Механизм активной жизни Земли и других небесных тел: приложения в науках о Земле и планетных науках Barkin Yu. V

(Sternberg Astronomical Institute at Moscow Lomonosov State University, Moscow)

Запас тепловой энергии обычно связывается с энергией, приобретенной планетой в период ее аккреции, а также вследствие дифференциации Земли на оболочки и выделения ядра, которое имело место не позднее первых ста миллионов лет существования нашей планеты. Третьим источником внутренней тепловой энергии планеты является естественная радиоактивность многих из слагающих ее элементов (уран, торий, рубидий, стронций и др.). Четвертый источник связан с гравитационным влиянием Луны и Солнца, порождающим приливы в океане и литосфере, диссипация которых также сопровождается переходом механической энергии в тепловую [1]. Но указанные источники тепловой энергии (кроме приливной диссипации) могут приводить лишь к монотонным изменениям активности тех или иных природных процессов и совершенно неспособны объяснить наблюдаемые изящные и энергичные циклические вариации активности природных процессов по весьма широкому спектру и в различных шкалах времени от часов до сотен миллионов лет. Кроме того, в современную эпоху все эти процессы характеризуются предельно слабой энергетикой, составляющей несколько процентов от наблюдаемой. Механизм приливного возбуждения активности указанных небесных тел может претендовать в лучшем случае на малую часть в их энергетике в 1-3% от наблюдаемых значений. По современным данным радиактивное тепло дает еще меньшие вклады в энергетику указанных небесных тел. К сожалению указанные тепловые источники не способны объяснить ни одну из наблюдаемых цикличностей природных процессов. Также они не могут объяснить явление повышенной активности тектонических и иных природных процессов в полярных регионах Земли и других тел солнечной системы, явление инверсии природных процессов и физических полей по отношению к северному и южному полушариям планеты. Например, такие явления, как: гейзеры на южном полюсе Энцелада, полярная асимметрия атмосферных процессов на Марсе, Венере и Титане, полярная асимметрия в проявлении в прошлом вулканической активности на Меркурии, в распределении скарпов на Меркурии и Луне, медленное перераспределение в современную эпоху водных (флюидных) масс из южного полушария в северное полушарие на Земле и Марсе, на Титане и Энцеладе и других телах солнечной системы.

Все указанные явления получают полные объяснения на основе геодинамической модели автора – модели вынужденных колебаний ядра и мантии Земли (планеты) под действием гравитационного притяжения окружающих небесных тел [2]. Вынужденные колебания ядра и мантии, их относительные смещения приводят к деформациям всех слоев мантии, а в силу их диссипативных свойств к циклическим преобразованиям упругой энергии и к циклическим вариациям запасенной тепловой энергии [2]. Особо активной оболочкой (буферной зоной) при этих колебаниях и термодинамических преобразованиях подошвы мантии являются нижние слои оболочки между ядром и мантией, на активность которой указывали известные ученые геологи и геофизики Л.П. Зоненшайн, М.И. Кузьмин [3], А.А. Маракушев [4], А.Ф. Летников [5], Н.Л. Добрецов и А.Г. Кирдяшкин [6] и др. Здесь, согласно нашей модели, диаметрально-противоположно по отношению к центру планеты расположены зоны плавления и затвердевания материалов, слагающих подошву мантии, циклически меняющие свои свойства и размеры под действием натисков ядра, принуждаемого к этому внешними небесными телами. Выполненные расчеты показали, что в преобразованиях и аккумуляции флюидных масс участвуют исключительно грандиозные запасы энергии, на несколько порядков большие по сравнению с приливной диссипацией энергии. Колебания ядра и мантии проявляются в их малых относительных трансляционных смещениях (в колебаниях их центров масс), в относительных прокручиваниях и поворотах, которые сопровождаются выделением больших количеств тепловой энергии, термодинамическими и механическими изменениям подошвы мантии. В этом аспекте выводы, полученные в работах акад. А.А. Маракушева и Ф.А. Летникова [4], [5], получают дополнительные обоснования, поскольку в нашей работе указывается источник энергии, которым служат внешние небесные тела, их вращательная и орбитальная энергия [2]. Современные данные космической геодезии свидетельствуют, что центр масс Земли совершает вековой тренд по направлению к полуострову Таймыр со скоростью 5-6 мм/год и циклические колебания с широким спектром частот и известными астрономическими периодами и амплитудами около 5-20 мм [7]. Указанный дрейф и колебания центра масс Земли согласно нашей геомодели в основном обусловлены однонаправленными смещениями избыточной массы ядра Земли, составляющей около 17 масс Луны, по отношению к мантии. В силу специфики указанных смещений должна наблюдаться определенная планетарная асимметрия во всех природных процессах и изменениях физических полей и должно широко проявляться универсальное явление инверсии природных процессов по отношению к полушариям планеты, для которых, активность процесса усиливается в одном полушарии (например, северном ) и ослабевает в противоположном [2]. Сказанное относится к планетам и спутникам нашей солнечной системы и другим планетным системам, а также к звездам с планетами [2].

