«ФИЗИКА ЗЕМЛИ И ГЕОДИНАМИКА Допущено УМО по классическому университетскому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 020302 Геофизика Петропавловск – ...»

Выводы. Приведенные данные по гравитационному полю планет и Луны подтверждают наши представления о том, что планета, которая находится в состоянии тектонической активности, за счет следующих один за другим циклов расширения и сжатия способна поддерживать гидростатическое равновесие. И наоборот, если на ней тектоническая активность прекратилась, то гравитационное поле такой планеты (спутника) очень несимметричное, а ундуляции геоида очень велики. Вполне возможно, что и на этих планетах происходит гидростатическое выравнивание, аналогичное тому, что имеет место на Земле в настоящее время, т.е. растекание литосферы и связанные с ней сейсмичность и вулканизм.

Анализируя приведенные данные, можно сделать еще один вывод, который касается влияния вращения на процесс гидростатического выравнивания, иначе, минимизации гравитационной энергии. Оказывается, вращение (планеты, как целой – А.В.) здесь не играет заметной роли, хотя, казалось бы, соблюдение принципа равенства угловых моментов и их перераспределение между различными частями гравитирующего шара, давало бы преимущество Земле по сравнению с Венерой. Однако, т.к. величины высот геоида на этих планетах практически равны, этот фактор, по-видимому, не играет заметной роли.

Распределение плотности [Кузнецов, 2000, с. 330-332; 2008] Определим распределение плотности гравитирующего шара, исходя из принципа минимизации гравитационной энергии [Шен, 1984]. Запишем требование минимума функционала, определяющего гравитационную энергию шара, в математической форме [Магницкий, 1965]:

где гравитационный потенциал, = (r) - плотность, R - радиус шара (планеты).

Минимизировать функционал (12.22) можно лишь одним способом, посредством преобразования функции = (r). Эта функция должна удовлетворять заданным значениям массы планеты М и момента инерции I (второму и третьему соотношению в (5.1) – А.В.):

Определим распределение плотности по радиусу гравитирующего шара:

Условия (12.22), (12.23) и (12.24) необходимы и достаточны для того, чтобы поставить вариационную задачу c целью определения закона распределения плотности, удовлетворяющего принципу минимизации гравитационной энергии шара. Решение имеет вид [Шен, 1984]:

Этот результат соответствует однородности планеты в начальном состоянии равновесия. Решение включает и тот случай, когда планета неоднородна, но компоненты ее вещества равномерно перемешаны. При этом возможно протекание процессов гравитационной дифференциации. (Заметим, что возникающий при этом вопрос о неизменности радиуса планеты принято считать очевидным и даже не обсуждать).

Ситуация с возможным переносом (перераспределением) масс в процессе эволюции планеты вполне обоснована. Формулируем постановку задачи, следуя [Шен, 1991]: каким должно быть перемещение масс внутри планеты (какой должна быть структура вариации плотности), чтобы оно привело к наименьшему значению гравитационной энергии при неизменных массе и моменте инерции? Отличием этой задачи от предыдущей является то, что нуль становится внутренней точкой области допустимых значений вариации (r) для каждой точки ro r R. Решение задачи оказывается разрывным:

Здесь max,, и min - границы области допустимых значений (r), а ro и rG первая и вторая точки разрыва непрерывности вариации.

Полученная вариация должна превращать однородную модель в многослойную.

Причем, отметим, что этот переход может происходить только при увеличении объема модели. (Заметим, что применение принципа наименьшего действия [Клушин, 1963] приводит к несколько другому условию – вертикальному перераспределению плотности, см. выше – А.В.) Таким образом, принятые нами очевидные предположения о минимуме гравитационной энергии, постоянстве массы и момента инерции планеты приводят к выводу об её расширении (? – в свете нашего предыдущего замечания – А.В.) в процессе эволюции. Использование принципа минимизации гравитационной энергии естественным образом приводит к минимизации времени образования планеты, вопервых. Во-вторых, перемещение масс (по [Клушин, 1963] – перемещение плотности – А.В.) вдоль по радиусу, происходящее при превращении однородной модели в многослойную, должно сопровождаться ответным перемещением масс в обратную сторону, таким образом, чтобы соблюдалось постоянство момента импульса (рис. 12.5).

И, наконец, гравитирующий шар (звезда, планета, большой спутник) рассматривается как саморегулирующаяся, самоорганизующаяся система в терминах теории самоорганизации и оптимальных процессов» (конец цитирования).

Рис. 12.5. Перенос массы: положительной (наружу, в направлении увеличения радиуса Земли) при формировании мантии и “отрицательной” (внутрь), - при формировании внешнего ядра, при выполнении условия соблюдения постоянства момента импульса.

Развитие механических представлений о вихревых движениях подробно рассмотрено выше в предыдущей 10 главе этой части. Ниже кратко остановимся на развитии представлений о вихревых движениях в геологии и геофизике.

Проблема вихревых структур в геологических процессах была впервые обозначена китайским ученым Ли Сы-гуаном в 20-х гг. прошлого века [Lee, 1928] и через 30 лет сформулирована им в качестве научной гипотезы в книге [Ли Сы-гуан, 1958], в которой на большом фактическом материале обосновывается существование структур, являющихся, по мнению автора, результатом сдвигов, возникающих при вращении отдельных масс земной коры, и, видимо, по этой причине названных вихревыми. В последние годы появилось большое количество данных о существовании структур поворотного, крутильного, вихревого типов в геологической среде как Земли [Ван Бемеллен, 1991;

Вихри…, 2004; Мелекесцев, 1979, 2004а, б; Мясников, 1999; Ротационные, 2007;

Система…, 2003; Слензак, 1972; Тектоника, 2002; Mandeville, 2000], так и других планет и их спутников [Мелекесцев, 2004б; Maps, 1989; Whitney, 1979].

Примеры вихревых структур в районах островов Пасха и Хуан-Фернандос, проявляющиеся в разных геофизических полях, приведены на рис. 12.6 и 12.7.

Вихревая Соловьевская морфоструктура центрального типа (район Приамурья), выраженная на поверхности фрагментами разрывных нарушений, приведена на рис. 10. из [Мясников, 1999]. Вихревая структура северной полярной ледяной «шапки» Марса приведена на рис. 10.7. Вихревые структуры Японии, выявленные на основании долговременных геодезических измерений, представлены на рис. 11.1.

Проблема выделения и анализа вихревых структур на границе Тихоокеанского и Индо-Азиатского блоков литосферы или внутри этих блоков неоднократно обсуждалась в геологической литературе [Викулин, Тверитинова, 2007; Вихри, 2004; Дмитриевский, Володин, Шипов, 1993; Ли Сы-гуан, 1958; Мелекесцев, 1979, 2004а, б; Ротационные, 2007;

Слензак, 1972]. На рис. 12.8 из [Дмитриевский, Володин, Шипов, 1993] показана возможная картина проявления глубинных вихревых движений, получившая свое отражение в особенностях морфологии рассматриваемой переходной зоны. С использованием литературных материалов была составлена схема распространения ксенолитосодержащих объектов (рис. 12.9), которая позволяет конкретизировать каждый конкретный вихрь в общей вихревой картине рассматриваемой окраины [Колосков, Аносов, 2006].

Рис. 12.6. Упрощенная тектоническая интерпретация микроплиты Пасхи. Показаны положения эпицентров землетрясений по данным Международного сейсмологического центра за период 1971-1991 гг. (черные кружки) и опубликованные данные о механизме движений в очагах 39 землетрясений (пронумерованные квадратики). Звездочками, полыми кружками и треугольниками обозначено положение полюсов вращения плит Наска (на севере) и микроплиты Пацифик (на юге) [Международный…, 2003, с. 56].

Рис. 12.7. Тектонические границы (жирные линии) и магнитные изохронны – корреляция магнитных аномалий (тонкие линии) по данным [Международный…, 2003, с.с. 57].

В соответствии с данными работ [Дмитриевский, Володин, Шипов, 1993;

Колосков, Аносов, 2006; Мелекесцев, 1979, 2004а, б; Слензак, 1972], вихревые структуры и геолого-геофизические процессы их объясняющие, должны, по сути, являться краеугольными камнями современной геодинамики.

Проблема происхождения вихревых систем литосферы подробно освящается в [Слензак, 1972]. В этой же работе, в частности, отмечается, что «сходство вихревых образований атмосферы, гидросферы и литосферы не случайно и в факте вращения Земли проблема генезиса вихревых образований имеет прочную основу для своего решения»

[Слензак, 1972, с. 76]. Из последних следует отметить работы [Викулин, Тверитинова, 2007; Полетаев, 2006; Ротационные, 2007], в которых приводится обзор современного состояния проблемы с описанием большого количества геологических структур вихревого типа.

Анализ полей деформаций на геологических и тектонических картах показывает, что образование таких вихревых структур в земной коре и их генезис являются прямым следствием геодинамических процессов. Совокупность данных о расположении планетарных структур сжатия и растяжения [Роль, 1997], о поле напряжений, по механизмам очагов землетрясений Евразии определенное как мегарегиональное [Гущенко, 1979]; о геодезических [Рикитаке, 1979; Сато, 1984; Hashimoto, Tada, 1988] и светодальномерных [Давыдов, Долгих, Запольский и др., 1988] инструментальных измерениях, проведенных на больших базах; о движениях блоков Тихоокеанской сейсмофокальной зоны [Геологическая, 1989; Daly, 1989; Geist, Childs, Scholl, 1988; Nur, Ron, Scotti, 1986], тектонических плит [Викулин, 1994; Жарков, 1983; Мелекесцев, 1979;

Forsyth, Uyeda, 1975; Takeuchi, 1985], платформ [Полетаев, 2006] и других более «мелких»

геологических образований [Ван Беммелен, 1991; Полетаев, 2006], которые, в свою очередь, «пронизаны» перекрывающимися вихревыми планетарными структурами литосферы [Слензак, 1972] - прямо указывают на вращательный, крутильный и вихревой характер движения геологических структур планеты [Викулин, 2003; Вихри, 2004;

Маслов, 1996; Слензак, 1972].

Рис. 12.8. Глобальная вихревая система Индо - Тихоокеанского региона Земли [Дмитриевский, Володин, Шипов, 1993]: «Геометрия рукавов данной тектонической структуры установлена нами по морфоструктурным признакам: спиральная форма северного рукава вихря выражена в конфигурации островной дуги континентальной окраины, а спираль южного рукава определяется геометрией срединно-океанического хребта и линией о-вов Новой Зеландии – Тонга. Данная вихревая система удовлетворительно выражена в глобальной структуре гравитационного поля Земли (модель GEM-9) и в рисунке горизонтальных течений в верхней мантии по данным сейсмической томографии. Интересно, что в центре вихревой системы расположено крупнейшее вздутие геоида, согласно годдаровской (НАСА) модели Земли GEM-9, построенной по спутниковым данным».

Рис. 12.9. Вулканические объекты позднекайнозойского возраста с включениями ультраосновного состава в пределах Восточно-Азиатской окраины и контуры вихревых тектоно-магматических структур. 1- объекты, несущие ультраосновные включения (вулканические постройки, лавовые поля); 2 – условные контуры вихревых структур; 3 – направления и скорости перемещения вулканического фронта в ходе развития вихревой структуры [Колосков, Аносов, 2006].

Анализ большого количества тектонических данных показывает следующее.

