Ю. В. Баркин Государственный астрономический институт им. П. К. Штернберга при мгу, Москва

УДК 550.3 ОБЪЯСНЕНИЕ ЭНЕРГЕТИКИ И ЦИКЛИЧНОСТИ ЭНДОГЕННОЙ АКТИВНОСТИ ЗЕМЛИ, ИНВЕРСИОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА Ю.В. Баркин Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга при МГУ, Москва e-mail: barkin@)inbox.ru Абстракт. Механизм возбуждения и вынужденной относительной раскачки и поворотов оболочек Земли (других планет и спутников) под действием гравитационного притяжения окружающих небесных тел является мощным источником эндогенной активности с ярко-выраженными циклическими проявлениями в различных шкалах времени. Эндогенная энергия планеты (спутника) черпается из гравитационного воздействия со стороны внешних небесных тел. В конечном итоге из энергии поступательно-вращательных движений всех взаимодействующих тел. Показано, что энергетика данного механизма позволяет объяснить энергетический бюджет Земли и других активных небесных тел. На основе этого механизма уже получили объяснение с механической и энергетической точек зрения многие геодинамические явления и планетарные геофизические процессы, решены фундаментальные проблемы наук о Земле и планетарных наук. В данной работе на основе указанной геодинамической модели получены оценки мощностей диссипации для вязко-упругих деформаций мантии Земли при заданных относительных смещениях центров масс ядра и мантии. Указанные смещения находят отражение в смещениях центра масс Земли, которые доступны для наблюдений методами космической геодезии. Для выявленного по данным наблюдений спектра колебаний определена мощность диссипации для каждого из колебаний по отдельности и интегральный эффект. Показано, что суммарная мощность диссипации характеризуется исключительно гигантским значением около Вт и является достаточной для объяснения современной эндогенной активности Земли. При этом получает объяснение дискутируемое веками представление о циклических вариациях активности всех планетарных природных процессов. В работе обсуждаются и интерпретируются явления инверсии климатических изменений на Земли, их современные проявления. Указанный механизм управляет интегральным тепловым потоком Земли и управляет его перераспределением между полушариями Земли. Аналогичные явления широко наблюдаются на других телах солнечной системы, а явление иверсии активности природных процессов (чередование активности между полушариями) является вернейшим признаком активного действия механизма возбуждения оболочек небесных тел. 1. Введение. Высокоэнергетический механизм эндогенной активности небесных тел, объясняющий цикличность, как геологического развития небесных тел, так и цикличность природных процессов был предложен автором в 1999 – 2002 гг. [2 - 4]. За прошедшее время он получил развитие и широкие приложения, как в науках о Земле, так и в планетных науках[5 - 10], [12 - 22], [24,25]. Главным положением разрабатываемой на основе этого механизма геодинамической модели является то, что в ней указывается источник энергии всех планетарных процессов как на Земле, так и на других небесных телах Солнечной и иных планетных систем. Механизм имеет небесно-механическую природу. Именно гравитационные силы, действующие со стороны внешних небесных тел (Солнца, Луны, планет) возбуждают систему оболочек Земли (ядро твердое, жидкое, мантия, кора, другие слои и оболочки). Эти внешние воздействия обусловлены в первую очередь эксцентричным относительным положением центров масс оболочек и их несферичностью (эллипсоидальностью). Вследствие дифференциального воздействия гравитационного притяжения внешних небесных тел оболочки испытывают малые относительные смещения и деформации [3, 4, 13, 14]. В силу вязкоупругих свойств мантии происходит диссипация энергии, ее преобразование в тепловую энергию. У разных небесных тел эти факторы выражены в различной степени и, соответственно, в разной степени они подвержены воздействию со стороны внешних небесных тел, а их эндогенная активность и природная активность выражены по-разному. Таким образом, эндогенная энергия планеты (спутника) черпается из гравитационного воздействия со стороны внешних небесных тел, в конечном итоге из их поступательно-вращательных движений. Кроме вопросов энергетики природных процессов на небесных телах, были выполнены широкие исследования явлений, которые присущи действию указанного механизма и являются верными признаками его активного проявления. Среди них широко-распространенные явления цикличности природных процессов, их синхронность и единство, активность полярных регионов на планетах и спутниках, инверсия