Магнитное поле Земли

Лекция № 5

Основные вопросы, рассматриваемые на лекции:

1. Краткие исторические сведения.

2. Природа геомагнетизма.

3. Элементы магнитного поля Земли.

4. Структура геомагнитного поля.

5. Магнитосфера и радиационные пояса Земли.

6. Вековые вариации геомагнитного поля.

7. Аномалии геомагнитного поля.

1. Краткие исторические сведения. Земной магнетизм, или геомагнетизм, – это свойство Земли как небесного тела, обусловливающее существование вокруг нее магнитного поля. Наука о земном магнетизме – геомагнитология – одна из старейших и обширнейших научных дисциплин геофизики. Явление земного магнетизма было известно человечеству еще в глубокой древности. За много веков до нашей эры китайцы, арабы, греки и другие -народы знали о существовании таинственного геркулесова камня, способного притягивать к себе куски железа. Позже этот камень стали называть лидийским камнем, а еще позже – сидеритом (в переводе с греч. – железо), камнем Магнуса и др. В конечном итоге все эти названия были заменены одним общепринятым термином «магнит», что в переводе с греческого буквально означает «камень из Магнесии» (область в Фессалии на северо-востоке Греции).

Примерно 2000 лет;назад народы Древнего Китая, Египта и Вавилона знали о существовании магнитного поля Земли; им было известно, что стержень из природного магнитного железняка (прообраз магнитной стрелки) в любой точке земной поверхности стремится занять определенное положение, примерно совпадающее с направлением север – юг. По дошедшим до нас сведениям первым прибором для определения стран света был магнитный компас, изобретенный китайцами в эпоху первой Ханьской династии (206 г. до.н. э.– 25 г. н. э.). Древний компас представлял собой, гладко отполированную медную плиту, на которую клали легко поворачивающуюся стрелку-указатель из магнитного железняка: железняка в форме округлого тела, напоминающего по виду ложку, одной точкой соприкасающуюся с плитой. Китайцы применяли этот компас при сухопутных путешествиях.

Первые упоминания о компасе в Европе относятся к XII–XIII вв. В то время магнитную стрелку компаса укрепляли на пробке, плавающей в сосуде с водой. В начале XIV в. итальянец Ф. Джойя усовершенствовал магнитный компас. Ему пришла мысль насадить магнитную стрелку вертикальную иглу и прикрепить к ней бумажный круг – картушку, разбитую на 16 румбов. Таким был компас, употреблявшийся русскими поморами. В XVI в. ввели деления картушки на 32 румба. В развитии компасного дела в Россию большую роль сыграли работы М. В. Ломоносова.

Самым ранним обстоятельным трактатом о магните и его свойствах являются «письма» французского ученого и фортификатора П. Перегина (1269 г.), в которых он излагает все известные в то время свойства магнита и впервые дает названия полюсов магнита. Направление стрелки, указывающей на север, Перегин назвал северным полюсом, а противоположное – южным.

До плавания X. Колумба в Америку (1492 г.) особого внимания к причине ориентации компасной стрелки на север никто не проявлял, так как ученые того времени полагали, что оно происходит в результате притяжения стрелки Полярной звездой. При пересечении Атлантического океана Колумб заметил, что примерно на полпути между Европой и Америкой стрелка компаса отклонилась от географического меридиана почти на 12° к западу. Измерения, произведенные по прибытии в Новый свет, показали, что стрелка компаса опять указывает точно на север. Этот факт породил сомнения в правильности прежней гипотезы о притяжении магнитной стрелки Полярной звездой и дал начало серьезному изучению вновь открытого явления.

Таким образом, в конце XV в. в Европе было известно об отклонении магнитной стрелки от истинного меридиана и об изменении величины отклонения от места к месту. Эти факты послужили началом повсеместного измерения магнитного склонения, т. е. угла между географическим меридианом и осью магнитной стрелки –.магнитным меридианом

В 1510 г. часовой мастер из Нюрнберга Г. Гартман открыл новое явление – он обнаружил, что магнитная стрелка не. Только отклоняется от географического меридиана, но, будучи подвешена за центр тяжести (или закреплена на горизонтальной оси), стремится наклониться под некоторым углом к горизонтальной плоскости, названным магнитным наклонением.

С этих открытий, собственно говоря, и получила свое начало наука о земном магнетизме. Наряду с изучением явления отклонения началось изучение нового явления – наклонения магнитной стрелки. В результате наблюдений было установлено, что как склонение, так и наклонение имеют различные значения в разных точках земной поверх ности. При этом их изменения от точки к точке подчиняются некоторой закономерности, хотя и очень сложной.

В 1600 г. В. Гильберт, придворный врач английской королевы Елизаветы I и «отец науки о магнитах», опубликовал книгу «О магните, магнитных телах и большом магните– Земле». В этой работе впервые дается теоретическое представление о причинах земного магнетизма, которое и в настоящее время не утратило своего значения. В качестве модели Земли Гильберт принял намагниченный железный шар (он его назвал терреллой), который намагнитил с.помощью самого большого магнитного камня в Англии, и исследовал показания стрелки компаса возле.него. Так, он установил связь магнитного поля Земли с земным шаром, указав, что причину земного магнетизма следует искать не вне, а внутри Земли. Этими исследованиями Гильберт впервые показал, что Земля является гигантским однородно намагниченным шаром с двумя магнитными полюсами. Таким образом, по Гильберту Земля представляет собой гигантскую стрелку в форме шара. Однако ответа на основной вопрос, почему Земля намагничена, он.не дал.

В 1835 г. профессор Казанского университета И. М. Симонов опубликовал работу «Опыт математической теории земного магнетизма» в которой показал, что магнитное поле Земли, вызванное суммарным действием магнитных частиц, находящихся внутри нее, будет тождественно с полем диполя[1], если допустить, что частицы распределены равномерно. В 1829 г. была открыта обсерватория в Петербурге, где велись ежечасные наблюдения магнитного склонения и в 1836 г. открыта обсерватория в Екатеринбурге, которая работает до настоящего времени. В 1871 –1878 гг. И. М. Симонов осуществил планомерную магнитную съемку почти всей европейской территории России.

В 1839 г. появились две классические работы немецкого математика К. Гаусса: «Напряженность земной магнитной силы, приведенная к абсолютной мере» и «Общая теория земного магнетизма». В них он дал математическое выражение для составляющих напряженности – широты и долготы места наблюдения. По существу в этих работах были заложены основы современного представления о магнитном поле Земли.

Гаусс первым произвел сферический анализ геомагнитного поля, т. е. пространства, в котором проявляются магнитные силы, получил ряд фундаментальных результатов Он разделил геомагнитное поле на внутреннее и внешнее, т. е. на поля, источники которых расположены внутри и вне Земли.

Как мы теперь знаем, источники внутреннего магнитного поля находятся в земном ядре (за исключением небольшого фона от намагниченности горных пород), а внешнего поля – в ионосфере. Заслуга Гаусса заключается в том, что его метод позволил выделить дипольную часть поля и установить, какую долю она составляет по отношению ко всему геомагнитному полю. Работы Гаусса стали фундаментом, на котором построено здание современной науки о земном магнетизме. Земному магнетизму уделяли внимание крупнейшие ученые России: М. В. Ломоносов, Л. Эйлер, И. М. Симонов, П. Н. Лебедев, Н. А. Умнов и др.

Первые систематические измерения отдельных элементов геомагнитного поля были начаты в Лондоне и Париже в XVI в. В настоящее время на земном шаре насчитывается около 200 постоянно действующих обсерваторий, в том числе 20 –.в нашей стране. Наиболее длинные ряды наблюдений имеют старейшие из них: с 1829 г. – Воейково (Санкт-Петербург), с 1836 г. – Высокая Дубрава (Екатеринбург), Душети (Тбилиси) и Займище (Казань). В начале текущего столетия Академией наук был поднят вопрос о проведении магнитной съемки всей территории России. Инициатором этого начинания был директор Главной геофизической обсерватории академик М. А. Рыкачев. К 1940 г. Генеральная магнитная съемка была завершена, что позволило построить магнитные карты с точностью, о которой ранее нельзя было и предполагать.

