Понятійно-термінологічний апарат

Гравітація

Гравітаційне поле Землі

Поле притягнення

Нормальне гравітаційне поле Землі

Аномальне гравітаційне поле Землі

Ізостазія

Гравітаційна диференціація речовини

Антиподальність Землі

Напруженість сили ваги Землі

Магнітне поле Землі

Локальна магнітна аномалія

Магнітосфера Землі

Іонізація атмосфери

Магнітопауза

Зовнішній пояс Землі

Теплове поле Землі

Електростатичне поле Землі

Рекомендована література Основна література

1. Багров М.В., Боков В.О., Черваньов І.Г. Землезнавство: Підручник / за ред. П.Г. Шищенка./ – К.: Либідь, 2000. – 464 с.

2. Федорищак Р.П. Загальне землезнавство: навч. посібник. – К.: Вища школа, 1995. - 223 с.

Додаткова література

1. Грушинский Н.П., Грушинский А.Н. В мире сил тяготения. – М.: Недра, 1978. – 175 с.

2. Двуліт П.Д. Гравіметрія: Підручник.- Львів: ЛАГТ, 1998.- 196 с.

3. Двулит П.Д., Павлив П.В. О комплексном изучении вертикальних движений земной коры и изменений гравитационного поля Земли // Геодезия, картографи и аэрофотосьемка. - Львов.- 1992. - 53. - С.8-12.

4. Ермолаев М.М. Введение в физическую географию. – Л.: Изд-во ЛГУ, 1975. – 260 с.

5. Короновский Н.В., Ясманов Н.А. Геология. – М.: ACADEMA, 2005. – 446 с.

6. Почтарев В.И., Михман Б.З. Тайна намагниченной Земли. – М.: Педагогика, 1986. – 112 с.

7. Стейси Ф. Физика Земли. М.: Мир, 1972. – 340 с.

8. Трухин В.И., Показеев К.В., Куницын В.Е. Общая и экологическая геофизика. М.: Физматлит, 2005. – 570 с.

9. Тяпкін К.Ф., Тяпкін О.К., Якимчук М.А. Основи геофізики: Підручник. – К.: “Карбон Лтд”, 2000. – 248 с.

10. Тяпкин К.Ф. Физика Земли. К.: Вища школа, 1998. - 312 с.

Тема 3. Магнітне (геомагнітне) поле Землі

Земля – велетенський сферичний магніт (магнітний диполь) з магнітними силовими лініями, які утворюють магнітне (геомагнітне) поле Землі, відповідно – магнітні (геомагнітні) полюси. Магнітне поле Землі – це фактично виміряне поле, геомагнітне – теоретично розраховане поле планети.

Вісь диполя не співпадає з віссю обертання Землі на 11,5º.

У просторі магнітні полюси постійно мігрують та інколи відбувається їх інверсія (зміна знаку). На даний час Північний геомагнітний полюс знаходиться у Південній півкулі в Антарктиді (географічні координати - 75 пд.ш., 120,4 сх.д.), а Південний геомагнітний полюс мігрує неподалік Північного географічного полюса, на території північної частини Гренландії (географічні координати - 78,6° пн.ш., 70,1° зх..д). За станом на 1950 р. координати полюсів були іншими (70 пд.ш., 150 сх.д.; 72° пн.ш., 96°зх..д). Загалом Північний геомагнітний полюс рухається через Північний Льодовитий океан у напрямку до Східного Сибіру. До 1970 року швидкість його руху становила близько 9 км/рік, пізніше вона зросла і на початок 2008 р., за даними геофізичних досліджень, становила понад 50 км/рік.

Головними параметрами магнітного поля Землі є:

магнітні меридіани (відповідають магнітним силовим лініям і не співпадають з географічними меридіанами);

магнітне схилення, - кут між магнітним та географічним меридіанами (має дуже важливе значення для орієнтування, позначається на топографічних картах);

магнітне нахилення, - кут між вектором напруження геомагнітного поля та горизонтальною площиною в точці, що розглядається на земній поверхні. Для вимірювання магнітного нахилення використовують такий прилад як інклінатор, який застосовується у судноплавстві для здійснення магнітного моніторингу. Подібним до інклінатора є гірничий компас, який використовують для визначення напряму (азимута) простягання і кута падіння гірських порід;

напруга земного магнетизму – параметр для визначення сили магнітного поля Землі. На недавней конференции Американского геофизического союза активно обсуждалась тема ослабления магнитного поля Земли и последствиях этого процесса для человечества. По данным ученых за последние 150 лет (раньше наблюдений такого рода просто не велось) напряженность магнитного поля Земли уменьшилась на 10%. Так что не в таком уж отдаленном будущем (через 1500-2000 лет) можно ожидать, что оно исчезнет вовсе, после чего северный и магнитный полюс Земли могут поменяться местами.

