ppt - Космическая энергия в недрах Земли и планет
реклама
Макаренко А.Н., НИЦ РПИ НАН Украины [email protected] Земля – открытая система В.И. Вернадский: «Землю следует рассматривать как галактический объект и только тогда будут поняты полностью геологические процессы, происходящие на ней» . «Земля материально и энергетически непрерывно в ходе времени связана с Солнечной системой и Млечным Путем». 2 Основные известные каналы галактических воздействий на нашу планету • Гравитационный: находящиеся в галактических окрестностях скопления вещества возмущают орбиты тел кометного облака, расположенного на окраинах Солнечной системы, приводя к более частым выпадениям комет на планетные поверхности (кометным ливням) • Радиационный: галактические космические лучи ионизуют атмосферу, влияя на климат; служат важным мутагенным фактором, способствуя образованию новых жизненных форм, а также, возможно, избыточные потоки космических лучей приводят к вымираниям 3 Гипотетический канал: темная материя нагревает недра планет Вулканогенная темная материя проникает в недра планеты и аннигилирует там, нагревая их. 4 Источники внутреннего тепла Земли Всего ~40 ТВт Радиогенная энергия Неизвестные источники Природа нерадиогенной части регистрируемого теплового потока является предметом дискуссий, известным под названием проблемы недостаточности источников энергии для объяснения наблюдаемого теплового потока из недр Земли («missing» heat energy, «missing heat source problem», «missing heat source paradox») 5 В основу исследования было положено следующее простое предположение: периодические перемещения Земли и Солнечной системы в целом должны оказывать модулирующий эффект на предполагаемые внешние воздействия и в результате в процессах, происходящих в земных оболочках, должна наблюдаться аналогичная ритмичность, поскольку есть все основания считать, что либо сами воздействующие факторы распределены неравномерно, либо степень чувствительности к ним со стороны планет (скорость, расположение относительно воздействующего фактора) изменяется с изменением положения на галактической орбите. 6 Галактика и движение в ней Солнечной системы Так выглядит наша Галактика "изнутри". Это изображение, охватывающее весь небосвод, представляет собой мозаику из множества широкоугольных фотографий, сделанных из разных точек земного шара. Плоскость Галактики проходит вдоль горизонтальной оси рисунка, центр Галактики совпадает с центром изображения, северный галактический полюс находится вверху. Светлая полоса - свет звезд галактического диска, испещрена пересекающими ее темными поглощающими облаками межзвездной пыли. 7 Галактический диск в окружении гало темной материи 8 Реконструкция последних (фанерозойских) прохождений Солнечной системы через спиральные рукава Галактики 9 Одна из моделей движения Солнечной системы в плоскости Галактики за время от 601 млн. лет тому назад до 15 млн. лет в будущем Сидерический период (галактический год), в течение которого Солнечная система совершает полный оборот, составляет около 200 млн лет. Аномалистический период (время между прохождениями перицентра или апоцентра орбиты) – порядка175 млн лет. 10 высота над плоскостью Галактики, кпс «Ящичная» орбита Солнца в Галактике 0.04 0.03 0.02 0.01 Плоскость Галактики 0 -0.01 -0.02 -0.03 -0.04 8.2 8.4 8.6 8.8 9 9.2 галактоцентрическое расстояние, кпс Период между пересечениями плоскости Галактики – 30-35 млн лет 11 Геологические данные и вероятная структура Галактики Измерения разности между угловой скоростью спиральной структуры и угловой скоростью движения Солнца не отличаются большой точностью , поэтому в поисках следов прохождений неоднородностей распределения вещества в Галактике мы не можем опираться лишь на какую-либо конкретную модель ее спиральной структуры. Нужны индикаторы присутствия избыточных масс в окрестностях Солнечной системы. В качестве таких индикаторов были преимущественно использованы имеющиеся признаки возмущений кометного облака Оорта в геологическом прошлом Земли и планет (кометные бомбардировки планетных поверхностей – известно, что кометные ливни могут быть обусловлены возмущениями кометного облака на окраинах Солнечной системы со стороны проходящих близко звезд и газопылевых облаков); данные по истории звездо- и пылеобразования в окрестностях Солнечной системы и истории нуклеосинтеза в досолнечном веществе метеоритов (звезды, радиоактивные изотопы образуются преимущественно в спиральных рукавах). 