Введение к работе
Актуальность. Проблема генерации земного магнитного поля является важной и актуальной проблемой геофизики и физики, в целом. В вариациях геомагнитного поля находят свое отражение внутреннее строение и состав нашей планеты, его физические и механические свойства, а также ее динамические характеристики. В вариациях поля отражаются характерные времена и характерные размеры конвективных течений, процессы эволюции земного ядра. Изучение геомагнитных вариаций приводит к развитию теории гидромагнитного динамо. Гидромагнитное динамо является сложной самосогласованной системой движений электропроводящего вещества в жидком ядре Земли и генерированных этими движениями магнитных полей. Структура этих движений имеет разные масштабы и характерные времена, которые отражаются в вариациях магнитного поля, измеряемых на поверхности Земли.
Важной задачей экспериментальных геомагнитных исследований является проблема разделения вариаций, выделенных из данных комплекса наземных, спутниковых, аэромагнитных и морских наблюдений, что позволяет оценить параметры источников и среды, в которой они развиваются. Эта проблема решается в основном путем построения моделей и решения обратных задач геофизики. Важным фактором, способствующим определению источников, является изучение пространственных и временных характеристик геомагнитных вариаций. Путем применения математического аппарата из
наблюденных закономерностей создаются пространственные и временные модели поля глобальных и региональных вариаций характерные для отдельных источников, которые в совокупности описывают весь комплекс наблюденных данных.
Таким образом, данные о динамике геомагнитного поля являются одним из главных источников для решения теоретических и прикладных задач геофизики.
Актуальность представляемой работы определяется проведенным в ней комплексом исследований посвященных вековым вариациям геомагнитного поля в диапазоне спектра высоких частот и определению источников вариаций с характерными временами меньше ста лет, которые генерируются в жидком ядре Земли.
Целью настоящей работы является создание единого представления о вековых вариациях главного геомагнитного поля в диапазоне спектра высоких частот на основе анализа данных прямых наблюдений и определение возможного механизма их образования в рамках теории гидромагнитного динамо.
Основными решаемыми задачами, приводящими к достижению цели работы являются:
Систематизация и анализ данных временных серий измерений геомагнитного поля на магнитных обсерваториях мира на всем временном интервале проведения регулярных наблюдений и создание наиболее полного набора данных для изучения пространственно временного распределения геомагнитного поля и его вариаций.
Выявление в рядах обсерваторских данных всех возможных джерков как скачкообразных изменений второй производной (ускорения) геомагнитного поля и определе ние их статистических характеристик в пространственном и временном отношении.
Создание глобальных пространственных моделей поля ускорений вековой изменчивости главного геомагнитно го поля, а также поля джерков в виде скачков значений ускорений до и после происшествия событий.
Построение ежегодных аналитических моделей главного геомагнитного поля и поля его вековых вариаций в течение столетнего периода времени на основе кусочно-постоянного поля вторых временных производных, сравнение этих моделей с данными наблюдений и с меж дународными моделями IGRF (International Geomagnetic Reference Field) на все годы существования последних.
Анализ особенностей пространственной структуры, временной динамики и интегральных характеристик гео магнитного поля за период 20-ого столетия с помощью ежегодных аналитических моделей.
Сопоставление особенностей временных вариаций параметров некоторых гелиогеофизических явлений с джерками в вековых вариациях геомагнитного поля.
Решение обратной кинематической задачи магнитной
гидродинамики с определением "мгновенного" поля скоростей на поверхности жидкого ядра Земли на каждый год за период 20-ого века согласно полученным аналитическим моделям геомагнитного поля и поля значений его первой временной производной в предположении о вмороженноети поля в электропроводящее вещество ядра.
Анализ.поля движений в приповерхностных слоях внешнего ядра Земли с определением характера их временной изменчивости и выявлением процессов, порождающих джерки в поле скоростей (кинематические джерки).
Научная новизна представляемой работы.