В зависимости от того, где проводятся магнитные съемки, они подразделяются на наземные, морские (гидромагнитные), воздушные, (аэромагнитные) и спутниковые. Каждая из них отличается своей методикой и требует специфической аппаратуры. Большой успех в изучении пространственной структуры геомагнитного поля достигнут благодаря съемкам с искусственных спутников и данным космических ракет.

Наблюдения с космических летательных аппаратов показали, что магнитные поля широко распространены во Вселенной: они существуют у звезд, Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера, Сатурна. В последнее время получены данные о наличии собственного магнитного поля у планет Уран и Нептун. Сложную систему магнитных полей имеет Солнце.

2. Природа геомагнетизма. Природу геомагнетизма до начала XIX в. объясняли просто: «Земля сама по себе большой магнит». Из этих объяснений получалось, что внутри Земли–.в земной коре, мантии и ядре «спрятан» очень сильный магнит. Он-то и управляет поведением магнитной стрелки компаса, заставляя ее устанавливаться вдоль магнитных силовых линий, опоясывающих земной шар и создающих магнитное поле Земли. Из этих утверждений, впоследствии положенных в основу так называемой ферромагнитной гипотезы природы земного магнетизма, следует, что магнитное поле Земли ни коим образом не связано с электрическими токами, а только зависит от магнитных свойств вещества нашей планеты. Несостоятельность ферромагнитной гипотезы стала очевидной после двух фундаментальных открытий в физике, последующих друг за другом в начале XIX в. Первое было сделано датским физиком X. Эрстедом (1820 г.). Сущность его сводится к открытию магнитного поля возникающего вокруг проводника, по которому движется электрический ток. Второе связано с именем французского физика А. Ампера, сформулировавшего в 1827 г. известное «правило» для определения направления отклонения магнитной стрелки током. Ампер первым понял, что, если внутри Земли будет течь электрический ток с востока на запад, то вокруг Земли появится магнитное поле и земной шар будет похож на Гильбертовскую терреллу.

Необоснованность ферромагнитной гипотезы вытекает и из расчетов геомагнитологов: для объяснения геомагнитного поля магнетизмом земного вещества необходимо сосредоточение магнитных масс в очень тонком поверхностном слое (около 30 км) земной коры, причем слой этот должен состоять из чистого магнетита (магнитного железняка, содержащего более 70% чистого железа). Но, как известно, такой магнетитовый слой на земном шаре отсутствует. Известны и другие расчеты. Так, для создания существующего в настоящее время геомагнитного поля необходимо в центре Земли поместить гигантский цилиндрический.магнит диаметром около 200 км и длиной 4000 км.

Учеными предлагались и другие гипотезы, которые связывали образование магнитного поля Земли либо с охлаждением земного ядра, либо с неоднородностью внутренних зон земного шара. В самом начале XX в. появилась гипотеза, объясняющая.земной магнетизм суточным вращением Земли. Известно, что Земля заряжена отрицательным электричеством. Ее вращение создает ток, а электрический ток всегда окружен магнитным полем. Но теоретически вычисленная напряженность такого поля оказалась в десятки миллионов раз слабее истинного магнитного поля Земли.

В 1939 г. американский физик В. Эльзассер выдвинул новую теорию происхождения земного магнетизма: Земля намагничивается термоэлектрическими токами, текущими в жидком земном ядре. Известно, что термоэлектрический ток возникает, когда один спай двух металлов нагрет больше, чем другой. По мнению Эльзассера, в земном ядре имеются подходящие условия для возникновения термотока. В ядре перемешаны различные металлы, так что.всегда наблюдается контакт двух металлов, хотя и в жидком состоянии. Кроме того, температура на различных глубинах в ядре разная, что необходимо для поддержания термотока в земном ядре: соприкосновение разнородных металлов и перепад температуры.

Подогреваемое твердым внутренним ядром и охлаждаемое расположенной выше мантией жидкое вещество внешнего ядра вовлекается в кругооборот, в конвекцию, распадающуюся на многие отдельные циркулирующие потоки. Струи расплавленного металла текут из центра ядра по радиусам к поверхности. При вращении Земли под действием силы Кориолиса траектория струи искривляется, превращая. ее в кольцо, охватывающее земную ось. На этом основании Эльзассер пытался доказать, что вдоль вихря расплавленного металла должен течь с востока на запад термоэлектрический ток, подмагничивающий Землю. На самом деле сложное движение вещества ядра Земли и цирхулирующих в нем термотоков пока не поддается точному расчету. Да и не все предложения Эльзассера достаточно обоснованы.

Тем не менее теория намагничивания Земли термоэлектрическими токами подготовила появление новой современной и более совершенной гипотезы происхождения земного магнетизма. Такой гипотезой стала теория вихревых токов в ядре Земли, или теория гидромагнитного динамо. Ее еще часто называют ГД-теорией. В настоящее время этой теории придерживается большинство геофизиков. Теория гидромагнитного динамо основана на установленном геофизиками факте, что на глубине 2900 км находится «жидкое» внешнее ядро Земли с хорошей электропроводностью (106– 105 См/м).

Впервые идея гидромагнитного динамо была предложена в 1919 г. Лармором в Англии для объяснения магнетизма Солнца. В земном магнетизме эта идея не находила применения до 1947 г., когда советский физик Я. И. Френкель высказал идею о том, что тепловая конвекция в земном ядре является именно той причиной, которая приводит в действие гидромагнитное динамо земного ядра. Заслуга Я. И. Френкеля заключается в том, что он нашел сходство между процессами, происходящими в земном ядре, и работой динамо-машины с самовозбуждением.

Когда такая динамо-машина начинает работать, ее магнит (статор) намагничен слабо. По мере того, как якорь динамо-машины, на котором намотаны витки проволоки, быстро вращается в слабом магнитном поле статора, в нем возникает индукционный ток. Он мал и не пригоден для использования. Его заставляют течь по обмотке динамо-машины так, чтобы он намагничивал, т. е. усиливал магнитное поле статора. Витки якоря продолжают вращаться, но теперь уже в более сильном магнитном поле, и в них находится более сильный индукционный ток. С каждым новым оборотом динамо-машины происходит самоусиление магнитного поля.

Основные положения гипотезы гидромагнитного динамо сводятся к следующему.

1. Благодаря так называемому гиромагнитному[2] эффекту и вращению Земли во время ее образования могло возникнуть очень слабое магнитное поле. Гиромагнитный эффект – это намагничивание ферромагнитных тел вследствие их вращения и вращения их при определенных условиях намагничивания. В гиромагнитном эффекте обнаруживается связь между механическим и магнитным моментами атома.

2. Наличие свободных электронов в ядре и вращение Земли в таком слабом магнитном поле привели к индуцированию в ядре вихревых электрических токов.

3. Индуцированные вихревые токи в свою очередь создают (генерируют) магнитное поле, как это происходит в динамо-машинах. Увеличение магнитного поля Земли должно привести к новому увеличению вихревых токов в ядре, а последнее – к увеличению магнитного поля.

4. Процесс, подобный регенерации, длится до тех пор, пока рассеивание энергии вследствие вязкости ядра и его электрического сопротивления не скомпенсируется добавочной энергией вихревых токов и другими причинами.

