Геомагнитная активность и долгопериодические вариации LOD

Научно-исследовательский астрономический институт им. В.В.
Соболева Санкт-Петербургского Государственного университета
Геомагнитная активность и
долгопериодические вариации LOD
Трофимов Дмитрий
Цель работы: оценить влияние геомагнитной
активности на вращательное движение Земли
Задачи работы:
• Статистически обосновать предположение
взаимосвязанности геомагнитной активности и
долгопериодических вариаций LOD
• Предложить гипотезу о механизме изменения
кинетического момента Земли
• Оценить кинетический момент, сообщаемый
геомагнитной бурей твердому телу Земли.
Вращение Земли и его неравномерности
Три вида неравномерностей:
1. Прецессия и нутация
2. Движение полюса
3. Изменение угловой скорости вращения (продолжительности
суток)
Существуют достаточно точные геофизические теории для 1ого и 2-ого видов.
Изменение угловой скорости можно разделить на
1. Короткопериодические (околосуточные)
2. Сезонные
3. Долгопериодические (десятилетние)
Существуют достаточно точные теории, описывающие
короткопериодические и сезонные вариации
Не существует никакой теории для долгопериодических
вариаций LOD, достигающих 5 мс в год.
Существующие гипотезы
Две группы гипотез
1. Влияние жидкого ядра Земли
2. Влияние солнечной активности
Жидкое ядро Земли – преобладающая гипотеза (по аналогии с
океаном и атмосферой)
Два возможных механизма передачи кинетического момента
1. Электромагнитное сцепление мантии и ядра
2. Топографическое взаимодействие ядра и мантии
Оба механизма пока не подтверждаются
Влияние солнечной активности
Впервые высказана в 50-х годах XX века
Не пользуется признанием в настоящее время, однако
существует большое количество статистических данных,
свидетельствующих в пользу гипотезы
Статистические обоснования гипотезы о
солнечной обусловленности вариаций LOD
Проводились сравнения LOD с климатическими параметрами
(Lambeck, Casenave, 1976), климатических параметров с
солнечной активностью (Friis-Christensen, Lassen, 1991).
Красная – длительность цикла солнечной активности, зеленая
– среднегодовая поверхностная температура северного
полушария, синяя – относительное изменение LOD.
Геомагнитное поле
•
•
•
•
•
•
Геомагнитное поле создается различными источниками:
90% - внутри Земли (динамо-эффект в жидком ядре), 10% внешние источники.
Магнитное поле создает в межпланетном пространстве
магнитосферу.
Захваченные магнитосферой заряженные частицы
солнечного ветра образуют токи в магнитосфере.
Внешние источники магнитного поля – токи в магнитосфере.
Внешнее магнитное поле – быстропеременное.
Для описания быстрых и нерегулярных изменений
магнитного поля, вызванных воздействием частиц
солнечного ветра используют геомагнитные индексы.
Статистическая обработка данных
• Цель статистической обработки – определить наиболее
согласованный с изменениями LOD геомагнитный индекс.
Критерий – коэффициент корреляции.
• Сравнивались индексы – aa (1868-2004), ap, kp (1932-2004),
Dst (1957-2004).
• Наиболее согласованным с изменениями LOD является aa
индекс, коэффициент корреляции 0.68, далее следуют ap,
kp и Dst с 0.56, 0.54 и 0.53 соответственно.
Модель взаимодействия. Общее
описание
• Предлагается механизм электромагнитного взаимодействия
кольцевого экваториального тока и мантии Земли (по аналогии с
электромагнитным сцеплением мантии и ядра)
• Основной принцип: воздействие силы Лоренца со стороны
внешнего магнитного поля на электрические токи,
индуцированные в мантии во время магнитных бурь.
• По сравнению с гипотезой об электромагнитном сцеплении ядра
и мантии наша гипотеза внутренне не противоречива
Аналитические формулы
Используя выражения для силы Лоренца, закона Ампера, уравнения
диффузии и представления внешнего магнитного поля как ряда по
сферическим функциям, мы получили следующее выражение для
полоидального осевого момента
l
l (l  1)  2l  2 e 2l
m m
m m
z  4 
re

r
dr
m
(
j
k

k
jl )

l
l
l

l  0 2l  1
m 0
rc

r
где  – проводимость мантии, rc – радиус нижней границы мантии,
re – радиус верхней границы мантии, jlm и k m – коэффициенты
l
гауссового разложения внешнего поля, 
jlm и k m – их производные
l
по времени