В настоящее время внимание многих исследователей обращено на изучение процессов, происходящих в самых глубоких слоях Земли, а именно: в твёрдом и жидком ядре, на их границе и на границе ядро-мантия. С ними связано решение целого ряда проблем геодинамики, геофизики и астрономии. Это проблемы, связанные с явлением генерации магнитного поля Земли, вращением Земли, обменом угловым моментом между ядром и мантией и многие другие.
Настоящая диссертация посвящена исследованию некоторых вопросов динамики внутреннего ядра Земли, а именно:
— влиянию неравновесной (негидростатической) оболочки Земли на свободные колебания внутреннего ядра Земли и на его вращениевычислению общего выражения для тензора присоединённых масс в задаче о свободных колебаниях внутреннего ядра Земли;
— рассмотрению возможности обнаружения этих и других простейших колебаний внутреннего ядра Земли с помощью современных геофизических приборов.
Актуальность темы
Долгое время исследователи, которые занимались исследованием таких аспектов динамики внутреннего ядра Земли, как собственные трансляционные колебания внутреннего ядра Земли и его вращение, которое учитывается в теории вращения Земли, брали в качестве гравитационного потенциала потенциал гидростатически уравновешенной Земли. Этот потенциал достаточно близок к потенциалу реальной Земли, так как параметр плавучести для Земли мал [16]. Однако с повышением точности наблюдений в последнее время, в связи с появлением возможности зафиксировать экспериментально с помощью сверхпроводящих гравиметров необнаружимые ранее явления [12] и с появлением глобальной гравиметрической сети ООР [41], стало необходимым учитывать неравновесную (негидростатическую) часть гравитационного поля Земли. Поэтому появилась необходимость более строго рассмотреть свободные трансляционные колебания внутреннего ядра Земли и их наблюдаемые характеристики.
Цель работы заключается:
— в рассмотрении влияния гравитационного поля неравновесной оболочки Земли на собственные трансляционные колебания внутреннего ядра Земли и его вращение, получении частот, координат положения равновесия и других характеристикв определении тензора присоединённых масс не только для случая полярных колебаний, но и для колебаний в произвольном направлении с учётом вращения Земли;
— в вычислении наблюдаемых величин для различных амплитуд колебаний.
Научная новизна:
— впервые был произведён учёт влияния гравитационного поля неравновесной оболочки Земли на собственные трансляционные колебания внутреннего ядра Земли и его вращение, получены частоты, координаты положения равновесия и другие характеристики;
— впервые было получено выражение для тензора присоединённых масс с учётом вращения Земли в случае колебаний в произвольном, а не только в полярном, направлении и произведены численные оценки;
— показано, что выбор конкретной модели неравновесной оболочки Земли мало влияет на частоты трансляционных колебаний внутреннего ядра Земли, но сильно влияет на положение равновесия;
— численные оценки показали, что частоты, полученные Д. Е. Смайлом [12] с помощью данных длительных наблюдений на сверхпроводящих гравиметрах, поразительно близки к оценкам настоящей диссертации. Это дало возможность предложить новую интерпретацию появления триплета Смайла как результата расщепления экваториальной моды в гравитационном поле неравновесной оболочки Земли;
— показано, что в теориях вращения, построенных в линейном приближении по сжатию, необходимо учитывать неравновесную оболочку Земли;
— была получена взаимная силовая функция ядра и оболочки, выраженная через углы Эйлера и произведены численные оценки. При этом предполагалось возможное достаточно сильное несовпадение оси вращения мантии и внутреннего ядра Землибыли получены аналитические формулы и произведены численные оценки величин, которые могут быть обнаружены в наблюдениях для трёх простейших типов колебаний внутреннего ядра;
— были получены формулы и оценены величины сигналов, обусловленных различными глобальными геодинамическими эффектами, для длиннобазового углового градиентометра, идея которого предложена в работах [13] и [14].
Научная и практическая значимость.
Строение и динамика внутреннего ядра — это комплексная научная проблема, находящаяся на стыке различных наук: геодинамики, теории вращения Земли, геомагнетизма и гравитационных измерений. Поэтому результаты работы могут быть использованы:
— в теории вращения Земли для уточнения принятой теории нутации;
— в геодинамике для уточнения данных о плотностях внутреннего и внешнего ядра и величине квадрупольного момента неравновесной оболочки Земли в области, занятой ядром Земли, на основе наблюдаемых частот собственных трансляционных колебаний внутреннего ядра Земли;
— в теории и практике измерений глобальных геодинамических эффектов с помощью современных геофизических приборов.
Структура и объём работы.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы, включающего 41 наименование. Диссертация изложена на 85 страницах.
Заключение
.
В работе рассмотрены некоторые вопросы динамики внутреннего ядра Земли, связанные с влиянием неравновесной оболочки Земли, и возможность обнаружения полученных эффектов на поверхности Земли.
