Простейшая модель эволюции магнитной и кинетической энергии геодинамо

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Уравнения индукции и импульса упрощены до динамической системы для кинетической и магнитной энергий в ядре Земли. Устойчивые стационарные точки этой системы дают геомагнитное поле ~ 10 мТл и косеканс угла между вектором магнитного поля и вектором скорости течения в среднем около 500 при известной скорости ~ 1 мм/сек и общепринятой динамо-мощности ~ 1 ТВт. При общеизвестном характерном геомагнитном времени порядка тысячи лет, получены гармонические вековые вариации порядка нескольких десятилетий и быстрые экспоненциальные изменения – порядка нескольких месяцев, возможно, связанные с джерками. Все это хорошо согласуется с теорией динамо, палеомагнитными реконструкциями, численным моделированием и непосредственными наблюдениями. Геомагнитная энергия ~ 10 мДж/кг на четыре порядка больше кинетической энергии. В условиях подобного доминирования магнитной энергии получено аналитическое решение, которое со временем сходится к устойчивым стационарным точкам. Обсуждаются, по-видимому, маловероятные катастрофы с практически обнуленной магнитной энергией вблизи частично устойчивых стационарных точек.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. В. Старченко

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: sstarchenko@mail.ru
Россия, Троицк

Список литературы

  1. Брагинский С.И., Магнитная гидродинамика земного ядра // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 4. № 5. С. 898−916. 1964.
  2. Водинчар Г.М. Использование собственных мод колебаний вязкой вращающейся жидкости в задаче крупномасштабного динамо // Вестн. КРАУНЦ. Физ.-мат. науки. Выпуск 2(7). С. 33–42. 2013. https://doi.org/
  3. Старченко С.В., Рузмайкин А.А. Кинематическое – турбулентное геодинамо средних полей // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 28. № 3. С. 475−490. 1988.
  4. Старченко С.В. Наблюдательная оценка магнитного поля и параметров геодинамо под поверхностью ядра Земли // Геомагнетизм и аэрономия. T. 55. № 5. С. 712−718. 2015. https://doi.org/10.7868/s0016794015050181
  5. Старченко С.В. Энергетические параметры геодинамо совместимые с аналитическими, численными, палеомагнитными моделями и наблюдениями // Физика Земли. № 5. С. 1−15. 2017. https://doi.org/10.7868/s0002333717050131
  6. Старченко С.В., Яковлева С.В. Двухвековая эволюция и статистика времен вариаций энергии потенциального геомагнитного поля // Геомагнетизм и аэрономия. T. 61. № 5. С. 661−671. 2021. https://doi.org/10.31857/s0016794021050138
  7. Старченко С.В., Смирнов А.Ю. Объемные токи современного магнитного диполя в ядре Земли // Физика Земли. № 4. С. 42-46. 2021. https://doi.org/10.31857/S0002333721040086
  8. Юшков Е.В., Соколов Д.Д. Инверсии геомагнитного поля и динамо-всплески в рамках простой модели геодинамо // Физика Земли. № 4. С. 121–126. 2018.
  9. Arneitz P., Leonhardt R., Egli R., Fabian K. Dipole and Nondipole Evolution of the Historical Geomagnetic Field From Instrumental, Archeomagnetic, and Volcanic Data // JGR Solid Earth. V. 126. issue 10 e2021JB022565. 2021. https://doi.org/10.1029/2021jb022565
  10. Aubert J. State and evolution of the geodynamo from numerical models reaching the physical conditions of Earth’s core // Geoph. J. Int. V. 235 (1). P. 468−487. 2023. https://doi.org/10.1093/gji/ggad229
  11. Aubert J., Finlay C.C. Geomagnetic jerks and rapid hydromagnetic waves focusing at Earth’s core surface // Nat. Geosci. V. 12. P. 393–398. 2019. https://doi.org/10.1038/s41561-019-0355-1
  12. Bouligand C., Gillet N., Jault D., Schaeffer N., Fournier A., Aubert J. Frequency spectrum of the geomagnetic field harmonic coefficients from dynamo simulations // Geoph. J. Int. V. 207. P. 1142–1157. 2016. https://doi.org/10.1093/gji/ggw326
  13. Braginsky S.I., Roberts P.H. Equations governing convection in the Earth’s core and the geodynamo // Geoph. Astroph. Fluid Dyn. V. 79. P. 1–97. 1995. https://doi.org/10.1080/03091929508228992
  14. Buffett B.A., Bloxham J. Energetics of numerical geodynamo models // Geoph. J. Int. V. 149. P. 211–224. 2002. https://doi.org/10.1046/j.1365-246x.2002.01644.x
  15. Christensen U., Aubert J., Hulot G. Conditions for Earth-like geodynamo models // Earth Planet. Sci. Lett. V. 296. P. 487–496. 2010. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2010.06.009
  16. Dumberry M., Mound J. Inner core–mantle gravitational locking and the super-rotation of the inner core // Geophys. J. Int. V. 181. P. 806–817. 2010. https://doi.org/10.1111/j.1365-246x.2010.04563.x
  17. Glatzmaier G.A., Roberts P.H. A three-dimensional convective dynamo solution with rotating and finitely conducting inner core and mantle // Phys. Earth Planet. Int. V. 91(1–3). P. 63–75. 1995.
  18. Gwirtz K., Morzfeld M., Fournier A., Hulot G. Can one use Earth’s magnetic axial dipole field intensity to predict reversals? // Geophys. J. Int. V. 225. P. 277–297. 2021. https://doi.org/10.1093/gji/ggaa542
  19. Jacobs J.A. The Earth’s core // Academic Press, London, New York, San Francisco. 1975.
  20. Krause F., Rädler K.-H. Mean-field magnetohydrodynamics and dynamo theory // Pergamon Press, Oxford. 1980.
  21. Lowes F.J. Possible evidence on core evolution from geomagnetic dynamo theories // Phys. Earth Planet. Int. V. 2. P. 382–385. 1970.
  22. Moffatt K.H., Dormy E. Self-exciting fluid dynamos // Cambridge texts in applied mathematics. Cambridge University Press, Cambridge. 2019. https://doi.org/10.1080/03091929.2019.1690203
  23. Shebalin J.V. Magnetohydrodynamic turbulence and the geodynamo // Phys. Earth Planet. Inter. V. 285. P. 59−75. 2018. https://doi.org/10.3390/fluids6030099
  24. Panovska S., Finlay C.C., Hirt A.M. Observed periodicities and the spectrum of field variations in Holocene magnetic records // Earth Planet. Sci. Lett. V. 379. P. 88–94. 2013. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2013.08.010
  25. Starchenko S.V. Analytic scaling laws in planetary dynamo models // Geoph. Astroph. Fluid Dyn. V. 113. № 1−2. P. 71−79. 2019. https://doi.org/10.1080/03091929.2018.1551531
  26. Starchenko S.V. Analytic base of geodynamo-like scaling laws in the planets, geomagnetic periodicities and inversions // Geomagnetism and Aeronomy. V. 54. № 6. P. 694–701. 2014. https://doi.org/10.1080/03091929.2018.1551531
  27. Starchenko S.V., Jones C.A. Typical velocities and magnetic field strengths in planetary interiors // Icarus. V. 157 (2). P. 426−435. 2002. https://doi.org/10.1006/icar.2002.6842
  28. Wicht J., Sanchez S. Advances in geodynamo modeling // Geoph. Astroph. Fluid Dyn., V. 113. № 1−2. P. 2−50. 2019. https://doi.org/10.1080/03091929.2019.1597074

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2024