RU2251662C2 - Method and device for simulating western drift of solid core of planet (versions) - Google Patents

Method and device for simulating western drift of solid core of planet (versions) Download PDF

Info

Publication number
RU2251662C2
RU2251662C2 RU2003123074/28A RU2003123074A RU2251662C2 RU 2251662 C2 RU2251662 C2 RU 2251662C2 RU 2003123074/28 A RU2003123074/28 A RU 2003123074/28A RU 2003123074 A RU2003123074 A RU 2003123074A RU 2251662 C2 RU2251662 C2 RU 2251662C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
rotation
vessel
thread
ball
core
Prior art date
Application number
RU2003123074/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2003123074A (en
Inventor
А.Я. Гохштейн (RU)
А.Я. Гохштейн
Original Assignee
Гохштейн Александр Яковлевич
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Гохштейн Александр Яковлевич filed Critical Гохштейн Александр Яковлевич
Priority to RU2003123074/28A priority Critical patent/RU2251662C2/en
Publication of RU2003123074A publication Critical patent/RU2003123074A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2251662C2 publication Critical patent/RU2251662C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: astrophysics.
SUBSTANCE: method and device can be used for investigation of deep dynamics of planets. Weight in form of body of rotation is suspended by means of thread on the support mounted for rotation around vertical axis. Weight is submerged into fluid disposed inside vessel which is capable of rotating around the other vertical axis and distance between vertical axes of rotation of support and vessel is preset. Vessel is driven into rotation at permanent angular velocity and supported is rotated synchronously with rotation of the weight. While changing distance between axes of rotation, maximal angular velocity of weight is measured relatively the distance. Influence of solid core's tidal shift is evaluated on velocity of its western drift is evaluated on the base of the dependence found before. The relation of (Ω-ω)/Ω=s/r is used, where r is radius of sphere taken as model of solid core, s is distance between axes of rotation of vessel and core taken as an analog of tidal shift of solid core, Ω is permanent angular velocity of vessel, (Ω-ω)is analog of angular velocity of western drift. According to the other version of the method, vessel and sphere suspended on the thread are both put into rotation with different permanent velocities and distances between their axes of rotation are found at which distances angle of thread twist equals to zero. Device has two pulleys having vertical axes of rotation. Vessel containing fluid is mounted onto lower pulley and sphere is suspended by means of thread on top pulley admitting horizontal movement. Simulation represents western drift of geomagnetic field from where follows that the source of the field has to be solid magnetized envelope of internal core subjected to periodical heating till melting and changing polarity at repeated hardening. Thickness of the envelope is limited by change of phase in FeH at sharp drop of pressure of melting lower than 3000GPa. Raise in frequency of field inversions is caused by deposition of thorium dioxide on the envelope which interrupts once every 100 million years due to convective collapse in external liquid core. Pressure of 300GPa splits d-zone of electrons of envelope to form filled subzone being spin-noncompensated and isolated from Fermi level by energy gap which allows excluding influence of temperature on magnetic order. The phenomenon is called as baromagnetism.
EFFECT: improved comfort at exploitation.
23 cl, 55 dwg

Description

Изобретение относится к области астрофизики и может быть использовано для исследования глубинной динамики планет, а также как наглядное пособие при изложении внутреннего строения Земли в учебных заведениях.The invention relates to the field of astrophysics and can be used to study the deep dynamics of the planets, as well as a visual aid when setting out the internal structure of the Earth in educational institutions.

Известен способ измерения вязкости, использующий течение жидкости между коаксиальными цилиндрами (Г.Шлихтинг, Теория пограничного слоя, М.: Наука, 1969, с.86). Известны способы фиксации направления в пространстве, основанные на инерции погруженных в жидкость вращающихся тел (патент Российской Федерации 2116623, м.кл. G 01 С 19/20, 1998), известны навигационные устройства с поплавковыми гироскопами (авторское свидетельство РФ 1779129, м.кл. G 01 С 19/20, 1996, европейский патент ЕР 0226084 В1, м.кл. G 01 С 19/20, 1992). Поплавковые гироскопы содержат корпус, ротор, приводимый во вращение внешним двигателем и имеющий частично заполненную жидкостью сферическую полость, внутри которой с зазором расположен поплавок. Параметры поплавка и жидкости удовлетворяют условию нулевой плавучести. Вращение ротора приводит к вращению поплавка, который ввиду отсутствия связей центрируется внутри сферической полости.A known method of measuring viscosity using a fluid flow between coaxial cylinders (G. Schlichting, Theory of the boundary layer, M .: Nauka, 1969, p. 86). Known methods for fixing the direction in space, based on the inertia of rotating bodies immersed in a fluid (patent of the Russian Federation 2116623, meter class G 01 C 19/20, 1998), navigation devices with float gyroscopes (copyright certificate of the Russian Federation 1779129, meter class G 01 C 19/20, 1996, European patent EP 0226084 B1, M.C. G 01 C 19/20, 1992). Float gyroscopes contain a housing, a rotor driven into rotation by an external motor and having a spherical cavity partially filled with liquid, inside of which a float is located with a gap. The parameters of the float and liquid satisfy the condition of zero buoyancy. The rotation of the rotor leads to the rotation of the float, which, due to the absence of bonds, is centered inside the spherical cavity.

Эффект центрирования противоположен условиям западного дрейфа твердого ядра планеты. В формировании дрейфа существенны три физических фактора:The centering effect is the opposite of the conditions of the western drift of the solid core of the planet. Three physical factors are essential in the formation of a drift:

1) центробежное смещение ядра в полости мантии планеты,1) centrifugal displacement of the core in the cavity of the mantle of the planet,

2) движение центра масс ядра относительно мантии по орбите с радиусом, равным центробежному смещению,2) the motion of the center of mass of the core relative to the mantle in orbit with a radius equal to centrifugal displacement,

3) вращательный отрыв потока от поверхности ядра.3) rotational separation of the flow from the surface of the core.

Тяготение ядра к центру масс планеты пропорционально квадрату смещения, тогда как центробежная сила пропорциональна первой степени смещения и потому преобладает при смещениях, малых по сравнению с радиусом ядра. Как следствие, расстояние центра масс ядра от оси вращения планеты составляет 1.31 км у Земли и приблизительно 100 км у Юпитера при радиусах ядер 1670 км (с оболочкой) и 9000 км, соответственно.The gravitation of the core toward the center of mass of the planet is proportional to the square of the displacement, while the centrifugal force is proportional to the first degree of displacement and therefore prevails at displacements small compared to the radius of the nucleus. As a result, the distance of the center of mass of the nucleus from the axis of rotation of the planet is 1.31 km near the Earth and approximately 100 km at Jupiter with the radii of the nuclei 1670 km (with a shell) and 9000 km, respectively.

Отставание ядра от мантии на центробежной орбите - результат потери скорости из-за переноса массы при циклическом плавлении поверхностного слоя ядра. Вращательный отрыв потока расплавленной среды создает у поверхности смещенного ядра область с обратным течением, которое тормозит вращение ядра.Lagging of the core from the mantle in a centrifugal orbit is the result of a loss of speed due to mass transfer during cyclic melting of the surface layer of the core. Rotational separation of the flow of molten medium creates a region with a reverse flow at the surface of the displaced core, which inhibits the rotation of the core.

Указанные особенности моделируемого явления не предусмотрены в известных способах и устройствах, которые поэтому не могут быть применены для решения задачи, поставленной в настоящем изобретении. Проведенный анализ литературы позволяет заключить, что способы моделирования западного дрейфа твердого ядра планеты и устройства для их осуществления не известны.These features of the simulated phenomenon are not provided in the known methods and devices, which therefore cannot be applied to solve the problem posed in the present invention. The literature analysis allows us to conclude that the methods for modeling the western drift of the solid core of the planet and the devices for their implementation are not known.

По косвенным признакам в литературе выдвинуто и широко распространено противоположное мнение - что твердое ядро Земли вращается относительно мантии и литосферы в восточном направлении, то есть опережает их, имея более высокую угловую скорость, и таким образом совершает восточный дрейф (X.Song, P.G.Richards, Nature, 18 July 1996, Vol.382, No.6588, р.221-224; рисунок Земли с восточным дрейфом твердого ядра вынесен крупным планом на обложку этого номера журнала).According to indirect signs in the literature, the opposite opinion has been put forward and widely disseminated - that the solid core of the Earth rotates eastward relative to the mantle and lithosphere, i.e. ahead of them, having a higher angular velocity, and thus makes an eastern drift (X.Song, PGRichards, Nature, July 18, 1996, Vol.382, No.6588, p. 212-224; a drawing of the Earth with the eastern drift of the solid core is shown in close-up on the cover of this issue of the journal).

Опыты, лежащие в основе предлагаемого способа, приводят к физически обоснованному и полностью достоверному выводу о западном дрейфе твердого ядра Земли, то есть об отставании твердого ядра от мантии и литосферы в процессе вращения.The experiments underlying the proposed method lead to a physically sound and completely reliable conclusion about the western drift of the Earth’s solid core, that is, about the lag of the solid core from the mantle and lithosphere during rotation.

Цель предлагаемых способа и устройства состоит в том, чтобы дать прямые экспериментальные средства для количественного исследования этого явления и для включения его в образовательные программы ввиду познавательного и эстетического значения связанных с ним вопросов.The purpose of the proposed method and device is to provide direct experimental means for the quantitative study of this phenomenon and for its inclusion in educational programs in view of the cognitive and aesthetic significance of the issues associated with it.

Сущность предлагаемого способа моделирования западного дрейфа твердого ядра планеты состоит в сочетании двух (казалось бы лабораторно несовместимых) условий: 1) смещение центра модели ядра относительно оси вращения модели мантии, 2) полное устранение влияния связей на вращение модели ядра так, как если бы модель находилась в невесомости. Такое сочетание позволяет создать в эксперименте характерные для твердого ядра условия свободного вращения при эксцентричном расположении во вращающейся жидкой среде.The essence of the proposed method for modeling the western drift of the solid core of the planet consists in a combination of two (seemingly laboratory incompatible) conditions: 1) the displacement of the center of the core model relative to the axis of rotation of the mantle model, 2) the complete elimination of the influence of bonds on the rotation of the core model as if the model were in zero gravity. Such a combination makes it possible to create experimentally characteristic for a solid core conditions of free rotation with an eccentric arrangement in a rotating liquid medium.

Ввиду этого основанный на предлагаемом способе метод исследований может быть назван методом аксиальной невесомости.In view of this, the research method based on the proposed method can be called the axial zero gravity method.

Моделью твердого ядра в данном способе служит шар, подвешенный на нити, которая обеспечивает заданное радиальное смещение модели. Чтобы исключить сопротивление упругого закручивания нити, ее вращают синхронно с шаром. Тангенциальный снос шара потоком вращающейся жидкости достаточно мал и практически не влияет на величину радиального смещения.The model of the solid core in this method is a ball suspended on a thread, which provides a given radial displacement of the model. To eliminate the resistance of elastic twisting of the thread, it is rotated synchronously with the ball. The tangential drift of the ball by the flow of a rotating fluid is quite small and practically does not affect the magnitude of the radial displacement.

Основным процессом моделирования является установившееся синхронное вращение шара и незакрученной нити. Приход к этому состоянию обеспечен в способе тем, что закручивание нити исключено также на начальной стадии вращения шара, которая следует за включением двигателя и началом вращения сосуда. На указанной начальной стадии вращения угловые скорости шара и нити одинаково возрастают во времени.The main modeling process is the steady synchronous rotation of the ball and the untwisted thread. The approach to this state is ensured in the method in that the spinning of the thread is also excluded at the initial stage of rotation of the ball, which follows the turning on of the engine and the beginning of rotation of the vessel. At the indicated initial stage of rotation, the angular velocities of the ball and thread equally increase in time.

Груз в форме шара подвешивают с помощью нити на опоре, имеющей возможность вращения вокруг вертикальной оси и выполненной в форме шкива. Груз погружают в жидкость, находящуюся в сосуде, который имеет возможность вращения вокруг другой вертикальной оси, задают расстояние между вертикальными осями вращения опоры и сосуда, приводят сосуд во вращение с постоянной угловой скоростью. Увлекаемый жидкостью, начинает вращаться и груз, угловая скорость которого постепенно возрастает до определенного предела, после чего становится постоянной.A ball-shaped load is suspended using a thread on a support having the ability to rotate around a vertical axis and made in the form of a pulley. The load is immersed in a liquid located in a vessel that can rotate around another vertical axis, the distance between the vertical axes of rotation of the support and the vessel is set, the vessel is rotated at a constant angular velocity. Carried away by the liquid, the load also begins to rotate, the angular velocity of which gradually increases to a certain limit, after which it becomes constant.

Контролируя вращение груза, например, по метке на его поверхности, синхронно с вращением груза вращают опору нити. Количественно это выражается в том, что число оборотов опоры поддерживают равным числу оборотов груза с момента начала вращения сосуда - в начальный период углового ускорения груза и после выхода на стационарный режим, когда угловая скорость груза становится постоянной. В стационарном режиме вращения оценивают предельную угловую скорость груза, которая совпадает с фактически достигнутой скоростью.Controlling the rotation of the load, for example, by a mark on its surface, synchronously with the rotation of the load rotate the support of the thread. Quantitatively, this is expressed in the fact that the number of revolutions of the support is maintained equal to the number of revolutions of the cargo from the moment the vessel begins to rotate - in the initial period of the angular acceleration of the cargo and after reaching the stationary mode when the angular velocity of the cargo becomes constant. In the stationary mode of rotation, the limiting angular velocity of the load is estimated, which coincides with the actually achieved speed.

Варьируют расстояние между осями вращения и находят зависимость предельной скорости груза от указанного расстояния. Начальный участок найденной зависимости представляют асимптотическим уравнением, показывающим линейную связь угловой скорости западного дрейфа твердого ядра планеты со смещением центра ядра от оси вращения мантии:The distance between the axes of rotation is varied and the dependence of the maximum speed of the load on the specified distance is found. The initial portion of the found dependence is represented by an asymptotic equation showing a linear relationship between the angular velocity of the western drift of the solid core of the planet and the displacement of the center of the core from the axis of rotation of the mantle:

(Ω -ω )/Ω =s/r, (1)(Ω -ω) / Ω = s / r, (1)

гдеWhere

r - радиус шара как модели твердого ядра,r is the radius of the ball as a model of a solid core,

s - расстояние между осями вращения сосуда и шара как аналог смещения твердого ядра,s is the distance between the axis of rotation of the vessel and the ball as an analogue of the displacement of the solid core,

Ω - постоянная угловая скорость сосуда,Ω is the constant angular velocity of the vessel,

ω - предельная угловая скорость шара,ω is the limiting angular velocity of the ball,

Ω -ω - величина, соответствующая угловой скорости западного дрейфа.Ω -ω is the value corresponding to the angular velocity of the western drift.

В условиях моделирования дрейфа твердого ядра расстояние между осями вращения сосуда и опоры нити практически совпадает с расстоянием между осями вращения сосуда и шара. Регулировка устройства и ограничение скорости вращения дают возможность достичь этого совпадения с любой необходимой точностью.In the conditions of simulating the drift of a solid core, the distance between the axes of rotation of the vessel and the support of the thread practically coincides with the distance between the axes of rotation of the vessel and the ball. Adjusting the device and limiting the speed of rotation make it possible to achieve this coincidence with any necessary accuracy.

Равенство чисел оборотов опоры и груза поддерживают с точностью до одного оборота, которую контролируют по степени закручивания нити. Такая точность приемлема при диаметре нити 0.1 мм и менее. Конструкция предложенного устройства позволяет при необходимости улучшить точность синхронного вращения до 0.01 оборота (до 3-х угловых градусов).The equality of the speed numbers of the support and the load is supported with an accuracy of one revolution, which is controlled by the degree of twisting of the thread. This accuracy is acceptable with a thread diameter of 0.1 mm or less. The design of the proposed device allows, if necessary, to improve the accuracy of synchronous rotation up to 0.01 revolution (up to 3 angular degrees).

Вращение сосуда продолжают вплоть до прекращения монотонного роста угловой скорости груза со временем, что служит признаком установления стационарного режима вращения и практического достижения предельной скорости груза с относительно малыми флуктуациями. Используют сосуд в форме усеченной сферы, например круглую стеклянную колбу. В качестве нити применяют нейлоновое моноволокно.The rotation of the vessel continues until the monotonous increase in the angular velocity of the load with time ceases, which is a sign of establishing a stationary rotation mode and the practical achievement of the maximum speed of the load with relatively small fluctuations. Use a vessel in the shape of a truncated sphere, for example a round glass flask. As a thread, nylon monofilament is used.

Полезен также другой вариант предлагаемого способа моделирования западного дрейфа твердого ядра планеты, который имеет ту особенность, что во вращение с постоянными угловыми скоростями с самого начала моделирования приводят и сосуд и опору. При фиксированном отношении угловых скоростей сосуда и опоры варьируют расстояние между осями их вращения и контролируют угол закручивания нити. Находят расстояния, соответствующие отсутствию закручивания, по которым судят о влиянии приливного смещения твердого ядра на угловую скорость отставания ядра от мантии при вращении планеты.Another variant of the proposed method for modeling the western drift of the solid core of the planet is also useful, which has the feature that both the vessel and the support are brought into rotation with constant angular velocities from the very beginning of the simulation. With a fixed ratio of the angular velocities of the vessel and the support, the distance between the axes of their rotation is varied and the angle of twisting of the thread is controlled. The distances corresponding to the absence of twisting are found, which are used to judge the effect of the tidal displacement of the solid core on the angular velocity of the backlog of the core from the mantle during planet rotation.

В общем случае каждому отношению угловых скоростей соответствуют два значения указанного межосевого расстояния, при которых нить не закручивается, то есть не оказывает влияния на вращение шара.In the general case, to each ratio of angular velocities there correspond two values of the indicated center distance at which the thread does not twist, that is, does not affect the rotation of the ball.

Второй вариант способа предоставляет возможность автоматического моделирования при каком-либо одном расстоянии между осями сосуда и опоры. Автоматизм заключается в том, что стационарное вращение без закручивания нити не требует участия экспериментатора. Это делает второй вариант способа полезным, в частности, для демонстрации дрейфа ядра планеты на занятиях в учебных заведениях.The second variant of the method provides the ability to automatically simulate at any one distance between the axes of the vessel and support. Automatism lies in the fact that stationary rotation without twisting the thread does not require the participation of an experimenter. This makes the second variant of the method useful, in particular, for demonstrating the drift of the planetary core in the classroom at educational institutions.

Наряду с независимым применением второго варианта способа, этот вариант может быть использован непосредственно после первого варианта способа. В этом случае моделирование производят в две стадии: сначала во вращение с постоянной угловой скоростью приводят сосуд, а опору вращают с ускорением, равным ускорению вращения шара, до достижения шаром предельной скорости вращения (первый вариант способа), после чего скорость вращения опоры фиксируют на постоянном уровне (второй вариант способа). Фиксация скорости опоры, достигаемая, например, пуском ременной передачи, исключает ее визуальное согласование со скоростью вращения шара и переводит устройство на автоматическую работу.Along with the independent application of the second variant of the method, this variant can be used immediately after the first variant of the method. In this case, the simulation is carried out in two stages: first, the vessel is brought into rotation with a constant angular velocity, and the support is rotated with an acceleration equal to the acceleration of rotation of the ball until the ball reaches the maximum rotation speed (first version of the method), after which the rotation speed of the support is fixed at a constant level (second variant of the method). Fixing the speed of the support, achieved, for example, by starting a belt drive, eliminates its visual coordination with the speed of rotation of the ball and puts the device into automatic operation.

Фиксированная скорость опоры определяется передаточным отношением шкивов и колес устройства. Если она установлена приближенно, то после фиксации скорости опоры возможно различие в скоростях опоры и шара, которое подлежит устранению в процессе применения второго варианта способа. При таком совместном использовании первый и второй варианты способа служат, соответственно, первым и вторым приближением, что повышает точность измерений при моделировании.The fixed speed of the support is determined by the gear ratio of the pulleys and wheels of the device. If it is installed approximately, then after fixing the speed of the support, a difference in the speeds of the support and the ball is possible, which must be eliminated in the process of applying the second variant of the method. With this combination, the first and second variants of the method serve, respectively, as the first and second approximations, which increases the accuracy of the measurements during simulation.

Предлагаемое устройство для моделирования западного дрейфа твердого ядра планеты содержит раму, два шкива, установленных один под другим на вертикальных осях с возможностью изменения расстояния между осями и с возможностью передачи вращения от одного шкива другому через вертикальный вал.The proposed device for modeling the western drift of the solid core of the planet contains a frame, two pulleys mounted one below the other on the vertical axes with the possibility of changing the distance between the axes and with the possibility of transmitting rotation from one pulley to another through a vertical shaft.

На нижнем шкиве расположен сосуд с жидкостью, на верхнем шкиве с помощью нити подвешен груз, погруженный в жидкость, нижний шкив соединен с двигателем, верхний шкив снабжен средством контроля закрутки нити и средством ограничения указанной закрутки, сосуд и груз имеют метки для отсчета числа оборотов.A vessel with a liquid is located on the lower pulley, a load immersed in the liquid is suspended using a thread on the upper pulley, the lower pulley is connected to the engine, the upper pulley is equipped with means for controlling the twisting of the thread and means for limiting the specified twist, the vessel and cargo have marks for counting the speed.

Ось нижнего шкива закреплена на основании рамы и несет подшипник качения, наружное кольцо которого размещено в цилиндрическом гнезде нижнего шкива. На вертикальном валу закреплены нижнее и верхнее приводные колеса, соединенные ременными передачами, соответственно, с нижним и верхним шкивами, которые имеют канавки для ремней, а соединение нижнего шкива с двигателем осуществлено посредством фрикционной передачи, перекрывающей канавку с ремнем.The axis of the lower pulley is fixed to the base of the frame and carries a rolling bearing, the outer ring of which is located in the cylindrical socket of the lower pulley. The lower and upper drive wheels are attached to the vertical shaft, connected by belt drives, respectively, to the lower and upper pulleys, which have grooves for belts, and the lower pulley is connected to the engine by means of a friction gear that overlaps the groove with the belt.

Ось верхнего шкива выполнена в форме цилиндрической трубки, скрепленной со шкивом и вставленной в подшипник. Сверху на трубку одет блок центрирования нити, от которого нить спускается к шару и свободно, то есть с зазором, размещена внутри трубки.The axis of the upper pulley is made in the form of a cylindrical tube, fastened to the pulley and inserted into the bearing. The thread centering unit is dressed on top of the tube, from which the thread descends to the ball and is freely, that is, with a gap, placed inside the tube.

Блок центрирования нити включает цилиндрический колпачок с торцевым отверстием для нити, колпачок одет с зазором на трубку, а его ось с помощью винта смещена от оси трубки на расстояние, равное разности радиусов нити и торцевого отверстия. Подшипник трубки соединен опорной пластиной с горизонтальным микрометрическим винтом, а ременная передача верхнего шкива имеет натяжной ролик. На поверхность верхнего шкива нанесена кольцевая шкала углов поворота, а указатель угла поворота закреплен на опорной пластине.The thread centering unit includes a cylindrical cap with an end hole for the thread, the cap is dressed with a gap on the tube, and its axis is offset from the tube axis by a screw by a distance equal to the difference between the radii of the thread and the end hole. The tube bearing is connected by a support plate to a horizontal micrometer screw, and the belt drive of the upper pulley has a tension roller. An annular scale of rotation angles is applied to the surface of the upper pulley, and a rotation angle indicator is mounted on the base plate.

Нижний конец нити заключен в гибкую втулку, имеющую расширение и вставленную в осевой канал винта, а груз имеет отверстие с резьбой под указанный винт. Сосуд имеет крышку с центральным отверстием и радиальными ребрами, нижние части которых погружены в жидкость. Такие ребра приводят во вращение поверхностный слой жидкости в сосуде, что позволяет исключить погрешность, вносимую торможением поверхности жидкости грузом.The lower end of the thread is enclosed in a flexible sleeve having an extension and inserted into the axial channel of the screw, and the load has a threaded hole for the specified screw. The vessel has a lid with a central hole and radial ribs, the lower parts of which are immersed in liquid. Such ribs rotate the surface layer of liquid in the vessel, which eliminates the error introduced by the inhibition of the surface of the liquid by the load.

Груз выполнен в форме шара. При расстоянии между осями, превышающем диаметр шара, более эффективно вращение жидкости крышкой в форме зонта, ствол которого закреплен в донной части сосуда.The load is made in the shape of a ball. When the distance between the axes exceeds the diameter of the ball, it is more efficient to rotate the liquid with a cover in the form of an umbrella, the barrel of which is fixed in the bottom of the vessel.

Средство контроля закрутки нити включает вспомогательную нить, скрепленную с грузом и натянутую с помощью противовесов. При отсутствии закрутки основной нити указанная вспомогательная нить не оказывает влияния на вращение груза.The means for controlling the spin of the thread includes an auxiliary thread fastened with a load and stretched by means of counterweights. If there is no twist of the main thread, the specified auxiliary thread does not affect the rotation of the load.

Противовесы позволяют установить натяжение вспомогательной нити независимо от натяжения основной нити, которое определяется разностью весов груза и вытесненной им жидкости. Контроль закрутки может быть произведен также с помощью одного или нескольких липких флажков, прикрепленных к нити над уровнем жидкости в сосуде.Counterweights allow you to set the tension of the auxiliary thread, regardless of the tension of the main thread, which is determined by the difference in the weight of the cargo and the liquid displaced by it. Spin control can also be done using one or more sticky flags attached to the thread above the liquid level in the vessel.

