Стохастическая природа высокочастотных вековых вариаций главного магнитного поля Земли

Проблема генерации земного магнитного поля является важной и актуальной проблемой геофизики и физики, в целом. В вариациях геомагнитного поля находят свое отражение внутреннее строение и состав нашей планеты, его физические и механические свойства, а также ее динамические характеристики. В вариациях поля отражаются характерные времена и характерные размеры конвективных течений, процессы эволюции земного ядра. Определенная доля геомагнитных вариаций вызвана структурными особенностями земной коры и верхней мантии и динамическими процессами, протекающими в них. Небольшая и наименее стабильная часть геомагнитных вариаций коротких периодов вызвана внешними относительно поверхности Земли источниками и отражает процессы в магнитосфере и ионосфере, вызванные солнечной активностью, особенностями околоземного пространства и солнечно-земной связи. С физической точки зрения изучение геомагнитных вариаций приводит к развитию теории гидромагнитного динамо, которое является сложной самосогласованной системой движений электропроводящего вещества в жидком ядре Земли (а также в недрах планет, звезд и галактик) и генерированных этими движениями магнитных полей.

Важной задачей экспериментальных геомагнитных исследований является проблема разделения вариаций, выделенных из данных комплекса наземных, спутниковых, аэромагнитных и морских наблюдений, что позволяет оценить параметры источников и среды, в которой они развиваются. Эта проблема решается в основном путем построения моделей и решения обратных задач геофизики. Важным фактором, способствующим определению источников, является изучение пространственной и временной характеристик геомагнитных вариаций. Путем применения математического аппарата из наблюденных закономерностей создаются пространственные и временные модели поля глобальных и региональных вариаций, характерных для отдельных источников, которые в совокупности описывают весь комплекс наблюденных данных.

Таким образом, данные о геомагнитном поле являются главным источником для решения теоретических и прикладных задач геофизики.

С обнаружением в конце прошлого века явлений резких изменений, обнаруженных в сериях вековых вариаций названых джерками, произошли существенные изменения в представлениях о природе и характере геомагнитных вариаций продолжительностью порядка нескольких десятков лет. Возникли вопросы о частоте повторения джерков, об их регулярном или нерегулярном характере, об их отношении к полному комплексу известных временных характеристик вековых вариаций, наблюденных на земной поверхности, и об их отношении к вариациям внешних источников, обусловленных явлениями, протекающими на Солнце. Была вызвана широкая дискуссия об электрической проводимости мантии, о природе и механизме взаимодействия системы ядро-мантия, о связи геомагнитных вариаций с вариациями скорости осевого вращения Земли.

Актуальность представляемой работы определяется проведенным в ней комплексом исследований, посвященных вековым вариациям геомагнитного поля в диапазоне спектра высоких частот, и определению источников вариаций с характерными временами меньше ста лет, которые генерируются в жидком ядре Земли.

Целью настоящей работы является создание единого представления о вековых вариациях главного геомагнитного поля в диапазоне спектра высоких частот на основе анализа данных прямых наблюдений и определение возможного механизма их образования в рамках теории гидромагнитного динамо.

Основными решаемыми задачами, приводящими к достижению цели работы являются:

• Систематизация и анализ данных временных серий измерений геомагнитного поля на магнитных обсерваториях мира на всем временном интервале проведения регулярных наблюдений и создание наиболее полного набора данных для изучения пространственно временного распределения геомагнитного поля и его вариаций.

• Выявление в рядах обсерваторских данных всех возможных джерков как скачкообразных изменений второй производной (ускорения) геомагнитного поля и определение их статистических характеристик в пространственном и временном отношении.

• Создание глобальных пространственных моделей поля ускорений вековой изменчивости главного геомагнитного поля, а также поля джерков в виде скачков значений ускорений до и после происшествия событий.

• Построение ежегодных аналитических моделей главного геомагнитного поля и поля его вековых вариаций в течение столетнего периода времени на основе кусочнопостоянного поля вторых временных производных, сравнение этих моделей с данными наблюдений и с международными моделями IGRF (International Geomagnetic Reference Field) на все годы существования последних.

• Анализ особенностей пространственной структуры, временной динамики и интегральных характеристик геомагнитного поля за период 20-ого столетия с помощью ежегодных аналитических моделей.

• Сопоставление особенностей временных вариаций параметров некоторых гелиогео-физических явлений с джерками в вековых вариациях геомагнитного поля.

• Решение обратной кинематической задачи магнитной гидродинамики с определением «мгновенного» поля скоростей на поверхности жидкого ядра Земли на каждый год за период 20-ого века согласно полученным аналитическим моделям геомагнитного поля и поля значений его первой временной производной в предположении о вмороженности поля в электропроводящее вещество ядра.