тектонических и геологических структур и активности природных процессов, явления скачкообразности, пилообразности активности природных процессов, явление упорядоченности в расположении тектонических структур, явление скручивания, их широкая распространенность - универсальность. В первую очередь указанные явления были изучены на Земле и получили динамическую интерпретацию на основе новой геодинамической модели [6, 15, 22]. Указанные явления также были предсказаны на других телах солнечной системы и получили подтверждение в современных исследованиях, в частности при реализации планов современных космических миссий [4, 15 – 17, 21]. В работе [4] на основе открытого механизма был выполнен сравнительный анализ энергетической активности для планет и, отдельно, для спутников. Среди спутников самым активным является спутник Юпитера Ио с постоянно извергающимися вулканами. Высокая активность спутника Cатурна Титана была предсказана автором в указанной работе в результате анализа особенностей действия механизма гравитационного возбуждения его оболочек. До 2005 г поверхность Титана была скрыта от наблюдателей под мощной атмосферой (по массе она примерно в 10 раз превосходит атмосферу Земли). Тем не менее, высокая активность природных процессов, явления эксцентричности в положении центра масс, геологические особенности спутника, в частности, горные хребты, разломы и трещины, вулканическая деятельность, реки и моря из жидкого метана, планетарная асимметрия в их расположении и в активности атмосферных процессов и др. были четко предсказаны за 2-3 года до прибытия космической экспедиции Кассини - Гюйгенс к Сатурну и Титану в 2005 г. Приведем некоторые цитаты из указанной работы 2002 г.: “На Титане происходят бурные атмосферные процессы. Природные процессы на Титане также едины, как и на Земле. Они диктуются и направляются одним и тем же механизмом – механизмом раскачки и блужданий оболочек”; “Метановый океан Титана, вполне вероятно, представляет собой систему морей, формирование которых было вызвано направленными радиальными смещениями оболочек Титана. Все оболочки Титана, включая океан и атмосферу, глубоко динамически взаимосвязаны и пронизаны едиными ритмами и циклами в своем существовании и эволюции” и др. (Баркин, 2002; [4], С.72) . Уже первые снимки и первые исследования, выполненные этим аппаратом, начиная с 2005 г., полностью и точно подтвердили сделанные предсказания [4,7]. Аналогичным образом была установлена высокая активность другого спутника Сатурна – Энцелада. «Механизм раскачки оболочек Энцелада следует рассматривать как основной энергетический источник для его тектонической активности. Этот механизм является ответственным за формирование трещин и разломов на поверхности Энцелада, ледяных вулканов и потоков глобальной протяженности” (Баркин, 2002; [4], С.70). И спустя примерно 5 лет после указанной публикации на южном полюсе Энцелада был открыт действующий гейзер (плюм), с выбросами веществ и газов на высоту до 300 км от поверхности спутника. Это является ярким свидетельством его необычайной активности. И многие ученые до сих пор безуспешно бьются над научным обоснованием высокой активности Титана и Энцелада и не находят ни механизма, ни объяснения. Исследования, выполненные на основе гравитационного механизма возбуждения оболочек, позволили обосновать такие трудные для понимания явления, как активизация природных процессов и геологической, тектонической деятельности в полярных областях планет и спутников [4, 7, 15, 17]. В марте 2011 г. сразу после успешного орбитального маневра и выхода космического аппарата Messendger на орбиту вокруг планеты Меркурий я писал в поздравительном письме одному из активных участников и организаторов этой космической миссии Стану Пилу о некоторых явлениях, которые могут быть открыты и изучены аппаратом Messendger: “Pole regions will be extremely nice and active, with dissymmetrical activity (more active Southern hemisphere), more scarps in Southern hemisphere, with big polar regions of underground ice deposits in accordance with my geodynamical model (2002)” Barkin Yury, 28 March 2011. Для другой космической миссии НАСА “Рассвет” (“Dawn”) по исследованию крупного астероида Веста (аппарат вышел на орбиту вокруг Весты в июле 2011 г.) мною были высказаны и обоснованы следующие положения, также опирающиеся на геодинамическую модель возбуждения и вынужденных относительных колебаний ее ядра и мантии: “Динамическими следствиями действия механизма возбуждения оболочек дифференцированного астероида Веста будут являться: планетарная северо-южная асимметрия (как в тектонических структурах, так и процессах), в частности в тепловых потоках в северном и южном полушариях, в расположениях геологических формирований (их концентрация в южном полушарии, подобно концентрации эскарпов в южном полушарии Меркурия), смещение центра масс Весты к северу и ее общая геологическая активность.” Указанные положения планетодинамики неоднократно докладывались на секциях по планетным исследованиям на Генеральной ассамблее Европейского Союза по наукам о Земле в Вене, в частности в апреле 2011 г.