СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ И ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ ВНУТРЕННЕГО ЯДРА ЗЕМЛИ
METHOD FOR DETERMINATION OF ATTITUDE POSITION AND PARAMETERS OF INNER CORE MOTION

Изобретение относится к физике Земли и тем областям науки и техники, которые связаны с процессами в различных сферах Земли, начиная от ее ядра, мантии, земной коры, гидросферы, атмосферы, ионосферы и ближнего космического окружения, в том случае, если эти процессы обусловлены суточным или годовым вращением Земли, его ядра или с эффектами нарушения ритмичности такого движения.
Среди способов глубинного зондирования строения Земли известны способы, основанные на трех основных физических принципах: измерении прохождения сейсмических волн (сейсмологические), измерении силы тяжести (гравиметрические), и способы, основанные на измерении геомагнитного поля Земли (магнитометрические) (см. Авсюк Ю.Н., Адушкин В.В., Овчинников В.М. Комплексное исследование подвижности внутреннего ядра Земли. Физика Земли, 2001, №8, с.64-75). Однако эти способы имеют ряд существенных недостатков. Так сейсмический принцип изучения глубинного строения Земли ограничен быстрым затуханием сейсмического сигнала при его распространении внутри Земли. Поэтому применение сейсмических способов возможно только в случае использования сейсмических волн, вызванных очень сильными (катастрофическими) землетрясениями, либо путем анализа прохождения сейсмических волн, созданных взрывами, соизмеримыми по мощности с мощностью ядерных взрывов (см. Zhang J., Song X., Li Y., Richards P. G., Sun X., Waldhauser F. Inner Core Differential Motion Confirmed by Earthquake Waveform Doublets // Science. 2005, V.309. P.1357-1360).
Поскольку в настоящее время действует мораторий на испытания ядерного оружия, то возможность искусственного возбуждения земной коры для выполнения поставленной задачи исключается. Катастрофические же землетрясения на земном шаре происходят, в среднем, не чаще, чем один раз в 10 лет. Поэтому использование сейсмического способа для периодического и, тем более, непрерывного контроля движения ядра земли невозможно.
-8
Гравиметрические методы контроля теоретически позволяют обнаружить изменения силы тяжести, вызванные движением ядра Земли, поскольку удельная плотность вещества твердого внутреннего ядра превышает плотность его жидкого внешнего окружения. Однако на практике чувствительность гравиметрических методов ограничена изменениями силы тяжести, вызванными приливными деформациями земной поверхности и относительными деформациями, связанными с изменениями атмосферного давления в пункте наблюдения (порядка 10). Такой чувствительности недостаточно для обнаружения процессов, вызванных движением ядра.
Геомагнитные поля для выявления месторасположения ядра Земли неприменимы, поскольку отсутствует точная и доказанная теория происхождения геомагнитного поля Земли.
Можно констатировать, что в настоящее время мировая наука и техника не способна определить пространственное положение и параметры движения ядра Земли в нужный момент времени.
Наиболее близким техническим решением этой задачи является способ прогноза землетрясений (патент РФ №2238575, МПК G01V 9/00).
В данном способе для прогноза землетрясений и контроля за ритмами движения земной коры используют синхронные измерения интенсивности естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИМПЗ) в нескольких пунктах контролируемого региона, измерения полей в каждой точке ведут не менее чем в двух различных направлениях приема сигналов. Однако в данном способе не ставится задача определения пространственного положения и параметров движения ядра Земли, и не показано, каким способом она может быть решена.
Задачей изобретений является определение пространственного положения и параметров движения внутреннего ядра Земли.
