15

Магнитное поле Земли

Земля представляет собой как бы гигантский магнит с силовым полем вокруг (см. рис.). Геомагнитное поле дипольное. Диполь (от ди – два и полос – полюс – греч.) – совокупность двух равных по величине магнитных зарядов противоположного знака, находящиеся на некотором расстоянии друг от друга. В действительности магнитных зарядов не существует, однако магнитные поля замкнутых токов на больших от них расстояниях оказывается таким же, как если бы оно было создано магнитным диполем. Ось диполя составляет угол с осью вращения Земли в 11^о 26¹. Воображаемая магнитная ось Земли не проходит точно через ее геометрический центр, он сдвинут на 430 км в сторону Тихоокеанского сектора.

Магнитные полюса Земли расположены в настоящее время вблизи географических, но не совпадают с ними. Поэтому различают магнитное склонение и магнитное наклонение.

Магнитное склонение – угол между направлением стрелки компаса северным направлением географического меридиана. Склонение может быть западным и восточным. Линии, соединяющие на карте точки с одинаковыми значениями склонения, называются изогонами (изо – равный, гониа – угол – греч).

Магнитное наклонение – угол между направлением стрелки компаса и горизонтальной плоскостью. Магнитная стрелка, установленная на вертикальной оси, по мере движения от экватора к полюсу, изменяет угол наклона от 0^о (магнитный экватор) до 90^о (магнитный полюс) (см. рис.). Магнитное наклонение – это угол между вектором напряженности магнитного поля и горизонтальной плоскостью. Наибольшее наклонение наблюдается в районе магнитных полюсов. Линии на карте с одинаковым наклонением называются изоклинами (клино – наклоняю).

Происхождение магнитного поля Земли

1. Исторические сведения о земном магнетизме

Плиний объясняет происхождение слова "магнит" так. Он приводил

легенду, заимствованную у Никандра (200 лет до н.э.), о пастухе по имени Магнус, который однажды обнаружил, что железный наконечник его палки и сапоги, подбитые гвоздями, притягиваются к каменным породам. Эти породы стали называть "камнем Магнуса", или просто "магнитом".

Первое основательное изучение свойств магнита предпринял в ХШ веке ученый Петр Перегрин, французский ученый и инженер, окончивший университет в Париже. Петр в письме своему другу, отправленном из Южной Италии, где он был в составе французских войск, осаждавших город Люцерн, обстоятельно изложив свойства магнита. Анализ письма дает основание считать, что Перегрин первый сообщил, как экспериментально найти положение полюсов естественного магнита, и ввел понятие "северный" и "южный" полюсы, сохранившиеся до наших дней.

Прошло несколько веков. Отважные мореплаватели на маленьких парусных кораблях совершали далекие путешествия, открывая неведомые страны, моря, проливы. В этих путешествиях компас играл чрезвычайно важную роль. И как часто бывало со многими явлениями природы, магнитное склонение (так позднее стали называть отклонение стрелки компаса от географического меридиана, или направления север-юг), хотя и известное многим, не нашло отражение в каких-либо документах.

Есть основание полагать, что Христофор Колумб открыл не

только Америку, но и магнитное склонение. Он же обнаружил

и другой факт, имевший огромное значение в изучении магнитного поля Земли, что магнитное склонение изменяется с изменением географических координат.

Изменение магнитного склонения от одного места к другому, обнаруженное Колумбом, послужило мощным толчком к изучению магнитного поля Земли. И во многих местах земного шара начинают измерять магнитное склонение. В результате были открыты интересные особенности магнитного поля Земли. Изменение магнитного поля Земли в течение периода времени, измеряемого десятилетиями и больше, стали называть вековыми вариациями, или вековым ходом.

В результате дальнейших исследований обнаружилось, что вековой ход магнитного поля на земном шаре непостоянен, в одних районах величина его постепенно увеличивается, а в других - уменьшается (иногда заметно в течение одного года).

Поэтому магнитные карты весьма быстро стареют, и их приходится обновлять, пересоставлять через десять, а иногда и через пять лет.

Земному магнетизму уделили внимание крупнейшие ученые России: М.В.Ломоносов, Л.Эйлер, И.М.Симонов, А.Н.Лебедев, Н.А.Умов и др.

Весьма ценным было открытие явления палеомагнетизма, или остаточного магнетизма, приобретенного породами в период их образования, много десятков и даже сотен млн лет назад, и сохранившегося до настоящих дней. Изучение палеомагнетизма

в некоторых случаях позволяет установить, какие изменения

претерпело магнитное поле Земли за геологические периоды времени, следовательно, историю намагничевания пород земной коры. Породы земной коры подобны магнитной ленте магнитофона, на которой природа "записала" сложную историю магнитного поля

Земли.

Изучение палеомагнетизма говорит о миграции магнитных полюсов во времени: северный полюс сменялся южным и наоборот, т.е. происходила инверсия. Шкала инверсий магнитного поля (магнитостратиграфическая схема) используется для расчленения и сопоставления горных пород. Условные обозначения этой шкалы следующие:

• прямая полярность – черная заливка,

• обратная полярность – белая заливка,

• аномальная – косая плюс перекрестная штриховка,

• частое чередование полярностей – вертикальная жирная штриховка,

• интервалы менее достоверных данных – сужаются вдвое за счет правой части,

• неизученные интервалы – белые, но ограничиваются горизонтальными волнистыми линиями, а левая вертикальная линия, ограничивающая колонку, прерывается,

• намагниченность, полярность которой совпадает с полярностью современного геомагнитного поля, называется прямой и обозначается латинской буквой N или n,

• полярность, противоположная современной, называется обратной и обозначается буквой R или r,

• переменная (смешанная, чередующаяся по разрезу) полярность обозначается сочетаниями букв в зависимости от примерного равенства или преобладания прямой или обратной полярности NR, Nr, Rn,

• аномальная полярность (соответствует значительному отклонению направления магнитного поля от направления прямой и обратной полярности) обозначается вышеуказанными символами, перед которыми ставится буква «а».