Согласно А.В. Лукьянову [1999] «если представить себе тектоническое течение в виде векторного поля скоростей (или перемещений) частиц тектоносферы, то самоорганизация приводит это поле к единому, сплошному, непротиворечивому структурному рисунку», в котором «находят свое место не только неоднородные деформации, но и зоны с ненулевыми дивергенциями и вихрями». При этом, уже почти полвека, как А.В. Пейве отметил [Лукьянов, 1999], что «каждый блок земной коры обладает как бы самостоятельной «движущей силой», заключенной в нем самом» (в обеих цитатах курсив наш). В работе [Слензак, 1972, с. 37-38] делается «важный вывод о самостоятельности крупной вихревой системы, как типа тектонической структуры литосферы, который не может быть создан внешними источниками движения в виде дрейфующих материков или смещений по планетарным разломам». Далее «перекрытие вихревых систем способствует образованию систем меньшего размера, соединяя в новые вихри отрезки больших дуг крупных систем» [Слензак, 1972, с. 43]. При этом «непосредственное изучение пород свидетельствует о формировании вещества», слагающего вихревые системы, «в твердом состоянии на месте и за счет вещества верхней мантии» [Слензак, 1972, с. 98].

Проведенный в [Вихри, 2004] анализ движений, наблюдаемых в Природе во всем пространственно-временном масштабе от элементарных частиц (имеющих спин) до галактик и их скоплений, подтверждает саму суть «геотектонических» наблюдений и обобщений А.В. Пейве и А.В. Лукьянова [Лукьянов, 1999] и О.И. Слензака [1972]. Такие наблюдения и обобщения в свете анализа [Вихри, 2004] и представлений Декарта, КантаЛапласа, Кельвина и Гамова, фактически, предписывают структурным элементам геологической среды, как части Материи, на разных пространственно-временных масштабах, вращающейся независимо от физического состояния слагающего ее вещества, иметь собственный момент количества движения. На основании этих данных поворотные, закрученные спиралеобразные (по [Ли Сы-гуан, 1958] - вихревые) структуры, их формирование и развитие в пространстве и во времени, взаимосвязь друг с другом («самоорганизация»), по мнению авторов, основанному на данных: Ли Сы-гуана [Ли Сыгуан, 1952, 1958; Lee, 1928], А.В. Пейве [1961] и А.В. Лукьянова [1999], О.И. Слензака [1972], А.Н. Дмитриевского с соавторами [1993], А.И. Полетаева [2006], сборников [Вихри, 2004; Ротационные, 2007; Система, 2003; Тектоника, 2002] и других, являются следствием «собственных» вращательных движений, слагающих геологическую среду блоков, плит и их образований.

Наличие вихревых структур в литосферах Земли, других планет и их спутников естественным образом продолжает и «замыкает» цепочку такого рода движений вещества при разных физических состояниях.

Следует отметить следующее. Согласно данным работы [Викулин, 2003], в понятие «собственное вращательное движение» мы вкладываем смысл, по сути, близкий спину, который имеет любая достаточно малая частица вещества (элементарная частица, атом, молекула) в течение всей своей «жизни». Данные физического плана, подтверждающие такую гипотезу, содержатся в работах [Дмитриевский, Володин, Шипов, 1993; Потапов, Фоминский, Потапов, 2000; Шипов, 2002]. Поэтому «самостоятельную движущую силу, заключенную в самом» блоке [Лукьянов, 1999] и «самостоятельность вихревой системы»

[Слензак, 1972] мы также связываем с «собственным вращательным моментом».

Очевидно, что используемое нами понятие «собственного вращательного движения», в принципе, отличается от Эйлерового вращения, соответствующего поступательному перемещению вдоль сферической поверхности.

1. Накопленные геологические данные о кольцевых, вихревых и т. п.

«непрямолинейных» структурах указывают на ротационную природу тектонического процесса [Викулин, Мелекесцев, 2007; Дмитриевский, Володин, Шипов, 1993; Иванчин, 2007; Шипов, 2002], и, как следствие, эти данные должны быть использованы физиками при разработке новой ротационной, вихревой концепции пространства-времени.

2. Первые вихревые структуры на примере Китая были описаны уже почти 80 лет тому назад [Lee, 1928]. С тех пор накопилось большое количество данных по таким структурам [Вихри, 2004; Teisseyre, Takeo, Majewsky, 2006], и их число постоянно увеличивается [Полетаев, 2005, 2006; Thomson, 1890]. Размеры вращающихся (в соответствии с классификацией, предложенной в [Полетаев, 2006]) структур изменяются в больших пределах: от метров и десятков метров [Lee, 1928; Thomson, 1890] до сотен (альпийские складки Генуя и Дунай, Исландия), тысяч (Восточно-Европейская и Сибирская платформы [Полетаев, 2005]) и многих тысяч (например, вся Тихоокеанская плита [Маслов, 1996]) километров. Примечательно, что в науках о Земле стремительное за последние 10 лет увеличение интереса к проблеме вращательных структур [Полетаев, 2005, 2006] (т.е. переход от «линейки» к «циркулю») происходит на фоне «неуспехов»

Новой глобальной тектоники [Гончаров, Талицкий, Фролова, 2005; Пущаровский, 2005;

Спорные, 2002]. Как видим, имеет место очевидный процесс поиска новой тектонической парадигмы. И в то же время, механизм вращательных движений, «генерирующий»

геологические структуры, остается пока не до конца и понятым, и разработанным.

3. Накопленные данные указывают на наличие следующих наблюдаемых на поверхности Земли особенностей вращательных движений земной коры [Вихри, 2004].

3. 1. А.В. Пейве [1961] уже почти полвека назад отметил, что «каждый блок земной коры обладает как бы самостоятельной «движущей силой», заключенной в нем самом».

3. 2. О.И. Слензак [1972] сделал «важный вывод о самостоятельности крупной вихревой системы как типа тектонической структуры литосферы, который не может быть создан внешними источниками движения в виде дрейфующих материков или смещений по планетарным разломам», а также о том, что «перекрытие вихревых систем способствует образованию систем меньшего размера, соединяя в новые вихри отрезки больших дуг крупных систем». При этом «непосредственное изучение свидетельствует о формировании вещества», слагающего вихревые системы, «в твердом состоянии на месте и за счет вещества верхней мантии». По-видимому, именно этот процесс мы наблюдаем на примере «молодых» растущих микроплит Пасха и Хуан-Фернандес, вихревые структуры которых отчетливо проявляются в различных геофизических полях [Международный…, 2003].

3. 3. А.В. Лукьянов [1999] отметил, что «если представить себе тектоническое течение в виде векторного поля скоростей (или перемещений) частиц тектоносферы, то самоорганизация приводит это поле к единому, сплошному, непротиворечивому рисунку», в котором «находят свое место не только неоднородные деформации, но и зоны с ненулевыми дивергенциями и вихрями».

3. 4. В.Н. Жарков [1983], на основании полученных в рамках концепции Новой глобальной тектоники данных о движении плит, формулирует вывод о том, что «скорости плит коррелируются с величиной среднего полярного расстояния плиты». При этом делается вывод, «что движение литосферы…увлекает за счет сил вязкого трения подстилающую ее астеносферу». По сути, к аналогичному выводу приходят авторы работы [Гончаров, Талицкий, Фролова, 2005], убедительно показывая, что «осесимметричная одноячейковая конвекция…является вынужденной». Другими словами, движение литосферы, в соответствии с этими данными, по сути, не зависит от движений в нижележащей астеносфере. Курсив во всех вышеприведенных цитатах, кроме работы [Гончаров, Талицкий, Фролова, 2005] – автора.

Рассмотрение строения границ литосферных плит как зон сдвиговых деформаций в свете волновой тектонической концепции привело к формулировке гипотезы о правозакрученном планетарном вихре. В рамках гипотезы именно такой полярный вихрь планетарного масштаба и должен вызывать наблюдаемое левостороннее кручение ансамбля всех литосферных плит [Вихри, 2004; Тверитинова, Викулин, 2005].

Фигура равновесия вращающихся тел. Задача Дирихле Обстоятельные обзоры проблемы содержатся в классических работах [Буллен, 1978; Ламб, 2003]. Согласно [Кондратьев, 2003] условно можно выделить следующие этапы, характеризующие состояние теории фигур равновесия вращающейся гравитирующей жидкости.

Начальный ньютоновский этап можно связать с появлением первых фактов. В г. Рише обнаружил, что часы, верно отсчитывающие секунды в Париже (490 с.ш.), отстают приблизительно на 2,5 мин в сутки в Кайенне (50 с.ш.), где он вынужден был укоротить маятник более чем на линию (1/12 французского дюйма). Аналогичное отставание часов позднее было замечено Вареном и Де Хэем в Горэ (150 с.ш.) и в других местах. Один из членов Парижской академии предположил, что на экваторе тело весит меньше, чем на полюсах. В 1690 г. Гюйгенс заметил, что линия отвеса направлена нормально к поверхности вращающейся самогравитирующей жидкости. Кроме того, он оценил эллиптичность Земли [Буллен, 1978, с. 18].

Все это стимулировало деятельность Ньютона, который, как сообщают, случайно слышал об открытии Рише на заседании Королевского общества в 1682 г. Ньютон понял, что с помощью закона всемирного тяготения можно исследовать не только движение небесных тел, но и саму их форму. Он поставил знаменитую задачу о равновесной форме гравитирующей жидкой массы, имеющей вращение вокруг оси. Эта задача и положила начало теории фигур равновесия. Ньютон первый и определил сжатие однородной Земли:

= m = 229 1, где m – отношение центробежной силы к притяжению на экваторе. Это был несомненный успех в познании Земли и других планет.

Ученые думали и о фигуре равновесия неоднородной Земли. Не все моменты этой проблемы во времена Ньютона были ясными и понятными. Например, из популярной в то время вихревой теории Декарта (вспомним великое (!) противостояние ньютонианцев и картезианцев [Вихри, 2004; Тверитинова, Викулин, 2005]) вытекало, что Земля, в противоположность полученному Ньютоном результату, должна напоминать огурец, стоящий на остром конце.

И только Клеро (1743) верно понял, что все дело в существовании тесной взаимосвязи между сжатием планеты и распределением вещества внутри нее. Ему первому стало ясно, что в рамках альтернативы «сплюснутость однородной фигуры (Ньютон) – сплюснутость полностью переконденсированной фигуры (Гюйгенс)» имеет место неравенство: m m.

Ньютоновские «Начала» побудили многих математиков к занятию задачами по фигурам равновесия. Маклорен (1742), последователь Ньютона, решил трудную задачу о притяжении внутри однородного сфероида. Компоненты силы притяжения оказались линейными функциями координат. Это позволило Маклорену красиво обобщить результат Ньютона доказательством, что однородно сжатый сфероид при любой сплюснутости может быть фигурой относительного равновесия вращающейся жидкой гравитирующей массы. В итоге Маклорен не только открывает равновесные жидкие сфероиды, носящие теперь его имя, но и доказывает, что внутри них полная сила тяжести всегда направлена по нормали к поверхности, проходящей через испытуемую точку и подобной границе данной фигуры. Это и есть уровенные поверхности, которые после вышедших в 1743 г. работ Симпсона и Клеро, выражаясь современным языком, являются поверхностями постоянного значения давления и полного потенциала.

Период становления теории фигур равновесия был наполнен решением важных математических задач. Лежандр ввел понятие гравитационного потенциала и разработал общую теорию притяжения однородного трехосного эллипсоида, содержащую как частный случай и результаты Маклорена. Лаплас получил знаменитое дифференциальное уравнение второго порядка для потенциала вне гравитирующей массы, а Пуассон – внутри нее. Эйлер сформулировал принципы гидродинамики невязкой жидкости. Лагранж преобразовал всю механику. В результате этого подход к проблеме фигур равновесия, сформулированной Ньютоном, стал более абстрактным, что давало какой-то выигрыш в общности.