• Анализ поля движений в приповерхностных слоях внешнего ядра Земли с определением характера их временной изменчивости и выявлением процессов, порождающих джерки в поле скоростей (кинематические джерки).

Научная новизна представляемой работы.

Впервые на базе данных обсерваторских измерений в течение столетия выявлены все джерки, изучена глобальная повторяемость джерков с характерным временем около 10-лет. Доказано, что вековые ускорения являются кусочно-постоянными с характерными временами в первые десятки лет (в регионах), количественно определены величины ускорений до и после джерка и скачка ускорения во время джерка. Впервые доказано, что в формировании вековой изменчивости главного геомагнитного поля преобладающую роль играют джерки.

Принципиально новыми являются пространственно временные модели главного геомагнитного поля и его первой производной, построенные на основе представления о кусочно-постоянном ускорении вековой изменчивости поля. На основе этих моделей впервые доказана внутриземная природа джерков, их региональный характер проявления, причем появление новых джерков в пространстве и во времени имеет стохастический характер.

Впервые решена обратная кинематическая задача магнитной гидродинамики с определением ежегодных изменений поля движений жидкого вещества на поверхности внешнего ядра Земли, определяющих появление джерков в геомагнитном поле. Существенную долю в новизну работы вносит достигнутый результат о преобладающем характере и лидирующей роли течений дивергентного характера в образовании поля движений, ответственных за образование джерка.

Научная и практическая значимость. Научная значимость проделанной работы определяется возможностью и необходимостью использования полученных результатов по особенностям динамики главного геомагнитного поля для выбора и разработки конкретной модели гидромагнитного динамо, работающей в условиях планеты Земля, с точным количественным и качественным определением динамических процессов, вызывающих вариации геомагнитного поля стохастической природы. Практическая ценность состоит в возможности использования полученных моделей главного геомагнитного поля как базисных в задачах выделения и изучения вариаций внешних, относительно земной поверхности источников, а также для выделения и изучения локальных аномалий геомагнитного поля и их вариаций, обусловленных динамическими процессами, протекающими в литосфере.

Основные полоэюения, выносимые на защиту:

1. Вековые вариации главного геомагнитного поля формируются последовательностью джерков, между которыми за интервалы времени, исчисляемые десятилетиями, трендовые изменения поля носят устойчивый линейный характер.

2. Глобальные — по поверхности Земли, джерки по частоте проявления имеют квазидесятилетнюю повторяемость, в промежутках которых глобальное поле ускорений, характеризующих вековую изменчивость главного геомагнитного поля за 20-ый век, представляется серией кусочно-постоянных пространственных моделей.

3. Полученные из предположения о кусочно-постоянном характере вековых ускорений ежегодные аналитические модели для главного геомагнитного поля (JBM FJerk Based Model of the Geomagnetic Field) и его вековых вариаций (JBM SV — Jerk Based Model of Secular Variations).

4. Модели движений в приповерхностных слоях жидкого ядра Земли, ответственных за появление геомагнитных джерков, и их интерпретация в виде появления на поверхности ядра восходящих потоков локальных размеров, перестраивающих установившуюся систему движений с образованием новой.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы неоднократно докладывались и обсуждались на семинарах Института геофизики и инженерной сейсмологии HAH РА, отдела «Магнетизм Земли и планет» ИЗМИР АН, на международных форумах SEDI-1998 (Tour, France), IUGG-1999 (Birmingham, UK), OIST-4−2002 (Copenhagen, Denmark), конференции, посвященной 60-летию основания HAH РА в 2003 г. (Гюмри, Армения), Conference on Problems of Geocosmos2004 (Санкт-Петербург, Россия) SEDI-2004 (Garmisch-Partenkirchen, Germany).

Личный вклад автора. Проведенные исследования были выполнены автором как самостоятельно, так и в сотрудничестве с коллегами из ИЗМИР АН. Автором были сформулированы и поставлены задачи, решение которых изложено в данной работе. Часть работ выполнена в соавторстве. В настоящей диссертации подробно изложены результаты, полученные автором лично.

Проведенные автором исследования в области изучения геомагнитных вариаций отражены в 54 научных публикациях, из которых 20 — в рецензируемых изданиях.