Средством ограничения закрутки нити является рукоятка, установленная над верхним шкивом, что дает возможность вращать опору от руки в такт вращению шара. В условиях вращения сосуда со скоростью, меньшей одного оборота в секунду, вращение опоры от руки, усредненное по 10 оборотам шара, дает при измерении предельной угловой скорости шара результаты, воспроизводимые с точностью до десятой доли процента. Рукоятка свободно одета на ось верхнего шкива и фиксирована винтом. Такое выполнение рукоятки позволяет согласовать ее исходную ориентацию с меткой на шаре и сохранять это соответствие в процессе вращения.A means of limiting the spin of the thread is a handle mounted above the upper pulley, which makes it possible to rotate the support by hand in time with the rotation of the ball. Under conditions of rotation of the vessel at a speed of less than one revolution per second, the rotation of the support by hand, averaged over 10 revolutions of the ball, gives results when measuring the maximum angular velocity of the ball, reproducible to the nearest tenth of a percent. The handle is loosely mounted on the axis of the upper pulley and fixed with a screw. This embodiment of the handle allows you to coordinate its initial orientation with the mark on the ball and maintain this correspondence during rotation.

На дне сосуда расположен амортизатор в виде пластины, предохраняющей сосуд от повреждения при случайном падении груза. Пластина составлена из отдельных листов резины, что повышает ее демпфирующую способность.At the bottom of the vessel there is a shock absorber in the form of a plate that protects the vessel from damage in the event of an accidental drop in cargo. The plate is composed of individual sheets of rubber, which increases its damping ability.

Верхняя часть рамы устройства включает два разделенные зазором параллельные стержня, лежащие на полках, поддерживаемых стойками, а основание рамы опирается на перекладины, имеющие винты регулировки уровня.The upper part of the device frame includes two parallel rods separated by a gap lying on the shelves supported by the uprights, and the base of the frame rests on the crossbars having level adjustment screws.

По средней линии ременной передачи верхний и нижний шкивы имеют одинаковые диаметры, а отношение диаметров верхнего и нижнего приводных колес удовлетворяет условиюOn the middle line of the belt drive, the upper and lower pulleys have the same diameters, and the ratio of the diameters of the upper and lower drive wheels satisfies the condition

D12/D11=1-(s/r) при s/r≤ 0.1, (2)D 12 / D 11 = 1- (s / r) for s / r≤ 0.1, (2)

где D12 - диаметр верхнего приводного колеса,where D 12 is the diameter of the upper drive wheel,

D11 - диаметр нижнего приводного колеса,D 11 - the diameter of the lower drive wheel,

s - расстояние между осями вращения сосуда и шара, совпадающее с расстоянием между осями вращения верхнего и нижнего шкивов,s is the distance between the axis of rotation of the vessel and the ball, coinciding with the distance between the axis of rotation of the upper and lower pulleys,

r - радиус шара.r is the radius of the ball.

Сущность изобретения и его приложений поясняются чертежами, имеющими следующее содержание.The invention and its applications are illustrated by drawings having the following contents.

Фиг.1 - Устройство, реализующее способ моделирования западного дрейфа твердого ядра планеты (общий вид с имитацией прозрачности стеклянного сосуда, через стенку которого виден шар, моделирующий погруженное в жидкий расплав твердое ядро Земли). Фиг.2 - Вид А на фиг.1. Фиг.3 - Блок верхнего шкива. Фиг.4 - Разрез Б-Б на фиг.3. Фиг.5 - Блок нижнего шкива. Фиг.6 - Блок центрирования нити. Фиг.7 - Разрез В-В на фиг.6. Фиг.8 - Блок крепления нити. Фиг.9 - Узел соединения нити и шара. Фиг.10 - Кинематическая схема устройства, поясняющая его работу. Фиг.11 - Сосуд с радиальными ребрами, используемыми для вращения свободной поверхности жидкости при положении шара, близком к центральному. Фиг.12 - Сосуд с центрированной крышкой, используемый при смещении шара, превышающем его радиус.Figure 1 - A device that implements the method of modeling the western drift of the solid core of the planet (a general view with an imitation of the transparency of a glass vessel, through the wall of which you can see a ball simulating the solid core of the Earth immersed in a liquid melt). Figure 2 - View A in figure 1. Figure 3 - Block of the upper pulley. Figure 4 - Section bB in figure 3. Figure 5 - Block of the lower pulley. 6 - Block centering the thread. Fig.7 - Section bb in Fig.6. Fig - Block mounting thread. Fig.9 - The node connecting the thread and the ball. Figure 10 - Kinematic diagram of the device explaining its operation. 11 - A vessel with radial ribs used to rotate the free surface of the liquid at a ball position close to central. Fig - Vessel with a centered lid, used when the displacement of the ball in excess of its radius.

Фиг.13 - Средство контроля закрутки нити, включающее сложенную вдвое дополнительную нить. Фиг.14 - Дополнительная нить в виде петли с противовесами на концах. Фиг.15 - Шайба для сцепления дополнительной нити с шаром. Фиг.16 - Вид Г на фиг.15. Фиг.17 - Скрещенные концы дополнительной нити при закрутке основной нити на пол-оборота. Фиг.18 - Блок подвеса дополнительной нити. Фиг.19 - Вид Д на фиг.18.Fig - Means of control of the twist of the thread, including folded in half an additional thread. Fig. 14 - An additional thread in the form of a loop with counterweights at the ends. Fig - Washer for coupling an additional thread with a ball. Fig. 16 is a view of D in Fig. 15. Fig - Crossed ends of the additional thread when twisting the main thread half a turn. Fig. 18 illustrates an additional thread suspension unit. Fig.19 - View D in Fig.18.

Фиг.20 - Вариант выполнения устройства. Фиг.21 - Вид Е на фиг.20; фиг.22 - Разрез Ж-Ж на фиг.20. Фиг.23 - Схема замера смещения нити с подвешенным шаром; при учете диаметра нити такой замер эквивалентен замеру расстояния между осями вращения сосуда и груза.Figure 20 is an embodiment of the device. Fig.21 - View E in Fig.20; Fig.22 - Section FJ in Fig.20. Fig - Scheme of measuring the bias of the thread with a suspended ball; when considering the diameter of the thread, such a measurement is equivalent to measuring the distance between the axis of rotation of the vessel and the load.

Фиг.24 - Схема определения центрального положения шара в сосуде по излому на зависимости угловой скорости ω шара от расстояния s между осями вращения сосуда и шара. Показаны возможные траектории перемещения оси Р вращения верхнего шкива относительно оси Q вращения нижнего шкива при регулировке смещения: 1) ось Р совместима с осью Q (сплошная горизонтальная линия, отсчет вдоль которой дает истинное значение s), 2) ось Р движется мимо оси Q с минимальным расстоянием между осями smin (пунктирная горизонтальная линия, отсчет вдоль которой дает кажущееся значение s). Указанным траекториям соответствуют сплошная и пунктирная линии в координатах ω /Ω , s/r.Fig - Scheme for determining the central position of the ball in the vessel according to the fracture on the dependence of the angular velocity ω of the ball on the distance s between the axes of rotation of the vessel and the ball. The possible trajectories of the rotation axis P of the rotation of the upper pulley relative to the axis Q of rotation of the lower pulley are shown when adjusting the displacement: 1) the axis P is compatible with the axis Q (solid horizontal line, reading along which gives the true value s), 2) the axis P moves past the axis Q with the minimum distance between the axes s min (a dashed horizontal line, counting along which gives the apparent value of s). The indicated trajectories correspond to the solid and dashed lines in the coordinates ω / Ω, s / r.

Фиг.25 - График вращения шара “угол φ - время t” под влиянием закрутки φ 0 нити на один оборот (φ 0=2π ) и на пол-оборота (φ 0=π ); закрутка произведена в момент времени t=0 и далее поддерживается постоянной путем синхронного вращения шкива, на котором закреплена нить, с той же скоростью, что и шар.Fig - Graph of rotation of the ball “angle φ - time t” under the influence of the spin φ 0 of the thread per revolution (φ 0 = 2π) and half a revolution (φ 0 = π); the twist was made at time t = 0 and then kept constant by synchronously rotating the pulley on which the thread is fixed, at the same speed as the ball.

Фиг.26 - График затухающих колебаний шара после устранения закрутки величиной в один оборот (графики фиг.25 и 26 получены для шара диаметром 68 мм и массой 285 г, подвешенного на нейлоновом волокне диаметром 0.07 мм длиной 220 мм в центре сферического сосуда, полость которого с диаметром 230 мм заполнена водой).Fig. 26 is a graph of the damped oscillations of a ball after eliminating a twist of one revolution in magnitude (the graphs of Figs. 25 and 26 are obtained for a ball with a diameter of 68 mm and a mass of 285 g suspended on a nylon fiber with a diameter of 0.07 mm and a length of 220 mm in the center of a spherical vessel, the cavity of which with a diameter of 230 mm filled with water).

Фиг.27 - Измеренное предложенным способом отношение угловой скорости ω шара к угловой Скорости Ω сосуда как функция отношения смещения s шара к радиусу r шара, ω /Ω =f(s/r). Найденная здесь функция имеет универсальный характер: не зависит от размера шара и скорости вращения жидкости для чисел Рейнольдса Re>30 (измерения проведены в диапазоне Re от 50 до 2000; смещение s равно расстоянию между осями вращения шара и сосуда).Fig - Measured by the proposed method, the ratio of the angular velocity ω of the ball to the angular Speed Ω of the vessel as a function of the ratio of the displacement s of the ball to the radius r of the ball, ω / Ω = f (s / r). The function found here has a universal character: it does not depend on the size of the ball and the liquid rotation speed for Reynolds numbers Re> 30 (measurements were carried out in the Re range from 50 to 2000; the displacement s is equal to the distance between the axis of rotation of the ball and the vessel).

Начальный линейный участок этой зависимости, выраженный асимптотой (Ω -ω )/Ω =s/r, может быть применен к твердому ядру планеты. Вместе с покрывающей его магнитной оболочкой твердое ядро Земли имеет в настоящее время радиус r=1.67· 106 м.The initial linear portion of this dependence, expressed by the asymptote (Ω -ω) / Ω = s / r, can be applied to the solid core of the planet. Together with the magnetic shell covering it, the solid core of the Earth currently has a radius r = 1.67 · 10 6 m.

Фиг.28 - Схема твердого ядра Земли, совершающего западный дрейф с угловой скоростью δ =Ω -ω . Прямая N-S - проходящая через центр масс ядра ось собственного его вращения, параллельная оси вращения мантии Земли и смещенная от последней оси на расстояние s. G=Ks2 - тяготение ядра к оси вращения мантии, К - коэффициент, не зависящий от s. Пунктирная окружность - немагнитное субъядро под магнитной оболочкой. Ориентация северного полюса центрального магнитного диполя (в сторону географического севера) показана сплошной конической стрелкой и соответствует состоянию до последней инверсии магнитного поля (780 тысяч лет назад). В настоящее время диполь имеет обратное направление.Fig. 28 is a diagram of a solid core of the Earth making a western drift with an angular velocity δ = Ω -ω. The straight line NS is the axis of its own rotation passing through the center of mass of the core, parallel to the axis of rotation of the Earth's mantle and offset from the last axis by a distance s. G = Ks 2 is the gravity of the core to the axis of rotation of the mantle, K is a coefficient independent of s. The dotted circle is a non-magnetic subnucleus under the magnetic shell. The orientation of the north pole of the central magnetic dipole (towards the geographical north) is shown by a solid conical arrow and corresponds to the state until the last inversion of the magnetic field (780 thousand years ago). Currently, the dipole is in the opposite direction.

Фиг.29, 30, 31 - Последовательные состояния переменной баромагнитной оболочки твердого субъядра Земли в процессе последней по времени инверсии поля. Направление вектора индукции магнитного поля указано схематически полыми стрелками (по определению, силовые линии, окружающие магнитный диполь, исходят из его северного полюса). Фиг.29 - Оболочка субъядра образована магнитотвердым веществом, а векторы индукции внутри оболочки и внутри субъядра направлены на географический север. Фиг.30 - После плавления оболочка становится магнитомягкой и шунтирует магнитное поле, аккумулированное в субъядре, что сопровождается поворотом вектора индукции в оболочке в сторону географического юга. Фиг.31 - Затвердевание расплава в виде новой баромагнитной оболочки с фиксацией и усилением инвертированного поля, которое постепенно, под влиянием оболочки, проникает также в субъядро. Заштрихованная стрелка характеризует направление и величину магнитного момента эквивалентного центрального диполя.Fig.29, 30, 31 - Successive states of the variable baromagnetic shell of the solid subunit of the Earth during the last inversion of the field. The direction of the magnetic field induction vector is indicated schematically by hollow arrows (by definition, the lines of force surrounding a magnetic dipole come from its north pole). Fig.29 - The shell of the subnucleus is formed by a hard magnetic substance, and the induction vectors inside the shell and inside the subnucleus are directed to geographic north. Fig. 30 - After melting, the shell becomes magnetically soft and shunts the magnetic field accumulated in the subnucleus, which is accompanied by a rotation of the induction vector in the shell towards the geographical south. Fig - Solidification of the melt in the form of a new baromagnetic shell with fixation and amplification of the inverted field, which gradually, under the influence of the shell, penetrates into the subnucleus. The hatched arrow characterizes the direction and magnitude of the magnetic moment of the equivalent central dipole.

Фиг.32, 33 - Промежуточные состояния баромагнитной оболочки. Фиг.32 - Отслаивание наружной части оболочки в процессе плавления. Фиг.33 - Начальная стадия затвердевания оболочки - образование намагниченного кольца вокруг экваториальной области субъядра.Fig, 33 - Intermediate state of the baromagnetic shell. Fig - Peeling the outer part of the shell during the melting process. Fig - The initial stage of hardening of the shell - the formation of a magnetized ring around the equatorial region of the subnucleus.

Фиг.34 - Отталкивание намагниченного твердого ядра его изображениями в движущемся расплаве жидкого ядра. Изображения Iw, Ie в экваториальной области жидкого ядра обусловлены западным дрейфом твердого ядра и стремятся совместить магнитную ось твердого ядра с осью вращения Земли. Изображения In, Is возникают из-за вихревых движений расплава в полярных областях жидкого ядра и препятствуют совмещению указанных осей. Силы отталкивания (стрелки) показаны схематически так, как если бы они действовали между магнитными полюсами твердого ядра и его изображений (кружки со знаками + и -).Fig. 34 - Repulsion of a magnetized solid core by its images in a moving melt of a liquid core. Images I w , I e in the equatorial region of the liquid core are due to the western drift of the solid core and tend to combine the magnetic axis of the solid core with the axis of rotation of the Earth. Images I n , I s arise due to vortex movements of the melt in the polar regions of the liquid core and prevent the alignment of these axes. The repulsive forces (arrows) are shown schematically as if they acted between the magnetic poles of a solid core and its images (circles with + and - signs).

Фиг.35-38 - Стадии проникания тугоплавкого оксида тория в жидкое ядро Земли. Фиг.35 - Окруженное водородной атмосферой и покрытое корой ядро Земли на стадии аккреции. Фиг.36 - Выпадение слоя частиц (кружки) диоксида тория на кору ядра вследствие взрыва сверхновой звезды в окрестности Солнечной системы. Фиг.37 - Формирование мантии над слоем диоксида тория и плавление внешней части ядра. Фиг.38 - Плавление коры ядра под диоксидом тория, погружение твердых частиц диоксида тория в жидкое ядро, поднятие относительно малой доли диоксида тория на поверхность Земли с магмой.Fig. 35-38 - Stages of penetration of the refractory thorium oxide into the liquid core of the Earth. Fig - Surrounded by a hydrogen atmosphere and covered with a crust core of the Earth at the stage of accretion. Fig - Deposition of a layer of particles (circles) of thorium dioxide on the core of the core due to the explosion of a supernova in the vicinity of the solar system. Fig. 37 - Formation of a mantle above a layer of thorium dioxide and melting of the outer part of the core. Fig. 38 - Melting of the core crust under thorium dioxide, immersion of solid thorium dioxide particles in a liquid core, raising a relatively small fraction of thorium dioxide to the Earth's surface with magma.

Фиг.39-42 - Радиальные перемещения облака тугоплавких частиц диоксида тория в жидком ядре Земли. Фиг.39 - Верхнее положение нагретого облака, теплообмен с мантией и усиление магматизма. Фиг.40 - Постепенное оседание частиц диоксида тория в более легком расплаве жидкого ядра. Фиг.41 - Сгущение облака в окрестности субъядра, ускорение циклов плавления и затвердевания баромагнитной оболочки. Фиг.42 - конвективный коллапс жидкого ядра из-за увеличения радиального градиента температуры, вытеснение перегретого облака диоксида тория более холодными потоками расплава с периферии (затем возврат к верхнему положению облака под мантией, согласно фиг.39).Fig.39-42 - Radial movement of a cloud of refractory particles of thorium dioxide in the liquid core of the Earth. Fig. 39 - Upper position of a heated cloud, heat exchange with the mantle, and enhanced magmatism. Fig - Gradual sedimentation of particles of thorium dioxide in a lighter melt of the liquid core. Fig. 41 - Cloud thickening in the vicinity of the subnucleus, acceleration of the melting and solidification cycles of the baromagnetic shell. Fig. 42 shows the convective collapse of the liquid core due to an increase in the radial temperature gradient, displacing an overheated cloud of thorium dioxide with cooler melt flows from the periphery (then returning to the upper position of the cloud under the mantle, according to Fig. 39).

Фиг.43, 44 иллюстрируют состояние вещества баромагнитной оболочки.43, 44 illustrate the state of the substance of the baromagnetic shell.

Фиг.43 - Сравнение относительных плотностей σ железа (Fe) и абсорбированного в металле атомарного водорода (Н) как функций давления при адиабатическом сжатии. Штрихпунктир - экстраполяция известных данных по сжатию чистого водорода путем совмещения начальной плотности с эффективной плотностью водорода в металлах при атмосферном давлении (0.6 г см-3). Пересечение кривых указывает на координату возможного фазового перехода. При построении графика фиг.43 использованы литературные данные по адиабатическому сжатию элементов (в книге “Ударные волны и экстремальные состояния вещества”, ред. В.Е.Фортов, Л.В.Альтшулер, Р.Ф.Трунин, А.И.Фунтиков, М:. Наука, 2000, с.15, 298).Fig - Comparison of the relative densities σ of iron (Fe) and atomic hydrogen (H) absorbed in the metal as functions of pressure under adiabatic compression. Dash-dotted line - extrapolation of known data on the compression of pure hydrogen by combining the initial density with the effective density of hydrogen in metals at atmospheric pressure (0.6 g cm -3 ). The intersection of the curves indicates the coordinate of a possible phase transition. In constructing the graph of FIG. 43, literature data on adiabatic compression of elements were used (in the book “Shock waves and extreme conditions of matter”, as amended by V.E. Fortov, L.V. Altshuler, R.F. Trunin, A.I. Funtikov , M: Nauka, 2000, p. 15, 298).

Фиг.44 - Образование бидиполя в атоме железа как результат концентрации электрического поля сверхвысоким давлением. Спаренные электроны незаполненной внутренней оболочки атома переходят в состояние с параллельными спинами и с нарушением симметрии их орбиты относительно ядра, в результате чего возникают сопряженные магнитный и электрический дипольные моменты с фиксированной взаимной ориентацией, при которой в соответствующих диполях направление от отрицательного заряда (-) к положительному (+) совпадает с направлением от южного магнитного полюса (S) к северному (N). Схематически показана эллиптическая орбита двух электронов (кружки со стрелками, обозначающими спиновые магнитные моменты) вокруг ядра (двойной кружок). Внутри орбиты - условное обозначение бидиполя, электрическая часть которого ориентирована против внешнего поля, исходящего (в виде примера) от обкладок двойного электрического слоя (верхняя обкладка положительна, нижняя - отрицательна).Fig. 44 - The formation of a bidipole in an iron atom as a result of concentration of an electric field by ultrahigh pressure. The paired electrons of the unfilled inner shell of the atom go into a state with parallel spins and with a violation of the symmetry of their orbits relative to the nucleus, resulting in conjugate magnetic and electric dipole moments with a fixed relative orientation, in which the direction from the negative charge (-) to positive in the corresponding dipoles (+) coincides with the direction from the south magnetic pole (S) to the north (N). The elliptical orbit of two electrons (circles with arrows indicating spin magnetic moments) around the nucleus (double circle) is shown schematically. Inside the orbit is the symbol of the bidipole, the electric part of which is oriented against the external field, emanating (as an example) from the plates of the double electric layer (the upper plate is positive, the lower one is negative).

Фиг.45 - Схематическое изображение связи баромагнетизма с бидипольным состоянием вещества.Fig. 45 is a schematic representation of the relationship of baromagnetism with a bi-dipole state of a substance.

Фиг.46 - Расположение зоны d-электронов ферромагнитного вещества типа железа на зависимости плотности состояний η d от энергии ε при относительно низком давлении р<<300 ГПа, fe – распределение Ферми (выделено косой штриховкой).Fig - Location of the d-electron zone of a ferromagnetic substance such as iron on the dependence of the density of states η d on the energy ε at a relatively low pressure p << 300 GPa, f e - Fermi distribution (highlighted by oblique hatching).

Фиг.47 - Деформация зоны d-электронов давлением р=300 ГПа (в координатах фиг.46); усиленное сжатием понижение симметрии кристаллического поля, приводит к расщеплению d-зоны Z0 гидрида железа на полностью занятую и почти свободную части, Z1 и Z2, соответственно (заполненные части d-зоны выделены перекрестной штриховкой, стрелки показывают преимущественную ориентацию спинов). Обусловленное сжатием повышение уровня Ферми ε F ослабляет влияние температуры.Fig. 47 - Deformation of the zone of d-electrons by pressure p = 300 GPa (in the coordinates of Fig. 46); the decrease in the symmetry of the crystal field intensified by compression leads to the splitting of the d-zone Z 0 of the iron hydride into fully occupied and almost free parts, Z 1 and Z 2 , respectively (the filled parts of the d-zone are highlighted by cross-hatching, the arrows show the preferred orientation of the spins). The increase in the Fermi level ε F caused by compression weakens the effect of temperature.

В данных условиях, характерных для баромагнетизма, тепловая энергия не может быть в полной мере передана электронам с некомпенсированными спинами и не может поэтому нарушить магнитного порядка.Under these conditions characteristic of baromagnetism, thermal energy cannot be fully transferred to electrons with uncompensated spins and therefore cannot violate the magnetic order.

Фиг.48 - Распределение температуры Т=T(

Figure 00000002
,t) жидкого ядра вдоль радиуса
Figure 00000003
Земли в последовательные моменты времени t до (t=te) и после (t=ta) конвективного коллапса (вытеснение нагретого расплава от границы с субъядром,
Figure 00000004
=rs, на границу с мантией,
Figure 00000005
=rm); ra и re – радиусы баромагнитной оболочки при t=ta и t=te, соответственно; Тm(
Figure 00000006
) - кривая ABCDEFG плавления гидрида железа FeH с температурным скачком BD, ограничивающим толщину баромагнитной оболочки; Ts(
Figure 00000007
, te) - адиабатическое распределение температуры в пределах от Tα до Тβ ; Тμ и Тσ - температуры плавления и переохлаждения баромагнитной оболочки при
Figure 00000008
=rs; Тρ - максимальная температура на границе с мантией после коллапса.Fig. 48 - Temperature distribution T = T (
Figure 00000002
, t) of the liquid core along the radius
Figure 00000003
Earth at successive times t before (t = t e ) and after (t = t a ) convective collapse (displacement of the heated melt from the boundary with the subnucleus,
Figure 00000004
= r s , to the boundary with the mantle,
Figure 00000005
= r m ); r a and r e are the radii of the baromagnetic shell at t = t a and t = t e , respectively; T m (
Figure 00000006
) is the ABCDEFG curve for the melting of iron hydride FeH with a temperature jump BD that limits the thickness of the baromagnetic shell; T s (
Figure 00000007
, t e ) is the adiabatic temperature distribution ranging from Tα to Tβ; Тμ and Тσ are the melting and supercooling temperatures of the baromagnetic shell at
Figure 00000008
= r s ; Тρ is the maximum temperature at the boundary with the mantle after the collapse.

Ступенчатая форма кривой плавления жидкого ядра - результат пересечения изэнтропы с границей фазового перехода между нормальной (α -[FeH]) и уплотненной (β -[FeH]) формами гидрида железа. Фазовая граница представлена крутым участком BD кривой плавления, пологие участки АВ и DG близки к изэнтропам.The stepped shape of the melting curve of the liquid core is the result of the intersection of the isentropic with the phase transition boundary between the normal (α - [FeH]) and densified (β - [FeH]) forms of iron hydride. The phase boundary is represented by a steep section of the BD melting curve, the gentle sections AB and DG are close to isentropes.

Скачкообразный рост BD температуры плавления гидрида обусловлен уменьшением размера атома водорода в гидриде и совершается в той же области давлений (р≈ 300 ГПа), что переход молекулярного водорода в атомарную металлическую форму (см. фиг.43).The jump-like increase in BD of the hydride melting temperature is due to a decrease in the size of the hydrogen atom in the hydride and occurs in the same pressure range (p ≈ 300 GPa) that the transition of molecular hydrogen into an atomic metal form (see Fig. 43).

Фиг.49 - Распределения концентрации cth(

Figure 00000009
, t) частиц диоксида тория вдоль радиуса
Figure 00000010
жидкого ядра в различные моменты времени t: после вытеснения облака диоксида тория на периферию жидкого ядра (t=ta) и после сгущения облака во внутренней части жидкого ядра (t=te); сi - остаточная концентрация радиоактивных элементов как начало отсчета сth.Fig. 49 - Distribution of concentration c th (
Figure 00000009
, t) thorium dioxide particles along the radius
Figure 00000010
a liquid core at different points in time t: after displacement of a cloud of thorium dioxide to the periphery of the liquid core (t = t a ) and after thickening of the cloud in the inner part of the liquid core (t = t e ); with i - residual concentration of radioactive elements as a reference from th .

Фиг.50 - Цикл изменения частоты ν i инверсий геомагнитного поля со временем t: рост частоты в процессе сгущения облака диоксида тория (интервал времени от ta до te), спад частоты в результате вытеснения облака на периферию жидкого ядра (интервал времени от te до tc; разность tc-ta - период цикла частоты, разность tb-ta - наибольший интервал постоянной полярности перед первой инверсией цикла).Fig. 50 — Cycle of the frequency ν i of the inversions of the geomagnetic field with time t: frequency increase during the thickening of the thorium dioxide cloud (time interval from t a to t e ), frequency decrease as a result of displacement of the cloud to the periphery of the liquid core (time interval from t e to t c ; the difference t c -t a is the period of the frequency cycle, the difference t b -t a is the largest interval of constant polarity before the first inversion of the cycle).

