Вековые вариации фигуры земли в современную эпоху

ВЕКОВЫЕ ВАРИАЦИИ ФИГУРЫ ЗЕМЛИ В СОВРЕМЕННУЮ ЭПОХУ

Государственный астрономический институт им.

при МГУ имени , Москва, Россия

(*****@***ru)

Введение

В работе обсуждаются планетарные изменения фигуры Земли в современную эпоху. На основе динамических исследований вынужденных относительных смещений ядра и мантии предсказаны контрастные (асимметричные) изменения северного и южного полушарий Земли. В частности предсказано явление удлинения широтных кругов южного полушария и укорочения длин широтных кругов северного полушария, явление расширения южного полушария и, соответственно, сжатие северного полушария по отношению к центру масс Земли. На основе современных данных космической геодезии указанные явления получили подтверждения. Были определены скорости изменения средних радиусов южного и северного полушарий и среднего радиуса всей Земли.

Изучается наблюдаемая планетарная тенденция вековых смещений (дрейфа) плит в северном направлении (северная компонента смещений литосферных плит). Показано, что одной из основных движущих сил в тектонике плит является гравитационное воздействие подвижного ядра Земли (его избыточной массы), смещающегося относительно мантии, на все слои мантии, а также на блоки коры и литосферные плиты. Показано, что при вековом дрейфе ядра к северу, по отношению к мантии, меняется не только радиальная составляющая силы притяжения Земли, но и северная составляющая. Она увеличивается при смещении ядра к северу и как бы “тащит” блоки литосферы и плиты к северу. В основе всех тектонических и геологических перестроек лежит механизм вынужденных относительных колебаний и раскачки ядра и мантии Земли в различных шкалах времени, включая геологическую. Для изучаемых здесь явлений в изменениях формы Земли главную роль играет вековой

дрейф ядра относительно мантии в северном направлении.

Механизм изменения грушевидной формы Земли

Согласно развиваемой геодинамической модели грушевидность фигуры планеты не является раз и на всегда данное ее свойство, как полагали ранее ученые, изучая грушевидные фигуры равновесия, а является динамическим откликом на медленные вынужденные относительные смещения ядра и мантии [1]. Чем больше относительные смещения ядра и мантии (эксцентричность ядра в некоторую эпоху), тем более ясно выражена грушевидность. Планета Марс обладает большой грушевидностью и по нашим оценкам ядро этой планеты смещено в северном направлении (к широте примерно 60º) на 20-25 км [2]. У Земли эксцентричность ядра меньше (оценки дают смещение около 3-4 км в сторону Бразилии [3]) и ее грушевидность значительно меньше.

Явление асимметричного удлинения широтных кругов южного и северного полушарий Земли

На рис. 1 иллюстрируется инверсионное удлинение широтных кругов Земли, установленное теоретически (левый рисунок) и явление контрастного и асимметричного удлинения широтных кругов в северном и южном полушариях Земли, установленного в результате анализа рядов спутниковых (GPS) наблюдений (правый). Левый график построен на основе аналитического решения задачи теории упругости о деформациях сферической однородной мантии Земли при вековом дрейфе ядра к северу [4].

На рис. 1 точками отмечены значения скорости для отдельных широт, полученные по спутниковым и РСДБ данным китайскими учеными. Левый график получен и представлен в докладе в ГАИШ МГУ 31 января 2005 (), правый график на основе данных GPS наблюдений получен совместно с Джином Шуангеном (17 ноября 2005) [5].

Рис. 1. Контрастное и асимметричное вековое изменение широтных кругов полушарий Земли. Примечание: По осям ординат указаны значения скорости удлинения в мм/год. По осям абсцисс указаны широты.

Рис. 2 дает схематическую иллюстрацию механизма формирования и эволюции грушевидной формы Земли, планет и спутников в сравнении с современной формой геоида. Левый график на рис. 2 соответствует аналогичному графику рис. 1 и иллюстрирует зависимость скорости увеличения длин широтных кругов от широты.

Рис. 2. Скорости вековых вариаций длин широтных кругов и форма геоида.