На формирование научных интересов и взглядов автора существенное влияние оказал профессор Вадим Петрович Головков, который во многих вопросах способствовал выполнению настоящих исследований и проявил к ним настоящий интерес. Автор всегда причислял себя к его ученикам, выражая ему свою искреннюю, непревзойденную благодарность. С глубокой благодарностью автор относится к академику-секретарю отделения физико-математических и технических наук HAH РА, академику Юрию Гайковичу Шуку-ряну, за оказанную существенную поддержку в период выполнения работы и проявленный интерес к его научной деятельности. Выражаю искреннюю благодарность директору Института геофизики и инженерной сейсмологии HAH РА, доктору физ.-мат. наук Севаде Мкртычевичу Оганесяну, за создание необходимых условий для выполнения работы в Институте геофизики и инженерной сейсмологии, веру и требовательность к моей личности, стимулирующих активное исполнение работы. Глубоко признательна Сергею Рафико-вичу Шахпароняну, способствующему компьютерной реализации работы на всех этапах ее выполнения. С признательностью отношусь также ко всем моим друзьям и коллегам из ИГИС HAH РА и к сотрудникам отделения «Магнетизм Земли и планет» ИЗМИРАН, в частности, к Татьяне Бондарь, Татьяне Зверевой, Светлане Яковлевой, Наталье Волковой, Галине Семеновой и к Сергею Филиппову, за их дружеское отношение и специализированную поддержку за время выполнения работы.

Работа была поддержана грантами Правительства Армении и грантом ИНТАС под номером 01−0142.

Структура и объем диссертации

Кроме данного введения диссертация состоит из первой обзорной главы — «Характерные времена геомагнитных вариаций и джерки» — пяти глав, в которых изложены основные положения работы, отражена логика и ход ее выполнения, приведены необходимые рисунки и таблицызаключения и списка используемой литературы (137 наименований). В работе приведено 70 рисунков и 12 таблиц. Общий объем диссертации составляет 293 страницы.

Первая глава содержит обзор литературных данных, посвященных геомагнитным вариациям, временной диапазон которых лежит в интервале от десятков до нескольких тысяч лет. Проведен систематизированный анализ современных представлений о характерных временах вековых вариаций, приведено определение геомагнитных джерков как резких изменений, отражающих скачки во временных сериях квазипостоянных значений ускорений вековой изменчивости геомагнитного поля, дана постановка решаемой проблемы.

Вторая глава посвящена анализу временных рядов данных регулярных наблюдений глобальной сети магнитных обсерваторий с целью выявления джерков в главном геомагнитном поле. Подразумевалось, что за временные интервалы между проявлением соседних джерков в определенном регионе и на определенной серии наблюдений изменчивость поля определяется константой, представляющей ускорение вековой изменчивости земного магнитного поля. В этом приближении годы джерков определялись изменением направления линейного тренда до и после события, а их величина определялась величинами скачков между соседними значениями кусочно-постоянных ускорений.

Для анализа временных рядов разработан метод выделения джерков и определения величины постоянного ускорения на интервале между соседними эпохами джерков. Алгоритм анализа состоял, во-первых, в сглаживании серий первых разниц среднегодовых значений элементов земного магнитного поля скользящим одиннадцатилетним осреднением для подавления вклада в вековой ход вариаций внешней природы. На следующем этапе относительно временных рядов сглаженных значений применялся метод линейной регрессии, позволяющий определить угол наклона аппроксимирующей прямой и значение дисперсии на интервал аппроксимации. Показано, что вокруг эпохи джерка величина дисперсии начинает резко увеличиваться, и уже в момент джерка на 1,5−2 порядка превышает значение дисперсии для интервала спокойного развития поля, которая в течение нескольких десятилетий до джерка составляет значения порядка 0,1 нТл/год2. Аппроксимация сглаженных значений вековых вариаций на интервал времени следующий за джерком позволяет определить угол наклона другого линейного отрезка. Момент джерка определяется абсциссой пересечения соседних прямолинейных отрезков с разными углами наклона.

Анализ серий вековых вариаций по отработанному методу применительно к трем силовым геомагнитным составляющим позволил выявить джерки всех временных серий (виртуальные джерки), определить для межджерковых интервалов виртуальные значения постоянных ускорений (в точках расположения магнитных обсерваторий). На основе статистического анализа данных виртуальных джерков выявлены годы максимального количества виртуальных джерков по всей поверхности Земли (1897, 1906, 1915, 1925, 1938, 1948, 1958, 1969, 1979 и 1987;1989 гг.). Эти эпохи названы нами эпохами глобальных джерков. Обнаружена квазидесятилетняя цикличность в повторяемости глобальных джерков при том, что в регионах соседние джерки разделены десятилетиями.

Комплекс полученных результатов, основанных на рассмотрении 459 серий из 153 магнитных обсерваторий за 150-летний период времени существования последних показывает содержательность выдвинутой гипотезы, согласно которой джерки можно рассматривать в качестве «квантов», определяющих изменчивость главного геомагнитного поля в высокочастотной области спектра вековых вариаций. Стохастической суперпозицией отдельных джерков во времени и в пространстве можно описать динамику современного магнитного поля, определенного данными прямых наблюдений.

