земной магнетизм

ЗЕМНОЙ МАГНЕТИЗМ (геомагнетизм) - раздел геофизики, изучающий магнитное поле Земли (МПЗ), его распределение на земной поверхности, пространств. структуру (магнитосферу Земли, радиац. пояса), его взаимодействие с межпланетным магн. полем, вопросы его происхождения. Магнитное поле Земли имеет постоянную составляющую - осн. поле (вклад его ~ 99%) и переменную (~ 1%). Осн. МПЗ по форме близко к полю диполя, центр к-рого смещён относительно центра Земли, а ось наклонена к оси вращения Земли на 11,5°, так что геомагн. полюса отстоят от географич. на 11,5°, причём в северном полушарии находится южный магн. полюс (вектор магн. индукции направлен вниз). Величина магн. момента диполя в наст. время составляет 8,3.10²² А.м². Ср. величина магн. индукции вблизи земной поверхности равна ~ 5.10^-5 Тл. Напряжённость геомагн. поля убывает от магн. полюсов к магн. экватору от 55,7 до 33,4 А/м (от 0,70 до 0,42 Э). Отклонения от поля диполя, имеющие на поверхности Земли характерный размер ~ 10⁴ км и величину в макс. до 10^-5 Тл, образуют т. н. мировые магн. аномалии (напр., Бразильская, Сибирская, Канадская). Осн. МПЗ испытывает лишь медленные изменения во времени (т. н. в е к о в ы е вариации, ВВ) с периодом от 10 до 10⁴ лет, причём имеется чётко выраженный их полосовой характер 10-20, 60-100, 600-1200 и 8000 лет. Главный период - ок. 8000 лет - характеризуется изменением дипольного момента в 1,5-2 раза. В ходе ВВ мировые аномалии движутся, распадаются и возникают вновь. В низких географич. широтах хорошо выражен западный дрейф МПЗ со скоростью ~ 0,2° в год. В результате ВВ геомагн. полюс прецессирует относительно географич. с периодом ~ 1200 лет. Сведения о распределении МПЗ и о ВВ получены из прямых измерений величины и направления МПЗ, к-рые начаты с 19 в., навигац. измерений магн. склонения (угла между направлением стрелки компаса и географич. меридианом в точке измерения) в 15- 20 вв. и из археомагн. и палеомагн. данных. МПЗ измеряется с помощью магнитометров наземными стационарными магн. обсерваториями, а также проводятся магн. съёмки - морские, на самолётах, ракетах и ИСЗ. В совр. 3. м. выделились два новых направления - археомагнетизм и палеомагнетизм, к-рые дали возможность изучить ВВ и обнаружить переплюсовку МПЗ. Археомагнетизм - раздел 3. м., изучающий величину и направление МПЗ, существовавшего в момент обжига керамики, кирпичей, черепиц, пода очагов и др. предметов человеческой деятельности, изготовленных из материалов, содержащих высококоэрцитивные ферримагн. минералы на основе окислов железа. При остывании от темп-ры выше Кюри точки минералы приобретают незначительную, но весьма стабильную термоостаточную намагниченность. Вместе с данными о времени обжига (историч. сведения или радиоуглеродный метод) величина и направление этой намагниченности позволяют восстановить пространственно-временную структуру МПЗ за 8-10 тыс. лет. Палеомагнитология - раздел 3. м., изучающий величину и направление древнего МПЗ по намагниченности осадочных горных пород, содержащих ферримагн. минералы. Изучение палеомагн. методами показало, что МПЗ существовало, по крайней мере, 2,5 млрд. лет тому назад (возраст Земли ~4,6 млрд. лет) и имело величину, близкую к современной. Среднее за 10⁴-10⁵ лет положение геомагн. полюсов совпадает с географическими. Характеристики геомагн. поля сохраняются неизменными в течение 10⁵-10⁷ лет, потом МПЗ неожиданно уменьшается в 3-10 раз, и в этот относительно короткий (10³-10⁴ лет) переходный период может измениться знак магн. поля (инверсия). Через нек-рое время величина МПЗ снова достигает нормального уровня и опять сохраняется достаточно долго (10⁵-10⁷ лет). При пониж. значении поля в переходный период может произойти одна, неск. (2-3) или ни одной инверсии. Моменты наступления переходных периодов распределены во времени случайно - вероятность их наступления описывается законом Пуассона. За последние ~ 30 млн. лет ср. время между инверсиями составляет ~ 150 000 лет; однако эта величина может меняться в значит. пределах: на протяжении последних 500 млн. лет она менялась на порядок с периодом ~ 200 млн. лет. Палеомагн. измерения направления магн. поля на континентах позволили определить, на какой географич. широте располагался данный континент в момент образования изучаемой горной породы. Эти данные подтвердили гипотезу о дрейфе континентов. Кроме мировых аномалий, в распределении геомагн. поля на поверхности наблюдаются местные аномалии, связанные с намагниченностью горных пород, слагающих земную кору. Почти все горные породы содержат нек-рое количество ферримагн. минералов на основе окислов железа, к-рые намагничиваются в МПЗ и создают аномалии. Размеры этих аномалий лежат в пределах от единиц до сотен км, их величина в среднем для всей поверхности Земли составляет 2.10^-7 Тл, но в отд. исключит. случаях достигает 10^-5 Тл (Курская магн. аномалия). Изучение аномалий магн. поля имеет важное значение для поисков полезных ископаемых и изучения глубинного строения земной коры до глубины 20-50 км (темп-ра более глубоких слоев превышает точку Кюри всех ферримагн. минералов). Пространственная структура геомагнитного поля. МПЗ имеет пространств. распределение вокруг Земли, формируя совместно с солнечным ветром магнитосферу - многосвязную систему