нет
Национальный научный центр сейсмологических наблюдений и исследований Республика Казахстан
Ведущий научный сотрудник
Лютикова В.С., Национальный научный центр сейсмологических наблюдений и исследований Республика Казахстан
УДК 550.343
Введение
В связи с растущей активностью Солнца и сейсмическими явлениями на Земле, все больше внимания уделяется научным теориям, связывающим конвективные процессы внутри Солнца с периодами повышенной сейсмической активности нашей планеты. Существует значительное число публикаций, посвященных изучению этой взаимосвязи, в том числе и анализу влияния конвекции на сейсмичность Земли. Согласно данным, собранным за последние годы наблюдений [2-5], ученым удалось выявить корреляцию между временем прохождения сейсмических волн в различных направлениях. На это время влияют не только характеристики вещества внутри Солнца (сжатая плазма), но и скорость и направление его движения. Аналогичный эффект наблюдается при распространении волн в земной атмосфере. Проведенные расчеты не только подтвердили наличие конвективных потоков в глубинах Солнца, но и выявили их двухслойную структуру [2]. В отличие от предыдущих моделей, предполагавших одноярусную систему конвективных ячеек, где нагретая плазма поднимается снизу, перемещается по горизонтали, отдает тепло и опускается, современные исследования указывают на двухэтажную конвекцию. На глубине около 125 тысяч километров происходит передача тепла между замкнутыми потоками. Согласно исследованию [2], средняя скорость движения плазмы составляет приблизительно 15 метров в секунду, что означает, что полный цикл занимает несколько лет [2]. На рисунке 1 представлено современное изображение Солнца [1], полученное 7 марта 2022 года, когда космический аппарат находился между Землей и Солнцем. Изображение диска Солнца и его короны, температура которой достигает миллиона градусов Цельсия, было получено с помощью инструмента Extreme Ultraviolet Imager (EUI) в дальнем ультрафиолетовом спектре [1]. Таким образом, конвективные потоки плазмы на Солнце, очевидно, играют определяющую роль в формировании его магнитного поля, которое, в свою очередь, связано с корональными выбросами, солнечными вспышками и появлением солнечных пятен.
Научная гипотеза о взаимосвязи конвективных процессов и изменений в активности Солнца активно исследуется с помощью гелиосейсмографии, позволяющей изучать динамические процессы в недрах звезды. Сопоставление этих данных с поверхностными структурами, наблюдаемыми с помощью телескопов, позволяет получить более полное представление о динамике Солнца. Ранее, на основе масштабного статистического анализа и фрактального подхода, была выдвинута гипотеза о наличии ячеек Бенара в сейсмической среде Земли [2]. Физика этих ячеек изучалась в экспериментах с нагреваемыми жидкостями, например, в тонком слое вязкого масла между параллельными пластинами. В таких системах ключевым параметром является градиент температуры. При низких значениях градиента жидкость находится близка к термодинамическому равновесию, и тепло отводится посредством теплопередачи. При увеличении градиента до критического значения равновесие нарушается, и начинается макроскопическое коллективное движение жидкости. Более нагретые участки расширяются и, под действием подъемной силы Архимеда, поднимаются вверх, где охлаждаются и опускаются вниз. Противодействующие силам подъема являются внутреннее трение и тепловая диффузия, стремящиеся выровнять температуру и плотность нагретого участка с окружающей средой [2]. Это позволяет интерпретировать связь конвективных процессов с изменениями солнечной активности и распределением теплового потока.
