Сравнительный эволюционный анализ дипольных и недипольных компонент геомагнитной энергии

Полная энергия потенциального геомагнитного поля (до границы ядро – мантия) разбивается на дипольную и недипольную части, которые сравниваются исходя из их эволюции и частотных свойств. Наши расчеты основаны на общедоступной и достаточно надежной модели геомагнитного поля COV-OBS.x2, охватывающей период 1840–2020 гг. Предлагаемые аппроксимации на более длительные периоды предварительны, поскольку требуют дальнейшей оценки ошибок посредством сравнения с другими историческими наблюдательными, палеомагнитными моделями геомагнитного поля, а также с численными моделями геодинамо. Фактически дипольная энергия (около 5 ЭДж) всего в три раза превышает недипольную, а не на порядок и более, как это было принято считать до сих пор. Дипольная энергия сравнительно медленно и монотонно уменьшается, а недипольная часть изменяется значительно быстрее и квазипериодически. Поэтому характерные времена для диполя порядка тысячи лет, а для недипольной компоненты – порядка сотен лет. Если ограничиться квадруполем и октуполем (такое ограничение естественно для палеои археомагнитологов), то энергия такой «урезанной» недипольной части монотонно растет и демонстрирует эволюционные и частотные характеристики, существенно отличающиеся от полной (до 14-й сферической гармоники) недипольной части. Мощность или временная производная от энергии более вариативна по сравнению с энергией и по порядку величины составляет около ста МВт как для дипольной, так и для недипольной части. Частотные характеристики получают из анализа отношения мощности к энергии.

1. Яновский Б.М. Земной магнетизм. Л.: Издательство ЛГУ, 1978. 591 с.

2. Jackson A., Jonkers A.R.T., Walker M.R. Four centuries of geomagnetic secular variation from historical records // Phil. Trans. R. Soc. A. 2000. V. A358. P. 957–990. https://doi.org/10.1098/rsta.2000.0569.

3. Thebault E., Finlay C.C., Beggan C.D., Alken P., Aubert J., Barrois O., Bertrand F., Bondar T., BonessA.,BroccoL.,CanetE.,ChambodutA.,ChulliatA.,CoïssonP.,CivetF.,DuA.,FournierA., Fratter I., Gillet N., Hamilton B., Hamoudi M., Hulot G., Jager T., Korte M., Kuang W., Lalanne X., Langlais B., Leger J.-M., Lesur V., Lowes F.J., Macmillan S., Mandea M., Manoj C., Maus S., Olsen N., Petrov V., Ridley V., Rother M., Sabaka T.J., Saturnino D., Schachtschneider R., Sirol O., Tangborn A., Thomson A., Tøffner-Clausen L., Vigneron P., Wardinski I., Zvereva T. International geomagnetic reference fi The 12th generation // Earth Planets Space. 2015. V. 67, No 1. Art. 79. https://doi.org/10.1186/s40623-015-0228-9.

4. Lowes F.J. Spatial power spectrum of the main geomagnetic fi and extrapolation to the core // Geophys. J. R. Astr. Soc. 1974. V. 36, No 3. P. 717–730. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.1974.tb00622.x.

5. Schaeffer N., Jault D., Nataf H.-C., Fournier A. Turbulent geodynamo simulations: A leap towards Earth’s core // Geophys. J. Int. 2017. V. 211, No 1. P. 1–29. https://doi.org/10.1093/gji/ggx265.

6. Mauersberger P. Das Mittel der Energiedichte des geomagnetischen Hauptfeldes an der Erdoberfl und seine sakulare Anderung // Gerlands Beitr. Geophys. 1956. V. 65. P. 207–215.

7. Lowes F.J. Mean-square values on sphere of spherical harmonic vector fi // J. Geophys. Res. 1966. V. 71, No 8. P. 2179–2179. https://doi.org/10.1029/JZ071i008p02179.

8. Bayanjargal G. The total energy of geomagnetic fi // Geomech. Geophys. Geo-energ. Geo-resour. 2015. V. 1, No 1–2. P. 29–33. https://doi.org/10.1007/s40948-015-0006-y.

9. Старченко С.В., Яковлева С.В. Спектры энергии и мощности потенциального геомагнитного поля с 1840 г. // Геомагнетизм и аэрономия. 2019. Т. 59, № 2. С. 258–264. https://doi.org/10.1134/S0016794019010127.

10. Старченко С.В., Яковлева С.В. Определение удельных временны́ х вариаций энергии потенциального геомагнитного поля из IGRF модели // Геомагнетизм и аэрономия. 2019. Т. 59, № 5. С. 649–654. https://doi.org/10.1134/S0016794019050122.

