Магнитное поле Земли.

Основные вопросы, рассматриваемые на лекции:

1. Природа геомагнетизма.

2. Элементы магнитного поля Земли.

3. Структура геомагнитного поля.

4. Магнитосфера и радиационные пояса Земли.

5. Вековые вариации геомагнитного поля.

6. Аномалии геомагнитного поля.

1. Природа геомагнетизма.Земной магнетизм, или геомагнетизм, – это свойство Земли как небесного тела, обусловливающее существование вокруг нее магнитного поля. Геомагнитология – наука о земном.

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 (1947 г) 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.

Основные положения гипотезы гидромагнитного динамо сводятся к следующему.

1. Благодаря так называемому гиромагнитному (от греч. Гиро – вращаюсь, кружусь) 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.

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.

2. 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.

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.

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. Применяются походные магнитные станции, оснащенные сложными оптико-механическими и квантовыми магнитометрами. 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. Значения элементов земного магнетизма непрерывно изменяются во времени и поэтому магнитные карты обновляются каждые пять лет.

3. 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.

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.

Со временем магнитные полюсы меняют свое положение. 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).

4. 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. 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. 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).

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

Максимум внутреннего протонного пояса располагается па расстоянии 3,5 радиуса Земли (22 тыс. км). 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.

Если бы магнитосфера 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.

5. Вековые вариации геомагнитного поля.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.

Судить о прошлом геомагнитного поля – его направлении и напряженности – позволяет так называемый эффект «вмораживания магнитного поля в материал». 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.

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.

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.

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

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.

6. 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.

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.

В зависимости от размеров магнитные аномалии делят на материковые, региональные и локальные. Материковые аномалии 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.

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. 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. 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.

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.

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.

Солнечно-суточные вариации представляют собой изменения элементов земного магнетизма с периодом, равным продолжительности солнечных суток. 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.

Лунно-суточные вариации элементов земного магнетизма связаны с положением Луны по отношению к горизонту и обусловлены воздействием силы тяжести Луны на земную атмосферу. Лунно-суточные вариации элементов земного магнетизма небольшие – составляют всего 10–15 % солнечно-суточных вариаций.

К возмущенным непериодическим колебаниям относится магнитные бури. Одна из их характерных особенностей – внезапность появления. На фоне довольно спокойного магнитного поля, почти в один и тот же момент на всем земном шаре, все элементы земного магнетизма внезапно меняют свои значения, и дальнейший ход бури претерпевает очень быстрые и непрерывные изменения.

По интенсивности (по величине амплитуды) магнитные бури принято делить на слабые, умеренные и большие. Амплитуды элементов земного магнетизма во время очень больших магнитных бурь достигают для магнитного склонения нескольких градусов, для вертикальной и горизонтальной составляющих –2 –4 А/м и более. Интенсивность бурь возрастает от низких геомагнитных широт к высоким. Продолжительность бурь обычно составляет несколько суток. Частота и сила магнитных бурь зависит от солнечной активности.

В последние годы ученые стали извлекать практическую пользу из магнитных бурь, получив возможность с их помощью «прощупывать» Землю до больших глубин. Способ исследования недр Земли с использованием магнитных возмущений называется магнитно-теллурическим зондированием, так как здесь одновременно рассматриваются магнитные возмущения и теллурические (т. е. земные) токи, вызванные ими в Земле. В результате магнитно-теллурического зондирования установлено, что па глубине 300–400 км электропроводность Земли резко увеличивается. До этих глубин Земля практически является изолятором.