Дело касалось самого принципиального момента теории: обязаны ли фигуры равновесия иметь осевую симметрию? Или могут существовать и фигуры с нарушением ее? У самого Ньютона предположение об осевой симметрии было только априорным, однако почти все его последователи считали, что гипотезе об осесимметричности нет альтернативы. Все рассуждали здраво, но, увы, стандартно: раз поле центробежных сил, ответственных за появление сплюснутости вращающейся конфигурации, имеет осевую симметрию, то неизбежно такую же симметрию должна иметь и сама фигура.

Новый толчок к развитию теории дал математик Якоби (1834), указавший на возможность существования однородной фигуры равновесия в форме трехосного эллипсоида – эллипсоиды Якоби. В 1884 г. Ляпунов и годом позднее Пуанкаре совершенно независимо друг от друга открывают целый класс новых фигур равновесия, отдаленно напоминающие по форме то груши, то рубчатые дыни, волнистые патиссоны и другие фрукты и овощи. Оказалось, что в окрестности определенных сфероидов Маклорена и эллипсоидов Якоби (их множество бесконечно, хотя и счетное) существуют неэллипсоидальные фигуры относительного равновесия. Строгое доказательство существования неэллипсоидальных форм дано в начале ХХ века [Ляпунов, 2000].

Это блестящее достижение Ляпунова-Пуанкаре открыло новую страницу в математической физике и геофизике, сформулировало круг любопытных идей и дало толчок к развитию новых аналитических методов. Отсюда берут начало понятия о линейных сериях фигур равновесия, бифуркациях, нелинейных интегральных уравнениях.

Был сделан важный шаг от идеальных поверхностей второго порядка к сложной реальности: действительно, у многих галактик, звезд и планет в их форме замечено присутствие третьих и более высоких гармоник [Пуанкаре, 2000].

Математик Дирихле внес настолько революционный вклад в основы теории фигур равновесия, что раздвинул сами границы этой дисциплины. Поставленная Дирихле [Dirichlet, 1860] проблема такова. Дана однородная несжимаемая масса гравитирующей жидкости. Допускают ли законы гидродинамики такое движение этой массы, чтобы ее форма в любой момент оставалась эллипсоидальной, а поле скоростей жидкости – линейным по координатам? Дирихле поставил задачу и получил уравнения движения такого эллипсоида.

Если до Дирихле говорили исключительно о фигурах относительного равновесия, то теперь вопрос поставлен значительно шире: существуют ли однородные эллипсоиды с внутренними течениями? Фигуры же относительного равновесия – всего лишь частный случай стационарных фигур в проблеме Дирихле. Ключевым в этой проблеме является условие линейности внутреннего поля скоростей в эллипсоидах; только оно делает решаемой трудную динамическую задачу учета сил Кориолиса. В итоге поля сил гравитации и Кориолиса и центробежной силы в эллипсоиде оказываются линейными.

Суперпозиция этих силовых полей, без которой проблема Дирихле вообще не имела бы смысла, и порождает обширное семейство возможных конфигураций, в том числе, и вихревые течения.

Дедекинд отметил особую симметрию, присущую уравнениям движения эллипсоида Дирихле. Такое свойство уравнений говорило о том, что возможно и такое движение эллипсоида, конгруэнтного исходному, которое имеет и другое поле скоростей и вращается уже с другой угловой скоростью. Другими словами, такое свойство симметрии уравнений движения указывает на возможность существования во вращающихся средах вихревых течений.

Самый значительный вклад в разработку идеи Дирихле внес великий математик Риман. Он впервые рассмотрел стационарные фигуры равновесия и открыл класс двухпараметрических равновесных эллипсоидов, у которых вектор угловой скорости и вектор вихря внутренних течений совпадают с одной из главных осей симметрии фигуры (S-эллипсоиды Римана). Класс S-эллипсоидов состоит из однопараметрических последовательностей фигур с определенным отношением f = / (являющимся, как впоследствии будет показано Чандрасекхаром, своеобразным условием «квантования»

получаемых решений).

Еще более удивительными являются эллипсоиды Римана [Риман, 1948] с наклонным вращением (например, Земля); у таких фигур ось вращения и вектор вихря в общем случае не совпадают с главными осями эллипсоида, что значительно расширяет спектр возможных решений.

По сути, задача Дирихле явилась дальнейшим на более высоком уровне развитием идеи Декарта (1644) «о вихревых движениях, как основных движениях Материи, как системы Мира» [Тверитинова, Викулин, 2005].

Первый этап развития проблемы Дирихле прошел под знаком «бури и натиска»: ни Дедекинд, ни Риман, так много сделавший в различных областях математики и механики, к этой теме после получения ими первых результатов так и не возвращались, и наступило долгое затишье.

Интерес к проблеме Дирихле был возрожден через сто лет работами по динамике звезд, выполненными С. Чандрасекхаром с сотрудниками в 60-х гг. прошлого века. За эти работы С. Чандрасекхар (совместно с У.А. Фаулером) в 1983 г. был удостоен Нобелевской премии. Важные результаты в областях астрономии, космогонии и геофизики, связанные с изучением строения и свойств звезд, звездных систем, галактик, газопылевых облаков и твердого внутреннего ядра Земли, движущегося в вязкой мантийной оболочке, в рамках проблемы Дирихле, были также получены Б.П. Кондратьевым с сотрудниками и другими коллективами исследователей. Эти работы убедительно доказывают существование во вращающихся реальных (не идеальных!) системах внутренних движений, имеющих вихревую природу. И важным результатом такого рассмотрения, имеющим принципиальное значение, является возможность получения новых данных о физических свойствах сред, таких как вязкость, сжимаемость, напряженность магнитного поля и др.

Полученные данные позволили модифицировать классическую задачу Дирихле идеальной жидкости и, тем самым, применить ее к движению реальных сред [Кондратьев, 2003]. Представляется, что вихревые решения модифицированной проблемы Дирихле будут в большей степени соответствовать движениям, наблюдаемым в реальных средах, включая и геофизическую среду, которая, как известно [Вихри, 2004; Ли Сы-гуан, 1958;

Поплавский, Соловьев, 2000], содержит большое количество разномасштабных вихревых геологических структур и вихревых геофизических движений.

В рамках ротационно-упругой модели тектонические и «климат» и «погода» Земли, т.е. и формирование и генезис зон сжатия и растяжения и разделяющих их узлов сдвига, определяются не столько самим движением блоков и плит, сколько их взаимодействием – ротационно-упругими волнами. Аргументом в пользу моментной природы тектонического процесса, протекающего на Земле, является установленная корреляция между «средним полярным расстоянием плит» и скоростями субдукции [Жарков, 1983; Forsyth, Ueyda, 1975] и спрединга [Жарков, 1983; Морган, 1974].

С помощью таких представлений объясняется геодинамика тектонических перестроек, связанная с направленными изменениями в расположении тектонических областей на поверхности Земли [Вихри, 2004]. А именно: во-первых, геометрической выдержанностью процесса смены простираний структур на одну и ту же величину, примерно 900, во-вторых, тектонической цикличностью, выражающейся ритмично повторяющимся увеличением скорости вращения структурных планов и, в-третьих, корреляцией вращения структурных планов с тенденцией вращения палеомеридианов [Тверитинова, Викулин, 2005].

Рассмотрение строения границ литосферных плит как зон сдвиговых деформаций в свете ротационно-упругой тектонической концепции привело к формулировке гипотезы о правозакрученном полярном планетарном вихре, объясняющем левостороннее закручивание большинства литосферных плит [Вихри, 2004; Тверитинова, Викулин, 2005]. «Следы» такого вихря проявляются, во-первых, в чередовании радиальных субмеридиональных орографически выраженных современных структур сжатия (горноскладчатых систем) и растяжения (рифтовых зон) и, во-вторых, в сочетании с ними незамкнутых кольцевых субширотных структур левого сдвига (согласно [Кэрри, 1991]):

зоны Тетического левостороннего кручения, а также подобные ей Циркумарктическая и Циркумантарктическая зоны). Те и другие представляют собой своеобразные рукава гигантского планетарного вихря, существованием которого можно объяснить, почему согласно модели «осесимметричной одноячейковой вынужденной конвекции» [Гончаров, Талицкий, Фролова, 2005] литосферные и подлитосферные массы стягиваются к северному полушарию в виде их неравномерного северо-западного смещения (дрейфа) более быстрого в северном полушарии относительно южного.

Таким образом, основные особенности тектонических перестроек и движений литосферных плит хорошо укладываются в построенную нами ротационно-упругую (по сути, «вихревую») модель, что позволяет использовать ее в качестве основы при построении волновых геотектонических концепций. Поворотные движения блоков и плит, как и вихревые, ротационные и др. структуры, являются «собственными» решениями описанной ротационной задачи. Это позволяет концепцию о собственных моментах блоков и плит в рамках модифицированной задачи Дирихле сформулировать в виде более общей ротационно-упругой геодинамической модели, применимой к Земле, в целом.

Интенсивность вихревых (поворотных) движений на планетах прямо пропорциональна величинам их угловых скоростей вращения [Вихри, 2004]. Поэтому модифицированная ротационно-упругая геодинамическая модель может быть использована для исследования тектонических процессов, протекающих на всех «твердотельных» планетах и их спутниках в солнечной системе, включая и их взаимодействие, объясняемое моментной природой упругих полей.

Примечательно, что в науках о Земле стремительное за последние 10 лет увеличение интереса к проблеме вращательных структур [Викулин, Тверитинова, 2007;

Вихри, 2004; Ротационные, 2007; Тверитинова, Викулин, 2005], другими словами переход от «линейки» к «циркулю», происходит на фоне «неуспехов» Новой глобальной тектоники [Пущаровский, 2005; Ротационные, 2007]. Как видим, имеет место очевидный процесс поиска новой тектонической парадигмы, в основу которой могут быть положены представления описанной в работе ротационно-упругой тектонической модели [Викулин, 2003; Викулин, Иванчин, 1998; Тверитинова, Викулин, 2005].

Хорошим примером, иллюстрирующим «неизбежность» перехода к моделям типа модифицированной ротационно-упругой геодинамической являются поплавковые колебания Земли, для объяснения которых необходимо выходить за рамки класса моделей механически замкнутой Земли.

Поплавковые колебания [Линьков, 1987, с. 144 – 163] Под поплавковыми колебаниями Земли понимаются ее перемещения на орбите в направлении оси вращения. На возможность существования поплавковых колебаний Земли указывают результаты исследования дрейфа нуля сейсмометров и гравиметров, а также результаты сопоставления приливов северного и южного полушарий.

Исследования дрейфа нуля приборов показали постоянство спектрального состава дрейфа во времени, синхронность дрейфа в разных пунктах установки приборов и отсутствии связи дрейфа и его спектра с местными гидрометеорологическими условиями.

Такие свойства дрейфа и его спектра позволяют предположить глобальный, планетарный характер причин, вызывающих смещение нуль-пункта приборов.

Вместе с тем значительные амплитуды дрейфа (достигающие при увеличении 10 на сейсмограмме 10-15 мм) не находят пока объяснения, если не предположить существования перемещений всей Земли, в целом. Тогда кривую дрейфа нуля можно было бы интерпретировать как запись ускорений при возмущении орбиты Земли. Так как на записи дрейфа нуля не обнаружено суточных волн с заметной амплитудой, то можно предположить, что перемещения происходят в направлениях, близких к направлению оси вращения Земли, т.е. Земля колеблется как поплавок.

Проведенные исследования показали наличие взаимосвязи между дрейфом нуля и индексами солнечной и магнитной активности. При этом ход солнечной активности опережает ход кривой дрейфа на двое - пять суток, а ход магнитной активности практически синхронен с дрейфом нуля сейсмометра, что объясняется временем подлета к Земле заряженных частиц, излученных Солнцем.

