К ВОПРОСУ О ФИЗИКЕ ПЛЮМА МОДЕЛЬ ПРОИСХОЖДЕНИЯ И ЭВОЛЮЦИИ ГОРЯЧЕЙ ЗЕМЛИ. Кузнецов В.В. Институт космофизических исследований и распространения радиоволн, - презентация

1 К ВОПРОСУ О ФИЗИКЕ ПЛЮМА МОДЕЛЬ ПРОИСХОЖДЕНИЯ И ЭВОЛЮЦИИ ГОРЯЧЕЙ ЗЕМЛИ. Кузнецов В.В. Институт космофизических исследований и распространения радиоволн, ДВО РАН Камчатка.

2 «Очевидно, что среди изучающих Землю нет достаточно хорошо подготовленных людей. Каждый из нас, в той или иной степени, копает свой собственный шурф и сидит в нем» [Буллард]. «Тот, кто копается в глубоких шахтах знания, должен, как и каждый землекоп, время от времени подниматься на поверхность подышать свежим воздухом» [И. Ньютон]. «Новые творческие разработки в отношении глобальных тектонических и геодинамических построений можно только приветствовать» [Ю.М. Пущаровский].

3 СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА

4 РЕЗОНАНСЫ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ Закон Тициуса-Боде: R = n, где R - расстояние от Солнца, n - целые числа, причем, для Меркурия n = -, для Венеры n = 0, для Земли n = 1 и т.д.

5 СОИЗМЕРИМОСТИ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ: Соизмеримость (резонансность) системы, в которой тела обращаются с частотами i, понимают выполнение линейного соотношения: n n n k k = 0, n i целые числа. Соизмеримости: Юпитер и Сатурн: 2 Ю - 5 С 0. Ио, Европа и Ганимед: = 0. Резонансы: Земля – Луна, Земля – Меркурий, Земля – Венера, Земля - Юпитер.

6 СТАДИИ ОБРАЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

7 Скорость массы планеты, по Шмидту, дается выражением: dM/dt = R Е 2 v ( R Е 2 ), где и - соответственно объемная и поверхностная плотность участвующего в аккреции вещества, v – средняя скорость планетезималей относительно растущей планеты, R Е её «текущий» радиус, который увеличивается с уменьшением величины v, согласно формуле, приведенной Рингвудом: R Е 2 = R 2 (1 + 2GM/Rv 2 ) = R(1 + v e 2 /v 2 ), где R – геометрический радиус растущей планеты, v e – скорость ускользания вещества с её поверхности (1-я космическая скорость). Время образования Земли по формуле Шмидта t 10 8 лет. К ВОПРОСУ ОБ ОБРАЗОВАНИИ ЗЕМЛИ

8 Рингвуд: «Эта теория приводит к заключению, что аккреция Земли (на 98 %) происходила на протяжении около 10 8 лет, и это значение широко используется в литературе. Однако согласно этой теории время аккреции Урана и Нептуна оказывается порядка лет, т.е. более чем 10 раз больше возраста Солнечной системы. Попытки обойти эти трудности неубедительны. Кроме того, возникает сложность и с оценкой времени аккреции Марса, для которого оно составляет лет. Подсчет кратеров, хотя и не очень точный метод, указывает на гораздо более древнюю его поверхность. Если принять столь сравнительно молодой возраст завершения аккреции Марса, то приходится предполагать сильную бомбардировку Земли и Луны вплоть до лет тому назад. Однако изучение Луны показывает, что период частой бомбардировки закончился, по крайней мере, около лет тому назад». К ВОПРОСУ ОБ ОБРАЗОВАНИИ ЗЕМЛИ

9 Как получить время формирования Земли в 100 млн. лет? Общепринятая оценка, следующая из холодной модели, t =10 8 лет. Эту цифру легко получить из нижеследующих соображений. Будем считать, что Земля «образовывалась» так медленно потому, что именно такое время необходимо для сброса гравитационной энергии за счет теплового излучения. Порция энергии E, уносимой за счет радиационного охлаждения: E ( l /x) T 4 S t, где ( l /x) - отношение длины пробега охлаждающего излучения l к толщине «оптического тела» атмосферы Земли x (для современной Земли: l /x 1), S – поверхность излучающего тепло тела, - постоянная Стефана-Больцмана, T- температура поверхности, а t - интервал времени. Оценим время охлаждения Земли t. Тепловая энергия Е, равная гравитационной, может быть потеряна Землей за счет теплового излучения её с поверхности. Примем: Т 300 К. Учтем, что поверхность Земли в процессе её роста была всегда меньше современной S* и примем: S 0.2S*. Тогда время t (годах), необходимое для того, чтобы излучить в космос энергию Е = эрг, оказывается порядка 100 млн. лет, как и оценивается по формуле Шмидта для времени роста холодной Земли.