Фиг.51, 52 - Сравнение регулярных интервалов и эпизодов между инверсиями геомагнитного поля. Фиг.51 - Регулярная форма изменения напряженности He поля на экваторе Земли со временем t, характерная для однослойной баромагнитной оболочки; τ a1 и τ a2 – последовательные времена жизни оболочек с постоянной магнитной ориентацией, стрелками указано направление поля в сечении оболочки (схема сечения заключена в окружности).Fig.51, 52 - Comparison of regular intervals and episodes between inversions of the geomagnetic field. Fig - Regular form of changes in the field strength H e at the equator of the Earth with time t, characteristic of a single-layer baromagnetic shell; τ a1 and τ a2 are successive lifetimes of shells with a constant magnetic orientation, arrows indicate the field direction in the shell cross section (the cross section diagram is enclosed in a circle).

Фиг.52 - Эпизод в изменении напряженности, характерный для двухслойной баромагнитной оболочки и обусловленный различием во временах жизни τ b1 и τ b2 отдельных слоев; Δ τ =τ b1b2 – длительность эпизода. Остальные обозначения - как на фиг.51.Fig - Episode in the change in tension, characteristic of a two-layer baromagnetic shell and due to the difference in lifetimes τ b1 and τ b2 of individual layers; Δ τ = τ b1b2 is the duration of the episode. The remaining designations are as in Fig. 51.

Фиг.53, 54 - Два типа относительного движения шара и среды с угловой скоростью ±Ω . Фиг.53 - Система шара: центр шара неподвижен в жидкости, вращающейся вместе с сосудом.Fig.53, 54 - Two types of relative motion of the ball and the medium with an angular velocity of ± Ω. Fig - Ball system: the center of the ball is stationary in a fluid rotating together with the vessel.

Фиг.54 - Система сосуда: центр шара совершает круговое движение в жидкости, неподвижной у стенок сосуда. Оба типа движения приводят к западному дрейфу. Радиус сосуда может быть бесконечным.54 - Vessel system: the center of the ball makes a circular motion in a fluid that is stationary at the walls of the vessel. Both types of movement lead to western drift. The radius of the vessel can be infinite.

Фиг.55 - Осциллограмма скорости вращающейся жидкости в окрестности смещенного свободно вращающегося шара. Получена путем регистрации тока на электрод, погруженный в сосуд устройства по фиг.1. Электрод вращается вместе с сосудом на уровне экватора шара с периодом Тν . Траектория электрода показана пунктирной окружностью вокруг контура шара. Радиус шара r=34 мм, смещением s=3 мм. Два максимума тока за период соответствуют замедлению жидкости в местах наибольшего сближения и удаления электрода от шара (отмечены стрелками).Fig - Waveform of the speed of a rotating fluid in the vicinity of a displaced freely rotating ball. Obtained by registering the current on the electrode immersed in the vessel of the device of figure 1. The electrode rotates with the vessel at the equatorial level of the ball with a period of Tν. The path of the electrode is shown by a dashed circle around the contour of the ball. Ball radius r = 34 mm, offset s = 3 mm. Two current maxima for the period correspond to the deceleration of the liquid at the points of closest approach and removal of the electrode from the ball (marked by arrows).

Устройство, реализующее способ моделирования западного дрейфа твердого ядра Земли, содержит раму 1, нижний шкив 2 с неподвижной осью 3 и верхний шкив 4, ось которого 5 может быть перемещена в горизонтальном направлении. На нижнем шкиве расположен сферический стеклянный сосуд 6 с жидкостью 7. На верхнем шкиве с помощью нити 8 подвешен груз 9, погруженный в жидкость.A device that implements a method for modeling the western drift of the Earth’s solid core contains a frame 1, a lower pulley 2 with a fixed axis 3, and an upper pulley 4, whose axis 5 can be moved in the horizontal direction. On the lower pulley there is a spherical glass vessel 6 with liquid 7. On the upper pulley with the help of thread 8, a load 9 suspended in liquid is suspended.

Нить совмещена с геометрической осью 10 вращения верхнего шкива при помощи блока 11 центрирования. Груз выполнен в форме шара 12. Сосуд имеет крышку 13 с радиальными ребрами 14, которые касаются свободной поверхности 15 жидкости. Ось симметрии сосуда совмещена с геометрической осью 16 вращения нижнего шкива. На шар и крышку сосуда нанесены метки 17, 18, позволяющие контролировать процесс вращения.The thread is aligned with the geometric axis 10 of rotation of the upper pulley using the centering unit 11. The load is made in the form of a ball 12. The vessel has a lid 13 with radial ribs 14, which touch the free surface 15 of the liquid. The axis of symmetry of the vessel is combined with the geometric axis 16 of rotation of the lower pulley. Marks 17, 18 are applied to the ball and the lid of the vessel, allowing control of the rotation process.

Способ моделирования имеет два варианта, в одном из которых шкивы разобщены, а в другом кинематически связаны через вертикальный вал 19, свободно вставленный в подшипники 20, 21. На валу закреплены нижнее и верхнее приводные колеса 22, 23 нижней и верхней ременных передач 24, 25, связывающих эти колеса, соответственно, с нижним и верхним шкивами.The modeling method has two options, in one of which the pulleys are disconnected, and in the other kinematically connected through a vertical shaft 19, freely inserted into bearings 20, 21. Lower and upper drive wheels 22, 23 of the lower and upper belt drives 24, 25 are fixed to the shaft connecting these wheels, respectively, with the lower and upper pulleys.

Верхняя передача имеет ролик 26 для поддержания ремня в натянутом состоянии при сдвиге верхнего шкива по горизонтали. Кроме того, существенной функцией ролика является возможность включать ременную передачу в самом процессе моделирования, например, для перехода от одного варианта моделирования к другому без остановки вращения шара. Для перемещения ролика служит ползунок 27.The upper gear has a roller 26 for keeping the belt in tension when the upper pulley is shifted horizontally. In addition, an essential function of the roller is the ability to turn on the belt drive in the simulation process itself, for example, to move from one simulation option to another without stopping the rotation of the ball. To move the roller, use the slider 27.

Ось верхнего шкива находится на опорной пластине 28, которая расположена в зазоре 29 между двумя направляющими стержнями 30, 31 с возможностью скольжения вдоль этого зазора. Положение опорной пластины фиксировано микрометрическим винтом 32, вставленным в неподвижную гайку 33.The axis of the upper pulley is located on the support plate 28, which is located in the gap 29 between the two guide rods 30, 31 with the possibility of sliding along this gap. The position of the base plate is fixed with a micrometer screw 32 inserted into the fixed nut 33.

К рычагу 34, расположенному над верхним шкивом, прикреплен вертикальный стержень 35, выполняющий функцию рукоятки для вращения верхнего шкива в случае, когда шкивы разобщены. На опорной пластине установлена стрелка 36, используемая как начало при отсчете угла поворота верхнего шкива. К нити приклеен флажок 37, позволяющий определить степень закрутки нити. Ось 3 нижнего шкива неподвижна и закреплена болтом 38 на нижней перекладине 39 рамы. На ось одет шариковый подшипник 40, наружное кольцо 41 которого входит в цилиндрическое гнездо 42 нижнего шкива. К рабочей цилиндрической поверхности 43 нижнего шкива прижат резиновый ролик 44, одетый на вал 45 двигателя 46, который с помощью скобы 47 скреплен с нижней перекладиной рамы. На той же рабочей поверхности нижнего шкива выполнена канавка 48 для ремня 49, который утоплен в канавку и не касается ролика 44 двигателя.A vertical shaft 35 is attached to the lever 34 located above the upper pulley, which acts as a handle for rotating the upper pulley in the case when the pulleys are disconnected. An arrow 36 is installed on the base plate, which is used as a start when counting the angle of rotation of the upper pulley. A flag 37 is glued to the thread to determine the degree of twist of the thread. The axis 3 of the lower pulley is stationary and secured by a bolt 38 on the lower crossbar 39 of the frame. On the axis is a ball bearing 40, the outer ring 41 of which is included in the cylindrical socket 42 of the lower pulley. A rubber roller 44 is pressed against the working cylindrical surface 43 of the lower pulley, mounted on the shaft 45 of the engine 46, which is fastened to the lower beam of the frame with the help of the bracket 47. On the same working surface of the lower pulley, a groove 48 is made for the belt 49, which is recessed into the groove and does not touch the roller 44 of the engine.

На нижней перекладине рамы закреплены цилиндрические стойки 50, 51. Сверху стойки снабжены полками 52, 53, на которых лежат направляющие стержни опорной пластины верхнего шкива. С помощью гаек 54 и пластин 55 направляющие стержни прижаты к полкам. Рама опирается на уголки 56, 57, скрепленные с нижней перекладиной и снабженные четырьмя винтами 58 уровня.On the lower crossbeam of the frame, cylindrical racks 50, 51 are fixed. On top of the racks are equipped with shelves 52, 53, on which the guide rods of the support plate of the upper pulley lie. Using nuts 54 and plates 55, the guide rods are pressed against the shelves. The frame rests on the corners 56, 57, fastened to the lower bar and equipped with four level 58 screws.

Ось 5 верхнего шкива выполнена в виде трубки 59, которая по посадке скольжения вставлена в тефлоновый подшипник 60, закрепленный в опорной пластине 28. Трубка запрессована в отверстие 61 шкива. Рычаг 34 рукоятки свободно одет на трубку и фиксирован на ней винтом 62. На торец 63 верхнего шкива нанесена кольцевая шкала 64 углов. Верхний шкив имеет канавку 65 для ремня 66 круглого сечения 67, центр которого расположен на средней линии 68 ременной передачи.The axis 5 of the upper pulley is made in the form of a tube 59, which is inserted into the teflon bearing 60, mounted in the support plate 28, along the slide fit. The tube is pressed into the hole 61 of the pulley. The lever 34 of the handle is freely dressed on the tube and fixed on it by a screw 62. An annular scale of 64 angles is applied to the end face 63 of the upper pulley. The upper pulley has a groove 65 for a belt 66 of circular cross section 67, the center of which is located on the middle line 68 of the belt drive.

Блок 11 центрирования нити включает цилиндрический колпачок 69 с торцевым отверстием 70 для нити 8. Колпачок одет с зазором 71 на трубку 59. В зазор вставлена упругая прокладка 72. Ось 73 колпачка с помощью винта 74 смещена от оси 75 трубки на расстояние, равное разности радиуса торцевого отверстия и радиуса нити,The yarn centering unit 11 includes a cylindrical cap 69 with an end opening 70 for the yarn 8. The cap is dressed with a gap 71 on the tube 59. An elastic gasket 72 is inserted into the gap. The axis 73 of the cap with the screw 74 is offset from the tube axis 75 by a distance equal to the radius difference end hole and thread radius,

Ws=Rs-Rc, (3)W s = R s -R c , (3)

где Ws - расстояние между осями колпачка и трубки,where W s is the distance between the axes of the cap and tube,

Rs - радиус торцевого отверстия колпачка,R s is the radius of the end hole of the cap,

Rc - радиус нити.R c is the radius of the thread.

Внутри трубки 59 нить 8 расположена с зазором 76. В качестве нити использовано нейлоновое моноволокно. Нить пропущена через боковое отверстие 77 колпачка, фиксирована с помощью винта 78 и подкладки 79.Inside the tube 59, the thread 8 is located with a gap of 76. Nylon monofilament was used as the thread. The thread is passed through the side hole 77 of the cap, fixed with a screw 78 and a lining 79.

Нижний конец 80 нити 8 заключен в гибкую втулку 81, имеющую расширение 82 и вставленную в осевой канал 83 винта 84, а груз в форме шара 12 имеет отверстие 85 с резьбой 86 под указанный винт.The lower end 80 of the thread 8 is enclosed in a flexible sleeve 81 having an extension 82 and inserted into the axial channel 83 of the screw 84, and the load in the form of a ball 12 has an opening 85 with a thread 86 for the specified screw.

Передаточное отношение шкивов устройства составляетThe gear ratio of the pulleys of the device is

ω /Ω =D01D12/D02D11, (4)ω / Ω = D 01 D 12 / D 02 D 11 , (4)

где ω - угловая скорость вращения шара 12,where ω is the angular velocity of rotation of the ball 12,

Ω - угловая скорость вращения сосуда 6,Ω is the angular velocity of rotation of the vessel 6,

D01 - диаметр нижнего шкива 2,D 01 - the diameter of the lower pulley 2,

D02 - диаметр верхнего шкива 4,D 02 - the diameter of the upper pulley 4,

D11 - диаметр нижнего приводного колеса 22,D 11 - the diameter of the lower drive wheel 22,

D12 - диаметр верхнего приводного колеса 23,D 12 - the diameter of the upper drive wheel 23,

причем диаметры указаны по средней линии ременной передачи.and the diameters are indicated on the midline of the belt drive.

Существуют варианты предлагаемого устройства, расширяющие диапазон условий моделирования. Наряду с радиальными ребрами 14, выполненными как одно целое с крышкой 13, могут быть использованы съемные Г-образные ребра 87, частично перекрывающие центральное отверстие 88 крышки. Это целесообразно при проведении моделирования со смещением шара, которое меньше радиуса шара. На дне 89 сосуда может быть размещен амортизатор 90 в виде пакета резиновых листов 91, 92, скрепленных по краям 93.There are options for the proposed device, expanding the range of simulation conditions. Along with the radial ribs 14, made as a whole with the cover 13, can be used removable L-shaped ribs 87, partially overlapping the Central hole 88 of the cover. This is advisable when conducting simulation with a displacement of the ball, which is less than the radius of the ball. At the bottom 89 of the vessel, a shock absorber 90 can be placed in the form of a packet of rubber sheets 91, 92 fastened at the edges 93.

При проведении моделирования со смещением шара, которое больше радиуса шара, целесообразно использовать крышку 94 в форме зонта 95, ствол 96 которого поддерживается крестовиной 97, установленной в донной части 98 сосуда. Средство контроля закрутки нити может включать вспомогательную нить 99, скрепленную через посредство шайбы 100 с шаром 101 и натянутую с помощью противовесов 102, 103. Вспомогательная нить изогнута в форме U-образной петли 104. Нижняя часть петли зацеплена за боковые пазы 105 шайбы, которая имеет отверстие 106 для винта 84.When conducting simulation with a displacement of the ball, which is greater than the radius of the ball, it is advisable to use the cover 94 in the form of an umbrella 95, the barrel 96 of which is supported by a spider 97 installed in the bottom part 98 of the vessel. The means for controlling the twist of the thread may include an auxiliary thread 99 fastened through a washer 100 with a ball 101 and stretched by means of counterweights 102, 103. The auxiliary thread is bent in the form of a U-shaped loop 104. The lower part of the loop is hooked to the side grooves 105 of the washer, which has hole 106 for screw 84.

Концы вспомогательной нити с противовесами огибают выступы 107 планки 108, которая одета снизу на трубку 59 и фиксирована на ней винтом 109.The ends of the auxiliary thread with counterweights bend around the protrusions 107 of the strap 108, which is worn on the bottom of the tube 59 and is fixed on it by a screw 109.

При закрутке основной нити, превышающей пол-оборота, концы вспомогательной нити перекрещиваются, и она принимает Х-образную форму 110. Вспомогательная нить может быть использована также для автоматической индикации закрутки. Для этого необходимо пропустить через петлю переменный ток и регистрировать электромагнитное излучение. Перекручивание петли снижает ее площадь как контура и уменьшает амплитуду излучения.When the main thread is twisted in excess of half a turn, the ends of the auxiliary thread cross and it takes an X-shape 110. The auxiliary thread can also be used to automatically indicate the twist. To do this, it is necessary to pass alternating current through the loop and register electromagnetic radiation. Twisting the loop reduces its area as a loop and reduces the amplitude of the radiation.

Сосуд может быть выполнен в форме сферической колбы 111 с широкой горловиной 112, на которую одеты ребра 113, касающиеся жидкости 114. На горловине расположен съемный брусок 115, служащий для замера смещения s шара по смещению нити (фиг.23). Двигатель 116 соединен непосредственно с вертикальным валом 117, который через ременные передачи 118, 119 передает вращение нижнему и верхнему шкивам 120, 121.The vessel can be made in the form of a spherical bulb 111 with a wide neck 112, on which ribs 113 are attached, touching the fluid 114. A removable bar 115 is located on the neck, which serves to measure the displacement s of the ball by the displacement of the thread (Fig. 23). The motor 116 is connected directly to the vertical shaft 117, which transmits rotation to the lower and upper pulleys 120, 121 through belt drives 118, 119.

Конструкция устройства позволяет варьировать расстояние s между осями верхнего и нижнего шкивов от значения s=0, когда обе оси совпадают. Возможность придавать смещению s сколь угодно малые значения важна для моделирования на линейном участке зависимости дрейфа от смещения. Повышение точности установки нулевого смещения достигается регулировкой устройства перед моделированием. Нить с подвешенным шаром служит ориентиром при установке вертикального положения осей шкивов с помощью винтов 58 уровня.The design of the device allows you to vary the distance s between the axes of the upper and lower pulleys from the value s = 0, when both axes coincide. The ability to give the displacement s arbitrarily small values is important for modeling the linear dependence of the drift on the displacement. Improving the accuracy of setting the zero bias is achieved by adjusting the device before modeling. A thread with a suspended ball serves as a guide when setting the vertical position of the axles of the pulleys using level 58 screws.

Точность установки нулевого смещения может быть проверена следующим образом. Микрометрическим винтом 32 перемещают шар 12 через центральную область сосуда 6 в одном направлении так, чтобы расстояние s между осями 10 и 16 сначала уменьшалось, а затем возрастало (Фиг.1, 10, 24). При разных фиксированных положениях винта сравнивают скорости вращения сосуда (Ω ) и шара (ω ). Признаком нулевого смещения является равенство угловых скоростей шара и сосуда. На фиг.24 требуемому значению ω /Ω =1 соответствует излом кривой графика. При этом траектория 122 оси 10 верхнего шкива пересекает ось 16 верхнего шкива.The accuracy of setting the zero bias can be verified as follows. A micrometer screw 32 moves the ball 12 through the central region of the vessel 6 in one direction so that the distance s between the axes 10 and 16 first decreases and then increases (Figs. 1, 10, 24). For different fixed screw positions, the rotation speeds of the vessel (Ω) and the ball (ω) are compared. A sign of zero displacement is the equality of the angular velocities of the ball and the vessel. In Fig.24, the desired value of ω / Ω = 1 corresponds to a kink in the curve of the graph. In this case, the path 122 of the axis 10 of the upper pulley intersects the axis 16 of the upper pulley.

Погрешность регулировки устройства выражается в том, что действительная траектория 123 оси 10 верхнего шкива проходит на определенном расстоянии smin от оси 16 нижнего шкива, а соответствующая кривая графика (пунктир) имеет пологий максимум, не доходящий до значения ω /Ω =1. К контролируемым параметрам устройства относятся также ускорение шара под влиянием постоянной закрутки нити (фиг.25) и время затухания свободных колебаний шара (фиг.26).The error in adjusting the device is expressed in the fact that the actual trajectory 123 of the axis 10 of the upper pulley passes at a certain distance s min from the axis 16 of the lower pulley, and the corresponding curve of the graph (dashed line) has a gentle maximum that does not reach the value ω / Ω = 1. The controlled parameters of the device also include the acceleration of the ball under the influence of a constant twist of the thread (Fig.25) and the decay time of free oscillations of the ball (Fig.26).

При моделирования предложенным способом использованы шары и сосуды различных размеров, в частности: шары диаметрами 68, 57, 38 мм из пластмассы, 20 мм из стали, стеклянный сосуд в виде усеченной сферы с внутренним диаметром 230 мм, высотой 200 мм (фиг.1), стеклянная колба с внутренними диаметрами 155 мм по экватору и 70 мм в горловине (фиг.20), нить - нейлоновое моноволокно диаметром 0.07 мм, центрированное с точностью 0.03 мм, жидкость в сосуде - дистиллированная вода (без выделения пузырьков газа на шарах), температура 20±2° С.When modeling the proposed method used balls and vessels of various sizes, in particular: balls with diameters of 68, 57, 38 mm made of plastic, 20 mm made of steel, a glass vessel in the form of a truncated sphere with an inner diameter of 230 mm, a height of 200 mm (figure 1) , a glass flask with internal diameters of 155 mm at the equator and 70 mm in the neck (Fig. 20), the thread is a nylon monofilament with a diameter of 0.07 mm, centered with an accuracy of 0.03 mm, the liquid in the vessel is distilled water (without emitting gas bubbles on the balls), temperature 20 ± 2 ° C.

Опытам предшествовала установка вертикального положения нити, совмещение ее оси с осями вращения нижнего и верхнего шкивов в исходном положении устройства, что обеспечивает равенство расстояния между осями вращения шкивов расстоянию s между осями вращения сосуда и шара.The experiments were preceded by setting the vertical position of the thread, combining its axis with the axes of rotation of the lower and upper pulleys in the initial position of the device, which ensures equality of the distance between the axes of rotation of the pulleys to the distance s between the axes of rotation of the vessel and the ball.

Пример 1. Моделирование производят на устройстве, показанном на фиг.1. Радиус шара r=3.40 см, внутренний диаметр сосуда 23.0 см. Микрометрическим винтом устанавливают смещение центра шара относительно оси нижнего шкива s=3.80±0.03 мм (совпадающее с расстоянием между осями вращения сосуда и шара). Ременную передачу отключают (отводят натяжной ролик). Ориентацию рукоятки верхнего шкива приводят в соответствие с положением метки неподвижного шара с тем, чтобы это соответствие визуально сохранять во время моделирования.Example 1. Modeling is performed on the device shown in figure 1. The radius of the ball is r = 3.40 cm, the inner diameter of the vessel is 23.0 cm. Using the micrometer screw, the center of the ball is offset from the axis of the lower pulley s = 3.80 ± 0.03 mm (coinciding with the distance between the axis of rotation of the vessel and the ball). The belt drive is turned off (the tension roller is retracted). The orientation of the handle of the upper pulley is brought into line with the position of the mark of the stationary ball so that this correspondence is visually preserved during the simulation.

Регистрируют исходное угловое положение флажка на нити относительно ориентации рукоятки. Включением двигателя приводят нижний шкив во вращение. За полторы минуты движение жидкости от стенок сосуда доходит до шара, и он начинает вращаться, постепенно набирая скорость. При помощи рукоятки вращают верхний шкив с той же нарастающей скоростью, что и шар, контролируя синхронность вращения по метке на шаре.Register the initial angular position of the flag on the thread relative to the orientation of the handle. By turning on the engine, the lower pulley is driven into rotation. For a minute and a half, the movement of fluid from the walls of the vessel reaches the ball, and it begins to rotate, gradually gaining speed. Using the handle, the upper pulley is rotated with the same increasing speed as the ball, controlling the synchronization of rotation along the mark on the ball.

За 5 минут шар достигает предельной скорости и устанавливается стационарный режим вращения, который продолжают поддерживать синхронным вращением рукоятки. По истечении 10 минут с момента включения двигателя отсчитывают по секундомеру время 10 оборотов шара: 68.6 с. Три раза повторяют измерение и получают последовательность значений: 68.5 с, 68.4 с, 68.6 с. Период вращения шара определяют как среднее измеренных значений, деленное на 10: Tc=6.85 с.In 5 minutes the ball reaches its maximum speed and a stationary rotation mode is established, which continues to be maintained by synchronous rotation of the handle. After 10 minutes from the moment the engine is turned on, the time of 10 revolutions of the ball is counted on the stopwatch: 68.6 s. Repeat the measurement three times and obtain a sequence of values: 68.5 s, 68.4 s, 68.6 s. The ball rotation period is defined as the average of the measured values divided by 10: T c = 6.85 s.

По метке измеряют период Тν вращения сосуда. Для этого по секундомеру отсчитывают время 10 оборотов: 60.7 с, откуда Tν =6.07 с.The label measures the period Tν of rotation of the vessel. For this, a time of 10 revolutions is counted by the stopwatch: 60.7 s, whence Tν = 6.07 s.

Угловые скорости связаны с найденными периодами выражениямиThe angular velocities are related to the periods found by expressions

Ω =2π /Tν , ω =2π /Tc. (5)Ω = 2π / Tν, ω = 2π / T c . (5)

Вычисляют отношение ω /Ω =Тν /Тc=0.885 и отношение s/r=0.38 см/3.40 см=0.112.The ratio ω / Ω = Tν / T c = 0.885 and the ratio s / r = 0.38 cm / 3.40 cm = 0.112 are calculated.

Последнее значение сравнивают с разностью 1-ω /Ω =0.115. Близость обеих величин показывает, что асимптотическое уравнение s/r=1-ω /Ω , илиThe latter value is compared with the difference 1-ω / Ω = 0.115. The proximity of both quantities shows that the asymptotic equation s / r = 1-ω / Ω, or

(Ω -ω )/Ω =s/r, (6)(Ω -ω) / Ω = s / r, (6)

выполнено в условиях данного опыта с точностью 1-(0.112/0.115)=0.026 для начального участка зависимости ω от s, который характеризуется областью s/r≤ 0.1 (фиг.27).performed under the conditions of this experiment with an accuracy of 1- (0.112 / 0.115) = 0.026 for the initial portion of the dependence of ω on s, which is characterized by a region s / r≤ 0.1 (Fig. 27).

Условиям Земли соответствует отношениеEarth conditions correspond to the ratio

s/r=1.31 км/1670 км=0.79· 10-3, (7)s / r = 1.31 km / 1670 km = 0.79 · 10 -3 , (7)

которое попадает в указанную область, что позволяет использовать асимптотическое уравнение, найденное путем моделирования. Оно показывает линейную связь угловой скорости западного дрейфа твердого ядра планеты со смещением центра масс ядра от оси вращения мантии.which falls into the indicated region, which allows using the asymptotic equation found by modeling. It shows a linear relationship between the angular velocity of the western drift of the solid core of the planet and the displacement of the center of mass of the core from the axis of rotation of the mantle.

