Наличие магнитного поля Земли люди использовали с древних времен для ориентировки во время путешествий. Уже более 3000 лет назад китайские ученые снабжали колесницы «югоуказателями», подобными стрелке компаса. Но объяснение использованного явления было дано лишь много позже. В изданной в 1600 г. книге «О магните, магнитных телах и о великом магните Земли» У. Гильберт впервые показал, что по существу вся планета Земля является огромным магнитом. В 1635 г. Геллибрант обнаружил, что поле этого магнита медленно меняется. Первые магнитные карты мира были построены Э. Галлеем в 1702 г. В 1835 г. К. Гаусс создал в Гёт-тингене первую в мире магнитную обсерваторию.
К настоящему времени наука о земном магнетизме разделилась на две части. Одна изучает возникновение, основные черты и изменение магнитного поля, генерируемого процессами, происходящими внутри тела Земли, другая — относительно быстрые, но небольшие вариации поля, вызванные внешними причинами — процессами, происходящими в верхней атмосфере Земли и ее магнитосфере.
В первом приближении магнитное поле Земли подобно полю гигантского магнитного диполя (т. е. магнита с двумя полюсами — подробнее см. [4]), расположенного в центральных частях земного шара, с южным магнитным полюсом, расположенным в северном полушарии, и с северным магнитным полюсом в южном полушарии Земли. Поле Земли лучше описывается, если считать, что ось диполя отстоит от центра Земли на 462 км (в 1970 г.) в направлении Тихого океана (18q с. ш., 148° в. д.). О таком приближении в описании магнитного поля Земли говорят как об эксцентричном диполе. Магнитный момент) земного диполя примерно равен М = 0,8-101в А>м2 = = 0,8-102в Гс-см3.
При более точном рассмотрении хорошо заметны отклонения от диполыюго поля (рис. 7). Они возникают в основном за счет мировых (материковых) аномалий магнитного поля. Наиболее сильными среди них являются Восточно-Сибирская аномалия, повышающая напряженность магнитного поля в отдельных районах Сибири до значения, превышающего ее на южном магнитном полюсе, и Южно-Атлантическая, или Бразильская аномалия с резко пониженным значением поля.
Кроме мировых аномалий, имеется много локальных аномалий, например, Магнитогорская и Курская, в пределах которых напряженность поля горных пород может превышать напряженность нормального земного поля. Например, в районе Курской аномалии индукция магнитного поля достигает В ш 200 мкТл (2 Гс). Из-за малых размеров местные аномалии практически не сказываются на глобальном распределении поля.
Расположение на поверхности Земли неоднородностей магнитного поля позволяет производить разведку полезных ископаемых. Легче всего таким образом обнаруживаются большие скопления магнитных руд. Но поскольку залежи ферримагнитных пород часто связаны с месторождениями других полезных ископаемых, магнитная разведка применяется для поиска нефти, угля, полиметаллических руд.
С учетом всех особенностей глобального магнитного поля наибольшая индукция поля (без учета местных аномалий), В = 68 мкТл (0,68 Гс), достигается вблизи северного магнитного полюса (в Антарктиде), наименьшая, 24 мкТл (0,24 Гс), в Бразилии (см. рис. 7). Координаты полюсов наклонения (точек, где силовые линии расположены вертикально) в 1965 г. были соответственно 75°,6 с. ш., 101° з. д. и 66°,3 ю. т., 141° в. д. Они не совпадают с положением магнитных полюсов — местами, где эквивалентный полю Земли эксцентричный магнитный диполь пересекает ее поверхность. Координаты магнитных полюсов 81° с. ш., 84°,7 з. д. (в Гренландии) и 75° ю. ш., 120°,4 в. д. (в Антарктиде).
Уже в XVII в. было замечено, что магнитное поле Земли изменяется. В период с 1829 г. по настоящее время магнитный момент Земли убывает примерно по линейному закону
М = (7,98-0,004*)-1015А-м2,
где t — время в годах, отсчитанное вперед или назад от 1970 г. За 100 лет поле уменьшилось более чем на 5%. Одновременно наблюдались перемещение магнитных полюсов на несколько градусов и смещение положения мировых магнитных аномалий. Смещение эксцентричного диполя Земли увеличилось с 252 км в 1829 г. до 462 км в 1970 г.
Изменяется со временем и недипольная составляющая магнитного поля — мировые аномалии. Кроме медленного изменения их величин, наблюдается так называемый западный дрейф магнитного поля. Все мировые магнитные аномалии дрейфуют на запад со скоростью около 0,187год [12].
Археомагнитные и палеомагнитные данные (§ 2.2) показывают, что в течение последних 10 тыс. лет магнитный момент М испытывал квазипериодические (близкие к периодическим) колебания, а в более далеком прошлом неоднократно наблюдалась смена полярности магнитного поля Земли.