12 Космическая мегаритмичность процессов на Земле и в Солнечной системе и ее возможная связь со структурой Галактики. Вертикальные пунктирные линии - усредненные рубежи ритмичности, редкий пунктир – предполагаемый рубеж. 13 Цикличность с периодом 370-500 млн лет 14 15 Соответствие ритмов, запечатленных в геологической летописи, галактической структуре. Временные интервалы между максимумами циклов сопоставлены временным интервалам между прохождениями соседних рукавов Галактики 16 30миллионнолетний ритм прохождений Солнечной системы через плоскость Галактики в истории Земли 17 Галактический год и 100/200-миллионнолетняя ритмичность в геологии 600 500 400 300 200 100 0 Время, млн лет Проявления 100/200 миллионолетнего ритма конвекции в коре и мантии Земли Вверху (треугольники): Пики суммарной максимальной эндогенной активизации для верхней мантии и коры Внизу: Эпохи ускоренного дрейфа литосферных плит. Горизонтальными линиями показаны эпохи ускоренного дрейфа для ряда континентальных платформ: Восточно-Европейской, Сибирской, Сев.-Американской, Африканской, Индостанской, Австралийской (перечислены сверху вниз). Вертикальные линии - среднее значение возрастов эпох ускоренного движения континентов 18 Природа модуляций тепловыделения в земных недрах, вызванных обращением Солнечной системы вокруг центра Галактики 19 а) Ветер частиц темной материи б) На сев. полюс эклиптики Направление движения Земли в Галактике Ветер частиц темной материи: а) Общая схема формирования ветра движением Земли в Галактике [Walker, 2011]. б) Корреляция распределения плотности потока частиц темной материи с движением Земли в Галактике [Green, Morgan, 2007]. Карта неба в галактических координатах. Меридианы галактическая долгота, параллели - галактическая широта. Плоскость Галактики (Млечный путь) простирается вдоль экватора. Центральная точка направление на центр Галактики. Звездочкой показано направление движения Земли в Галактике (направление на апекс). Заливка - распределение плотности потока частиц темной материи (максимальные значения показаны красным, данные численного моделирования). 20 Влияние гравитационной фокусировки со стороны Солнца на распределение плотности частиц Темной Материи в Солнечной системе: а) поток частиц Темной Материи компланарен плоскости эклиптики, планеты пребывают в области повышенной плотности распределения Темной Материи; б) поток частиц Темной Материи падает под углом к плоскости эклиптики, планеты находятся вне области повышенной плотности. 21 Модельная плотность распределения атомов гелия межзвездной среды в Солнечной системе (в плоскости, содержащей ось ветра). Солнце находится в центре системы координат, расстояния даны в астрономических единицах. Окружность – орбита Земли. Стрелка – ось межзвездного гелиевого ветра. Изолиниями показано соотношение локальной плотности к фоновой плотности за пределами Солнечной системы. Фокусировочный конус (focusing cone) формируется за Солнцем с тыльной 22 стороны. Полость на наветренной стороне – результат процессов ионизации Всплески энерговыделения определяются взаимной ориентацией направления движения Земли в галактическом пространстве и плоскости эклиптики, а именно происходят в тех двух противоположных областях земной орбиты в Галактике, где вектор скорости Солнечной системы в Галактике оказывается лежащим в плоскости эклиптики Взаимная ориентация плоскости эклиптики, галактической плоскости и направления движения Солнечной системы в Галактике. Современному направлению на центр Галактики соответствует точка с галактическими координатами l=00, b=00. Ориентация обеих плоскостей остается неизменной относительно друг друга, в то же время вектор скорости движения Солнечной системы вокруг центральных масс Галактики совершает один оборот вдоль галактической плоскости в течение галактического года. Максимальное энерговыделение 23 происходит тогда, когда вектор скорости попадает на плоскость эклиптики 24 Распределение зон выделения космической энергии в земных недрах I вариант Изотропный характер направленности воздействий некоторых галактических факторов на земные процессы (в качестве примера можно привести изотропию галактических космических лучей) 25 II вариант Анизотропный характер направленности галактических воздействий в случае связи направленности воздействия с направлением движения Земли в Галактике. Показаны наклоны 0 и ±600 к экватору. 26 Изменение направления движения Земли в Галактике относительно земной поверхности в течение галактического года ~30 0 д иапа зон п рецессио нных к олеб аний отн осит ельн о н аправлен ия д вижения эква тори альная п лоск ость / плоскост ь экл ипти ки усредненный южный полюс м ира (со впад ает с южным полюсо м эк липт ики) усреднен ный северны й полюс мир а (сов пада ет с сев ерны м полюсом экл ипти ки) в этом широтном диапа зоне перемещается прое кция ап екса гал акти ческ ого движения на зем ную пов ерхн ость сре днее нап рав ление дв ижен ия З емли в н ашу эпо ху (за посл едн ие 25 тыс. лет) в это м нап равлени и д вига лась Зем ля 1/2 галакт ичес кого года тому наз ад 27 28 Изменение направления движения Земли в Галактике относительно земной поверхности в течение галактического года ~30 0 д иапа зон п рецессио нных к олеб аний отн осит ельн о н аправлен ия д вижения эква тори альная п лоск ость / плоскост ь экл ипти ки усредненный южный полюс м ира (со впад ает с южным полюсо м эк липт ики) усреднен ный северны й полюс мир а (сов пада ет с сев ерны м полюсом экл ипти ки) в этом широтном диапа зоне перемещается прое кция ап екса гал акти ческ ого движения на зем ную пов ерхн ость сре днее нап рав ление дв ижен ия З емли в н ашу эпо ху (за посл едн ие 25 тыс. лет) в это м нап равлени и д вига лась Зем ля 1/2 галакт ичес кого года тому наз ад 29 Изменение широты появления новых горячих точек во времени. Связь с галактическим движением Солнечной системы Недра Земли содержат некий тепловой источник, который «переменяет» место 30 Изменение широты появления новых горячих точек во времени. Связь с галактическим движением Солнечной системы - появления новых горячих точек - области максимального выделения энергии на земной орбите A P - нахождение в апогалактии - нахождение в перигалактии - апроксимация - проекция апекса галактического движения Солнечной системы на земную поверхность - внутриядерный ритм - мантийно-коровый ритм 31 Общий план мантийной конвекции относительно оси вращения Земли С максимальной интенсивностью нагрев земных недр происходит, когда проекция вектора скорости Земли в Галактике попадает на земной экватор. Поэтому следует ожидать пространственного распределения разогретых масс в виде некоего экваториального «горячего пояса» Земли. 32 Экваториальный "горячий пояс" Земли Области нижней мантии с пониженными скоростями сейсмических волн. Пониженные скорости прохождения сейсмических волн свидетельствуют об ослабленном, разогретом состоянии вещества, через которое они проходят. Наблюдается весьма четкая и очевидная 33 приуроченность разогретых зон мантийного вещества к низким широтам. Экваториальный горячий пояс во внутреннем ядре Земли 00 1800 3600 Анизотропия скоростей P-волн во внутреннем ядре. Темные тона - низкая скорость P-волн. 34 Экваториальный горячий пояс в ядре Земли Splitting-функции внешнего ядра (вверху) и внутреннего ядра (внизу). Интенсивность функции меняется от -0,2% (белый цвет) до +0,2% (черный) 35 Распределение энергетических источников в недрах Земли Силикатная оболочка Железное ядро Радиогенная энергия Космическая и другие виды энергии ~ 20 ТВт ~ 10 ТВт ~0 ТВт ~ 10 ТВт Удельное тепловыделение на единицу объема составляет 20 Вт/км3 (или 2·10-14 Вт/см3), в ядре — 50 Вт/км3, мантии — 10 Вт/км3. 36 Широтное распределение вулканической активности на Луне и Марсе: а) вулканические провинции на Марсе; б) лунные вулканы 37 Венера: топография (внизу) и один из возможных планов мантийной конвекции (верхний рисунок), ее обусловливающих Голубым обозначены холодные нисходящие потоки в мантии, либо понижения рельефа (который хорошо коррелирует с местным геоидом). Красное - восходящие конвективные потоки в мантии, либо возвышения рельефа. Восходящие конвективные потоки расположены в приэкваториальной полосе. 38 Зависимость нерадиогенной части тепловыделения от массы планеты 15 14 13 12 Мощность космических печек больших планет (Земля и планеты-гиганты) связана общей для них степенной зависимостью от массы планеты 39 L/LЗемли = (M/MЗемли)1,7 Соотношение выделения энергии на единицу массы в недрах планет по отношению к Земле в зависимости от их плотности 40 Природа "космической печки" в недрах Земли Наша планета Земля является естественной лабораторией, в которой регистрируются загадочные физические явления, мало понятные с позиций общепринятой теории. П.Н.Кропоткин 41 Параллели между свойствами темной материи и свойствами «космической печки» 1. Выделение «избыточной» (космического происхождения) энергии модулируется плотностью распределения вещества в проходимом Солнечной системой галактическом пространстве (диске). Наличие скоплений вещества в окрестностях Солнечной системы приводит к усилению тепловыделения в планетных недрах. Возможно существование темного диска. 42 2. Воздействие на планетные недра анизотропно и максимально с той стороны, в направлении которой Солнечная система движется в Галактике. Возможно существование ветра частиц противоположно движению в Галактике. 43 3. Интенсивность энерговыделения определяется взаимной ориентацией направления движения Земли в галактическом пространстве и плоскости эклиптики, а именно всплески энерговыделения происходят в тех двух противоположных областях земной орбиты в Галактике, где вектор скорости Солнечной системы в Галактике оказывается лежащим в плоскости эклиптики. Усиление происходит, когда апекс (точка на небесной сфере, в направлении которой Солнечная система движется в Галактике), Солнце и планета выстраиваются в одну линию. Это становится возможным как раз только в те эпохи, когда вектор скорости Солнечной системы в Галактике попадает на плоскость эклиптики. В это время становится возможным попадание Земли в сфокусированный солнечной гравитацией пучок частиц и, соответственно, более интенсивное воздействие. 44 4. Планетные недра обладают эффектом экранирования. Относительно полное поглощение (или ослабление) происходит толщей вещества равной примерно 1-2 радиусам Земли, но и слой вещества толщиной в несколько сотен километров поглощает значительную долю проникающего сквозь него космического теплопроизводящего фактора. Из распределения тепловыделяющих зон в недрах Земли следует, что толща вещества, равная диаметру Земли, ослабляет поток частиц темной материи примерно на порядок. Для поглощения частиц с массами, близкими к массам ядер химических элементов, толщей вещества, равной диаметру Земли, в литературе приводят оценки на уровне сечения взаимодействия частиц темной материи с нуклонами (протонами и нейтронами) около 10-32-10-34 см2. 