электрич. и магн. полей и потоков заряж. частиц. Магнитосфера не симметрична относительно дневной и ночной стороны: магн. поле с дневной стороны сжато солнечным ветром до расстояния ~ 10R_з (R_з - радиус Земли) и имеет вытянутый "хвост" с ночной стороны на многие млн. км. Линии магн. поля в магнитосфере делятся на замкнутые ([3R_з ), близкие к линиям магн. диполя, и открытые, уходящие в хвост магнитосферы. Замкнутые линии магн. поля Земли являются геомагнитной ловушкой для заряж. частиц, образующих радиационные пояса Земли. Электрич. токи, протекающие в ионосфере и магнитосфере, создают перем. компоненту магн. поля Земли (ПКМП), не превышающую по величине 10^-7 Тл. Она испытывает временные вариации (с периодом от неск. секунд до неск. дней), к-рые делятся на спокойные и возмущённые. Спокойные вариации связаны с суточным вращением Земли и её движением по орбите. Разогрев ионосферы и увеличение ионизации на дневной стороне приводят к возникновению устойчивых ионосферных ветров, т. е. движению электропроводящей среды в МПЗ. Генерируемые при этом движении электрич. токи создают спокойные суточные вариации ПКМП, а их изменение в течение года - сезонные вариации. Возмущённые вариации связаны с нерегулярными процессами в магнитосфере, возникающими при обтекании МПЗ солнечным ветром. Нерегулярности солнечного ветра, создаваемые активными процессами на Солнце, приводят к резким и значит. перестройкам магнитосферы, что на поверхности Земли проявляется в виде разд. вариаций ПКМП - пульсаций, бухт, магн. бурь и т. п. Величина и характер магнитных вариаций зависят как от характеристик солнечного ветра (скорости и плотности частиц, направления вмороженного межпланетного магн. поля - ММП), так и от магнитогидродинамич. процессов, происходящих в разл. структурных особенностях магнитосферы. Во время магн. бурь ПКМП может изменяться до 10^-6 Тл, что существенно влияет на показания компаса в высоких широтах. Изучение ПКМП позволяет наземными методами диагносцировать параметры солнечного ветра и процессы в ионосфере и магнитосфере Земли. Напр., протекание спокойной суточной вариации ПКМП в полярной зоне зависит от направления ММП, и с изменением направления (определяемого секторной структурой ММП) форма вариации резко меняется. Этот эффект позволил подробно изучить направление ММП за много десятилетий до первых непосредственных измерений, выполненных на высокоапогейных ИСЗ. Диагностика магнитосферных и ионосферных процессов имеет важное значение для определения условий распространения радиоволн, радиац. опасности на высотах полёта ИСЗ и т. п. Нек-рые вариации ПКМП могут оказывать влияние на живые организмы; предполагается нек-рое влияние ПКМП на атм. процессы и формирование погоды. Магнитные поля планет Солнечной системы также являются в наст. время предметом изучения 3. м. Прямые измерения магн. полей планет космич. аппаратами, а также изучение нек-рых типов радиоизлучения планет-гигантов (Юпитера и Сатурна) показали наличие у этих планет собственного магнитного поля. Магнитные поля на поверхности Марса и Меркурия достигают 10^-7 Тл, на поверхности Юпитера - 1,4.10^-3Тл, Сатурна - 2.10^-4 Тл. Венера и Луна не обладают измеримым магнитным полем, хотя изучение намагниченности наиболее древних пород Луны свидетельствует о вероятности существования такого поля на раннем этапе её истории. Заметной остаточной намагниченностью обладают также метеориты всех типов. Генерация МПЗ. Вопрос происхождения МПЗ долгие годы оставался предметом острого интереса исследователей. Последовательно были изучены и отброшены, как несостоятельные, гипотезы о его ферромагн. природе (в связи с наличием высоких темп-р в недрах Земли); о разделении электрич. зарядов в теле Земли, вращающихся вместе с планетой (любые силы, способствующие разделению зарядов, на много порядков меньше кулоновских сил притяжения, препятствующих такому разделению); о токах, вызываемых термоэдс в неравномерно нагретой Земле (периоды вековых вариаций МПЗ на много порядков меньше характерных времён перестройки теплового поля). Всем экспериментальным фактам удовлетворяет лишь теория генерации МПЗ (и др. планет) конвективными движениями электропроводящего вещества в жидком ядре нашей планеты - теория гидромагнитного динамо. Характерные времена гидродинамич. процессов в жидком ядре Земли получены по независимым данным о вековых вариациях скорости суточного вращения Земли, связанных с перераспределением момента вращения между мантией и ядром Земли в связи с нерегулярностью турбулентной конвекции вещества в ядре. Найдены системы движения электропроводной жидкости, к-рые могут работать как динамо-машина с самовозбуждением. Построены экспериментальные модели, состоящие из быстро вращающихся цилиндров в электропроводящей жидкости, к-рые самовозбуждались и генерировали собственное магн. поле за счёт энергии вращения. Однако конкретной матем. модели гидромагн. динамо для Земли пока не построено. Затруднения связаны как с недостатком сведений об источниках энергии, возбуждающих конвективное движение в ядре Земли, так и с матем. трудностями решения полной системы ур-ний магнитной гидродинамики. Лит.: Стейси Ф--Д., Физика Земли, пер. с англ., М., 1972; Яновский Б. М., Земной магнетизм, Л., 1978. В. П. Головков.

   <<      Предметный указатель      >>