Наряду с вековыми вариациями магнитного поля Земли имеются кратковременные возмущения его, называемые магнитными пульсациями и вариациями, а наиболее сильные — магнитными бурями. Эти возмущения изменяют поле, как правило, не более чем на 1 мкТл (0,01 Гс) и длятся от долей секунд до нескольких дней. Вызываются они изменениями ветров в ионосфере Земли и колебательными движениями магнитосферы, а магнитные бури и суббури являются откликами магнитосферы на возмущения межпланетного магнитного поля, вызываемые солнечной активностью (гл. 4). Кроме того, имеются регулярные вариации магнитного поля, связанные с лунными и солнечными приливами в ионосфере Земли.
Ионосфера до высот 100—130 км представляет собой слабоионизованную плазму с концентрацией заряженных частиц каждого знака (числом частиц в единице объема), доходящей примерно до 10е см-3. Таким образом, ионосфера является проводящим слоем, который под действием ветррв, а также приливов со стороны Луны и Солнца, находится в непрерывном движении относительно магнитного поля Земли (из-за низкой проводимости явление вмороженности силовых линий в плазму, описанное в § 1.3, в ионосфере до указанных высот отсутствует). Движения проводника (ионосферы) в магнитном поле порождают электродвижущую силу, индуцирующую ток. Магнитное поле этого тока и вызывает магнитные вариации. Таким образом, в атмосфере Земли работает динамо-механизм генерации магнитного поля (атмосферное динамо).
Циркуляция верхней атмосферы Земли создает над магнитным экватором (точнее, в полосе примерно ±5° над линией, где равно нулю магнитное наклонение, т. е. там, где линии поля идут параллельно поверхности Земли) круговой экваториальный ионосферный ток, распределенный преимущественно на высотах 90—130 км, в котором электроны движутся на запад, а положительные ионы на восток.
Вариации магнитного поля Земли удобно измерять в единицах 10_э Тл = 1 нТл — 10~5 Гс, называемых «гамма» (у). Изменения экваториального ионосферного тока создают у экватора суточные колебания поля до 200 у. Лунные приливы создают за сутки (точнее, около 25 часов) две волны с полным размахом около 10 у. Солнечные приливы имеют амплитуду примерно до 200 у и один максимум в сутки. Это связано с тем, что Солнце оказывает большее влияние на атмосферу Земли, прогревая и вследствие этого «вспучивая» ее, чем за счет непосредственно приливов. Наиболее сильно приливы сказываются у геомагнитного экватора. Подробнее см. [12].
Основная постоянная составляющая магнитного поля Земли связана с динамо-механизмом, работающим в земном ядре (геомагнитное динамо). Объяснить поле Земли намагничением горных пород, как пытались это сделать в прошлом, не удается, хотя внутри Земли и имеется достаточное количество железа и никеля. Дело в том, что температура недр Земли уже на глубинах 100—200 км достигает 1300 Кельвинов, а в ядре — нескольких тысяч Кельвинов, между тем точки Кюри железа и никеля равны 1033 и 633 кельвина. При этих температурах нарушается магнитная упорядоченность железа и никеля и они перестают быть ферромагнетиками. Лишь ферро-и ферримагнитные породы поверхностных слоев Земли — ее коры (прежде всего магнетит — самая распространенная железная руда) способны влиять на поле Земли, создавая локальные магнитные аномалии.
Как следует из анализа распространения сейсмических волн в недрах Земли, ядро ее находится в жидком состоянии. Физические условия там таковы, что ядро электропроводно. За счет радиоактивного распада в ядре происходит энерговыделение, вызывающее конвективные движения в нем. Вторым типом движений вещества ядра может быть его дифференциальное вращение. О дифференциальном характере вращения ядра Земли говорит, видимо, так называемый западный дрейф магнитного поля. В целом ядро Земли, вероятно, вращается чуть медленнее ее коры: один оборот происходит на 0,12 с дольше. Внешние части ядра, соприкасающиеся с мантией, вращаются синхронно с твердым телом, внутренние — нет. Дифференциальные движения и конвекция порождают турбулентность. Ожидаемые отсюда скорости турбулентных движений v вещества в ядре — десятые доли миллиметра в секунду.
Проводимость о вещества ядра в большей части ее объема невелика, так что магнитное число Рейнольдса Rra ^ 100 [вмороженность магнитного поля в вещество сравнительно слабая] и время затухания магнитного поля в ядре Земли согласно формуле (1.6) около 10 лет. Таким образом, при отсутствии геомагнитного динамо в ядре Земли магнитное поле очень быстро затухло бы. Но турбулентность совместно с дифференциальным вращением создают благоприятные условия поддержания и усиления поля Земли. Таким образом, даже очень слабое исходное (затравочное) поле могло породить наблюдаемое поле Земли. Как следует из палеомагнитных данных, геомагнитное динамо работает в неустойчивом режиме, приводя к значительным колебаниям поля за время порядка 104 лет и время от времени к смене знака поля.
Источник: interfen.ru.
Рейтинг публикации:
|