Таким образом, по Френкелю, земное ядро является своеобразным природным турбогенератором. Роль турбины в нем играют тепловые потоки: они поднимают из недр ядра вверх по радиусу большие массы расплавленного металла, обладающего свойством жидкости. Более холодные, а значит и более тяжелые частицы верхних слоев опускаются вниз. Сила Кориолиса «закручивает» их вокруг земной оси, образуя, таким образом, гигантские витки внутри «земной динамо-машины». В этих замкнутых потоках горячего металла, как и в витках проволоки на якоре обычной динамо-машины, должен был когда-то давно возникнуть индукционный ток. Он постепенно подмагничивал земное ядро. Первоначальное очень слабое магнитное поле усиливалось до тех пор, пока с течением времени не дошло до своего предельного значения. Этот предел был достигнут в далеком прошлом. И хотя земной турбогенератор продолжает работу, кинетическая энергия потоков жидкого металла тратится теперь не на подмагничивание земного ядра, а целиком превращается в теплоту.

Происхождение слабого начального магнитного поля, без которого земной турбогенератор не смог бы начать работать, обосновать нетрудно. Для этого вспомним гипотезу возникновения земного магнетизма под действием суточного вращения Земли. Она была признана неудачной только потому, что давала Земному шару ничтожно малое намагничивание. Но в природном «турбогенераторе» начальное поле может быть как угодно малым, ведь со временем оно увеличивается до необходимых размеров.

Пока не все сложные вопросы теории Френкеля решены. Не удается, например, подсчитать величину индукционного тока в земном ядре. Мало известны еще законы движения хорошо проводящего электрический ток металла в магнитном поле земного ядра. Нет однозначного ответа на вопрос об основном.источнике энергии, питающем гидромагнитное динамо. По оценкам ряда ученых мощность «двигателя», который поддерживает работу гидродинамического динамо, равна около 3·1013Вт. В связи с этим обращает на себя внимание то, что примерно такой же тепловой поток идет из земных недр в атмосферу.

За счет чего формируется такой большой тепловой поток? Некоторые ученые предполагают, что это в первую очередь тепло распада радиоактивных веществ Земли. Однако эти источники в земном ядре сравнительно небольшие. Затем были выдвинуты другие гипотезы об источниках энергии, поддерживающих работу гидромагнитного динамо в ядре Земли. Это так называемые гипотезы гравитационной конвекции. Среди них отметим две наиболее интересные, на наш взгляд, гипотезы. Одна, в соответствии с идеей американского геохимика Юри, утверждает, что формирование земного ядра еще продолжается за счет гравитационной дифференциации железа. Поэтому выделение железа из мантии в ядро является источником энергии поддерживания гидромагнитного динамо. Вторая гипотеза, высказанная советским геофизиком С. И. Брагинским (1967 г.), сводится к тому, что жидкое ядро образуется из сплава железа и кремния. Растворимость кремния в железе по мере роста давления падает и, следовательно, увеличивается количество выпадающих из сплава твердых кристаллов кремния, которые устремляются вверх. Одновременно с этим процессом во внутреннее ядро перемещаются слои большей плотности, чем кремний. Таким путем создается конвекционное движение вещества ядра, энергия которого преобразуется в энергию гидромагнитного динамо.

Механизм, порождающий магнитное поле Земли, устойчив, надежен, безотказно «работает» в течение всей жизни Земли и в обозримом будущем нет причин для его остановки. По мнению профессора Мюнхенского университета Г. Зоффеля, электропроводность жидкого материала в недрах так велика, что, если по какой-либо причине гидромагнитное динамо вдруг «выключится», магнитные силы на поверхности планеты просигналят нам об этом только через многие тысячелетия.

В пользу теории гидромагнитного динамо говорит и такой факт. Магнитное поле Земли существует около З млрд лет, что примерно на 1,5 млрд лет меньше ее возраста. Значит, оно не было реликтовым и при отсутствии восстанавливающего механизма не смогло бы существовать в течение всей геологической истории Земли.

Идея внутриземного «турбогенератора» привлекла многих последователей. Настойчиво эта теория развивалась В. Эльзассером в 50-х гг., Э. Буллардом в 60-х гг. и Е. Паркером в 60-х гг. (Англия). Она особенно заманчива потому, что пригодна для объяснения магнитного поля не только Земли, но и магнитных полей любых космических тел: Солнца, звезд, планет, туманностей. Быть может, внутри всех этих небесных тел также работают «космические турбогенераторы» с самовозбуждением. Ученым пока не удалось полностью разгадать истинную причину магнетизма Земли и других небесных тел, однако геофизики близко подошли к решению этой трудной задачи.

3. Элементы магнитного поля Земли. В каждой точке поверхности Земли магнитное поле характеризуется полным вектором напряженности Нт, величина и направление которого определяется тремя элементами земного магнетизма; горизонтальной составляющей напряженности Н, магнитным склонением D и наклонением I. Магнитное склонение – это угол в горизонтальной плоскости между географическим и магнитным меридианами; магнитное наклонение – угол в вертикальной плоскости между горизонтальной плоскостью и направлением полного вектора Нт.

Если ось ОХ (рис. 5.1) прямоугольной системы координат направить на географический север, ось ОУ – на восток, а ось ОZ – вертикально вниз, то проекция полного вектора Нт на ось ОZ будет вертикальной составляющей Z, на горизонтальную плоскость – горизонтальной составляющей Н. Проекция Н на ось ОХ считается северной составляющей, а на ось ОУ – восточной.

Принято считать восточное склонение положительным, а западное – отрицательным. В районе Москвы, например угол склонения равен 7° к востоку, а в Якутске–около 17° к западу. Это означает, что северный конец магнитной стрелки в Москве отклоняется на 7° вправо от географического меридиана, а в Якутске – на 17°.влево от соответствующего меридиана. Наклонение считается положительным, когда полный вектор Нт направлен вниз от земной поверхности (Северное полушарие), отрицательным – при направлении Нт вверх (Южное полушарие). Наибольшее наклонение (90°) наблюдается в районе магнитных полюсов, где острие магнитной стрелки направлено вертикально вниз.

Величины Н, X, У, Z, D и I носят название элементов земного магнетизма, при этом элементы Н, X, У и Z называют силовыми компонентами земного магнитного поля, а D и I – угловыми.

Полный вектор напряженности магнитного поля Земли Hт, его силовые составляющие Н, X, У и Z имеют размерность А/м, склонение D и наклонение I – угловые градусы, минуты и секунды. Напряженность магнитного поля Земли сравнительно невелика: полный вектор Нт.изменяется от 52,5 А/м на полюсе до 26,3 А/м на экваторе. Наименьшая напряженность геомагнитного поля (около 20 А/м) отмечается на южной оконечности Южной Америки. В среднем напряженность магнитного поля Земли примерно равна 40 А/м. Заметим для сравнения, что в лабораториях ученые без труда создают магнитные поля напряженностью более 100 тыс. А/м.

Измерения элементов геомагнитного поля проводят в стационарных и походных магнитных обсерваториях и в ходе специальных наземных, морских и аэрокосмических магнитных съемок. В настоящее время абсолютные магнитные наблюдения на Земле осуществлены более чем в 300 тыс. пунктах, т. е. на земной поверхности нет сколько-нибудь крупных областей, для которых бы отсутствовали данные об элементах геомагнитного поля.

Рис. 5.1 – Элементы земного магнетизма

Абсолютные значения величин элементов земного магнетизма малы, и поэтому для их измерения применяются высокоточные приборы – магнитометры и магнитные вариометры; имеются вариометры для измерения величин Н и величин Z. В последние 40–50. лет широкое развитие получили походные магнитные станции, оснащенные сложными оптико-механическими и квантовыми магнитометрами. Распределение значений элементов магнитного поля на земной поверхности изображается на магнитных картах в виде изолиний, т. е. линий, соединяющих точки с равными значениями того или иного элемента магнетизма. Линии, соединяющие на карте точки с одинаковым склонением D, называются изогонами, с одинаковым наклонением I – изоклинами, с одинаковыми Н или Z – изодинами горизонтальных или вертикальных составляющих полного вектора напряженности Нт и с одинаковыми X или У – изодинами северных или восточных составляющих. В соответствии с этим магнитные карты носят названия: «Карта изогон», «Карта изоклин» и т. д.