Исследование океанических приливов показало, что наличие асинфазных океанических приливов в северном и южном полушариях не может быть объяснено лунно-солнечным притяжением и может служить доводом в пользу существования асинфазных вариаций силы тяжести, связанных с поплавковыми колебаниями Земли. Если допустить существование перемещений Земли на орбите, то следует прийти к выводу о связи этого явления с сейсмической активностью. Физический смысл этой связи очевиден:

с моментов, близких временам экстремальных значений ускорений (при поплавковых колебаниях), в теле Земли возникают дополнительные напряжения, которые могут оказаться причиной повышения планетарной сейсмической активности. Такая связь действительно была обнаружена при сопоставлении сейсмической активности Земли с кривыми дрейфа нуля сейсмометров и гравиметров.

Если исходить из факта существования осевых колебаний Земли на орбите, то можно с единой точки зрения объяснить возбуждение сравнительно короткопериодических (1-3 месяца) и нерегулярных изменений скорости вращения и движений полюсов Земли. Сравнительно короткопериодические нерегулярные изменения скорости вращения Земли были обнаружены Д.Ю. Белоцерковским еще в 1963 г. Однако до настоящего времени не установлена их природа. Можно пытаться объяснить существование этих нерегулярных изменений на основе колебательных перемещений континентов в меридиональном направлении. Будем исходить из возможности колебательных перемещений континентов по слою пониженных скоростей, который обнаружен под материками на глубине 100 – 200 км.

Физический смысл связи изменения скорости вращения Земли с ее перемещениями на орбите в направлении оси вращения состоит в следующем. При ускоренном движении Земли в северном направлении на континенты будет действовать инерциальная сила, направленная к югу, что вызовет их скольжение по астеносферному каналу вдоль меридиана. При этом среднее расстояние от оси вращения Земли до континентов северного полушария увеличится, что приведет к увеличению момента инерции. Если бы материки были расположены симметрично на обоих полушариях, то эти два эффекта скомпенсировали бы друг друга. Но так как площадь материков северного полушария в два раза больше площади южного, то, в целом, при таком движении момент инерции Земли увеличивается, а, следовательно, скорость вращения должна уменьшаться. При ускоренном движении Земли в южном направлении должно происходить увеличение скорости ее вращения.

Таким образом, короткопериодические изменения скорости вращения Земли могут быть объяснены колебательными перемещениями континентов в меридиональном направлении с амплитудой до 1 м.

Как видим, допуская существование поплавковых колебаний Земли можно в рамках одной модели объяснить ряд важных эффектов, не находящих пока объяснения в рамках существующих подходов к задачам геодинамики. Суть проблемы очевидна: для объяснения причин, вызывающих такие колебания Земли на орбите, необходимо механические движения Земли связать с движениями других тел солнечной системы. И приведенные выше в настоящей работе данные это позволяют сделать в полном согласии с имеющимися геодинамическими данными.

Действительно. Все земные движения, включая сейсмические, вулканические, тектонические и, в целом, геодинамические коррелируют с величиной солнечной активности. По всей видимости, такой вывод является справедливым для всех планет солнечной системы. Солнечная активность, в свою очередь, определяется орбитальными и вращательными вокруг своих осей движениями планет, в основном, движениями планет – гигантов Юпитера и Сатурна. Эти данные показывают, что поплавковые колебания Земли, как и такие же колебания других планет, могут являться тем связующим звеном, которое в рамках модифицированной вихревой ротационно-упругой задачи Дирихле для солнечной системы отвечает за взаимодействие между геодинамическими планетарными процессами.

Буллен К.Е. Плотность Земли. М.: Мир, 1978. 442 с.

Ван Беммелен Р.И. Теория ундаций // Структурная геология и тектоника плит / Ред. К. Сейферт. Т. 3. Тектоника гравитационного скольжения. – Эллипсоид напряжений.

М.: Мир, 1991. С. 200-213.

Викулин А.В. О природе Австралийских землетрясений // Вулканология и сейсмология. 1994. № 2. С. 99-108.

Викулин А.В. Физика волнового сейсмического процесса. ПетропавловскКамчатский: КОМСП ГС РАН, 2003. 150 с. www.kscnet.ru/ivs/monograph/vikulin/index.html Викулин А.В., Мелекесцев И.В. Вихри и жизнь // Ротационные процессы в геологии и физике / Ред. Е.Е. Милановский. М.: ДомКнига, 2007. С. 39-101.

Викулин А.В., Тверитинова Т.Ю. Энергия тектонического процесса и вихревые геологические структуры // Доклады РАН. 2007. Т. 413. № 3. С. 372-374.

Вихри в геологических процессах / Ред. А.В. Викулин. ПетропавловскКамчатский: КОМСП ГС РАН, 2004. 297 с. www.kscnet.ru Геологическая история СССР и тектоника плит / Ред. Л.П. Зоненшайн, Е.И.

Приставакина. М.: Наука, 1989. 206 с.

Гончаров М.А., Талицкий В.Г., Фролова Н.С. Введение в тектонофизику. М.: УКД, 2005. 496 с.

Гущенко О.И. Реконструкция поля мегарегиональных тектонических напряжений сейсмоактивных областей Евразии // Поля напряжений и деформаций в литосфере. М.:

Наука, 1979. С. 26-59.

Давыдов А.В. Долгих Г.И., Запольский А.М., Копвиллем У.С. Регистрация собственных колебаний геоблоков с помощью лазерных деформографов // Тихоокеанская геология. 1988. №2. С. 117-118.

Джеффрис Г. Земля, её происхождение, история и развитие. М.: ИЛ, 1960. 485 с.

Дмитриевский А.Н., Володин И.А., Шипов Г.И. Энергоструктура Земли и геодинамика. М.: Наука, 1993. 155 с.

Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли и планет. М.: Наука, 1983. 416 с.

Иванчин А.Г. Непонтенциальное вихревое решение задачи об электроне // Ротационные процессы в геологии и физике / Ред. Е.Е. Милановский. М.: ДомКнига, 2007.

С. 211-218.

Клушин И.Г. Взаимосвязь тектонических напряжений и магматизма Земли на основе вариационного принципа наименьшего действия // Зап. ЛГИ. 1963. Т. 46. Вып. 1.

С. 33-50.

Колосков А.В., Аносов Г.И. Особенности геологического строения и позднекайнозойский вулканизм восточно-азиатской окраины в рамках концепции вихревой динамики // Фундаментальные исследования океанов и морей. Книга 1 / Ред.

Н.П. Лаверов. М.: Наука, 2006. С. 278-291.

Кондратьев Б.П. Теория потенциала и фигуры равновесия. М.-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2003. 624 с.

Крылов С.В., Мишенькин Б.П., Мишенькина З.Р. и др. Детальные сейсмические исследования литосферы на Р- и S- волнах. Новосибирск: Наука, 1993. 198 с.

Кузнецов В.В. Физика горячей Земли. Новосибирск, 2000. 365 с.

Кузнецов В.В. Введение в физику горячей Земли Петропавловск-Камчатский:

КамГУ им. Витуса Беринга, 2008. 367 с.

Кэрри У. В поисках закономерностей развития Земли и Вселенной: История догм в науках о Земле. М.: Мир, 1991. 447 с.

Ламб Г. Гидродинамика.. Т. 2. Москва-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика, 2003. 482 с.

Линьков Е.М. Сейсмические явления. Л.: Изд-во Лениградского ун-та, 1987. 248 с.

Ли Сы-гуан. Геология Китая. М.: Изд-во Иностр. лит-ры, 1952. 146 с.

Ли Сы-гуан. Вихревые структуры Северо-Западного Китая. М.-Л.: Госгеолтехиздат.

1958, 132 с.

Лукьянов А.В. Нелинейные эффекты в моделях тектогенеза // Проблемы геодинамики литосферы. М.: Наука, 1999. С. 253-287.

Ляпунов А.М. Общая задача об устойчивости движения. Череповец: МеркурийПРЕСС, 2000. 386 с.

Магницкий В.А. Внутренне строение и физика Земли. М.: Недр,. 1965. 204 с.

Маслов Л.А. Геодинамика литосферы тихоокеанского подвижного пояса // Хабаровск-Владивосток: Дальнаука, 1996. 200 с.

Международный геолого-геофизический атлас Тихого океана. М-СПб:

Межправительственная океанографическая комиссия, 2003. 120 с.

Мелекесцев И.В. Вихревая вулканическая гипотеза и некоторые перспективы ее применения // Проблемы глубинного вулканизма. М.: Наука, 1979. С. 125-155.

Мелекесцев И.В. Роль вихрей в происхождении и жизни Земли // Вихри в геологических процессах. Петропавловск-Камчатский: КГПУ, 2004а. С. 25-70.

Мелекесцев И.В. Взгляд геолога: вращательные движения и вихри как фактор формирования литосферы и геолого-географической среды Земли // Вихри в геологических процессах. Петропавловск-Камчатский: КГПУ, 2004б. С. 20-23.

Михайлов А.А. Курс гравиметрии и теории фигуры Земли. М., 1939. 432 с.

Мишин С.В. Элементы сейсмометрии. Магадан: СВКНИИ ДВО РАН, 1993. 167 с.

Морган В. Океанические поднятия, глубоководные желоба, большие разломы и блоки земной коры // Новая глобальная тектоника. М.: Мир, 1974. С. 68-93.

Мясников Е.А. Магматические и рудоконтролирующие морфоструктуры центрального типа. На примере Верхнего Приамурья. Владивосток: Дальнаука, 1999. 84 с.

Пейве А.В. Тектоника и магматизм // Изв. АН СССР. Сер. геологическая. 1961. № 3.

С. 36-54.

Полетаев А.И. Ротационная тектоника земной коры // Материалы XXXVIII Тектонического совещания. Т. 2. М.: ГЕОС, 2005. С. 121-123.

Полетаев А.И. Ротационная тектоника или тектоническое вращение? // Актуальные проблемы региональной геологии и геодинамики. Восьмые Горшковские чтения. М.:

МГУ, 2006. С. 32-38.

Поплавский А.А., Соловьев В.Н. Проблемы сейсмичности Дальнего Востока.

Петропавловск-Камчатский: КОМСП ГС РАН, 2000. С. 235-242.

Потапов Ю.С., Фоминский Л.П., Потапов С.Ю. Вихревая энергетика и холодный ядерный синтез с позиции теории движения. Кишинев-Черкассы: Око-Плюс, 2000. 324 с.

Потапов Ю.С., Фоминский Л.П., Потапов С.Ю. Энергия вращения. http://www.fundckip.ru/books/Potapov/1.html.

Пуанкаре А. Фигуры равновесия жидкой массы. Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2000. 208 с.

Пущаровский Ю.М. Глобальная тектоника в перспективе // Материалы XXXVIII Тектонического совещания. М.: ГЕОС, 2005. Т. 2. С. 121-123.

Рикитаке Т. Геофизические и геологические данные о Японской островной дуге и ее обрамлении // Окраины континентов и островные дуги. М.: Мир. 1970. С. 216-236.

Rikitake T. Geophysical and geological data in and around the Japan Arc. Japanese National Report for the UMP. Tokyo. 1967.

Риман Б. О движении жидкого однородного эллипсоида. М.-Л.: Гостехиздат, 1948.

339 с.

Роль сдвиговой тектоники в структуре литосферы Земли и планет земной группы.

СПб.: Наука, 1997. 591 с.

Ротационные процессы в геологии и физике / Ред. Е.Е. Милановский. М.:

ДомКнига, 2007. 528 с.

Сато Х. Повторные геодезические съемки // Методы прогноза землетрясений. Их применение в Японии. М.: Недра, 1984. С.108–120. Sato H. A study of horizontal movement of the crust. Bull. Geograph. Survey Inst. 1973. 19 (1). 89-130.

