Направления фундаментальных

исследований РАН

Результаты

Физические поля Земли – природа, взаимодействие, геодинамика и внутреннее строение Земли

Новые экспериментальные данные о дифференциальных временах пробега волн РКРDF и РКРВС подтверждают ранее предложенную модель ядра Земли с аномалией скорости во внешнем ядре. Рассмотрена комплексная модель ядра Земли, включающая аномалию скорости во внешнем ядре и анизотропию скорости продольных волн во внутреннем ядре. Полученная оценка анизотропии внутреннего ядра под Африкой, составившая 1,6%, существенно отличается от полученных раннее оценок (порядка 4%).

Собрана уникальная база данных об отраженных волнах PcP и PKiKP на малых эпицентральных расстояниях. Экспериментальные отношения амплитуд APKiKP/APcP имеют аномально большие значения на эпицентральных расстояниях от 16 до 20 градусов, связанные с особенностями границы между мантией и внешним ядром. В связи с этим предложена модель границы с низким значением скачка плотности, составляющим 2.5-3.0 г/см³, что на 1.5-2.0 г/см³ меньше, чем в стандартной модели Земли АК135.

По данным измерений кинематических и динамических параметров сейсмических волн на Восточно-Европейской платформе (наблюдения на геофизической обсерватории ИДГ «Михнево») и в Северном Казахстане (Семипалатинск) установлены изменения эффективных характеристик участков земной коры, имеющие выраженный годовой ритм и приуроченные к зонам тектонических нарушений. Выявленный эффект связан с вариациями напряженно-деформационного состояния верхних слоев земной коры. Выполненные оценки демонстрируют значительное, до двух раз, изменение эффективной жесткости разломных зон. Полученные результаты в значительной степени изменяют существующие представления о динамике напряженно-деформированного состояния платформенных областей.

В результате проведения координированных наземных и спутниковых наблюдений электромагнитных полей и параметров ионосферы над Байкальской рифтовой зоной получены экспериментальные данные, подтверждающие связь ионосферных параметров с геолого-тектоническими структурами. Над основными разломами и зонами их пересечения обнаружены аномальные крупномасштабные вариации и кратковременные всплески электронной концентрации в ионосфере, интенсивная утечка электромагнитной энергии из волновода Земля-ионосфера и аномалии приземных и ионосферных магнитных и электрических полей, которые обусловлены изменением токовых систем над разломными зонами

Установлено, что смещение северного магнитного полюса сопровождается смещением полярной ионосферы в сторону северных территорий России. Проведенное с учетом существующего тренда моделирование на период 2010-2050 гг. показало, что ожидается кардинальное изменение верхней атмосферы над территорией России, включающее не только ионизационное состояние ионосферы, но и систему конвекции ионосферной нейтральной составляющей.

Разработаны методы определения и селекции механизмов передачи возмущений, вызванных суббурями в высокоширотной ионосфере, в среднеширотную ионосферу за счет проникновения на средние широты магнитосферного электрического поля акустико-гравитационными волнами или термосферными возмущениями. Показано, что использование этих методов, при согласованных измерениях на одной среднеширотной станции вариаций параметров геомагнитного и электрического полей, а также параметров ионосферы, позволяет судить о пространственно- временном распределении геофизических возмущений.

Установлено влияние геофизических факторов (интенсивные метеорные потоки, магнитные суббури) на характеристики глобального резонатора Земля-ионосфера (Шумановский резонатор). Получены оценки критических концентраций нано- и микромасштабных частиц на ионосферных высотах, которые приводят к изменению собственных частот и добротности резонатора. Экспериментально показана связь частоты первого Шумановского резонатора (около 8 Гц) с авроральной активностью; отмечена корреляция понижения частоты первого резонанса на 1-2 Гц с магнитными суббурями.