Важные исследования проведены в последнее время по дегазации Земли и флюидному режиму верхних оболочек Земли. Показана роль флюидов при преобразовании мантийного вещества и роль дегазации Земли во всех тектонических процессах на всех стадиях развития Земли [4]. По А.А. Маракушеву эндогенная активность Земли стимулируется потоками богатых водородом флюидов, восходящих из ее жидкого ядра в течении более чем 4.6 млрд лет и коррелируется со спецификой магматизма, метаморфизма, рудообразования и катастрофами на поверхности Земли [4]. Флюидная адвекция, то есть подъем с больших глубин флюидов (газа и паров жидкости) или материала, насыщенного флюидами, является наиболее активным процессом. Согласно работам Ф.А. Летникова [5] этот механизм не имеет практически ограничений, подъем флюидов происходит по ослабленным зонам или путем просачивания их сквозь мантийное вещество. Наша геомодель вынужденных колебаний и смещений ядра и мантии Земли фактически указывает на механический источник энергии небесно-механической природы. Она указывает на механизм который направляет смещения ядра и мантии трансляционного характера и прокручивания на границах указанных оболочек, которые приводят к выделению огромной тепловой энергии [10]. Механизм направляет и контролирует описанную флюидную деятельность Земли в ходе ее эволюции и вообще в произвольных шкалах времени. Через которую оказывается влияние, возбуждение и вариации активности природных процессов.

В работе обсуждаются основы геодинамической модели возбуждения системы оболочек Земли внешними небесными телами и ее приложения в науках о Земле и других небесных тел. Показано, что основными факторами возбуждения системы оболочек (в первую очередь ядра и мантии планеты) являются эксцентричность в положении ядра относительно мантии и эллипсоидальная форма (несферичность) оболочек. Указанная эксцентричность в положении оболочек напрямую связана с эксцентричным положением центра масс небесного тела, которое четко наблюдается методами спутниковой геодезии у Земли (1.1), Меркурия (0.6), Венеры (1.5), Марса (3.3), Титана (0.3), Луны (1.9), Фобоса (1), Амальтеи (2) и других тел солнечной системы (в скобках указаны смещения центра масс небесного тела относительно геометрического центра его фигуры в километрах). При наличии эксцентричности оболочек планеты эффективно проявляют себя свойства неинерциальности, которые передаются через особенности движения барицентра солнечной системы по отношению к центру масс Солнца. Вследствие этого все планеты и Солнце, активно участвующие в смещениях барицентра солнечной системы, дают определенные вклады в возбуждение активности всех природных процессов на планетах и спутниках. Этот механизм определяет единство, синхронность, цикличность природных процессов на всех телах солнечной системы, энергетику их высокой эндогенной активности, но наведенной из вне (в случае Земли это в первую очередь со стороны Луны, Солнца и планет), высокую тектоническую и природную активность полярных регионов многих небесных тел и свойства инверсии этой активности. В результате применения разрабатываемой геомодели получает объяснение корреляции в движениях барицентра Солнечной системы относительно центра масс Солнца с вариациями сейсмической и вулканической активности Земли по данным наблюдений за последние 300-400 лет [8].