|
|
Рисунок 1 - Изображение диска Солнца и солнечной короны [1]
|
Рисунок 2 - Распределение теплового потока Земли [2]
|
В результате формируется процесс переноса тепла и массы посредством конвекции. Этот скоординированный перенос, как правило, обусловлен энергией, высвобождаемой при нагревании, что приводит к подъему более теплых слоев жидкости при наличии градиента температуры, поддерживаемого односторонним нагревом. Подобные явления, как предполагается, могут воспроизводиться и в сейсмической среде [2]. Активность землетрясений возрастает, когда градиенты температуры в недрах достигают критических значений. При этом существенно различаются лишь временные рамки. Причинно-следственную связь динамических атмосферных процессов и сейсмичности можно объяснить следующим образом: Солнце, Земля и её атмосфера представляют собой открытые, саморегулирующиеся и нестабильные системы. Их устойчивое состояние носит динамический характер и поддерживается обменом энергии и энтропии [2]. В подобных системах, находящихся в неравновесном состоянии, присутствуют точки неустойчивости. Изменение параметров системы под воздействием эндогенных или экзогенных факторов приводит к возникновению сильных динамических процессов в этих точках, обусловленных накопленной энергией, что может определять механизм развития сейсмической активности Солнца, Земли, динамических процессов в атмосфере и других явлений при изменении внешних условий. Данный механизм нарушения стационарности в целом соответствует наблюдаемым тектоническим процессам: вулканической активности, землетрясениям, формированию гор и впадин, перемещению континентов и т.д. [2]. Как демонстрирует рис. 2, внутреннее тепло Земли пронизывает её поверхность, причем интенсивность теплового потока варьируется, хотя в целом она примерно одинакова на континентах и в океанах. Следует отметить, что теоретическая модель, разработанная на основе минимального набора сейсмических данных, показала высокую степень соответствия плотности теплового потока в различных точках Земли, как в виртуальной, так и в реальной [2]. Аналогично, гравитационное поле модели хорошо согласовалось с результатами многочисленных измерений. Таким образом, моделирование процессов, происходящих в литосфере с учетом влияния континентов, позволило сформулировать новую теорию геологической эволюции Земли [2]. Традиционно считается, что тепловой поток генерируется радиогенными элементами, однако последние исследования радиоактивности глубоко расположенных пород ставят эту гипотезу под сомнение. Подробно рассматриваются фрактальные свойства динамических структур Земли как самоорганизующейся открытой системы [2]. Наблюдения подтверждают, что подобные свойства характерны и для землетрясений, в которых отчетливо проявляется фрактальная структура. Подобная организация также присутствует в магнитном поле Земли. Известно, что мантия Земли разделена на несколько конвективных ячеек [2]. Аналогичные ячейки можно наблюдать в слое масла, налитого на нагретую сковороду. Вдоль границ ячеек вещество поднимается или опускается, а в центральной части движется по поверхности (в данном случае, по поверхности Земли). Именно это движение со скоростью около сантиметра в год увлекает за собой плиты земной коры. Оно не только смещает плиту, но и деформирует её край, при этом напряжения и деформации накапливаются вблизи границы ячейки, где вещество опускается вниз [2]. Движение вещества внутри Земли не ограничивается конвективными ячейками. Существуют также мощные, относительно узкие восходящие потоки очень горячего вещества, берущие начало, возможно, от ядра планеты. Эти потоки, известные как плюмы, могут вызывать образование горячих точек, где кора проплавляется и деформируется в середине плиты. Типичным примером плюма являются Гавайские острова с их многочисленными вулканами [2]. По мнению многих ученых, внешнее ядро Земли состоит из расплавленного железа. В нем происходит конвекция, в результате которой жидкость (железо) захватывает силовые линии магнитного поля из окружающего космического пространства, и за счет эффекта гидромагнитного динамо происходит усиление и преобразование этого «затравочного» поля в геомагнитное.
