"...
Лекция n 21
Современные проблемы аппаратурного обеспечения мониторинга магнитного поля промышленной частоты...



Загрузка...
скачать



Изменения магнитного поля – причины и следствия для безопасности «Космического Корабля Планета Земля» (ККПЗ)

Цыганков С.С., Цыганков С.С.(II) , Цыганков С.С.(III)




Введение


Магнитное поле Земли, его напряженность, наклонение и склонение постоянно изменялись на протяжении всей ее истории. Периоды этих изменений самые различные: минуты, сутки (суточные вариации), сотни лет (вековые вариации), вариации основного спектра (период от 300 до 20 тысяч лет).

Рис.1 Палеомагнитная геохронологическая шкала для последних 4,5 млн. лет (по Ф.Стейси).


Самые сильные и глобальные изменения – инверсии магнитного поля, когда оно на протяжении геологической истории неоднократно изменяло полярность на прямую и обратную. В качестве примера на рис.1 показана геохронологическая шкала для последних 4,5 млн. лет, согласно которой в течение указанного периода сменилось 4 эпохи: Брюнеса, Матуямы, Гаусса и Гильберта. Внутри них при более детальных исследованиях были обнаружены более краткие смены полярности.

Изменения магнитного поля приводят к изменениям и в других геосферах, в частности, в большей степени в биосфере – жилом отсеке ККПЗ. Максимальные изменения соответствуют периодам инверсии. Систематические исследования инверсий позволили выявить связь между периодической сменой растительного и животного мира на Земле с циклическими изменениями магнитного поля. В моменты слабого магнитного поля в процессе инверсий, когда его напряженность уменьшается в 5-7 раз [1], Земля остается «беззащитной» перед космическим (прежде всего солнечным) излучением, которое оказывает огромное влияние на биосферу. Но и более слабые изменения имеют большое влияние на жизнедеятельность и безопасность ККПЗ.


^ 1.О возможном механизме генерации и инверсии магнитного поля.

Механизм генерации и инверсии магнитного поля является составной частью единой геодинамической модели Земли, в которой главными действующими физическими процессами являются охлаждение первоначально расплавленного тела и внутренний разогрев. Показано, что в процессе его кристаллизации с поверхности, идущей с усадкой, и разогрева, сопровождающегося увеличением объема, происходит циклическое изменение (увеличение и уменьшение) радиуса Земли [2]. Исходя из закона сохранения момента количества движения, это приводит к созданию разности в угловых скоростях вращения внешней твердой оболочки (мантии) и ядра.

Если предположить наличие в ядре свободных электрических зарядов, образование которых может быть связано с различными физико-химическими (термоэлектрическими, термоэмиссионными, электрохимическими, пьезоэлектрическими, кристаллизационными) процессами, а также при высоких градиентах температуры и давления, больших пластических деформациях, и других условиях и процессах, которые реально могут происходить на границе мантия-ядро [3], то их вращательное движение вместе с внешним ядром относительно мантии может генерировать в пространстве дипольное магнитное поле [4]. При этом величина индуцированного магнитного поля будет определяться скоростью вращения ядра Δωс21 (образно говоря, «ротора») относительно внешней оболочки Земли («статора») (рис.2).

На протяжении геологической истории при циклическом изменении радиуса Земли происходит смена полярности в зависимости от того, вращается ядро быстрее мантии Δωс>0 (обратное поле), или, наоборот, мантия быстрее ядра Δωс<0 (прямое) (при увеличении и уменьшении радиуса планеты). При этом происходит постоянное изменение напряженности магнитного поля, с максимумом в моменты инверсии (до 10 раз).



ω1, ω2, ω3




Рис.2 Схема вращения

геосфер: ω1-угловая

скорость вращения мантии,

ω2- угловая скорость вращения

внешнего ядра,

ω3- угловая скорость

в
ω2, Δω
нутреннего ядра,

Δω- скорость проворота внеш-

н
ω1
его ядра относительно мантии

(«западный дрейф»);

Δωс ~0.20/год;


На рассогласованность в движении жидкого ядра и его жестких ограничений указывают и геофизические данные. Вращение внешнего ядра при большом изменении физико-механических свойств его вещества по глубине от мантии до внутреннего ядра, сила трения и разница в скоростях вращения на твердых границах может приводить к его «расслоению» – образованию помимо основного «проворота» тонких приграничных слоев и созданию в них условий для возникновения вихревых движений (рис.3а). Результаты модельных экспериментов образования вихревых движений во вращающейся жидкости показаны на рис.3б,в.