Отклонения формы геоида относительно поверхности элипсоида относимости (правый рисунок) указаны в метрах и в условно-увеличенном масштабе по отношению к реальным размерам. Хорошо заметна корреляция поведения кривой на левом рисунке с формой геоида. Следует отметить, что изменения фигуры Земли в геоцентрической системе координат (с началом в центре масс) представляет собой совокупность двух процессов. Первый из них – динамический и представляет собой отклик на деформации упругих слоев мантии и коры. Второй представляет собой геометрический эффект и вызван смещением центра масс, по отношению к которому определяются северное и южное полушария Земли. Для пояснения укажем, например, что даже если бы поверхность Земли не менялась, а ее центр масс совершал полярный дрейф к северу со скоростью 5.54 мм/год [6], то спутниковые наблюдения (GPS) выявили бы планетарное инверсионное изменение поверхности Земли по отношению к геоцентрической системе координат. А именно в северном полушарии – опускание поверхности со средней скоростью -2.77 мм/год, а в южном полушарии наоборот – подъем поверхности со средней скоростью -2.77 мм/год. Если указанный эффект вычесть из данных спутниковых наблюдений изменения GPS высот станций наблюдений, то в результате получим непосредственно деформационные изменения поверхности. В данной работе дана предварительная и упрощенная оценка средних скоростей деформации полушарий Земли в современную эпоху.

Рис. 3. Корреляции расчетных радиальных деформаций поверхности на 6 гравиметрических станциях с формой геоида (в зависимости от широты).

Первое определение скоростей изменения средних радиусов северного и южного полушарий, выполненные на онове GPS наблюдений, дает значения 0.1 мм/год и 1.37 мм/год, соответственно [7]. Следовательно, этим значениям соответствуют деформационные изменения средних радиусов северного и южного полушарий со скоростями: +2.9 мм/год и -1.4 мм/год, соответственно. На рис. 3 схематически указаны радиальные скорости деформаций для некоторых избранных пунктов-станций на поверхности Земли, установленные автором при изучении вековых вариаций силы тяжести [8] и, как видно, они в определенной мере согласуются с указанными выше значениями.

О вариациях среднего радиуса северной и южной полусфер Земли

Данные наблюдений свидетельствуют о возможной асимметрии вариаций форм северного и южного полушарий. Подобная асимметрия в первую очередь была выявлена в удлинениях широтных кругов полушарий по данным GPS наблюдений (рис. 1) [4]. Оказывается, что в северном полушарии эти круги стягиваются в меньшей степени, чем растягиваются в южном. К тому же в высоких широтах северного полушария наблюдается даже обратная тенденция - растяжения широтных кругов, что можно связать с известным явлением послеледникового отступления. Новые различия между изменениями полусфер Земли (северной и южной) были выявлены при определении радиальных деформаций (вертикальная составляющая). Средняя линейная скорость в вертикальном направлении для 27 участков южного полушария оценивается как 1.37 мм/год. А для северного полушария оказалось, что 66 станций из обсуждаемого списка 151 станции имеют положительные линейные вертикальные скорости, а другие 85 имеют отрицательные вертикальные скорости. Так что их средняя скорость была оценена в 0.06 мм/год [7].

Вековое возрастание среднего радиуса Земли

Отметим также, что возможная асимметрия в деформации полусфер является свидетельством об изменчивости среднего радиуса Земли. Первые оценки скорости векового увеличения среднего радиуса Земли в современную эпоху составили 0.22 – 0.23 мм/год [7].

Средний радиус Земли, а также средние радиусы южного и северного полушарий Земли, а также длины широтных кругов в северном и южном полушариях Земли на ряду с вековыми изменениями также должны испытывать периодические вариации со спектром частот, характерным для движения геоцентра (они поддаются определениям методами космической геодезии), и в частности с годовым и полугодовым периодами. Эти явления представляют собой динамические отклики на колебания ядра и мантии с определенными периодами.

