VII.-геомагнетизм в свете гипотезы изначально гидридной земли

Первоначально геомагнетизм связывали с постоянной намагни­ченностью земных недр, но когда выяснилось, что на глубине не­скольких десятков километров температура определенно.превы­шает точку Кюрп, возникла альтернативная идея — Земля может быть электромагнитом. Однако эта естественная идея не укрепи-

ась так как была неясна природа электродвижущих сил, споеоб-ш поддерживать электрические токи на протяжении всей гео­логической истории Земли. $ С начала нашего века и до 50-х годов было предложено много эффектов — пиромагнитный. Холла, термоэлектрический, сжатия, |, также вращающегося массивного тела, вращающегося электро­заряда, магнитных бурь и др., но ни один из них не моделировал геомагнитное поле (Рикитаки, 1968).

^: В середине 40-х годов была высказана гипотеза динамоэф-фекта в жидком железном ядре, которая к настоящему времени является доминирующей, а многие исследователи считают ее окон­чательной теорией геомагнетизма. История развития этой идеи из­ложена во многих обзорных работах (Рикитаки, 1968; Яновский, I 1971 и др.).

Полагают, что в пользу гипотезы динамо свидетельствует за­падный дрейф основных структур геомагнитного поля, скорость ; которого оказалась порядка 20 км/год. «Это в миллион раз бы­стрее любых продолжительных крупномасштабных движений, сле­дующих из геологических данных, и по существу исключает уча­стие твердой части Земли» (Стейси, 1972). Поскольку главные структурные неоднородности ноля имеют глубинное происхожде­ние, а ядро Земли представляется жидким, то исследователи вы­нуждены были прийти к выводу, что вековые вариации магнетиз->ма являются следствием конвективных движений в ядре. • Однако следует отметить, что гипотеза динамо базируется на железном ядре и поэтому к ней можно отнести всю ту критику, которая высказывается в отношении железного ядра. Весьма про­блематичной представляется также возможность энергичных кон­вективных потоков в ядре, которые к тому же должны сопровож­даться турбулентными завихрениями, чтобы соответствовать по­стоянно наблюдаемой изменчивости геомагнитного поля как по вектору, так и по напряженности. Если предположить тепловую природу конвективных движений, то непонятен источник тепла/ , в железном ядре. Радиоактивные элементы лнтофнльны по своим 'геохимическим особенностям, и неизвестны причины, которые за­ставили бы их сконцентрироваться в центре планеты наряду с Железом и никелем. Если же считать, что конвективное переме­шивание связано с ротацией планеты и некоторым отставанием ядра при вращении, то приходится «изобретать какие-то конструк­ции» на нижней поверхности мантии для увеличения ее сцепления ^с Жидким ядром.

"В настоящее время даже для однородного динамо в жидкости ^нс было предложено общего метода исследования в силу исклю­чительной сложности и громоздкости математических выкладок. ! " связи с этим теория земного динамо строится на анализе ра­боты весьма упрощенных дисковых моделей, соответствие которых предполагаемым в ядре магнито-гпдродннамическим процессам "е очевидно и принимается сторонниками данной гипотезы апри-

•орно. Одной из характерных черт геомагнитного поля является периодическое обращение его полюсов, при этом инверсия диполя происходит точно на 180° и достаточно быстро, о чем свидетель­ствует сравнительно малое число образцов с промежуточной на­магниченностью.

При определенных условиях электрический ток и магнитное поле нестационарного динамо могут изменять свой знак (Ricitake, 1958). Однако детальные исследования этой модели (Allan, 1958; Mathews, I960) с использованием аналоговых вычислительных ма­шин показали, что данный механизм мог бы вызвать обращения, магнитного поля Земли, но короткопериодические, через каждые 50—100 лет, тогда как в действительности межинверсионные пе­риоды исчисляются миллионами лет, что позволяет предполагать совершенно иную их природу.

В последнее время было показано, что магнитный диполь Зем­ли можно объяснить существованием в ядре двух магнитных то-роидов, противоположно направленных в южной и северной его полусферах. Возникновение этих тороидов связывается с допуще­нием, что внешние слои ядра вращаются в западном направлении, а внутренние —в восточном (относительно неподвижной мантии). Генерация внешнего поля объясняется' некоторыми нарушениями аксиальности движений в ядре. При этом инверсия диполя вызы­вается обрушением из мантии в ядро железных фрагментов, раз­меры которых должны быть не менее здания Московского универ­ситета. Однако, по нашему мнению, это не решение проблемы, а сведение ее к еще более загадочным явлениям.

Таким образом, гипотеза динамо помимо всех ее недостатков, вытекающих из допущения железного ядра, не в состоянии дать удовлетворительного объяснения периодическим инверсиям гео­магнитного поля. Но, несмотря на многие трудности этой гипотезы, она усиленно разрабатывается, так как исследователи не видят приемлемой замены магнито-гидродинамическому процессу в жид­ком железном ядре Земли.