При этом возникают два типа источников генерации магнитного поля разного объема и, соответственно, мощности – основное и приграничные динамо. Для совместимости движения жидкости на границах направления вращения в них должны быть противоположными. Соответственно, они будут создавать магнитные поля разных знаков. При этом магнитное поле всей Земли будет определяться суммой диполей создаваемых отдельными вихревыми движениями. Суммарный дипольный магнитный момент всего жидкого ядра Pm можно получить проинтегрировав по его объему магнитные моменты отдельных замкнутых токов pm, различающихся радиусом (r) и угловой скоростью вращения (Δωс) pm=i·s, где s=π·r2 – площадь контура, i=n·e· Δωс ·r·f, где n – число зарядов в единице объема, e - заряд, f – площадь поперечного сечения.



Рис.3а Схема образования вихревых движений прово-дящего вещества внешнего ядра при Δωс,>0: 1 – мантия; 2 – внешнее ядро (а,с – приграничные области; b – основной проворот); 3 – внутреннее ядро.(не в масштабе)





Рис.3б Взаимосвязь крупно- и мелко масштабных конвективных структур в опыте Кутателадзе (1979) при изменении вязкости жидкого неравновесного слоя (в разрезе). Эффект сохраняется при усложнении геометрии неравновесного слоя, от плоского до сферического [5].





Рис.3в. Трековые фотографии докритического (а) и закритического течения вращающихся жидкостей (б) – возникновение регулярной вихревой картины [6].

По мере уменьшения напряженности основного диполя, в связи с уменьшением скорости проворота, она может сравняться с напряженностью полей генерируемых в приграничных областях. При этом, учитывая их разные знаки, может начаться процесс «мигания» поля (резкой смены знака). Это согласуется с фактом, что по мере уменьшения магнитного момента в начале инверсии наблюдается увеличение числа коротких резких флюктуаций направления магнитного поля (экскурсы), которые, согласно предположению [7], генерируются в приповерхностном слое и становятся заметными на фоне слабого основного динамо.

Процесс зарождения магнитного поля обратной направленности будет связан с изменением знака относительной скорости вращения ядра и мантии и с образованием основной и приграничных систем с противоположным направлением течения проводящего вещества.

Это подтверждают исследования сферического течения Куэтта (сдвиговое течение вязкой несжимаемой жидкости в сферическом слое, границы которого вращаются вокруг одной оси с постоянными, по разными угловыми скоростями) которые показали, что движение жидкости при этом состоит из “первичного течения” вокруг оси вращения и “вторичного течения” тип и структура которого зависят от трех параметров подобия: числа Рейнольдса Re11(r1)2/ ν, относительной толщины слоя δ=(r1-r2)/r2 и числа Россби ε = (ω12)/ω2, где ω1- угловая скорость внешней сферы, r1- ее радиус, ω2 и r2 – соответственно для внутренней (рис.4) [8-10].




Рис.4а. Линии тока вторичного течения в слое δ=0,11 при различных значениях Re: а-1270, б-1600, в – 1900; г – 2300 [60].




Рис.4б. Фотографии вторичных течений в тонком слое [59].


Очень важный результат экспериментов состоит в том, что в случае, когда внутренняя сфера неподвижна (ω2-=0), и как бы внешняя сфера ее опережает, направление вторичного течения меняется на обратное.


^ 2.О связи инверсии магнитного поля с другими процессами в гео- и биосферах.

Из предложенной модели должна следовать тесная взаимосвязь между цикличностью процессов разрушения в верхней твердой оболочке Земли с инверсией магнитного поля. Таких глобальных чередований в тектоносфере, когда задействована вся внешняя оболочка («суперциклов») в истории Земли было несколько (по крайней мере 4 [48]). Они задают основные тренды и в превалировании той или иной направленности геомагнитного поля. Однако процессы разрушения и потери устойчивости могут происходить и в отдельных или нескольких внутренних оболочках, создавая различную цикличность поля меньшей продолжительности. При этом должна быть связь между такими основными структурами Земли, как блочность, расслоенность и т.п. с основными циклическими колебаниями (ритмами) магнитного поля.

Из тех данных, которые сразу «бросаются в глаза» надо отметить совпадение эпох длиннопериодных устойчивых состояний магнитного поля с интервалом 160-200 млн. лет [1] с геодинамической цикличностью Бертрана (150-250 млн.лет) [38]. Более того, эти периоды совпадают и с климатическими циклами, связанными с вулканической деятельностью [66], также отражающую геодинамическую активность.

Кроме связи с геодинамикой понижение магнитного момента в процессе инверсии (в центральном этапе в 5 – 10 раз) пропорционально увеличивает попадающее на Землю космическое излучение, что в свою очередь должно резко изменять условия существования животного мира на Земле [68]. Это согласуется с определенной связью режима инверсий с геологическими эрами, отражающими крупные изменения в биосфере Земли, в частности, это относится к границе рифея и палеозоя.