Найденное асимптотическое уравнение имеет практическое значение. Оно впервые позволяет рассчитать угловую скорость западного дрейфа твердого ядра Земли. Относительная угловая скорость Ω орбитального движения центра масс ядра против вращения планеты (аналог движения центра шара относительно сосуда при моделировании) может быть найдена из периода качаний полюса Земли, измеренного С.Чандлером (1891 г.), Tch=430 суток,The found asymptotic equation is of practical importance. It allows for the first time to calculate the angular velocity of the western drift of the Earth’s solid core. The relative angular velocity Ω of the orbital motion of the center of mass of the nucleus against the rotation of the planet (an analogue of the motion of the center of the ball relative to the vessel during modeling) can be found from the period of swings of the Earth’s pole, measured by S. Chandler (1891), T ch = 430 days,

Ω =2π /Tch=1.69· 10-7 c-1. (8)Ω = 2π / T ch = 1.69 · 10 -7 s -1 . (8)

Отсюда для угловой скорости δ западного дрейфа ядра следуетHence, for the angular velocity δ of the westward drift of the nucleus,

δ =Ω -ω =Ω s/r=1.69· 10-7 c-1· 0.79· 10-3=1.34· 10-10 c-1,δ = Ω -ω = Ω s / r = 1.69 · 10 -7 s -1 · 0.79 · 10 -3 = 1.34 · 10 -10 s -1 ,

δ =1.34· 10-10 c-1· (360° /2π )· (3.15· 107 c/год)=0.24 град/год. (9)δ = 1.34 · 10 -10 s -1 · (360 ° / 2π) · (3.15 · 10 7 s / year) = 0.24 deg / year. (9)

Более 300 лет назад Э.Галлей обнаружил систематический западный дрейф магнитного поля Земли. Его угловая скорость составляетMore than 300 years ago, E. Halley discovered a systematic western drift of the Earth’s magnetic field. Its angular velocity is

δ m=1.66· 10-10 c-1=0.30 град/год. (10)δ m = 1.66 · 10 -10 s -1 = 0.30 deg / year. (10)

Практическое совпадение двух чисел, полученных независимо и из первых принципов, подтверждает применимость найденного асимптотического уравнения к условиям Земли и, кроме того, раскрывает не известное до сих пор происхождение геомагнитного поля. Из полученного результата следует, что источником геомагнитного поля является твердое ядро Земли.The practical coincidence of the two numbers obtained independently and from the first principles confirms the applicability of the found asymptotic equation to the Earth's conditions and, in addition, reveals the hitherto unknown origin of the geomagnetic field. From the result it follows that the source of the geomagnetic field is the solid core of the Earth.

В условиях моделирования число Рейнольдса определяют по формулеUnder simulation conditions, the Reynolds number is determined by the formula

Re=2Ω sr/μ s, (11)Re = 2Ω sr / μ s , (11)

где μ s - кинематическая вязкость. Выполненное в данном примере условие Re>100 соответствует оценке μ s<10 м2c-1 для верхней границы кинематической вязкости расплава в окрестности твердого ядра.where μ s is the kinematic viscosity. The condition Re> 100 fulfilled in this example corresponds to the estimate μ s <10 m 2 s -1 for the upper boundary of the kinematic viscosity of the melt in the vicinity of the solid core.

Пример 2. Моделирование с целью демонстрации отставания твердого ядра производят с одинаковыми диаметрами нижнего и верхнего шкивов (120 мм). Устанавливают передаточное отношение колес вертикального вала D12/D11=0.89, что соответствует условиям примера 1. При радиусе шара r=3.40 см микрометрическим винтом доводят смещение шара до значения s=0.38 см.Example 2. Modeling to demonstrate the backlog of a solid core is performed with the same diameters of the lower and upper pulleys (120 mm). Set the gear ratio of the wheels of the vertical shaft D 12 / D 11 = 0.89, which corresponds to the conditions of example 1. When the radius of the ball r = 3.40 cm with a micrometer, the displacement of the ball to the value s = 0.38 cm

Выключают сцепление ременной передачи, оттягивая натяжной ролик. Включают двигатель и синхронно с вращением шара вращают рукоятку верхнего шкива. По достижении предельной скорости шара включают сцепление и отпускают рукоятку, давая ременной передаче возможность вращать верхний шкив. Сохранение исходной ориентации флажка относительно рукоятки свидетельствует об отставании шара без закрутки нити. При отклонении флажка его возвращают к исходной ориентации (с точностью ±10° ), корректируя смещение вращающегося шара микрометрическим винтом.Disengage the clutch of the belt drive by pulling the tension roller. Turn on the engine and simultaneously with the rotation of the ball rotate the handle of the upper pulley. Upon reaching the maximum speed of the ball, the clutch is engaged and the handle is released, allowing the belt drive to rotate the upper pulley. Preservation of the initial orientation of the flag relative to the handle indicates the lag of the ball without twisting the thread. If the flag is rejected, it is returned to its original orientation (with an accuracy of ± 10 °), adjusting the displacement of the rotating ball with a micrometer screw.

Меняют колеса вертикального вала, устанавливают передаточное отношение D12/D11=0.70 и при радиусе шара r=3.40 см варьируют расстояние s между осями вращения сосуда и шара. В режиме стационарного вращения шара контролируют угол закрутки нити. Находят, что при стационарном вращении шара угол закрутки равен нулю при двух значениях расстояния s: s1=1.33 см, s2=4.90 см. По найденным значениям определяют, что отношению угловых скоростей шара и сосуда ω /Ω =0.70 соответствуют два отношения смещения шара к его радиусу: (s/r)1=0.39 и (s/r)2=1.44.The wheels of the vertical shaft are changed, the gear ratio is set to D 12 / D 11 = 0.70, and when the ball radius r = 3.40 cm, the distance s between the axes of rotation of the vessel and the ball is varied. In the stationary rotation of the ball control the angle of rotation of the thread. They find that with stationary rotation of the ball, the twist angle is zero for two values of the distance s: s 1 = 1.33 cm, s 2 = 4.90 cm. From the values found, it is determined that the ratio of the angular velocities of the ball and the vessel ω / Ω = 0.70 corresponds to two displacement ratios ball to its radius: (s / r) 1 = 0.39 and (s / r) 2 = 1.44.

Варьируя отношение ω /Ω в пределах от 0.6 до 1, получают две ветви функции ω /Ω =f(s/r), расположенные по обе стороны от ее минимума при s/r=0.75 (фиг.27). Результат позволяет сделать выводы, изложенные в предыдущем примере.Varying the ratio ω / Ω in the range from 0.6 to 1, we obtain two branches of the function ω / Ω = f (s / r) located on both sides of its minimum at s / r = 0.75 (Fig. 27). The result allows us to draw the conclusions described in the previous example.

Пример 3. Используют шары различных диаметров. В частности, при смещении шара s=3.05 см, радиусе шара r=1.90 см и периоде вращения сосуда Тν =6.06 с моделирование дает период установившегося вращения шара Тc=8.37 c, откуда следует, что отношению расстояний s/r=1.605 соответствует отношение угловых скоростей ω /Ω =6.06 с/8.37 с=0.724.Example 3. Use balls of various diameters. In particular, with a displacement of the ball s = 3.05 cm, a radius of the ball r = 1.90 cm and a period of rotation of the vessel Tν = 6.06 s, the simulation gives a period of steady rotation of the ball T c = 8.37 s, which implies that the ratio of distances s / r = 1.605 corresponds to angular velocities ω / Ω = 6.06 s / 8.37 s = 0.724.

В итоге получают функцию ω /Ω =f(s/r) с характерными точками, не зависящими от радиуса шара:As a result, we obtain the function ω / Ω = f (s / r) with characteristic points that are independent of the radius of the ball:

наклон начального участкаinitial slope

∂ (ω /Ω )/∂ (s/r)=-1.00±0.05 при s/r=0, (12)∂ (ω / Ω) / ∂ (s / r) = - 1.00 ± 0.05 with s / r = 0, (12)

минимумminimum

min(ω /Ω )=0.61±0.01 при s/r=0.75±0.05. (13)min (ω / Ω) = 0.61 ± 0.01 for s / r = 0.75 ± 0.05. (thirteen)

Механизм вращательного отрыва потока состоит в том, что у поверхности твердого ядра, смещенного от оси вращения жидкой среды, образуется область обратного течения, которое тормозит вращение ядра и создает, таким образом, угловой дрейф ядра относительно планеты. Размер области обратного течения увеличивается с ростом смещения.The mechanism of rotational separation of the flow consists in the fact that at the surface of a solid core displaced from the axis of rotation of the liquid medium, a reverse flow region forms, which slows down the rotation of the core and thus creates an angular drift of the core relative to the planet. The size of the reverse flow region increases with increasing displacement.

В отличие от обычного отрыва потока данное явление выражается в разности угловых скоростей сосуда и свободно вращающегося шара. При малых смещениях, s/r<0.2, опыты по моделированию обнаруживают два типа зависимости дрейфа шара от смещения: квадратичный и линейный. Переход от квадратичного изменения скорости дрейфа к линейному по мере снижения вязкости среды - совершается в окрестности числа Рейнольдса Re≈ 30.In contrast to the usual separation of the flow, this phenomenon is expressed in the difference in the angular velocities of the vessel and the freely rotating ball. At small displacements, s / r <0.2, modeling experiments reveal two types of dependence of the ball drift on displacement: quadratic and linear. The transition from a quadratic change in the drift velocity to a linear one as the viscosity of the medium decreases is made in the vicinity of the Reynolds number Re≈ 30.

Позволяя обнаружить вращательный отрыв потока в стационарных условиях, предложенный способ дает также сведения об устойчивости течения жидкости вокруг смещенного ядра планеты. С его помощью выявлен особый тип регулярных автоколебаний линейной скорости течения, характерный тем, что экстремумы скорости циркулируют вокруг ядра.Allowing to detect rotational separation of the flow in stationary conditions, the proposed method also provides information about the stability of the fluid flow around the displaced core of the planet. With its help, a special type of regular self-oscillations of the linear velocity of the current is revealed, which is characteristic in that the extremes of velocity circulate around the nucleus.

В процессе циркуляции максимум и минимум скорости поочередно проходят фиксированные места на экваторе ядра, что выражается в локальных колебаниях скорости, фазы которых противоположны в диаметрально противоположных точках экватора. Частота циркуляции экстремума близка к частоте относительного орбитального движения ядра либо совпадает с ней в результате спонтанной синхронизации. При моделировании указанная частота равна частоте вращения сосуда относительно неподвижного центра свободно вращающегося шара. Амплитуда колебаний достигает 20% от средней скорости в том же месте.In the process of circulation, the maximum and minimum speeds alternately pass through fixed places on the equator of the nucleus, which is expressed in local velocity fluctuations whose phases are opposite at diametrically opposite points of the equator. The extremum circulation frequency is close to the frequency of the relative orbital motion of the nucleus or coincides with it as a result of spontaneous synchronization. When modeling, the indicated frequency is equal to the frequency of rotation of the vessel relative to the fixed center of the freely rotating ball. The amplitude of the oscillations reaches 20% of the average speed in the same place.

Тип симметрии колеблющегося течения найден с помощью двух одинаковых электродов, расположенных на одной вертикали (вдоль оси вращения сосуда) так, что один находился на уровне экватора шара, а другой на уровне полюса. Фазы и амплитуды тока на электродах практически совпадают при расстоянии до шара менее его радиуса. Это показывает, что автоколебания имеют цилиндрическую симметрию.The type of symmetry of the oscillating flow was found using two identical electrodes located on one vertical (along the axis of rotation of the vessel) so that one was at the equatorial level of the ball and the other at the pole level. The phases and amplitudes of the current at the electrodes practically coincide when the distance to the ball is less than its radius. This shows that self-oscillations have cylindrical symmetry.

Из модельных опытов следует, что указанные автоколебания вызваны замедлением в центральной области вращающейся жидкости и имеют общие свойства при различных причинах замедления. Стационарное течение замедляется любым предметом, нарушающим твердотельное вращение жидкости вместе с сосудом. Таким предметом может быть неподвижный шар в центре вращающегося сосуда либо свободно вращающийся шар, смещенный от центра того же сосуда. Последнее типично для ядра планеты.From model experiments it follows that these self-oscillations are caused by deceleration in the central region of the rotating fluid and have common properties for various reasons of deceleration. The stationary flow is slowed down by any object that disrupts the solid-state rotation of the liquid along with the vessel. Such an object can be a fixed ball in the center of a rotating vessel or a freely rotating ball offset from the center of the same vessel. The latter is typical of the core of the planet.

Если же шар находится в центре и свободен в своем вращении, то замедление может быть вызвано даже тонким неподвижным зондом, погруженным в любое место вращающегося сосуда. Из-за рассеяния энергии на зонде шар не сможет приобрести угловую скорость сосуда и будет отставать от него. Скорость отставания шара - его дрейф относительно сосуда - доступна точному измерению благодаря предложенному способу и позволяет оценить величину потерь.If the ball is in the center and free in its rotation, then the deceleration can be caused even by a thin motionless probe immersed in any place of the rotating vessel. Due to energy dissipation on the probe, the ball will not be able to acquire the angular velocity of the vessel and will lag behind it. The lag rate of the ball — its drift relative to the vessel — is available for accurate measurement thanks to the proposed method and allows us to estimate the magnitude of losses.

В неустановившемся процессе раскручивания сферического сосуда с жидкостью вращение центральной области жидкости замедлено из-за инерции. При этом указанные автоколебания происходят в отсутствие погруженных предметов.In an unsteady process of spinning a spherical vessel with a liquid, the rotation of the central region of the liquid is slowed down due to inertia. Moreover, these self-oscillations occur in the absence of immersed objects.

В стационарном режиме при наличии смещенного ядра относительная амплитуда автоколебаний скорости жидкой среды убывает до нуля с уменьшением смещения так, что колебательный процесс не искажает описанной пропорциональности между смещением и угловой скоростью дрейфа, которая согласно условиям моделирования является средней за период вращения сосуда.In the stationary mode, in the presence of a displaced core, the relative amplitude of the self-oscillations of the velocity of the liquid medium decreases to zero with a decrease in the displacement, so that the oscillation process does not distort the described proportionality between the displacement and the angular velocity of the drift, which, according to the simulation conditions, is the average over the period of rotation of the vessel.

На основе данных, полученных предложенным способом, установлены следующие закономерности, лежащие в основе глубинной динамики планеты:Based on the data obtained by the proposed method, the following patterns are established that underlie the deep dynamics of the planet:

1) прямо-квадратичное тяготение ядра планеты1) the square-root gravity of the planet’s core

G=(32/9)π 2γ ρ Δ ρ r2s2, (14)G = (32/9) π 2 γ ρ Δ ρ r 2 s 2 , (14)

2) центробежное смещение ядра2) centrifugal displacement of the core

s=3ν 2r/Sπ ρ γ (1+ϑ c), (15)s = 3ν 2 r / Sπ ρ γ (1 + ϑ c ), (15)

sc=s/(1+ϑ c)=3ν 2r/8π ρ γ (1+ϑ c)2, (16)s c = s / (1 + ϑ c ) = 3ν 2 r / 8π ρ γ (1 + ϑ c ) 2 , (16)

3) вращательный отрыв потока3) rotational flow separation

δ =Ω s/r, (17)δ = Ω s / r, (17)

где (для условий планеты)where (for planetary conditions)

ϑ c={[me/(4/3)π r3Δ ρ ]-1}-1, (18)ϑ c = {[m e / (4/3) π r 3 Δ ρ] -1} -1 , (18)

γ =6.672· 10-14 м3 г-1c-2 - гравитационная постоянная,γ = 6.672 · 10 -14 m 3 g -1 s -2 - gravitational constant,

me - масса планеты,m e is the mass of the planet,

ρ - плотность жидкой среды вокруг ядра,ρ is the density of the liquid medium around the core,

Δ ρ =ρ с-ρ ,Δ ρ = ρ s -ρ,

ρ c - средняя плотность ядра,ρ c is the average density of the nucleus,

r - радиус ядра,r is the radius of the nucleus,

s - расстояние между центрами масс ядра и остальной части планеты с заменой ядра на окружающую его среду (расплав),s is the distance between the centers of mass of the core and the rest of the planet with the replacement of the core by its environment (melt),

sc - расстояние центра масс ядра от центра масс всей планеты,s c is the distance of the center of mass of the nucleus from the center of mass of the entire planet,

ν - угловая скорость суточного вращения планеты,ν is the angular velocity of the daily rotation of the planet,

δ - угловая скорость западного вращательного дрейфа ядра относительно планеты,δ is the angular velocity of the western rotational drift of the core relative to the planet,

Ω - угловая скорость западного орбитального дрейфа ядра относительно планеты,Ω is the angular velocity of the western orbital drift of the core relative to the planet,

Приведенные формулы справедливы для ядер разнообразных космических объектов, в частности пульсаров. В условиях Земли их применение не ограничивается только внутренним ядром, плавающим в полости мантии.The above formulas are valid for the nuclei of various space objects, in particular pulsars. Under Earth conditions, their use is not limited only to the inner core floating in the mantle cavity.

Ядром по отношению к планете является также сама мантия, которая плавает в текучей среде - астеносфере, заполняющей зазор 300 км между мантией и литосферой.The core in relation to the planet is also the mantle itself, which floats in a fluid medium - the asthenosphere, filling the gap of 300 km between the mantle and the lithosphere.

В случае внутреннего ядра планеты r<<R, Δ ρ <<ρ и ϑ c<<0.01, что делает достаточно точной формулуIn the case of the inner core of the planet r << R, Δ ρ << ρ and ϑ c << 0.01, which makes the formula quite accurate

s=3ν 2r/8π ρ γ . (19)s = 3ν 2 r / 8π ρ γ. (19)

У Земли ν =0.7272· 10-4 c-1, R=6370 км, me=5.97· 1027 г; для внутреннего ядра с оболочкой: r=1670 км, ρ =12 г см-3, Δ ρ =1 г см-3,At the Earth, ν = 0.7272 · 10 -4 s -1 , R = 6370 km, m e = 5.97 · 10 27 g; for the inner core with a shell: r = 1670 km, ρ = 12 g cm -3 , Δ ρ = 1 g cm -3 ,

ϑ c=3.28· 10-3, (20)ϑ c = 3.28 · 10 -3 , (20)

откуда для смещения внутреннего ядра (дополнительный индекс о) относительно оси вращения планеты следуетwhence for the displacement of the inner core (additional index o) relative to the axis of rotation of the planet follows

sco≈ s=1.31 км. (21)s co≈ s = 1.31 km. (21)

Для мантии Земли значение ϑ c существенно: r=5970 км, ρ =3.8 г см-3, Δ ρ =1.7 г см-3, ϑ c=0.368. Отсюда следует, что в роли ядра мантия (дополнительный индекс m) смещается от оси вращения планеты на расстояниеFor the Earth’s mantle, ϑ c is significant: r = 5970 km, ρ = 3.8 g cm -3 , Δ ρ = 1.7 g cm -3 , ϑ c = 0.368. It follows that in the role of the core, the mantle (additional index m) is shifted from the axis of rotation of the planet by a distance

scm=8 км. (22)s cm = 8 km. (22)

Кроме этого собственного смещения мантия реагирует на смещение внутреннего ядра и должна его уравновесить для сохранения момента количества движения планеты. Такое вынужденное смещение мантии составляетIn addition to its own displacement, the mantle reacts to the displacement of the inner core and must balance it to preserve the moment of momentum of the planet. Such a forced displacement of the mantle is

somcsсо=3.28· 10-3· 1310 м=4.3 м. (23)s om = ϑ c s co = 3.28 · 10 −3 · 1310 m = 4.3 m. (23)

Смещения ядра sco и мантии scm являются радиусами орбит, по которым ядро и мантия перемещаются поступательно, то есть без вращения, с точностью до относительно малого углового дрейфа. Периоды обращения по эти орбитам, соответственно Tco и Тcm, существенно различны. В итоге, центр масс мантии движется относительно оси вращения планеты по двум орбитам с радиусами scm, som и периодами Tcm, Тom=Tco.The displacements of the core sco and the mantle s cm are the radii of the orbits along which the core and mantle move translationally, that is, without rotation, up to a relatively small angular drift. The periods of revolution in these orbits, respectively, T co and T cm , are significantly different. As a result, the center of mass of the mantle moves relative to the axis of rotation of the planet in two orbits with radii s cm , s om and periods T cm , T om = T co .

Оба движения мантии сопровождаются встречным перетеканием астеносферы, которое препятствует смещению центра масс литосферы - наружного слоя планеты с толщиной в среднем 100 км. Однако под Антарктидой мантия сцеплена с литосферой холмом из затонувших плит. Следуя за мантией, литосфера качается на этом холме так, что орбиты полюсов близки по радиусу к орбите мантии. Прецессия литосферы вокруг мантии воспринимается как качание земного шара и регистрируется по колебаниям широт обсерваторий как одна из составляющих наблюдаемого движения.Both movements of the mantle are accompanied by a counterflow of the asthenosphere, which prevents the displacement of the center of mass of the lithosphere - the outer layer of the planet with an average thickness of 100 km. However, under Antarctica, the mantle is linked to the lithosphere by a hill of sunken plates. Following the mantle, the lithosphere sways on this hill so that the orbits of the poles are close in radius to the orbit of the mantle. The precession of the lithosphere around the mantle is perceived as a swing of the globe and is recorded by the oscillations of the latitudes of the observatories as one of the components of the observed movement.

Систематические измерения координат северного полюса на протяжении последних 100 лет обнаруживают спиралевидные траектории вокруг среднего полюса с периодами 1 и 1.2 года, в пределах площадки с радиусом 10 м, в направлении с запада на восток.Systematic measurements of the coordinates of the North Pole over the past 100 years reveal spiraling trajectories around the middle pole with periods of 1 and 1.2 years, within a site with a radius of 10 m, in the direction from west to east.

При этом средний полюс сдвигается приблизительно по прямой. За 112 лет (с 1890 по 2002 г.г.) сдвиг составил 14.5 м.In this case, the middle pole is shifted approximately in a straight line. Over 112 years (from 1890 to 2002), the shift was 14.5 m.

Период 1 год имеет сезонное происхождение, связанное с перемещением масс вдоль поверхности Земли. Период 1.2 года выявлен С.Чандлером в 1891 году. После отделения сезонной компоненты вращение полюса с периодом 1.2 года обнаруживает биения с периодом 40 лет и изменением радиуса траектории от 1 до 6 м. Биения указывают на сложение двух вращений полюса с близкими периодами.The period of 1 year has a seasonal origin associated with the movement of masses along the Earth's surface. A period of 1.2 years was identified by S. Chandler in 1891. After the seasonal component is separated, the rotation of the pole with a period of 1.2 years reveals beats with a period of 40 years and a change in the radius of the trajectory from 1 to 6 m. The beats indicate the addition of two rotations of the pole with close periods.

Одно из вращений идентифицируется в литературе с предсказанной Эйлером прецессией Земли. Природа второго вращения не известна. Данные, полученные предложенным способом, однозначно указывают на связь второго вращения полюса с западным дрейфом ядра Земли.One of the rotations is identified in the literature with the Euler predicted precession of the Earth. The nature of the second rotation is not known. The data obtained by the proposed method clearly indicate the relationship of the second rotation of the pole with the western drift of the Earth's core.

Второе вращение полюса происходит в западном направлении, но несколько уступает по радиусу прецессии Эйлера в восточном направлении. Отсюда Тco=1.2 года.The second rotation of the pole occurs in the westerly direction, but is somewhat inferior in radius to the Euler precession in the easterly direction. Hence T co = 1.2 years.

Становится ясной также причина сдвига среднего полюса. Он описывает круг с радиусом Rp=8 км, который равен собственному смещению мантии. Сдвиг Δ Lp=14.5 м среднего полюса за время Δ tp является частью окружности длиной Lp=2π Rp=50.3 км. Период Tcm обращения среднего полюса составляетThe reason for the shift of the middle pole also becomes clear. He describes a circle with a radius R p = 8 km, which is equal to the intrinsic displacement of the mantle. The shift Δ L p = 14.5 m of the middle pole during the time Δ t p is part of a circle of length L p = 2π R p = 50.3 km. The period T cm of revolution of the middle pole is

Tcm=LpΔ tp/Δ Lp=388 тысяч лет. (24)T cm = L p Δ t p / Δ L p = 388 thousand years. (24)

С помощью предлагаемого способа объяснены основные явления, связанные с геомагнитным полем - западный дрейф магнитного диполя и периодические смены полярности на противоположную.Using the proposed method, the main phenomena associated with the geomagnetic field are explained — the western drift of the magnetic dipole and periodic polarities reversed.

Источником поля является попеременно затвердевающая и плавящаяся баромагнитная оболочка твердого ядра, включающая гидрид железа. На современном этапе при сейсмическом зондировании оболочка проявляет себя как переходный слой F толщиной 470 км над железоникелевым субъядром, радиус которого составляет 1200 км. Толщина оболочки и, соответственно, слоя F, определяется фазовым переходом, происходящим в гидриде железа при давлении р≈ 300 ГПа, которое достигается на глубине 4700 км (радиус 1670 км от центра Земли).The source of the field is an alternately solidifying and melting baromagnetic shell of a solid core, including iron hydride. At the present stage, during seismic sounding, the shell manifests itself as a transition layer F 470 km thick above the iron-nickel subnucleus, whose radius is 1200 km. The thickness of the shell and, accordingly, of the F layer is determined by the phase transition occurring in iron hydride at a pressure of p ≈ 300 GPa, which is reached at a depth of 4700 km (radius 1670 km from the center of the Earth).

Под давлением 300 ГПа температура магнитного упорядочения вещества оболочки (температура Кюри) превосходит температуру структурного упорядочения (температура плавления). Независимо от агрегатного состояния - твердое тело или жидкость - оболочка намагничена.Under a pressure of 300 GPa, the temperature of the magnetic ordering of the shell material (Curie temperature) exceeds the temperature of the structural ordering (melting temperature). Regardless of the state of aggregation - solid or liquid - the shell is magnetized.