Значения элементов земного магнетизма непрерывно изменяются во времени и поэтому магнитные карты обновляются каждые пять лет. Их составление приурочивают к середине года (1 июля), кратного пяти годам (1980, 1985, 1990 и т. д.), и этот момент называют «эпохой такого-то года». Магнитные карты могут быть составлены для отдельных регионов, государств и для всей Земли в целом. В последнем случае они носят название мировых карт. Первую мировую магнитную карту, а ею была карта изогон, построил в 1701 г. известный английский геофизик и астроном Э. Г аллей.

В целом карта изогон напоминает ход географических меридианов: изолинии равных значений D выходят из одной точки земного шара и сходятся в другой, расположенной почти на противоположной стороне Земли. На большей части земного шара склонение не превышает нескольких десятков градусов.

Если построить карту изогон в районах географических полюсов, то они будут сходиться не в одной, а в двух точках: одна из них – географический полюс, другая – магнитный. Причиной этому служит неопределенность склонения и в географическом, и в магнитном полюсах, где оно может принимать значения от 0 до 360°. Действительно, так как склонение представляет собой угол между географическом и магнитным меридианом, а географический меридиан на географическом полюсе отсутствует, то и склонение становится неопределенным. То же происходит и на магнитном полюсе, где имеется географический меридиан, но отсутствует магнитный, поэтому понятие склонения теряет смысл.

В отличие от карты изогон, карта изоклин представляет собой ряд параллельных кривых, вытянутых в широтном направлении. При этом нулевая изоклина, или магнитный экватор, где I=0°, огибая земной шар, проходит вблизи географического экватора. По обе стороны от магнитного экватора наклонение при переходе к магнитным полюсам возрастает от 0 до 90°.

Карта изодин горизонтальной составляющей Н также упоминает ход географических широт; по мере перехода от северного магнитного полюса к южному значения Н возрастают от нуля до.максимума, затем снова убывают до нуля. Наибольший максимум Н, равный 31,8 А/м, приходится не на магнитный экватор, а на область Зондских островов.

Чем мельче масштаб карт, тем меньше точность в построении изолиний и, следовательно, тем меньше соответствие между действительным распределением магнитного поля и изображением его на карте. При малых масштабах все местные особенности в.распределении поля сглаживаются, и поэтому магнитные карты такого масштаба (а к ним обычно относятся мировые карты) следует рассматривать как картину некоторого среднего распределения земного магнетизма. На картах крупного масштаба, где обычно отражаются региональные и локальные аномалии, изолинии элементов земного магнетизма имеют сложный вид.

4. Структура геомагнитного поля. Магнитное поле Земли по своей структуре неоднородно. Оно слагается из двух частей: постоянного и переменного полей. Постоянное поле вызвано внутренними источниками магнетизма; источниками переменного поля являются электрические токи в верхних слоях атмосферы – ионосфере и магнитосфере. В свою очередь постоянное магнитное поле по своей природе неоднородно и состоит из нескольких частей. Поэтому в целом магнитное поле Земли состоит из следующих полей:

Нт =Но+Hм+Hа+Hв+δH, (5.1)

где Нт – напряженность магнитного поля Земли; Но – напряженность дипольного поля, создаваемая однородной намагниченностью земного шара; Нм – напряженность недипольного, или материкового, поля, создаваемая внутренними причинами, обусловленными неоднородностью глубоких слоев Земли; На – напряженность аномального поля, создаваемая различной намагниченностью верхних частей земной коры; Нв – напряженность поля, источник которого связан с внешними причинами; δH – напряженность поля магнитных вариаций, вызванных внешними причинами.

Сумма полей Но+Hм=НГ образует главное магнитное поле Земли. Аномальное поле складывается из двух частей: поля регионального характера Нр и поля местного (локального) характера Нл. На региональную аномалию может накладываться локальная, и тогда Hа = Нр+Нл.

Сумму полей Но+Hм+Hв обычно называют нормальным полем. Однако поле Hв вносит очень небольшой вклад в общее геомагнитное поле Нт. Систематическое изучение геомагнитного поля, по данным магнитных обсерваторий и магнитных съемок, показывает, что внешнее поле по отношению к внутреннему составляет менее 1% и поэтому им можно пренебречь. В этом случае нормальное поле совпадает с главным магнитным полем Земли.

Магнитные съемки показывают, что магнитное поле Земли в первом приближении представляет собой поле однородно намагниченного шара, или диполя, т. е. магнита, полюсы которого находятся на некотором расстоянии друг от друга (рис. 5.2). Центр земного магнитного диполя смещен относительно центра Земли на 0,07 среднего ее радиуса в сторону Тихого океана, а ось диполя, или магнитная ось Земли, наклонена к оси вращения нашей планеты на 11,5°. Поэтому географические полюсы не.совпадают с магнитными.

Как у любого магнита, магнитные силовые линии Земли выходят из северного магнитного полюса, расположенного в Южном полушарии, и, огибая Землю и распространяясь на десятки тысяч километров и более в околоземном пространстве, направляются к южному магнитному полюсу, находящемуся в Северном полушарии.

Геомагнитные полюсы располагаются в том месте, где земная магнитная ось пересекает поверхность Земли. Хотя северный магнитный полюс находится в Южном полушарии, а Южный – в Северном, в обиходе их называют по аналогии с географическими полюсами.

Рисунок 5.2 – Магнитное поле сферического магнита

Со временем магнитные полюсы меняют свое положение (рис. 21). Так, северный магнитный полюс за сутки перемещается по поверхности Земли на 20,5 м (7,5 км в год), а южный – на 30 м (11 км в год). В настоящее время северный магнитный полюс располагается на севере Канады и имеет следующие координаты:. φ = 72°12' с. ш. и λ=68°48' з. д. К 2185 г. он совместится с северным географическим полюсом. В 2400 г. северный полюс будет располагаться уже на о. Таймыр. Южный магнитный полюс сейчас находится у берегов Антарктиды (φ = 78°12' ю. ш. и λ=111°12' в. д.) и движется в сторону Австралии.

5. Магнитосфера и радиационные пояса Земли. Магнитное поле Земли существует не только вблизи земной поверхности, но и на больших расстояниях от нее, что обнаружено с помощью космических ракет и межпланетных космических станций. На расстоянии 10–14 земных радиусов геомагнитное поле встречается с межплатным магнитным полем и с полем так называемого солнечного ветра[3]. Солнечный ветер представляет собой истечение плазмы солнечной короны (коронального газа, состоящего главным образом из водорода и гелия) в межпланетное пространство. Скорость частиц солнечного ветра (протонов и электронов) огромна – около 400км/с, число частиц (корпускул) – несколько десятков в 1см³, температура – до 1,5–2 млн градусов. На границе магнитного поля и магнитного поля Земли напряженность составляет около (0,4–0,5)·10-2 А/м.

Область действия магнитного поля Земли называется магнитосферой, а ее внешняя граница – магнитопаузой (рис. 5.3). На геомагнитное поле существенно влияет солнечный ветер. Благодаря этому влиянию магнитосфера имеет сложную каплевидную форму: на стороне, обращенной к солнцу, она сжата, на противоположной стороне – сильно вытянута, образуя так называемый магнитный хвост. Простирается магнитосфера, на огромные расстояния: наименьшее – в сторону Солнца – достигает 10–14 земных радиусов, наибольшее – с ночной стороны – около 16 радиусов Земли. Магнитный хвост имеет еще большие размеры (по данным искусственных спутников Земли – в сотни земных радиусов).