11. Gillet N., Barrois O., Finlay C.C. Stochastic forecasting of the geomagnetic fi from the COV-OBS.x1 geomagnetic fi model, and candidate models for IGRF-12 // Earth, Planet and Space. 2015. V. 67, No 1. Art. 71. https://doi.org/10.1186/s40623-015-0225-z.

12. De Santis A., Qamili E., Cianchini G. Ergodicity of the recent geomagnetic fi // Phys. Earth Planet. Inter. 2011. V. 186, No 3–4. P. 103–110. https://doi.org/10.1016/j.pepi.2011.04.008.

13. Shebalin J.V. Magnetohydrodynamic turbulence and the geodynamo // Phys. Earth Planet. Inter. 2018. V. 285. P. 59-75. https://doi.org/10.1016/j.pepi.2018.10.008.

14. Shebalin J.V. Magnetic helicity and the geodynamo // Fluids. 2021. V. 6, No 3. Art. 99. https://doi.org/10.3390/fl

15. Shebalin J.V. Broken ergodicity in magnetohydrodynamic turbulence // Geophys. Astrophys. Fluid Dyn. 2013. V. 107, No 4. P. 411–466. https://doi.org/10.1080/03091929.2011.589385.

16. Huder L., Gillet N., Finlay C.C., Hammer M.D., Tchoungui H. COV-OBS.x2: 180 years of geomagnetic fi evolution from ground-based and satellite observations // Earth, Planets and Space. 2020. V. 72, No 1. Art. 160. https://doi.org/10.1186/s40623-020-01194-2.

17. Нечасова И.Е., Пилипенко О.В. Археомагнитные исследования в Институте физики земли им. О.Ю. Шмидта (исторический обзор, основные результаты) // Физика Земли. 2019. № 2. С. 123–136. https://doi.org/10.31857/S0002-333720192123-136.

18. Troyano M., Gallet Y., Genevey A., Pavlov V., Fournier A., Lagroix F., Niyazova M., Mirzaakhmedov D. Analyzing the geomagnetic axial dipole fi moment over the historical period from new archeointensity results at Bukhara (Uzbekistan, Central Asia) // Phys. Earth Planet. Inter. 2021. V. 310. Art. 106633. https://doi.org/10.1016/j.pepi.2020.106633.

19. Khokhlov A.V., Shcherbakov V.P., Lhuillier F. Using the giant Gaussian process model from paleodirectional and paleointensity data to investigate paleomagnetic secular variation // Russ. J. Earth Sci. 2020. V. 20, No 6. Art. ES6013. http://doi.org/10.2205/2020ES000710

20. Morzfeld M., Buffett B.A. A comprehensive model for the kyr and Myr timescales of Earth’s axial magnetic dipole fi // Nonlin. Processes Geophys. 2019. V. 26, No 3. P. 123–142. https://doi.org/10.5194/npg-26-123-2019.

21. Panovska S., Constable C.G., Korte M. Extending global continuous geomagnetic fi reconstructions on timescales beyond human civilization // Geochem. Geophys. Geosystems. 2018. V. 19, No 12. P. 4757–4772. https://doi.org/10.1029/2018GC007966.

22. Щербаков В.П., Хохлов А.В., Сычева Н.К. Анализ гипотезы большого Гауссова процесса как способа описания вековых вариаций вектора геомагнитного поля // Физика Земли. 2019. № 1. C. 214–228. https://doi.org/10.31857/S0002-333720191214-228.

23. Arneitz P., Leonhardt R., Egli R., Fabian K. Dipole and nondipole evolution of the historical geomagnetic fi from instrumental, archeomagnetic, and volcanic data // J. Geophys. Res. Solid Earth. 2021. V. 126, No 10. Art. e2021JB022565. https://doi.org/10.1029/2021JB022565.

24. Panovska S., Finlay C.C., Hirt A.M. Observed periodicities and the spectrum of fi variations in Holocene magnetic records // Earth Planet. Sci. Lett. 2013. V. 379. P. 88–94. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2013.08.010.

25. Starchenko S.V. Analytic scaling laws in planetary dynamo models // Geophys. Astrophys. Fluid Dyn. 2019. V. 113, No 1-2. P. 71-79. https://doi.org/10.1080/03091929.2018.1551531.

26. Bouligand C., Gillet N., Jault D., Schaeffer N., Fournier A., Aubert J. Frequency spectrum of the geomagnetic fi harmonic coeffi from dynamo simulations // Geophys. J. Int. 2016. V. 207, No 2. P. 1142–1157. https://doi.org/10.1093/gji/ggw326.

27. Старченко С.В., Смирнов А.Ю. Объемные токи современного магнитного диполя в ядре Земли // Физика Земли. 2021. № 4. С. 42–46. https://doi.org/10.31857/S0002333721040086.

28. Старченко С.В. Гармонические источники главного геомагнитного поля // Геомагнетизм и Аэрономия. 2011. Т. 51, № 3. С. 412–418.