[16,17], [20, 21] и др. и в настоящее время получили подтверждение по данным указанных космических миссий. Тем самым получила подтверждение сама геодинамическая модель [4, 6]. 2. Объяснение энергетики природных процессов. Наиболее важным вопросом, конечно, во все времена истории в науках о Земле был вопрос об источнике энергии [11], который обеспечивает небывалую активность Земли, а сейчас известно, что и многих других небесных тел. Известные энергетические механизмы такие как радиогенное тепло, приливное трение и некоторые другие не в силах объяснить ни общую энергетику, ни цикличность процессов, не говоря уже об указанных выше изысканных планетарных явлениях инверсии, скачкообразности, активности полярных областей и других. В современных исследованиях четко показано, в том числе ведущими специалистами мира, что приливное трение дает исключительно малый вклад в общий наблюдаемый тепловой поток (~ 0.4 TW) через поверхность Земли, который по современным оценкам составляет 46±3 TW, т.е. порядка одного процента. Диссипация приливной энергии на Энцеладе может объяснить только 1 часть из 27 от наблюдаемого теплового потока. Диссипация приливной энергии на спутнике Ио объясняет лишь незначительную часть наблюдаемого теплового потока и эндогенной активности этого спутника [7]. Указанные проблемы решаются с помощью геодинамического гравитационного механизма вынужденной раскачки ядра и мантии Земли [2 - 4]. Эти смещения приводят к смещениям центра масс Земли по отношению к мантии, которые в настоящее время доступны для изучения методами космической геодезии (спутниковыми методами). В настоящее время выявлен широкий спектр колебаний центра масс Земли (Таблица 1, рис. 2) и обнаружен его вековой тренд в северном направлении (в район полуострова Таймыр, рис. 5) [23, 25]. Последние геодезические явления являются следствиями действия рассматриваемого механизма и были предсказаны автором еще в 1996 г. [5]. С другой стороны по смещениям центра масс Земли удается восстановить стиль и особенности относительных смещений ядра и мантии Земли, изучить геодинамические следствия этих смещений, таких как деформации мантии, вариации ее упругой энергии, мощности диссипации и формирования теплового потока на планете, других физических полей, перераспределение флюидных масс и др. Эти исследования были выполнены автором, и они фактически решают энергетический вопрос в жизни планет и спутников. На рис. 1 дается схематическая иллюстрация смещений центра масс Земли относительно начального положения вследствие смещения ядра планеты. Ядро имеет избыточную гравитирующую массу , которая определяет эффекты деформации всех слоев мантии при смещениях ядра. Здесь и значения средней плотности ядра и плотности мантии при ее подошве. В данной упрощенной модели вектор смещения центра масс Земли относительно центра масс мантии определяется соотношением . Рис. 1. (слева) Смещения центра масс планеты, вызванные смещением ее ядра. Рис.2.(справа) Спектр колебаний геоцентра по различным системам спутниковых данных (по работе Gobinddass et al. ,2009 [23]). По оси ординат указаны значения амплитуд колебаний в мм, по оси абсцисс – значения периодов в сутках. Были проанализированы энергетические поступления от примерно 15 составляющих спектра колебаний ядра и мантии Земли, которым соответствуют наблюдаемые методами космической геодезии колебания центра масс Земли с амплитудами в несколько сантиметров или долей сантиметров (всего около 15 гармоник) (см. табл. 1), а также от векового тренда [25], [26]. Для анализа мощности диссипации использовалось решение задачи теории упругости о деформациях мантии под действием гравитационного притяжения смещающегося ядра [3, 13, 14], а также аналитические выражения компонент тензора деформаций и упругой энергии из работы [27]. Каждое из этих движений геоцентра есть отражение относительных смещений ядра и мантии и для каждого из них были рассчитаны упругие энергии и мощности диссипация энергии в мантии. Мощности диссипации для каждого колебания геоцентра по отдельности приведены в последнем столбце таблицы 