Поставленная задача решена за счет того, что в способе определения пространственного положения и параметров движения внутреннего ядра Земли, так же как и в прототипе, проводят измерения естественного импульсного электромагнитного поля Земли в различных пунктах земной поверхности, при этом измерения в каждой точке ведут не менее чем в двух различных направлениях приема сигналов, а чувствительность регистрирующих станций выбирают в соответствии с местными геофизическими условиями таким образом, чтобы регистрируемая станциями интенсивность полей была близка по своим значениям к интенсивности типичного суточного хода естественного импульсного электромагнитного поля Земли. Согласно изобретению по каждому направлению приема сигналов регистрируют момент прихода, амплитуду и форму импульсов естественного импульсного электромагнитного поля Земли, по амплитуде, форме и числу импульсов очищают сигнал от импульсов нелитосферного происхождения и флуктуационных выбросов непериодического характера, как на стадиях регистрации сигнала, так и на стадиях последующей статистической обработки результатов измерений. Далее по суточным вариациям очищенных и сглаженных полей определяют геометрическое положение центра возмущения полей относительно геометрического центра планеты. Считают, что найденный центр возмущения является геометрическим центром ядра Земли в данные сутки. Сравнивают положение центра ядра Земли в различные сутки и по изменению положения центра ядра относительно центра Земли судят о параметрах его поступательного движения, а по изменению формы суточных ходов, спектральным характеристикам зарегистрированных временных рядов судят о параметрах движения и вращения ядра.
Высокая чувствительность предложенного способа к процессам внутри Земли достигается тем, что для обнаружения деформаций земной коры, так же как и в прототипе, используются естественные процессы механоэлектрических преобразований энергии в массивах горных пород в условиях их естественного залегания. Очевидно, что чем больше деформации земной коры, тем интенсивнее в ней процессы преобразования энергии, тем больше энергия и интенсивность возникающего потока электромагнитных импульсов из литосферы. Таким образом, приемник импульсного электромагнитного поля, установленный в некоторой географической точке земной поверхности, можно рассматривать как датчик деформаций земной коры в пункте расположения этого приемника.
-11
Большой объем массива горных пород, с которого принимается естественное импульсное электромагнитное поле, обеспечивает стабильность такого природного преобразователя энергии и его высокую чувствительность к глобальным процессам внутри Земли. Чувствительность такого способа к изменению относительных деформаций земной коры может достигать 10, что на три порядка превышает чувствительности современных гравитационных и деформационных методов контроля (Малышков и др. Влияние литосферных процессов на формирование импульсного электромагнитного поля Земли. Прогноз землетрясений. // Вулканология и сейсмология, 1998, №1, с.92-105).
Возможность определения пространственного положения ядра основывается на следующем:
Движение внутреннего твердого ядра внутри Земли происходит в замкнутой сферической полости расплава жидкого ядра. Расплав имеет очень высокий удельный вес и определенную ненулевую вязкость. Ядро массивно и инерционно. Следовательно, ядро не может очень быстро изменять скорость своего вращения или поступательного движения. Поэтому, при анализе суточных вариаций параметров ЕИЭМПЗ в некотором пункте наблюдений можно утверждать, что за анализируемые сутки геометрическое положение ядра внутри Земли и параметры его вращения практически не изменяются.
Сущность предлагаемого способа можно пояснить на примере мяча, накачанного воздухом. Если изнутри мяча надавливать на некоторую точку его оболочки, то форма мяча изменится. Снаружи, в точке воздействия возникнет выпуклость. Чем сильнее давление изнутри (больше удаление точки воздействия от центра мяча), тем больше будет эта выпуклость. Если двигать точку воздействия внутри мяча, то и на внешней поверхности возникшая выпуклость начнет перемещаться вслед за движением внутренней точки воздействия. Таким образом, находясь снаружи и отслеживая изменение «фигуры» мяча, можно судить как о радиальном, так и поверхностном перемещении точки воздействия внутри мяча.