Основные итоги диссертационного исследования следующие: 1) Построена теория свободных колебаний внутреннего ядра Земли с учётом влияния неравновесной оболочки и тензора присоединённых масс, а именно: а) Задача для колебаний, как в произвольных направлениях, так и в полярном, решена полностью (с вычислением тензора присоединённых масс с учётом вращения). Были определены и вычислены частоты колебаний, смещение ядра и тензор присоединённых масс для этой задачи. б) Оказалось, что поправки к периодам, обусловленные неравновесной оболочкой, сравнимы с поправками, обусловленными учётом вращения Земли в тензоре присоединённых масс. в) В поле неравновесной оболочки периоды расщепляются и оказываются удивительно близки к частотам, обнаруженным по наблюдениям на сверхпроводящих гравиметрах [12]. Численные оценки предполагаемой амплитуды соответствующих колебаний ускорения силы тяжести так же близки к результатам [12]. Это позволяет предложить другую возможную интерпретацию триплета, обнаруженного в работе[12]. Выдвигается новая интерпретация этого триплета, как результата расщепления свободных частот трансляционных колебаний внутреннего ядра Земли, в гравитационном поле неравновесной оболочки Земли.
2) Предложена методика учёта влияния гравитационного поля неравновесной оболочки Земли на вращение внутреннего ядра Земли, а именно: а) Получена часть взаимной силовой функции эллиптического твёрдого ядра и неравновесной оболочки, содержащая углы Эйлера. При этом преполагалось возможное достаточно сильное несовпадение оси вращения мантии и оси вращения твёрдого ядра. б) Произведён расчёт параметров вращения твёрдого ядра для случая отсутствия связи между жидким ядром и твёрдым ядром, причём ось вращения последнего считалась наклонённой на 11° по отношению к оси вращения Земли. В результате оказалось, что, при наличии такой связи, вращение ядра может служить источником несимметричности поля скоростей, что важно для проблемы генерации магнитного поля. в) Показано, что эффект наличия несимметричной оболочки должен быть учтён в теориях вращения, линейных по сжатию. Для этого учёта можно использовать вычисленную в диссертации силовую функцию.
3) Построена теория и произведены численные оценки возможных проявлений колебаний твёрдого ядра в наблюдениях, а именно: а) Численные оценки влияния трёх простейших типов колебаний внутреннего ядра Земли на гравиметры показывают, что если амплитуда колебаний ядра порядка 1 м и более, то собственные трансляционные колебания внутреннего ядра Земли могут быть зафиксированы при современной точности наблюдений на сверхпроводящих гравиметрах и, скорее всего, именно они зарегистрированы Д. Е. Смайлом [12]. б) Остальные же два типа колебаний, а именно, колебания сжатия внутреннего ядра Земли и колебания твёрдого эллиптического ядра вокруг некоторой оси при разумных предположениях об их амплитудах, невозможно обнаружить современными приборами. в) Расчёт и оценка сигналов различной геодинамической природы для длиннобазового гравитационного углового градиентометра.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
1) С. Л. Пасынок О полярных колебаниях внутреннего ядра Земли в поле сил тяжести и гидростатического давления, Труды ГАИШ, том LXV, стр. 130−135;
2) Н. А. Чуйкова, С. А. Казарян, С. Л. Пасынок Учёт гравитационного и магнитного полей в анализе полярных колебаний внутреннего ядра Земли, Вестник МГУ, Серия 3. Физика. Астрономия, N2, 1997, стр. 40−43.
3) N.A. Tchoikova, S.A.Kazaryan, P.L.Pasynok, The analysis of the internal core’s polar oscilation of the internal gravity & magnetic fields, European geophysical society-new sletter Scientific Program The Hague 1996, March, 58, page 48.
4) Пасынок С. Л., Свободные колебания внутреннего ядра Земли для неравновесной модели Земли, Вестник МГУ, Серия 3. Физика. Астрономия, 1997, or/?, '?¦•(f.
5) Rudenko V.N. Pasynok S.L., Low frequency geophysical perturbation of a free mass gravitational antenna, Gravitational Wave Detection, Proceeding of the TAMA International Workshop on Gravitational Wave Detection held at National Women’s Education Center, Saitama, Japan on November 12 — 14, 1996, Frontiers Science Series No 20, Universal Academy Press, Inc, Tokyo, Japan, p.63−74;
6) С. Л. Пасынок, Учёт тензора присоединённых масс в задаче о свободных колебаниях внутреннего ядра Земли, Вестник МГУ, Физика, Астрономия, N1, 1999.
7) С. Л. Пасынок, Вращение твёрдого ядра Земли в поле неравновесной оболочки Земли, Вестник МГУ, Физика, Астрономия, Nil, S3−62.
8) С. Л. Пасынок, Динамика ядра Земли для неравновесной модели Земли, Программа и тезисы докладов всероссийской конференции с международным участием «Проблемы небесной механики», Санкт-Петербург, 1997^ Р/Р/-/^ Ст/э- /or- /JS Благодарности.
В заключение хочу выразить благодарность моему научному руководителю доктору физико — математических наук Чуйковой Н. А. за научное руководство и ценные консультации. Хочу поблагодарить также профессора В. Н. Руденко. Работа была выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ 97−05−64 342, 94−05−16 784 и программы «Университеты России» грант 2−5547.
