Напряженность характеризует силу магнитного поля и ее величина возрастает с широтой.

Изменение характеристик магнитного поля во времени происходит прежде всего за счет его смещения относительно земного шара — западного дрейфа.

В истории Земли отмечены смены полярности магнитного диполя. Полярность, когда северный конец магнитной стрелки направлен к северу, называют прямой (как сейчас), в противоположном случае говорят об обратной намагниченности земного диполя.

Наблюдения за магнитным полем Земли ведут многие обсерватории мира и по их измерениям строятся геомагнитные карты, которые показывают, что в ряде районов земного шара напряженность магнитного поля и магнитные силовые линии из-за неоднородности внутреннего строения Земли и остаточной намагниченности горных пород отклоняются от нормального. Такие отклонения называют магнитными аномалиями. Некоторые аномалии используются в качестве поисковых признаков полезных ископаемых.

Рис. 4.8. Меридиональное сечение магнитосферы, по данным спутниковых измерений (по К. А. Куликову и Н.С. Сидоренкову): 1 — плазменный слой («хвост») магнитосферы; 2 — полярная щель; 3— радиационный пояс; 4— плазмосфера; 5— плазменная мантия; 6 — магнитопауза; 7 — фронт ударной волны; 8 — «солнечный ветер»

Магнитосфера.Солнце и планеты Солнечной системы обладают магнитным полем, которое создает вокруг каждого из небесных тел особую внешнюю оболочку — магнитосферу. Это область околоземного пространства (средний диаметр магнитосферы превышает 90 тыс. км в сечении), физические свойства которой определяются магнитным полем Земли и его взаимодействием с потоками заряженных частиц (корпускул) космического происхождения.

Земля постоянно подвергается воздействию корпускулярного излучения Солнца — солнечного ветра. Солнечный ветер распространяется от солнечной короны с большой скоростью (400 км/с). Он состоит из протонов и электронов. При взаимодействии солнечного ветра с магнитным полем Земли образуется ударная волна (рис. 4.8), за которой следует переходная область, где магнитное поле солнечной плазмы становится неупорядоченным. Переходная область примыкает к магнитосфере Земли, граница которой — магнитопауза — проходит там, где динамическое давление солнечного ветра уравновешивается давлением магнитного поля Земли.

Внутри ударной волны находятся радиационные пояса, в которых заряженные частицы — электроны и протоны — перемещаются по спиральным траекториям в направлении магнитных силовых линий. Взаимодействуя с верхними слоями атмосферы, эти частицы ионизируют ее и вызывают полярные сияния.

Геомагнитное поле, взаимодействуя с солнечным ветром, и образует магнитосферу. Под ударами солнечного ветра она сжата со стороны Солнца и сильно вытянута в противосолнечном направлении, образуя хвост длиной до 900—1050 земных радиусов.

Магнитосфера не относится к геосферам планеты, но играет важную роль в формировании многих свойств географической оболочки. Она является главным препятствием для проникновения в географическую оболочку губительного для живого вещества корпускулярного излучения Солнца. По мнению С. В. Калесника, геомагнитное поле наряду с атмосферой образует «броневой заслон» планеты — захватывает подлетающие к Земле космические частицы и мешает им ускользнуть обратно в межпланетное пространство или проникнуть в нижние слои атмосферы. Беспрепятственно вторгаться в атмосферу космические частицы могут лишь в районе магнитных полюсов.

Одновременно магнитосфера пропускает к поверхности планеты рентгеновские и ультрафиолетовые лучи, радиоволны и лучистую энергию, которая служит основным источником тепла и энергетической базой происходящих в географической оболочке процессов.

Накоплено много фактов о высокой чувствительности к магнитным полям насекомых, рыб, птиц, моллюсков, черепах, червей и даже водорослей, а также человека. Экспериментально доказана зависимость между различными функциями растений и животных и их ориентацией в магнитном поле. Это явление получило название магнитотропизма.