Условия тепловой конвекции в жидком ядре определяются адиабатическим градиентом температуры. Он пропорционален ускорению силы тяжести, которое возрастает вдвое от внутренней границы жидкого ядра к внешней.The conditions of thermal convection in the liquid core are determined by the adiabatic temperature gradient. It is proportional to the acceleration of gravity, which doubles from the inner boundary of the liquid core to the outer.

В ряду инверсий геомагнитного поля выделяются циклы, включающие десятки инверсий каждый. В течение одного цикла происходит постепенный нагрев внутренней области жидкого ядра. Достигается критический градиент температуры, при котором конвективная устойчивость жидкого ядра как целого нарушается. Происходит конвективный коллапс: расплав периферии жидкого ядра, охлажденный из-за длительного контакта с мантией, падает всей своей массой на субъядро и вытесняет нагретый расплав из внутренней области жидкого ядра.In the series of inversions of the geomagnetic field, cycles are distinguished, including dozens of inversions each. During one cycle, a gradual heating of the inner region of the liquid core occurs. A critical temperature gradient is achieved at which the convective stability of the liquid core as a whole is violated. Convective collapse occurs: the melt of the periphery of the liquid core, cooled due to prolonged contact with the mantle, falls with its entire mass onto the sub-core and displaces the heated melt from the inner region of the liquid core.

Во время инверсии, расположенной в начале либо в средней части цикла, плавление оболочки сопровождается конвективным перемешиванием расплава во внутренней области жидкого ядра. На поверхности субъядра расплав переохлаждается до температуры, меньшей, чем температура затвердевания. После затвердевания баромагнитной оболочки время ее повторного разогрева до температуры плавления зависит от степени переохлаждения жидкого ядра перед затвердеванием оболочки и от скорости выделения тепла в ее объеме. Мощность внутреннего теплового источника оболочки определяется ее составом, который обновляется после каждого плавления.During the inversion, located at the beginning or in the middle of the cycle, the melting of the shell is accompanied by convective mixing of the melt in the inner region of the liquid core. On the surface of the subnucleus, the melt is supercooled to a temperature lower than the solidification temperature. After solidification of the baromagnetic shell, the time of its reheating to the melting temperature depends on the degree of supercooling of the liquid core before the shell solidifies and on the rate of heat generation in its volume. The power of the internal heat source of the shell is determined by its composition, which is updated after each melting.

Основным переменным компонентом оболочки является радиоактивный диоксид тория, ThO2, который при атмосферном давлении имеет плотность 10.0 г см-3 и температуру плавления 3660 К (давление повышает оба параметра). Диоксид тория распределен по объему жидкого ядра в виде тугоплавкого песка и постепенно оседает на поверхность оболочки. При плавлении оболочки осадок смешивается с ее расплавом, что приводит к повышению концентрации диоксида тория в оболочке после ее повторного затвердевания. Скорость выделения тепла в оболочке возрастает, интервал времени до следующей инверсии сокращается. В пределах цикла частота инверсий возрастает со временем. В фанерозое на протяжении 520 млн. лет выделяются шесть таких циклов с резкими спадами частоты между ними. Последний цикл инверсий начался 100 млн. лет назад.The main variable component of the shell is radioactive thorium dioxide, ThO 2 , which at atmospheric pressure has a density of 10.0 g cm -3 and a melting point of 3660 K (pressure increases both parameters). Thorium dioxide is distributed over the volume of the liquid core in the form of refractory sand and gradually settles on the surface of the shell. During melting of the shell, the precipitate mixes with its melt, which leads to an increase in the concentration of thorium dioxide in the shell after it re-hardens. The rate of heat generation in the shell increases, the time interval until the next inversion is reduced. Within the cycle, the frequency of inversions increases with time. In the Phanerozoic for 520 million years, six such cycles are distinguished with sharp frequency drops between them. The last cycle of inversions began 100 million years ago.

Рост частоты инверсий в цикле ограничен накоплением тепла во внутренней области жидкого ядра и нарушением конвективной устойчивости жидкого ядра в целом. Цикл заканчивается развитием конвективного коллапса в жидком ядре, нагревом и размягчением мантии, усилением конвекции в ней. Содержание оксида тория в оболочке резко снижается. Скорость выделения тепла в ней и частота инверсий падают до уровня, соответствующего остаточной концентрации радиоактивных элементов.The increase in the frequency of inversions in the cycle is limited by the accumulation of heat in the inner region of the liquid core and the violation of the convective stability of the liquid core as a whole. The cycle ends with the development of convective collapse in the liquid core, heating and softening of the mantle, and increased convection in it. The content of thorium oxide in the shell decreases sharply. The rate of heat generation in it and the frequency of inversions fall to a level corresponding to the residual concentration of radioactive elements.

После завершения конвективного коллапса оттесненный на периферию диоксид тория начинает повторно осаждаться, что приводит к новому циклу роста частоты инверсий.After the completion of convective collapse, thorium dioxide pushed to the periphery begins to re-precipitate, which leads to a new cycle of an increase in the frequency of inversions.

Наблюдаемая связь между интенсивностью магматизма и частотой инверсий магнитного поля находится в согласии с описанным механизмом инверсий. Во время мелового периода, 120 млн. лет назад, резко, в 10 раз возросла скорость формирования океанической коры, отражающая скорость конвективных потоков в мантии. Одновременно произошел столь же резкий спад частоты инверсий. Первый после спада интервал между инверсиями длился 35 млн. лет (от 118 до 83 млн. лет назад), что эквивалентно частоте 0.03 инверсии за 1 млн. лет; магнитное поле имело постоянную полярность (прямую).The observed relationship between the intensity of magmatism and the frequency of magnetic field inversions is in agreement with the described inversion mechanism. During the Cretaceous, 120 million years ago, the rate of formation of the oceanic crust sharply increased 10 times, reflecting the speed of convective flows in the mantle. At the same time, there was an equally sharp decline in the frequency of inversions. After the recession, the first interval between inversions lasted 35 million years (from 118 to 83 million years ago), which is equivalent to a frequency of 0.03 inversions per 1 million years; the magnetic field had a constant polarity (direct).

После этого начался волнообразный, но в среднем постепенный подъем частоты до современного уровня (приблизительно одна инверсия за 1 млн. лет). Магматизм сохранял интенсивность, близкую к максимальной, в течение 10 млн. лет.After that, a wave-like, but on average gradual increase in frequency to the present level began (approximately one inversion per 1 million years). Magmatism retained an intensity close to maximum for 10 million years.

Аномальная длительность первого интервала обусловлена двумя параметрами расплава, опустившегося от границы с мантией:The anomalous duration of the first interval is due to two parameters of the melt that has descended from the boundary with the mantle:

1) относительно низким содержанием радиоактивного топлива, 2) относительно низкой температурой. Волнообразный характер роста частоты инверсий вызван умеренной конвекцией, которая нарушает монотонный профиль концентрации осаждающегося диоксида тория.1) a relatively low content of radioactive fuel, 2) a relatively low temperature. The wave-like nature of the increase in the frequency of inversions is caused by moderate convection, which violates the monotonic concentration profile of the deposited thorium dioxide.

Перечисленные процессы определяют эволюцию геомагнитного поля (фиг.29-33). Твердое ядро 124 Земли содержит субъядро 125 и баромагнитную оболочку 126, погруженную в расплав 127 жидкого ядра. Оболочка образована магнитотвердым веществом и является постоянным магнитом, силовые линии 128 которого проходят через субъядро, жидкое ядро, мантию и литосферу. По величине и направлению поля на поверхности Земли баромагнитная оболочка с индукцией 129 эквивалентна центральному диполю с моментом 130 (фиг.29).These processes determine the evolution of the geomagnetic field (Fig.29-33). The solid core 124 of the Earth contains a sub core 125 and a baromagnetic shell 126 immersed in the melt 127 of the liquid core. The shell is formed by hard magnetic matter and is a permanent magnet, the lines of force 128 of which pass through the subnucleus, liquid core, mantle and lithosphere. In magnitude and direction of the field on the Earth's surface, the baromagnetic shell with induction 129 is equivalent to the central dipole with a moment 130 (Fig. 29).

Процесс инверсии начинается плавлением исходной оболочки. Образующийся расплав утрачивает свойства магнитотвердого вещества и способность самостоятельно создавать поле в окружающем пространстве.The inversion process begins by melting the original shell. The resulting melt loses the properties of hard magnetic matter and the ability to independently create a field in the surrounding space.

Конвекция переносит исходное поле из оболочки в объем жидкого ядра с сохранением направления индукции 131 (см. фиг.30). Твердое субъядро, не подверженное конвекции, сохраняет аккумулированное в нем магнитное поле дольше, чем расплавленная оболочка. Благодаря давлению 300 ГПа расплав оболочки ведет себя как магнитомягкое вещество и шунтирует поле субъядра. Его силовые линии 128 замыкаются силовыми линиями 132 в области 133 расплавленной оболочки, создавая в оболочке поле, которое по направлению противоположно исходному.Convection transfers the initial field from the shell to the volume of the liquid core, while maintaining the direction of induction 131 (see Fig. 30). A solid subnucleus, not subject to convection, retains the magnetic field accumulated in it longer than the molten shell. Due to the pressure of 300 GPa, the melt of the shell behaves as a magnetically soft substance and shunts the subnuclear field. Its lines of force 128 are closed by lines of force 132 in the region 133 of the molten shell, creating a field in the shell that is opposite to the original in the direction.

Замена нагретого расплава в окрестности субъядра на охлажденный не меняет функции магнитного расплава как шунта. Он затвердевает в виде новой баромагнитной оболочки 134, усиливающей поле 135 противоположного направления (см. фиг.31).Replacing the heated melt in the vicinity of the subnucleus with a cooled one does not change the function of the magnetic melt as a shunt. It hardens in the form of a new baromagnetic shell 134, reinforcing a field 135 of the opposite direction (see Fig. 31).

Жидкое ядро содержит примеси, которые способствуют образованию структурных дефектов при затвердевании и создают значительную коэрцитивность, закрепляющую поле указанного противоположного направления.The liquid core contains impurities that contribute to the formation of structural defects during solidification and create significant coercivity, fixing the field of the specified opposite direction.

Описанный процесс инверсии поля включает промежуточные стадии. В простейшем случае, который более вероятен в начале цикла, баромагнитная оболочка состоит из одного слоя. Опускаясь внутри оболочки на стадии ее плавления, диоксид тория накапливается у ее дна. После затвердевания расплава мощность теплового источника во внутренней части оболочки становится выше, чем на ее периферии. Поэтому очередное плавление указанной оболочки начинается на ее границе с железоникелевым субъядром. Образуется внутренний слой 136 жидкого расплава. Затем плавится (и одновременно отслаивается) наружная часть 137 оболочки, что сопровождается образованием жидкого расплава на всем протяжении от субъядра до мантии.The described field inversion process includes intermediate steps. In the simplest case, which is more likely at the beginning of the cycle, the baromagnetic shell consists of one layer. Sinking inside the shell at the stage of its melting, thorium dioxide accumulates at its bottom. After solidification of the melt, the power of the heat source in the inner part of the shell becomes higher than on its periphery. Therefore, the next melting of this shell begins at its border with the iron-nickel subnucleus. An inner layer 136 of liquid melt is formed. Then, the outer part of the shell 137 melts (and simultaneously peels off), which is accompanied by the formation of liquid melt along the entire length from the subnucleus to the mantle.

Ближняя конвекция, следующая за плавлением наружного слоя оболочки, отличается от конвективного коллапса сравнительно низкой интенсивностью и не останавливает процесса осаждения ториевого песка из жидкого ядра. Вдоль поверхности субъядра температура минимальна на экваторе из-за холодных течений, опускающихся от мантии. Поэтому затвердевание оболочки начинается в экваториальной области 138 субъядра образованием вначале твердого кольца 139 и распространяется к полюсам. Плавление оболочки, наоборот, начинается у полюсов.The near convection following the melting of the outer layer of the shell differs from the convective collapse by a relatively low intensity and does not stop the deposition of thorium sand from the liquid core. Along the surface of the subnucleus, the temperature is minimal at the equator due to cold currents descending from the mantle. Therefore, hardening of the shell begins in the equatorial region 138 of the subnucleus by the formation of a solid ring 139 at first and extends to the poles. Shell melting, on the contrary, begins at the poles.

Магнитная ориентация воспроизводится на фронте затвердевания благодаря взаимодействию между магнитоэлектрическими бидиполями затвердевшей и жидкой фаз, что возможно без наложения внешнего поля. Сохранение противоположной ориентации поля обеспечивается однодоменной магнитной структурой оболочки, которая устойчива в условиях относительно больших размеров оболочки.The magnetic orientation is reproduced at the solidification front due to the interaction between the magnetoelectric bi-fields of the solidified and liquid phases, which is possible without applying an external field. Preservation of the opposite field orientation is ensured by the single-domain magnetic structure of the shell, which is stable under conditions of relatively large shell sizes.

Толщина оболочки ограничена пороговым давлением, ниже которого в гидриде железа происходит фазовый переход с резким снижением температуры плавления. В отличие от плавления всей оболочки, происходящего во время инверсий, поверхностный слой толщиной в несколько сантиметров плавится и затвердевает с периодом обращения ядра по внутренней орбите с радиусом, равным центробежному смещению. Зона плавления поверхности перемещается по ядру, затормаживая его движение в полости мантии. Твердые фрагменты оболочки, отделившиеся от нее по какой-либо причине, постепенно плавятся, выходя за пределы критического радиуса (1670 км).The shell thickness is limited by a threshold pressure below which a phase transition occurs in iron hydride with a sharp decrease in the melting temperature. In contrast to the melting of the entire shell that occurs during inversions, the surface layer a few centimeters thick melts and hardens with a period of revolution of the core in its internal orbit with a radius equal to centrifugal displacement. The melting zone of the surface moves along the core, inhibiting its movement in the mantle cavity. Solid fragments of the shell that separated from it for any reason gradually melt, going beyond the critical radius (1670 km).

До завершения роста новой оболочки ее затвердевшая часть в виде кольца 139 и окружающий оболочку расплав 140 жидкого ядра имеют противоположно направленные индукции 141, 142 и образуют двойной магнитный слой. Взаимная компенсация полей двойного слоя выражается в прохождении магнитного момента центрального диполя через нуль. При разогреве новой баромагнитной оболочки описанный цикл повторяется и заканчивается очередной переориентацией магнитного диполя Земли.Until the growth of the new shell is completed, its hardened part in the form of a ring 139 and the melt 140 of the liquid core surrounding the shell have oppositely directed inductions 141, 142 and form a double magnetic layer. Mutual compensation of the fields of the double layer is expressed in the passage of the magnetic moment of the central dipole through zero. When a new baromagnetic shell is heated up, the described cycle repeats and ends with the next reorientation of the Earth’s magnetic dipole.

Твердый магнит, помещенный в полость вращающейся электропроводной сферы, ориентируется вдоль оси вращения, отталкиваясь от своих изображений в стенках полости. У Земли относительное вращение жидкого ядра как электропроводной сферы обусловлено дрейфом твердого ядра. На эффект полярной ориентации накладывается еще один эффект - отклонение оси 143 магнитного диполя Земли от оси 144 вращения планеты (на угол 11° ). Причина отклонения - в дополнительном отталкивании, которое магнитная оболочка 145 испытывает со стороны своих изображений в полярных областях 146, 147 жидкого ядра, являющихся местом интенсивных вихревых движений расплава (фиг.34). Полярные вихри жидкого ядра Земли описаны в литературе (P.Olson, J.Aurnou, Nature, vol.402, 1999, р.170-173). Аналогичен механизм отклонения магнитной оси Юпитера (на угол 10° ).A solid magnet placed in a cavity of a rotating electrically conductive sphere is oriented along the axis of rotation, starting from its images in the cavity walls. The Earth’s relative rotation of the liquid core as an electrically conductive sphere is due to the drift of the solid core. Another effect is superimposed on the polar orientation effect - the deviation of the Earth’s axis 143 of the Earth’s magnetic dipole from the planet’s axis of rotation 144 (at an angle of 11 °). The reason for the deviation is the additional repulsion that the magnetic shell 145 experiences from its images in the polar regions 146, 147 of the liquid core, which are the site of intense vortex movements of the melt (Fig. 34). Polar vortices of the Earth’s liquid core are described in the literature (P. Olson, J. Aurnou, Nature, vol. 420, 1999, p. 170-173). The mechanism of deflection of the magnetic axis of Jupiter is similar (by an angle of 10 °).

Согласно данным космической хронологии, во время образования солнечной системы в ее окрестности произошел взрыв сверхновой звезды с выбросом продуктов нейтронизации - тяжелых элементов, в том числе урана и тория, которые являются основными компонентами ядра звезды на заключительном этапе его сжатия перед взрывом.According to space chronology, during the formation of the solar system in its vicinity, a supernova burst with the release of neutronization products - heavy elements, including uranium and thorium, which are the main components of the star’s core at the final stage of its compression before the explosion.

Найденный по результатам моделирования механизм вариаций геомагнитного поля позволяет восстановить некоторые подробности этого события. Продукты взрыва сверхновой поступили в Солнечную систему вскоре после образования ядер планет. Ввиду малых размеров метеориты и астероиды не смогли конкурировать с планетами в притяжении выброшенного вещества сверхновой. Этим объясняется относительно низкое содержание тория и урана в метеоритах.The mechanism of variations of the geomagnetic field, found from the simulation results, allows one to reconstruct some details of this event. The products of a supernova explosion entered the solar system shortly after the formation of planetary nuclei. Due to their small size, meteorites and asteroids could not compete with planets in the attraction of ejected supernova matter. This explains the relatively low content of thorium and uranium in meteorites.

Под действием гравитации созданное взрывом облако частиц из тяжелых элементов распределилось между ядрами крупных планет, а также Солнца, и стало падать на них, опережая легкие компоненты протопланетной среды.Under the influence of gravity, a cloud of particles from heavy elements created by the explosion was distributed between the nuclei of large planets, as well as the Sun, and began to fall on them, ahead of the light components of the protoplanetary medium.

В условиях Земли время поступления тория соответствовало начальному этапу аккреции вещества 148 мантии (см. фиг.35, 36). К тому времени были сформированы первичное внутреннее ядро 149 из железа и никеля, внешнее ядро 150, содержащее гидрид железа, кора 151 ядра с преобладанием силикатных пород и мощная атмосфера 152 из водорода, дейтерия и гелия.Under Earth conditions, the time of thorium intake corresponded to the initial stage of accretion of substance 148 of the mantle (see Figs. 35, 36). By that time, the primary inner core 149 of iron and nickel, the outer core 150 containing iron hydride, core core 151 with a predominance of silicate rocks and a powerful atmosphere 152 of hydrogen, deuterium and helium were formed.

Частицы 153 оксида тория выпали на Землю с образованием активного пласта 154 над корой ядра. В процессе аккреции на Землю попали также продукты галактического нуклеосинтеза. Последовательно образовались нижняя мантия 155, верхняя мантия 156 с астеносферой 157 (часть верхней мантии от глубины 300 км) и литосфера 158. Потеря тепла излучением, а затем высокое давление способствовали затвердеванию внутреннего и внешнего ядер, а также слоев нарастающей мантии.Particles of thorium oxide 153 fell to the Earth with the formation of an active layer 154 above the core crust. In the process of accretion, products of galactic nucleosynthesis also came to Earth. The lower mantle 155, the upper mantle 156 with the asthenosphere 157 (part of the upper mantle from a depth of 300 km) and the lithosphere 158 were successively formed. The loss of heat by radiation and then high pressure contributed to the hardening of the inner and outer nuclei, as well as the layers of the growing mantle.

Спустя значительное время постепенное выделение тепла нуклидами расплавило внешнее ядро 160, размягчило мантию. Образовалась баромагнитная оболочка 161, периодические плавления которой способствовали формированию и инверсиям геомагнитного поля (см. фиг.37, 38).After a considerable time, the gradual release of heat by nuclides melted the outer core 160, softened the mantle. A baromagnetic shell 161 was formed, the periodic melting of which contributed to the formation and inversions of the geomagnetic field (see Fig. 37, 38).

С горячими плюмами 162 часть оксида тория была поднята в верхнюю мантию, образовала легкоплавкий силикат тория и в виде магмы была выброшена вулканами 163 на поверхность Земли, где и сейчас присутствует в виде мощных отложений 164.With hot plumes 162, part of thorium oxide was lifted into the upper mantle, formed fusible thorium silicate, and in the form of magma was ejected by volcanoes 163 onto the Earth's surface, where it is now present in the form of thick deposits 164.

Разогрев активного пласта оксида тория привел к проплавлению коры ядра. Тяжелый песок 165 оксида тория опустился в расширенное жидкое ядро 166 и после ослабления конвекции стал осаждаться в область 167 баромагнитной оболочки, что привело к постепенному росту частоты инверсий геомагнитного поля.The heating of the active layer of thorium oxide led to the fusion of the core cortex. The heavy sand 165 of thorium oxide sank into the expanded liquid core 166 and, after weakening convection, began to precipitate in the region 167 of the baromagnetic shell, which led to a gradual increase in the frequency of inversions of the geomagnetic field.

Сравнение с известной хронологией инверсий показывает, что слияние активного пласта оксида тория с жидким ядром произошло 600 миллионов лет назад. До этого, в течение миллиарда лет частота инверсий оставалась низкой (в среднем порядка 1 инверсии за 10 млн. лет) из-за первоначального дефицита радиоактивных элементов в жидком ядре.Comparison with the well-known chronology of inversions shows that the fusion of the active layer of thorium oxide with a liquid core occurred 600 million years ago. Prior to this, for a billion years, the frequency of inversions remained low (on average about 1 inversion per 10 million years) due to the initial deficiency of radioactive elements in the liquid core.

Последовавшие за этим событием 100-миллионные циклы роста частоты инверсий геомагнитного поля непосредственно связаны с периодическим перемещением облака твердых частиц оксида тория в жидком ядре. Постепенное скопление тяжелого оксида тория во внутренней области жидкого ядра сопровождается перегревом этой области, нарушением конвективной устойчивости и развитием коллапса с вытеснением нагретого расплава, содержащего оксид тория, на границу с мантией, откуда осаждение оксида тория возобновляется.The 100-millionth cycles of increase in the frequency of inversions of the geomagnetic field that followed this event are directly related to the periodic movement of a cloud of solid particles of thorium oxide in the liquid core. The gradual accumulation of heavy thorium oxide in the inner region of the liquid core is accompanied by overheating of this region, a violation of convective stability and the development of collapse with the displacement of the heated melt containing thorium oxide to the mantle boundary, from which the deposition of thorium oxide resumes.

Такой цикл повторяется один раз в 100 миллионов лет. По мере осаждения оксида тория скорость выделения тепла в баромагнитной оболочке возрастает, быстрее достигается ее плавление, и сокращается интервал времени между инверсиями.Such a cycle is repeated once every 100 million years. As thorium oxide is deposited, the rate of heat generation in the baromagnetic shell increases, its melting is faster, and the time interval between inversions decreases.

Наибольшее влияние на тектонические процессы оказывает фаза цикла, когда нагретый расплав с облаком 168 оксида тория занимает верхнее положение на периферии 169 жидкого ядра у его границы 170 с мантией (см. фиг.39). Температура переходного слоя 171 (слой D2) возрастает на несколько сотен градусов, плавятся прилегающие к нему области 172 конвективных ячеек 173 мантии. Силикатный расплав в виде плюмов 174 подымается с образованием горячих точек 175 верхней мантии и усиливает конвективное движение в астеносфере. Основным местом вывода избыточного тепла на поверхность Земли становятся срединно-океанические хребты и их окрестности. Ускоряются спрединг океаничесой коры и субдукция. Усиливается вулканизм на континентах.The cycle phase has the greatest influence on tectonic processes, when a heated melt with a cloud of thorium oxide 168 occupies an upper position on the periphery 169 of the liquid core at its boundary 170 with the mantle (see Fig. 39). The temperature of the transition layer 171 (layer D 2 ) increases by several hundred degrees, the adjacent areas 172 of the mantle convection cells 173 melt. A silicate melt in the form of plumes 174 rises with the formation of hot spots 175 of the upper mantle and enhances convective motion in the asthenosphere. The main place for the removal of excess heat to the Earth's surface is the mid-ocean ridges and their surroundings. Oceanic crust spreading and subduction are accelerated. Volcanism is increasing on the continents.

Слой 176 охлажденного расплава, спустившийся к поверхности 177 субъядра, затвердевает с образованием увеличенной баромагнитной оболочки 178, которая содержит основу 179 и покрытие 180, различающиеся фазовым состоянием гидрида железа.The cooled melt layer 176, which has descended to the subnuclear surface 177, hardens to form an enlarged baromagnetic shell 178, which contains the base 179 and coating 180, which differ in the phase state of iron hydride.

Постепенное повышение температуры внутренней части жидкого ядра способствует уменьшению толщины оболочки от инверсии к инверсии. К концу цикла инверсий основа оболочки остается без покрытия.A gradual increase in the temperature of the inner part of the liquid core contributes to a decrease in the shell thickness from inversion to inversion. By the end of the inversion cycle, the shell base remains uncoated.

Охлажденный расплав, поступающий к субъядру в результате конвективного коллапса, практически лишен оксида тория. Поскольку материалом баромагнитной оболочки при ее очередном затвердевании служит этот обедненный расплав, мощность теплового источника в ней резко падает. Первый интервал нового цикла получается аномально длинным, если приход обедненного расплава застал оболочку в расплавленном состоянии (35 млн. лет в последнем цикле).The cooled melt entering the subnucleus as a result of convective collapse is practically devoid of thorium oxide. Since the material of the baromagnetic shell during its next solidification is this depleted melt, the power of the heat source in it drops sharply. The first interval of the new cycle turns out to be anomalously long if the arrival of the depleted melt found the shell in the molten state (35 Ma in the last cycle).

