Важнейшие результаты исследований

Эволюция параметров геодинамо, вызванная замедлением суточного вращения Земли и ее остыванием

22.10.2020

М.Ю. Решетняк, ИФЗ РАН

Учет в трехмерных моделях геодинамо факторов образования твердого ядра Земли, изменения режимов конвекции в ядре и замедления вращения Земли вместе с большим объемом палеомагнитных данных позволяют уменьшить неопределенность в модельных параметрах геодинамо и дают возможность экстраполяции геомагнитного поля в прошлое и будущее.

Решением термодинамических уравнений, описывающих остывание ядра, кристаллизацию твердого ядра и появление субадиабатической области вблизи границы ядро-мантия, получены параметры, необходимые для моделирования тепловой и композиционной конвекции в ядре Земли и генерации магнитного поля. Другим источником данных по эволюции параметров геодинамо были наблюдения вариации длины суток. На этой основе получены оценки изменения во времени безразмерных чисел Рэлея (амплитуд источников энергии тепловой и композиционной конвекции) и числа Экмана (эффективной скорости суточного вращения планеты), входящих в модели геодинамо и определяющих режим конвекции в ядре и морфологию геомагнитного поля.

В частности, замедление суточного вращения Земли в ближайшие 1.5 млрд. лет приведет к ослаблению подавления конвекции суточным вращением, т.е. к усилению интенсивности конвекции (несмотря на остывание ядра), увеличению частоты инверсий и увеличению недипольной компоненты геомагнитного поля. В тоже время напряженность этого поля на поверхности Земли подвержена меньшим изменениям, поскольку на нее влияет глубина залегания поля в ядре, которая увеличилась с появлением твердого ядра.

Рост числа инверсий также способствует уменьшению дипольного магнитного поля на поверхности Земли. Эти два обстоятельства объясняют тот факт, что появление твердого ядра 1.5-2 млрд. лет назад не находит яркого отражения в палеомагнитных записях.

Рост границы c твердого ядра и области тепловой стратификации r1 по мере остывания жидкого ядра Земли для двух режимов моделирования A и B, отличающихся скоростью уменьшения теплового потока на границе ядро- мантия (скорость для B в три раза больше).

Современный радиус твердого ядра c=1250км (черная кривая, режим A) при t=4.5 млрд. лет (возраст Земли), согласуется с данными сейсмологии.

Возраст твердого ядра не превышает 1.5-2 млрд. лет. Наличие сравнимой по толщине с твердым ядром области тепловой стратификации, в которой тепловая конвекция отсутствует, приводит к эффективному погружению источников генерации магнитного поля в жидкое ядро. Модель дает прогноз на 1.5 млрд. лет в будущее.

Публикации по теме

Решетняк М.Ю. Эволюция безразмерных чисел в моделях геодинамо // Геомагнетизм и Аэрономия. 2018. Т. 58. № 4. С.592–596. doi:10.1134/S0016794018040144.

Reshetnyak M.Yu. Evolution of the inner core of the Earth: consequences for geodynamo // Magnetohydrodynamics. 2019. Vol. 55. No.1–2. P. 175–184. arXiv:1905.13115.