Третья глава посвящена построению сферических гармонических моделей главного геомагнитного поля и его временных производных. В качестве исходных данных для построения серии моделей постоянного ускорения между соседними глобальными джерка-ми использовались значения ускорений в различных обсерваториях для всех силовых компонент поля (виртуальных ускорений), полученные из линейной аппроксимации временных рядов вековых вариаций.

На основе анализа существующих данных определены пределы периода (1900; 1996 гг.), в течение которого качество, количество и степень равномерности распределения исходных данных на земной поверхности позволяют построить пространственные сферические гармонические модели поля геомагнитных ускорений. Ограничение пространственных моделей до степени и порядка равных четырем обусловлено необходимостью достижения однородной точности моделей на столетнем интервале. Пространственные модели кусочно-постоянных ускорений были построены на центральные эпохи 1901, 1909, 1922, 1931, 1943, 1955, 1963, 1975, 1982 и 1992 гг., характеризующиеся минимальным количеством появления виртуальных джерков. Сферические гармонические коэффициенты, моделирующие поле глобальных джерков были рассчитаны как разности соответствующих коэффициентов соседних моделей поля постоянных ускорений. Показана общность характера разных джерков, проявляющихся на земной поверхности в виде региональных фокусов, свойственных вариациям внутренних относительно поверхности Земли источников.

Модели вековых вариаций, основанных на джерках — ЛЗМ БУ, были построены аналитическим продолжением базовой модели на 1980 г., которая была получена использованием модели поля постоянных ускорений на 1982 г., описывающей линейный характер векового хода между моделями относимости ООЯР198С) и БОЯР 1985 и значениями коэффициентов этих моделей. Для временного продолжения базовой модели использовались модели ускорений между эпохами глобальных джерков.

Модель главного геомагнитного поля (1ВМ Р) была построены аналогичным образом. В качестве базовой была выбрана модель БОКИ 980, основанная на высокоточных данных спутника МАввАТ. Для ее продолжения на другие эпохи использовалась модель .ТОМ БУ.

Приведены в виде таблиц наборы сферических гармонических коэффициентов для .1ВМ Р и 1ВМ БУ на центральные эпохи аналитического продолжения, соответствующие эпохам глобальных джерков/скачков между квазипостоянными значениями поля геомагнитных ускорений, характеризующих стадии кусочно-стационарного развития поля.

В четвертой главе проведен сравнительный анализ пространственной структуры и временной динамики главного геомагнитного поля, представленных ШМ Р, ШМ БУ и данными прямых наблюдений, а также международными пространственными моделями ЮЯР на все годы существования последних (представляющими пространственную структуру поля с временным разрешением в пять лет). Сравнение серий данных, синтезированных по ЛЗМ вУ, с временными сериями значений вариаций по разным компонентам данных прямых наблюдений геомагнитного поля в обсерваториях, разнесенных по всей поверхности Земли, позволяет заключить, что представляемая расчетная модель хорошо описывает высокочастотные вековые вариации главного магнитного поля на протяжении всего столетнего периода. Различие между сравниваемыми сериями обусловлено низкочастотными вариациями продолжительностью более сотен лет, которые имеют свой вклад в сериях вариаций, определенных по данным прямых наблюдений.

Карты вековых вариаций в течение всего периода 1900;1996 гг. хорошо отражают региональные особенности динамики глобального поля и поля мировых аномалий.

Сравнение ЛЗМ Б с международными моделями ЮЮ7, представленными с точностью до 10-ой степени, позволяет заключить, что они хорошо согласуются при описании длинноволновых структур геомагнитного поля, генерированного в жидком ядре Земли. Наибольшие разницы наблюдаются на эпохи в начале 20-го века, но и при этом суммарная погрешность моделей не превышает 5−7% величины основного поля.

Таким образом показано, что ЛЗМ Р и ЛЗМ БУ, аналитически рассчитанные на основе представления динамики главного поля стохастическим наложением джерков, хорошо согласуются с данными прямых наблюдений и с международными пространственными моделями ЮКР на серии эпох 20-го века, что является прямым доказательством гипотезы о ведущей роли джерков в динамике геомагнитного.

Изучение динамики геомагнитного поля в течение 20-го века по интегральной энергетической характеристике и дипольному моменту, рассчитанных с помощью полного набора моделирующих коэффициентов ЮКР и ЛЗМ Б, показывает, что они практически одинаково проявляют процесс диссипации глобального геомагнитного поля.