Палеомагнетизм.Магнитное поле Земли существует с незапамятных времен и отражается в результатах процессов и явлений, происходивших на планете в далеком прошлом. Исследование древних горных пород, содержащих частицы магнетита, гематита или других оксидов железа, показало наличие в них остаточной намагниченности, имеющей направление магнитного поля Земли соответствующей эпохи. Изучение первичной намагниченности горных пород разного возраста позволило получить данные (отчасти дискуссионные) о временных изменениях магнитного поля Земли, а при проведении исследований в разных регионах — его пространственное распределение. Согласно этим данным, магнитное поле характеризуется медленным направленным изменением и неоднократно претерпевало инверсии, когда северный полюс становился южным и наоборот. В кайнозойскую эру средним состоянием земного магнитного поля является поле диполя, ориентированного по оси вращения планеты, а сама современная эпоха считается положительной. Палеомагнитные данные для палеозойской эры согласуются между собой только при дополнительном предположении о миграции магнитного полюса относительно земной поверхности. Пути миграции магнитного полюса, вычисленные для разных континентов, существенно различаются, что объясняется их перемещениями во времени и пространстве.

Планетарный характер земного магнетизма и изменений его элементов в геологическом прошлом обусловливает принципиальную возможность возрастной корреляции событий и образований географической оболочки и строгую изохронность выделяемых единиц. Отмеченные зависимости в настоящее время широко используют при сопоставлении разновозрастных базальтов океанического дна, а также для корреляции молодых континентальных образований, практически лишенных палеонтологического материала. Полосчатое строение (полосы прямой и обратной намагниченности чередуются между собой) этих горных пород обусловлено ориентацией железосодержащих минералов в соответствии с направлением магнитных силовых линий, существующих в момент их образования.

Электрическое поле Земли существует во всех сферах географической оболочки, в том числе и у животных. Основная его характеристика — напряженность — представляет собой силу, приложенную в этом поле к единичному положительному заряду.Распределение электрических зарядов в пространстве изображают силовыми линиями: чем больше густота линий, тем больше напряженность электрического поля.

Явления, связанные с движением электрических зарядов, лежат в основе многих процессов, происходящих во Вселенной и на Земле. Наша планета постоянно подвергается «бомбардировке» заряженными частицами из космического пространства. Некоторые из них возникают за пределами Солнечной системы и в основном представлены протонами (примерно 85%), a-частицами (около 14%) и тяжелыми атомными ядрами. Большинство этих частиц образуется, вероятно, в пределах нашей Галактики, и поэтому их потоки называют галактическими космическими лучами. Кроме них известны солнечные космические лучи, исходящие от Солнца и состоящие в основном также из протонов. Именно они формируют внеземные электрические потоки, заметно увеличивающиеся в периоды сильных возмущений на поверхности Солнца. При подходе к Земле эти частицы попадают в магнитное поле планеты и приобретают очень сложный характер движения, особенно вблизи полюсов. Если кинетическая энергия частицы сравнительно небольшая, то частица отклоняется полем и не достигает поверхности Земли. Частицы с большой энергией могут достигать земной поверхности. В области магнитных полюсов протоны даже с небольшой энергией могут достигать земной поверхности, как бы «навиваясь» на магнитные силовые линии. С движением заряженных частиц в магнитном поле Земли связаны полярные сияния — свечение разреженных слоев воздуха на высоте 90—100 км и молнии — гигантские электрические искровые разряды между облаками.

Земные (теллурические) электрические потоки захватывают обширные участки земной коры и океанской толщи, размеры которых составляют сотни и тысячи квадратных километров. Главной причиной их образования считают изменение интенсивности солнечной радиации, создающее в атмосфере, гидросфере и литосфере переменное электромагнитное поле.Теллурическое поле изменчиво во времени и пространстве: плотность теллурических токов возрастает при магнитных возмущениях и в период магнитных бурь. Теллурические токи в океане по сравнению с токами на суше имеют большую плотность: в земной коре она составляет в среднем 2×10^-10 А/м², в океане — 3×10^-6 A/м². Поле теллурических токов постоянно изменяется в зависимости от геомагнитного поля. В Мировом океане дополнительными источниками электромагнитного поля являются скопления определенных микроорганизмов, создающих биоэлектрический эффект (свечение воды), насыщенные суспензией потоки (особенно в придонном слое и в подводных каньонах), вертикальная конвекция. Соотношение этих факторов различно, но, как правило, они оказывают интегральное действие.

Тепловое поле существует за счет неравномерного нагревания вещества Земли — горных пород, вод и воздуха, в результате чего возникает пространственная неравномерность распределения температуры. Источниками термического поля являются внутренние и внешние процессы.