Последние исследования по вопросам взаимосвязи инверсий геомагнитного поля с геодинамическими проявлениями (плюмами) и изменениями в органическом мире в течение 370 млн. лет [69] показали, что эти явления на самом деле близки к синхронным, что говорит о едином конструктивном механизме взаимодействия, как оболочек Земли, так и генерируемых в них физических полей.

^ 3.Чем опасна инверсия геомагнитного поля для Человечества?

В процесс смены полярности (рис.1), напряженность магнитного поля уменьшается в 5-10 раз [1]. Влияние изменения величины магнитного поля на биосферу можно оценить по результатам изучения воздействия космического излучения во время увеличения солнечной активности (рис.5а). Это приводит к увеличению коротковолнового (ультрафиолетового и рентгеновского) излучения и количества и скорости частиц солнечного ветра, «обрушивающихся» на Землю, и крайне негативно влияющих на биосферу. Поток солнечной плазмы «деформирует» геомагнитное поле (рис.5б), а мощные вспышки на Солнце вызывают в нем магнитные бури (рис.5в) [70]. Результаты такого воздействия будут зависеть от напряженности геомагнитного поля, определяющей размеры магнитосферы – земной оболочки, защищающей биоту от прямого воздействия солнечного ветра. При этом увеличение солнечной активности и, соответственно, доли излучения, попадающего на поверхность Земли, эквивалентно увеличению «пропускной» способности защитного экрана – уменьшению напряженности геомагнитного поля.





а

в


б


Рис.5 а) Ход наиболее известного индекса солнечной активности – чисел Вольфа в 19-20 вв;

б) Обтекание солнечным ветром геомагнитного поля. Горизонтальная шкала на рисунке – радиусы Земли. Направление движения солнечного ветра показано стрелками;

в) Динамика следования бурь с внезапным началом (SSC) в 11-летнем цикле солнечной активности (W) [70]


Это приводит к широкому спектру изменений в биосфере. Об этом говорят работы А.Л.Чижевского, однозначно показывающие взаимосвязь увеличения солнечной активности с изменениями в биосфере, в частности, с увеличением заболеваемости и смертности в мире от различных болезней, эпидемий и пандемий (рис.6).





Рис.6а) Сопоставление заболеваемости тифом (1) с числами Вольфа (2) [68].


Рис.6б) Периодичность изменения вируса гриппа и пандемий гриппа в Европе. Вертикальные линии – максимумы пандемий [70].

По данным службы скорой помощи Москвы мощные магнитные бури сопровождаются всплеском в частоте следования инфарктов, что в численном виде отражается в увеличении вдвое числа больных сердечно сосудистыми заболеваниями, поступающих в это время в больницы. Возрастание заболеваемости-смертности обнаруживают связь с изменениями чисел Вольфа, так что в этих показателях прослеживается 11 – летний цикл солнечной активности (рис.7).




Рис.7 Средняя частота следования инфарктов миокарда (2) в 11-летнем цикле солнечной активности (1, W) [70]..


Увеличение доли солнечного излучения, попадающего на Землю, касается и всех других проблем жизнедеятельности. Так, в техносфере увеличение солнечной активности и связанные с ней магнитные бури приводят к увеличению числа аварий на линиях электропередач, в системах теле и радио связи, в системе спутниковой связи и др. Наиболее известным примером аварийного воздействия солнечной активности на технические системы, побудившим США приступить к созданию патрульных космических систем оповещения, являются последствия вспышек 6-10 марта 1989 г., которые сопровождались мощными геомагнитными бурями, приведшими к авариям на линиях электропередач, оставившие на 12 часов без электроэнергии 6 млн. населения (рис.8) [71].




Рис.8. Районы катастроф на линиях электропередач на территории США, вызванных выходом из строя трансформаторов во время сильных геомагнитных бурь [71].

Можно считать доказанным, что в моменты резкого увеличения солнечной активности (или уменьшения напряженности магнитного поля) происходит частичное уничтожение биоты, Так одна из проблем полета на Марс заключается в защите экипажа, оставшегося в космосе без соответствующей защиты от космических лучей и потока солнечной плазмы. По расчетам американских специалистов, в полете от космического излучения космонавты будут получать дозу не менее 80 бэр в год при ежегодной норме на Земле порядка 0.03 бэр. За каждый год космические лучи будут уничтожать в теле космонавта около трети ДНК. При этом от рака погибнет каждый десятый мужчина и каждая шестая женщина. А солнечные вспышки в течение часа добавят пару сотен бэр радиации – смертельную дозу для незащищенного космонавта [72]. Таким образом, на поставленный вопрос можно однозначно ответить, что уменьшение напряженности магнитного поля во время инверсии в несколько раз (5-10) за короткое время может полностью уничтожить все Человечество, оставшееся без соответствующей защиты. Это согласуется с результатами систематических исследований инверсий, которые позволили выявить связь между периодической сменой растительного и животного мира на Земле с циклическими изменениями магнитного поля [69].