В пятой главе непрерывная в пространстве и во времени ЛЗМ Б была использована для изучения пространственной структуры и временной динамики геомагнитного поля, расчета параметров интегральных характеристик, таких как координаты положения магнитного центра, магнитного полюса Земли и их временные вариации, а также для сравнения геомагнитных вариаций, основанных на джерках, с особенностями проявлений некоторых гелиогеофизических явлений.

Обнаружено, что характерной особенностью динамики глобального геомагнитного поля является наложение двух процессов — диффузионного и дрейфового. Явление западного дрейфа имеет региональный характер, проявляется в части низкоширотного пояса от Атлантического океана к Тихому океану, охватывая территорию Бразилии (дрейф Бразильской аномалии). В дипольном поле отражается процесс глобальной диссипации геомагнитного поля. Фокусы векового хода в средних широтах отражают рост-распад региональных аномалий.

Изучение расположения магнитного центра Земли, полюса геомагнитного диполя на поверхности Земли и скорости их перемещений позволило обнаружить тонкую структуру динамики изученных характеристик и выявить в них вклад изменений, соответствующих явлениям джерков.

Одновременное изучение временных серий координат магнитного центра и полюса геомагнитного диполя за период 20-го века с помощью моделей ЮКР показало непротиворечивость результатов и подтвердило возможность обнаружения джерков во временных сериях параметров интегральных геомагнитных характеристик.

На основе полученных результатов можно заключить, что построенные пространственно временные модели, основанные на джерках, отражают вековую изменчивость поля в высокочастотной области спектра вековых вариаций в виде набора аналитических пространственных моделей, переходящих одна в другую в эпохи джерков, которые, таким образом, представляют своего рода кванты изменчивости земного магнитного поля.

Анализ временных серий среднегодовых значений составляющих скорости суточного вращения Земли — вариаций продолжительности суток и координат географического полюса, позволил выявить в них вековые вариации с характерными временами того же порядка, что и в геомагнитных вариациях. Время проявления экстремумов вариаций изученных характеристик в некоторых случаях совпадали с годами глобальных геомагнитных джерков.

Сравнение годов максимумов в 11-летних циклах солнечной активности, определенных по количеству солнечных пятен из года в год — чисел Вольфа, с эпохами глобальных джерков привело к заключению, что, несмотря на квазидесятилетнюю повторяемость обоих явлений и совпадение времени проявления отдельных событий, причинно-следственной связи между ними не обнаруживается. При одновременном рассмотрении серий эпох с минимальными значениями чисел Вольфа было обнаружено, что порою различие между эпохами глобальных джерков и годами максимумов активности такое же, как различие между эпохами джерков и минимумов активности.

Не было обнаружено также значимой корреляции между временем экстремумов солнечной активности с годами проявления импульсных вариаций в параметрах осевого вращения Земли, на основании чего можно было бы предположить, что солнечная активность имеет значимое влияние на скорость осевого вращения Земли, которое могло бы отражаться на вариациях геомагнитного поля.

На основе результатов об отсутствии строгой корреляционной связи, или постоянного запаздывания между временными характеристиками вариаций геомагнитного поля и параметров осевого вращения Земли, отсутствии глобального западного дрейфа, который свидетельствовал бы о вращении ядра, как целого, относительно твердой мантии, можно предположить, что электромагнитная связь между ядром и мантией является не достаточно тесной.

Шестая глава посвящена решению обратной кинематической задачи магнитной гидродинамики для определения поля скоростей проводящего жидкого вещества на поверхности внешнего ядра, ответственных за появление геомагнитных джерков. Для решения этой задачи были использованы непрерывные пространственно временные модели 1ВМ Б и 1ВМ БУ. Пересчет главного геомагнитного поля и поля его векового хода на поверхность ядра был сделан в предположении непроводящей мантии. Предположение о вмороженности геомагнитного поля в электропроводящее вещество ядра было использовано для нахождения поля скоростей на поверхности жидкого ядра Земли. Поле движений на поверхности ядра Земли представлено вертикальной завихренностью и горизонтальной дивергенцией от вектора скорости. Показано, что лидирующую роль в формировании квазистационарного поля скоростей на поверхности жидкого ядра Земли имеют течения дивергентного характера, которые силами Кориолиса частично преобразовываются в вихревые движения. Роторная компонента поля скоростей является менее интенсивной, и ее фокусы находятся между интенсивными фокусами дивергентной компоненты разного знака.

Построением карт на центральные эпохи между глобальными джерками и временных серий по ежегодным значениям изученных характеристик поля движений определено, что кинематические джерки, т. е. джерки в системе движений жидкого ядра Земли, имеют локальные, по сравнению с поверхностью ядра масштабы. Их появление имеет стохастический характер и вызывает реорганизацию квазистационарной системы движений в приповерхностных слоях ядра.

