Document 3858191
advertisement
Современное состояние наук о Земле 1-4 февраля 2011 г., Москва, Россия ЭНЕРГЕТИКА ПЛАНЕТАРНЫХ ПРОЦЕССОВ ЗЕМЛИ, ДРУГИХ ПЛАНЕТ И СПУТНИКОВ Баркин Ю.В. Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга при МГУ имени М.В. Ломоносова, Москва, Россия (barkin@inbox.ru) Введение В науках о Земле и вообще в планетодинамике сложилась критическая ситуация. Поступающая в огромном количестве научная информация о строении Земли и других тел солнечной системы, о процессах, происходящих на них, высокая активность этих процессов, другие явления и закономерности не получают должного объяснения на основе имеющихся геодинамических теорий. И первое что бросается в глаза – это отсутствие приемлемых с энергетической точки зрения планетарных динамических механизмов. Другая проблема – это трудности или даже беспомощность при объяснение циклических изменений природных процессов. В этом смысле, к сожалению, все имеющиеся на сегодня геодинамические теории не являются состоятельными, хотя в свое время они привлекались для объяснения наблюдаемых геологических структур и некоторых явлений, чтобы хоть как-то аргументировать саму возможность их существования [1]. Многие авторы сознают и допускают важную роль влияния Луны, Солнца и планет на природные процессы на Земле. Но здесь известен лишь один механизм приливного воздействия на внешнюю оболочку Земли, который ни в коей мере не может покрыть энергетические затраты необходимые для наблюдаемой активизации планеты. Хорошо известно, что приливное трение приводит к нагреванию слоев Земли, в силу их диссипативных свойств, но эта составляющая даже для таких активных небесных тел как спутник Юпитера (Ио), спутники Сатурна (Энцелад, Титан и др.) составляет лишь проценты от наблюдаемых тепловых эффектов и эндогенной активности (т.е. на два порядка ниже, чем это наблюдается в реальности). Возможная тепловая роль радиактивных веществ этих спутников предендует еще на меньшую роль. Аналогичная ситуация имеет место на других телах солнечной системы. Приливное трение не спасает ситуацию с наблюдаемой активностью и состоянием тепловых режимов на Меркурии, Венере, Земле и Марсе. Меркурий вообще должен был остыть к настоящему времени. Но это не так. Планета обладает жидким ядром, а как следствие – магнитным полем. Следовательно, существует механизм, поддерживающий его активное динамическое состояние. На таких удаленных от Солнца спутниках как Япет (спутник Сатурна), Миранда (спутник Урана) обнаруживаются феноменальные формирования в 10 - 20 км высотой. Эндогенная активность Нептуна выше чем у Урана, хотя он находится примерно в два раза дальше от Солнца. Атмосфера Нептуна находится в невероятно возбужденном состоянии (скорость ветра до 800 км/час). К тому же Нептун излучает в несколько раз больше энергии, чем получает ее от Солнца. Список подобных необъяснимых явлений и парадоксов в солнечной системе, конечно, может быть продолжен. Приливные деформации и вызванные ими тепловые поступления имеют циклическую природу и “завязаны” на орбитальные движения небесных тел, но характеризуются предельно слабой энергетикой. Дутые накрутки на радиактивное тепло, например, для деятельности Земли, лишены каких-либо научных оснований. Даже, если бы этот механизм был достаточно мощным, он все равно бы сразу отпал по простой причине он не в состоянии объяснить ни одну из наблюдаемых цикличностей в вариациях природных процессов весьма широкого спектра с периодами от часов до сотен Современное состояние наук о Земле миллионов лет, например, в сейсмичности, вулканизме и в других процессах [2] – [4]. Предлагаемая в данной работе модель вынужденных колебаний оболочек Земли, под действием гравитационного притяжения внешних небесных тел [2] в последние годы получила приложения при объяснении важных и сложных планетарных явлений в тектонике, геологии, геофизике и планетодинамике. Эта модель довольно естественным образом вписывается в перечень классических моделей и фундаментальных идей известных ученых-геологов [1], обобщает их, и в ряде случаев дает исчерпывающие ответы на наиболее трудные вопросы в науках о Земле. Новая модель проливает свет и позволяет более глубоко понять энергетику наблюдаемых процессов, механизмы цикличности и синхронности планетарных процессов в различных шкалах времени, происхождение инверсионных и антиподальных геологических структур, природу инверсии природных процессов, биполярность, упорядоченность, явление скручивания полусфер небесных тел и их широтных зон, универсальность и общую значимость модели и механизма вынужденных смещений и колебаний оболочек для