В дальних областях хвоста плазма мантии за счет диффузии опускается в плоскость земного экватора и заполняет внутреннее пространство хвоста. Это так называемый плазменный слой, внутри которого находится нейтральный слой. Сверху над этим слоем располагается положительно заряженный, а снизу–отрицательно заряженный слой.

Магнитосфера задерживает потоки солнечного ветра, не пропуская их к поверхности Земли. Солнечный ветер как бы огибает земной шар и смещается на ночную сторону, вытягивая в этом же направлении магнитные силовые линии. Деформация силовых линий связана с тем, что потоки солнечной плазмы несут с собой как бы «вмороженное» магнитное поле, которое и взаимодействует с магнитосферой Земли.

Взаимодействие магнитного поля Солнца с магнитным полем Земли приводит к образованию ударного фронта, имеющего вид параболоида. На границе ударного фронта давление солнечного ветра уравновешивается давлением магнитного поля Земли. Солнечная плазма, попадая в магнитную полость, уплотняется, замедляет свое движение, наталкиваясь на более мощное поле Земли, и обтекает его, При усилении солнечного ветра магнитосфера уплотняется, приближаясь к поверхности Земли, а при ослаблении – расширяется, удаляясь от нее.

Рисунок 5.3 – Строение магнитосферы Земли: 1 – солнечный ветер; 2 – ударный фронт; 3 – магнитная полость; 4 – магнитопауза; 5 – верхняя граница полярной магнитосферной щели; 6 – плазменная мантия; 7 – внешний радиационный пояс или плазмосфера; 9 – нейтральный слой; 10 – плазменный слой

В районе магнитных полюсов магнитосфера отсутствует, и частицы солнечного ветра могут достигать земной атмосферы через так называемые полярные щели, или каспы, и вызывать полярные сияния. Однако основная доля частиц солнечного ветра дрейфует в хвост магнитосферы, образуя плазменную мантию.

При встрече с магнитосферой Земли солнечные протоны в среднем имеют энергию около 1 кэВ, а электроны – значительно меньше – порядка нескольких злектроновольт. Часть протонов и электронов, обладающих большей кинетической энергией, способна проникнуть внутрь магнитосферы и удерживается в ней в отдельных областях, получивших название радиационных поясов. При этом электроны, обладающие меньшей энергией, задерживаются на внешнем электронном поясе, а протоны, имеющие большую энергию, проникают ближе к Земле и задерживаются во внутреннем протонном поясе, или в плазмосфере.

Происходит это следующим образом. Приносимый солнечным ветром поток электронов и протонов, достигая магнитосферы, начинает взаимодействовать с магнитным полем Земли. Электроны захватываются геомагнитным полем и далее с большими скоростями движутся по спиральным траекториям вокруг силовых магнитных линий поля. Линии, постепенно «сгущаясь», подходят к земной поверхности в приполярных областях (см. рис. 5.3). Туда-то и устремляются закручивающиеся вокруг силовых линий электроны. Но достигнуть поверхности Земли они все же не могут, так как по мере перемещения вдоль магнитных силовых линий поля и приближения к земной поверхности электроны попадают в область все более сильного поля.

Напряженность геомагнитного поля на разном удалении от Земли различна. Поэтому оно стремится вытолкнуть заряженную частицу в направлении, в котором поле ослабевает. Значит, на опускающийся в земной атмосфере электрон будет действовать со стороны геомагнитного поля сила, стремящаяся отбросить его назад–в верхние слои атмосферы. В результате, опустившись до высоты 100км, электроны отражаются геомагнитным полем. Вдоль тех же самых магнитных силовых линий они возвращаются в.верхние слои атмосферы с тем, чтобы, следуя этим линиям, начать опускаться к земной поверхности теперь уже в другом полушарии до нового отражения. В итоге получается, что электроны (а также протоны во внутреннем радиационном поясе) оказываются запертыми в магнитных ловушках соответствующих радиационных поясов. Лишь космические лучи с очень большой энергией (более 1 ГэВ) способны преодолеть магнитную оболочку и долететь до поверхности Земли независимо от географической широты.

Когда протоны попадают в магнитное поле Земли, они, подобно электронам, начинают двигаться по спиральным траекториям вокруг магнитных силовых линий внутреннего радиационного пояса. Однако гирорадиус протона при тех же значениях энергии, что и у электрона, будет существенно больше электронного в 40...50 раз. Поэтому протонные траектории оказываются менее «привязанными» к силовым линиям магнитного поля, чем электронные.

На широте 65° внешний электронный пояс находится от поверхности Земли на расстоянии 4–6 земных радиусов (25–ЗЗ тыс. км). Он заполнен электронами с энергией от десятков кэВ до нескольких МэВ. Интенсивность потока электронов здесь оценивается величиной 108 частиц на см²/с. С уменьшением широты пояс удаляется от Земли на 50 тыс. км с дневной стороны и на 35 тыс. км – с ночной.

Максимум внутреннего протонного пояса располагается па расстоянии 3,5 радиуса Земли (22 тыс. км). На внешней границе этого пояса энергия протонов имеет величину порядка 100 кэВ. При движении к поверхности Земли энергии протонов возрастает до десятка МэВ. В области максимума протонного пояса преобладают частицы с энергией от 150 кэВ до 4,5 МэВ. Суммарная интенсивность потока протонов достигает 7·108 частиц на см²/с.

Внутри плазмосферы, вблизи поверхности Земли, существует второй электронный радиационный пояс. Вблизи полюсов этот пояс располагается на расстоянии 100 км, однако основная его часть находится на расстоянии 4,4 – 10 тыс. км от поверхности планеты. Электроны в нем имеют энергию десятка – сотни кэВ. Интенсивность потоков электронов оценивается в 109 частиц на см²/с, т. е. на порядок выше, чем во внешнем электронном поясе.

Мощность радиации в радиационных поясах достаточно высокая – несколько сотен и даже тысяч биологических эквивалентов рентгена в сутки. Поэтому космические корабли с космонавтами на борту запускают на орбиты, располагающиеся ниже этих поясов, чтобы обезопасить их от воздействия радиации. Так, на орбитах радиусом 300 – 400 км космонавты получают в год дозы радиационного облучения, равные 5 биологическим эквивалентам рентгена, считающимся безопасным для лиц, работающих с ядерными излучениями.

В жизни Земли магнитосфера играет огромную роль. Если бы она отсутствовала, то потоки солнечного и космического ветра, не встречая сопротивления, устремлялись бы к поверхности Земли и оказывали губительное воздействие на все живые существа, включая человека. Магнитосфера препятствует этому и, таким образом, выполняет роль своеобразной броневой защиты биосферы от заряженных частиц.

6. Вековые вариации геомагнитного поля. Непрерывные наблюдения в обсерваториях за элементами земного магнетизма, а также повторные наблюдения в одних и тех же точках земной поверхности показывают, что главное магнитное поле Земли медленно, но непрерывно меняется. Процесс изменения среднегодовых значений того или иного элемента земного магнетизма за период в несколько десятилетий и столетий носит название вековых вариаций, а их изменение от года к году называется вековым ходом.

Вековой ход элементов земного магнетизма в разных точках земной поверхности не одинаков. Для силовых элементов напряженность от точки к точке может меняться от нескольких тысячных до нескольких десятых долей А/м. Об амплитуде угловых элементов можно судить по следующим данным: за 1580–1820 гг. магнитное склонение изменилось в Лондоне на 35°, в Париже – на 32° и в Риме – на 28°.

Непосредственные наблюдения за элементами магнетизма в магнитных обсерваториях позволяют выяснить, насколько изменился магнитный момент Земли[4] за последние 150 лет. Если принять величину магнитного момента Земли в 1937 г. за единицу, то в 1836 г. он был равен 1,053, а в 1883 г. –1,035. Эти данные показывают, что за столетие произошло уменьшение магнитного момента на 5%, наклон же магнитной оси Земли остался без изменения.

