Лекция 6. Магнитное и гравитационное поля Земли

Магнитное поле Земли. Кто пользовался компасом, тот знает, что, сколько бы ни отклоняли свободно подвешенную стрелку от первоначального направления, она всякий раз будет к нему возвращаться. Это значит, что в географической оболочке и в околоземном пространстве существует магнитное поле, в каждой точке которого стрелка компаса будет располагаться параллельно магнитным силовым линиям. При этом один конец стрелки указывает на северный магнитный полюс, а другой — на южный.

Земля – большой магнит, вокруг которого существует магнитное поле. Область околоземного пространства, физические свойства которого определяются магнитным полем Земли и его взаимодействием с потоками космических частиц называют магнитосферой. Её внешняя граница – магнитопауза (шириной около 200 км) с дневной стороны располагается на высоте 10—14 земных радиусов (магнитосфера сжа­та под ударами солнечного ветра), а с ночной простирается до высоты 900—1000 земных радиусов (магнитосфера вытянута, образуя «хвост»). С удалением от поверхности Земли неоднородность магнитосферы сглаживается, напряженность ее ослабевает, а за пределами магнитопаузы магнитное поле Земли теряет способность захватывать заряженные частицы. Благодаря существованию магнитосферы маг­нитная стрелка компаса устанавливается в на­правлении магнитных силовых линий. Боль­шой круг, в плоскости которого находится магнитная стрелка компаса, называется маг­нитным меридианом данной точки. Магнит­ные меридианы не образуют на земной поверхности правильной сетки и сходятся в двух точках, называемых магнитными полюсами. Они не совпадают с географическими полю­сами и медленно изменяют свое местополо­жение, «дрейфуя» со скоростью 7 — 8 км/год. Так, в 1950 г. северный магнитный полюс имел координаты 72° с. ш., 96° з. д., а южный — 70° ю. ш., 150° з. д.; в 1970 г. соответственно 75°42' с.ш., 101^о30' з.д. и 65°30' ю. ш., 140°18' з.д., в 1985 г. – 77^о36^/с.ш. и 102^о48^/з.д., а южный – 65^о06^/ю.ш. и 139^ов.д.

Магнит­ные полюса не являются антиподальными точками. Первый из них смещается в направ­лении Северного полюса, второй — в сторо­ну Австралии. Ожидается, что приблизитель­но в 2185 г. магнитный и географический полюса в северном полушарии окажутся в од­ной точке.

Магнитное поле Земли характеризуется тремя элементами земного магнетизма: маг­нитным склонением, магнитным наклонением и напряженностью.

Магнитное склонение — угол между ис­тинным направлением на север, т. е. геогра­фическим меридианом, и направлением север­ного конца магнитной стрелки. Магнитное склонение бывает восточное и западное. При отклонении северного (синего) конца магнит­ной стрелки компаса к востоку от географи­ческого меридиана склонение называется вос­точным и имеет знак «плюс» (положитель­ное), при отклонении к западу — западным и имеет знак «минус» (отрицательное). Маг­нитное склонение обязательно указывается на всех топографических картах. Например, магнитное склонение Москвы около +8° . Чтобы узнать направление геогра­фического меридиана, надо от направления се­верного конца магнитной стрелки компаса от­считать к западу (против часовой стрелки) 8°. При этом синий конец стрелки компаса ука­жет направление на север. Линии одинаково­го магнитного склонения называются изого­нами. Их значение изменяется от 0° до ±180°. Нулевую изогону называют агонической ли­нией. Она разделяет области восточного и за­падного склонения, проходя через оба геогра­фических и оба магнитных полюса. На ней стрелки компаса показывают на географиче­ские полюса, поскольку географический и маг­нитный меридианы совпадают.

Магнитное наклонение — угол между го­ризонтальной плоскостью и магнитной стрел­кой, свободно подвешенной на горизонтальной оси. Оно бывает положительное в северном геомагнитном полушарии и отрицательное в южном. Магнитное наклонение изменяется от 0° до ±90°. На магнитных полюсах оно рав­но + 90° и —90°, поэтому магнитная стрелка компаса занимает вертикальное положение: в северном полушарии синий конец стрелки на­правлен вниз (+90°), в южном — красный (—90°). Магнитные полюсы определяют как точки с наклонением ±90°. Линии, соединяю­щие точки с одинаковым магнитным наклоне­нием, называют изоклинами. Нулевая изокли­на — магнитный экватор — проходит при­мерно вдоль географического экватора: чуть южнее — в западном полушарии, чуть север­нее — в восточном. Он делит Землю на два геомагнитных полушария.