Серкеров С.А. Теория гравитационного и магнитного потенциалов. М.: Недра, 1990. 304 с.

Система планета Земля. (Нетрадиционные вопросы геологии). XI научный семинар. 3-5 февраля 2003 г. Материалы. М.: МГУ, 2003. 336 с.

Слензак О.И. Вихревые системы литосферы и структуры докембрия. Киев: Наукова Думка, 1972. 182 с.

Спорные аспекты тектоники плит и возможные альтернативы / Ред. В.Н. Шолпо.

М.: ИФЗ РАН, 2002. 236 с.

Стовас М.В. Избранные труды. Ч. I. М.: Недра, 1975. 155 с.

Тверитинова Т.Ю., Викулин А.В. Геологические и геофизические признаки вихревых структур в геологической среде // Вестник КРАУНЦ. Серия наук о Земле. 2005.

№ 5. С. 59-77. www.kscnet.ru/kraesc/2005/2005_5/2005_5/html Тектоника и геофизика литосферы. Материалы XXXV Тектонического совещания.

Т. 1, 2. М.: ГЕОС, 2002.

Тимашев С.Ф. О бвзовых принципах «Нового диалога с Природой» // Проблемы геофизики XXI века. Кн. 1 / Ред. А.В. Николаев. М.: Наука, 2003. С. 104-141.

Тяпкин К.Ф. Физика Земли. Киев: Вища школа, 1998. 312 с.

Хаббард У. Внутреннее строение планет. М.: Мир, 1987. 327 с.

Шен Э.Л. Расширение Земли в связи с формированием её глобальной структуры // Проблемы расширения и пульсаций Земли. М. Наука, 1984. С. 180-185.

Шен Э.Л. Типы внутренней структуры Земли и возможные схемы эволюции Земли и планет. Изв. АН СССР. Физика Земли. 1991. № 2. C. 18-25.

Шипов Г.И. Теория физического вакуума. М.: Изд-во ООО «Кириллица-1», 2002.

128 с.

Шустер Г. Детерминированный хаос: Введение. М.: Мир, 1988. 240 с.

Эвернден Дж.Ф. О чем говорят параметры фигуры Земли = 1/298, C/Ma2 = 0.333?

// Изв. РАН. Физика Земли. 1997. № 2. С. 85-94.

Bak P. How nature works: The science of self-organized criticality/ Oxford: Oxford Univ. press. 1997. 212 p.

Chao B.F., Gross R.S. Changes in the Earth’s rotation and low-degree gravitational field induced by earthquakes // Geophys. J.R. astr. Soc. 1987. V. 91. P. 569-596.

Chao B.F., Gross R.S. Changes in the Earth’s rotational energy induced by earthquakes // Geophys. J. Int. 1995. V. 122. P. 776-783.

Chao B.F., Gross R.S. and Dong D-N. Changes in global gravitational energy induced by earthquakes // Geophys. J. Int. 1995. V. 122. P. 784-78.

Daly M.C. Correlation between Nazka-Farallon plate kinematics and forearc basin evolution in Ecuador // Tectonics. 1989. 8. N 4. P. 769-790.

Dirichlet G.L. Untersuchungen uber ein Problem der Hydrodynamik // J. Reine Angew.

Math. 1860. V. 58. P. 801.

Forsyth D., Uyeda S. On the relative importance of the driving forces of plate motion // Geophys. J. R. Astr. Soc. 1975. V.43. P. 163-200.

Geist E.L., Childs J.R., Scholl D.W. The origin of basins of the Aleutian ridge:

implications for block rotation of an arc massif // Tectonics. 1988. 7. N 2. P. 327-341.

Hashimoto M., Tada T. Horizontal Crustal movements in Hokkaido and its tectonic implications // Jour. Seismol. Soc. Jap. 1988. 41. N 1. P. 29-38.

Hegger R., Kantz H., Schreiber T. Practical implementation of nonlinear time series methods: The TISEAN package // Chaos. 1999. V. 9. N 2. P. 413-435.

Lee J.S. Some Characteristic Structural Types in Eastern Asia and Their Bearing upon the Problems of Continental Movements // Geol. Mag. LXVI. 1928. P. 422-430.

Mandeville M.W. An outline of the principles of vortex tectonics. 2000.

http://www.aa.net/mwm Maps of part of the Northern hemisphere of Venus. Miscellaneous investigations series / Published by the U.S. Geological Survey. 1989.

Nur A., Ron H., Scotti O. Fault mechanics and the kinematics of block rotation // Geology. 1986. 14. P. 746-749.

Takeuchi A. On the episodic vicissitude of tectonic stress field of the Cenozoic northeast Hounshu arc, Japan / Formation of active ocean margins. Ed. N. Nasu et. al. Tokyo. 1985. P.

443-465.

Teisseyre R., Takeo M., Majewsky E. (Eds.). Earthquake Source Asymmetry, Structural Media and Rotation Effects. Heidelberg, Germany: Springer, 2006. 582 p.

Thomson W. Mathematical and physical papers. V. VIII. L.: Cambridge Uversity Press, 1890. P. 484-515.

Whitney M.I. Aerodynamic and vorticity erosion of Mars: Part II. Vortex features, related systems, and some possible global patterns of erosion // Geol. Soc. America Bull.1979. Part I. V.

90. P. 1128-1143.

Уже более 500 лет, со времен знаменитого плавания Колумба в 1492 г. и открытия магнитного наклонения Г. Гертманом в 1510 г., известно, что источником магнитного поля Земли являются процессы, протекающие в ее недрах. В разное время многие выдающиеся умы: С.И. Брагинский, Э. Буллард, К.Ф. Гаусс, У. Гильберт, П.Н. Лебедев, Я.Б. Зельдович, Д. Лармор, В. Сазерленд, Я.И. Френкель, А. Эйнштейн, М. Эльзассер и многие, многие др., пытались определить механизм генерации геомагнитного поля Земли [Буссе, 1984; Григорьев, 2004; Яновский, 1953, 1967]. Однако до настоящего времени так и нет достаточной ясности о природе такого механизма.

Трудности, стоящие на пути решения проблемы геомагнитного поля, связаны не только с недостаточным знанием строения Земли и состояния вещества в ее недрах, но и с пониманием самих основ электромагнетизма [Низовцев, Бычков, 2007; Николаев, 2002]. В этой главе остановимся на некоторых из них.

Состояние проблемы, словами автора работы [Кузнецов, 2008], можно выразить следующим образом.

Ф. Буссе [1984] утверждает, что А. Эйнштейн считал эту проблему одной из трех важнейших проблем Физики. Несмотря на колоссальные усилия сотен физиков, занимающихся этой проблемой, нет ни одного достаточно серьезного успеха в этом деле.

Проследим еще одну цепочку. Если магнитное поле на Земле обязано динамо-эффекту в жидком железном ядре (что не подвергается сомнению), то почему магнитное поле раньше было на Марсе, Луне, Ио, Ганимеде, а потом исчезло? (Возможно, что на Ганимеде поле ещё существует). Почему оно обнаружено на Меркурии, но его нет на Венере? Почему магнитное поле имеется на больших планетах (по своей структуре однотипное с земным), где, по-видимому, нет железного ядра? Разговоры относительно того, что, дескать, динамо на этих планетах “раскручивается” в жидком водороде, и вообще эти планеты “холодные”, “разбиваются” результатами наблюдений космической станцией Вояджер, которая обнаружила, что тепловой поток на этих планетах значительно превышает поток тепла от Солнца на их расстояниях.

Остановимся на теоретической проблеме динамо. Модель генерации геомагнитного поля базируется на совместном решении нескольких уравнений. Они описывают движение вязкой проводящей жидкости, заполняющей сферическую полость внешнего ядра. Жидкость подвергается воздействию гравитационных, гидродинамических, инерционных и электромагнитных сил. Движение жидкости описывается: 1) гидродинамическим уравнением Навье-Стокса, 2) уравнением индукции, связывающим магнитное поле с движением жидкости, 3) уравнениями неразрывности и 4) термодинамики.

Уравнение Навье-Стокса в векторной форме имеет вид:

где t – время, v – вектор скорости, - коэффициент кинематической вязкости, - вектор угловой скорости вращения Земли, - плотность вещества внешнего ядра, Р – давление, g – ускорение массовых сил, µ - магнитная проницаемость, Н – вектор напряженности магнитного поля.

Уравнение индукции в векторной форме записывается в виде:

где m – коэффициент «магнитной диффузии» (магнитная вязкость).

Уравнения неразрывности и диффузии тепла (Т – температура):

где r 2 = x 2 + y 2 + z 2, x, y, z - декартовы координаты.

Эти уравнения содержат скорость v и напряженность магнитного поля Н и должны решаться совместно. Однако, их совместного решения до сих пор не получено (и вряд ли возможно), поэтому проблема генерации геомагнитного поля идет в направлении разработки кинематической теории динамо, в которой скорость жидкости v считается известной и решается только уравнение индукции, определяющее геомагнитное поле.

Если принять, что характер движения жидкости задан, необходимость решения уравнения Навье-Стокса отпадает, а уравнение индукции превращается в линейное уравнение в частных производных второго порядка, которое после соответствующих преобразований может быть решено.

Заметим, что внимательный анализ особенностей геомагнетизма, рассматриваемые в контексте динамо модели (глобальной тектоники плит) показывает:

- Модель-динамо не решает ни одной из проблем геомагнетизма, кроме одной, в которой показывается принципиальная возможность генерации магнитного поля посредством взаимодействия полоидального (дипольного) и тороидального магнитных полей. При этом не находят решения и такие задачи геомагнетизма как: инверсии поля, западный дрейф, движение магнитных полюсов, джерки, морфология поля и т.п.

- Принято считать, что причина появления джерков, т.е. быстрых (в течение одного года) изменений магнитного поля, присуща механизму генерации геомагнитного поля.

Если джерки генерируются около поверхности внутреннего ядра, то в этом случае можно оценить электропроводность внешнего ядра Земли. Оцененная таким образом электропроводность примерно на 5 порядков меньше, чем постулированная величина проводимости, необходимая для протекания динамо-эффектов.

- Не найдены численные решения уравнения гидродинамики, подтверждающие принятую в динамо модель конвекции.

- Данные сейсмологии (travel time, splitting functions) не подтверждают принятую модель конвекции, а, скорее, ей противоречат.

- Нет единой теоретической модели динамо. Огромное количество противоречащих друг другу моделей -динамо: 2 – динамо, динамо Рикитаке, диск Фарадея и т.д. (рис.

13.1), указывает на сомнительность таких подходов.

Рис. 13.1. Известные модели -динамо [Кузнецов, 2008].

- Принципиальным моментом многих моделей динамо является наличие во внешнем ядре сильного тороидального поля. По некоторым моделям интенсивность тороидального поля больше дипольного в 500 раз. Тем не менее, тороидального поля по наблюдениям на поверхности Земли не обнаружено. Мы, вероятно, могли бы не обнаружить наличие тороидального поля на земной поверхности, например, если бы ядро было окружено сверхпроводящим экраном. Однако если бы по какой-либо немыслимой причине на границе ядра оказался бы сверхпроводящий экран, то мы, тем не менее, могли бы судить о его наличии с помощью электромагнитного зондирования.

В течение последних веков, в основном, в XVIII – XX вв., усилиями ученых многих специальностей были достигнуты значительные успехи в изучении строения планеты (главы 2 - 6). Получены несколько менее значимые, но вполне определенные знания о распределении температуры в недрах Земли (глава 8) и, как следствие, о природе границ между ее слоями (глава 9). На этом фоне существующие «неопределенности» в проблеме геомагнитного поля, как Земли, так и других планет Солнечной системы, позволяют, и даже «вынуждают» нас считать ее Проблемой № 1 в Геофизике.