Подобное воздействие создает на оболочке Земли внутреннее ядро, при его смещении относительно геометрического центра планеты. В отличие от приведенного примера перемещается не точка воздействия, а оболочка планеты, вращается относительно малоподвижного смещенного ядра. В течение суток оболочка совершит один оборот, и картина деформаций оболочки для наблюдателя, находящегося в некоторой точке поверхности Земли, начнет повторяться. Возникает суточная периодичность. Небольшая разница между предыдущими и текущими сутками появится в результате того, что в течение года ядро медленно меняет свое положение внутри земли. Незначительные изменения в положении ядра, произошедшие за истекшие сутки, слегка изменят распределение напряжений внутри Земли. Поэтому на следующие сутки показания прибора, регистрирующего интенсивность сигналов ЕИЭМПЗ, будут чуть-чуть отличаться от предыдущих. Эта разница и будет отражать характеристики движения ядра за прошедшие сутки. Внутри одних суток показания прибора в различные часы будут также различаться. Вращаясь вместе с оболочкой земли, участок территории, на котором расположен прибор, в течение суток будет то приближаться, то удаляться от смещенного ядра. Максимальное растяжение земной коры (максимальная интенсивность регистрируемого потока импульсов) внутри одних суток будет регистрироваться в те часы, когда наша точка наблюдения, вследствие суточного вращения оболочки Земли, максимально приблизится к смещенному ядру. Следовательно, по времени проявления максимального сигнала можно судить о направлении смещения ядра относительно центра планеты в астрономической системе координат. Суточные вариации ЕИЭМПЗ, представленные в полярных координатах, можно рассматривать как некоторую эпюру напряжений (деформаций) в относительных единицах, созданных ядром на широте расположения станции наблюдения. Анализируя форму эпюры напряжения, можно решить обратную задачу: по эпюре напряжений (деформаций) восстановить точку и направление воздействия, величину силы, действующей на оболочку. Затем, исходя из этого определить, в каком направлении астрономической системы координат смещено ядро, насколько велико такое смещение, как изменяются эти параметры в течение времени. Точное решение обратных задач подобного типа, а именно расчет возмущающего воздействия по созданным им деформациям является предметом теоретической механики и выполняется в рамках сферической геометрии. Ниже приводится пример приближенного решения этой задачи графическим способом.
Кроме воздействия ядра, земная кора подвергается также воздействию ряда других факторов, которые при решении поставленной задачи являются мешающими. К таким помехам можно отнести, например деформации, обусловленные приливными движениями земной коры, или деформации за счет изменения атмосферного давления, температуры воздуха, процессов подготовки и протекания землетрясений, взрывами и т.д. Помехой являются также электромагнитные импульсы атмосферного происхождения (атмосферики), создаваемые местной и тропической грозовой активностью, импульсы техносферного происхождения.
Задача выделения «полезного» сигнала, связанного с движением ядра Земли, в данном изобретении решена методическими средствами и статистической обработкой результатов измерений.
В методическом плане выделение полезного сигнала решено традиционными методами накопления и частотной селекцией. Наиболее простой способ накопления полезной информации и удаления случайных процессов - это увеличение числа регистрирующих станций, расположенных на достаточно большом расстоянии друг от друга. В каждом отдельном пункте наблюдений приливные, атмосферные, сейсмотектонические и т.п. помехи имеют свои пространственно-временные параметры, тогда как деформации земной коры, вызванные движением ядра, в любой точке наблюдения будут обусловлены действием одного и того же объекта - смещенного ядра Земли. Наиболее оптимальной является схема с достаточно равномерным размещением регистрирующих станций по всей поверхности земного шара. Разнос системы станций по долготе обеспечивает более точное определение направления смещения ядра в астрономической системе координат, а наличие разнесенных станций по широте, более точное определение величины смещения ядра в Северное или Южное полушарие. Статистическая обработка результатов измерений с учетом показаний каждой станции с учетом их географических координат позволяет полностью устранить ошибки, связанные со всеми вышеперечисленными мешающими факторами. Поэтому хорошо продуманная система расположения станций позволит уже по результатам одних суток измерений рассчитать все среднесуточные параметры движения ядра и координаты его местонахождения внутри Земли. При наличии небольшого числа станций или даже одной станции наблюдения за электромагнитными полями Земли поставленная задача может быть решена, но, соответственно уменьшается точность решения, находятся некоторые средние значения параметров движения ядра, например, среднемесячные или среднедекадные относительные координаты ядра, среднемесячные значения относительной скорости движения ядра и т.д.
Для расширения возможностей предложенного способа также использованы способы спектрального анализа полученных временных рядов. В большинстве случаев мешающие факторы либо не имеют строгой суточной и годовой периодичности, либо имеют набор основных частот, отличных от частот, создаваемых перемещающимся и вращающимся ядром. Исключение могут составлять приливные силы, которые так же как и воздействие ядра связаны с процессами взаимного вращения Земли, Луны и Солнца. Однако приливные силы создают растягивающий приливный выступ, тогда как процессы движения ядра будут создавать объемную картину перераспределения гидростатического давления внутри области жидкого ядра, а следовательно, иную картину деформаций земной поверхности.