В 1951 г. при сопоставлении мировых магнитных карт эпох было обнаружено еще одно явление векового хода. Оказалось, что изолинии недипольной части главного магнитного поля из года в год перемещаются в западном направлении со скоростью около 0,2° в год; за 1800 лет поле вновь возвращается к исходному положению, сделав оборот на 360°. Это явление, названное западным дрейфом магнитологи объясняют отставанием скорости вращения расплавленного вещества ядра от скорости вращения наружных оболочек Земли.

Из-за сравнительной кратковременности наблюдений за ходом элементов земного магнетизма, казалось бы, нет возможности проследить вековые вариации магнитного поля за более длительные периоды – сотни и тысячи лет. Однако в последние 30–40 лет были разработаны экспериментальные методы определения величины и направления напряженности.магнитного поля в древние геологические и исторические эпохи – методы, получившие название палеомагнитных.

Палеомагнитологам – специалистам, занимающимся исследованием магнитных полей в глубокой древности, – удалось обнаружить изменения, которые претерпевало магнитное поле Земли на протяжении последних 2 млрд лет. Судить о прошлом геомагнитного поля – его направлении и напряженности – позволяет так называемый эффект «вмораживания магнитного поля в материал». Физическая сущность этого эффекта заключается в следующем. Любая горная порода, любое вещество, содержащее железо или другой ферромагнитный элемент, постоянно находятся под воздействием магнитного поля Земли. Элементарные магнитики в этом материале стремятся ориентироваться вдоль магнитных силовых линий.

Если материал нагревать, то наступит момент, когда тепловое движение частиц станет столь энергичным, что разрушит магнитную упорядоченность. Затем, когда материал будет остывать, то, начиная с точки Кюри (точкой Кюри называется температура, ниже которой породы становятся ферромагнитными; для чистого железа точка Кюри 769°С, для магнетита – 580°С), магнитное поле одерживает верх над силами хаотического движения. Элементарные магнитики снова выстроятся так, как велит им магнитное поле, и останутся в этом положении до тех пор, пока тело не будет снова нагрето. Таким образом, геомагнитное поле оказывается как бы «вмороженным» в материал.

Благодаря «замораживанию» магнитного поля.в горных породах ученым удалось проникнуть в те далекие времена, когда остывала и становилась твердой земная кора. Минералы, сохранившиеся с той поры, рассказывают о том, каким было магнитное поле 2 млрд лет назад. Магнитные поля прошлого оказались «вмороженными» и в вулканические лавы, и в окаменевшие осадки, когда те, остывая, проходили точку Кюри.

Если исследуется геомагнитное поле в пределах последних 10 тыс. лет, то для анализа ученые-археомагнитологи предпочитают брать материалы искусственного происхождения – обожженную глину, кирпичи, разные культовые фигурки и т. д. Преимущество этих поделок заключается в том; что археологи могут их достаточно точно датировать. В этом отношении для археомагнитологов особенно ценны камни в очаге, кирпичи в кладке печи и т. д. – словом, изделия, не изменившие своего положения после того, как на них воздействовала высокая температура. Эти изделия показывают исследователю, какое направление и какую напряженность имело геомагнитное поле в тот момент, когда происходил обжиг.

В настоящее время магнитное поле Земли убывает на 2,5 % за 100 лет, и примерно за 4000 лет, если не изменится характер этого спада, оно должно уменьшиться до нулевого значения. Однако палеомагнитологи утверждают, что этого не произойдет.

Надежные палеомагнитные измерения поля на больших отрезках времени говорят о том, что магнитное поле Земли подвержено многочисленным циклическим колебаниям с разными периодами. Хорошо выражены циклы, имеющие длительность 8000, 2700, 1800, 1200, 600 и 360 лет. Менее четко прослеживаются циклы в 5400, 3600 и 900 лет. Данные последних десятилетий свидетельствуют о том, что в спектре колебаний геомагнитного поля выделяются еще циклы с продолжительностью менее 100 лет.

Если сложить все циклические кривые с разными периодами колебания магнитного поля Земли, то получим так называемую «сглаженную, или осредненную, кривую», которая достаточно хорошо совпадает с синусоидой, имеющей период 8000 лет. В настоящее время суммарное значение колебаний магнитного поля находится на нисходящем отрезке синусоиды. Исходя из характера спада, можно полагать, что он будет продолжаться примерно 2000 лет, но затем начнется усиление поля, которое продлится около 4000 лет. чтобы снова наступил спад. За последние 8000 лет напряженность геомагнитного поля в начале нашей эры достигла наибольших значений и была на 60% выше современной, наименьшая напряженность (40% от среднего значения) была около 6000 лет назад.

Различная продолжительность периодов колебания геомагнитного поля объясняется, по-видимому, отсутствием сбалансированности движущихся частей гидромагнитного динамо и различной их электропроводностью.

С циклическими колебаниями геомагнитного поля, например с периодом 1800 лет, связаны существенные явления в жизни Земли. Так, известный географ А. В. Шнитников провел сопоставление различных природных.ритмов Земли (колебания увлажненности Евразии и Америки, колебания уровней озер и т. д.) и обнаружил их привязанность к астрономическому явлению, названному Большой сарес. Большой сарес – это явление, когда Солнце, Земля и Луна оказываются на одной прямой и при этом Земля расположена на наименьшем удалении и от Солнца, и от Луны. В этом случае достигают наибольшего значения приливные силы.

Большой сарес повторяется через каждые 1800 лет (с отклонениями и сопровождается расширением земного шара в экваториальной полосе) – за счет приливной волны, в которой участвуют не только Мировой океан, но и земная кора. Как следствие этого происходит изменение момента инерции Земли, и она замедляет свое вращение. Изменяется также положение границы полярного ледового покрова,.происходит подъем уровня океана.

Большой сарес отражается и на климате–по-иному начинают чередоваться засушливые и влажные периоды.

В Институте физики Земли выявлена связь между явлениями, вызванными Большим саресом, и поведением магнитного поля. Оказалось, что именно 1800-летний цикл колебания магнитного поля хорошо согласуется с ритмом явлений, вызванных взаиморасположением Солнца, Земли и Луны. Совпадают начала и концы изменений и их максимумы. Это можно объяснить тем, что в жидкой массе ядра Земли во время Большого сареса приливная волна также достигала наибольшей величины, следовательно, взаимодействие потоков вещества с внутренним полем также менялось.

Кроме векового хода изменения напряженности магнитного поля Земли, перемещения магнитных полюсов в пределах своих полушарий и экскурсов, палеомагнитологами было открыто еще одно явление, названное инверсией. Инверсия – это взаимообмен магнитных полюсов местами. При инверсиях Северный магнитный полюс перемещается на место Южного, а Южный – на место Северного.

Иногда вместо инверсии говорят о «перескоке» полюсов. Однако это слово по отношению к полюсам не совсем подходит, поскольку перемещаются полюсы не так уж и быстро – по некоторым оценкам «перескок» длится 5 и даже 10 тыс. лет.

За последние 600 тыс. лет установлено 12 эпох инверсии геомагнитного поля (Готтенборга – 10–12 тыс. лет, Лашами – 20 – 24 тыс. лет и т. д.). Характерно, что с этими эпохами совпадают существенные геологические, климатические и биологические изменения на планете. Какой-либо регулярности в «перескоках» полюсов не обнаружено – были длительные спокойные периоды, их сменяли периоды частых инверсий.

Предполагается, что при инверсиях магнитное поле Земли исчезает, и планета на какое-то время теряет свою невидимую магнитную броню. Протоны и электроны, излучаемые Солнцем, и потоки космических частиц беспрепятственно начинают бомбардировать.поверхность Земли, оказывая воздействие на биосферу, и в частности на человека. Под влиянием солнечного излучения в эти периоды разрушается озоновый слой планеты, и вредоносное ультрафиолетовое излучение начинает достигать поверхности Земли. Совместное действие указанных факторов ведет к мутациям в живых организмах. В итоге гибнут одни их виды и возникают другие.