Явление смещения континентальных масс коры к северу

На основе геодинамической модели вынужденных колебаний системы ядро-мантия получили объяснение наблюдаемые вековые вариации силы тяжести на целом ряде базовых гравиметрических станциях (Нью Алесунд, Сева, Черчилл, Вухан, Медичина, Болонья, Мембах, Метсахови) [8]. В первую очередь они обусловлены дрейфом центра масс Земли и деформациями поверхности. Кроме этого, было показано, что при смещении ядра к северу меняется не только сила тяжести (радиальная составляющая силы гравитационного притяжения на поверхности Земли), но и ее тангенциальная северная составляющая. И в южном и в северном полушариях Земли (при полярном дрейфе ядра к северу с указанной выше скоростью) в современную эпоху северная меридиональная составляющая силы нарастанет со скоростью около 0.5-1.0 мкГал/год. Действие указанной меридиональной составляющей силы на длительных (геологических) интервалах времени в планетарном масштабе принуждает поверхностные массы и вообще массы коры и литосферы (их блоки и плиты) смещаться к северу. Это находит яркие подтверждения в наблюдаемых тектонических перестройках коры и дна океана. Действительно, в своем массиве континенты или точнее сказать их центры (или центры масс) в современную геологическую эпоху обнаруживают тенденцию направленного перемещения в северное полушарие [8]. С этим явлением связана механическая суть тектоники литосферных плит – одной из основных сил, движущих плиты, является гравитационное влияние дрейфующего ядра. Благодаря этому воздействию осуществляется перегонка плит, в первую очередь континентальных плит, между полушариями в геологической шкале времени. При этом колебания и смещения ядра контролируют плюм-тектоническую деятельность, а также спрединговую деятельность, без которой перемещения плит к северу было бы невозможным. Этот механизм позволяет дать логическое объяснение наблюдаемым тектоническим процессам и полярным сменам геодинамических обстановок наблюдаемых при формирования суперконтинентов в ходе геоэволюции [9]. По данным таблицы 3 из работы [9] меридиональные составляющие (по направлению юг-север) линейных скоростей условных эпицентров литосферных плит (они соответствуют расчетным модельным положениям их центров масс) равны: 3.47 мм/год для Евразийской плиты (ЕА); 2.54 мм/год для африканской плиты (АФ); 50.3 мм/год для Тихоокеанской плиты (ТО); 83.8 мм/год для Австралийской плиты (АВ); 48.3 мм/год для Индийской плиты (ИН); 26.8 мм/год для Аравийской плиты (АР); 35.3 для Филлипинской плиты (ФП); 54.6 мм/год для плиты Кокос (КО); 11.1 мм/год для плиты Хуан де Фука (ХФ). Для всех указанных 9 плит составляющие скорости являются положительными и значительными по величине. Отрицательные широтные составляющие скорости имеют американские континенты: -12.0 мм/год (Северо-Американская плита (СА)) и -9.8 мм/год (Южно-Американская плита (ЮА)). Также отрицательные широтные составляющие имеют скорости центров масс сравнительно небольших плит: -0.64 мм/год (Антарктическая плита (АН)) и -1.2 мм/год (Наска (НА)). Т. е. существует ярко-выраженная тенденция смещения эпицентров центров масс плит к северу [9]. Указанные смещения наблюдаются по отношению к геоцентрической системе координат HS2-NUVEL1, связанной с горячими точками. Полученный вывод имеет модельный характер и не учитывает изменениий в положениях самих условных центров плит из-за явлений спрединга и субдукции (т. е. здесь рассматриваются условные центры, скрепленные с плитами [9]). На рис. 4 указаны значения северных составляющих скоростей смещения центров перечисленных выше плит (в мм/год).

Рис. 4. Направления и значения северных составляющих скоростей плит (в мм/год).

Явление глобального смещения системы станций GPS к северу

Это явление хорошо иллюстрируется рис. 5 (слева). Здесь указаны три зоны-трапеции, в которых северные составляющие скоростей станций наблюдения принимают отрицательные значения. Основной массив станций смещается вместе с плитами к северу. Возможно, что часть эффекта связана с неучетом векового дрейфа центра масс Земли. Это явление имеет исключительно-важное значение для понимания самого механизма тектоники плит и фундаментальных механизмов спрединга и субдукции.

Рис. 5. Скорости GPS станций наблюдения в системе координат ITRF 2005 (www. iers. org).