10 Пылевые диски в старых (10 – 100 млн. лет) планетных системах обнаружены NASAs Spitzer Space Telescope

11 Hubble Space Telescope Throop, et al. (Science 2001): результаты исследований спектров пропускания галактического электромагнитного излучения в широком диапазоне длин волн при просвечивании circumstellar disks in the Orion nebula. Возраст этого circumstellar disks не превышает лет. Это означает, что Земля должна быть только - «горячей»!

12 Космические телескопы: «Хаббл», «Спитцер», инфракрасный интерферометр (SIM) и Кеплер.

13

14 ГОРЯЧАЯ ЗЕМЛЯ

15 МОДЕЛЬ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРЯЧЕЙ ЗЕМЛИ 1. Образование Земли происходило в едином механизме с Солнцем; 2. Температура определяется только величиной массы: Т М 2/3 ; 3. Химический состав планеты одинаков с солнечным.

16 Время роста космического тела Воспользуемся моделью коагуляции капли, время образования которой: t = dg/ n v,где g – количество частиц, т.к. = (Vч g) 2/3, то t = g 1/3 / (V ч 2/3 n v), или t r/(V ч n v). Подставляя значение n и заменяя: m/V ч = п – плотность планетного вещества ( п = 3 г/см 3 ), получаем выражение для t: t = ( п / о ) (r/v), здесь о – плотность вещества протопланетного диска. Отсюда следует, что время формирования космического тела пропорционально его размеру, обратно пропорционально исходной плотности вещества и скорости дрейфа частиц диска. Подставляя выражение для v = (GM/R) 1/2 и плотности п, получаем выражение для tmin: t min = 1/ o ( п /4 G) 1/2. Время образования (в годах) после подстановки о (г/см 3 ): t min / o, что для Земли 10 4 лет. Скорость роста капли dr/dt оценим аналогично предыдущему: dr/dt = r o (4 G/ п ) 1/2.

17 ПАРАМЕТРЫ ГОРЯЧЕЙ ЗЕМЛИ

18 МОДЕЛЬ ГОРЯЧЕЙ, РАСШИРЯЮЩЕЙСЯ ЗЕМЛИ

19 АНАЛОГИЯ РАСШИРЕНИЯ ЗЕМЛИ

20 РАЗДЕЛЕНИЕ МАТЕРИКОВ И СКОРОСТЬ РОСТА ОКЕАНОВ

21 ЭВОЛЮЦИЯ ЗЕМЛИ общепринятая концепция

22 ПАРАДОКС МЕЗЕРВЕЯ опровержение общепринятой концепции

23 МОДЕЛЬ ГОРЯЧЕЙ ЗЕМЛИ Этапы эволюции планет и Луны, время в млрд. лет.

24 МЕАНИЗМ РАСШИРЕНИЯ ЗЕМЛИ - СПРЕДИНГ

25 ПРИНЦИП МИНИМИЗАЦИИ ГРАВИТАЦИОННОГО ПОТЕНЦИАЛА Равновесная форма шара определяется минимумом свободной поверхностной энергии: dS = min, (V = const). Здесь - поверхностное натяжение, S - площадь поверхности раздела фаз, V – объем шара. Принцип минимизации гравитационного потенциала: GMdM/r min. Величина = GMz /R. – поверхностное натяжение Формула Лапласа для поверхностного давления p( ): p( ) = (1/R 1 + 1/R 2 ) 2 /R. Для литосферы:, дин/см, р( ) = 10 кбар.

26 Растекание капли жидкости на смачиваемой (b) и не смачиваемой (a) поверхности, – угол смачивания. Выравнивание возмущенного уровня жидкости между точками а и b в зависимости от высоты геоида h, v – скорости горизонтального переноса жидкости и изменения высоты h (с).