Магнітне поле Землі не є однаковим, залежно від географічної широти. У зв’язку з цим виділяють три широтні зони – екваторіальну (характеризується малим проникненням протонів високих енергій в атмосферу Землі), помірних широт (інтенсивність космічних потоків тут є значно більшою, ніж в екваторіальній зоні) та полярних областей (в цій зоні магнітні силові лінії направлені до поверхні землі майже перпендикулярно, тут вони утворюють своєрідну лійку, - каспів, тому саме тут жорстке ультрафіолетове випромінювання є найбільш інтенсивним і особливо вірогідними є інтенсивні магнітні бурі та полярні сяйва).

Виділяють наступні види магнітного поля Землі:

головне (основне), на яке припадає 99% інтенсивності магнітного поля планети і яке спричинене механічно-електромагнітними процесами в зовнішньому ядрі Землі;

зовнішнє, формування якого обумовлене струменями високих енергій, що переважно надходять з сонячним вітром;

аномальне, в основі якого лежить намагніченість гірських порід верхньої частини земної кори.

Магнітосфера Землі - область навколоземного простору, фізичні властивості якого визначаються магнітним полем Землі та його взаємодією з потоками заряджених частинок космічного простору. Магнітосфера нашої планети має яскраво виражену асиметрію магнітних силових ліній, що першочергово, обумовлено дією сонячного вітру.

Магнитосфера Земли – полость в космическом пространстве, формируемая воздействием солнечного ветра на магнитное поле Земли

Радіаційні пояси та магнітосфера Землі

самолетов, многочисленные отряды магнитологов в самых разных точках

Магнитосфера Земли имеет сложную форму. Со стороны, обращенной к Солнцу, расстояние до ее границы варьируется в зависимости от интенсивности солнечного ветра и составляет около 70000 км (10-12 радиусов Земли Re, где Re = 6371 км, (расстояние считается от центра Земли). Граница магнитосферы, или магнитопауза, со стороны Солнца по форме напоминает снаряд и по приблизительным оценкам находится на расстоянии около 15 Re. С ночной стороны магнитосфера Земли вытягивается длинным цилиндрическим хвостом (магнитный хвост), радиус которого составляет около 20-25 Re. Хвост вытягивается на значительное расстояние — намного большее, чем 200 Re, и где он заканчивается — не известно.

Магнитосфера обеспечивает защиту, без которой жизнь на Земле могла бы не выжить. Марс, магнитное поле которого очень мало, как полагают потерял значительную часть своих бывших океанов и атмосферы в космос частично за счет прямого воздействия солнечного ветра. По той же причине, как полагают, Венера потеряла большую часть своих вод в космос — за счет уноса солнечным ветром. [1]

з

Модель инверсии геомагнитного поля Земли показывает изменение поля с прямого на обратное, при котором южный и Северный магнитные полюса меняются местами. Желто-красные линии соответствуют исходящим линиям магнитного поля, сине-голубые - входящим. Это изображение - компьютерная модель магнитного поля Земли через 31 000 "лет" перед инверсией.

емного шара ведут наблюдения за геомагнитным полем. Измеренные его элементы анализируются, обрабатываются, по ним составляют магнитные карты, с помощью которых и изучают пространственное распределение магнитного поля.      Выяснилось, что магнитное поле подвержено самым разным изменениям. Некоторые из них являются регулярными и наблюдаются ежедневно в частности так называемые суточные вариации, для которых характерны циклические колебания напряженности магнитного поля и магнитного склонения. Не менее хорошо известны и другие вариации - короткопериодические колебания, продолжительность которых не превышает нескольких минут, а также магнитные бури, чья длительность может измеряться сутками.      Все эти вариации непосредственным образом связаны с деятельностью Солнца. В «спокойные магнитные дни» взаимодействие солнечного ветра с ионосферными токами вызывает плавные, регулярные изменения компонентов магнитного поля с периодом, близким к 24 часам. Магнитные бури, упомянутые выше, - это нерегулярные спорадические возмущения магнитосферы Земли. Они начинаются в момент, когда резко изменяется давление солнечного ветра на магнитосферу и она оказывается не в состоянии «отвести» поток высокоэнергетических частиц от Земли. В результате они пронизывают ионосферу, нарушая регулярную структуру околоземных электрических токов. Магнитные бури бывают разной интенсив-ности и длительности, но, как правило, пол-ное восстановление «спокойствия» геомаг- нитного поля происходит через 2-3 суток после начала бури.

Первая подобная шкала была довольно «куцей» - охватывала период лишь в 3,5 млн. лет и не отличалась большой детальностью. Дело в том, что лавы в большинстве

с

Это изображение компьютерная модель спустя 5000 "лет" - переменное магнитное поле в процессе инверсии. После которого наступает время обратного магнитного поля. Еще через 5000 "лет" инверсия будет закончена.