По нашей модели [1] указанная тенденция надвига пластов коры и литосферы (их блоков) на север является динамическим следствием гравитационного воздействия дрейфующего к северу ядра Земли. Тенденции смещений масс океанических плит препятствуют континенты и занятые уже пространства в северном полушарии. В результате для разрядки напряженности они вынуждены cоздавать зоны субдукции и “подныривать” под континентальную литосферу. С другой стороны материал для строительства океанических литосферных плит поступает вдоль зон рифтинга, преимущественно расположенных в южном полушарии. Поэтому находит объяснение геодинамическое положение, что зоны субдукции и рифтинга находятся (преимущественно) в противоположных полушариях [1]. Ясно, организованное смещение плит к северу должно быть сагласовано с мантийными течениями и другими глубинными процессами, которые здесь не рассматриваем.

Заключение

Обсуждаемые в работе вековые изменения фигуры Земли в современную эпоху – это лишь “хвостик” от более фундаментальных явлений по изменению фигуры Земли на больших интервалах времени, включая геологические периоды. В результате приходим к важному выводу, что все глобальные изменения фигуры Земли, а также циклические смены геодинамических обстановок в северном и южном полушариях по [10], перемещения литосферных плит [9], происхождение крупных геологических структур Земли с общей субмеридиональной ориентировкой [11] и многие планетарные процессы в атмосфере и океане, поведение физических полей Земли диктуются и направляются единым гравитационным механизмом вынужденных смещений и раскачки ядра и мантии Земли в соответствующих шкалах времени, как это и постулировалось в свое время в работе [1].

Литература

1. Объяснение эндогенной активности планет и спутников и ее цикличности // Известия секции наук о Земле Российской академии естественных наук. М., ВИНИТИ. 2002. Вып. 9. С. 45-97.

2. Barkin Yu. V. About possible polar drifts of centers of mass of the Earth and Mars // Abstract Book (CD) of European Planetary Science Congress (Potsdam, Germany, 13 – 18 September 2009), 2009. Vol.4, EPSC .

3. Barkin Yu. V. Eccentricity of the Earth core // XXV General Assembly of EGS (Nice, France 25-29 April 2000) News Letter European Geophysical Society, N74, March 2000. Scien. Progr. P. 65.

4. Barkin Yu. V., Shatina A. V. Deformation of the Earth’s mantle due to core displacements// Astronomical and Astrophysical Transactions. 2005. V. 24, No. 3, June 2005. P. 195-213.

5. Barkin Yu. V. and Jin Sh. Kinematics and dynamics of the Earth hemispheres // EGU General Assembly (Vienna, Austria, 2-7 April 2006). Geophys. Res. Abstr.2006. Vol. 8. EGU06-A-01680.

6. Вековой полярный дрейф ядра в современную эпоху: геодинамические и геофизические следствия и подтверждения // Общие и региональные проблемы тектоники и геодинамики. Материалы XLI Тектонического совещания. –М.: ГЕОС. 2008. Том 1. С. 55-59.

7. Barkin Yu. V. and Jin Sh. On variations of the mean radius of the Northern and Southern Hemispheres of the Earth // EGU General Assembly (Vienna, Austria, 15-20 April 2007). Geoph. Res. Abs. 20Vol. 9. abstract # EGU07-A-08183.

8. Дрейф центра масс Земли и вековые вариации силы тяжести // Геофизические исследования. 2010. Том. 11, N 3. P. 46-60.

9. Barkin Yu. V. Geometrical regularities of the lithosphere plate structure // Astronomical and Astrophysical transactions. 2000. Vol. 18. Issue 6. P. 751-762.

10. , Диссимметрия тектонических процессов в ходе суперконтинентальной цикличности как динамическое следствие относительных полярных смещений ядра и мантии Земли // Геология полярных областей Земли. Материалы XLII Тектонического совещания. Том 1. –М.: ГЕОС. 2009. С.

11. , ,   Особенности деформации океанской и континентальной литосферы как свидетельство северного дрейфа ядра Земли // Научная конференция "Ломоносовские чтения-2010". Секция "Геология": Тезисы. М., 2010. http://geo. *****/db/msg. html? mid= 1183766&uri=44.html.