На основе разрабатываемой геодинамической модели получили динамическую интерпретацию особенности деформаций океанской и континентальной литосферы, обусловленные вековым дрейфом ядра Земли в северном направлении [9]; северные составляющие полярных смещений литосферных плит [10]; сжатие северного полушария Земли и расширение ее южного полушария; соответствующие вековые укорачивания широтных кругов в северном полушарии и удлинения широтных кругов в южном полушарии. Контрастный характер тектоники полушарий Земли, ее магматической деятельности, глобального сейсмического процесса, контрастный асимметричный характер тепловых потоков и потерь тепла через поверхность северного и южного полушарий и др. [2].

Впервые даны объяснения наблюдаемым неприливным вариациям силы тяжести на 8 ведущих гравиметрических станциях мира [7]. Решены проблемы о неприливном механизме ускорения осевого вращения Земли и о вековом дрейфе полюса оси вращения планеты [11]. В работе приводится обзор и анализ указанных проблем, а также новых явлений и дается их динамическая интерпретация с позиций развиваемой геодинамической модели и указываются перспективные направления будущих исследований в науках о Земле.
Литература
[1] Хаин В.Е. (2010) Об основных принципах построения подлинно глобальной модели динамики Земли. Геология и геофизика, т. 51, № 6, с. 753-760.

[2] Баркин Ю.В. (2002) Объяснение эндогенной активности планет и спутников и ее цикличности. Известия секции наук о Земле Российской академии естественных наук. М., ВИНИТИ. Вып. 9. С. 45-97.

[3] Зоненшайн Л.П., Кузьмин М.И. (1993) Палеогеодинамика. М., Наука, 192 с.

[4] Маракушев А.А. (1999) Происхождение Земли и природа ее эндогенной активности. –М.: Наука, 255 с.

[5] Летников Ф.А. Сверхглубинные флюидные системы Земли. Науки о Земле. РФФИ.

[6] Добрецов H.Л, Кирдяшкин А.Г. (1994) Глубинная геодинамика. 1-е изд. Новосибирск, Изд-во СО РАН. 299 c.

[7] Баркин Ю.В. (2010) Дрейф центра масс Земли и вековые вариации силы тяжести // Геофизические исследования. Том. 11. Спецвыпуск. P. 18-31.

[8] Белов С.В., Шестопалов И.П., Харин Е.П., Соловьев А.А., Баркин Ю.В. (2010) Вулканическая и сейсмическая активность Земли: пространственно-временные закономерности и связь с солнечной и геомагнитной активностью // Новые технологии. Физика. Т2. N2, С. 3-12.

[9] Гончаров М.А., Разницин Ю.Н., Баркин Ю.В. (2010) Особенности деформации океанской и континентальной литосферы как свидетельство северного дрейфа ядра Земли // Научная конференция "Ломоносовские чтения-2010". Секция "Геология": Тезисы. М.,  2010.

[10] Barkin Yu.V. (2000) Kinematical regularities in plate motion // Astronomical and Astrophysical Transactions. 2000. Vol. 18. Issue 6, P. 763-778.

[11] Barkin Yu.V., Ferrandiz J.M. (2003) Unity of rhythms of Earth rotation, gravity and geodesy variations and their nature. Proceedings of Symposium of IAG Subcommission for Europe “European Reference Frame - EUREF 2003” (4-7 June 2003, Toledo, Spain). 2003. http://www.euref-iag.net/symposia/ book2003/7-03-Barkin.pdf.