Исследование магнитного поля Земли

Цель работы: измерение параметров магнитного поля Земли.

Приборы и принадлежности: катушка индуктивности, усилитель-интегратор для регистрации воздействия магнитного поля.

Краткая теория

М агнитное поле Земли (рис. 1) в первом приближении подобно полю однородно намагниченного шара. Северный магнитный полюс находится в Южном полушарии Земли, а южный полюс - в Северном (северный полюс магнитной стрелки компаса притягивается к южному полюсу земного магнита). Магнитная ось наклонена относительно географической на 11° и смещена на 1140 км в сторону Тихого океана. Магнитные полюса и ось со временем медленно изменяют свое положение. Силовые линии магнитного поля выходят из Земли в Южном полушарии и входят в неё в Северном полушарии.

Магнитное поле в любой точке пространства задаётся вектором магнитной индукции B, который направлен вдоль касательной к силовой линии. Для полного задания вектора магнитного поля Земли достаточно определить три параметра. Можно выбрать разные наборы параметров, обусловлённые выбором системы координат, чаще всего задают следующие: модуль вектора B (полное поле), горизонтальную компоненту B_Г и магнитное склонение D – угол между направлением на географический северный полюс и на магнитный южный полюс (угол между плоскостями географического и магнитного меридианов). Эти параметры называют элементами земного магнетизма. Кроме перечисленных к ним относят также магнитное наклонение I (угол между B и B_Г) и вертикальную составляющую B_В, а также некоторые другие.

Описанное выше магнитное поле называют основным (или дипольным) магнитным полем. Его величина на поверхности Земли меняется в следующих пределах: полный вектор индукции магнитного поля - от 30 до 60 мкТл, горизонтальная составляющая B_Г - от 0 до 40 мкТл

В деталях поле Земли имеет более сложную конфигурацию, чем поле однородно намагниченного шара. На дипольное поле наложены несколько так называемых мировых аномалий (самые крупные - Бразильская, Сибирская, Канадская) размером порядка 10⁴км, поле в которых отличается от основного на величину до 10 мкТл. Сумму дипольного и недипольного (поля мировых аномалий) называют главным магнитным полем. Кроме мировых аномалий, в распределении геомагнитного поля на поверхности наблюдаются местные аномалии, связанные с намагниченностью горных пород, слагающих земную кору. Размеры этих аномалий лежат в пределах от единиц до сотен километров, отклонения поля в них имеют порядок 0,1 мкТл, но в отдельных исключительных случаях достигают порядка 10 мкТл (например, Курская магнитная аномалия).

Наблюдения показывают, что магнитное поле Земли непостоянно во времени. Основной вклад в сезонные изменения магнитного поля (суточные, месячные и полугодовые) вносят изменения электрических токов в верхних слоях атмосферы, однако амплитуда этих изменений составляет лишь доли процента. Среднее значение магнитного поля за длительный промежуток времени – это относительно устойчивая величина и называется она постоянным магнитным полем. Разность же между значениями наблюдений и среднегодовым значением принято называть переменным магнитным полем или полем вариаций. Таким образом, наблюдаемое магнитное поле является суммой двух полей – постоянного и переменного.

Постоянное поле, однако, тоже меняется со временем, но на гораздо больших промежутках. Так дипольное магнитное поле испытывает изменения с периодами в 10…20, 60…100, 600…1200 и 8000 лет (так называемые вековые вариации). Амплитуда таких вариаций достигает 0,1 мкТл/год. В результате вековых вариаций геомагнитные полюса также двигаются вокруг географических с периодом около 1200 лет, а мировые аномалии смещаются, распадаются и возникают вновь. Исследования минералов показывают, что магнитное поле Земли за 4-5 млрд. лет существования планеты меняло свою ориентацию с севера на юг и обратно сотни раз. Однако в течение последних 780 тыс. лет ничего подобного не происходило, несмотря на то, что средний период смены магнитных полюсов - 250 тыс. лет.

Достаточно разработанной количественной теории геомагнитного поля в настоящее время не существует. Считается, что главным источником поля являются вихревые электрические токи во внешней жидкой части ядра Земли (так называемое геомагнитное динамо). Наиболее вероятной причиной возникновения этих токов являются конвективные движения электропроводящего вещества (расплавленного железа) в ядре нашей планеты.