Данное исследование направлено на установление взаимосвязи между конвективными и фрактальными явлениями, наблюдаемыми в динамических (сейсмических) системах. Рассматриваются природные процессы, протекающие в атмосфере, магнитном поле, тепловом потоке и на поверхности Земли, а также связанные с солнечной активностью. Центральным вопросом является выяснение механизма, посредством которого мощные динамические процессы могут возникать при незначительных изменениях внешних факторов, влияющих на эти системы. В основе исследования лежит ранее выдвинутая научная гипотеза, предполагающая наличие конвекции, обусловленной фрактальными структурами, обнаруженными на поверхности различных сейсмоактивных зон. Согласно этой гипотезе, ячейки Бенара, известные из физики, должны существовать во всех динамических системах Земли, включая сейсмические поля. Модели образования участков обратного магнитного поля и фазовые портреты формирования конвективных ячеек демонстрируются на рисунках 3 и 4 [2]. Анализ доступных данных позволяет заключить, что в природе происходит взаимодействие тектонических движений, вызывающих сжатие и растяжение в зонах разломов, а также внедрение и перераспределение жидкостей, сопровождающиеся фазовыми изменениями и расслоением. Эти процессы наиболее заметны в сейсмоактивных регионах, таких как Терско-Каспийский прогиб, Сахалин и Предкарпатье [2]. В рамках гипотетического рассмотрения, мы исследуем, как эти процессы могут быть описаны через призму фазовых переходов и ячеек Бенара. На примере фазового портрета, изображающего взаимодействие процессов на рисунке гипотетического аттрактора (см. рис. 4), можно предположить, что вблизи точки неустойчивости, характеризующейся высокими градиентами параметров среды (см. рис.4), проявляются первые признаки перехода к конвективному движению. За точкой неустойчивости (неустойчивое многообразие Wu на рисунке) отклонения от термодинамического равновесия (устойчивое многообразие Ws на рисунке) не уменьшаются, а, напротив, возрастают.
|
|
Рисунок 3 - Образование участков обратного магнитного поля [2]
|
Рисунок 4 - Фазовый потрет в процессе формирования конвективных ячеек (ячеек Бенара) в динамической (сейсмической) среде во взаимодействии с другим процессом (аттрактор атмосферы), седловой предельный цикл [2] |
Формируется новая, динамически организованная структура – ячейки Бенара. Появление и поддержание этой структуры обусловлены поступлением извне тепловой энергии, которая частично трансформируется в кинетическую энергию упорядоченных макроскопических струй. Ячейки располагаются вдоль горизонтальной оси, и жидкость внутри них вращается попеременно по часовой и против часовой стрелки. Устойчивое струйное течение, которое было бы невозможно в изолированной системе, обеспечивается балансом между подводимым и рассеиваемым теплом, что позволяет сохранять температурный градиент и установившуюся скорость потока. При прекращении нагрева, то есть при отсутствии внешнего источника тепловой энергии, упорядоченное конвективное движение прекращается [2]. Выдвинутая научная гипотеза и разработанная модель нуждаются в дальнейшем изучении. В настоящее время исследуются возможные механизмы возникновения конвективных ячеек в коре и мантии Земли, но не в рамках модели, основанной на сейсмических явлениях и вязкой жидкости, а с учетом термогравитационной конвекции и упрощенной модели сжимаемых твердых тел. Анализ конвективных процессов показал, что скорость конвекции, при различных граничных условиях, способствующих возникновению конвективных ячеек, полностью определяется процессами восстановления вертикальных напряжений на горизонтальных границах, что влияет на переход и формирование ячеек как в коре, так и в мантии. Такое взаимодействие двух сред обеспечивает переход системы из неустойчивого состояния в устойчивое и формирование новой, стационарной динамической структуры [2]. Существует также предположение, что воздействие атмосферы на очаг может быть первичным фактором, нарушающим равновесие, поскольку массы воздуха оказывают давление на участки с избыточным напряжением на поверхности Земли. Падение давления в атмосферном столбе может спровоцировать землетрясение. Связь сейсмичности со всеми процессами указывает на то, что атмосферное воздействие может выступать в качестве триггерного механизма, запускающего землетрясение, при наличии всех необходимых условий в очаге. Так, перед некоторыми землетрясениями в атмосфере и на поверхности Земли фиксируются импульсные возмущения электромагнитного излучения за несколько минут до события. Однако, проведенные наблюдения пока не выявили четкой зависимости между магнитудой, расстоянием до эпицентра землетрясения и "амплитудой" электромагнитного сигнала, а также временем его появления. При этом, интенсивность возмущений, как правило, возрастает по мере приближения к эпицентру и с увеличением магнитуды землетрясения. Отсутствие связи с атмосферными и солнечно обусловленными возмущениями позволяет предположить геофизическую природу этих явлений [2]. Кроме того, известно, что подготовка к сильным землетрясениям часто сопровождается метеорологическими аномалиями, экстремальные значения которых наблюдаются в районах зреющих очагов – обычно в период, предшествующий событию, от одного месяца до года, и в краткосрочной перспективе – от нескольких часов до одного-двух суток.
