2. Формирование магнитного поля Земли

Под действием магнитного поля Земли и его взаимодействия с потоками заряженных частиц космического происхождения (солнечным ветром) формируется магнитосфера. Ее исследования показали, что магнитное поля Земли с высотой убывает обратно пропорционально взаимодействию с солнечным ветром имеют сложный характер: с солнечной стороны форма полусферы, а с противоположной стороны (ночь) изолинии вытянута в виде «хвоста», называемого геомагнитным шлейфом. В магнитосфере установлены зоны повышенной космической радиации, являющиеся своеобразным мостом между полюсами Земли, по которому мгновенно распространяются любые электромагнитные возмущения.

Форма деформации магнитосферы может быть представлена так:

3.Структурная характеристика магнитного поля

Суммарное магнитное поле Земли разделяется на:

• постоянное;

• переменное.

Постоянное поле вызвано внутренними источниками магнетизма и его называют геомагнитным полем Земли. Но абсолютно постоянным это поле назвать нельзя, поскольку оно обусловлено «вековыми» вариациями. Последние характеризуют медленные изменения геомагнитного поля. Изменения происходят по закону синуса-конуса. Осредненная кривая имеет период 8000 лет.

Процесс изменения среднегодовых значений элементов земного магнетизма, называется вековым ходом. Он в разных точках земной поверхности не одинаков по амплитуде и по времени (в меньшей степени). Главная особенность – различная продолжительность периодов Т. Изменения кривой 2-го порядка могут происходить в диапазоне Т от 360 до 2700 лет, а кривой 3-го порядка в диапазоне Т от 11 до 80 лет.

Различная продолжительность периодов объясняется, по-видимому, отсутствием сбалансированности движущихся частиц гидромагнитного динамо и различной их электропроводностью.

Изменение магнитного поля в историческом прошлом оценивается палеомагнитным методом. Суть его в так называемом «эффекте замораживания»: магнитные составляющие горных пород и других природных объектов в момент их образования ориентируются вдоль магнитных силовых линий.

Геомагнитное поле Земли в общем, магнитном поле является основным, его вклад более 90%. Как и у любого магнита имеются полюса. Силовые линии выходят из северного магнитного полюса (N) и «входят» в южный магнитный полюс (S). Полюс N находиться в южном полушарии, а S в северном, но в обиходе их называют по аналогии с географическими полюсами. Со временем магнитные полюса меняют свое направление, наблюдается их «плавание». Интересным и до сих пор не разгаданным явлением является инверсия («перескок») полюсов. Длительность примерно 5 – 10 тыс. лет. С этими эпохами совпадают существенные геологические, климатические и биологические изменения на планете. Регулярности в инверсиях не обнаружено. Частота «прыгает» от длительных к частым периодам.

Магнитные и географические полюсы по топографическим координатам не совпадают. Магнитная ось наклонена к оси вращения Земли на 11,5⁰.

На примере поведения животных прогнозируется связь магнитного поля Земли с биополем.

В целом геомагнитное поле не является однородным. В иных частях, особенно на материках оно резко дифференцировано. В связи с этим различают материковые, региональные и локальные аномалии. Две разновидности последних – предмет изучения магниторазведки с целью поисков и разведки месторождений полезных ископаемых. Т.е. это 2-ой и 3-ий уровень изучения геомагнитного поля, а первым занимается магнитометрия. В подавляющем большинстве случаев интенсивность магнитных аномалий не превышает 10% главного магнитного поля Земли.

Переменное поле – вызвано внешними источниками магнетизма за счет индукции от вихревых токов космического происхождения.

Вихревые токи – это солнечный ветер, т.е. поток заряженных частиц. В этот поток магнитное поле Земли (когда его солнечный ветер «достигает») проникнуть не может. Единственными «щелями» являются воронки у полюсов, где вихревые токи сложным образом концентрируются по поверхности Земли. Переменное поле накладывается на постоянные и вызывает различные вариации суммарного поля во времени. Вариации носят квазипериодический и непериодический характер.

Вариации (возмущения) происходят постоянно. Дней без вариаций не бывает. Наблюдения за изменениями геомагнитного поля производят с помощью специальных приборов. Это обычные микровольтметры с непрерывной цифровой или магнитной записью.

К квазипериодическим колебаниям относят годовые, солнечно-суточные, лунно-суточные и короткопериодные. Наиболее значительные из них солнечно-суточные.

Под годовыми вариациями понимают изменения среднемесячных значений напряженности магнитного поля Земли (до нескольких сотых А/м).

Солнечно-суточные вариации имеют период (Т) равный 24 часам. Токи поражены ультрафиолетовой частью солнечного излучения и инициируются ветрами, дующими от экватора к полюсам. Обозначаются магнитные вариации буквой .

Многолетний суточный ход составляющих геомагнитного поля следующий:

Солнечно-суточные вариации (S_d) зависят от времени года и географической широты. Фазы колебаний и по широте и по времени года практически не изменяются, а меняются амплитуды (летом в 3-4 раза больше чем зимой). S_d влияют на положение магнитных полюсов Земли, которые в течение суток смещаются примерно на 100 км. На магнитных картах это не точка, а кружок.

Лунно-суточные вариации (L) имеют полусуточный характер (Т = 12 ч. 25 мин. 14 сек.). Кривые характеризуются двумя максимумами и двумя минимумами. (Правильная двойная волна). Амплитуды колебаний составляют 10-15% от S_d. Т.е. если для S_d они равны (Н = 1,6 – 2,4*10^-2А/м и Z = 0,4 – 1,6 А/м), то для L они равны ( ).

Короткопериодные вариации (КПК) имеют период Т 0,1 – 10² сек. Это магнитные пульсации в виде затухающих синусоид. Их обнаружено большое количество типов, различающихся по форме, периоду и амплитуде. Наиболее частый период Т = 60 – 180 с. КПК неодинаковы в платформенных и геосинклинальных областях. КПК индуцируют в земной коре токи, получившие название магнито-теллурических.

К непериодическим колебаниям относят магнитные бури. Характерная их особенность – внезапность появления притом, что все элементы земного магнетизма претерпевают очень быстрые и непрерывные изменения.

Амплитуды Н и Z , бывают очень большие 2 – 4 до 16 А/м. В годы максимальной солнечной активности наблюдается до 30 – 50 бурь в год.

Природа бурь до конца не ясна. Известно, что магнитные бури оказывают влияние на состояние здоровья.

Лекция № 5

Тема: «Электромагнитное поле Земли»