Гравитационные аномалии Земли

Глобальная модель гравитационных аномалий WGM2012 (редукция Буге, изостатическая и редукция в свободном воздухе) высокого разрешения (2 угловые минуты), вычисленную на сферической геометрии.

На снимках из космоса наша Земля выглядит почти идеально круглой, однако многое скрадывает вода, покрывающая большую часть её поверхности. На самом деле планета полна неровностей, горных хребтов и глубоких впадин, покрыта где толстыми континентальными тектоническими плитами, а где – намного более тонкими океаническими. Форма Земли и внутренняя плотность неоднородны, что создает колебания силы тяжести в разных точках земного шара. В областях отрицательных аномалий сила тяжести чуть слабее, чем в среднем по планете, из-за меньшей плотности вещества под корой. Это можно сравнить с вмятиной на поверхности невидимого силового поля Земли. Изменение гравитации буквально меняет высоту поверхности океана: там, где притяжение слабее, уровень воды опускается из-за того, что зоны сильной гравитации стягивают воду, как «одеяло» на себя, в результате чего формируется гигантское понижение водного зеркала. Одна из таких обширных зон находится в Индийском океане и в районе Антарктиды, но буквально за 23 года в Арктической зоне возникла очень динамично развивающаяся аномалия, представляющая особый интерес из-за смещения к ней магнитного полюса Земли.

Карта аномалии земной гравитации. Области с более сильным притяжением обозначены красным, а с ослабленным — синим.

Навигация по статье

Аномалии Арктического региона
Аномалия в Индийском океане
Антарктическая аномалия
Плюмовая гипотеза гравитационных аномалий
Смещение магнитного полюса Земли
Источники

Аномалии Арктического региона

Аномалия в Индийском океане

В Индийском океане существует огромная впадина в геоиде Земли, где сила притяжения слабее на 0,005% её среднего значения, из-за чего уровень моря в центре аномалии в среднем на 106 метров ниже уровня мирового океана (УМО). Впервые эту аномальную зону к юго-западу от Шри-Ланки обнаружил в 1948 году голландский геофизик Феликс Венинг-Мейнес. Область охватывает около 3,1 млн кв. км и почти равна площади Индии, расположена она к юго-западу от Шри-Ланки.

CC BY 4.0 / American Geophysical Union/Debanjan Pal/Attreyee Ghosh / Predicted Indian Ocean geoid low (IOGL) in Case 1 (cropped)
(a) Прогнозируемый низкий уровень геоида в Индийском океане (IOGL) в случае 1. Здесь также показана область, выбранная для расчета региональной корреляции геоидов. (b) и (c) Температурные профили, снятые вдоль AA’ и BB’ для случая 1. (d) и (e) 3D-изображения температурных профилей в IOGL и вокруг него для случая 1.

Ученые обнаружили под этой областью более легкие и теплые породы на глубине 300–900 км, вероятно, связанные с Африканским суперплюмом.

Антарктическая аномалия

Международная группа исследователей во главе со специалистами Парижского института физики Земли определила, как сложился механизм формирования на планете континентальной гравитационной аномалии, находящейся подо льдами Антарктиды. Огромный массив горячих и легких пород поднимается из глубин океана под морем Росса. Сочетание этих движений создало область с меньшей плотностью, из-за чего сила притяжения над Антарктидой уменьшилась.

Плюмовая гипотеза гравитационных аномалий

Геофизики смоделировали конвективные потоки земной мантии – мощных течений, в ходе которых более горячий и легкий материал поднимается к поверхности, а плотный и холодный опускается вниз. Гравитационную аномалию удалось связать с избытком менее плотного и легкого вещества. Как правило, такие участки связывают с действием мантийных плюмов, поднимающихся вверх горячих потоков.

Схема расположения мантийных плюмов Земли.

Ученые показали, что Индийская плита, довольно быстро удаляясь от Африканской, направляет часть мантийных потоков от этой обширнейшей провинции на восток. С другой стороны, чуть дальше к западу расположен Африканский суперплюм. Мантийные потоки доходят как раз до центра аномалии в Индийском океане, и в этом, похоже, лежит разгадка образования крупнейшей гравитационной аномалии.

Рождение и развитие мантийного плюма в направлении поверхности планеты обусловлено не столько тепловой конвекцией, сколько термохимическими реакциями во флюидной смеси, продукты которых являются более легкоплавкими, чем породы мантии. Когда голова плюма достигает тугоплавкого слоя литосферы, плюм растекается по его подошве. Над плюмовым каналом при этом начинает формироваться вторичный плюм. (акд. Добрецов Н.Л. [23]).

Согласно модели академика Добрецова Н.Л. [23], термохимические плюмы представляют собой своеобразную «газовую горелку». Снижение температуры плавления на границе ядро – нижняя мантия достигается за счет химической добавки «летучего» компонента. Можно предположить, что главными добавками, понижающими температуру плавления, являются водородные и углеродные соединения, выделяющиеся из металлического ядра (гидриды металлов, карбиды и элементарный водород). При их реакции в мантии с железосодержащими окислами, образующиеся оксиды CO₂ и H₂O формируют восходящий поток водорода и гидридов, а восстановленное до металлического состояния железо стекает в жидкое ядро.

«К геохимическим признакам глубинности плюмов относится изотопия гелия. В породах океанических плюмов (например, Гавайского и Исландского) обнаруживается большая доля изотопа ³He, который является продуктом водородного термоядерного синтеза. Отношение ³He/⁴He в этих породах в десятки раз выше, нежели в базальтах срединно-океанических хребтов, генерирующихся из верхней мантии в ходе тепловой конвекции. Очевидно, «избыточное» количество ³He поступает в плюмовый канал из слоя D» или из внешнего ядра».
Академик Добрецов Н.Л. [23]

Поскольку, выходы ³He по мнению академика Добрецова Н.Л., служат индикатором развития плюмового процесса, детальное измерение отношение ³He/⁴He в породах локализации гравитационных аномалий, могло бы послужить веским аргументом в пользу предлагаемой плюмовой гипотезы их образования.

Смещение магнитного полюса Земли

*Движение магнитных полюсов Земли с 1970 по 2020 год* *по данным NOAA* [4].

Изменение скорости перемещения магнитного полюса Земли отражает процессы во внешнем ядре планеты и в околоземном космическом пространстве. Однако если магнитные бури в магнитосфере и ионосфере Земли обусловливают лишь относительно небольшие скачки в положении полюса, то глубинные факторы ответственны за медленное, но постоянное его смещение.

Северный магнитный полюс движется в направлении России: в 1990-х – 2000-х годах его смещение достигало 55 км в год, в 2010-х – 48 км в год. Вектор в целом направлен в сторону России, а именно – к морю Лаптевых, но за последние пять лет он стал перемещаться значительно медленнее — около 25 км в год. Об этом явлении и его последствиях рассказали в лаборатории геоинформатики и геомагнитных исследований Геофизического центра РАН.

Южный магнитный полюс Земли в настоящее время смещается на 5 км в год. История его положения по данным NOAA [4].

Кроме медленного прецессионного движения с периодом около 25765 лет, обусловленного моментом сил притяжения Солнца и Луны, земная ось движется по медленно расширяющейся спирали, с угловым радиусом, равным приблизительно 23,4 градуса. Кроме того, ось вращения Земли испытывает и периодические колебания нутацию с гармониками, основные из которых имеют периоды 13,7 суток, 27,6 суток, 6 месяцев, 1 год и 18,6 лет. Гармоника с периодом 18,6 лет имеет максимальную амплитуду 9,21″. Остальные нутационные гармоники имеют меньшие амплитуды.