Гипотеза изначально гидридной Земли предполагает в отно­шении геомагнетизма возврат к прежним представлениям (конца прошлого века), допускавшим, что наша планета может быть элек­тромагнитом, так как с ее позиций становится понятной природа электродвижущих сил, способных поддерживать потоки электри­чества в недрах земного шара на протяжении всей геологической истории его развития. По существу наша планета является гигант­ским гальваническим элементом, отрицательный электрод которо­го представлен гидридным ядром, а положительный — верхними силикатно-окисными геосферами. Под влиянием непрерывно по­ступающего радиогенного тепла в недрах Земли протекают (п» существу те же, что и в гальванических элементах) электрохими­ческие реакции.

В ядре (на аноде) идет диссоциация гидридов по схеме: МеН-" -*-Ме^_+Н⁺ (при переходе гидрид-иона в протонное состояние во­ьорол оставляет свой электрон в зоне проводимости металла). Этот процесс можно считать реакцией окисления гидрид-иона до лротона: Н^_-<-Н⁺-г-2<?. Во внешних геосферах (на катоде), имею­щих кислородное сложение, -происходит реакция восстановления протона по схеме: Мс'0+Н⁺^-*-Н₂ОЧ-Ме⁺.

В отличие от гальванических элементов, где электродвижущая I сила обусловлена разностью электродных потенциалов, которую рна, естественно, не может превысить, в недрах Земли величина ЭДС регламентируется не указанными электрохимическими реак­циями, а температурным режимом, который определяет объемы Протекания реакций и концентрации протонных потоков, перено­сящих положительный заряд. Поэтому земная ЭДС может дости­гать, по-видимому, гигантских величин.

[ Разложение ядра, как было показано выше, носит, по всей Вероятности, циклический характер, и в каждом цикле ■ выделя­ется этап интенсивной дегазации и этап разуплотнения вещества ядра, когда отделение водорода резко падает. При дегазации во­дорода (протонного газа) между ядром и верхними оболочками Земли должна устанавливаться разность потенциалов согласно указанным электрохимическим реакциям, т. е. ядро будет заря­жаться отрицательно, а внешние геосферы — положительно. Щ окончанием этапа интенсивной дегазации накопленная разность потенциалов, по-видимому, будет иейтрализовываться потоками ийэлектронного газа, также идущими от ядра.

Под влиянием силы Кориолиса движущиеся раднально сквозь мантию протонные и электронные потоки должны непременно от­клоняться в направлении, противоположном вращению Земли.. В низких широтах и экваториальной области для частиц, движу­щихся радиально от ядра, сила Кориолиса имеет-максимальную «величину и, но всей вероятности, обеспечивает западную горизон­тальную составляющую в направленности потоков, что равносиль­но установлению замкнутого кольцевого контура в мантии плане­ты. Непременным следствием установления этого контура будет объединение магнитных силовых линий во внешний' диполь .. (рис. 26).

I Периодическая циркуляция в недрах планеты то протонных, то электронных электропотоков (идущих в одном направлении, по -'Имеющих разный знак) является причиной инверсий магнитного Диполя. При этом в основе природы инверсии заложена наиболь­шая вероятность его обращения именно на 180°.

.Определив, таким образом, причины геомагнетизма, можно Установить, каким (протонным или электронным) потоком обус­ловлена современная эпоха намагничения. Мы знаем направлен­ность электропотока (обратное вращению Земли) и ориентировку магнитных силовых линий (входят на Северном полюсе планеты ^и выходят на Южном). Это дает возможность установить (по пра­вилу «правой руки»), что настоящий диполь образован потоками электронного газа.

Здесь открывается возможность внутренней проверки наших построений на основании того, что западный дрейф основных структур геомагнитного поля не должен превышать скорости дви­жения электронного газа в металлах и, вероятнее всего, они будут соответствовать. Это действительно наблюдается: западный дрейф з-шеет величину порядка. 20 км/год, или 0,6 мм/с, что совпадает

со скоростью движения электронов в. металлах (имеется в виду направленное перемещение электрона под влиянием приложенной ргзности потенциалов).

Палеомагнитные исследования показали ' (Пергамент и др., 15>71). что межинверсионные периоды в мезОзое достигают всего лишь миллионов и десятков миллионов лет. Одновременно были установлены периоды сгущений инверсий. Это заставляет считать, что отделение протонного газа от ядра в пределах каждого цикла его разуплотнения время от времени прерывалось и накопленная разность потенциалов сбрасывалась. Предположительно это мож­но связать с достижением некоторой предельной разности потен­дЛ^алов, которая «закрывала» выход протонов из ядра, чем вызы­вала инверсию диполя.

Обсуждать возможные причины нечеткой периодичности этих Явлений, по-видимому, преждевременно, так как она в значитель­ной мере может быть обусловлена несовершенством методики па-' леомагнитных исследований и прежде всего большой сложностью I оценки абсолютного возраста осадочных толщ.