Картина движений, образовавшаяся на поверхности ядра, хорошо подходит под сценарий восходящих на поверхность ядра плавучих масс — источников движений или джерков, которые образуются в глубоких недрах жидкого ядра, а при достижении поверхности превращаются в растекающиеся потоки, приводя к реорганизации системы движений в приповерхностных слоях жидкого ядра Земли. В результате адвекции силовых линий в магнитном поле Земли процесс отражается возникновением фокусов, стохастическим образом проявляющихся во времени и в пространстве.

В заключении к диссертации логически целостно представлены основные результаты, достигнутые в ходе проведенных исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В развитии исследований явления джерков в геомагнитном поле были проанализированы временные серии вековых вариаций по трем X, У и Ъ силовым компонентам за период последнего полтутора века существования регулярных наблюдений в мировой сети магнитных обсерваторий. По развиваемой концепции джерки представляются резкими изменениями направления трендовых вариаций, представленных одной прямой за интервалы времени, исчисляемые десятилетиями. Согласно разработанному методу кусочно-линейного представления серий вековых вариаций, количественно определены виртуальные значения кусочно-постоянных геомагнитных ускорений, характеризующиеся углами наклонов (выраженными в нТл/год2) линейного тренда за интервалы времени до и после происшествия джерков. Временем пересечения соседних линейных отрезков определены годы виртуальных джерков, т. е. джерков, проявление которых зависит от точки расположения магнитной обсерватории на земной поверхности и рассматриваемой компоненты геомагнитного поля.

Статистический анализ времен (в годах) проявления виртуальных джерков позволил выявить эпохи, соответствующие максимальному количеству виртуальных джерков по их проявлению на всей поверхности Земли, названные эпохами глобальных джерков (1905, 1915, 1925, 1938, 1948, 1958, 1969, 1979 и 1988 гг.), и определить годы с относительно минимальным количеством джерков, названные центральными эпохами, характеризующимися стабильным темпом изменчивости геомагнитного поля между соседними глобальными джерками (1901, 1909, 1922, 1931, 1943, 1955, 1963, 1975, 1982 и 1992 гг.).

Из-за низкого качества данных, их недостаточного количества и неравномерности распределения магнитных обсерваторий для периода 19-го века нам удалось лишь доказать применимость метода кусочно-линейной аппроксимации серий вековых вариаций, с выделением отдельных джерков. Однако достоверное обнаружение эпох глобальных джерков, и выявление достаточного количества значений виртуальных ускорений для изучения глобального поля кусочно-постоянных ускорений за этот период времени не представлялось возможным.

Ограниченность длины рядов вековых вариаций в современности в момент проведения исследований позволила определить кусочно-постоянные значения геомагнитных ускорений только до 1996 г., когда по данным из некоторых регионов мира произошел последний джерк 20-го столетия, но для его точного выделения временные серии вековых вариаций из других регионов оказались недостаточно длинными.

Определенные значения виртуальных ускорений за период 1900;1996 гг. были приурочены к центральным эпохам, послужившим реперами для построения серии глобальных пространственных моделей поля кусочно-постоянных ускорений для интервалов времени между глобальными джерками. Таким образом, развивалась и проверялась выдвигаемая концепция о том, что динамика главного геомагнитного поля за характерные времена порядка сто лет может быть представлена пространственно-временной суперпозицией джерков, в промежутках между которыми полю свойствен постоянный темп развития с характерными значениями постоянных геомагнитных ускорений.

Количество и качество исходных данных за первую половину 20-го века не позволяют моделировать поле геомагнитных ускорений рядами разложения по сферическим гармоникам степени и порядка выше, чем четыре. Поэтому, для получения равнозначных пространственных моделей поля ускорений за весь период 20-го века, сферические гармонические модели, построенные для кусочно-постоянного поля геомагнитных ускорений на выявленные центральные эпохи, были ограничены точностью до четвертой степени и порядка. Построение моделей более высокой степени и порядка за период второй половины 20-го века, когда количество и качество исходных данных позволяют это, показывает, что обнаруженная общая пространственная структура поля устойчива и не зависит от количества моделирующих гармоник.

Модели, описывающие поле глобальных джерков, были получены путем вычитания соответствующих моделирующих коэффициентов постоянного поля ускорений на соседние центральные эпохи до и после глобальных джерков. Моделированные значения джерков, представленные временной серией пространственных моделей, хорошо согласуются со значениями и пространственно-временными особенностями проявления виртуальных джерков, выделенных данными прямых наблюдений.