Сила магнитного поля характеризуется на­пряженностью. Величина ее увеличивается от магнитного экватора к полюсам. В север­ном полушарии она больше, нежели в южном, а в целом запасы энергии магнитосферы огромны. В некоторых районах Земли напряжен­ность реального магнитного поля из-за неод­нородности внутреннего строения Земли отли­чается от нормального (теоретического) поля, т. е. такого, какое было бы у Земли, если бы она была однородно намагниченным шаром. Эти отклонения называют магнитными ано­малиями. Крупные мировые аномалии наблю­даются в Восточной Сибири, в районе Зонд­ских островов и т. д.; региональными являют­ся Курская, Криворожская и др., а локальных много.

Магнитное поле Земли складывается из двух магнитных полей разного происхожде­ния — постоянного и переменного. Главная составляющая — постоянное поле (99% по величине). Его образование обусловлено ди­намическими процессами в ядре Земли. По­стоянное поле более или менее устойчиво, и ему присущи правильные колебания — суточ­ные, годовые, вековые. Переменное поле (1% по величине) вызвано внешними причинами — воздействием солнечного ветра и связанными с ним электрическими токами в магнитосфе­ре и верхних слоях атмосферы. Они вызыва­ют, как правило, непериодические резкие воз­мущения всех элементов земного магнетизма, т. е. магнитные бури, которые сопровожда­ются полярными сияниями, ухудшением радио­связи на коротких волнах, радиопомехами, ухудшением самочувствия людей и т. д. Не­смотря на некоторую беспорядочность, маг­нитные бури усиливаются весной и осенью, ослабевают летом и зимой.

Значение магнитосферы исключительно ве­лико. Она выполняет изолирующую роль для корпускулярной солнечной радиации, солнеч­ный ветер ее обтекает. Так что магнитосфеpa — главный невидимый «броневой заслон» планеты. Однако в небольшом количестве сол­нечная плазма с дневной стороны в полярных районах просачивается в магнитосферу, а за­тем в верхние слои атмосферы — так назы­ваемую ионосферу до высот 80—100 км. Для всех просочившихся заряженных частиц маг­нитосфера оказывается своеобразной ловуш­кой. Попав в нее, заряженные частицы дви­гаются по замкнутым траекториям вдоль маг­нитных силовых линий, образуя радиационные пояса: внутренний (протонный) с максималь­ной концентрацией частиц на высоте 3 — 4 тыс. км над экватором и внешний (элек­тронный) — на высоте около 22 тыс. км. Та­ким образом, магнитосфера — наш «магнит­ный зонтик». Пропуская к Земле лучистую энергию Солнца электромагнитной природы, она задерживает корпускулярную радиацию, защищая географическую оболочку и все жи­вое от гибели.

Медико-биоло­гические статистические материалы (частота сердечно-сосудистых приступов у людей, рас­пространения инфекционных заболеваний, травматизма на производстве, аварий на до­рогах и т. д.) свидетельствуют о связи пере численных явлений с изменениями магнитно­го поля Земли.

Изучая естественные магнитные поля, не следует забывать об искусственных электро­магнитных полях, создаваемых промышленны­ми установками, телецентрами, ЛЭП и т. д. Механизм действия магнитных полей на био­логические объекты — явление очень слож­ное, и расшифровка его — дело будущего. Магнитные бури действуют и на технические системы — энергетические, трубопроводы и др., в которых возникают перегрузки.

Магнитное поле Земли помогает ориенти­роваться в пространстве изыскательским пар­тиям, кораблям, подводным лодкам, самоле­там, туристам. При использовании компаса для определения сторон горизонта необходимо обязательно вводить поправку на магнитное склонение. На кораблях сейчас используются гирокомпасы, которые сразу показывают на­правление географического меридиана. По не­которым изменениям магнитного поля можно заранее предсказать приближение магнитной бури, что важно знать связистам, капитанам кораблей и другим специалистам, с которыми осуществляется локационная связь, а также медикам. Локальные магнитные аномалии ука­зывают на месторождения железорудных по­лезных ископаемых, поэтому для поисков их широко применяют магнитометрические мето­ды разведки.

Строение магнитного поля Земли меняется в зависимости от широты. Различают три широтные зоны в каждом полушарии.

1. Экваториальная зона (25° с. ш.— 25° ю. ш.), отличающаяся малым проникновением протонов высоких энергий в атмосферу Земли. Заслон им создают магнитные силовые линии, которые здесь идут практически параллельно земной поверхности и становятся непробиваемыми для частиц Космоса.

2. Зона умеренных широт (30° с. ш. и 55° ю. ш.), характеризующаяся нарастанием интенсивности потоков. В сторону полюсов проницаемость магнитного поля увеличивается.

3. Зона над полярными областями Земли. Здесь силовые линии магнитного поля более или менее перпендикулярны земной поверхности и образуют воронкообразную конфигурацию. Через них часть солнечного ветра с дневной стороны проникает в магнитосферу, а затем и в верхнюю атмосферу. Сюда же в период магнитных бурь устремляются частицы из хвостовой части магнитосферы, достигая границ верхней атмосферы в высоких широтах северного и южного полушария. Именно эти заряженные частицы вызывают здесь полярные сияния.