Проведен трехлетний цикл исследований состояния нижних слоев ионосферы (D-E-cлои) в условиях абсолютного минимума солнечной и магнитной активности на базе мониторинга ДВ и СДВ радиостанций в геофизической обсерватории ИДГ РАН «Михнево». В амплитудах наблюдаемых сигналов отмечался суточный и сезонный ход, а также долговременный тренд. Несмотря на отсутствие внешних возмущений ионосферы в отдельные дни наблюдались интенсивные вариации уровня сигнала продолжительностью 2-3 часа, с перепадом амплитуды от 5 до 20 дБ в зависимости от частоты. Полученный результат существенным образом меняет представления о характере и причинах ионосферных возмущений, так как свидетельствует о наличии сильной связи между средней атмосферой и ионосферой.

Изучение вещества, строения и эволюции Земли и других планет методами геохимии и космохимии

Расчеты нагрева (короткоживущими изотопами 26АI и 60Fe) и дифференциации тел с размерами 100-1000 км и более, возникающих в Солнечной системе в первые десятки миллионов лет, объясняют раннее появление и быстрое образование железных ядер и примитивных мантий в растущих Земле, Марсе, Венере и Меркурии. На ранней стадии роста (первые 2-4 млн лет) при лунно-меркурианских размерах тел происходит нагрев вещества короткоживущими изотопами до температур, соответствующих плавлению силикатов; обеспечивается начало дифференциации – отделение железа от силикатов. На второй стадии (5-15 млн лет, массы тел порядка Меркурия-Марса) на смену вымершим короткодвижущим радиоактивным изотопам приходят основные источники нагрева – удары падающих тел и гравитационная дифференциация.

Расчет показал, что радионуклиды 26А1 и 60Fе обеспечили нагрев и дифференциацию недр ранних планетезималей в первые 3-4 млн лет после образования СА1 (кальций-алюминиевых включений). В зоне планет земной группы раннее плавление тел с размерами от десятков до первых тысяч километров позволяет объяснить образование группы дифференцированных тел в первые 3-4 млн. лет существования Солнечной системы и данные по ранней дифференциации недр планет. В зоне планет-гигантов задолго до образования самих планет в планетезималях с размерами отдесятков до сотен километров, образовавшихся из газо-пылевых сгущений, происходило плавление льдов, дифференциация на оболочки и ядра из опустившейся пыли и ее агрегатов с органикой. Данный результат указывает на необходимость поиска следов анаэробных форм жизни в ледяных телах Солнечной системы или их осколках - кометных ядрах.

Физические и химические процессы в атмосфере и на поверхности Земли, механизмы формирования и изменения климата, проблемы криосферы

Проанализированы геофизические проявления нано- и микромасштабных частиц в запыленных слоях атмосферы и магнитосферы Земли. Электрически заряженные нано- и микромасштабные частицы в ионосфере и магнитосфере воздействуют на локальные свойства околоземной плазмы, влияя на процессы формирования облаков, радиосвязь и эффекты, связанные с глобальным потеплением.

Определены области высот ионосферы, на которых эффекты, связанные с нейтральной компонентой запыленной ионосферы, оказывают заметное влияние на зарядку нано- и микромасштабных пылевых частиц различного происхождения. Рассматриваемые эффекты важны при описании серебристых облаков, полярных мезосферных радиоотражений, а также физических явлений, в которых участвуют частицы метеорного происхождения. Рассмотрена возможность нелинейного распространения в ионосфере акустико-гравитационных волн, зональных потоков и стримеров. Установлено, что одним из механизмов переноса наноразмерных пылевых частиц в ионосфере являются вертикальные потоки (стримеры), генерируемые пылевыми вихрями.

Катастрофические процессы природного и техногенного происхождения, сейсмичность – изучение и прогноз

Установлено, что скорость деформации разломной зоны является фундаментальным параметром, определяющим закономерности генерации сейсмогенных событий и динамику изменения эффективных характеристик разломов. Показано, что при средних скоростях относительного смещения берегов более 25-50 мм/год упрочнения разломных зон не происходит, что приводит к реализации региональной или техногенной деформации в виде асейсмического крипа.