многих небесных тел. Ряд планетарных явлений на Земле и на других планетах и спутниках был предсказан на основе базовых положений модели и в последние годы эти предсказания уже получили яркие подтверждения в исследованиях по космической геодезии, в ходе реализации космических миссий к планетам и спутникам и в современных исследованиях системы Земля. В частности в 2002 г. автором была предсказана высокая эндогенная активность спутника Сатурна Титана. Этот спутник окутан плотной атмосферой, по массе в 10 раз превосходящей массу атмосферы Земли, и его поверхность была недоступна взору исследователей. На основе асимметрии в строении атмосферы Титана, обнаруженной еще космическим аппаратом “Вояджер”, 1-4 февраля 2011 г., Москва, Россия было предсказано смещение центра масс этого гигантского спутника к северу, асимметрия природных процессов в северном и южном полушариях. В частности асимметрия в ротации атмосферы в северном и южном полушариях. Были предсказаны антиподальные системы морей, системы рек, долин, купольных поднятий и гор на Титане. Бурные и синхроные процессы в плотной атмосфере Титана и на его поверхности и в морях и др. с характерными частотами орбитальных движений Титана и внешних небесных тел [2], [5]. Все указанные явления на Титане, в первую очередь его высокая активность, получили четкие подтверждения по результатам работы космической миссии «Кассини-Гюйгенс» несколькими годами позже. Ниже освещаются основные динамические факторы возбуждения системы оболочек планеты (Земли) под действием гравитационного притяжения внешних небесных тел: эксцентричность относительных положений центров масс оболочек и их несферичность. Вынужденные взаимодействия оболочек планеты Каждое из небесных тел (планеты, Солнце, Луна и другие тела) оказывают различные гравитационные воздействия на несферичные оболочки Земли и, в частности, вызывает дополнительные взаимодействия между ядром и мантией Земли [2], [6]. Пусть ядро и мантия Земли представляют собой сжатые эллипсоиды вращения с совпадающими полярными осями и с совпадающими экваториальными плоскостями. В указанных работах получено выражение для модуля силы взаимодействия двух оболочек планеты (ядра и мантии), отражающей неинерционные свойства ядра и мантии, и наведенной гравитационным притяжением Pi системы планет и (i 1, 2,..., N ) центральной звезды P0 (Солнца, i 0 ) [6]: N mm mi2 i j 2 4 F D 8 (1 2 i 5 i ) 2 4 4 i j (4 5 i2 5 2j ) (1 5 i2 )(1 5 2j ) cos Sij i 0 ri i , j 0 ri rj N i j (1) Современное состояние наук о Земле Здесь mi - массы планет Pi (i 1, 2,..., N ) и m0 - масса центральной звезды P0 . D постоянный коэффициент: f D fM1[(C2 A2 ) / M 2 (C1 A1 ) / M1 ] . гравитационая постоянная. M1 и M 2 массы ядра и мантии. C1 , A1 и C2 , A2 полярные и экваториальные моменты инерции ядра и мантии). Пусть оболочкисфероиды являются однородными и характеризуются экваториальными ai и полярными ci полуосями ( ci < ai ). Тогда для D параметра получим следующее выражение: 1 a22c2 1 2 2 2 2 D fm1 a1 c1 a2 c2 1 2 , 5 a1 c1 или D fm1 a12 c12 / 5 в случае малого ядра. Таким образом, интенсивность взаимодействия оболочек в первую очередь зависит от динамического сжатия небесного тела – от его эллипсоидальности. Соответственно, энергетика эндогенной активности планеты (или спутника), возбуждаемой внешними телами зависит от ее несферичности. Например, суперактивный спутник Юпитера Ио по своей форме хорошо аппроксимируется эллипсоидом с полуосями: a =1830.0 км, b = 1818.7 км, c = 1815.3 км. Т.е. его эллипсоидальность весьма значительна. Другим важным фактором возбуждения эндогенной активности, как отмечалось выше, является – эксцентричность относительных положений центров масс оболочек (в первую очередь ядра и мантии). В данных современных спутниковых наблюдений она проявляется в смещениях центра масс тела по отношению к ее аппроксимирующей сферической фигуре. В (1) i (i 0,1, 2,..., N ) - косинусы углов между радиус-вектором планеты Pi и Солнца ( i 0 ) в системе координат Oxyz (с началом в центре масс Земли) и ее полярной осью инерции. ri - расстояние от центра масс Земли до центра масс планеты Pi и S ij Солнца ( r0 ). угол между геоцентрическими радиус-векторами двух внешних небесных тел Pi и Pj (включая 1-4 февраля 2011 г., Москва, Россия Солнце). Аналогичное выражение может быть записано для компонент силы взаимодействия ядра и мантии и для углового момента этих сил взаимодействия, наведенных гравитационным притяжением внешних (по отношению к данной планете) небесными телами. Поскольку в теориях движения небесных тел и в теории вращения Земли все указанные характеристики