Тем временем, поднятое коллапсом облако частиц оксида тория постепенно опускается и при среднем положении 181 приходит в контакт с областью 182 баромагниной оболочки (см. фиг.40, показана стадия плавления оболочки). С этого времени начинаются обогащение оболочки оксидом тория и рост частоты инверсий.In the meantime, the cloud of thorium oxide particles raised by the collapse is gradually dropping and at an average position of 181 comes into contact with the baromagnum casing region 182 (see FIG. 40, the casing melting stage is shown). From this time, enrichment of the shell with thorium oxide and an increase in the frequency of inversions begin.

Максимального значения частота инверсий достигает при нижнем положении 183 облака (см. фиг.41). В оболочке оказывается сосредоточенным почти весь оксид тория из жидкого ядра, причем преобладает крупная фракция частиц, которая оседает быстрее и вместе с тем включает в себя основную массу этого нуклида. С другой стороны, верхний слой 184 расплава, расположенный под мантией, теряет не только запасы тепла, но и сам его источник - оксид тория.The maximum value of the inversion frequency reaches at the lower position 183 of the cloud (see Fig. 41). Almost all thorium oxide from the liquid core is concentrated in the shell, and a large fraction of particles predominates, which settles faster and at the same time includes the bulk of this nuclide. On the other hand, the upper melt layer 184, located under the mantle, loses not only the heat reserves, but also its source itself - thorium oxide.

В жидком ядре наступает тепловой кризис. Потоки 185 истощенного расплава падают на субъядро 125, вытесняя нагретый расплав и рассеянный в нем оксид тория (см. фиг.42), после чего нагретый расплав с оксидом тория растекается по периферии жидкого ядра (возврат к положению, показанному на фиг.39).A thermal crisis sets in in the liquid core. Threads 185 of the depleted melt fall onto subunit 125, displacing the heated melt and thorium oxide scattered therein (see FIG. 42), after which the heated melt with thorium oxide spreads around the periphery of the liquid core (returning to the position shown in FIG. 39).

Принципиальной особенностью описываемых магнитных превращений является высокая температура (на уровне 5000 К), которая в обычных условиях разрушает дальний магнитный порядок во всех известных веществах. Есть, однако, физические явления, благодаря которым твердое ядро Земли становится постоянным магнитом.The principal feature of the described magnetic transformations is the high temperature (at the level of 5000 K), which under ordinary conditions destroys the long-range magnetic order in all known substances. However, there are physical phenomena due to which the solid core of the Earth becomes a permanent magnet.

Подобно крупным планетам Солнечной системы Юпитеру, Сатурну и Урану мощную водородную атмосферу имела и Земля. Под влиянием излучения Солнца водородная атмосфера Земли рассеялась, после чего произошла дегазация верхней мантии. Из-за медленности диффузионных процессов водород остался в жидком ядре, где он присутствует в виде гидрида железа, устойчивого при высоких давлениях и не подверженного гравитационному разделению. Гидрид железа обладает металлической проводимостью.Like the large planets of the solar system, Jupiter, Saturn and Uranus also had a powerful hydrogen atmosphere. Under the influence of solar radiation, the Earth’s hydrogen atmosphere dissipated, after which the degradation of the upper mantle occurred. Due to the slowness of diffusion processes, hydrogen remained in the liquid core, where it is present in the form of iron hydride, stable at high pressures and not subject to gravitational separation. Iron hydride has metallic conductivity.

Согласно известным из литературы экспериментальным данным, полученным при давлениях до 3 ГПа, 3d-металлы со значительным содержанием водорода обнаруживают магнитные свойства (Б.Барановский в книге “Водород в металлах”, ред. Г.Алефельд, И.Фелькль, Москва, Мир, 1981, том 2, с.232).According to experimental data known from the literature, obtained at pressures up to 3 GPa, 3d metals with a significant hydrogen content exhibit magnetic properties (B. Baranovsky in the book “Hydrogen in Metals”, ed. G. Alefeld, I. Felkl, Moscow, Mir, 1981, vol. 2, p. 232).

При подъеме давления выше 300 ГПа вероятен скачкообразный рост температуры плавления. Сравнение этого явления с известным фазовым переходом водорода при тех же давлениях (фиг.43) позволяет связать скачок на кривой плавления гидрида с уменьшением объема абсорбированного атома водорода. Для поддержания магнитного порядка в гидриде железа существенны возможность бидипольного состояния в нем (фиг.44, 45) и достаточно высокое расположение уровня Ферми над энергией электронов с некомпенсированными спинами (фиг.46, 47).When the pressure rises above 300 GPa, an abrupt increase in the melting temperature is likely. A comparison of this phenomenon with the known hydrogen phase transition at the same pressures (Fig. 43) allows us to relate the jump in the hydride melting curve to the decrease in the volume of the absorbed hydrogen atom. To maintain the magnetic order in iron hydride, the possibility of a bidipole state in it (Figs. 44, 45) and a rather high location of the Fermi level above the energy of electrons with uncompensated spins (Figs. 46, 47) are essential.

Наиболее компактной структурой гидрида является плотно упакованная гранецентрированная кубическая решетка атомов железа, в октаэдрических полостях которой расположены атомы водорода с отношением 1:1 (по типу решетки NaCl). Каждый атом железа расположен в центре октаэдра, образованного шестью атомами водорода.The most compact hydride structure is a densely packed face-centered cubic lattice of iron atoms, in the octahedral cavities of which there are hydrogen atoms with a 1: 1 ratio (similar to the NaCl lattice). Each iron atom is located in the center of the octahedron formed by six hydrogen atoms.

Понижение симметрии кристаллической решетки железа, связанное с присутствием водорода в октаэдрических междоузлиях, способствует расщеплению зоны d-электронов на две подзоны, разделенные энергетической щелью. Заполняется в первую очередь подзона, находящаяся на более низком уровне относительно энергии Ферми. Сжатие увеличивает концентрацию валентных электронов, что приводит к дополнительному повышению уровня Ферми относительно заполненной подзоны d-электронов.The decrease in the symmetry of the iron crystal lattice, associated with the presence of hydrogen in the octahedral interstitial sites, promotes the splitting of the d-electron zone into two subbands separated by an energy gap. First of all, the subband is filled, which is at a lower level relative to the Fermi energy. Compression increases the concentration of valence electrons, which leads to an additional increase in the Fermi level relative to the filled d-electron subband.

В результате сжатия заполненная d-подзона (Z1 на фиг.47) оказывается расположенной глубоко под уровнем Ферми ε F, за пределами его окрестности с границами ε F± 2kT, где k=8.617· 10-5 эВ К-1 - постоянная Больцмана, 2kT=0.86 эВ при Т=5000 К. Такое положение подзоны защищает ее от влияния температуры.As a result of compression, the filled d-subband (Z 1 in Fig. 47) is located deep below the Fermi level ε F , outside its vicinity with the boundaries ε F ± 2kT, where k = 8.617 · 10 -5 eV K -1 is the Boltzmann constant , 2kT = 0.86 eV at T = 5000 K. This position of the subband protects it from the influence of temperature.

У диамагнитных веществ в полностью занятых зонах могут находиться только электроны со спаренными спинами. В случае парамагнитных веществ теория металлов допускает существование полностью занятых зон с некомпенсированными спинами (И.М.Лифшиц, М.Я.Азбель, М.И.Каганов, Электронная теория металлов, Москва, Наука, 1971, с.133).For diamagnetic substances in fully occupied zones only electrons with paired spins can be. In the case of paramagnetic substances, the theory of metals allows the existence of fully occupied zones with uncompensated spins (I.M. Lifshits, M.Ya. Azbel, M.I. Kaganov, Electronic Theory of Metals, Moscow, Nauka, 1971, p.133).

Компенсацию спинов нарушает, в частности, переход вещества в бидипольное состояние. Сверхвысокое давление приводит к значительному усилению внутриатомного электрического поля из-за увеличения объемной плотности электронного заряда - в 1.5 раза у Земли (300 ГПа, 5000 К) и в 2 раза у Юпитера (4500 ГПа, 20000 К). Концентрация электрического поля благоприятна для стабилизации бидипольного состояния, что подтверждено независимыми опытами.Spin compensation is disturbed, in particular, by the transition of a substance to a bidipole state. Ultrahigh pressure leads to a significant increase in the intra-atomic electric field due to an increase in the bulk density of the electron charge - 1.5 times at the Earth (300 GPa, 5000 K) and 2 times at Jupiter (4500 GPa, 20,000 K). The concentration of the electric field is favorable for the stabilization of the bidipole state, which is confirmed by independent experiments.

В лабораторных условиях достаточно сильное электрическое поле может быть получено в двойном электрическом слое на границе фаз, к которым приложена разность потенциалов. Объемная электрическая прочность кристаллов не превосходит 108 Вм-1. Для двойного слоя поле с напряженностью 1010 Вм-1 является обычным и может быть изменено в широких пределах при изменении разности потенциалов в интервале 3 В.Under laboratory conditions, a sufficiently strong electric field can be obtained in a double electric layer at the phase boundary, to which a potential difference is applied. Volumetric dielectric strength of crystals does not exceed 10 8 Vm -1 . For a double layer, a field with a strength of 10 10 Vm -1 is common and can be changed over a wide range when the potential difference changes in the range of 3 V.

Немагнитные металлы - титан, медь, серебро, платина и ряд других - были погружены в водный раствор серной кислоты. С помощью электрода сравнения на них был наложен отрицательный потенциал. Происходящая при этом адсорбция водорода сопровождалась появлением и ростом магнитного потока через поверхность металла.Non-magnetic metals - titanium, copper, silver, platinum and several others - were immersed in an aqueous solution of sulfuric acid. Using a reference electrode, a negative potential was imposed on them. The adsorption of hydrogen taking place in this case was accompanied by the appearance and growth of a magnetic flux through the metal surface.

На титане адсорбция атома водорода создает диполь, ориентированный северным магнитным полюсом от металла к раствору (

Figure 00000011
), на меди и серебре - от раствора к металлу (
Figure 00000012
). На платине по мере адсорбции ориентация диполя меняется: при малых покрытиях - от металла к раствору (
Figure 00000013
), при покрытиях, близких к полному (1:1) - от раствора к металлу (
Figure 00000014
) с вкладом одного атома водорода в магнитный момент поверхностиOn titanium, the adsorption of a hydrogen atom creates a dipole oriented by the north magnetic pole from metal to solution (
Figure 00000011
), on copper and silver - from solution to metal (
Figure 00000012
) In the case of adsorption on platinum, the dipole orientation changes: for small coatings, from metal to solution (
Figure 00000013
), with coatings close to full (1: 1) - from solution to metal (
Figure 00000014
) with the contribution of one hydrogen atom to the magnetic moment of the surface

μ m(Н-Рt)=2.2· 10-23 Ам2, (25)μ m (Н-Рt) = 2.2 · 10 -23 Am 2 , (25)

что близко к двум магнетонам Бора. При малых покрытиях платины водород заряжен отрицательно, (-)H-Pt(+), а при больших - положительно, (+)Н-Pt(-), что связано с постепенным заряжением платины через внешнюю цепь. Водород выполняет функцию обкладки двойного электрического слоя.which is close to the two magnetons of Bohr. For small platinum coatings, hydrogen is negatively charged, (-) H-Pt (+), and for large coatings it is positively charged, (+) H-Pt (-), which is associated with the gradual charging of platinum through an external circuit. Hydrogen performs the function of lining a double electric layer.

Изменение магнитной полярности происходит одновременно с изменением знака скачка потенциала в двойном слое, что указывает на фиксированную связь направлений электрического и магнитного полей. Спонтанная магнитная поляризация поверхности возникает под влиянием электрического поля, однозначно связана с его величиной и полярностью. Внешнее магнитное поле с индукцией 0.1 Тл не оказывает на нее заметного влияния.A change in magnetic polarity occurs simultaneously with a change in the sign of the potential jump in the double layer, which indicates a fixed relationship between the directions of the electric and magnetic fields. Spontaneous magnetic polarization of the surface occurs under the influence of an electric field, is uniquely associated with its magnitude and polarity. An external magnetic field with an induction of 0.1 T does not have a noticeable effect on it.

Поверхность по свойствам существенно отличается от объема. Ее открытость дает возможность наблюдать прямой отклик конденсированного вещества на электрическое поле внутриатомной силы. Роль ближайшего окружения в данном случае второстепенна, поскольку магнитного порядка в объеме металла заведомо нет, а на поверхности контакт между адсорбированными атомами наступает только в конце заполнения.The surface properties significantly differs from the volume. Its openness makes it possible to observe the direct response of the condensed matter to the electric field of the intra-atomic force. The role of the nearest environment in this case is secondary, since there is obviously no magnetic order in the volume of the metal, and contact between the adsorbed atoms on the surface occurs only at the end of filling.

Существенно присутствие или образование незаполненной d-оболочки у поверхностных атомов металла. У платины она есть с самого начала. У меди и серебра образуется при расходе части d-электронов на формирование свободного заряда двойного слоя.The presence or formation of an unfilled d-shell at surface metal atoms is significant. Platinum has it from the very beginning. In copper and silver, it forms when part of the d electrons is consumed to form the free charge of the double layer.

Проведенные опыты выявляют следующие причины возникновения магнитного порядка, соответствующие описанной модели баромагнетизма:The experiments revealed the following causes of the magnetic order, corresponding to the described model of baromagnetism:

1) свойство спаренных электронов с параллельными спинами в частично заполненной внутренней оболочке атома занимать асимметричную относительно ядра орбиту с образованием бидиполя - частицы с сопряженными магнитным и электрическим дипольными моментами,1) the property of paired electrons with parallel spins in a partially filled inner shell of an atom to occupy an orbit asymmetric relative to the nucleus with the formation of a bidipole — particles with conjugate magnetic and electric dipole moments,

2) однозначность взаимной ориентации сопряженных дипольных моментов так, что в соответствующих диполях направление от отрицательного заряда к положительному совпадает с направлением от южного магнитного полюса к северному, |S(-)(+)N

Figure 00000015
,2) the uniqueness of the mutual orientation of the conjugated dipole moments so that in the corresponding dipoles the direction from negative to positive coincides with the direction from the south magnetic pole to the north, | S (-) (+) N
Figure 00000015
,

3) переход электронов в бидипольное состояние под влиянием электрического поля внутриатомного уровня (выше 108 Вм-1),3) the transition of electrons to the bidipole state under the influence of the electric field of the intra-atomic level (above 10 8 Vm -1 ),

4) взаимодействие электрической компоненты бидиполя с внешним электрическим полем, влекущее за собой согласованную ориентацию сопряженного магнитного момента.4) the interaction of the electric component of the bidipole with an external electric field, entailing a coordinated orientation of the conjugated magnetic moment.

Перечисленные факторы действуют в условиях d-, f-, g-оболочек с удлиненной формой волновой функции, преимущественно без узлов, 3d, 4f, 5g. Последовательное исключение двух узлов 5d-функции с образованием 5g-функции зарегистрировано при адсорбции водорода на платине (А.Я.Гохштейн, Успехи физических наук, 2000, том 170, №7, с.779-804). В атомах редкоземельных элементов бидиполь возникает из-за близости 4f-оболочки к собственному ядру как источнику электрического поля. Существенна роль собственного ядра также в магнетизме 3d-элементов.The listed factors act under conditions of d-, f-, g-shells with an elongated wave function, mainly without nodes, 3d, 4f, 5g. The sequential exclusion of two nodes of the 5d function with the formation of the 5g function was detected during hydrogen adsorption on platinum (A.Ya. Gokhshtein, Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 2000, Volume 170, No. 7, pp. 797-804). In rare-earth atoms, a bidipole arises due to the proximity of the 4f shell to its own nucleus as an electric field source. The essential role of the own nucleus is also in the magnetism of 3d elements.

Значительные размеры баромагнитной оболочки обеспечивают ей однодоменную структуру, которая может сохранять намагниченность до очередного плавления. Величина намагниченности определяется конкуренцией между бидипольным взаимодействием и нагревом.The significant dimensions of the baromagnetic shell provide it with a single-domain structure, which can retain magnetization until the next melting. The magnitude of the magnetization is determined by the competition between the bidipole interaction and heating.

Индукция Вc вещества баромагнитной оболочки может быть оценена по индукции Bt на поверхности Земли вблизи магнитного полюса, Bt=0.6 Гс=0.06 мТл, с учетом радиусов оболочки r=1.67· 106 м и Земли R=6.3· 106 м:The induction B c of the material of the baromagnetic shell can be estimated by induction B t on the Earth’s surface near the magnetic pole, B t = 0.6 G = 0.06 mT, taking into account the radius of the shell r = 1.67 · 10 6 m and the Earth R = 6.3 · 10 6 m:

Bc=Bt(R/r)3=3.33 мТл. (26)B c = B t (R / r) 3 = 3.33 mT. (26)

Она в сотни раз меньше индукции насыщения (порядка 1 Тл). Отсюда следует, что влияние нагрева значительно. Локальные колебания температуры и давления приводят к флуктуациям геомагнитного поля. Магнитная проницаемость расплавленной оболочки увеличивается при ее охлаждении путем конвекции.It is hundreds of times less than the saturation induction (of the order of 1 T). It follows that the effect of heating is significant. Local fluctuations in temperature and pressure lead to fluctuations in the geomagnetic field. The magnetic permeability of the molten shell increases when it is cooled by convection.

Одновременное повышение температуры и давления происходит с сохранением магнитного порядка. Значителен резерв усиления магнитного поля планеты. На экваторе Юпитера поле составляет 4 Гс, что в 10 раз сильнее поля на экваторе Земли. Источник магнитного поля поля Юпитера находится в окрестности его ядра, которое имеет радиус 15000 км и расположено под слоем толщиной 55000 км, состоящим, в основном, из водорода. Давление на поверхности ядра достигает 4500 ГПа, температура - 20000 К. Центральная область планеты содержит железо. Отсюда следует, что вещество, создающее поле, является гидридом железа.A simultaneous increase in temperature and pressure occurs while maintaining a magnetic order. Significant reserve gain of the magnetic field of the planet. At the equator of Jupiter, the field is 4 Gs, which is 10 times stronger than the field at the equator of the Earth. The source of the magnetic field of Jupiter’s field is located in the vicinity of its core, which has a radius of 15,000 km and is located under a layer 55,000 km thick, consisting mainly of hydrogen. The pressure on the surface of the core reaches 4500 GPa, the temperature - 20,000 K. The central region of the planet contains iron. It follows that the substance that creates the field is iron hydride.

Десятикратное превосходство поля Юпитера над полем Земли не имеет прямой связи с количеством магнитного вещества. Если бы удалось увеличить диаметр Земли и составляющих ее слоев в 10 раз без изменения их магнитных свойств, то поле на поверхности Земли сохранило бы прежнее значение. Оно определялось бы прежней индукцией в ядре и кубом прежнего отношения радиусов ядра и поверхности.The tenfold superiority of the Jovian field over the Earth's field has no direct relationship with the amount of magnetic substance. If it were possible to increase the diameter of the Earth and its constituent layers by 10 times without changing their magnetic properties, then the field on the surface of the Earth would retain its previous value. It would be determined by the previous induction in the core and the cube of the previous ratio of the radii of the core and surface.

По этой причине сравнение полей Земли и Юпитера свидетельствует о десятикратном увеличении индукции в магнитоактивной области Юпитера, что возможно при усилении бидипольного взаимодействия в результате преобладания роста давления над ростом температуры. Давление на ядре Юпитера выше в 10 раз, а температура - только в 5 раз, чем на ядре Земли.For this reason, a comparison of the fields of the Earth and Jupiter indicates a tenfold increase in the induction in the magnetically active region of Jupiter, which is possible with an increase in the bidipole interaction as a result of the predominance of pressure increase over temperature increase. The pressure on the core of Jupiter is 10 times higher, and the temperature is only 5 times higher than on the core of the Earth.

Согласно изложенному механизму инверсия геомагнитного поля является автоколебательным процессом релаксационного типа. Длительное накопление тепла в затвердевшей области жидкого ядра прерывается волнообразным плавлением этой области и конвективным теплоотводом, занимающим относительно малую часть периода автоколебаний, после чего происходит волнообразное затвердевание до состояния, подобного исходному. Ввиду чередования ориентации поля один цикл магнитных колебаний включает два цикла тепловых колебаний.According to the above mechanism, the inversion of the geomagnetic field is a self-oscillating process of a relaxation type. Long-term accumulation of heat in the hardened region of the liquid core is interrupted by wave-like melting of this region and convective heat removal, which occupies a relatively small part of the self-oscillation period, after which wave-like solidification takes place to a state similar to the initial one. Due to the alternation of field orientation, one cycle of magnetic vibrations includes two cycles of thermal vibrations.

Тепловые колебания в ядре Земли по своему происхождению независимы от магнитных колебаний и могли бы совершаться без них. Магнитные колебания, наоборот, обусловлены тепловыми колебаниями. Это обстоятельство существенно при решении вопроса о том, как возникла “первая” ориентация магнитного поля, которая затем многократно менялась.Thermal vibrations in the Earth’s core are independent in their origin from magnetic vibrations and could have occurred without them. Magnetic vibrations, on the contrary, are caused by thermal vibrations. This circumstance is essential when solving the question of how the “first” orientation of the magnetic field arose, which then changed many times.

Анализ описанных явлений приводит к выводу, что глобальная ориентация магнитного поля сформировалась постепенно как результат совместного действия двух факторов: 1) тепловых колебаний, 2) сил изображения между твердым намагниченным ядром и вращающимся вокруг него электропроводным расплавом жидкого ядра.An analysis of the described phenomena leads to the conclusion that the global orientation of the magnetic field was formed gradually as a result of the combined action of two factors: 1) thermal fluctuations, 2) image forces between the solid magnetized core and the electrically conductive melt of the liquid core rotating around it.

На начальном этапе формирования поля планеты баромагнитная оболочка составлена из случайно ориентированных намагниченных фрагментов. После плавления оболочки происходит фильтрация поля, индуцированного в расплаве. Быстрее рассеиваются более мелкие пространственные флуктуации, дольше сохраняется среднее по оболочке поле. Это поле, вначале малое, создает преимущественную ориентацию при затвердевании новой оболочки. Последующие циклы плавления и затвердевания усиливают эту ориентацию и делают ее единственной.At the initial stage of planetary field formation, the baromagnetic shell is composed of randomly oriented magnetized fragments. After melting of the shell, the field induced in the melt is filtered. Smaller spatial fluctuations dissipate faster, and the average field average over the shell is longer. This field, initially small, creates a preferential orientation when the new shell hardens. Subsequent melting and solidification cycles reinforce this orientation and make it the only one.

Изменение агрегатного состояния баромагнитной оболочки требует значительной энергии. В случае кристаллической структуры вещества оболочки основную часть этой энергии составляет скрытая теплота плавления. При увеличении давления энтропия Δ Sm плавления меняется слабо, Δ Sm≈ const. В этих условиях скрытая теплота плавления Lm пропорциональна температуре Tm, при которой происходит плавление, Lm=TmΔ Sm. Для упрощения расчетов указанные параметры рассматриваются далее как средние по толщине оболочки (локальные значения параметров отмечены на фиг.48 греческими индексами).Changing the state of aggregation of the baromagnetic shell requires significant energy. In the case of the crystalline structure of the shell material, the bulk of this energy is the latent heat of fusion. With increasing pressure, the entropy Δ S m of melting varies slightly, Δ S m ≈ const. Under these conditions, the latent heat of fusion L m is proportional to the temperature T m at which melting occurs, L m = T m Δ S m . To simplify the calculations, these parameters are considered below as average over the thickness of the shell (local values of the parameters are indicated in Fig. 48 by Greek indices).

Интервал τ c времени между регулярными последовательными инверсиями составляетThe time interval τ c between regular sequential inversions is

τ c=[cp(Tm-Tu)+Lm]/Wb. (27)τ c = [c p (T m −T u ) + L m ] / W b . (27)

где Lm=TmΔ Sm - скрытая теплота плавления вещества баромагнитной оболочки (гидрида железа),where L m = T m Δ S m is the latent heat of fusion of the substance of the baromagnetic shell (iron hydride),

Тm - температура плавления вещества оболочки,T m is the melting point of the shell substance,

Δ SmmR - энтропия плавления,Δ S m = θ m R is the entropy of melting,

R - газовая постоянная,R is the gas constant

θ m - коэффициент, зависящий от давления р; θ m=ln2=0.693 при р≥ 300 ГПа, когда по температуре плавления гидрид приближается к железу,θ m is a coefficient depending on pressure p; θ m = ln2 = 0.693 at p≥ 300 GPa, when the hydride approaches the iron in terms of the melting temperature,

cp - теплоемкость вещества оболочки при постоянном давлении,c p is the heat capacity of the shell material at constant pressure,

cр=6R=0.877· 103 Дж К-1 кг-1 для FeH,c p = 6R = 0.877 · 10 3 J K -1 kg -1 for FeH,

Тu - исходная температура вещества оболочки,T u - the initial temperature of the shell material,

Wb - мощность теплового источника внутри оболочки.W b is the power of the heat source inside the shell.

Условие регулярности исключает заведомо случайные эпизоды. Температура плавления постоянна, тогда как исходная температура увеличивается в пределах цикла от минимальной температуры Ta до температуры плавленияThe regularity condition excludes knowingly random episodes. The melting temperature is constant, while the initial temperature increases within the cycle from the minimum temperature T a to the melting temperature

Тa≤ Тu≤ Тm. (28)T a ≤ T u ≤ T m . (28)

Первому интервалу τ c1 цикла соответствует исходная температура Тu≈ Ta. Во втором интервале τ c2 и последующих интервалах Тu≈ Тm. Из (19) следуетThe first interval τ c1 of the cycle corresponds to the initial temperature T u ≈ T a . In the second interval τ c2 and subsequent intervals Т u ≈ Т m . From (19) it follows

τ c1c2=1+(cp/Lm)(Tm-Ta) (29)τ c1 / τ c2 = 1 + (c p / L m ) (T m -T a ) (29)

Подстановка значений сp=6R и Lm=θ RTm в (21) дает соотношениеSubstitution of values with p = 6R and L m = θ RT m in (21) gives the relation

Ta/Tm=1-(θ /6)[(τ c1c2)-1], (30)T a / T m = 1- (θ / 6) [(τ c1 / τ c2 ) -1], (30)

которое может быть использовано для оценки температуры плавления гидрида железа.which can be used to estimate the melting point of iron hydride.