Высокоточная модель ОСКТ1980, построенная по комплексу спутниковых (МАОБАТ) и наземных данных, была аналитически продолжена во времени с точностью до значений вторых временных производных, представляющих кусочно-постоянное поле геомагнитных ускорений. Базовая пространственная модель поля первых временных производных на центральную эпоху аналитического продолжения 1980 г., была получена с помощью моделей ВС11Р1980 и БОЯР 1985, пересчитанных с точностью моделирующих гармоник степени и порядка, равным четырем, и модели постоянного поля ускорений на центральную эпоху 1982 г., между глобальными джерками 1979 и 1988 годов. Постепенный перенос центральной эпохи аналитического временного продолжения с 1980 г. на годы следующих друг за другом глобальных джерков, с использованием соответствующих моделей поля постоянных ускорений между ними, была получена серия пространственных моделей главного геомагнитного поля и поля его вековых вариаций на каждый год за период 1900;1996 годов. Полученные серии пространственных моделей, основанных на джерках и отражающих тонкую структуру динамики главного геомагнитного поля, с точностью до вторых временных производных, обозначены как ЛЗМ Б — пространственно-временная модель главного геомагнитного поля, и ЛЗМ БУ — пространственно-временная модель вековых вариаций главного геомагнитного поля.

Временные серии значений вековых вариаций, рассчитанных согласно пространственным моделям ШУ 8У в точках земной поверхности, соответствующих координатам магнитных обсерваторий, были сравнены с сериями, полученными по данным прямых наблюдений в этих магнитных обсерваториях. Оказалось, что моделированными сериями хорошо представлены пространственно временные особенности трендовых вариаций, и точность моделирования в начале 20-го века не уступает точности моделирования за вторую половину века.

Анализ поля пространственных разностей значений геомагнитного поля, представленных моделями ШМ Б и ЮИР на все эпохи существования международных моделей показал, что поле разностей имеет гладкую структуру и небольшие значения за период второй половины 20-го века. На картах за первую половину века поле разностей усиливается частично из-за невысокой точности международных моделей за этот период времени, но значения разностей не превышают 5−7% от основной величины поля. Выявлена также надежность пространственно-временной модели ШМ Б, при описании временной динамики главного геомагнитного поля.

Последовательное нанесение на карту структур поля, почти равномерно представляющих геомагнитное поле на всей поверхности Земли по ежегодным моделям .1ВМ Б и ШМ вУ показывает, что они хорошо описывают пространственно временные особенности главного геомагнитного поля и поля мировых аномалий. Выявлено, что во временной динамике поля характерным является его изменчивость за счет процессов диффузионного и дрейфового характера.

Разделение геомагнитного поля на дипольную и недипольную составляющие позволило выявить процесс монотонной диссипации дипольного поля в течение всего 100-летнего периода, чем вызваны глобальные изменения поля диффузионного характера.

Изучение недипольного поля показало, что изменения в нем носят региональный характер и связаны с процессами роста-распада и дрейфа отдельных структур по поверхности Земли. Оказалось, что дрейф наблюдается только в регионе, охватывающем область низких широт Атлантического океана и территорию Бразилии. Он имеет перманентную западную направленность в течение всего 20-го века и скорость от 2,5 до 4,0 град/год.

Изучение особенностей временной динамики главного геомагнитного поля по интегральным характеристикам — расположению магнитного центра Земли и полюса геомагнитного диполя, с применением двух видов моделей ЛЗМ Б и ЮКЕ подтвердило непротиворечивость этих моделей для определения параметров интегральных геомагнитных характеристик и их временной динамики, позволило обнаружить в них проявление геомагнитных джерков. Обнаружено перманентное удаление магнитного центра от центра Земли в северо-западном направлении, что совпадает с выявленной направленностью интенсивных изменений полного — дипольного и недипольного, геомагнитного поля.

Для сравнения вековых вариаций геомагнитного поля и обнаруженных в них джерков с вариациями параметров, характеризующих солнечную активность, были определены среднегодовые значения чисел Вольфа и выявлены годы с максимальным и минимальным количеством солнечных пятен внутри 11-летних циклов солнечной активности за 20-й век — с 7-го до 17-го циклов.

Анализ временных серий по среднегодовым значениям составляющих вектора суточного вращения Земли (координаты географического полюса и вариации продолжительности земных суток), а также серий значений скорости их ежегодных изменений показал возможность выявления в них джеркообразных явлений и сравнить время их проявления с эпохами глобальных геомагнитных джерков.

Сравнение эпох джеркообразных изменений в скорости осевого вращении Земли с эпохами проявления глобальных джерков и с годами максимумов и минимумов солнечной активности показало, что, несмотря на отдельные случаи их совпадения, сделать вывод о существовании причинно-следственной связи явлений между ними и/или одним из них с геомагнитными джерками, не представляется возможным.