^ 4. Что же происходит с магнитным полем в настоящее время, и как близко время его переполюсовки?

По данным обсерваторских наблюдений, магнитный момент Земли неуклонно уменьшается [1]. По некоторым оценкам за последние 170 лет геомагнитное поле ослабло почти на 10% - 15%, причем со временем скорость этого процесса возрастает.





Рис.9 Карты магнитного поля Земли на границе ядро-мантия, сделанные по измерениям со спутника [73].

Изменение геомагнитного поля, произошедшее за последние 20 лет с 1980 по 2000гг, приведенное на рис.9, уже показало образование новых участков обратного магнитного поля, в частности, под восточным побережьем Северной Америки и Арктикой. Кроме этого, ранее выявленные участки обратного поля выросли и сдвинулись в сторону полюсов. Исходя из модели [8] процессы «мигания» поля – образования участков с другой полярностью, вызванные уменьшением напряженности основного динамо, можно считать первыми сигналами планеты, говорящими о возможности скорой глобальной переполюсовки. Однако, в любом случае ясно, что этот процесс начался и никакими человеческими силами остановлен быть не может. При этом совершенно необходимым является построение научного прогноза, как по процессу образования, изменения и инверсии магнитного поля, так и проектирования совершенно новой системы защиты человеческой цивилизации от прежде небывалого в ее истории фактора неодолимой силы на длительный период времени.


Литература

1. Глацмайер Г., Олсон П. Изучение геодинамо//В мире науки, 2005.-№7.-С.29-35.

2.Петрова Г.Н. Цилические изменения магнитного поля Земли//Физика Земли, 2002.- №5.- С.5-14.

3.Авсюк Ю.Н. Приливные силы и природные процессы М. , 1996, 186 с.

4.Шалимов С.Л. О механизме нестабильности динамо// ДАН, Том 395, №2, 2004, С.258-260.

5.Чуйкова Н.А., Семенков К.В. Зависимость частоты инверсий геомагнитного поля от положения Солнечной системы в Галактике/ сб. Земное ядро как источник аномалий в гравитационном и магнитном поле Земли и геодинамических эффектов Аналог, МГУ, 1996. С.136-145.

6.Цыганков С.С., Цыганков С.С. (II), Цыганков С.С.(III) Конструкция космического корабля «Планета Земля»//Природа. 2003.- №6.- С 70-79.

7.Воробьев А.А. Физические условия залегания и свойства глубинного вещества. (Высокие электрические поля в земных недрах). Томск: изд-во ТГУ, 1975, 296 с.

8.Петров О.В., Мовчан И.Б. Самоподобие и размерность в диссипативном структурировании/Региональная геология и металлогения №19, 2003 СПб Изд-во ВСЕГЕИ С.33-47

9.А.М.Обухов Турбулентность и динамика атмосферы. Л. Гидрометеоиздат, 1988, 442с.

10.Брагинский С.И. Волны в устойчиво-стратифицированном слое на поверхности земного ядра//Геомагнетизм и аэрономия. –1987.- Т.28.-С.476-482.

11Летников Ф.А. К проблеме источника внутреннего тепла// ДАН, 2001, Том 378, №3, С.387-389.

12.Орленок В.В. Основы геофизики. 2000.-446 с.

13.Ромашов А.Н. Планета Земля. УРСС, 2002, 261 с.

14.Хаин В.Е. Крупномасштабная цикличность в тектонической истории земли и ее возможные причины//Геотектоника. -2000. -№6. -С. 3 -14.

15. Чумаков Н.М. Периодичность главных ледниковых событий и их корреляция с эндогенной активностью Земли//ДАН, 2001. Т.378. №5.

16.Чижевский А.Л. Земное эхо солнечных бурь. -М.: Мысль. 1976, 350 с.

17.Владимирский Б.М., Кисловский Л.Д. Космические воздействия и эволюция биосферы. М., 1986.

18.Бреус Т.К., Конрадов А.А. Эффекты ритмов солнечной активности/ Атлас временных вариаций природных, антропогенных и социальных процессов. Том 3. Природные и социальные сферы как части окружающей среды и объекты воздействий. С. 516-524.

19.Печерский Д.М. Инверсии геомагнитного поля, плюмы и изменения органического мира в фанерозое: удивительные совпадения//Физика Земли.- 2003. №1. С.53-56.




Скачать 133.89 Kb.
оставить комментарий
Дата16.10.2011
Размер133.89 Kb.
ТипДокументы, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх