Прямые наблюдения вязкости внешнего ядра Земли и экстраполяция измерений вязкости жидкого железа

Д.Е. Смайли^а, В.В. Бражкин^б, А. Палмер^в
^аDepartment of Earth and Space Science and Engineering, York University, 4700 Keele Street, Toronto, Ontario, M3J 1P3, Canada
^бИнститут физики высоких давлений Российской академии наук им. Л.Ф. Верещагина, Калужское шоссе 14, Троицк, Москва, 108840, Российская Федерация
^вSander Geophysics Ltd., 260 Hunt Club Road, Ottawa, Ontario, K2P 1K2, Canada

Оценки вязкости внешнего жидкого ядра Земли весьма неоднозначны. Прямые наблюдения, как правило, дают значения на много порядков величины большие, чем экстраполяции результатов лабораторных экспериментов, дающие значения близкие к вязкости расплавленного железа при атмосферном давлении. Столь значительного несоответствия удалось избежать при экстраполяции лабораторных измерений с помощью активационной модели Аррениуса. Эта модель широко использовалась ранее, но в предположении, что активационный объем не зависит от давления. Новые исследования показывают, что при большом давлении этот объем быстро возрастает, приводя к значениям $10^2$ Па с на поверхности жидкого ядра и $10^{11}$ Па с на его нижней границе. Такая экстраполяция сопряжена с большой неопределенностью. В статье рассматривается метод определения вязкости на поверхности внешнего ядра, основанный на наблюдениях затуханий свободной нутации земного ядра, который дает величину $2{,}371\pm 1{,}530$ Па с, и метод определения вязкости на его нижней границе, основанный на наблюдениях за уменьшением вращательного «расщепления» двух экваториальных трансляционных составляющих колебаний твердого внутреннего ядра, в среднем дающий значения $1{,}247\pm 0{,}035\times 10^{11}$ Па с. Ввиду хорошего согласия экстраполяции Аррениуса с реальностью используется дифференциальная форма активационной модели Аррениуса для проведения интерполяции по кривой температуры плавления и построения профиля вязкости на всю глубину внешнего ядра. Вариация вязкости оказывается близкой к логлинейной между ее граничными значениями, полученными из наблюдений.

Текст pdf (910 Кб)

Скачивая файл я соглашаюсь с условиями использования.

English fulltext is available at DOI: 10.3367/UFNe.0179.200901d.0091

PACS: 66.20.−d, 91.35.−x, 93.85.−q (все)
DOI: 10.3367/UFNr.0179.200901d.0091
URL: https://ufn.ru/ru/articles/2009/1/d/
Web of Science

000266708800004
Scopus

2-s2.0-67849111476
ADS NASA

2009PhyU...52...79S
Цитата: Смайли Д Е, Бражкин В В, Палмер А "Прямые наблюдения вязкости внешнего ядра Земли и экстраполяция измерений вязкости жидкого железа" УФН 179 91–105 (2009)

BibTexBibNote ® (generic)BibNote ® (RIS)MedlineRefWorks

English citation: Smylie D E, Brazhkin V V, Palmer A “Direct observations of the viscosity of Earth’s outer core and extrapolation of measurements of the viscosity of liquid iron” Phys. Usp. 52 79–92 (2009); DOI: 10.3367/UFNe.0179.200901d.0091

Список литературы (60) ↓ Статьи, ссылающиеся на эту (22) Похожие статьи (10)

Lumb L I, Aldridge K D J. Geomag. Geoelectr. 43 93 (1991)
Anderson D L Theory of the Earth (Boston: Blackwell Sci. Publ., 1989)
Davis R G, Whaler K A Phys. Earth Planet. Inter. 103 181 (1997)
de Wijs G A et al. Nature 392 805 (1998)
Alfè D, Kresse G, Gillan M J Phys. Rev. B 61 132 (2000)
Desgrandes C, Delhommelle J Phys. Rev. B 76 172102 (2007)
Vočadlo L et al. Faraday Discuss. 106 205 (1997)
Rutter M D et al. Geophys. Res. Lett. 29 1217 (2002)
Dobson D P et al. Am. Mineralogist 85 1838 (2000)
Urakawa S et al. Am. Mineralogist 86 578 (2001)
Terasaki H et al. Geophys. Res. Lett. 33 L22307 (2006)
Rutter M D et al. Phys. Rev. B 66 060102 (2002)
Dobson D P Phys. Earth Planet. Inter. 139 271 (2002)
Secco R A "Viscosity of the outer core" in Mineral Physics & Crystallography: A Handbook of Physical Constans (AGU Reference Shelf, Vol. 2, Ed. T J Ahrens) (Washington, DC: American Geophysical Union, 1995) p. 218
Бражкин В В Письма в ЖЭТФ 68 469 (1998); Brazhkin V V JETP Lett. 68 502 (1998)
Бражкин В В, Ляпин А Г УФН 170 535 (2000); Brazhkin V V, Lyapin A G Phys. Usp. 43 493 (2000)
Poirier J P Geophys. J. 92 99 (1988)
Jeffreys H Mon. Not. R. Astron. Soc. Geophys. Suppl. 1 371 (1926)
Garland G D Introduction to Geophysics: Mantle, Core and Crust (Philadelphia: Saunders, 1971) p. 42
Bullen K E, Bolt B A An Introduction to the Theory of Seismology 4th ed. (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1985) p. 322
Poincaré H Bull. Astron. 27 321 (1910)
Aldridge K D "An experimental study of axisymmetric inertial oscillations of a rotating liquid sphere" Ph.D. Thesis (Cambridge, Mass.: MIT, 1967)
Smylie D E et al. Geophys. J. Int. 108 465 (1992)
Jiang X "Wobble-nutation modes of the Earth" Ph.D. Thesis (Toronto: York Univ., 1993)
Jiang X, Smylie D E Phys. Earth Planet. Inter. 90 91 (1995)
Jiang X, Smylie D E Phys. Earth Planet. Inter. 94 159 (1996)
Greenspan H P The Theory of Rotating Fluids (London: Cambridge Univ. Press, 1968) p. 66
Crossley D, Smylie D E Geophys. J. R. Astron. Soc. 42 1011 (1975)
Acheson D J Geophys. J. R. Astron. Soc. 43 253 (1975)
Smylie D E, Szeto A M K, Rochester M G Rep. Prog. Phys. 47 855 (1984)
Smylie D E "Electromagnetic excitation of the Chandler Wobble" Ph.D. Thesis (Toronto: Univ. of Toronto, 1963)
Rochester M G, Smylie D E Geophys. J. Int. 10 289 (1965)
Buffett B A, Mathews P M, Herring T A J. Geophys. Res. 107 (B4) 2070 (2002)
Runcorn S K Trans. Am. Geophys. Union 36 191 (1955)
Smylie D E Geophys. J. Int. 9 169 (1965)
Johnson I M, Smylie D E Geophys. J. Int. 22 41 (1970)
Mathews P M et al. J. Geophys. Res. 96 (B5) 8219 (1991)
de Vries D, Wahr J M J. Geophys. Res. 96 (B5) 8275 (1991)
Palmer A, Smylie D E Phys. Earth Planet. Inter. 148 285 (2005)
Slichter L B Proc. Natl. Acad. Sci. USA 47 186 (1961)
Smylie D E et al. Phys. Earth Planet. Inter. 80 135 (1993)
Courtier N et al. Phys. Earth Planet. Inter. 117 3 (2000)
Smylie D E, Francis O, Merriam J P J. Geodetic Soc. Jpn. 47 364 (2001)
Moore D W "Homogeneous fluids in rotation" in Rotating Fluids in Geophysics (Eds P H Roberts, A M Soward) (New York: Academic Press, 1978)
Smylie D E, McMillan D G Phys. Earth Planet. Inter. 117 71 (2000)
Smylie D E Science 284 461 (1999)
Smylie D E, McMillan D G Phys. Earth Planet. Inter. 117 71 (2000)
Widmer R, Masters G, Gilbert F in 17th Inter. Conf. on Mathematical Geophysics, Blanes, Spain, IUGG, June 1988
Dziewonski A M, Anderson D L Phys. Earth Planet. Inter. 25 297 (1981)
Gilbert F, Dziewonski A M Philos. Trans. R. Soc. London A 278 187 (1975)
Bolt B A, Urhammer R Geophys. R. Astron. Soc. J. 42 419 (1975)
Bolt B A, Urhammer R A in Evolution of the Earth (Geodynamics Series, Vol. 5, Eds R J O'Connell, W S Fyfe) (Washington, DC: American Geophysical Union, 1981) p. 28
Smylie D E, Palmer A arXiv:0709.3333
Stacey F D Physics of the Earth 3rd ed. (Brisbane: Brookfield Press, 1992)
Минеев В Н, Фунтиков А И УФН 174 727 (2004); Mineev V N, Funtikov A I Phys. Usp. 47 671 (2004)
Alfe D, Gillan M J, Price G D Nature 401 462 (1999)
Boehler R Nature 363 534 (1993)
Брагинский С И ДАН СССР 149 8 (1963)
Loper D E, Roberts P H Phys. Earth Planet. Inter. 24 302 (1981)
Olson P, Christensen U R Geophys. J. Int. 151 809 (2002)