Таким образом, заявляемый способ позволяет получать информацию о движении ядра Земли, недоступную другим известным способам. Полученная с помощью предложенного способа информация может быть использована и для последующей оценки свойств жидкого расплава, окружающего внутреннее ядро Земли, и строения нижней мантии. Эта информация также недоступна для существующих методов геофизического изучения глубинного строения Земли.
На фиг.1 показана блок-схема устройства, позволяющего реализовать рассматриваемый способ определения пространственного положения и параметров движения внутреннего ядра Земли.
На фиг.2 представлена блок-схема одного из каналов устройства.
На фиг.3 приведены типичные суточные изменения интенсивности ЕИЭМПЗ (январь-июнь).
На фиг.4 - то же, для июля-декабря месяцев.
На фиг.5 - пример очистки данных от случайных выбросов и сглаживание.
На фиг.6 - усредненные за 1997-2004 годы и сглаженные суточные вариации ЕИЭМПЗ в полярных координатах.
2
На фиг.7 показан пример определения положения центра возмущения Ографическим способом.
На фиг.8 приведена трасса движения ядра внутри Земли в течение года (вид со стороны полюса).
На фиг.9 показаны основные спектральные характеристики механических напряжений в земной коре, создаваемых ядром Земли, рассчитанные по временным вариациям ЕИЭМПЗ.
Рассмотрим примеры получения информации о движении ядра Земли с помощью предлагаемого метода.
Измерения естественного импульсного электромагнитного поля Земли проводили по двум направлениям приема сигнала (север-юг и запад-восток) в диапазоне очень низких частот в Прибайкалье. Географические координаты пункта наблюдения: широта 51,68°; долгота 103,64°. Дискретность замеров составляла 10 секунд.
Способ был реализован с помощью регистратора «МГР-01» [многоканальный геофизический регистратор "МГР-01", сертификат №24184, зарегистрирован в государственном реестре средств измерений под №31892-06, руководство по эксплуатации].
Устройство (фиг.1) содержит приемники естественного импульсного электромагнитного поля Земли 1 (приемник С-Ю), 2 (приемник З-В) и 3 (Е-приемник), блок сбора и предварительной обработки сигналов 4, содержащий каналы для приема магнитной компоненты сигнала (Н-каналы) в направлении север-юг 5 (Н-канал С-Ю) и запад-восток 6 (Н-канал З-В), канал для приема электрической компоненты 7 (Е-канал), устройство управления 8 и компьютер 9.
Выходы приемников поля 1 (С-Ю), 2 (З-В) и 3 (Е-приемник) подключены к соответствующим каналам устройства 5 (Н-канал С-Ю), 6 (Н-канал З-В), 7 (Е-канал), которые в свою очередь подключены к устройству управления 8, связанному с компьютером 9.
В качестве приемников поля 1 (С-Ю), 2 (З-В) использовались магнитные ферритовые антенны, принимающие сигнал в диапазоне очень низких частот по двум преимущественным направлениям приема (север-юг и запад-восток). Приемник электрической компоненты поля 3 (Е-приемник) выполнен в виде дифференциального емкостного датчика, состоящего из двух проводящих пластин.
Каждый канал (фиг.2) содержит последовательно соединенные предварительный усилитель 10 (ПУС), первый аттенюатор 11 (АТТ 1), первый усилитель 12 (УС 1), полосовой фильтр 13 (ПФ), второй аттенюатор 14 (АТТ 2), второй усилитель 15 (УС 2), повторитель 16 (ПОВТ) и управляющий микроконтроллер 18. Второй усилитель 15 (УС 2) также подключен через компаратор 17 (КОМП) к управляющему микроконтроллеру 18, который подключен к аттенюаторам 11 (АТТ 1), 14 (АТТ 2) и компаратору 17 (КОМП). К управляющему микроконтроллеру 18 подключены буфер последовательного порта 19 (БПП) и буфер шины управления 21 (БШУ), как напрямую, так и через дешифратор адреса 20 (ДА). Приемник 1 подключен к входу предварительного усилителя 10 (ПУС).