По данным сейсмических наблюдений выявлен и количественно описан эффект изменения жесткости разломной зоны на разных стадиях сейсмического цикла и установлено, что на заключительном этапе подготовки землетрясения сдвиговая жесткость разлома радикально снижается. Полученные результаты являются основой для разработки новых активных и пассивных методов сейсмического мониторинга регионов с различной тектонической обстановкой.

Обобщены и опубликованы в виде монографии результаты сейсмологических наблюдений за последние 50 лет в пределах Восточно-Европейской платформы. Разработана концепция мониторинга и прогнозной оценки динамического состояния среды на территориях слабосейсмичных платформенных областях.

На основе данных инструментальных наблюдений впервые установлено, что сейсмические колебания, создаваемые промышленными взрывами, играют существенную роль в эволюции деформационных процессов на Восточно-Европейской платформе и ее обрамлениях. Суммарная сейсмическая энергия взрывов на два порядка превышает сейсмическую энергию, излучаемую в год при тектонических землетрясениях в регионе. Эффект накопления остаточных деформаций наиболее существенен для тех участков массивов горных пород, где вероятно возникновение неустойчивости бортов карьеров, склонов, горных выработок, на напряженных участках инженерных сооружений. Это необходимо учитывать при составлении новых карт сейсмического районирования.

Экспериментально показано, что техногенное воздействие на недра при разработке месторождений углеводородов способствует упорядоченности сейсмического режима и проявляется в его самоорганизации и формировании устойчивых состояний.

Сформирован электронный банк данных геодинамических явлений за два года по двум шахтам Воркутинского бассейна. Установлена зависимость геодинамической активности горного массива от темпов разработки угольного месторождения. Получены зависимости повторяемости геодинамических явлений от их энергетического класса, по которым оценена вероятность и класс возможных катастрофических горных ударов и оценен объем возможных разрушений горного массива.

Изучено влияние технологических взрывов различной энергии на техногенную шахтную сейсмичность по данным о сейсмической активности в районе Таштагольского железнорудного месторождения. Для сейсмичности Таштагола установлено, что после проведения массовых взрывов средняя энергия сейсмических событий возрастает в 20-40 раз. Величина возрастания сейсмической активности определяется энергией взрывов. Причем коэффициент корреляции энергии взрывов с количеством и энергией последующих сейсмических событий составляет 0,6-0,7. К фоновым значениям различные параметры сейсмической активности возвращаются через 0,5-3 дня после взрывного воздействия

На основании экспериментальных данных предложены и исследованы модели зависимости проницаемости породы от порового давления и вариаций микросейсмической активности при изменении порового давления в пористой среде.

Предложен метод построения модели течения с численным определением параметров пористой среды по данным микротомографии.

Изменение окружающей среды и климата: природные катастрофы

Разработана математическая модель взаимодействия космического тела размером 50-100 метров в поперечнике с атмосферой и литосферой Земли. Впервые на базе численных экспериментов удалось воспроизвести и объяснить все основные явления, отмечавшиеся при Тунгусской катастрофе. Исследованы условия возникновения и параметры «метеорного взрыва», при котором энергия космического тела выделяется в атмосфере, но ударные волны и тепловое излучение достигают поверхности Земли, вызывая разрушения и пожары. Пылевые частицы и капли формируют облако площадью в несколько тысяч км², создавая гигантское отражающее зеркало. События, подобные Тунгусской катастрофе, случаются раз в 100-1000 лет и могут привести к уничтожению крупного мегаполиса и глобальному нарушению радиосвязи.

Происхождение и эволюция биосферы

Усовершенствована модель аккумуляции планет путем формирования и объединения пылевых сгущений, а не твердых планетезималей, как считалось ранее. На этой основе дано объяснение механизма образования системы Земля-Луна.