движения: ri , i , Sij являются известными условно-периодическими функциями времени с базовым набором частот Ω , то и силовые характеристики (1) и упомянутые выше аналогичные характеристики также являются условно-периодическими функциями времени с определенным набором частот, производных от частот базиса Ω . Таким образом, оболочки Земли (в первую очередь ядро и мантия) оказывают регулярные и, что для нас особенно важно, циклические воздействия друг на друга, которые связаны с их инерционными свойствами движения и в результате которых центры масс ядра и мантии испытывают малые относительные циклические смещения, а также малые повороты (колебания) осей инерции ядра и мантии относительно друг друга. Указанные смещения оболочек и их взаимные гравитационные влияния друг на друга вызывают вариации напряженных состояний оболочек и определяют и направляют все геодинамические и геофизические процессы, которые вновь варьируются с частотами производными от частот базиса Ω . Следовательно, по данной модели должны наблюдаться циклические временные вариации планетарных процессов и изменения физических полей Земли с частотами орбитальных движений тел солнечной системы (межгодовые и декадные периоды), с частотами вековых орбитальных возмущений (периоды Миланковича в десятки и сотни тысяч лет) и с геологическими периодами (в десятки и сотни миллионов лет) [6], . Энергетика эндогенной активности планет и спутников (i, j 0,1, 2,..., N ) “При наличии между оболочками эффективного вязкоупругого слоя будут Современное состояние наук о Земле происходить значительные трансформации гравитационной энергии и кинетической энергии смещений оболочек как в упругую энергию, так и в тепловую энергию, связанную с вариациями термодинамического состояния промежуточного слоя, а в общем случае и самих оболочек. Таким образом, основная формула эндогенной активности планеты (спутников) может быть записана следующим образом: U 2 Энергия возмущений вращательного движения + Энергия возмущений орбитального движения планеты, вызванных ее несферичностью + Эндогенная энергия планеты: энергия упругих деформаций; тепловая энергия; энергия механических разрушений; энергия природных процессов. [B] Сформулируем важные положения, вытекающие из приведенной формулы. 1. Эта формула определяет источник эндогенной активности и ее механизм. Источник энергии связывается с частью гравитационного потенциала, обусловленного несферичностью планеты. Несферичность планеты вызвана ее вращательным движением. Механизм - это вынужденная относительная раскачка оболочек планеты, сопровождающаяся их упругими и неупругими деформациями и эволюционными изменениями. 2. Формула [B] определяет главные пути перераспределения энергии между оболочками планеты и возмущающими небесными телами. В действительности в перераспределении энергии участвуют многие тела, составляющие данную систему. 3. Эта формула определяет циклический характер перераспределения энергии в силу известных свойств орбитальных и вращательных движений небесных тел. А это означает, что эндогенная энергия расходуется циклически причем в строгой зависимости от особенностей орбитального движения внешних небесных тел.” [2, с. 61]. Сформулированные выше положения указывают на источник эндогенной энергии, которая расходуется на все наблюдаемые 1-4 февраля 2011 г., Москва, Россия тектонические изменения Земли, плюм тектонику и планетарные природные процессы. Для количественных оценок энергии взаимодействия оболочек и мощности этих взаимодействий вновь используем модель тела, состоящего из двух осесимметричных оболочек, разделенных тонким вязкоупругим слоем. Для предварительных (верхних) и сравнительных оценок внутренней энергетики планет будем рассматривать полное выражение второй гармоники силовой функции несферичной планеты и внешнего возмущающего тела - Солнца. Т.е. формально будем полагать, что вся гравитационная энергия, запасенная во второй гармонике силовой функции, расходуется на эндогенную деятельность. В результате анализа выражения второй гармоники силовой функции данной планеты и их производных по времени были получены простые формулы для оценок экстремальных значений мощностей эндогенной активности планеты, развиваемых при движении по наклонным эллиптическим орбитам в центральном поле. Подобное значение развиваемой мощности, связанной с эксцентриситетом орбиты определяется формулой [2, с. 62]: We 0.372 10 3 ( J 2 ) P m P R P2 eP TP3 (2) Здесь mP и RP - масса и средний радиус планеты, ( J 2 ) P - коэффициент второй гармоники гравитационного потенциала планеты, eP - эксцентриситет орбиты планеты, - период