Определенные надежды на решение проблемы Геомагнетизма возникли в рамках Новой глобальной тектоники, в основе которой были заложены представления о тектонических плитах, «движущихся» на «спинах» конвекционных ячеек, возникающих во внешнем ядре и нижней мантии. Однако, как оказалось (глава 12), в рамки таких представлений «не вписываются» вихревые геологические структуры. В этой связи, «неуспехи» в решении проблемы генерации геомагнитного поля планеты, по-видимому, могут быть объяснены недостаточно полной разработкой представлений о геодинамических движениях планеты, не учитывающих «вихревые» особенности геологических структур. Рассматриваемая в такой плоскости, проблема геомагнитного поля Земли является, по сути, Проблемой № 1 в Геодинамике [Викулин, 2004, 2008].

В настоящей главе постараемся собрать «под одной крышей» все наработанные к настоящему времени «нестыковки», которые, на наш взгляд, являются «камнем преткновения» в решении Проблемы № 1 Геодинамики.

Выше (см. раздел «Новые данные» предыдущей главы) приведены тектонические нестыковки между существующими геодинамическими концепциями и моделями, с одной стороны, и наблюдаемыми данными – с другой. Перечень такого рода нестыковок может быть продолжен. Действительно, в соответствии с геосинэнергетическими представлениями [Жуланова, 2003], для оценки геодинамических моделей в качестве наиболее надежных должны использоваться термодинамические критерии. Но, в таком случае [Жуланова, 2003], «несмотря на гигантский массив расчетов и физические эксперименты, доводы в пользу ячеистой конвекции мантийных масс, остаются большие сомнения в том, что она может рассматриваться как фактор сопряженного проявления тектонических сил (горизонтальное движение плит, субдукция) и петрогенетических (выплавление огромных объемов магм на границах плит) процессов. Дело в том, что стационарная ячеистая конвекция способна реализоваться только в закрытых термодинамических системах, будучи направлена на выравнивание внутренних тепловых неоднородностей. Она несовместима с выносом энергии и вещества вовне, сопровождающим вулканизм (и, добавим, сейсмичность – А.В.)».

Как видим, тектоническая нестыковка «потянула» за собой и электромагнитную нестыковку, что вполне можно было ожидать, т.к. последняя парадигма геологии - Новая глобальная тектоника, представляет собою вполне завершённую самосогласованную концепцию, подтверждаемую данными многих разделов науки.

Перечень геомагнитных нестыковок может быть продолжен. Действительно, на основании обзора в [Низовцев, Бычков, 2007], имеем:

1. Согласно классической теории электромагнетизма, магнитное поле есть проявление завихренности эфирных течений, не связанных обязательно с электрическим током. Так, В. Томсон (лорд Кельвин) полагал, что магнитное поле суть «движение, вращение которого есть магнитная сила» [Thomson, 1890], а не электрический ток.

2. Накопленные экспериментальные данные указывают на то, что магнетизм является более универсальным явлением, нежели электричество. Еще М. Фарадей истолковывал криволинейность магнитных силовых линий как признак того, что сила есть результат процесса. Согласно Кельвину, «объяснение всех явлений электромагнитного притяжения или отталкивания и электромагнитной индукции следует искать просто в инерции и давлении материи, движения которой образуют тепло» [Максвелл, 1989, с.

831]. Для Максвелла «в каждой точке среды существует нечто такое, что имеет природу угловой скорости относительно оси, направленной вдоль магнитной силы» [Максвелл, 1989, с. 821]. Эффект Холла однозначно свидетельствует о том, что магнетизм есть явление вращательной природы [Уиттекер, 2001].

3. Во второй половине ХХ в. был установлен квантовомеханический эффект Ааронова-Бома [Чирков, Агеев, 2001], сущность которого заключается в том, что заряженная частица, движущаяся в области, в которой отсутствует магнитное поле, но векторный потенциал отличен от нуля, испытывает воздействие неясной природы (согласно данным работы [Иванчин, 2007] – вихревой?), приводящее к изменению фазы частицы.

4. Имеет место несовпадение в расположении географических и магнитных полюсов при закономерной (по спиральной линии) миграции последних с течением геологического времени. При этом, в истории Земли неоднократно происходили переполюсовки геомагнитного поля. В.И. Уломовым также отмечена «близость расположения большинства полюсов вращения литосферных плит…к геомагнитным, а не географическим полюсам» [Атлас, 1980].

5. Экспериментальные исследования гиромагнитного эффекта, проведенные П.Н.

Лебедевым и С. Барнеттом, не позволяют связать геомагнетизм с вращением планеты [Паркинсон, 1986], что в то же время не позволяет исключить наличие неизвестного физического (ротационного, торсионного, вихревого, согласно данным работ [Дмитриевский, Володин, Шипов, 1993; Иванчин, 2007; Шипов, 2002] поля, которое одновременно могло бы поддерживать и вращение планеты, и создавать ее магнитное поле. Такие экспериментальные факты вынуждают искать более универсальное, нежели гидромагнитное динамо, решение.

Приведенные данные позволили авторам работы [Низовцев, Бычков, 2007] в рамках модельных представлений природу геомагнетизма планеты увязать с имеющими место в литосфере и других слоях Земли вихревыми течениями, связанными с вращением планеты. При этом удается объяснить существование пропорциональной взаимосвязи между магнитным и механическим угловым моментами Земли.

Бароэлектрический эффект и электромагнетизм планет Почему Земля – магнит?

Почему магнитные поля есть и у других планет, и у звезд? Какую физическую природу имеют эти поля? Как объяснить вариации геоэлектрического и геомагнитного полей? На эти и многие другие вопросы, которые стоят перед человечеством уже не одну сотню лет, пока так и нет ответа.

Поиски объяснения физической природы магнетизма небесных тел, в первую очередь геомагнетизма, шли по путям по хорошо всем известным путям (глава 7). В их начале – теория Гильберта, согласно которой Земля является большим магнитом.

Открытие явления Кюри, в основе которого заложено разрушающее влияние высокой температуры на остаточное намагничивание, заставило искать другие пути. Одним из возможных путей является гипотеза разделяющихся зарядов, предложенная В.

Сазерлендом в начале ХХ в. [Suthtrland, 1903]. Согласно этой гипотезе, магнетизм планет и звезд, хотя бы частично, обязан действию следующего механизма: внутренняя часть космического тела под действием его гравитации деформируется, что в результате разделения зарядов ее заряжает положительно. Вращение этих перераспределившихся зарядов вместе со всем телом и порождает его магнитное поле.

Согласно настольной книге всех физиков [Ландау, Лифшиц, 1982], внутри проводников электростатические поля отсутствуют. В этой связи многие исследователи полагали и, по-видимому, полагают, что в недрах планет и звезд, которые обладают достаточно высокой проводимостью, не может существовать электрических полей.

Однако, как следует из теории, электрические поля отсутствуют только внутри таких химически однородных проводников, внутри которых и температура и давление являются постоянными. Земля и другие планеты, как мы видели из данных, представленных в предыдущих главах настоящей книги, имеет достаточно сложное слоистое строение, а температура и давление увеличиваются с глубиной до достаточно больших значений.

Таким образом, «запрет» на обширный класс бароэлектрических явлений, приводящих к появлению внутри Земли электромагнитных полей, оказывается несостоятельным.

Физическая причина возникновения бароэлектрических полей определяется существованием зависимости работы выхода электрического заряда от давления. Если распределение давлений в проводнике неоднородно, то электроны, переходят из областей, где работа выхода меньше в те, где она больше. Такое перераспределение электронов и порождает бароэлектрические поля.

Проведем некоторые оценки. Пусть в центре атома в отсутствии гравитации находится ядро заряда Ze, окруженное облаком электронов. Равновесие наступает, когда гравитационная сила Mg, действующая на ядро, уравновешивается электрической силой ZeE, где Е – напряженность электрического поля, создаваемое окружающими ядро электронами, М – масса ядра, g – вектор ускорения свободного падения. Отсюда следует элементарная оценка для величины напряженности этого поля:

Подстановкой численных значений получаем ничтожно малую величину для значения напряженности поля, возникающего в атоме в результате его деформации под действием силы тяготения E 10 12 СГСЕ.

Однако, оценивая величину поля в макроскопических масштабах, получаем совершенно другую величину. Действительно, полагая, что перепад напряженности гравитационного поля между поверхностью Земли и ее центром составляет g СГСЕ, среднее число атомов в единице объема составляет N 10 24, для поля E = 4P, где P - вектор поляризации, получаем значение, близкое к 106 СГСЕ!

Таким образом, поляризационный механизм формирования бароэлектрического (и баромагнитного, образующегося при движении обязанных бароэлектрическому эффекту зарядов) полей может играть весьма существенную роль. При этом бароэлектрические эффекты будут играть тем более заметную роль, чем значительнее перепады давлений.

Именно поэтому важным примером их проявления являются такие объекты, как планеты и звезды.

В монографии [Григорьев, Григорьева, Ростовский, 2003] детально излагаются некоторые варианты теоретического описания бароэлектрического эффекта. Значительная их часть базируется, в конечном итоге, на наиболее общем условии термодинамического равновесия – условии постоянства электрохимического потенциала, а различаются они лишь подходами к вычислению плотности «избыточной» энергии в зависимости от давления.

Особый вопрос занимают дифференциальные внутренние движения. Именно такие движения ответственны за магнитогидродинамическую генерацию (усиление) магнитных полей, т.е. за те «эффекты динамо», которые, по мнению большинства исследователей, играют доминирующую роль. Палеомагнитные данные о магнитном поле Земли и, конечно, наблюдения над магнитными полями Солнца и ряда звезд убедительно показывают, что эта роль действительно велика и что она тем заметнее, чем более интенсивны дифференциальные движения.

В рассматриваемой монографии «элекромагнитной» модели Земли придаются более реалистические черты, по сравнению с моделями предшественников. При этом, конечно, авторам пришлось столкнуться с вопросом: какое место внутри планеты занимают области ионной проводимости и какую они играют роль в формировании ее электрического и магнитного полей. Ионная проводимость, естественно, доминирует в приповерхностных участках планеты. Ионы, перегруппировываясь под действием бароэлектрического поля, приводят к его ослаблению и даже, возможно, полному занулению вблизи поверхности. В итоге авторам пришлось признать, что, в действительности, отрицательно заряженная поверхность, под которой такое поле имеется, не совпадает с поверхностью планеты, а определяется границей между областями проводимости первого и второго рода.

Следует отметить, что бароэлектрический эффект в проводниках должен проявляться при наличии градиентов давлений, вне зависимости от того, какие физические причины вызывают появление этих градиентов. Непрерывность тангенциальных составляющих напряженности электрического поля на границе раздела сред должна привести к тому, что электрическое поле может обнаружиться и за пределами неоднородно напряженного проводника. Конечно, при малых градиентах давления поле также будет мало. Однако, как показывают оценки, это поле доступно для экспериментального обнаружения, его напряженность может быть измерена даже при нагрузках, далеких от разрушающих.

Как показывают оценки [Григорьев, Григорьева, Ростовский, 2003], около 10% магнитного момента планет земной группы обязано перераспределению зарядов, создаваемому в результате действия их собственного тяготения и вращения.

Та же часть давления, которая обязана действию приливных сил, ответственна за создание электрических полей над поверхностью планет. В частности, наблюдаемые черты поля ясной погоды над поверхностью Земли [Имянитов, Шифрин, 1962; Чалмерс, 1974; Френкель, 1947] объясняется не как результат действия «грозового механизма», а как следствие действия приливных сил со стороны Луны и, в меньшей мере, Солнца. Из сказанного, в частности, следует вывод о наличии электрических полей над поверхностями таких небесных тел, которые лишены атмосферы, но испытывают приливные воздействия, например, над Луной [Григорьев, Григорьева, 1995].