Минимальная температура Тa (в частности, Tα ) на границе с субъядром (при r=rs) отличается от температуры Тb (в частности, Тβ ) на границе с мантией (при r=rm) на величину адиабатического перепадаThe minimum temperature T a (in particular, Tα) at the boundary with the subnucleus (at r = r s ) differs from the temperature T b (in particular, Tβ) at the boundary with the mantle (at r = r m ) by the adiabatic drop

Ta-Tb=Tb(r 2 m -r 2 s )α b/2cp, (31)T a -T b = T b (r 2 m -r 2 s ) α b / 2c p , (31)

где α - линейный коэффициент теплового расширения, b=4.0· 10-6 с-2 - известный градиент силы тяжести в области жидкого ядра.where α is the linear coefficient of thermal expansion, b = 4.0 · 10 -6 s -2 is the known gradient of gravity in the region of the liquid core.

В соответствии с литературными данными, Тb≈ 3000 К и α ≈ 1· 10-5 К-1. Тогда Ta=3720 К.In accordance with published data, T b ≈ 3000 K and α ≈ 1 · 10 -5 K -1 . Then T a = 3720 K.

Длительности первых двух регулярных интервалов последнего цикла равны τ c1=35 млн. лет и τ c2=10 млн. лет (4+6 млн. лет, так как интервал 4 млн. лет обнаруживает признаки эпизода). При θ =ln2 расчет по уравнению (22) дает температуру плавления гидрида железа Тm=5232 К. Амплитуда автоколебаний температуры во внутренней части жидкого ядра составляет Δ Tam-Ta=1512 К.The durations of the first two regular intervals of the last cycle are τ c1 = 35 million years and τ c2 = 10 million years (4 + 6 million years, since the interval of 4 million years reveals signs of an episode). At θ = ln2, the calculation according to equation (22) gives the melting point of iron hydride T m = 5232 K. The amplitude of the temperature self-oscillations in the inner part of the liquid core is Δ T a = T m -T a = 1512 K.

В первом приближении, для оценки мощности теплового источника может быть использовано значение Δ Sm≈ Rln2=5.76 Дж моль-1 К-1, где R - газовая постоянная. Оно соответствует изменению позиционной энтропии при плавлении одноатомного вещества - железа и не учитывает вклада водорода. Последнее допустимо при давлении p≥ 300 ГПа ввиду отсутствия прочной химической связи между железом и водородом после фазового перехода к более компактной структуре.In a first approximation, to estimate the power of a heat source, the value Δ S m ≈ Rln2 = 5.76 J mol -1 K -1 can be used, where R is the gas constant. It corresponds to a change in positional entropy during melting of a monatomic substance - iron and does not take into account the contribution of hydrogen. The latter is permissible at a pressure p≥ 300 GPa due to the lack of a strong chemical bond between iron and hydrogen after a phase transition to a more compact structure.

В этих условиях температуре плавления Tm=5000 К (значение округлено) соответствует теплота Lm=2.9· 104 Дж моль-1. При сжатии 1.6 (300 ГПа) удельный объем FeH составляет 5.33-10-6 м3 моль-1, Lm=5.4· 109 Дж м-3. В случае аморфного состояния вещества плавление растягивается на определенный температурный интервал, но требует приблизительно той же энергии Lm. Обилие дефектов, стабилизированных высоким давлением, приводит к тому, что состояние баромагнитной оболочки является промежуточным между кристаллическим и аморфным. К концу цикла инверсий мощность источника приближается к предельному значению,Under these conditions, the melting temperature T m = 5000 K (value rounded) corresponds to the heat L m = 2.9 · 10 4 J mol -1 . Under compression of 1.6 (300 GPa), the specific volume of FeH is 5.33–10 –6 m 3 mol –1 , L m = 5.4 · 10 9 J m –3 . In the case of an amorphous state of a substance, melting is stretched over a certain temperature range, but requires approximately the same energy L m . The abundance of defects stabilized by high pressure leads to the fact that the state of the baromagnetic shell is intermediate between crystalline and amorphous. By the end of the inversion cycle, the source power approaches the limit value,

Wb→ maxWb. (32)W b → maxW b . (32)

Отсюда следует равенство для минимального за цикл интервала между регулярными инверсиями min τ c=Lm/max Wb.This implies the equality for the minimum interval per cycle between regular inversions min τ c = L m / max W b .

Согласно изложенному, максимальная мощность источника тепла в баромагнитном слое может быть оценена по формулеAccording to the above, the maximum power of the heat source in the baromagnetic layer can be estimated by the formula

max Wb=Lm/min τ c. (33)max W b = L m / min τ c . (33)

Последний цикл инверсий, начавшийся 100 млн. лет назад, близок к завершению. В текущий период протяженностью 5 млн. лет зарегистрировано 4 крупных интервала между инверсиями магнитного поля (по мере удаления в прошлое): Брюнес (+), Матуяма (-), Гаусс (+), Гилберт (-), где знаки (+) и (-) обозначают нормальную и обратную полярности. Интервал Брюнес начался 780 тысяч лет назад и продолжается без перерывов до настоящего времени.The last cycle of inversions, which began 100 million years ago, is close to completion. In the current period of 5 million years, 4 large intervals were recorded between magnetic field inversions (as they recede into the past): Brunes (+), Matuyama (-), Gauss (+), Gilbert (-), where the signs (+) and (-) denote normal and reverse polarity. The Brunes interval began 780 thousand years ago and continues without interruption to the present.

Короткие перерывы (эпизоды) в предыдущих интервалах связаны (как показано далее) с второстепенными эффектами. Таким образом, практически достигнут минимальный интервал между инверсиями min τ c=1 млн. лет. Ему соответствует современная мощность теплового источника внутри баромагнитной оболочкиShort breaks (episodes) in previous intervals are associated (as shown below) with secondary effects. Thus, the minimum interval between inversions min τ c = 1 million years was practically reached. It corresponds to the modern power of the heat source inside the baromagnetic shell

mаxWb=1.71· 10-4 Втм-3. (34)maxW b = 1.71 · 10 -4 Wm -3 . (34)

При толщине баромагнитного слоя 470 км его объем составляет Vb=1.23· 1019 м3, Vb/Ve=0.0114, где Ve=1.08· 1021 м3 - объем Земли. Полная мощность источника Qb=maxWbVb=2.10· 1015 Вт.With a baromagnetic layer thickness of 470 km, its volume is V b = 1.23 · 10 19 m 3 , V b / V e = 0.0114, where V e = 1.08 · 10 21 m 3 is the volume of the Earth. The total power of the source Q b = maxW b V b = 2.10 · 10 15 W.

Если бы она была постоянной, то на поверхности Земли Se=0.51· 1015 м2 ей соответствовал бы стационарный поток тепла qb=4.12 Вт м-2, что в 59 раз выше среднего потока qe=0.07 Вт м-2, наблюдаемого в настоящее время. Поскольку в оболочке к концу цикла скапливается основная масса оксида тория из жидкого ядра, то величина Qb с достаточным приближением характеризует также мощность выделения тепла во всем объеме жидкого ядра.If it were constant, then on the surface of the Earth S e = 0.51 · 10 15 m 2 it would correspond to a stationary heat flux q b = 4.12 W m -2 , which is 59 times higher than the average flux q e = 0.07 W m -2 , currently observed. Since the bulk of thorium oxide from the liquid core accumulates in the shell at the end of the cycle, the value of Q b with a sufficient approximation also characterizes the power of heat generation in the entire volume of the liquid core.

Температура на поверхности Земли определяется, в основном, энергией, получаемой от Солнца. Из потока солнечной энергии 1367 Вт м-2 Земля поглощает и затем излучает q=237 Вт м-2. Указанный поток qb из ядра способен повысить эту величину до q=241 Вт м-2. Относительное повышение температуры составляетThe temperature on the surface of the earth is determined mainly by the energy received from the sun. From the solar energy flux 1367 W m -2, the Earth absorbs and then radiates q = 237 W m -2 . The specified stream q b from the core is able to increase this value to q = 241 W m -2 . The relative increase in temperature is

Figure 00000016
, (35)
Figure 00000016
, (35)

где

Figure 00000017
- температура поверхности, освещаемой Солнцем,Where
Figure 00000017
- the temperature of the surface illuminated by the Sun,

Figure 00000018
- температура, создаваемая на поверхности Земли совместным действием Солнца и глубинного источника. В данных условиях
Figure 00000019
/
Figure 00000020
=1.0042. При
Figure 00000021
=293 К этому соответствует
Figure 00000022
=294.2 К, то есть потепление на 1 К.
Figure 00000018
- the temperature created on the surface of the Earth by the combined action of the Sun and a deep source. In these conditions
Figure 00000019
/
Figure 00000020
= 1.0042. At
Figure 00000021
= 293 To this corresponds
Figure 00000022
= 294.2 K, i.e. warming by 1 K.

Поток тепла, рассчитанный по современной частоте инверсий, не может беспрепятственно достичь поверхности Земли. На его пути расположены несколько слоев, совершающих тепловые автоколебания - нижняя мантия, верхняя мантия, включающая астеносферу. На глубинах 670 и 400 км расположены области фазовых переходов, выявляемые по скачкам в скорости сейсмических волн. Слой астеносферы толщиной около 300 км частично расплавлен.The heat flux calculated according to the modern frequency of inversions cannot reach the surface of the Earth without hindrance. On its way there are several layers performing thermal self-oscillations - the lower mantle, the upper mantle, including the asthenosphere. At depths of 670 and 400 km, there are regions of phase transitions detected by jumps in the speed of seismic waves. A layer of the asthenosphere about 300 km thick is partially melted.

Автоколебательный перенос тепла через астеносферу состоит из двух стадий: 1) утолщение расплавленного слоя без существенной конвекции, 2) развитие кольцевой конвекции. Критическое число Релея, при котором нарушается конвективная устойчивость, пропорционально перепаду температуры и третьей степени толщины слоя. На стадии утолщения температура расплавленного слоя стабильна, так как подводимая энергия запасается в виде скрытой теплоты плавления. При этом перепад температуры незначителен, а рост толщины повышает устойчивость астеносферы против перемешивания, делая ее на длительное время изолятором тепла, поступающего из полости мантии.Self-oscillatory heat transfer through the asthenosphere consists of two stages: 1) thickening of the molten layer without significant convection, 2) the development of annular convection. The critical Rayleigh number at which convective stability is violated is proportional to the temperature drop and the third degree of the layer thickness. At the thickening stage, the temperature of the molten layer is stable, since the input energy is stored in the form of latent heat of fusion. In this case, the temperature difference is insignificant, and an increase in thickness increases the stability of the asthenosphere against mixing, making it an insulator of heat coming from the mantle cavity for a long time.

Число Релея выведено для однородного слоя и к астеносфере применимо лишь качественно ввиду значительного роста давления с глубиной, что влияет на состав вещества и повышает температуру его плавления. Расплавленный слой может утолщаться в двух направлениях - вверх и вниз. Сверху утолщение остановлено относительно низкой температурой литосферы и в настоящее время происходит в глубину. Таково происхождение низкого теплового потока, наблюдаемого в настоящее время.The Rayleigh number is derived for a homogeneous layer and can be applied to the asthenosphere only qualitatively due to the significant increase in pressure with depth, which affects the composition of the substance and increases its melting temperature. The molten layer can thicken in two directions - up and down. From above, the thickening is stopped by the relatively low temperature of the lithosphere and is currently occurring in depth. This is the origin of the low heat flux currently observed.

Вторая стадия начнется после остановки утолщения в глубину и достижения критического градиента температуры. Развитие конвекции приведет к отводу накопленного тепла, в основном, через тонкую океаническую кору.The second stage will begin after stopping the thickening in depth and reaching a critical temperature gradient. The development of convection will lead to the removal of accumulated heat, mainly through the thin oceanic crust.

Со времени образования Земли температура ее поверхности постепенно понижается. Около миллиарда лет назад начали происходить частые оледенения, максимумы которых повторяются через 100-200 млн. лет и простираются до тропических широт. Оледенениям соответствует среднее по Земле понижение температуры на 10-30 К, что значительно больше потепления 1 К, которое могло бы быть создано стационарным потоком тепла с мощностью 4 Вт м-2.Since the formation of the Earth, the temperature of its surface gradually decreases. About a billion years ago, frequent glaciations began to occur, the maximums of which recur after 100-200 million years and extend to tropical latitudes. The average temperature drop across the Earth by 10-30 K corresponds to icing, which is much more than a warming of 1 K, which could be created by a stationary heat flux with a power of 4 W m -2 .

Данные палеомагнетизма показывают, что магнитное поле Земли периодически меняет полярность на протяжении более двух миллиардов лет, причем более миллиарда лет частота инверсий оставалась на два порядка ниже, чем в современную эпоху, и начала волнообразно подыматься 600 миллионов лет назад (D.M.Pechersky, Rusian Journal of Earth Sciences, vol.1, No.2, 1998, p.103-135). Повышение частоты инверсий поля в целом по фанерозою указывает на увеличение мощности теплового источника ядра Земли в период ее истории, связанный с быстрым развитием жизни.Paleomagnetism data show that the Earth’s magnetic field periodically changes polarity for more than two billion years, with more than a billion years the frequency of inversions being two orders of magnitude lower than in the modern era, and began to rise wavyly 600 million years ago (DMPechersky, Rusian Journal of Earth Sciences, vol. 1, No.2, 1998, p. 103-135). An increase in the frequency of field inversions as a whole in Phanerozoic indicates an increase in the power of the thermal source of the Earth’s core during its history, associated with the rapid development of life.

Вопрос об источнике энергии в ядре Земли оставался до последнего времени нерешенным из-за отсутствия необходимых сведений. Найденное при моделировании совпадение дрейфа твердого ядра с известным дрейфом геомагнитного поля дает дополнительный материал для преодоления этой трудности.The question of the source of energy in the Earth’s core has remained unresolved until recently due to a lack of necessary information. The coincidence of the drift of the solid core with the known drift of the geomagnetic field found during the simulation provides additional material to overcome this difficulty.

Ввиду недоступности ядра Земли в качестве вероятных его компонентов обычно рассматриваются метеориты с возрастом 4.5 млрд. лет. Радиоактивные нуклиды в них присутствуют, однако их концентрации весьма низки. Наиболее распространенным считается калий 40К с периодом полураспада 1.28· 109 лет и с энергией по основному каналу 1.314 МэВ. При его метеоритной концентрации 3· 10-3 моль м-3 удельная мощность теплового источника, создаваемого β -распадом, составляетDue to the inaccessibility of the Earth's core, meteorites with an age of 4.5 billion years are usually considered as its probable components. Radioactive nuclides are present in them, but their concentrations are very low. The most common is potassium 40 K with a half-life of 1.28 · 10 9 years and with an energy of 1.314 MeV along the main channel. At its meteorite concentration of 3 · 10 -3 mol m -3, the specific power of the heat source created by β-decay is

WК=0.5· 10-8 Вт м-3, (36)W K = 0.5 · 10 -8 W m -3 , (36)

что на 4 порядка ниже мощности, требуемой для описанного механизма инверсий магнитного поля.which is 4 orders of magnitude lower than the power required for the described magnetic field inversion mechanism.

Средние содержания тория 232Th и урана 238U в метеоритах равны, соответственно, 2· 10-3 моль м-3 и 3· 10-4 моль м-3. Полупериод α -распада и энергия основного канала (77% от общего числа распадов) составляют у этих нуклидов 1.41· 1010 лет, 4.016 МэВ и 4.468· 109 лет, 4.196 МэВ. В указанных количествах они выделяют энергии меньше, чем калий. В земной коре среднее содержание тория и урана на два порядка выше, чем в метеоритах: 1.3· 10-3% и 2· 10-4% по массе, или 0.18 моль м-3 и 0.028 моль м-3, однако и оно не достаточно. Результаты моделирования позволяют сделать вывод, что основным источником тепловой энергии в жидком ядре Земли является диоксид тория ThO2 в количестве 1.1% от массы баромагнитной оболочки, или 0.08% от массы жидкого ядра и 0.03% от массы Земли. Последнее на порядок больше известного содержания тория в земной коре, однако согласуется с циклическим ростом частоты инверсий с кратностью 35 (для последнего цикла).The average contents of thorium 232 Th and 238 U uranium in meteorites are, respectively, 2 · 10 -3 mol m -3 and 3 · 10 -4 mol m -3 . The half-period of α -decay and the energy of the main channel (77% of the total number of decays) in these nuclides are 1.41 · 10 10 years, 4.016 MeV and 4.468 · 10 9 years, 4.196 MeV. In the indicated amounts, they emit less energy than potassium. The average content of thorium and uranium in the earth's crust is two orders of magnitude higher than in meteorites: 1.3 · 10 -3 % and 2 · 10 -4 % by mass, or 0.18 mol m -3 and 0.028 mol m -3 , however, it does not enough. The simulation results allow us to conclude that the main source of thermal energy in the Earth’s liquid core is thorium dioxide ThO 2 in the amount of 1.1% of the mass of the baromagnetic shell, or 0.08% of the mass of the liquid core and 0.03% of the mass of the Earth. The latter is an order of magnitude greater than the known thorium content in the earth's crust, but is consistent with a cyclical increase in the frequency of inversions with a multiplicity of 35 (for the last cycle).

При равномерном растворении нуклида в жидком ядре (например, 40К при достаточном его количестве) кратность jc роста частоты в цикле ограничена величинойIf the nuclide is uniformly dissolved in the liquid core (for example, 40 K with a sufficient amount of it), the multiplicity j c of frequency increase in the cycle is limited to

jc=1+(Tm-Ta)(cp/Lm), (37)j c = 1 + (T m -T a ) (c p / L m ), (37)

которая в рассмотренных условиях составляет jc=4, то есть в 10 раз меньше наблюдаемой.which under the considered conditions is j c = 4, i.e., 10 times less than the observed one.

Дополнительным подтверждением избытка тория в ядре Земли служит тепловое излучение Юпитера (30 Вт м2). Отнесенное к ядру Юпитера (4% от массы планеты), оно приводит к содержанию диоксида тория в ядре 1%. На Солнце диоксид тория не мог сохраниться в значительных количествах из-за деления 232Th нейтронами с энергией выше 1 МэВ. Потоки нейтронов, генерируемые протонами во время солнечных вспышек, достигают энергий 1000 МэВ.An additional confirmation of the excess of thorium in the Earth's core is the thermal radiation of Jupiter (30 W m 2 ). Related to the core of Jupiter (4% of the mass of the planet), it leads to a thorium dioxide content of 1% in the core. Thorium dioxide could not be conserved in the Sun in significant quantities due to the fission of 232 Th by neutrons with energies above 1 MeV. The neutron fluxes generated by protons during solar flares reach energies of 1000 MeV.

Описанному циклу соответствуют изменения температуры расплава, концентрации диоксида тория, частоты и периода инверсий (фиг.48-52).The described cycle corresponds to changes in the temperature of the melt, the concentration of thorium dioxide, the frequency and period of inversions (Fig.48-52).

Важным физическим фактором является ступенчатая форма кривой 186 плавления гидрида железа в области от границы 187 жидкого ядра с субъядром до границы 188 с мантией. Скачок 189 температуры плавления происходит вдоль линии 190 фазового перехода в гидриде железа. Распределение температуры в жидком ядре совершает колебания около этого скачка. При нагреве внутренним источником температура оболочки подымается до верхнего участка 191 кривой, что приводит к плавлению оболочки. Местная конвекция постепенно понижает температуру расплава оболочки до уровня 192 критического переохлаждения, после чего оболочка вновь затвердевает. Следующий интервал между инверсиями связан с подъемом температуры от уровня 192 переохлаждения до уровня 191 плавления. Ввиду близости этих уровней по температуре (десятки градусов) длительность выделения тепла (интервал между инверсиями поля) определяется, в основном, не подъемом температуры, а поглощением скрытой теплоты плавления.An important physical factor is the stepwise shape of the curve of melting of iron hydride 186 in the region from the boundary 187 of the liquid core with the subnucleus to the boundary 188 with the mantle. The jump 189 of the melting temperature occurs along the line 190 of the phase transition in iron hydride. The temperature distribution in the liquid core oscillates around this jump. When heated by an internal source, the temperature of the shell rises to the upper portion 191 of the curve, which leads to melting of the shell. Local convection gradually lowers the temperature of the melt of the shell to the level of 192 critical supercooling, after which the shell hardens again. The next interval between inversions is associated with a rise in temperature from subcooling level 192 to melting level 191. In view of the proximity of these levels in temperature (tens of degrees), the duration of heat evolution (the interval between field inversions) is determined, mainly, not by a rise in temperature, but by absorption of the latent heat of fusion.

Во время цикла инверсий во внутренней области жидкого ядра (в оболочке и за ее пределами) выделяется тепло, которое частично отводится и передается мантии в условиях нададиабатического распределения 193 температуры. Несмотря на отвод тепла, температура внутренней области жидкого ядра на границе с баромагнитной оболочкой постепенно повышается.During the inversion cycle, heat is generated in the inner region of the liquid core (inside the shell and beyond), which is partially removed and transferred to the mantle under conditions of an adiabatic temperature distribution 193. Despite the removal of heat, the temperature of the inner region of the liquid core at the interface with the baromagnetic shell gradually rises.

Наступает момент, когда нагретая окрестность оболочки не может достаточно быстро охладить ее до затвердевания. Более легкий нагретый расплав оболочки успевает выйти за пределы области затвердевания (rs<

Figure 00000023
<re) и устремляется к границе с мантией, что находит выражение в конвективном коллапсе. Возникает распределение 194 температуры с максимумом 195 вблизи границы с мантией. Импульсный перегрев дна мантии достигает 300-500 К и активизирует цикл мантийной конвекции.There comes a time when the heated vicinity of the shell cannot cool it quickly enough until it hardens. The lighter heated melt of the shell manages to go beyond the solidification region (r s <
Figure 00000023
<r e ) and rushes to the boundary with the mantle, which finds expression in convective collapse. A temperature distribution 194 arises with a maximum of 195 near the boundary with the mantle. Pulse overheating of the bottom of the mantle reaches 300-500 K and activates the cycle of mantle convection.

Осаждение облака диоксида тория начинается с распределения 196 концентрации, отделенного зазором 197 от границы баромагнитной оболочки, и постепенно переходит в распределение 198, при котором внутренняя часть 199 облака поглощена твердой баромагнитной оболочкой, а внешняя часть 200 остается в расплаве жидкого ядра.The precipitation of a cloud of thorium dioxide begins with a concentration distribution 196, separated by a gap 197 from the boundary of the baromagnetic shell, and gradually turns into a distribution 198, in which the inner part 199 of the cloud is absorbed by the solid baromagnetic shell, and the outer part 200 remains in the molten liquid core.

Флуктуации 201 концентрации диоксида тория, вызванные местной конвекцией, влекут за собой флуктуации 202 частоты инверсий (фиг.50). При равномерном осаждении диоксида тория оболочка затвердевает на субъядре 203 в виде одного слоя 204, достаточно однородного по составу, что выражается в регулярном чередовании полярности через соизмеримые интервалы времени τ a1 и τ a2 (фиг.51).Fluctuations 201 of the concentration of thorium dioxide caused by local convection entail fluctuations 202 of the inversion frequency (Fig. 50). With the uniform deposition of thorium dioxide, the shell solidifies on the subnucleus 203 in the form of a single layer 204, sufficiently uniform in composition, which is expressed in a regular alternation of polarity at comparable time intervals τ a1 and τ a2 (Fig. 51).

При нарушении равномерного осаждения в оболочке образуются слои 205, 206, сильно различающиеся содержанием нуклида и, соответственно, интервалами τ b1 и τ b2 до плавления (фиг.52). Вначале инверсия поля происходит во внешнем более толстом слое 206, что приводит к перевороту суммарного поля, так как вклад тонкого внутреннего слоя в поле относительно мал. Однако, когда через интервал Δ τ =τ b1b2 наступает время плавления тонкого внутреннего слоя 205, то вместе с ним от оболочки отторгается и внешний слой, который плавится, выходя из критической области давления

Figure 00000024
<re.If the uniform deposition is disturbed, layers 205, 206 are formed in the shell, which differ greatly in the nuclide content and, correspondingly, in the intervals τ b1 and τ b2 before melting (Fig. 52). Initially, the field inversion occurs in the outer thicker layer 206, which leads to a flip of the total field, since the contribution of the thin inner layer to the field is relatively small. However, when the melting time of the thin inner layer 205 occurs over the interval Δ τ = τ b1b2 , then the outer layer is also torn away from the shell, which melts, leaving the critical pressure range
Figure 00000024
<r e .

Таким путем очередная инверсия поля происходит через короткий промежуток времени Δ τ , не являющийся регулярным интервалом инверсий. Образуется короткий всплеск 207 обратной полярности. Находят объяснение многочисленные эпизоды, накладывающиеся на основную последовательность инверсий и осложняющие интерпретацию данных палеомагнетизма.In this way, the next inversion of the field occurs after a short period of time Δ τ, which is not a regular interval of inversions. A short burst of 207 reverse polarity is formed. Numerous episodes overlap with the main sequence of inversions and complicate the interpretation of paleomagnetism data.