Магнитное поле становится главным препятствием для проникновения в географическую оболочку губительного для живого вещества корпускулярного излучения Солнца. 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. Экспериментально доказаны связи между различными функциями растений и животных в зависимости от их ориентации в магнитном поле. Многоразовые опыты с культурными и дикими растениями показали, что особое расположение зародыша семян по отношению к направлению геомагнитного поля влияет в будущем на темпы роста и ориентацию корней. Это явление в органическом мире Земли получило название магнитотропизма. Разные группы растений не одинаково реагируют на изменения напряженности геомагнитного поля. Семена одних при искусственном от него экранировании образуют больше корней ростовых почек, а у других, например хвойных пород, в этом случае растягивается период покоя, уменьшается всхожесть, снижается поглощение кислорода и в среднем на 30% падает содержание сухого вещества. Накоплено много достоверных фактов о высокой чувствительности к магнитным полям насекомых, птиц, рыб, моллюсков, червей и даже водорослей.

Гравитационное поле Земли — это по­ле силы тяжести. Сила тяжести действует по­всюду на Земле и направлена по отвесу к по­верхности геоида, уменьшаясь по величине от полюсов к экватору. У Земли было бы нормальное гравита­ционное поле при условии наличия у нее фи­гуры эллипсоида вращения и равномерного распределения в нем масс. Однако Земля та­ким телом не является. Разницу между напря­женностью реального гравитационного поля и теоретического (нормального) поля называют аномалией силы тяжести. Эти аномалии бы­вают вызваны как различным вещественным составом и плотностью горных пород, так и видимыми неровностями земной поверхности. Однако далеко не всегда горы вы­зывают увеличение силы тяжести (положи­тельную аномалию), а океанические впади­ны — их недостаток (отрицательную анома­лию). Такое положение объясняется изостазией (от греч. isostasios — равный по весу) — уравновешиванием твердых и отно­сительно легких верхних горизонтов Земли на более тяжелой верхней мантии, находящейся в пластичном состоянии в слое астеносферы. По современным геофизическим представле­ниям, в недрах Земли на определенной глу­бине (глубине компенсации) происходит гори­зонтальное растекание подкоровых масс ве­щества из мест их избытка на поверхности (в виде гор и т. д.) к периферии и выравни­вание давления вышележащих слоев. Сущест­вование астеносферных течений — необходи­мое условие изостатического равновесия зем­ной коры.

При появлении или исчезновении леднико­вой нагрузки в областях древних и современ­ных ледников тоже нарушается изостатическое равновесие. При нарастании массы льда покровных ледников земная кора прогибает­ся, при стаивании льда происходит ее подня­тие. Такие вертикальные движения земной ко­ры называются гляциоизостазией (от лат. glacies — лед). Гляциоизостатические опуска­ния наиболее резко выражены под централь­ными частями современных ледниковых щи­тов — Антарктиды и Гренландии, где ложе ледников местами прогнуто ниже уровня мо­ря. Поднятия особенно интенсивны в облас­тях, недавно освободившихся от материковых льдов (например, в Скандинавии, Канаде), где их суммарные значения за послеледниковое время достигают нескольких десятков метров. Современные скорости поднятия по инстру­ментальным измерениям местами доходят до 1 м в столетие, например на шведском побе­режье Ботнического залива.

Значение силы тяжести исключительно ве­лико. Она определяет истинную фигуру Зем­ли — геоид. Подкоровые течения в астено­сфере вызывают тектонические деформации и движения литосферных плит, создавая круп­ные формы рельефа Земли. Сила тяжести обус­ловливает гравитационные рельефообразующие процессы: эрозию, оползни, осыпи, обвалы, селевые потоки, движение ледников в горах и т. д. Сила тяжести определяет макси­мальную высоту гор на Земле. Она удержи­вает атмосферу и гидросферу, ей подчиняется перемещение воздуха и водных масс. Сила тя­жести помогает людям и многим животным удерживать вертикальное положение. Геотро­пизм — ростовые движения органов расте­ний под влиянием силы земного тяготения — обусловливает вертикальное направление стеблей и первичного корня. Недаром грави­тационная биология, возникшая в эпоху, ког­да человек начал обживать мир без тяжес­ти — Космос, включает растения в число сво­их экспериментальных объектов. Силу тяжести необходимо учитывать при рассмотрении бук­вально всех процессов в географической обо­лочке. Без учета силы тяжести нельзя рассчи­тать исходные данные для запусков ракет и космических кораблей, невозможна гравимет­рическая разведка рудных полезных ископае­мых и нефтегазоносных структур.