45 5. Интенсивность, с которой космический теплопроизводящий фактор взаимодействует с веществом планетных недр, зависит от их химического состава (предположительно — содержания водорода и железа). Гидрогенофильность Спинзависимое взаимодействие может на порядки превышать своей интенсивностью взаимодействие, не зависящее от спина. Изотопы водорода спином обладают. Солнце, Юпитер и Сатурн большей частью состоят из водорода. Нептун, Уран и ледяные спутники также содержат значительные его количества. В то же время на планетах земной группы распространенность изотопов, имеющих ненулевой спин, невелика, т. е. они состоят большей частью из вещества, которое в спинзависимых взаимодействиях участия не принимает. Естественно, что в случае спинзависимого характера взаимодействия с темной материей водородсодержащие планеты будут захватывать ее 46 более активно. Сидерофильность Взаимодействие с веществом планет становится особенно интенсивным в случае близкого соответствия массы частицы атомной массе какого-либо из наиболее распространенных химических элементов планетного вещества. Железный резонанс Для Земли и других планет земной группы скорость захвата частиц будет наибольшей в случае близости их масс массам ядер железа. Это явление получило название «железный резонанс». Тяжелое нейтрино – вероятный кандидат? 47 6. Мощность космических печек больших планет (Земля и планеты-гиганты) связана общей для них степенной зависимостью от массы планеты. Вверху: теоретические расчетные модели зависимости интенсивности поглощения частиц темной материи недрами планет от массы планет. Внизу (пунктиром): реально наблюдаемая зависимость «избыточного» тепловыделения для больших планет Солнечной системы. Видим один и тот же степенной закон. 48 7. Применительно к Земле удельное тепловыделение на единицу объема составляет около 20 Вт/км3 (или 2•10-14 Вт/см3). В ядре — 50 Вт/км3, мантии — 10 Вт/км3. Ожидаемый поток тепла из недр планет в случае, если будет аннигилировать вся темная материя, которая туда попадает, при допускаемых плотностях и скоростях ее в околосолнечном пространстве, может примерно на два порядка превышать измеряемые ныне тепловые потоки из недр планет. Получаемые значения максимально возможного тепловыделения в случае Земли составляют 3260…3330·1012 Вт только для галактического гало (для диска это может быть больше), в то время как мощность нерадиогенной части внутренних земных источников тепловыделения составляет лишь около 20·1012 Вт. 49 Теория и наблюдения Здесь на рисунке показана расчетная область параметров, в которой должна находиться интересующая нас частица (речь идет только о тепловыделении посредством аннигиляционного механизма). Сопоставлено с наблюдениями эксперимента DAMA. 50 Альтернативные аннигиляции механизмы тепловыделения Гипотеза индуцированного внешними причинами каталитического ядерного синтеза в земных недрах: «странжелеты»; чампы; X–-частица; отрицательно электрически заряженные элементарные черные дыры; магнитный монополь; связанные состояния электрически заряженных частиц четвертого поколения. Магнитный монополь. Катализ распада протонов, катализ ядерных реакций синтеза, ядерных реакций деления, ускорение процессов β-распада. Малые черные дыры. Аккреция, квантовое испарение, процессы, аналогичные в случае монополей. Аксион. Возбуждение ядер ряда изотопов с переизлучением в виде квантов электромагнитного излучения. 51 Выводы и заключительные замечания Что там за занавеской тьмы? В гаданиях запутались умы. Когда ж порвется с треском занавеска, Увидим все, как заблуждались мы.. Омар Хайям 52 Свойства дополнительного к радиогенной энергии космического источника внутренней энергии Земли и планет («космической печки») имеют полное соответствие в свойствах окружающей Солнечную систему темной материи Галактики, что позволяет заключить, что именно темная материя, по-видимому, является тем внешним по отношению к Солнечной системе фактором, который производит нагрев планетных недр, как это ранее и предполагалось многими исследователями. Среди наиболее вероятных следует рассматривать частицу, свойства которой таковы: частица взаимодействует спинзависимо с планетным веществом (либо предпочтительно с протонами); ее масса может быть близкой к атомной массе железа; сечение взаимодействия с земным веществом составляет 10-32-10-34 см2. Может быть эта частица – тяжелое нейтрино четвертого поколения? 53