С точностью до флуктуации процесс осаждения ThO2 на баромагнитную оболочку и рост частоты инверсий со временем описываются следующими уравнениями:Up to fluctuations, the process of deposition of ThO 2 on a baromagnetic shell and an increase in the frequency of inversions with time are described by the following equations:

cth(

Figure 00000025
,t)=c0[1+(ut/
Figure 00000026
)]2 пpи rh-ut≤
Figure 00000027
≤ rm-ut, (38)c th (
Figure 00000025
, t) = c 0 [1+ (ut /
Figure 00000026
)] 2 for r h -ut≤
Figure 00000027
≤ r m -ut, (38)

η r(t)=1+(utc0/h0ci)[1+(ut/re)+(1/3)(ut/re)2], (39)η r (t) = 1 + (utc 0 / h 0 c i ) [1+ (ut / r e ) + (1/3) (ut / r e ) 2 ], (39)

ϑ r(t)=[1+(ut/re)]2, (40)ϑ r (t) = [1+ (ut / r e )] 2 , (40)

max ϑ r(t)={1+[(rm-re)/re)}2, (41)max ϑ r (t) = {1 + [(r m -r e ) / r e )} 2 , (41)

где:Where:

t - время осаждения (после стадии перемешивания с равномерным распределением диоксида тория по жидкому ядру),t is the deposition time (after the mixing stage with a uniform distribution of thorium dioxide in the liquid core),

Figure 00000028
- расстояние от центра Земли,
Figure 00000028
- distance from the center of the earth,

re - внешний радиус баромагнитной оболочки,r e is the outer radius of the baromagnetic shell,

rm - внешний радиус жидкого ядра,r m is the outer radius of the liquid core,

rh - исходная нижняя граница облака диоксида тория (см. фиг.49),r h is the initial lower boundary of the cloud of thorium dioxide (see Fig. 49),

h0 - толщина баромагнитной оболочки,h 0 - the thickness of the baromagnetic shell,

u - средняя скорость частиц диоксида тория при их осаждении в расплаве жидкого ядра,u is the average velocity of thorium dioxide particles during their deposition in a molten liquid core,

сth - концентрация диоксида тория (на расстоянии

Figure 00000029
в момент времени t),with th is the concentration of thorium dioxide (at a distance
Figure 00000029
at time t),

c0 - исходная концентрация оксида тория, с0th (

Figure 00000030
,0)≈ constc 0 - initial concentration of thorium oxide, с 0 = с th (
Figure 00000030
, 0) ≈ const

при

Figure 00000031
>rh,at
Figure 00000031
> r h

сi - эффективная фоновая концентрация нуклида в жидком ядре (следы растворимых нуклидов, а также мелкая фракция ThO2, скорость осаждения которой пренебрежимо мала),c i is the effective background concentration of the nuclide in the liquid core (traces of soluble nuclides, as well as a fine fraction of ThO 2 , the deposition rate of which is negligible),

η r - отношение частоты инверсий vi(t) к исходному уровню vi(0),η r is the ratio of the inversion frequency v i (t) to the initial level v i (0),

η r(t)=ν i(t)/ν i(0).η r (t) = ν i (t) / ν i (0).

ϑ r - отношение скорости роста частоты инверсий ∂ ν i/∂ t(t) к исходному уровню ∂ ν i/∂ t(0), ϑ r=[∂ ν i/∂ t(t)]/[∂ ν i/∂ t(0)].ϑ r is the ratio of the growth rate of the inversion frequency ∂ ν i / ∂ t (t) to the initial level ∂ ν i / ∂ t (0), ϑ r = [∂ ν i / ∂ t (t)] / [∂ ν i / ∂ t (0)].

Согласно уравнению Стокса для обтекания сферы вязкой жидкостью скорость частиц оксида тория составляетAccording to the Stokes equation for viscous fluid flowing around a sphere, the speed of thorium oxide particles is

u=(2/9)[(ρ s-

Figure 00000032
0)/
Figure 00000033
0]g0 a 2 0 /
Figure 00000034
0, (42)u = (2/9) [(ρ s -
Figure 00000032
0 ) /
Figure 00000033
0 ] g 0 a 2 0 /
Figure 00000034
0 , (42)

куда входят усредненные значения параметров, зависящих от координаты:which includes the average values of the parameters depending on the coordinate:

Figure 00000035
0 - средняя плотность расплава жидкого ядра по его объему,
Figure 00000035
0 is the average density of the melt of the liquid core in its volume,

Figure 00000036
s - плотность диоксида тория,
Figure 00000036
s is the density of thorium dioxide,

Figure 00000037
0 - средняя кинематическая вязкость расплава жидкого ядра,
Figure 00000037
0 is the average kinematic viscosity of the molten liquid core,

g0 - ускорение силы тяжести в области жидкого ядра,g 0 - acceleration of gravity in the region of the liquid core,

a0 - эффективный радиус частицы диоксида тория.a 0 is the effective radius of the thorium dioxide particle.

К условиям жидкого ядра Земли близки следующие значения:

Figure 00000038
0=10.6 г см-3, ρ s=16.0 г см-3 (учтена сжимаемость, при атмосферном давлении соответствующие плотности равны 6.6 и 10.0 г см-3),The following values are close to the conditions of the Earth’s liquid core:
Figure 00000038
0 = 10.6 g cm -3 , ρ s = 16.0 g cm -3 (compressibility is taken into account, at atmospheric pressure the corresponding densities are 6.6 and 10.0 g cm -3 ),

g0=8.2 мс-2,

Figure 00000039
0=1 м2 с, a0=20 мкм = 2· 10-5 м. Отсюда u=3.71· 10-10 м с-1.g 0 = 8.2 ms -2 ,
Figure 00000039
0 = 1 m 2 s, a 0 = 20 μm = 2 · 10 -5 m. Hence, u = 3.71 · 10 -10 m s -1 .

Максимальная длина пути частицы оксида тория при ее осаждении в жидком ядре равна rm-re=(3.47-1.67)· 106 м = 1.80· 106 м.The maximum path length of a thorium oxide particle during its deposition in a liquid core is r m -r e = (3.47-1.67) · 10 6 m = 1.80 · 10 6 m.

Максимальное время осаждения, совпадающее с максимальным временем накопления оксида тория в баромагнитной оболочке, составляет (rm-re)/u=1.54· 108 лет. Эта величина (154 млн. лет) несколько превосходит, как и должно быть, наблюдаемую продолжительность одного цикла роста частоты инверсий (90-100 млн. лет).The maximum deposition time, which coincides with the maximum accumulation time of thorium oxide in the baromagnetic shell, is (r m -r e ) /u=1.54· 10 8 years. This value (154 million years) somewhat exceeds, as it should be, the observed duration of one cycle of growth in the frequency of inversions (90-100 million years).

Эффект увеличения скорости роста частоты в пределах цикла инверсий также согласуется с наблюдениями. Поскольку (rm-re)/re=1.08, то max ϑ r=4.3. Известные экспериментальные результаты дают mах ϑ r>2.The effect of increasing the frequency growth rate within the inversion cycle is also consistent with observations. Since (r m -r e ) / r e = 1.08, then max ϑ r = 4.3. Known experimental results give max ϑ r > 2.

Распад тория может инициировать термоядерную реакцию, если на пути α -частицы находятся полости, содержащие одновременно водород и дейтерий. Из-за малого количества дейтерия (1.56· 10-4 по массе относительно водорода) данный источник тепла не играет существенной роли в механизме инверсий геомагнитного поля.The decay of thorium can initiate a thermonuclear reaction if cavities containing both hydrogen and deuterium are located on the path of the α particle. Due to the small amount of deuterium (1.56 · 10 -4 by mass relative to hydrogen), this heat source does not play a significant role in the mechanism of inversions of the geomagnetic field.

Диоксид ThO2 является наиболее устойчивым соединением тория в условиях жидкого ядра. Связь тория с кислородом прочнее, чем у других окислов, присутствующих в ядре. Диоксид тория не может быть восстановлен водородом. Образование силиката сопряжено с расширением, величина которого может быть оценена по данным для атмосферного давления: молярный объем торита ThSiO4, 60 см3 моль-1, значительно больше суммы молярных объемов ThO2, 26.4 см3 моль-1, и SiO2, 25.9 cм3 моль-1. Давление в жидком ядре препятствует расширению.ThO 2 is the most stable thorium compound in a liquid core environment. The bond of thorium with oxygen is stronger than that of other oxides present in the nucleus. Thorium dioxide cannot be reduced with hydrogen. The formation of silicate is associated with expansion, the value of which can be estimated from the data for atmospheric pressure: the molar volume of thorite ThSiO 4 , 60 cm 3 mol -1 , is significantly larger than the sum of the molar volumes of ThO 2 , 26.4 cm 3 mol -1 , and SiO 2 , 25.9 cm 3 mol -1 . Pressure in the liquid core inhibits expansion.

Результаты моделирования представляют определенный интерес для гидродинамики. В окрестности нулевого смещения твердого ядра моделирование дрейфа может быть проведено при обращении движений шара и сосуда (фиг.53, 54). Вращающемуся сосуду 208 и шару 209, подвешенному на опоре 210 с неподвижной осью 211, эквивалентны неподвижный сосуд 212 с шаром 213, подвешенным на опоре 214, ось 215 которой совершает поступательное движение по окружности 216. В отсутствие закручивания нити угловая скорость вращения шара во втором случае совпадает с угловой скоростью дрейфа, тогда как в первом случае угловая скорость дрейфа равна разности угловых скоростей сосуда и шара.The simulation results are of particular interest for hydrodynamics. In the vicinity of the zero displacement of the solid core, drift modeling can be carried out by reversing the movements of the ball and the vessel (Figs. 53, 54). A rotating vessel 208 and a ball 209 suspended on a support 210 with a fixed axis 211 are equivalent to a fixed vessel 212 with a ball 213 suspended on a support 214, the axis 215 of which performs translational motion along a circle 216. In the absence of twisting of the thread, the angular velocity of rotation of the ball in the second case coincides with the angular velocity of the drift, whereas in the first case, the angular velocity of the drift is equal to the difference in the angular velocities of the vessel and the ball.

Свободное вращение смещенного шара во вращающейся жидкости, обеспечиваемое описанным устройством (фиг.1), создает уникальные условия для экспериментального исследования течений, в частности, с помощью электродов при заполнении сосуда раствором электролита. Два максимума тока за один период обращения сосуда (фиг.55) свидетельствуют о наличии двух диаметрально расположенных мест замедления жидкости, что нетривиально, поскольку шар смещен в одном направлении.Free rotation of the displaced ball in a rotating fluid, provided by the described device (Fig. 1), creates unique conditions for the experimental study of flows, in particular, using electrodes when filling the vessel with an electrolyte solution. Two current maximums for one period of vessel revolution (Fig. 55) indicate the presence of two diametrically located places of fluid deceleration, which is not trivial, since the ball is displaced in one direction.

В данном опыте использован водный раствор ферри- и ферроцианида калия с концентрацией по 0.2 моля на литр. Измерительный и вспомогательный электроды - пластинки из никеля толщиной 0.2 мм и размерами 7× 7 мм, 30× 30 мм, соответственно. Напряжение на электродах 0.8 В. Электроды скреплены с вращающимся сосудом и неподвижны относительно жидкости в случае ее твердотельного вращения.In this experiment, we used an aqueous solution of potassium ferri- and ferrocyanide with a concentration of 0.2 mol per liter. The measuring and auxiliary electrodes are 0.2 mm thick nickel plates with dimensions of 7 × 7 mm, 30 × 30 mm, respectively. The voltage at the electrodes is 0.8 V. The electrodes are fastened to a rotating vessel and are stationary relative to the liquid in the case of its solid-state rotation.

Присутствие смещенного шара создает колебания относительной скорости измерительного электрода. Она возрастает при замедлении жидкости, что приводит к увеличению тока от его стационарного значения.The presence of a displaced ball creates fluctuations in the relative speed of the measuring electrode. It increases with deceleration of the liquid, which leads to an increase in current from its stationary value.

Claims (22)

1. Способ моделирования западного дрейфа твердого ядра планеты, отличающийся тем, что на опоре, имеющей возможность вращения вокруг вертикальной оси, подвешивают с помощью нити груз в форме шара, груз погружают в жидкость, находящуюся в сосуде, который имеет возможность вращения вокруг другой вертикальной оси, задают расстояние между вертикальными осями вращения опоры и сосуда, приводят сосуд во вращение с постоянной угловой скоростью, а опору вращают синхронно с вращением груза, оценивают предельную угловую скорость груза, варьируют расстояние между осями вращения, находят зависимость предельной угловой скорости груза от этого расстояния, а начальный участок найденной зависимости представляют асимптотическим уравнением, показывающим линейную связь угловой скорости западного дрейфа твердого ядра планеты со смещением центра ядра от оси вращения мантии:1. The method of modeling the western drift of the solid core of the planet, characterized in that on a support that can rotate around a vertical axis, a ball-shaped load is suspended using a thread, the load is immersed in a liquid located in a vessel that can rotate around another vertical axis , set the distance between the vertical axes of rotation of the support and the vessel, bring the vessel into rotation with a constant angular velocity, and support support rotate synchronously with the rotation of the load, estimate the limiting angular velocity of the load, vary standing between the rotation axes, find the dependence of the limiting angular velocity of the load on this distance, and the initial section of the found dependence is represented by an asymptotic equation showing a linear relationship of the angular velocity of the western drift of the solid core of the planet with the displacement of the center of the core from the axis of rotation of the mantle: (Ω-ω)/Ω=s/r,(Ω-ω) / Ω = s / r, где r - радиус шара как модели твердого ядра,where r is the radius of the ball as a model of a solid core, s - расстояние между осями вращения сосуда и шара как аналог смещения твердого ядра,s is the distance between the axis of rotation of the vessel and the ball as an analogue of the displacement of the solid core, Ω - постоянная угловая скорость сосуда,Ω is the constant angular velocity of the vessel, ω - предельная угловая скорость шара,ω is the limiting angular velocity of the ball, Ω - ω - величина, соответствующая угловой скорости западного дрейфа.Ω - ω is the value corresponding to the angular velocity of the western drift. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе синхронного вращения число оборотов опоры поддерживают равным числу оборотов груза с момента начала вращения сосуда, причем равенство чисел оборотов опоры и груза контролируют по степени закручивания нити и сохраняют с точностью до одного оборота.2. The method according to claim 1, characterized in that in the process of synchronous rotation the number of revolutions of the support is maintained equal to the number of revolutions of the load from the moment the vessel begins to rotate, moreover, the equality of the numbers of revolutions of the support and the load is controlled by the degree of twisting of the thread and stored to within one revolution. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что вращение сосуда продолжают вплоть до прекращения монотонного роста угловой скорости груза со временем.3. The method according to claim 1, characterized in that the rotation of the vessel continues until the monotonous growth of the angular velocity of the load ceases with time. 4. Способ моделирования западного дрейфа твердого ядра планеты, отличающийся тем, что на опоре, имеющей возможность вращения вокруг вертикальной оси, подвешивают с помощью нити груз в форме шара, груз погружают в жидкость, находящуюся в сосуде, который имеет возможность вращения вокруг другой вертикальной оси, сосуд и опору приводят во вращение с постоянными угловыми скоростями, при фиксированном отношении этих угловых скоростей варьируют расстояние между указанными осями вращения и находят значения этого расстояния, при которых угол закручивания нити равен нулю, а разность угловых скоростей сосуда и шара в отсутствие закручивания нити считают равной угловой скорости дрейфа.4. The method of modeling the western drift of the solid core of the planet, characterized in that on a support that can rotate around a vertical axis, a ball-shaped load is suspended using a thread, the load is immersed in a liquid located in a vessel that has the ability to rotate around another vertical axis , the vessel and the support are brought into rotation with constant angular velocities, with a fixed ratio of these angular velocities, the distance between the indicated axes of rotation is varied and the values of this distance are found at which the angle the twisting of the thread is zero, and the difference in the angular velocities of the vessel and the ball in the absence of twisting of the thread is considered equal to the angular velocity of the drift. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что во вращение с постоянной угловой скоростью сначала приводят сосуд, а опору вращают с ускорением, равным ускорению вращения шара до достижения шаром предельной скорости вращения, после чего скорость вращения опоры фиксируют равной предельной скорости шара.5. The method according to claim 4, characterized in that the vessel is first brought into rotation with a constant angular velocity, and the support is rotated with an acceleration equal to the acceleration of rotation of the ball until the ball reaches the maximum rotation speed, after which the rotation speed of the support is fixed equal to the maximum speed of the ball. 6. Устройство для моделирования западного дрейфа твердого ядра планеты, отличающееся тем, что оно содержит раму, два шкива, установленных один под другим на вертикальных осях с возможностью горизонтального смещения одной из осей и с возможностью передачи вращения от одного шкива другому через вертикальный вал, на нижнем шкиве расположен сосуд с жидкостью, на верхнем шкиве с помощью нити подвешен груз, погруженный в жидкость, нижний шкив соединен с двигателем, верхний шкив снабжен средством контроля закрутки нити и средством ограничения указанной закрутки, сосуд и груз снабжены метками.6. Device for modeling the western drift of the solid core of the planet, characterized in that it contains a frame, two pulleys mounted one below the other on the vertical axes with the possibility of horizontal displacement of one of the axes and with the possibility of transmitting rotation from one pulley to another through a vertical shaft, on a vessel with liquid is located on the lower pulley, a load immersed in liquid is suspended on the upper pulley using a thread, the lower pulley is connected to the engine, the upper pulley is equipped with means for controlling the twisting of the thread and means for restricting azannoy twist, vessel and cargo are tagged. 7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что груз выполнен в виде шара, в который ввернут винт, имеющий осевое отверстие.7. The device according to claim 6, characterized in that the load is made in the form of a ball into which a screw having an axial hole is screwed. 8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что ось нижнего шкива закреплена на основании рамы и несет подшипник качения, наружное кольцо которого размещено в цилиндрическом гнезде нижнего шкива.8. The device according to claim 6, characterized in that the axis of the lower pulley is fixed to the base of the frame and carries a rolling bearing, the outer ring of which is located in the cylindrical socket of the lower pulley. 9. Устройство по п.6, отличающееся тем, что на вертикальном валу закреплены нижнее и верхнее приводные колеса, соединенные ременными передачами соответственно с нижним и верхним шкивами, которые имеют канавки для ремней, а соединение нижнего шкива с двигателем осуществлено посредством фрикционной передачи.9. The device according to claim 6, characterized in that the lower and upper drive wheels are attached to the vertical shaft, connected by belt drives to the lower and upper pulleys, respectively, which have grooves for belts, and the lower pulley is connected to the engine by means of a friction gear. 10. Устройство по п.6, отличающееся тем, что ось верхнего шкива выполнена в форме цилиндрической трубки, скрепленной со шкивом и вставленной в подшипник, сверху на трубку одет блок центрирования нити, которая с зазором размещена внутри трубки.10. The device according to claim 6, characterized in that the axis of the upper pulley is made in the form of a cylindrical tube, fastened with a pulley and inserted into the bearing, a thread centering unit is placed on top of the tube, which is placed with a gap inside the tube. 11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что блок центрирования нити включает цилиндрический колпачок с торцевым отверстием для нити, колпачок одет с зазором на трубку, а его ось с помощью винта смещена от оси трубки на расстояние, равное разности радиусов нити и торцевого отверстия.11. The device according to claim 10, characterized in that the thread centering unit includes a cylindrical cap with an end hole for the thread, the cap is dressed with a gap on the tube, and its axis is offset from the tube axis by a distance equal to the difference between the radii of the thread and the end holes. 12. Устройство по п.10, отличающееся тем, что подшипник трубки соединен опорной пластиной с горизонтальным микрометрическим винтом, ременная передача верхнего шкива имеет натяжной ролик, на торец верхнего шкива нанесена кольцевая шкала углов, а указатель угла закреплен на опорной пластине.12. The device according to claim 10, characterized in that the tube bearing is connected by a support plate with a horizontal micrometer screw, the belt drive of the upper pulley has a tension roller, an annular angle scale is applied to the end of the upper pulley, and the angle indicator is mounted on the support plate. 13. Устройство по п.7, отличающееся тем, что нижний конец нити заключен в гибкую втулку, имеющую расширение и вставленную в осевой канал винта.13. The device according to claim 7, characterized in that the lower end of the thread is enclosed in a flexible sleeve having an extension and inserted into the axial channel of the screw. 14. Устройство по п.6, отличающееся тем, что сосуд имеет крышку с центральным отверстием и радиальными ребрами, нижние части которых погружены в жидкость.14. The device according to claim 6, characterized in that the vessel has a lid with a Central hole and radial ribs, the lower parts of which are immersed in liquid. 15. Устройство по п.6, отличающееся тем, что сосуд имеет крышку в форме зонта, ствол которого закреплен в донной части сосуда.15. The device according to claim 6, characterized in that the vessel has a lid in the form of an umbrella, the trunk of which is fixed in the bottom of the vessel. 16. Устройство по п.6, отличающееся тем, что средство контроля закрутки нити включает вспомогательную нить, скрепленную с грузом и натянутую с помощью противовесов.16. The device according to claim 6, characterized in that the means for controlling the spin of the thread includes an auxiliary thread fastened with a load and stretched by means of counterweights. 17. Устройство по п.6, отличающееся тем, что средство контроля закрутки нити выполнено в виде скрепленного с нитью флажка.17. The device according to claim 6, characterized in that the means for controlling the twist of the thread is made in the form of a flag fastened to the thread. 18. Устройство по п.6, отличающееся тем, что средством ограничения закрутки нити является рукоятка, одетая на ось верхнего шкива с возможностью поворота относительно указанной оси и с возможностью фиксации на этой оси.18. The device according to claim 6, characterized in that the means of limiting the twist of the thread is a handle, dressed on the axis of the upper pulley with the possibility of rotation about the specified axis and with the possibility of fixing on this axis. 19. Устройство по п.6, отличающееся тем, что по средней линии ременной передачи верхний и нижний шкивы имеют одинаковые диаметры, а отношение диаметров верхнего и нижнего приводных колес удовлетворяет условию19. The device according to claim 6, characterized in that the upper and lower pulleys have the same diameters along the midline of the belt drive, and the ratio of the diameters of the upper and lower drive wheels satisfies the condition D12/D11=1-(s/r), при s/r≤0,1,D 12 / D 11 = 1- (s / r), with s / r≤0.1, где D12 - диаметр верхнего приводного колеса,where D 12 is the diameter of the upper drive wheel, D11 - диаметр нижнего приводного колеса,D 11 - the diameter of the lower drive wheel, s - расстояние между осями вращения сосуда и шара,s is the distance between the axis of rotation of the vessel and the ball, r - радиус шара.r is the radius of the ball. 20. Устройство по п.6, отличающееся тем, что сосуд имеет форму усеченной сферы, а в качестве нити использовано нейлоновое моноволокно.20. The device according to claim 6, characterized in that the vessel has the shape of a truncated sphere, and a nylon monofilament is used as a thread. 21. Устройство по п.6, отличающееся тем, что на дне сосуда расположен амортизатор в виде пакета из листов резины.21. The device according to claim 6, characterized in that at the bottom of the vessel there is a shock absorber in the form of a package of rubber sheets. 22. Устройство по п.6, отличающееся тем, что верхняя часть рамы включает два разделенных зазором параллельных стержня, закрепленных на полках, поддерживаемых стойками, а основание рамы опирается на перекладины, имеющие винты регулировки уровня.22. The device according to claim 6, characterized in that the upper part of the frame includes two parallel-separated by a gap gap, mounted on shelves supported by racks, and the base of the frame is supported by rungs having level adjustment screws.
RU2003123074/28A 2003-07-25 2003-07-25 Method and device for simulating western drift of solid core of planet (versions) RU2251662C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003123074/28A RU2251662C2 (en) 2003-07-25 2003-07-25 Method and device for simulating western drift of solid core of planet (versions)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003123074/28A RU2251662C2 (en) 2003-07-25 2003-07-25 Method and device for simulating western drift of solid core of planet (versions)

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2003123074A RU2003123074A (en) 2004-03-10
RU2251662C2 true RU2251662C2 (en) 2005-05-10

Family

ID=35747149

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2003123074/28A RU2251662C2 (en) 2003-07-25 2003-07-25 Method and device for simulating western drift of solid core of planet (versions)

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2251662C2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2619815C1 (en) * 2016-05-12 2017-05-18 Акционерное общество "Ижевский электромеханический завод "Купол" Method and system for compensating drift of solid wave gyro
CN110207651A (en) * 2019-05-31 2019-09-06 南宁奥博斯检测科技有限责任公司 A kind of Elements of Space Grid Truss carrier setting bolt ball centre of sphere elevation location device and method
CN110751891A (en) * 2019-11-08 2020-02-04 广州功首卫星科技有限公司 Satellite operation simulation device

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2619815C1 (en) * 2016-05-12 2017-05-18 Акционерное общество "Ижевский электромеханический завод "Купол" Method and system for compensating drift of solid wave gyro
CN110207651A (en) * 2019-05-31 2019-09-06 南宁奥博斯检测科技有限责任公司 A kind of Elements of Space Grid Truss carrier setting bolt ball centre of sphere elevation location device and method
CN110751891A (en) * 2019-11-08 2020-02-04 广州功首卫星科技有限公司 Satellite operation simulation device

Also Published As

Publication number Publication date
RU2003123074A (en) 2004-03-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Moss The origin and internal structure of the magnetic fields of the CP stars
Fang et al. Basic concepts in relativistic astrophysics
Rosser Introductory special relativity
Dexheimer et al. Phase transitions in neutron stars
RU2251662C2 (en) Method and device for simulating western drift of solid core of planet (versions)
Olson Laboratory experiments on the dynamics of the core
RU2263974C2 (en) Device for modelling precession of lithosphere around planetary mantle
RU2439713C2 (en) Plant model with angular vibration of solid core and method of demonstrating flow separation from discretely rotating solid core (versions)
Johnston Cycloidal paths in physics as superpositions of translational and rotational motions
Stanley Magnetic field generation in planets
Lilley Geomagnetism and the earths core
Strehlow et al. A classroom demonstration of levitation and suspension of a superconductor over a magnetic track
Busse Bénard convection and geophysical applications
Shew Liquid sodium model of Earth's outer core
Kaufmann et al. Hegel’s Philosophy of Nature
RU2244962C1 (en) Apparatus for simulating two-position equilibrium of planet core and pulsar
Petry Classifying the motion: Hegel on the pendulum
Venkataraman Many Phases Of Matter
Fang et al. From Newton's laws to Einstein's theory of relativity
RU2005111334A (en) GRAVITY SATELLITE OF A SPACE STATION AND METHOD OF MEASUREMENTS OF A GRAVITATIONAL CONSTANT UNDER CONDITIONS OF A SPACE FLIGHT
Akbal Physics in the neutron star crust and glitch phenomena
Bar-Zohar From the sun's energy source to the formation of the solar system
Urone et al. 6.2 Centripetal Acceleration
Price a Coriolis tutorial
Danilov On the nature of the magnetic field of the earth and other planets

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20050726

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20090726