воем извергались только в определенные тектономагматические эпохи, в сравнительно узком временном интервале. А потому стало ясно, что, исследуя лишь лавы вулканических извержений, «прочесть» всю историю магнитного поля 3емли не удастся.      Ситуация изменилась радикальным образом, как только начались масштабные исследования магнитного поля океанов. Первые же непрерывные измерения вдоль линий, пересекающих Атлантический океан, выявили резкие отличии в строении магнитного поля океана по сравнению с сушей. Результат оказался поистине сенсационным. Выяснилось, что вместо сложной формы магнитных аномалий на суше, которая сильно меняется от района к району, океанические магнитные аномалии во всех океанах имеют регулярный, систематический характер.       Магнитное поле Мирового океана представляет собой параллельные полосы с чередующимся направлением намагниченности горных пород - оно попеременно то совпадает с направлением современного магнитного поля (прямая намагниченность), то прямо ему противоположно (обратная намагниченность). Эти аномалии протягиваются на тысячи километров, иногда без всяких искажений. Например, в Атлантическом океане они прослеживаются от Исландии до мыса Горн.

Эти изображения получены на основе компьютерного моделирования, иллюстрирующего действие экрана, защищающего Землю во время космических бурь. Солнечный ветер (желто-зеленый)

Внешнее магнитное поле Земли - магнитосфера - распространяется в космическом пространстве более чем на 20

з

емных диаметров и надежно ограждает нашу планету от мощного потока космических частиц. Наиболее же ярким проявлением магнитосферы являются магнитные бури - быстрые хаотические колебания всех компонентов геомагнитного поля. Зачастую магнитные бури захватывают весь земной шар: они регистрируются всеми магнитными обсерваториями мира - от Антарктиды до Шпицбергена, причем вид магнитограмм, полученных в самых отдаленных точках Земли, удивительно схож. Поэтому не случайно такие магнитные бури называют глобальными.      Амплитуда колебаний магнитного поля во время бури в сотни, а то и в тысячи раз превышает уровень колебаний в «спокойные» дни, однако по отношению к главному (внутреннему) магнитному полю Земли они обычно увеличиваются не более чем на 1-3%. Внешнее магнитное поле - это поле токов, текущих в ионосфере - внешней оболочке атмосферы Земли, расположенной примерно на расстоянии от 100 до 600 км от ее поверхности. Эта оболочка насыщена частично ионизированным газом - плазмой, которая пронизывается геомагнитным полем. Вращение Земли неизбежно приводит к вращению ее газовых внешних оболочек, которые, помимо земного тяготения, испытывают давление солнечного ветра. СТРОЕНИЕ МАГНИТОСФЕРЫ: (1) Солнечный ветер, (2) фронт ударной волны, (3) межпланетное магнитное поле, (4) хвостовая часть магнитосферы, (5) магнитопауза (граница магнитосферы), (6) ночная сторона магнитопаузы, (7) дневная сторона магнитопаузы, (8) точка пересечения силовых линий, (9) ионосфера, (10) захваченные силовыми линиями частицы, (11) сфера плазмы, (12) овал полярных сияний.

Знання щодо магнітного поля Землі мають важливе практичне значення, головно, для цілей судноплавства, навігації у космічному просторі. У зв’язку з цим ведеться магнітний моніторинг, як в межах суходолу, так і в океанах. Для такої цілі створюють магнітні обсерваторії (в Україні – це Димерська, Одеська та Львівська; зразкові обсерваторії такого спрямування, наприклад, створені у Какіоці, що в Японії, в Іркутську, що на території Росії), лабораторії магнітного картографування, наприклад у Санкт-Петербурзі, де проводять магнітні зйомки, розробляють магнітні карти, організовують морські магнітні експедиції на немагнітних суднах (приклад – шхуна «Заря», дослідниками якої у 60-х роках 20-століття було зроблено цілий ряд видатних наукових відкриттів).

Цікавим природним явищем, утворення якого пов’язане з магнітосферою Землі є полярне сяйво (рис. 12). Полярне сяйво – явище переважно високих широт Землі, яке формується у верхніх шарах атмосфери (80-1000 км) внаслідок впливу швидких електронів і протонів сонячного вітру на

геомагнітне поле Землі. Вплив високих енергій приводить у збуджений стан атоми кисню й азоту. Надлишок енергії, який виділяють атоми кисню призводить до яскравого випромінювання у зеленій та червоній частинах спектру. Збуджені атоми азоту сприяють виділенню енергії у фіолетовій частині спектру.

Механізм утворення північних полярних сяйв на даний час остаточно не з’ясований, проте за зовнішніми ознаками прояву полярні сяйва поділяють (Троицкий, 1998) на три види:

а) безпроменева форма у вигляді смуг, дуг та дифузного (розсіяного) світіння;

б) променева форма у вигляді корони, драпрі (рис. 12);

в) полум’яна форма у вигляді спалахів та язиків.

Рис. 12. Полярне сяйво над Кольським півостровом