Как видим, бароэлектрические механизмы дают вполне реалистические оценки и в ряде случаев позволяют уточнить и дополнить существующие модели Земли и подходы к решению «геомагнитных и электрических» задач Наук о Земле. Основой бароэлектрических построений, как отмечалось выше, являются именно «собственные»

тяготение и вращение космического тела. Это позволяет надеяться, что дальнейшее развитие «бароэлектрического» направления позволит со временем получить и новые интересные результаты в области вихревой Геодинамики.

Атлас океанов. Северный ледовитый океан. ГУНО–МО СССР, 1980. С. 145.

Буссе Ф. Магнитная гидродинамика земного динамо // Вихри и волны. М.: Мир, 1984. 335 с.

Викулин А.В. Введение в физику Земли. Петропавловск-Камчатский: КГПУ, 2004.

297 с.

Викулин А.В. Мир вихревых движений. Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2008. 230 с.

Григорьев В.И. Электромагнетизм космических тел. М.: Физматлит, 2004. 112 с.

Григорьев В.И., Григорьева Е.В. // Вестник МГУ. Сер. 3. Физ. Астроном. 1995. Т.

36. № 1. С. 61.

Григорьев В.И., Григорьева В.С., Ростовский В.С. Бароэлектрический эффект и электромагнитные поля планет и звезд. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. 192 с.

Дмитриевский А.Н., Володин И.А., Шипов Г.И. Энергоструктура Земли и геодинамика. М.: Наука, 1993. 154 с.

Жуланова И.Л. Методология познания вулканизма Земли: геодинамика или геосинэнергетика? // Вулканизм и геодинамика. 2-ой Всероссийский симпозиум по вулканологии и палеовулканологии. Екатеринбург, 2003. С. 20-25.

Иванчин А.Г. Непотенциальное решение задачи об электроне // Ротационные процессы в геологии и физике / Ред. Е.Е. Милановский. М.: ДомКнига, 2007. С. 211-218.

Имянитов М.И., Шифрин Л.С. // УФН. 1962. Т. 76. № 4. С. 593.

Кузнецов В.В. Введение в физику горячей Земли. Петропавловск-Камчатский:

КамГУ им. Витуса Беринга, 2008. 367 с.

Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамики сплошных сред. Теоретическая физика. Т. VIII. М.: Наука, 1982. 624 с.

Максвелл Дж. К. Трактат об электричестве и магнетизме. Т.II. М.: Наука, 1989.

Низовцев В.В., Бычков В.Л. Сдвиговые течения в земной коре и вихревая природа геомагнетизма // Ротационные процессы в геологии и физике / Ред. Е.Е. Милановский. М.:

ДомКнига, 2007. С. 383-401.

Николаев Г.В. Тайны электромагнетизма и свободная энергия. Новые концепции физического мира. Томск: ООО «НТЦ НЭД», 2002. 150 с.

Паркинсон У. Введение в геомагнетизм. М.: Мир, 1986. 120 с.

Тверитинова Т.Ю., Викулин А.В. Волновая ротационно-упругая тектоника планет // Ротационные процессы в геологии и физике / Ред. Е.Е. Милановский. М.: ДомКнига, 2007.

С. 271-278.

Шипов Г.И. Теория физического вакуума. М.: «Кириллица-1», 2002. 128 с.

Чалмерс Дж. Ф. Атмосферное электричество. Л.: Гидрометеоиздат, 1974.

Чирков А.Г., Агеев А.Н. // ЖТФ. 2001. Т. 1. В. 2. С. 16-22.

Уиттекер Э. История теорий эфира и электричества. Современные теории. 1900гг. М.-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2004. 464 с.

Френкель Я.И. // Изв. АН СССР. Сер. Физ. 1947. Т. 11. № 6. С. 587.

Яновский Б.М. Земной магнетизм. М.: Госуд. изд-во Технико-теоретической литры, 1953. 592 с.

Яновский Б.М. Магнитное поле Земли. Л.: Общество «Знание» РСФСР, 1967. 48 с.

Suthtrland W. // Terrastr. Magn. Planet Sci. 1903. V. 2. P. 249; Atm. Electr. 1903. V. 8.

P. 49.

Thomson W. // Mathematical and physical papers. V. VIII. L.: Cambredge University Press, 1890. P. 484-515.

Выше, в начале главы 11, мы уже останавливались на проблеме времени в геологии. Была отмечена исключительная важность категории времени для геологических процессов и показано, что в первом приближении характерные периоды фанерозойской эры можно считать примерно равными по продолжительности. На этом основании для геодинамических построений в пределах фанерозоя было предложено использовать концепцию ньютоновского, протекающего однородно, времени, достаточно надежно «привязанного» абсолютными радиометрическими измерениями к современному периоду.

Именно такая концепция геологического времени и использовалась при геодинамических построениях, проводимых в главах 11 и 12.

Даже в пределах достаточно короткой по продолжительности в геологическом смысле фанерозойской эры, которая составляет около одной седьмой от общей геологической истории «жизни» земной коры, однородным (равномерным) течение времени можно считать с большой натяжкой. Действительно, по данным определений А.

Холмеса и Ю. Кулпа [Земля, 1974, с. 267; Holtes, 1959; Kulp, 1961] продолжительности основных фанерозойских периодов по-прежнему, в среднем, равны той же (глава 11, раздел «Геология и время») величине:

при большем (в два раза) значении среднеквадратичного разброса. При этом продолжительности двух периодов из десяти оказываются явно аномальными: аномально малой для Силура 20 (Т - 2) млн лет и аномально большой для Кембрия 100 (Т + 2) млн лет.

Следует отметить, что именно в фанерозое имел место наиболее «бурный» за всю 4.5 млрд. историю Земли расцвет различных форм жизни. Действительно, жизнь на Земле возникла менее чем за первый млрд лет существования планеты [Хаин, 1987]. Прошли еще 2.5 млрд лет и возникли одноклеточные водоросли; многоклеточные организмы появились только около 500 млн лет назад, в Кембрии; наземные растения и позвоночные возникли быстрее – в Палеозое, около 400 млн лет назад; млекопитающие – в Мезозое, около 200 млн лет назад [Викулин, Мелекесцев, 2007]. Первые человекообразные обезьяны появились в конце третичного периода: Australopithecus Anamensis – 3.8-4.2 млн лет назад и Australopithecus Afarensis – 2.9-3.7 млн лет назад; завершается этот ряд единственным, выжившим из десятков видов гоминидов, Homo sapiens sapiens, который в Европе появился и окончательно «обосновался» около 40-20 тыс лет назад [Быков, 2005;

Викулин, 2007].

Известно, что процессы, обеспечивающие жизнь, и тем более, способствующие ее зарождению, протекают не в соответствии с принципами рассеяния энергии и увеличения энтропии и даже более определенно – вопреки этим принципам. Процессы же психической деятельности у человека и высших животных могут протекать и без (видимых) затрат энергии - т.е. с нарушением закона сохранения энергии. Именно эти факты и позволили К.Э.Циолковскому около ста лет назад усомниться в безусловной справедливости принципа неуменьшения энтропии [Гвай, 1959; Циолковский, 2007]. К.Э.

Циолковский считал, что «в теоретическом отношении все явления обратимы» [Гвай, 1959, с. 54], и, что «невозможно создать энергию из ничего. Но энергию можно собрать»

[Гвай, 1959, с. 9], что, по сути, и осуществляют на практике живые организмы. Близкой, по сути, точки зрения придерживался и В.И. Вернадский [1991, с. 25]: «В косной среде биосферы нет необратимости. Обратимые круговые физико-химические и геохимические процессы в ней резко преобладают». Поэтому вполне естественно предположить, что и течение геологического времени на Земле – планете, на которой существует жизнь, могло происходить не в соответствии с принципами только рассеяния энергии, ее сохранения и, как следствие, неуменьшения энтропии. Другими словами, можно ожидать, что течение геологического времени на Земле, возможно, происходило неоднородно (неравномерно).

Как видим, концепция времени в геодинамике приобретает самую первостепенную важность.

Согласно [Геологический, 1978, с.121], «время в исторической геологии следует применять только для обозначения промежутков, в течение которых образовались отличия стратиграфических единиц» (курсив – автора). По сути, такой же подход к концепции времени имеет место и в достаточно большой по объему главе фундаментального труда по общей геологии [Земля, 1974, с. 230]: «Функциональная связь времени и Земли пронизывает все аспекты геологии. Развитие геологических теорий обусловлено выявлением уникальных событий прошлого, установлением хронологической последовательности явлений в отдельных районах и одновременности некоторых событий, осуществлявшихся в прошлом в точках, расположенных на значительном расстоянии одна от другой».

Проблеме концепции геологического времени посвящена фундаментальная работа К.В. Симакова [1999]. В этой работе [Симаков, 1999, с. 4] показывается, «что неразработанность концепции геологического времени вызвана, в первую очередь, отсутствием глубокого философского осмысления его специфической природы, кардинального отличия от обыденного (физического). И это совершенно естественно и закономерно, поскольку, специфическая природа реального геологического времени, относящегося к категории статического, а не динамического, требует использования принципиально иного логико-математического аппарата по сравнению с тем, который традиционно применяется при конструировании метрики и измерении концептуального физического (обыденного) времени» (курсив автора).

В чем же суть проблемы?

Впервые наиболее полное физическое определение категорий абсолютных пространства и времени было дано И. Ньютоном. Согласно И. Ньютону, «абсолютное, истинное математическое время само по себе и по самой своей сущности без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью» [Ньютон, 1936, с. 30].

Но: «абсолютное время, если бы такое могло существовать, из-за однородности не могло бы «течь». Не было бы и «стрелы времени»» [Круть, 1978, с. 84].

В каждой науке существуют свои периодичности, которые только и могут быть использованы в рамках этой науки в качестве эталона времени.

«Метагалактика, рассматриваемая на астрофизическом уровне, обладает космологическим временем, обусловленным разбеганием галактик, происходящим однонаправлено в течение, как полагают, более 10 млрд лет» [Круть, 1978, с. 87].

В.И. Вернадский [1975, с. 73] вводит понятие о биологическом времени: «Время, связанное с жизненными явлениями … я буду называть биологическим временем.

Очевидно, свойства и проявления такого времени, связанного с («жизненным» - автор) пространством, резко отличны от всего остального пространства нашей планеты, могут отличаться от другого времени. Решить этот вопрос можно только эмпирическим изучением времени. Такое изучение показывает, что биологическое время равно по длительности геологическому, так как на всем протяжении геологической истории мы имеем дело с жизнью … биологическое время охватывает время порядка 1.5-3 (в соответствии с новыми данными 4.2 – автор) млрд лет» [Круть, 1978, с. 91-92]. Этот анализ, проведенный В.И. Вернадским, подтверждает высказанные выше предположения о возможном неоднородном течении геологического времени на Земле и напрямую связывает такую «неоднородность» с существованием жизни на планете.

Как видим, концепция времени, вполне вероятно, не является единой концепцией для различных научных направлений. Поэтому проблеме времени посвящено очень большое количество фундаментальных работ, число которых постоянно увеличивается, см., например [Конструкции, 1996; Рейхенбах, 2003; Хоккинг, 2007].

Обзор представлений о развитии концепции времени Следуя обзорам [Викулин, 2007; Викулин, Мелекесцев, 2007; Чернин, 1987], можно выделить следующее.

