Способ моделирования западного дрейфа твердого ядра планеты (варианты) и устройство для его осуществления

Способ моделирования западного дрейфа твердого ядра планеты (варианты) и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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.

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.

Эффект центрирования противоположен условиям западного дрейфа твердого ядра планеты. В формировании дрейфа существенны три физических фактора:

1) центробежное смещение ядра в полости мантии планеты,

2) движение центра масс ядра относительно мантии по орбите с радиусом, равным центробежному смещению,

3) вращательный отрыв потока от поверхности ядра.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

Ввиду этого основанный на предлагаемом способе метод исследований может быть назван методом аксиальной невесомости.

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.

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.

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.

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.

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:

(Ω -ω )/Ω =s/r, (1)

где

r - радиус шара как модели твердого ядра,

s - расстояние между осями вращения сосуда и шара как аналог смещения твердого ядра,

Ω - постоянная угловая скорость сосуда,

ω - предельная угловая скорость шара,

Ω -ω - величина, соответствующая угловой скорости западного дрейфа.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

По средней линии ременной передачи верхний и нижний шкивы имеют одинаковые диаметры, а отношение диаметров верхнего и нижнего приводных колес удовлетворяет условию

D₁₂/D₁₁=1-(s/r) при s/r≤ 0.1, (2)

где D₁₂ - диаметр верхнего приводного колеса,

D₁₁ - диаметр нижнего приводного колеса,

s - расстояние между осями вращения сосуда и шара, совпадающее с расстоянием между осями вращения верхнего и нижнего шкивов,

r - радиус шара.

Сущность изобретения и его приложений поясняются чертежами, имеющими следующее содержание.

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.

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.

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.

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 s_min (пунктирная горизонтальная линия, отсчет вдоль которой дает кажущееся значение s). Указанным траекториям соответствуют сплошная и пунктирная линии в координатах 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.

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).

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).

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.

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.

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.

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.

Фиг.34 - Отталкивание намагниченного твердого ядра его изображениями в движущемся расплаве жидкого ядра. Изображения I_w, I_e в экваториальной области жидкого ядра обусловлены западным дрейфом твердого ядра и стремятся совместить магнитную ось твердого ядра с осью вращения Земли. Изображения I_n, I_s 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 -).

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.

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).

Фиг.43, 44 иллюстрируют состояние вещества баромагнитной оболочки.

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).

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).

Фиг.45 - Схематическое изображение связи баромагнетизма с бидипольным состоянием вещества.

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, f_e – распределение Ферми (выделено косой штриховкой).

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.

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.

Фиг.48 - Распределение температуры Т=T(,t) жидкого ядра вдоль радиуса Земли в последовательные моменты времени t до (t=t_e) и после (t=t_a) конвективного коллапса (вытеснение нагретого расплава от границы с субъядром, =r_s, на границу с мантией, =r_m); r_a и r_e – радиусы баромагнитной оболочки при t=t_a и t=t_e, соответственно; Т_m() - кривая ABCDEFG плавления гидрида железа FeH с температурным скачком BD, ограничивающим толщину баромагнитной оболочки; T_s(, t_e) - адиабатическое распределение температуры в пределах от Tα до Тβ ; Тμ и Тσ - температуры плавления и переохлаждения баромагнитной оболочки при =r_s; Тρ - максимальная температура на границе с мантией после коллапса.

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.

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).

Фиг.49 - Распределения концентрации c_th(, t) частиц диоксида тория вдоль радиуса жидкого ядра в различные моменты времени t: после вытеснения облака диоксида тория на периферию жидкого ядра (t=t_a) и после сгущения облака во внутренней части жидкого ядра (t=t_e); с_i - остаточная концентрация радиоактивных элементов как начало отсчета с_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 t_a до t_e), спад частоты в результате вытеснения облака на периферию жидкого ядра (интервал времени от t_e до t_c; разность t_c-t_a - период цикла частоты, разность t_b-t_a - наибольший интервал постоянной полярности перед первой инверсией цикла).

Фиг.51, 52 - Сравнение регулярных интервалов и эпизодов между инверсиями геомагнитного поля. Фиг.51 - Регулярная форма изменения напряженности H_e 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).

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 _b1-τ _b2 – длительность эпизода. Остальные обозначения - как на фиг.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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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,

W_s=R_s-R_c, (3)

где W_s - расстояние между осями колпачка и трубки,

R_s - радиус торцевого отверстия колпачка,

R_c - радиус нити.

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.

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.

Передаточное отношение шкивов устройства составляет

ω /Ω =D₀₁D₁₂/D₀₂D₁₁, (4)

где ω - угловая скорость вращения шара 12,

Ω - угловая скорость вращения сосуда 6,

D₀₁ - диаметр нижнего шкива 2,

D₀₂ - диаметр верхнего шкива 4,

D₁₁ - диаметр нижнего приводного колеса 22,

D₁₂ - диаметр верхнего приводного колеса 23,

причем диаметры указаны по средней линии ременной передачи.

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.

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.

Концы вспомогательной нити с противовесами огибают выступы 107 планки 108, которая одета снизу на трубку 59 и фиксирована на ней винтом 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.

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.

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 вин