TP орбитального движения в гравитационном поле Солнца. Аналогичные формулы были получены для спутников планет. По указанным формулам (аналогичным (2)) были получены сранительные оценки мощностей (в ваттах), развиваемых указанным механизмом в эндогенной деятельности планет и спутников, что позволило их расставить по рангу в едином ряду. Эти оценки хорошо согласуются с современными даными об их реальной активности. Например, среди спутников своей активностью резко выделяется Современное состояние наук о Земле спутник Юпитера Ио, а на втором уровне по активности находятся спутники Европа и Титан. Высокая активность последнего была впервые предсказана автором [2] и получила подтверждение в исследованиях космического аппарата “Кассини”. 1-4 февраля 2011 г., Москва, Россия Работа поддержаны грантом РФФИ N 0802-00367. Литература 1. Заключение Геодинамическая модель вынужденных колебаний оболочек небесных тел, не смотря на существенный прогресс в исследованиях в науках о Земле и в планетодинамике, находится в начале своего пути и, безусловно, получит новые важные приложения [8]. В заключение укажем темы наиболее важных и перспективных подобных исследований. 1). Циклические вариации активности природных процессов в различных шкалах времени. 2). Природа эксцентричных положений ядра и мантии Земли. Роль Луны, Солнца, Нептуна и других небесных тел в активизации раскачки системы ядро-мантия Земли. 3). Энергетика эндогенной активности планетарных природных процессов на Земле, на других планетах и спутниках. 4). Природа корреляций природных процессов с особенностями движения барицентра солнечной системы и с активностью Солнца. 5). Объяснение влияния тел солнечной системы и возбуждение вариаций планетарных процессов с периодами Миланковича (в десятки и сотни тысяч лет). 6). Возможное объяснение геологических циклов как геодинамических циклов возбуждения тел солнечной системы, ее барицентра и инерционного возбуждения оболочек Земли при ее возмущенном движении в гравитационном поле Галактики. 7). Явление полярной инверсии природных процессов на Земле, и других планетах и спутниках. 8). Скачкообразные и катастрофические изменения активности природных процессов, их синхронность. 9). Возбуждение полярных регионов планет и спутников в различных шкалах времени. 10). Широтная зависимость активности планетарных процессов и ее контрастность по отношению к северному и южному полушариям. 11). Пилообразные и сбросовые вариации природных процессов. 12). Явление скручивания полушарий (широтных зон) небесных тел. 13). Формирование грушевидной формы небесных тел и механизмы ее изменения. 14). Упорядоченные планетарные структуры геологических формирований. 15). Явления биполярности небесных тел и антиподальности формирований. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Хаин В.Е., Ломизе М.Г. Геотектоника с основами геодинамики. Учебник – 2-е изд. испр. и доп.- М.: КДУ, 2005. Баркин Ю.В. Объяснение эндогенной активности планет и спутников и ее цикличности. Известия секции наук о Земле Российской академии естественных наук. М., ВИНИТИ. 2002. Вып. 9. С. 45-97. Хаин В.Е., Халилов Э.Н. Цикличность геодинамических процессов: ее возможная природа. –М.: Научный мир. 2009. – 520 с. Белов С. В., Шестопалов И. П., Харин Е.П., Соловьев А.А., Баркин Ю.В. Вулканическая и сейсмическая активность Земли: пространственно - временные закономерности и связь с солнечной и геомагнитной активностью // Новые технологии. Физика. 2010. Т2. N2, С. 3-12. Barkin Yu. V. Titan cyclic activity mechanism and possible regime of its forced and free librations // Abstract Book (CD) of European Planetary Science Congress (Potsdam, Germany, 13 – 18 September 2009). 2009. Vol.4, EPSC 2009-299. Barkin Yu.V. Dynamics of the Earth shells and variations of paleoclimate // Proceedings of Milutin Milankovitch Anniversary Symposium “Paleoclimate and the Earth climate system” (Belgrade, Serbia, 30 August – 2 September, 2004). Belgrade, Serbian Academy of Sciences and Art. 2004. P. 161-164. Баркин Ю.В. Галактические возмущения планетных орбит и мегациклы геологического развития планет и спутников // Ритмичность и цикличность в геологии как отражение общих законов развития. Тезисы докладов совместного заседания семинара ОГГГГН РАН «Теоретические проблемы геологии» и X научного семинара «Система Планета Земля» (7-8 февраля 2002, Москва). М. 2002. С. 38-43. Barkin Yu. V. Moons and planets: mechanism of their active life // Proceedings of International Conference “Astronomy and World Heritage: across Time and Continents” (Kazan, 19-24 August 2009). 2009. KSU. P. 142-161.