Предварительный усилитель 10 (ПУС) может быть реализован на микросхеме ОР184. Аттенюаторы 11 (АТТ 1) и 14 (АТТ 2) реализованы на микросхеме AD7528LR. Усилители 12 (УС 1) и 15 (УС 2) реализованы на микросхеме ОР184. Полосовой фильтр 15 (ПФ) может быть выполнен на микросхеме ОР184. Повторитель 16 (ПОВТ) может быть выполнен на микросхеме ОР184. Компаратор 17 (КОМП) реализован на микросхеме AD8561. В качестве управляющего микроконтроллера 18 использован микроконтроллер типа ADuC841BS. Буфер последовательного порта 19 (БПП) и буфер шины управления 21 (БШУ) реализованы на микросхеме 74АС244. Дешифратор адреса 20 (ДА) реализован на микросхеме 74АС139. Каналы 5, 6, 7 устройства реализованы аналогичным образом.
Устройство работает следующим образом.
Импульсные электромагнитные поля, генерируемые массивом горных пород в районе расположения устройства, принимаются приемниками сигналов 1, 2, 3, поступают на входы соответствующих каналов, где происходит фильтрация импульсов в определенной полосе частот, а также по их амплитуде, суммирование числа импульсов за заданный промежуток времени. Компьютер 9 управляет работой всего устройства через устройство управления 8 с помощью специализированной программы. С клавиатуры компьютера осуществляется настройка устройства на оптимальные параметры перед началом измерений, а в процессе измерений считывается и сохраняется в файле регистрируемая каналами информация.
Устройство управления 8 через последовательный интерфейс типа RS-232 или RS-485 осуществляет прием/передачу данных между компьютером 9 и блоком сбора и предварительной обработки 4, синхронизирует работу всех измерительных каналов с помощью часов реального времени DS1685. Устройство управления 8 также программирует параметры усилительных трактов, считывает цифровые данные из каналов в буферную память устройства управления.
Таким образом, в памяти компьютера 9 формируется файл, содержащий следующую информацию: календарную дату и текущее время, номер канала, число импульсов, пришедших на данный канал за один дискрет времени (1 сек, 10 сек, 1 мин и т.п., устанавливается оператором перед началом измерений), амплитуду первого импульса, пришедшего на данный канал в данный дискрет времени, а также 128 оцифрованных значений формы первого импульса, зарегистрированного в данный дискрет времени.
Сортировка регистрируемых приемником сигналов по их частоте и амплитуде, удаление сигналов, выходящих за рамки заданных параметров, происходит внутри каждого из каналов устройства уже на стадии их регистрации (фиг.2). Вначале сигнал с приемника поля 1 поступает на предварительный усилитель 10 (ПУС), где происходит согласование по сопротивлению приемника с аттенюатором 11 (АТТ 1). В аттенюаторе 11 (АТТ 1) происходит уменьшение амплитуды сигнала с сохранением его формы. Величина ослабления может ступенчато регулироваться в процессе настройки станции (256 ступеней ослабления). Установку нужной ступени ослабления сигнала выполняет управляющий микроконтроллер 18 по команде с компьютера 9. Команду дает оператор в процессе настройки устройства. После усиления усилителем 12 (УС 1), аналоговый сигнал поступает на вход полосового фильтра 13 (ПФ), который пропускает только сигнал в заданной полосе частот. Далее аналоговый сигнал в нужной полосе частот поступает на второй каскад усиления, состоящий из аттенюатора 14 (АТТ 2) и усилителя 15 (УС 2). Их работа аналогична работе блоков 11 (АТТ 1), 12 (УС 1). С выхода усилителя 15 (УС 2) усиленный и отфильтрованный аналоговый сигнал разделяется и поступает на два блока: 16 (ПОВТ) и 17 (КОМП). Компаратор 17 (КОМП) сравнивает амплитуду поступивших сигналов с величиной опорного напряжения и формирует на выходе прямоугольные импульсы, в случае, если поступившие сигналы превышают по амплитуде величину опорного напряжения. Регулировка опорного напряжения компаратора 17 (КОМП) производится с клавиатуры компьютера 9 при помощи управляющего микроконтроллера 18 на стадии настройки устройства. Регулировкой опорного напряжения удаляются импульсы с малой амплитудой. Они, как правило, представляют шумы аппаратурного происхождения, техногенные помехи, а также малоинформативные флуктуационные шумы природного происхождения. С компаратора 17 (КОМП) прямоугольные импульсы поступают на встроенные счетчики управляющего микроконтроллера 18. Счетчики обеспечивают подсчет числа импульсов, принятых приемниками в заданный дискрет времени. С выхода усилителя 15 (УС 2) усиленный и отфильтрованный аналоговый сигнал поступает также на повторитель 16 (ПОВТ), который предназначен для согласования выхода усилителя 15 (УС 2) с входом встроенного АЦП управляющего микроконтроллера 18. С помощью АЦП оцифровывается аналоговый сигнал измеряемого параметра ЕИЭМПЗ. Этот оцифрованный сигнал либо запоминается, либо определяется и запоминается амплитуда импульса. Таким образом, управляющий микроконтроллер 18 обеспечивает регистрацию текущего времени, числа импульсов, величины амплитуды и формы первого импульса, пришедшего на данный канал за данный дискрет времени. Далее цифровые данные запоминаются в буферной памяти устройства управления 8 и, по мере ее заполнения, считываются компьютером 9.