Внешний источник — солнечная радиация, проникает на глубину лишь в несколько метров. Дальнейшее увеличение температуры с глубиной (в среднем 0,3°С на 100 м) связано с внутренними источниками — распадом радиоактивных элементов, гравитационной дифференциацией вещества, приливным трением, процессами метаморфизма и фазовыми переходами вещества. Большинство исследователей главным источником внутреннего тепла считает гравитационную дифференциацию вещества. Скорость возрастания температур с глубиной зависит от теплопроводности, проницаемости горных пород и генерации тепла источниками. Основная потеря внутреннего тепла Земли (4×10¹² Вт) происходит за счет теплового потока, меньшую роль играют вулканизм, землетрясения, гидротермальные источники. Плотность теплового потока из недр определяет энергетическое состояние поверхности Земли и тектонические особенности региона. Эта величина различна и в среднем составляет (мВт/м²): для глубоководных океанических впадин — 28—65, в пределах щитов — 29—49, в геосинклинальных областях и срединно-океанических хребтах — 100—300 и более. Среднее значение для Земли равно 64—75 мВт/м², что в несколько десятков тысяч раз меньше потока лучистой энергии Солнца.

Тепловые взаимодействия во многом зависят от вещественного состава тел (воздух, вода, горные породы), их физических свойств (теплоемкость, теплопроводность, температура фазовых превращений), а также плотности вещества.

Современное тепловое поле оказывает несомненное влияние на процессы, происходящие в оболочке, особенно на развитие Живого вещества.

Рис. 4.9. Модели (а, б) географической тепловой машины

Тепловые взаимодействия описываются уравнениями, вытекающими из физических законов. Фундаментальное значение для понимания процесса переноса тепла в географической оболочке имеют законы (начала) термодинамики. Первое начало термодинамики реализует закон сохранения энергии применительно к термодинамической системе и определяет влияние на систему поступления внешней энергии следующим образом: поступившее в систему тепло равно сумме приращений внутренней энергии системы и совершенной системой работой. Второе начало термодинамики объясняет поток тепла от тела с более высокой температурой к телу сболее низкой температурой.

Эти постулаты послужили основой для объяснения различных форм циркуляции вещества (круговоротов) в географической оболочке. В. В. Шулейкин ввел понятие «географическая тепловая машина». Географическая тепловая машина — это термодинамическая система, в которой из-за разности температур ее отдельных частей происходит перенос тепла и совершается работа. Часть системы сболее высокой температурой называется нагревателем, другая, где температура ниже, — холодильником (рис. 4.9, а). Нагреватель получает тепло от внешней среды и, согласно второму закону термодинамики, должен служить холодильником для другой системы, иначе он не может черпать тепло из внешней среды. В то же время холодильник отдает тепло внешней среде, иначе он не может принимать энергию от нагревателя (рис. 4.9, б). Таким образом, холодильник данной тепловой машины служит нагревателем другой системе, сопряженной с ним термодинамически. В структуре географических тепловых машин пространственно разобщенные нагреватели и холодильники объединены многочисленными потоками энергии.

Геохимические процессы играют в географической оболочке важную роль, поскольку они затрагивают саму сущность окружающей среды с точки зрения состава образующих ее элементов и взаимодействия друг с другом, включая обмен веществом.

Для оценки среднего химического (элементного) состава Земли используют результаты измерения плотности Земли, скорости и направления сейсмических и электромагнитных волн, состав метеоритов. Средний состав Земли как небесного тела впервые был намечен геохимиком П.Н.Чирвинским в 1919 г. Современные данные о среднем содержании химических элементов Земли (по В.А. Руднику и Э.В. Соботовичу, 1984) приведены ниже:

Кларк. В начале XX в. американский ученый Ф.У. Кларк стал изучать количественную распространенность химических элементов в земной коре, атмосфере и гидросфере. Для обозначения среднего содержания химического элемента в земной коре (атмосфере, гидросфере, Земле в целом, космических объектах) А.Е. Ферсман в 1923 г. предложил термин «кларк».

Данные табл. 4.2 показывают, что земная кора почти наполовину (47%) состоит из кислорода и ее можно назвать «кислородной сферой». Вместе с кремнием эти элементы составляют приблизительно 80% массы земной коры, а с учетом кларков алюминия, железа, кальция, натрия, калия, магния и титана сумма увеличивается до 99,48%. Доля всех остальных элементов составляет около 0,5%.