В квартере в интервале 1,8 млн лет выделяется две верхние магнитозоны (ортозоны) сверху вниз:

• Брюнес – прямая намагниченность (N) 780 тыс. лет,

• Матуяма - обратная намагниченность (R ) – 1,2 млн. лет.

Причем в Брюнесе выделяется 13 микрозон обратной намагниченности продолжительностью 1 000 лет (10³) (в среднем) они имеют свои названия.

Установление подлинных причин земного магнетизма, являющееся труднейшей научной проблемой, значительно расширит рамки применения магнитного поля Земли в практической и научной деятельности человека и поможет познать строение Земли

и процессы, происходящие внутри ее.

2. Вариации магнитного поля

2.1. Три составляющих геомагнитного поля

Магнитное поле Земли обладает некоторыми особенностями,

отличающими его от других геофизических полей (гравитационного, теплового и др.). Измеряемое геомагнитное поле можно разделить на три компонента, имеющие принципиально различные источники: главное поле, аномальное поле и внешнее (или переменное).

Главное поле обусловлено существованием в жидкой части

земного ядра источников токовой природы. Аномальное поле определяется совокупностью источников ферромагнитной природы,

расположенных в относительно тонком (порядка 60 км) поверхностном слое земной коры. Ферромагнетизм – свойства минералов намагничиваться в магнитном поле и частично сохранять намагниченность при исчезновении намагничивающего поля. Связан с наличием в материале областей спонтанной намагниченности. К числу ферромагнетиков относятся вещества группы железа: Fe, Ni, Co, многочисленные соединения и сплавы этих металлов, а также минералы: магнетит, титаномагнетит, маггемит, пирротин, гематит, ильменит, ульвошпинель, псевдобрукит и вюстит. Парамагнетизм – (пара –возле, мимо, вне) – свойства вещества намагничиваться в магнитном поле, но в которых отсутствует самопроизвольная намагниченность. В отсутствие поля намагниченность пропадает. Парамагнитными являются большинство породообразующих минералов. Точка Кюри – температура, выше которой ферромагнитные вещества превращаются в парамагнитные. Названа в честь Кюри, открывшего в 1895 г. явление исчезновения ферромагнитных свойств при нагревании ферромагнитных минералов. Значения точки Кюри для магнетита – 580 ^о, пирротина –300 ^о, гематита – 675 ^о. Внешнее, или переменное, поле создается совокупностью источников токовой природы, расположенных за пределами Земли. Каждый источник имеет свой набор характерных частот, и поэтому возникает другая особенность,

присущая только геомагнитному полю,- временные вариации -

изменения в широком диапазоне от секунд до 10 тыс. лет.

Временные вариации при решении различных географических задач имеют двойственный характер. С одной стороны, они являются помехой: карты магнитного поля стареют и их приходится

пересоставлять через каждые 5 лет. С другой стороны, временные вариации расширяют возможности применения магнитного поля для изучения внутреннего строения Земли и процессов, протекающих в ее глубинах. Привлекая к рассмотрению кроме пространственной структуры поля временные характеристики его вариаций - периоды, фазы, пространственную структуру амплитуд вариаций, мы можем судить о динамике источников магнитного поля, проводимости вещества земных недр, накоплении упругих напряжений в верхней оболочке Земли и т.п.

Благодаря простым и точным методам измерения элементов магнитного поля (с самолетов, судов, искусственных спутников) возникло много прикладных задач и прикладных дисциплин, связанных с развитием геомагнетизма как самостоятельного научного направления. Магнитная картография, компасное

дело, определение и устранение девиации (девиация – отклонение стрелки компаса от направления магнитного меридиана, обусловлена, главным образом, влиянием близко расположенных намагниченных тел – например, стальной корпус судна -, устраняется вспомогательными магнитами), аэромагнитная разведка полезных ископаемых стали сферой приложения магнитных данных. С увеличением точности магнитных измерений и по мере углубления представлений о структуре магнитного поля и его природе возросло требование к точности магнитных карт и вековых вариаций поля. Вот почему сейчас стали актуальными исследования пространственной структуры геомагнитного поля и закономерности ее изменений во времени.

2.1.1.Главное поле

Основная составляющая магнитного поля Земли (примерно

90 % от величины наблюдаемого на поверхности Земли поля) -

главное поле. По современным представлениям, его источники -

токовые системы. Они расположены в жидкой части земного ядра

на глубинах около половины радиуса Земли. Напряженность поля, создаваемого этими источниками, достигает амплитуд 60 000 гамм, а его изменение - вековые вариации имеют амплитуды, достигающие сотен гамм в год. Только в первом (очень грубом) приближении пространственную структуру поля можно представить полем диполя, ось которого составляет с осью вращения Земли угол в 11 градусов. Этот угол не остается постоянным во времени, не остается постоянным и положение магнитных полюсов Земли. Воображаемая магнитная ось Земли не проходит точно через ее геометрический центр, магнитный центр сдвинут относительно геометрического на несколько сот километров в сторону Тихоокеанского сектора. Положение магнитного центра также меняется во времени. Перечисленные выше изменения параметров магнитного поля Земли отражают наиболее общие глобальные свойства вековой вариации.