По мнению Г. Н. Матюшина, в результате инверсий геомагнитного поля (а также поступления урана с минерализованными растворами на земную поверхность) происходили изменения антропологического вида человека. Так, в результате инверсии магнитного поля 2,8 млн лет назад астралопитека сменил человек, который постепенно начал переходить к трудовой деятельности. На смену этому человеку 1,8 млн лет назад после очередной инверсии пришел «человек выпрямленный», а в результате инверсии 690 тыс. лет назад появился питекантроп. Инверсия, прошедшая около 250 тыс. лет назад, привела к появлению неандертальца, обладающего зачатками речи. На становление неоантропа оказала воздействие инверсия магнитного поля, произошедшая 50 – 60 тыс. лет назад. Наконец, последняя инверсия (3,2 – 2.9 тыс. лет до н. э.) привела к великому переселению народов. Тур Хейердал считает, что в этот период древние народы, обосновавшиеся на западном побережье Африки, на морских судах переселились в Южную Америрику – на территорию современной Бразилии.

Предположения, что при инверсиях магнитное поле исчезает, пока не опираются на надежные факты. Более того, палеомагнитные исследования говорят о том, что ослабленное магнитное поле сохраняется и при инверсиях.

Явление смены полярности магнитного диполя послужило основой для создания геомагнитной хронологической шкалы. Эта шкала указывает, какую полярность и на протяжении какого периода времени имел магнитный диполь. В настоящее время есть предварительная шкала для последних 160 млн лет геологической истории Земли. С помощью этой шкалы появилась возможность оценить скорость раздвигания океанического дна в стороны от срединно-океанических хребтов.

Известно много попыток объяснить переполюсовки. Так американские ученые Р. Мюллер и Д. Моррис считают первопричиной инверсий магнитного поля удары гигантских метеоритов. «Встряска» Земли от таких ударов заставляла менять характер движения расплавов в ее глубине. Авторы этой гипотезы основывались на том, что 65 млн лет назад одновременно произошли инверсия и падение на Землю большого космического тела, о чем говорят отложения того времени, богатые космическим иридием. Однако эта гипотеза малоубедительна хотя бы потому, что временная связь между указанными событиями доказана слабо.

По другой гипотезе, к «перескокам» полюсов побуждают глубинные потоки расплава, когда в них попадают гигантские комья ферромагнитного материала. Эти комья, концентрируя на себе линии геомагнитного поля, как бы «тянут» его за собой. Но и эта гипотеза наталкивается на серьезные возражения. Есть попытки объяснить инверсию вспышками сверхновых звезд.

7. Аномалии геомагнитного поля. Магнитная аномалия – это отклонения величин элементов земного магнетизма от нормальных значений, которые наблюдались бы в данном месте в случае однородного намагничивания Земли. На земном шаре есть много районов, где геомагнитное поле претерпевает резкие изменения на протяжении нескольких километров и даже метров. В таких районах по сравнению с окружающими территориями магнитное склонение и наклонение могут отличаться на десятки градусов.

Если в каком-либо месте обнаруживаются резкие изменения магнитного склонения и наклонения, то это указывает, что под земной поверхностью скрыты горные породы, содержащие ферромагнитные минералы. К ним относятся магнетит, титано-магнетит, гематит и др. Наибольшей магнитной восприимчивостью обладает магнетит, поэтому значительное число аномалий связано с его наличием в горных породах.

Интенсивность аномалий может колебаться в широких пределах в зависимости от величины намагниченности пород, занимаемого ими объема и глубины залегания. Так, в районе Курской магнитной аномалии с богатейшими залежами железа склонение изменяется в пределах ±180° и часто стрелка компаса вместо севера показывает запад или восток, а иногда – юг. Напряженность аномального магнитного поля здесь составляет 80–120 А/м, что в 2–3 раза превышает напряженность магнитного поля Земли. Аномалии могут быть положительными и отрицательными.

Положительной считается такая аномалия, когда вертикальная составляющая напряженности магнитного поля совпадает по направлению с вертикальной составляющей нормального поля. В противоположном случае аномалия будет отрицательной. Классическим примером положительных аномалий, связанных с железорудными месторождениями, являются Курская магнитная аномалия и аномалия Кривого Рога. Отрицательные аномалии, обусловленные обратным намагничиванием подстилающих пород, наблюдаются в Ангаро-Илимском районе над вулканическими «трубками взрыва», над некоторыми жерлами древних вулканов в Центральном Казахстане, в Южной Америке, Северной Англии и в других регионах.

Подавляющее большинство положительных аномалий приходится на Северное полушарие, отрицательных – на Южное. Иногда положительные и отрицательные аномалии соседствуют друг с другом.

В зависимости от размеров магнитные аномалии делят на материковые, региональные и локальные. Причины материковых аномалий еще не выяснены. Есть предположение, что большую роль в их возникновении играют геологические и физические особенности земной коры и верхней мантии. Возможно, они являются следствием нахождения под их центрами мощных вихревых токов. Причины региональных и локальных аномалий – горные породы, обладающие повышенными магнитными свойствами. Эти породы, находясь в магнитном поле Земли, намагничиваются и создают добавочное магнитное поле.

Материковые аномалии имеют длину в поперечнике до нескольких тысяч километров и соизмеримы с континентами. Из материковых аномалий (Восточно-Азиатской, Западно-Африканской, Северо-Американской, Западно-Европейской) наиболее интенсивной и правильной по форме является положительная Восточно-Азиатская аномалия, охватывающая всю Азию и часть Европы. Наиболее мощная отрицательная Западно-Африканская аномалия занимает всю Африку и часть Атлантического океана.

Региональные магнитные аномалии занимают площади в сотни и тысячи квадратных километров. Самая большая из них – КМА.площадью около 120 тыс. км². В бассейне КМА ряд местных магнитных полюсов, т. е. таких точек, где магнитное наклонение равно 90°. Аномалия образована пластами магнетитовых железистых кварцитов с содержанием железа более 50%. Локальные аномалии обычно имеют площадь 15–20км².

Сильные магнитные аномалии образуются при ударе молний в породы, содержащие железо. Размеры таких аномалий невелики – несколько квадратных метров. При ударе о поверхность Земли астероидных тел происходит размагничивание горных пород в значительном регионе вокруг места падения тела.

В подавляющем большинстве случаев интенсивность магнитных аномалий не превышает 10% интенсивности главного магнитного поля Земли. Так, для вертикальной составляющей напряженности аномалии могут составлять несколько десятых А/м, хотя в отдельных аномальных полях они достигают 120 А/м и более.

Магнитные свойства в той или иной степени присущи всем горным породам. При помещении какой-либо породы в магнитное поле каждый элемент ее объема приобретает намагниченность. Способность вещества менять свою намагниченность под воздействием внешнего магнитного поля называется магнитной восприимчивостью. Характеристика эта безразмерная, изменяется в широких пределах – от 10^-6 до 103 единиц. В зависимости от числового значения и знака магнитной восприимчивости все природные вещества делятся на три группы: диамагнитные, парамагнитные, ферромагнитные. При этом для диамагнитных веществ магнитная восприимчивость отрицательная, а для парамагнитных и ферромагнитных – положительная.

У диамагнитных веществ (кварц, мрамор, графит, медь, золото, серебро, свинец, вода и др.) намагниченность пропорциональна напряженности магнитного поля и направлена навстречу ему. Это означает, что такие вещества не притягиваются к магниту, а отталкиваются от него, т. е. намагничиваются в направлении, обратном действующему полю. Магнитная восприимчивость их (за исключением полупроводников) чрезвычайно мала –.немногим более десятка миллионных долей единицы. Диамагнитные вещества вызывают ослабление магнитного поля Земли и способствуют образованию отрицательных магнитных аномалий.