Во времени классической механики Ньютона нет никакого выделенного, особенного момента, который мог бы претендовать на исключительное право считаться начальным, стартовым, да и вообще какие-либо особые права. Все моменты одинаковы – поэтому-то одинаковы и результаты одних и тех же физических экспериментов, проводимых в разное время.

Во всей области применимости классической механики пространство и время «ведут себя» так, как если бы они были ограничены и бесконечны по объему и длительности. Именно с такими симметриями времени и пространства, как показала Э.А.

Нетер в 1918 г., и связаны законы сохранения энергии, импульса и момента импульса [Вариационные, 1959, с. 604-630].

По выражению А. Эйнштейна, построенный И. Ньютоном фундамент оказался исключительно плодотворным и, тем самым, позволил осуществить мечты философовнатуралистов древности – Демокрита и Эпикура, считавших, что должна существовать причинная взаимосвязь всех без исключения природных явлений. После таких успехов ньютоновской теории вряд ли оставались какие-нибудь сомнения в том, что развитие вообще всех материальных явлений должно происходить детерминировано и с закономерностью, которую можно было бы сравнить с ходом часов.

Развитие идеи о материи, движении и космосе как грандиозном механизме в XVII веке было распространено Р. Декартом и на живую природу, на мир организмов. После Р.

Декарта механистический подход к проблеме жизни развивался в работах Ж. Кювье, А.А.

Ляпунова, Н.А. Умова, А.Н. Колмогорова и многих других исследователей. Даже уже в наши дни биолог академик Б. Вайнштейн назвал молекулу белка молекулярным роботом – самой маленькой имеющейся в природе машиной, работающей на стереохимических и электронных принципах и определяющих самосборку белковой цепи в закрученную спиральную структуру ДНК. Как видим, представления о жизни, как о механическом вихревом (закрученном в спираль) процессе, зарождались одновременно с представлениями о пространстве и времени и на протяжении всего времени тесно соприкасались друг с другом. Видимо эти обстоятельства, совместно с большим объемом клинических наблюдений, и позволили российским ученым-медикам в 70-х гг. ХХ века сформулировать оригинальную концепцию, согласно которой психика человека имеет пространственно-временную организацию.

Время классической механики – время макромира, мира, масштабом и мерой которого служит сам человек и непосредственно окружающие его тела природы.

Классическая механика действует и торжествует в рамках макромира, и только там.

Эти рамки перешагнула новая физика, созданная в начале ХХ века А. Эйнштейном, а также Х. Лоренцем, А. Пуанкаре, Д. Гамильтоном и другими физиками и математиками.

Теория относительности открыла новые свойства времени и пространства. Было установлено, что время теснейшим образом связано с пространством. Вместе с пространством оно составляет единый четырехмерный мир, в котором и происходят все физические явления.

Согласно теории относительности, нельзя разделить наше четырехмерное пространство-время на трехмерное пространство и одномерное время. Пространствовремя порождается материей и теряет свое самостоятельное существование. Структура четырехмерного пространства-времени зависит от распределения и движения материи – частиц и полей.

В новой физике время теряет свою абсолютность. Это проявляется, прежде всего, в том, что абсолютного смысла лишается понятие одновременности. Сам темп времени зависит теперь от движения и поэтому становится относительным. Наконец, время оказывается подверженным действию тяготения, которое влияет на его темп: там, где имеются силы тяготения, время течет медленнее, чем в отсутствие этих сил. Например, вблизи черной дыры темп времени столь сильно замедляется, что оно даже как бы останавливается там в своем беге.

Неожиданный поворот произошел в развитии представлений об энергии. Раз время перестало быть абсолютным, оно утратило, строго говоря, и свою однородность. Течение времени может оказаться неравномерным, в разные моменты разным, в зависимости от происходящих во времени и пространстве физических явлений – например, перемещений тяготеющих масс. Но в неоднородном времени нет и такой сохраняющейся физической величины, как энергия. Закона сохранения энергии просто не существует. Более того, полная энергия и полный угловой момент для замкнутой Вселенной не могут быть определены – они являются бессмысленными понятиями [Уиллер, 1982]. Конечно, при движениях с малыми скоростями и в слабых полях тяготения, энергия, по-прежнему, сохраняется – хотя, как мы теперь понимаем, не строго, а с точностью до релятивистских поправок.

Квантовая теория, вторая фундаментальная физическая теория наших дней, вместе с теорией относительности, в комбинации с ней, дает возможность изучать свойства времени в микромире. «Этот квантовый вопрос так невероятно важен и труден, - писал А.

Эйнштейн своему другу М. Лаубу в 1908 г., - что каждый должен им заниматься»

[Уиллер, 1982, с. 156]. Настоящий синтез обеих теорий, в котором, наравне с квантовой теорией, в полную силу звучала бы теория относительности, остается пока еще делом будущего. Ряд замечательных следствий такого синтеза известен, однако, уже и сейчас.

Роль квантовых эффектов всегда велика, когда масштабы времени и пространства оказываются малыми, характерными для микромира. Так было и в первые мгновения космологического расширения после Большого взрыва – модели, предложенной в 1948 г.

русским физиком Г.А. Гамовым [Шкловский, 1980], когда возраст горячей Вселенной составлял малые доли секунды. Согласно этой модели, в результате Большого взрыва, произошедшего около 15 млрд лет тому назад, и началось космологическое расширение Вселенной, которое продолжается до настоящего времени. В рамках квантовых представлений, как расширение, так и само течение времени в его истоке, должны быть, по-видимому, не непрерывными, а квантовыми, прерывистыми. Пусть это и не какой-то универсальный «атом времени», но это квантовая мера определенности, с которой мы можем судить о времени в самой ранней Вселенной. Видим, что «точного» нуля времени для Вселенной нет. Нет, собственно, и «точного» нуля размеров. Вселенная начиналась как квантовая система. И квантовые закономерности составляли самое существо ее исходных физических свойств.

Казалось бы, какое отношение имеют тяготение, изменяющее темп течения времени, кванты – объекты микромира и вся Вселенная, подчиняющаяся квантовым законам в момент своего зарождения и законам макрофизики в настоящее время, к макропроявлениям геологии, геодинамическим и геофизическим моделям, включая появление жизни, ее эволюцию и социум? Самое непосредственное!

Во-первых, неоднородность течения времени находит свое подтверждение в геологии, геохронологические шкалы которой, по сути, являются «неравномерными». В таком случае палеобиологическое, биохронологическое, радиометрическое, магнитометрическое, палеоклиматическое и другие [Круть, 1978, с. 86-93] времена, с помощью которых датируются хронологические периоды геологического времени, разделяемые стратиграфическими разделительными плоскостями [Флинт, 1978, с. 34-47], также являются неоднородными. Неоднородное течение геологического времени может быть связано, например, с прохождением Земли в составе Солнечной системы в разные геологические эпохи областей Галактики как с разной напряженностью гравитационного поля, так и, в соответствии с принципом Маха, под влиянием разных по величине центробежных сил.

Важность ротационного и космического факторов для геодинамики в настоящее время считается общепризнанным [Вихри, 2004; Ротационные, 2007] и обсуждается в работе [Хаин, Ломизе, 2005, с. 546-553].

В этой связи следует отметить, что история геологии располагает убедительными фактами, необходимыми для познания обратимости и необратимости, цикличности и направленности. Решение этих проблем имеет значение не только для геологии, но и для естествознания в целом. Абсолютная шкала геологического времени оказалась бы очень важной, например, для астрономов, так как существенно прояснила бы вопрос, связанный с галактической орбитой Солнца. О важности союза между геологами и астрономами писал академик Д.В. Наливкин: «Земля является частью Вселенной и поэтому крупные события, происходившие в Солнечной системе и Галактике, влияли на ее развитие и строение. Масштаб геологического времени близок к масштабу Вселенной. Геологи владеют летописью, в которой записаны события истории Земли, а также и Вселенной.

Поэтому астрономы иногда обращаются к ним за справками. Жаль, что это бывает нечасто». Проблемы времени в геологии и звездной астрономии во многом идентичны, но, если первую можно решать, ограничиваясь Галактикой, то проблему времени звездных систем следует изучать, поднявшись на более высокую иерархическую ступень [Шпитальная, Заколдаев, Ефимов, 1991].

Во-вторых, последние десятилетия изучение и геологии и геофизики с точки зрения квантовых эффектов становится делом вполне обычным. Интенсивно разрабатываются квантовая геодинамика, квантовая сейсмотектоника, релятивистская геодинамика и другие направления, в основе которых, следует отметить, заложены вихревые движения [Вихри, 2004; Ротационные, 2007]. Проблемы нелинейной геологии, их связь с реальными физическими системами и возможность математического описания в пределах длительного временного интервала подробно обсуждается в заключительном разделе монографии Н.В. Короновского [2006, с. 493-513].

В работе [Бембель, Мегеря, Бембель, 2003] основным объектом исследования являются геосолитоны, которые, по мнению авторов, представляют собой «основные»

кирпичики не только функциональной системы Земли, но и Вселенной, в целом. При этом, концепция геосолитонов, являясь основой методики, достаточно хорошо работает на практике - обеспечивает высокую надежность при геологоразведке месторождений углеводородов. Как в этой связи не вспомнить слова нобелевского лауреата автора кварковой теории М. Гелл-Мана о квантовой механике, которую мы до конца не понимаем, но на практике научились хорошо использовать!

Более того, проведенный в работе [Викулин, Мелекесцев, 2007] анализ убедительно демонстрирует тесную взаимосвязь между физическими концепциями пространства, времени и движения и протекающими на Земле геодинамическими процессами, с одной стороны, и возникновением жизни – с другой. В рамках такого подхода, фактически, становится возможным объединить описание живых (квантовый биохимический процесс в ДНК, белках и клетках) и неживых (движения геофизических квазичастиц – солитонов) проявлений в рамках единого процесса, который, по сути, является близким квантовому состоянию Вселенной сразу после Большого взрыва.

В-третьих, имеются основания полагать, что вся динамика Солнечной системы, а, значит, и ритм течения геологического времени, определяется ее моментной структурой.

Действительно.

Ритмы (своеобразные «кванты» времени), кроме отмеченных выше в астрономии и геологии, изучаются также в биологии, социологии, политэкономии и практически во всех остальных науках. Причем интерес к ним растет. «Гармония сфер» была популярна в Древние и Средние века. В Новое время изучение связи «Космос-Земля-Человек» начал в XVIII веке Г. Гершель (влияние активности Солнца на урожайность в Англии и цены на пшеницу). Спустя век, астроном-любитель С. Швабе в 1843 г. объявил об открытии цикла солнечной активности продолжительностью около 11 лет [Ньюкирк, Фрейзиер, 1983], а У.С. Джевонс установил статистическую связь между этим циклом и погодой, сельхозпроизводством и экономическими кризисами [Черкасов, Романовский, 2003].

Влияние солнечной активности на биосферу вообще было установлено А.Л. Чижевским в 1915 г. [Беневоленский, Вознесенский, 1981].

Уникальный широкомасштабный сбор хронологических данных об аномальных явлениях в природе и социуме Сибири и Монголии позволил показать всеобъемлющее влияние солнечной активности на все явления (включая социум и крупные импакторы), что происходит на Земле [Леви, Задонина, Бердникова и др., 2003; Задонина, 2007;

Задонина, Леви, Язев, 2007]. И, наконец, было показано, что 11-летняя цикличность солнечной активности обусловлена не собственной внутренней динамикой Солнца как звезды, а сложной моментной динамикой всей Солнечной системы. Такая вихревая динамика солнечных пятен, в основном, определяется Юпитером и Сатурном, которые в сумме «обладают» около 90% всего собственного и орбитального моментов Солнечной системы (глава 10, раздел «Новый диалог с Природой»; см. также [Пономарева, 2007]).