Для каждого типа канала имеется своя программа. Программа загружается во встроенное электрически перепрограммируемое ПЗУ управляющего микроконтроллера 18 через буфер последовательного порта 19 (БПП), что позволяет быстро менять алгоритмы забора и предварительной обработки данных. Процесс загрузки программы управляется шиной управления через буфер 21 (БШУ) и дешифратор адреса 20 (ДА).
Ритмичное движение земной коры, связанное с воздействием ядра, хорошо выявляется только при определенной оптимальной чувствительности станций.
Поэтому перед началом измерений осуществляли настройку устройства на оптимальную чувствительность. Чувствительность выбирали в соответствии с местными геофизическими условиями так, чтобы регистрируемая станцией интенсивность сигнала была близка по своим значениям к интенсивности "типичного" суточного хода (фиг.3, 4).
На фиг.3 показаны типичные суточные изменения интенсивности ЕИЭМПЗ (январь-июнь), полученные нами на основании многолетних наблюдений за вариациями ЕИЭМПЗ в Прибайкалье, на фиг.4 тоже (июль-декабрь).
При настройке чувствительности, после одного или нескольких часов работы регистратора «МГР-01», определяли среднечасовые значения интенсивности регистрируемого сигнала (количество импульсов, зарегистрированных за один час наблюдений). Полученные значения сравнивали с соответствующими значениями интенсивности на фиг.3, 4. Если зарегистрированная интенсивность была меньше, чем должна быть в соответствующий месяц года и соответствующий час измерений, то чувствительность устройства повышали, если больше - снижали. Повышение или снижение чувствительности устройства осуществляли с клавиатуры компьютера 9 путем изменения опорного напряжения на компараторе 17 (КОМП) и (или) путем изменения ступеней ослабления на аттенюаторах 11 (АТТ 1) и 14 (АТТ 2). Повторяя эту операцию, добивались, чтобы разница между измеряемыми и рекомендуемыми нами значениями интенсивности не отличалась более чем в два-три раза. После настройки регистратора на оптимальную чувствительность, запускали его на работу в непрерывном круглосуточном режиме измерений и вели длительные непрерывные измерения.
Далее полученную базу данных использовали для получения информации о положении ядра Земли и параметрах его движения.
С этой целью обработку базы данных проводили в следующей последовательности:
1. Использовали временные ряды числа импульсов, зарегистрированных устройством с 1997 по 2004 г.г. в Прибайкалье. Географические координаты пункта наблюдения: широта 51,68°; долгота 103,64°. Дискретность замеров составляла 10 секунд.
2. Находили суммарное число импульсов, зарегистрированных устройством за каждую минуту внутри суток. Для каждых суток строили зависимость интенсивности ЕИЭМПЗ (импульсы в минуту) от времени суток (фиг.5а).
3. Находили на графиках случайные выбросы. На фиг.5а таких выбросов три. Они превышают остальные значения интенсивности в десятки и сотни раз и не могут быть непосредственно связаны с очень медленным перемещением ядра. Поэтому такие выбросы удаляли или заменяли их средними значениями.