Кларк концентрации. Отношение содержания элемента в данной системе к его кларку в земной коре называется кларком концентрации. Этот термин введен В.И. Вернадским в 1937 г. и является важной геохимической характеристикой. Если кларк меньше единицы, то пользуются показателем кларк рассеяния — величиной, обратной кларку концентрации.

Кларки концентрации и рассеяния одного и того же элемента в различных ландшафтно-географических обстановках могут колебаться в очень больших пределах, что зависит от первичных источников элемента, его миграционной способности, формы нахождения элемента в природных системах и свойств среды рассеивать или концентрировать элемент. На рис. 4.10 показан кларк концентрации бария в земной коре. Наибольшее значение (1,27) характерно для кислых пород, наименьшее (n×10^-5) — для водной среды.

Миграция и дифференциация вещества. Вещество Земли находится в постоянном движении. На миграцию (движение, перемещение, перераспределение) и дифференциацию элементов влияют две группы факторов: внутренние — свойства химических элементов, определяемые строением атомов, их способностью образовывать соединения, осаждаться из растворов и расплавов, и внешние, характеризующие обстановку миграции — температура, давление, кислотно-щелочные и окислительно-восстановительные условия (рН и Eh).

Рис. 4.10. Кларк концентрации бария (по А. И. Перельману): 1 — изверженные породы, кислые; 2 — то же, основные; 3 — то же, ультраосновные; 4 — известняки; 5 — сланцы углеродисто-кремнистые; 6 — песчаники; 7 — глины и сланцы; 8 — глины; 9 — терригенные породы; 10 — бокситы; 11 — антрацит; 12 — нефть; 13 — глубоководная глина; 14 — бурый уголь; 15 — галолиты; 16 — гипсолиты; 17 — рассолы; 18 — почва

Помимо факторов миграции имеет значение, в какой форме пребывает элемент. Согласно В. И. Вернадскому, основные формы нахождения элементов следующие: 1) горные породы и минералы (в том числе природные воды и газы), 2) живое вещество, 3) магмы (силикатные расплавы), 4) рассеянное вещество.

Химическая миграция вещества в географической оболочке по величине сопоставима с механической, а по значимости превосходит последнюю, так как наряду с биогенной миграцией определяет химический состав всех геосфер. Важнейшее значение имеют два сопряженных процесса — окисление и восстановление. Окисление — это перегруппировка электронов между атомами вещества, в результате которой создаются атомы (ионы) с более высокой валентностью. Наиболее характерной реакцией является присоединение кислорода, т.е. собственно окисление. Признаком окислительной обстановки служит наличие свободного кислорода. Окислителями выступают также сера (SO₄^2-), углерод (СО₂), азот (NO₃^1-, NO₂) и др. Восстановлением называют геохимический процесс, в результате которого происходит присоединение элементами (ионами) электронов и понижение их валентности. В геохимии таким важнейшим процессом считается присоединение водорода, или гидрогенизация вещества. Кроме водорода, восстановителями являются сероводород (H₂S), соединения углерода (СН₄, СО, органическое вещество), двухвалентное железо и марганец и др.

Парагенетические ассоциации элементов. Понятие парагенезиса ввел В.И.Вернадский в 1909 г., хотя в минералогии это явление было описано за 100 лет до него и называлось смежностью. Под парагенезисом понимают совместное нахождение элементов или минералов, связанных между собой генетически. Отрицательный (запрещенный) парагенезис — это невозможность совместного образования и нахождения элементов или минералов.

Оба понятия имеют общую природу и связаны с условиями образования и взаимодействия химических элементов, которые зависят от близости ионных радиусов, сорбции, радиоактивного распада и других свойств. Знание парагенетических и запрещенных ассоциаций — важная предпосылка поиска полезных ископаемых, а также средство для оценки поведения некоторых элементов в природной среде и в условиях техногенеза.

Химические элементы и соединения, определяющие условия миграции в данной системе, называются ведущими. Обычно их число невелико. Например, геохимическая обстановка в океане определяется наличием кислорода, натрия и хлора. Во многих природных средах установлена ведущая роль иона Н⁺, от которого зависит рН среды.

Поскольку ведущие элементы определяют поведение в данной системе других элементов и соединений, в геохимии используют принцип подвижных компонентов, сформулированный А. И. Перельманом: геохимическая особенность системы определяется ведущими компонентами. Ведущими являются элементы, обладающие в данной среде высокими кларками, активно мигрирующие и накапливающиеся.