1 (значения даны в единицах ватт). При расчетах была принята средняя вязкость мантии Земли равная . В 3 и 4 столбцах приведены значения амплитуд вариаций скорости колебания (в мм/год) и самого колебания геоцентра вдоль полярной оси (в мм). Для краткости здесь рассматриваем лишь координату , так как полярные колебания геоцентра являются преимущественными, что, кстати сказать, было предсказано еще динамическими исследованиями относительных колебаний ядра и мантии Земли [3, 13]. Суммарная мощность диссипации упругой энергии мантии, вызванная рассматриваемыми колебаниями ядра, уже сама по себе является весьма значительной . Однако она является не полной. Таблица 1. Расчетные мощности диссипации упругой энергии мантии Земли, соответствующие отдельным полярным колебаниям геоцентра в современную эпоху. Указаны амплитуды колебаний, амплитуды вариаций скоростей колебаний и периоды. В приведенной оценке не учтены короткопериодические колебания ядра (суточные, недельные), на которые указывает спектр колебаний, например на колебание с большой амплитудой 32 мм с полумесячным периодом [23] (рис.2). Эти колебания с недельными и суточными периодами дают весьма большой вклад в диссипацию энергии. Так лишь одно колебание с периодом 13.7 суток дает вклад в мощность диссипации на три порядка больше мощности диссипации от годового колебания . Амплитуды этого коротко - периодического колебания и годового весьма значительны и сравнимы друг с другом. Они составляют около 3-3.5 см [23]): . В будущем еще предстоит получить более полные и точные оценки мощностей диссипации в вязко - упругой мантии вследствие колебаний центра масс Земли (ее ядра и мантии) с короткими (включая часовые) периодами. Ориентировочно, здесь мы оцениваем полную мощность диссипации энергии в . Эта величина сама по себе весьма грандиозна, но и она, по-видимому, пополняется еще в результате действия механизма разогрева материала мантии и ядра на их границе при формировании плюмов (также вследствие смещений и колебаний оболочек Земли), а также вследствие деформаций, вызванных относительными поворотами оболочек Земли и скручиванием слоев мантии и ядра. Последние из указанных явлений также являются геодинамическими следствиями механизма возбуждения оболочек планеты внешними небесными телами [4]. Кроме того, происходят большие скачкообразные смещения геоцентра (и, соответственно, ядра и мантии), которые сопровождаются сравнительно большими скачками мощности диссипации. Например, подобно тому, как это произошло в 1997-1998 гг. Геоцентр испытал большой скачок, особенно по полярной координате (около 2 см) (рис.3). Рис. 3.(слева) Трендовые составляющие координат центра масс Земли в период 1993 -2007 гг. и скачки в значениях его декартовых гринвичских координат в период 1997 - 1998 г. (Zotov et al., 2009 [25]). Рис. 4. (справа) Скачок глобального уровня океана (MSL) 1997 г. на 8 мм по спутниковым альтиметрическим данным и средней температуры поверхности океана (SST) на 0.16º. По оси абсцисс отложены числа циклов спутников Topex-Poseidon (на верхней оси – годы). По данным Global Warming Science - www.appinsys.com/Global Warming. В результате в этот промежуток времени произошли скачки в активности всех планетарных природных процессов, в мощности диссипации. В частности наблюдались активные скачкообразные изменения во всех климатических планетарных процессах [17, 18]. В качестве примера на рис.4 иллюстрируется скачок среднего глобального уровня океана в 1997 г. Заметим, однако, что эта иллюстрация опирается на ошибочную интерпретацию альтиметрических измерений (см. [8]), связанную с не учетом векового дрейфа центра масс Земли, который обсуждается в данной работе. Но интервал времени для скачка уровня океана определен правильно. Результаты исследований автора показывают, что в 1997 г. произошел не подъем среднего уровня океана, а его опускание примерно на 1 см. Это подтверждают данные наблюдений на береговых станциях. Указанные механизмы диссипации энергии предстоит изучить в будущем более детально. Полученное значение мощности диссипации позволяет объяснить энергетику всех наблюдаемых на Земле природных процессов. Естественно, что на многих других планетах и спутниках в солнечной системе и в других планетных системах указанный механизм вынужденного взаимодействия и деформаций оболочек также обеспечивает энергетические запросы, в частности на Энцеладе и Титане, Ио и Меркурии [4, 7, 15, 16]. Выполненная здесь оценка мощности диссипации энергии Земли не является полной. Имеются другие важные составляющие, которые существенно повышают указанное значение (например, связанные с взаимными поворотами оболочек [4, 13]). Но уже эта оцененная энергия является достаточной для объяснения энергетики многих природных явлений. В монографии Ю.