4. Строили суточные ходы интенсивности ЕИЭМПЗ, очищенные от случайных выбросов (фиг.5б), и сглаживали их скользящим окном по 60 точкам (фиг.5в).
В самом общем виде решение задачи определения местоположения ядра и параметров его движения должно осуществляться в рамках сферической геометрии по показаниям системы станций наблюдения, размещенных в различных точках земной поверхности. Поскольку мы не располагаем такой системой, приведем пример приближенного решения задачи по показаниям одной станции наблюдения. Для этого воспользуемся нашими многолетними данными наблюдений в Прибайкалье.
В течение суток стационарная станция, размещенная в средних широтах земного шара, будет делать один оборот над ядром, находящимся вблизи центра Земли. Следовательно, суточные вариации ЕИЭМПЗ, представленные в полярных координатах, можно рассматривать как некоторую эпюру напряжений (в относительных единицах), созданных ядром на широте расположения станции наблюдения. Поскольку ядро совершает годовое движение, то эта эпюра напряжений будет постепенно видоизменяться от месяца к месяцу (фиг.6). По окружности на фиг.6 отложены значения солнечного местного времени, а по радиусу - значения интенсивности полей в данное время суток. Для повышения точности производили усреднение результатов по нескольким годам наблюдений (1997-2004 г.г.) и сглаживание кривых по 60 минутам.
2
Такую эпюру напряжений можно описать кругом с минимальным радиусом R, внутри которого умещается наша кривая суточных вариаций ЕИЭМПЗ (фиг.7).
2
1
1
2
2
2
В таком приближении можно считать, что «возмущающий» источник, создающий напряжения в земной коре, располагается в точке О, а центр земного шара располагается в точке О. Радиус R показывает величину (в относительных единицах) и направление смещения центра возмущения (ядра) относительно геометрического центра планеты. Далее надо учесть, что в течение года ядро то приближается к широте точки наблюдения (Талой), то удаляется от нее в сторону Южного полушария. Об этом, в частности, свидетельствует повышение среднесуточных значений интенсивности ЕИЭМПЗ летом и их значительное уменьшение зимой. Ввести поправку на широтное изменение удаленности ядра можно, если пронормировать радиус R, сделать его одинаковым для всех сезонов года. После нормировки определим положение точки О для 36 декад года, аналогично тому, как мы это сделали для января месяца. Нанесем положение точек О в полярных координатах в виде графика (фиг.8). Так как расчеты сделаны по одной станции наблюдения, находящейся в Северном полушарии, то нами получена и изображена на фиг.8 плоская картина, вид на годовое движение ядра со стороны полюса.
Из фиг.8 можно сделать ряд важных выводов.
1. Твердое ядро Земли никогда не бывает в центре планеты. Наиболее близко оно подходит к геометрическому центру в апреле и сентябре.
Подчеркнем, что на фиг.8 мы видим проекцию орбиты на плоскость экватора. Поэтому говорить об удаленности ядра от геометрического центра планеты можно только с учетом этих оговорок.
2. Плоскость движения ядра перпендикулярна плоскости экватора и составляет 45° по отношению к направлению на Солнце (линия 0-12 часов солнечного местного времени) и к направлению годового орбитального движения Земли (линия 18-6 часов).
3. Трасса движения ядра несимметрична по отношению к геометрическому центру Земли. Наибольшие смещения ядра от центра наблюдаются в июле-августе и в феврале, причем смещения летом превышают февральские значения. Сопоставим полученные нами выводы с известными фактами нестабильностей вращения Земли.
Из представленной на фиг.8 трассы годового движения ядра видно, что во второй половине августа меняется направление движения ядра. Оно начинает как бы удаляться от Солнца, перемещаться в ночную часть земного шара под углом 45° к направлению на Солнце (линия 0-12 часов) и к направлению орбитального движения Земли вокруг Солнца (линия 18-6 часов солнечного местного времени). Смещающееся ядро будет создавать давление в окружающем его расплаве. Это давление можно разложить на две составляющие. Одна составляющая будет совпадать с орбитальным движением Земли в целом, а следовательно, увеличивать скорость движения Земли по орбите. Вторая составляющая будет направлена от Солнца, увеличивать радиус движения Земли относительно их средних значений. В конце февраля ядро достигнет своего второго крайнего значения, и процесс сменит направление. Ядро начнет тормозить движение Земли по орбите, снижать орбитальную скорость и уменьшать радиус эллиптической орбиты.