Отсутствие строгой корреляционной связи или постоянной задержки между проявлениями геомагнитных вариаций и вариациями параметров осевого вращения Земли за 100-летний период времени свидетельствуют о слабой роли сил электромагнитной природы во взаимодействии ядра Земли с ее мантией, т. е. об ограниченных значениях эффективной электропроводности мантии. Не обнаруживается также глобальный западный дрейф, который свидетельствовал бы об электромагнитной природе сил сцепления жидкого ядра Земли с ее твердой мантией. По результатам данных исследований являются обоснованными оценки электропроводности нижней мантии, ограниченные порядком 100 См/м, в пределах которых можно объяснить проявление резких геомагнитных джерков на поверхности Земли.

По анализу комплекса результатов изучения геомагнитных и гелиогеофизических характеристик можно сделать вывод, что джерки являются весьма чувствительным индикатором, отражающим всякое изменение в балансе сил в планетарном масштабе, проявляющееся в вариациях глобальных геофизических характеристик и в солнечной активности.

Ежегодные модели главного геомагнитного поля и поля его вековых вариаций -.1ВМ Б и ГОМ БУ, дали возможность решить обратную кинематическую задачу магнитной гидродинамики, определив в рамках теории гидромагнитного динамо характер движений, ответственных за появление геомагнитных джерков. Полученные результаты о временных характеристиках вековых вариаций и геомагнитных джерков делают более обоснованным решение обратной задачи гидромагнитного динамо в приближении мантия-изолятор, обнаружить поле движений с учетом вмороженности земного магнитного поля в высоко проводящее жидкое вещество ядра.

Представление искомого векторного поля скорости движений его скалярными характеристиками — горизонтальной дивергенцией и вертикальной завихренностью, позволило разделить и отдельно изучить движения вихревого и дивергентного характера, обнаружить процессы, протекающие в жидком ядре Земли и ответственные за систему движений, образованную на его поверхности.

Изучение «мгновенного» поля движений, определенного на каждый год с помощью характеристик, определяющих дивергентные и роторные течения, позволило выявить, что как в поле скоростей, так и в поле ускорений и кинематических джерков лидирующую роль играют течения дивергентного характера. Роторная компонента поля скоростей является менее интенсивной, ее фокусы проявляются между интенсивными фокусами дивергентной компоненты разного знака. Вся картина образовавшейся системы движений указывает на ее ярко выраженные региональные особенности и соответствует сценарию восходящих на поверхность ядра плавучих масс — источников движений — образованных в глубоких недрах ядра, которые при достижении границы с твердой мантией превращаются в растекающиеся потоки, приводя к реорганизации системы движений в приповерхностных слоях жидкого ядра Земли. В этой ситуации кинематические джерки, имеющие локальные, по сравнению с поверхностью ядра размеры фокусов, являются следствием проявления выплывающих масс, разрушающих образовавшуюся до явления джерка стационарную систему движений и установивших новую систему после него. Образованием вследствие несжимаемости вещества жидкого ядра центров нисходящих потоков объясняется появление обратного знака фокусов движений. В результате адвекции силовых линий магнитного поля потоками проводящей жидкости ядра, процесс реорганизации системы движений, происходящий на поверхности внешнего ядра, отражается в вариациях геомагнитного поля, зарегистрированных на поверхности Земли в виде глобальных джерков со знакопеременными фокусами регионального значения.

Построение временных серий компонент скорости движений в точках, широко разнесенных по поверхности внешнего ядра, по основе ежегодных пространственных моделей подтвердило, что квазистационарность системы движений на поверхности ядра характеризуется кусочно-постоянными значениями ускорений, которые в течение года, совпадающего с эпохами глобальных геомагнитных джерков, скачкообразно переходят из одного значения в другое. Одновременно, по анализу временных серий выявлен и подтвержден стохастичный характер пространственного временного проявления джерков в их кинематическом представлении — в поле движений жидкого вещества на поверхности внешнего ядра.

Сравнение карт поля скоростей с картами поля ускорений, характерных для кусочно-стационарных движений на соответствующие центральные эпохи между проявлениями кинематических джерков показало, что проявляется процесс самосогласованного урегулирования системы движений. Ускорения направлены против скоростей в местах проявления их максимальных значений и однонаправлены со скоростями в местах проявления небольших значений поля скоростей. Одновременно обнаружена преобладающая западная направленность дивергентных движений, перманентно существующие и мало изменяющиеся во времени два фокуса роторных движений в районе между Африкой и Южной Америкой, которыми можно объяснить наблюдающийся западный дрейф геомагнитных структур в этом регионе, образующий известную бразильскую аномалию.