Н. Авсюка [1] приводятся следующие оценки мощностей основных природных процессов: мощность сейсмических событий ; мощность вулканических событий ; мощность тепловой конвекции ; лунно-солнечных приливов . Для функционирования магнитного поля Земли требуется еще меньшая энергия. По современным данным о тепловом потоке Земли имеется довольно точная оценка его мощности . Предложенный выше механизм генерации и диссипации упругой энергии мантии с избытком объясняет указанный тепловой поток. Мощность сейсмического и вулканического процесса [1, 10] составляют малую часть от мощности диссипации энергии по части колебаний ядра с периодами из списка колебаний центра масс Земли, полученного на основе спутниковых наблюдений [23, 25] (Табл. 1). Сформулируем окончательный вывод, имеющий первостепенное значение для всех наук о Земле и планетах. Энергия высокой эндогенной активности Земли, других планет и спутников черпается из энергий их поступательно - вращательного движения в результате действия обсуждаемого в работе механизма гравитационного возбуждения системы взаимодействующих оболочек данной планеты или спутника (ее ядра, мантии и др.) внешними небесными телами. На основе этого механизма и основанной на нем геодинамической модели были решены старые и современные проблемы в науках о Земле и в планетных науках. Получили объяснение и динамическую интерпретацию фундаментальные явления в геологии и тектонике [6, 15, 24], геофизике [18, 21], геодезии [20], климатологии [12, 15, 19, 28], океанологии [8], сейсмологии и вулканизма [10], гравиметрии [5], в экологии [9, 17, 28] и др.

Похожие:

	Московский государственный университет им. Ломоносова государственный... Общая направленность. Программа направлена на формирование современных компетенций в области астрономии и оказание методической помощи...		Программа учебного курса Инженерная геология, часть 2 Москва, Воробьевы горы, мгу, геологический факультет мгу, кафедра инженерной и экологической геологии
	Окончив Факультет психологии мгу и аспирантуру Института истории... Краева К. В. К вопросу о специфике экзаменационного стресса у студентов // Вестник Университета. Государственный университет управления...		Учебное пособие. Составитель: Мелкумян Елена Суреновна доктор политических... Составитель: Мелкумян Елена Суреновна доктор политических наук, доцент кафедры политологии Востока исаа при мгу
	Москва 2011 Вопросы по общевоенной подготовке Московский государственный институт международных отношений (университет) мид россии военная кафедра		Образовательные ресурсы сети интернет для основного и среднего (полного)... Фгу «Государственный научно-исследовательский институт информационных технологий и телекоммуникаций»
	А. Ю. Кромин Экономический факультет мгу Использование интернет-технологий в учебном процессе экономического факультета мгу им. М. В. Ломоносова		Имени п. К. Штернберга Категория слушателей: лица с высшим образованием, преподаватели среднего (полного) общего образования
	Научно исследовательский институт ядерной физики Г. В. Максимов, кафедра биофизики биологического факультета мгу (разделы 1, 2, 3, заключение)		Московский энергетический институт (технический университет) институт Целью дисциплины является изучение задач, решаемых при управлении режимами работы гэс и гаэс, а также при их эксплуатации
	Образовательные ресурсы сети интернет для основного общего и среднего... Фгу «Государственный на тельский институт информационных технологий и телекоммуникаций»		Белаякнига Единый государственный экзамен. Белая книга. М.: Факультет журналистики мгу, 2008
	Исследование параметров сцинтилляционных кристаллов саМоО 4 для поиска... Федеральное Государственное унитарное предприятие "Государственный Научный Центр Российской Федерации Институт теоретической и экспериментальной...		Исследование параметров сцинтилляционных кристаллов саМоО 4 для поиска... Федеральное Государственное унитарное предприятие "Государственный Научный Центр Российской Федерации Институт теоретической и экспериментальной...
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Имический факультет мгу имени М. В. Ломоносова,Московский областной государственный университет, редакция журнала"Вестник образования...		Отчет о научно-исследовательской работе «Проведение исследований... Офизическом комплексе мгу-игу для исследования космических лучей сверхвысоких энергий (установки Тунка и шал-мгу) (Астрофизический...