Результаты
По имеющимся данным, в районах, где ожидается серия мощных землетрясений, наблюдаются пиковые показатели солнечной радиации, продолжительности солнечного дня, количества ясных дней, температуры, скорости ветра и минимальное количество облачности, пасмурных дней, дней с туманом, осадков и влажности воздуха [2]. Интенсивность излучения может расти в течение нескольких дней, часов и даже минут до землетрясения, сохраняясь на повышенном уровне какое-то время. При изучении взаимосвязи между конвективными процессами, солнечной активностью и сейсмичностью, установлено, что атмосферные и литосферные процессы формируются примерно на одинаковом расстоянии от центра Земли, а значит, их масштабные размеры должны быть сопоставимы. Это подтверждается тем, что как те, так и другие вихри могут достигать размеров в одну тысячу километров. Блочное строение геофизической среды (по Садовскому М.Н.) способствует дискретному накоплению энергии внутри зоны землетрясения. Разрядка накопившейся энергии также не происходит постоянно, а носит внезапный характер. Спонтанность накопления и последующей разрядки энергии – это проявление фазовых переходов в литосфере, вызванных как внутренними, так и внешними воздействиями [2]. Подобные процессы наблюдаются не только в атмосфере, но и в магнитном поле Земли [2]. Традиционные сейсмогеологические исследования позволяют объяснить механизмы, приводящие к разрядке напряжений после землетрясения и т.д. Накопленные избыточные напряжения в земной коре (литосфере) обусловлены внутренними (эндогенными) источниками, находящимися внутри планеты. Для того чтобы произошло землетрясение, необходимо, чтобы уровень напряжения в сейсмическом очаге приблизился к пределу прочности горных пород в этой зоне [2]. Для того чтобы сейсмический очаг "активировался" и произошла разрядка напряжения в виде землетрясения, часто требуются дополнительные внешние (экзогенные) факторы. К ним относятся гравитационное воздействие небесных тел (Луны и Солнца) и колебания атмосферного давления [2].
В настоящей работе исследуется влияние конвективных явлений на взаимодействие магнитного поля Земли и его силовых линий. Обнаружено, что на границе между ядром и мантией возникают продолжительные изменения в геомагнитном поле, проявляющиеся в зонах, где направление магнитного потока противоположно ожидаемому для данного полушария. Наиболее протяженный участок такого обратного магнитного поля простирается от южной оконечности Африки до Южной Америки. В этой области магнитный поток направлен к центру Земли, в отличие от преобладающего направления от центра в Южном полушарии. Подобные «следы фрактальных структур сейсмичности» ранее отмечались в региональном масштабе, однако их природа остается неизученной. В связи с этим, предполагается, что магнитное поле, рассматриваемое в контексте конвективных процессов внутри Земли, может отражать подобные проявления на поверхности. Согласно [2], эти аномальные зоны возникают в результате случайного выхода за пределы ядра Земли закрученных и переплетенных линий магнитного поля. Участки обратного магнитного поля способны значительно ослаблять дипольное магнитное поле на поверхности и могут служить индикатором начала инверсии земных полюсов. Они формируются, когда поднимающиеся массы жидкости проталкивают горизонтальные магнитные линии вверх в расплавленном внешнем ядре. Такое конвективное излияние нередко приводит к закручиванию и выталкиванию магнитной линии (см. рис. 3). В то же время, вращение Земли вызывает винтовую циркуляцию расплава, что может приводить к формированию петли на выдавленной магнитной линии. Когда выталкивающая сила достигает достаточной величины, на границе ядра и мантии образуется пара участков магнитного потока [2].