Сопоставим эти выводы с общеизвестными фактами. Так, максимальная скорость движения Земли по орбите наблюдается в перигелии (3 января) и составляет
-1
-1
30,287 км·с, а минимальная - в афелии (5 июля) 29,291 км·с.
Предлагаемый способ позволяет оценить угловые скорости вращения Земли. В качестве примера приведем расчет угловой скорости годового вращения твердого ядра Земли. Используем для этих целей методы спектрального анализа и имеющиеся в нашем распоряжении многолетние временные ряды измерений интенсивности ЕИЭМПЗ.
На фиг.9 показаны периодограммы, полученные по минутным значениям интенсивности. Использовался ряд экспериментально зарегистрированных значений интенсивности полей с 12 июня 1997 г. по 15 сентября 2002. Цифры над максимумами кривых - расчетные значения периодов в часах. Сплошными и пунктирными стрелками под фигурами и цифрами указаны приливные компоненты спектров, взятые из монографии Мельхиора [Мельхиор П. Земные приливы. / Под ред. Парийского A.M.: Мир, 1968, 482 с. (пер. с англ.)]. Сплошные стрелки - полосы приливов солнечного происхождения, пунктирные - лунные компоненты приливных волн.
Прежде всего, отметим совпадение всех полученных нами основных полос спектров ЕИЭМПЗ и известных в научной литературе солнечных компонент приливных волн. Этот факт подтверждает наше утверждение о связи ЕИЭМПЗ с вращением Земли. Неприливное происхождение ЕИЭМПЗ подтверждает отсутствие полос лунного происхождения. Из приведенных Мельхиором семнадцати главных волн лунного происхождения в полученных нами спектрах нет ни одной волны с близким периодом. В то же время все двенадцать указанных им волн солнечного происхождения присутствуют в спектрах ЕИЭМПЗ. Расхождение в периодах основных полос, полученных нами, и периодах приливных волн солнечного происхождения, указанных Мельхиором, наблюдается только в третьем, четвертом знаках. Столь хорошее совпадение полученных нами спектральных полос с литературными данными подтверждает правильность предложенного способа контроля взаимного перемещения ядра и оболочки Земли.
Дополнительно отметим, что годовые периоды ЕИЭМПЗ (фиг.9) составляют 364,09 суток, то есть на 1,16 суток меньше годового периода обращения Земли вокруг Солнца (365,25 суток). Таким образом, угловая скорость годового вращения ядра превышает угловую скорость вращения Земли на 1,1 градуса в год. Подчеркнем, что эти превышения скорости близки к значениям, рассчитанным по временам пробега сейсмических волн. Имеющиеся в литературе значения варьируют от 0,3 до 2,8 градуса в год (Zhang J., Song X., Li Y., Richards P.G., Sun X., Waldhauser F. Inner Core Differential Motion Confirmed by Earthguake Waveform Doublets // Science. 2005, V.309. P.1357-1360; Авсюк Ю.Н,. Адушкин В.В, Овчинников В.М. Комплексное исследование подвижности внутреннего ядра Земли, Физика Земли, 2001, №8, с.64-75).
Из фиг.8. также видно, что максимальные смещения ядра Земли относительно геометрического центра планеты наблюдаются в феврале и июле-августе. В этих крайних положениях процессы взаимодействия ядра и нижней мантии будут также максимальными. Следовательно, более быстрое угловое вращение ядра должно раскручивать вращение Земли.
Действительно, многолетние наблюдения за вращением Земли показывают, что именно в феврале и июле-августе угловая скорость вращения Земли достигает максимальных значений (Сидоренков Н.С.Физика нестабильностей вращения Земли. - М.: Наука, Физматлит, 2002, 384 с.).
Таким образом, все полученные нами сведения о местоположении твердого ядра с помощью предложенного нами способа и устройства совпадают с известными к настоящему времени данными о движении внутреннего ядра Земли и Земли в целом.