27 СОВРЕМЕННЫЙ ДРЕЙФ МАТЕРИКОВ

28 ДРЕЙФ МАТЕРИКОВ

29 МЕХАНИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДРЕЙФА Кривая d, отображенная точками, является решением дифференциального уравнения, описывающего геодинамику, приводящую к течению материка и образованию гор, как периодических функций в x-пространстве. Аналогом рассматриваемой нами задачи может быть, например, механическая система, в которой ползун находится на механическом ремне, двигающимся с постоянной скоростью v о. Ползун прикреплен к неподвижной точке при помощи упругой пружины, создающей упругую силу, изменяющуюся по линейному закону. Если скорость v о будет выбрана соответствующим образом, то ползун может совершать прерывистые колебания. Уравнение, типа уравнения Ван дер Поля можно записать в виде: m 2 x/ t 2 + F(dx/dt) + kx = 0, где F(dx/dt) = ( dx/dt - v о ) - (- v о ) - отрицательна при dx/dt = 0. Это требование будет выполняться, если скорость v о такова, что величина трения (вязкости) будет уменьшаться при возрастании v о. При этом возникают вертикальные автоколебания сплошной среды, которые могут быть причиной образования гор и впадин.

30 МОДЕЛЬ ДРЕЙФА ГАВАЙСКОЙ «ГОРЯЧЕЙ ТОЧКИ»

31 ФРАКТАЛЬНЫЙ ХАРАКТЕР ВЫСОТЫ ГОР

32 МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ

33 КРИТИКА ИДЕИ ЖЕЛЕЗНОГО ЯДРА: Скорости P и S волн, Коэффициент Пуассона, Несоответствие вязкости, Данные сейсмологии.

34 Диаграмма фазового равновесия вещества Земли.

35 Распределение скорости звука и температуры в атмосфере и F-слое. МОДЕЛЬ ГЕНЕРАЦИИ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ. Смена направления: фазового перехода, радиального электрического поля, геомагнитного поля.

36 МОДЕЛЬ СМЕНЫ ПОЛЯРНОСТИ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

37 Распределение количества инверсий N произошедших в течение трех млн. лет за Т = 160 млн. лет эволюции.

38 Особенности конвекции во внешнем ядре. Splitting-функция для моды 11 S 4 - а. Сферическое колебание с тессеральной гармоникой Р 3 4 – b. Конвекция во внешнем ядре с образованием устойчивых ячеек Рэлея-Бенара. с - с увеличением толщины внешнего ядра h количество ячеек уменьшается.

39 ДРЕЙФ МАГНИТНЫХ ПОЛЮСОВ. НАЧАЛАСЬ ЛИ ИНВЕРСИЯ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ?

40 КЛИМАТ Температура поверхности Земли Концентрация пыли Кривая Миланковича Геомагнитное поле Концентрация Ве-10

41 КЛИМАТ Температура поверхности Земли Концентрация пыли T/t = dT o /dt + /h [D Т/h - KТ]

42 РАДИАЦИОННЫЕ ПОЯСА ЗЕМЛИ

43 Бразильская магнитная аномалия (SAA) и внутренний радиационный пояс Земли. ИНТЕНСИВНОСТЬ ЧАСТИЦ В КОСМОСЕ

44 Этапы эволюции человека, палеонтологическая и палеомагнитная шкалы – раса европейцев и североафриканцев – раса жителей северной Азии общий предок совр. человека (по Y-хромосоме) общий предок совр. человека (по мт ДНК) …. 0.5 – разделение генетических линий человека и Неандертальца возникновение Номо еrectus – мутации 2.6 +/-0,94 – Африканские слоны 5 (4.5; 4.7; 4.9; 4.93; 5.2) – расхождение человека и шимпанзе 6-7 – останки гоминид 7.2 – отделение линии гориллы £ - Holocene; ¥ - Pleistocene; - Pliocene; - Miocene £, ¥ ¥/ / Gothenburg Laschamp Blake Jamaica Emperor Big Lost Reunion Matuyama-Gauss boundary Gilbert boundary инверсия

45 ПОЧЕМУ АФРИКА? Уменьшение интенсивности геомагнитного поля в период инверсии Брюнес-Матуяма (Hartl, Tauxe, 1996).

46 ГРАВИТАЦИЯ И ЖИЗНЬ Биомасса Земли: Б ~ NM E (масса Земли) – const, где N - численность биопопуляции, М – метаболизм: М g 1/R 2 (радиус). Получаем: N ~ t - на начальном этапе эволюции (в докембрии), и N ~ t 4 - на заключительном этапе эволюции.

47 СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ ! ЖЕЛАЮЩИЕ БЛИЖЕ ПОЗНАКОМИТЬСЯ С РАБОТАМИ АВТОРА, ОБРАТИТЕСЬ НА САЙТ: ПРИВЕТ С КАМЧАТКИ!