Выводы.
В рамках исследования выдвинуты гипотетические предположения о взаимосвязи конвективных процессов с солнечной активностью и ростом сейсмической активности Земли. С этой точки зрения, выявлено, что стационарные динамические состояния характеризуются точками неустойчивости, и предложено объяснение связи между конвективными процессами, происходящими на Солнце, в атмосфере, магнитном поле и на поверхности Земли, особенно в периоды усиления сейсмичности. Для анализа использовались данные сейсмичности, характеристики фазовых портретов в процессах формирования динамических структур (ячеек Бенара) в «сейсмической среде», на Солнце и в атмосфере. Рассмотрена общая картина перехода системы из стабильного состояния в нестабильное посредством предельного седлового цикла, с учетом влияния атмосферного аттрактора.
Заключение.
Предложена гипотетическая схема взаимодействия сложных процессов в открытой системе Солнце-Земля-Атмосфера, приводящая к формированию динамической структуры (ячеек Бенара) и моделирующая возникновение очага землетрясения. Установлен гипотетический аттрактор такого взаимодействия, учитывающий фазовые переходы системы из устойчивого состояния в неустойчивое (см. рис. 4). Предполагается, что подобная картина соответствует формированию очага землетрясения под воздействием конвективных процессов и внешних источников энергии. Полученные результаты указывают на тесную взаимосвязь процессов, происходящих на Солнце, в атмосфере и магнитном поле. Наличие такой взаимосвязи подтверждает детерминированность организации сейсмических событий и позволяет предположить существование определенных предвестников землетрясений. Дальнейший поиск таких предвестников должен основываться на анализе ключевых параметров самосогласованной системы, включающей Солнце, Землю и атмосферу. Гипотетические научные теории и модели позволяют установить связь между глобальными процессами и получить ценные практические результаты.
Рецензии:
9.04.2025, 16:00 Ашрапов Улугбек Товфикович
Рецензия: В статье "СВЯЗЬ КОНВЕКТИВНЫХ ПРОЦЕССОВ И СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ В ПЕРИОДЫ ПОВЫШЕННОЙ СЕЙСМИЧНОСТИ ЗЕМЛИ" автором рассматривается связь конвективных процессов (теплообмена атмосферы) и солнечной активности с периодами повышенной сейсмичности Земли, что позволяет предположить существование определенных предвестников землетрясений. Однако, выдвинутая автором научная гипотеза и разработанная модель нуждаются в дальнейшем изучении. Из литературы известно, что существует корреляция между солнечными циклами и сейсмической активностью Земли. В своем исследовании авторы использовали как древние записи, так и сейсмичность между 1950 и 2010 годами. По мнению авторов, возможной связью между солнечной активностью и возникновением землетрясений является магнитное поле Земли, которое изменяется по форме в соответствии с солнечными циклами и, таким образом, оказывает давление на земную кору. [https://www.researchgate.net/publication/249993746_Does_the_sun_trigger_earthquakes]. Статью "СВЯЗЬ КОНВЕКТИВНЫХ ПРОЦЕССОВ И СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ В ПЕРИОДЫ ПОВЫШЕННОЙ СЕЙСМИЧНОСТИ ЗЕМЛИ" рекомендую к публикации в журнале SCI-ARTICLE.RU.
18.04.2025, 11:52 Литовченко Ирина Николаевна Отзыв: Спасибо Вам за рецензию. |