Впервые на базе данных обсерваторских измерений в течение столетия выявлены все джерки, изучена глобальная повторяемость джерков с характерным временем около 10-лет. Доказано, что вековые ускорения являются кусочно-постоянными с характерными временами в первые десятки лет (в регионах), количественно определены величины ускорений до и после джерка и скачка ускорения во время джерка. Впервые доказано, что в формировании вековой изменчивости главного геомагнитного поля преобладающую роль играют джерки.
Принципиально новыми являются пространственно временные модели главного геомагнитного поля и его первой производной, построенные на основе представления о кусочно-постоянном ускорении вековой изменчивости поля. На основе этих моделей впервые доказана внутриземная природа джерков, 6
их региональный характер проявления, причем появление новых джерков в пространстве и во времени имеет стохастический характер.
Впервые решена обратная кинематическая задача магнитной гидродинамики с определением ежегодных изменений поля движений жидкого вещества на поверхности внешнего ядра Земли, определяющих появление джерков в геомагнитном поле. Существенную долю в новизну работы вносит достигнутый результат о преобладающем характере и лидирующей роли течений дивергентного характера в образовании поля движений, ответственных за образование джерка.
Научная и практическая значимость. Научная значимость проделанной работы определяется возможностью и необходимостью использования полученных результатов по особенностям динамики главного геомагнитного поля для выбора и разработки конкретной модели гидромагнитного динамо, работающей в условиях планеты Земля, с точным количественным и качественным определением динамических процессов, вызывающих вариации геомагнитного поля стохастической природы. Практическая ценность состоит в возможности использования полученных моделей главного геомагнитного поля как базисных в задачах выделения и изучения вариаций внешних, относительно земной поверхности источников, а также для выделения и изучения локальных аномалий геомагнитного поля и их вариаций, обусловленных динамическими процессами, протекающими в литосфере.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Вековые вариации главного геомагнитного поля формируются последовательностью джерков, между которыми за интервалы времени, исчисляемые десяти летиями, трендовые изменения поля носят устойчивый линейный характер.
-
Глобальные - по поверхности Земли, джерки по частоте проявления имеют квазидесятилетнюю повторяемость, в промежутках которых глобальное поле ускорений, ха рактеризующих вековую изменчивость главного геомагнитного поля за 20-ый век, представляется серией кусочно-постоянных пространственных моделей.
-
Полученные из предположения о кусочно-постоянном характере вековых ускорений ежегодные аналитические модели для главного геомагнитного поля (JBM F - Jerk Based Model of the Geomagnetic Field) и его вековых вариаций (JBM SV - Jerk Based Model of Secular Variations).
-
Модели движений в приповерхностных слоях жидкого ядра Земли, ответственных за появление геомагнитных джерков, и их интерпретация в виде появления на поверх ности ядра восходящих потоков локальных размеров, пе рестраивающих установившуюся систему движений с образованием новой.
Апробация работы. Основные результаты
диссертационной работы неоднократно докладывались и обсуждались на семинарах Института геофизики и инженерной сейсмологии НАН РА, отдела "Магнетизм Земли и планет" ИЗМИРАН, на международных форумах SEDI-1998 (Tour, France), IUGG-1999 (Birmingham, UK), OIST-4-2002 (Copenhagen, Denmark), конференции, посвященной 60-летию основания HAH PA в 2003 г. (Гюмри, Армения), Conference on Problems of Geocosmos_2004 (Санкт-Петербург, Россия) SEDI-2004 (Garmisch-Partenkirchen, Germany).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, первой обзорной главы - "Характерные времена геомагнитных вариаций и джерки"; пяти глав, в которых изложены основные положения работы, отражена логика и ход ее выполнения, приведены необходимые рисунки и таблицы; заключения и списка используемой литературы (137 наименований). В работе приведено 70 рисунков и 12 таблиц. Общий объем диссертации составляет 293 страницы.