У парамагнитных веществ (метаморфические и изверженные породы, щелочные металлы и др.) намагниченность также пропорциональна напряженности магнитного поля, но в отличие от диамагнитных имеет одинаковое с ним направление. У ферромагнитных веществ (железо, никель, кобальт и др.) намагниченность значительно больше, чем у диа- и парамагнитных веществ, не пропорциональна напряженности магнитного толя, сильно зависит от температуры и «магнитной предыстории» вещества.

Величина магнитной восприимчивости парамагнитных веществ небольшая, как правило, заключена в пределах 10^-3 – 10^-5 единиц. Она существенно зависит от температуры и агрегатного состояния вещества. Горные породы, содержащие парамагнитные вещества, создают небольшие положительные аномалии.

Особенно большой магнитной восприимчивостью (до нескольких, а иногда до десятков и даже сотен единиц) обладают ферромагнитные вещества. Они характеризуются чрезвычайно сильным намагничиванием под действием внешних магнитных полей, частично сохраняют приобретенную намагниченность по удалении магнитного поля, могут самопроизвольно намагничиваться в отсутствие магнитного поля.

Основной вклад в создание аномалий магнитного поля вносят ферромагнитные.минералы (магнетит, титаномагнетит, ильменит и др.) и содержащие их гордые породы. поскольку в целом магнитная восприимчивость горных пород изменяется в больших пределах (.в миллионы раз), то интенсивность аномалий магнитного поля варьирует также в широких пределах.

Наблюдая элементы земного магнетизма на участке с аномальным полем, можно установить, где и на какой глубине залегают тела, вызывающие аномалии, и выявить при сопоставлении с геофизическими и геологическими данными, какие именно породы входят в состав этих тел. Такой метод нахождения полезных ископаемых называется магнитной разведкой.

Наибольшую эффективность магнитная разведка дает при поисках железорудных месторождений. Так, с ее помощью в начале 20-х гг. нашего столетия были обнаружены богатейшие запасы железа в районе КМА и в 1949 г. Найдено крупное Соколовско-Сарбайское месторождение железистых руд в Кустанайской области Казахстана.

Переменное магнитное поле Земли. Источники переменного магнитного поля находятся за пределами земного пространства. По своему происхождению они представляют собой токи индукционного характера, возникающие в высоких слоях атмосферы (от ста до нескольких тысяч километров). Образуются индукционные токи истечением плазмы – потоком заряженных частиц обоего знака (корпускул), летящих от Солнца. Проникая в магнитное поле Земли, корпускулы захватываются им и вызывают ряд сложных явлений, таких, как ионизация атмосферы, полярные сияния, образование радиационных поясов Земли и др.

Переменное магнитное поле накладывается на главное магнитное поле Земли и обусловливает различные его вариации во времени. Одни из них происходят плавно, подчиняются определенной закономерности. Это так называемые периодические (невозмущенные) вариации. Другие имеют беспорядочный характер, параметры геомагнитного поля (периоды, амплитуды, фазы) непрерывно и резко меняют свое значение. В таких случаях вариации носят название непериодических, возмущенных.

Наблюдения за вариациями геомагнитного поля ведутся в обсерваториях с помощью самопишущих приборов. Результаты записей, получаемые в виде кривых изменения того или иного элемента во времени, называются магнитограммами. Дней, когда нет никаких вариаций, т. е. когда на магнитограмме запись представляет прямую линию, еще не встречалось.

В зависимости от причин и периода невозмущенные вариации классифицируют на солнечно-суточные, лунно-суточные, годовые и короткопериодные.

Солнечно-суточные вариации представляют собой изменения элементов земного магнетизма с периодом, равным продолжительности солнечных суток. Причиной их возникновения являются два вихревых тока, расположенных в ионосфере на высоте 120 км. Эти токи неподвижны в пространстве и центры их лежат в плоскости, проходящей через Землю и Солнце. Порождены, они, с одной стороны, ультрафиолетовой частью солнечного излучения, ионизирующей атмосферу, с другой – регулярными ветрами, дующими от экватора к полюсам. Эти ветры, представляющие собой движение проводящей массы воздуха в магнитном поле Земли, вызывают появление электродвижущих сил в направлении с запада на восток. Таким образом, ионосфера является своеобразной динамо-машиной, вырабатывающей в геомагнитном поле непрерывный ток. Обозначаются магнитные вариации греческой буквой δ.

Солнечно-суточные вариации элементов земного магнетизма зависят от времени года и географической широты, поскольку они определяются интенсивностью ультрафиолетовых лучей Солнца и, следовательно, положением Земли по отношению к Солнцу. При этом характерно, что фазы колебаний и по широте, и по времени года остаются практически неизменными, меняются в основном амплитуды колебания. Так, при переходе от зимы к лету амплитуды увеличиваются в 3–4 раза, хотя сами вариации остаются небольшими: для средних широт вариация магнитного склонения составляет 10–15', горизонтальной составляющей (1,6 –.2,4)·10-2А/м, вертикальной (0,4... 1,6)·10^-2 А/м. Замечено, что вариации δD и δН выражены сильнее в северных:широтах, слабее–в южных; вариации δZ, наоборот, несколько больше на юге, чем на севере. Солнечно-суточные вариации и магнитные возмущения влияют на положение магнитных полюсов Земли – в течение суток они смещаются относительно среднего положения примерно на 100 км. Поэтому на магнитных картах их отмечают не точкой, а кружочком.

Лунно-суточные вариации элементов земного магнетизма связаны с положением Луны по отношению к горизонту и обусловлены воздействием силы тяжести Луны на земную атмосферу. Отличительной особенностью этих вариаций является их полусуточный характер, равный лунным полусуткам – 12 ч 25 мин 14 с. Кривые изменения всех.элементов земного магнетизма в течение лунных суток имеют два максимума и два минимума; при этом моменты наступления максимума и минимума меняются в течение лунного месяца ежедневно. В среднем за месяц эти кривые для Северного полушария имеют вид правильной двойной волны с максимумами, приходящимися на 6 и 18 ч лунного времени, и минимумами в 0 и 12 ч.

Лунно-суточные вариации элементов земного магнетизма небольшие – составляют всего 10–15 % солнечно-суточных вариаций. Амплитуды колебаний зависят от расстояния между Луной и Землей и обычно для горизонтальной и вертикальной составляющих геомагнитного поля не превышают 0,08·10^-2 А/м, для магнитного склонения – около 40". Ввиду малой амплитуды этих вариаций они до 1915 г. на магнитограммах оставались не обнаруженными и лишь статистическая обработка большого числа магнитограмм на протяжении 7–10 лет дала возможность установить факт их существования.

Под годовыми вариациями понимают изменения среднемесячных значений напряженности и других элементов магнитного поля Земли. Характеризуются они небольшой амплитудой (до нескольких сотых А/м).

К особому классу периодических магнитных вариаций относятся вариации с периодами от долей секунд до нескольких сот секунд и амплитудой Н и Z несколько миллиампер на 1 м. Такие изменения магнитного поля Земли носят название короткопериодных колебаний (КПК), или магнитных пульсаций. За последнее время обнаружено большое число их типов, различных по форме, периоду и амплитуде. Наиболее часто встречаются колебания с периодом от 60 до 180 с.

Возникают КПК при взаимодействии Солнечной плазмы и магнитосферы. Полной теории КПК пока нет. Наблюдения последних лет показывают, что КПК с периодом 1–4 с в основном возбуждаются в периоды, когда имеется резко выраженная интенсивность космических лучей. Проявляют себя КПК по-разному в зависимости от географической широты и врем

Дата добавления: 2014-01-11