Происхождение магнитного поля Земли

Структура магнитного поля Земли. Внешнее и внутреннее поле

Мировые карты элементов земного магнетизма позволяют сделать вывод, что магнитное поле Земли (МПЗ) можно рассматривать как суперпозицию двух полей, связанных с различными источниками их возбуждения: внешними и внутренними. На долю последних приходится около 99 % напряженности МП (Н_т), т.е. основная причина образования МПЗ находится в земных недрах. Об этом свидетельствуют данные полуторовековых наблюдений, которые показывают, что МПЗ присущи хорошо выраженные вариации. Вариации за счет внешних источников – короткопериодные (от долей сек. до нескольких лет). Вариации, отражающие внутреннюю динамику, характеризуются периодами 60, 80, 300-800, 250 млн. лет. Факт существования таких вариаций МПЗ является свидетельством того, что их природа связана с динамикой внешнего ядра, обладающего низкой вязкостью.

Общая напряженность МПЗ складывается из следующих составляющих:

Н_т = Н_д + Н_м + Н_вн + Н_рег + Н_лок,

где Н_д – дипольное поле, создаваемое однородной намагниченностью земного шара;

Н_м – недипольное, т.н. материковое поле, формирующееся за счет неоднородности глубоких слоев Земли (составляет < 0,1 от Н_д); (эти две составляющие представляют собой главное МПЗ);

Н_вн – внешнее поле, источники которого связаны с причинами космического происхождения (электрические токи в ионосфере и околоземном пространстве); (первые три составляющие – это нормальное МПЗ);

Н_рег – аномальная составляющая, создаваемая различной намагниченностью верхних слоев земной коры в районах региональных магнитных аномалий площадью от 1 до 10 тыс. км²;

Н_лок – аномальная составляющая, формирующаяся в районах локальных магнитных аномалий площадью < 1 тыс. км².

Сумму Н_д и Н_м называют главным МПЗ. Сумма трех первых составляющих (Н_д, Н_м и Н_вн) – это нормальное МПЗ. Отсюда измеряемое поле Н_т – это сумма нормальной и аномальной составляющих.

Для выделения нормальной составляющей МП проводят сглаживание характеристик поля и его градиентов (вручную или на ЭВМ, с помощью полиномов различных степеней). Разность между наблюденным и сглаженным полем (главным) называют аномалией. Рассчитаны значения нормального вертикального (20 -30 нТл/км) и горизонтального (2-7 нТл/км) градиентов, которые используются при обработке данных магниторазведочных работ.

До конца 40-х годов не было ни одной теории, объясняющей возникновение МПЗ. В настоящее время общепризнанной и наиболее разработанной является модель магнитного гидродинамо, впервые предложенная Лармором (английский физик, 1919 г.) и развитая Френкелем в 1947 г.

Установлено, что до глубины 2900 км вещество Земли твердое, а ниже – до 5120 км – обладает свойствами жидкости, так как через него не проходят поперечные сейсмические волны. Тепловая конвекция, т.е. перемешивание вещества во внешнем ядре, способствует образованию кольцевых электрических токов. Этот процесс происходит благодаря тому, что более горячие частицы нижней части ядра всплывают вверх, более холодные опускаются вниз вдоль радиуса. Эти частицы сохраняют момент количества движения относительно оси, поэтому всплывающие частицы как бы замедляются, а опускающиеся ускоряются. Эти медленные течения вызывают формирование кольцеобразных (тороидальных) замкнутых электрических полей, не выходящих за пределы ядра. Благодаря взаимодействию тороидальных электрических полей с конвективными течениями во внешнем ядре возникает суммарное магнитное поле дипольного характера, ось которого близка к оси вращения Земли. Для «запуска» этого процесса необходимо начальное слабое магнитное поле, которое может генерироваться, например, за счет гиромагнитного эффекта (вращающееся тело намагничивается в направлении оси его вращения).

На рисунке приведена модель однодискового гидродинамо. В слабом магнитном поле С₀, направленном вдоль оси А, вращается проводящий диск. Между щеткой В и осью вращения по закону электромагнитной индукции Фарадея образуется разность потенциалов, что вызывает ток в цепи ДА¢. Возникшее при этом магнитное поле будет его усиливать, тем больше, чем быстрее вращение. Реальные процессы, происходящие во внешнем ядре, конечно, сложнее. Так, эта гипотеза не объясняет смену знака полярности МПЗ. Для объяснения причин инверсий МПЗ разработаны модели двухдискового гидродинамо.

Дата добавления: 2014-01-07