«Тема 11. ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ПОЛЯ ЗЕМЛИ: МАГНИТНОЕ И ГРАВИТАЦИОННОЕ 11.1. МАГНИТОСФЕРА ЗЕМЛИ Магнитное поле Присутствие магнитного поля Земли наблюдал ...»

Тема 11. ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ПОЛЯ ЗЕМЛИ: МАГНИТНОЕ И

ГРАВИТАЦИОННОЕ

11.1. МАГНИТОСФЕРА ЗЕМЛИ

Магнитное поле

Присутствие магнитного поля Земли наблюдал каждый, кто брал в руки

компас и видел, как один конец стрелки, указывает на север, другой – на юг.

Различают два вида магнитного поля Земли: постоянное (главное) и

переменное. Природа и происхождение их различны, но между ними существует

взаимосвязь. Формированию постоянного магнитного поля способствуют внутренние источники – электрические токи, возникающие на поверхности уплотненного ядра Земли из-за различия температур в его частях, что предположительно связано с динамическими процессами в мантии и ядре. Они создают устойчивое магнитное поле, простирающееся на 20 – 25 земных радиусов, разное по напряжению в различных точках земной поверхности и подверженное лишь медленным колебаниям. Переменное поле создается внешними источниками, находящимися за пределами планеты – электрическими токами в верхних слоях атмосферы. Пришедшие из глубин Вселенной лучи и частицы вызывают многие известные явления – полярные сияния, магнитные бури, ионизацию воздуха, переход атмосферного кислорода и азота из молекулярного в атомарное состояние и др. Переменное магнитное поле примерно в 100 раз слабее постоянного и характеризуется колебаниями, различными по происхождению и продолжительности действия: регулярными (суточные, сезонные), имеющими, главным образом, солнечную природу, и нерегулярными (магнитные бури).

Магнитное поле Земли имеет дипольную составляющую, в которой есть ось с северным и южным магнитными полюсами, наклоненная под углом 11,5° к оси вращения. Магнитное поле ориентирует стрелку компаса в направлении магнитных силовых линий. Свободно подвешенная магнитная стрелка всегда ориентируется в плоскости магнитного меридиана. Магнитными меридианами называются проекции силовых линий магнитного поля Земли на е поверхность; сложные кривые, сходящиеся в северном и южном магнитных полюсах Земли.

Магнитные полюса не совпадают с географическими, и их координаты меняются в пространстве: северный полюс – 75°42' с.ш., 101о30' з.д. (1970г.); 77°36' с.ш., 102°48' з.д. (1985 г.), южный полюс – 65°30' ю.ш., 140°18' в.д. и 65° 06' ю.ш., 139° в.д. (1985 г.). Северный магнитный полюс дрейфует со скоростью 5 – 6 км/год, но к 2002 г. его скорость возросла до 40 км/год.

Магнитное поле Земли характеризуется следующими показателями:

магнитным склонением, магнитным наклонением и напряженностью.

Магнитное склонение – угол между истинным направлением на север, т.е.

географическим меридианом, и направлением северного конца магнитной стрелки.

Его значение изменяется от 0° до ±180°. Линии одинакового магнитного склонения называют изогонами.

Магнитное наклонение – угол между горизонтальной плоскостью и магнитной стрелкой, свободно подвешенной на горизонтальной оси. Его значение изменяется от 0° до (±90)°. Оно бывает положительным в северном геомагнитном полушарии и отрицательным – в южном. Линии одинакового магнитного наклонения называют изоклинами.

Напряженность характеризует силу магнитного поля и ее величина возрастает с широтой.

Изменение характеристик магнитного поля во времени происходит прежде всего за счет его смещения относительно земного шара – западного дрейфа.

В истории Земли отмечены смены полярности магнитного диполя.

Полярность, когда северный конец магнитной стрелки направлен к северу, называют прямой (как сейчас), в противоположном случае говорят об обратной намагниченности земного диполя.

Наблюдения за магнитным полем Земли ведут многие обсерватории мира и по их измерениям строятся геомагнитные карты, которые показывают, что в ряде районов земного шара напряженность магнитного поля и магнитные силовые линии из-за неоднородности внутреннего строения Земли и остаточной намагниченности горных пород отклоняются от нормального. Такие отклонения называют магнитными аномалиями. Некоторые аномалии используются в качестве поисковых признаков полезных ископаемых.

Магнитосфера Солнце и планеты Солнечной системы обладают магнитным полем, которое создает вокруг каждого из небесных тел особую внешнюю оболочку – магнитосферу. Это область околоземного пространства (средний диаметр магнитосферы превышает 90 тыс. км в сечении), физические свойства которой определяются магнитным полем Земли и его взаимодействием с потоками заряженных частиц (корпускул) космического происхождения.

Земля постоянно подвергается воздействию корпускулярного излучения Солнца

– солнечного ветра. Солнечный ветер распространяется от солнечной короны с большой скоростью (400 км/с). Он состоит из протонов и электронов. При взаимодействии солнечного ветра с магнитным полем Земли образуется ударная волна (рис. 11.1), за которой следует переходная область, где магнитное поле солнечной плазмы становится неупорядоченным. Переходная область примыкает к магнитосфере Земли, граница которой – магнитопауза – проходит там, где динамическое давление солнечного ветра уравновешивается давлением магнитного поля Земли.

Внутри ударной волны находятся радиационные пояса, в которых заряженные частицы – электроны и протоны – перемещаются по спиральным траекториям в направлении магнитных силовых линий. Взаимодействуя с верхними слоями атмосферы, эти частицы ионизируют ее и вызывают полярные сияния.

Геомагнитное поле, взаимодействуя с солнечным ветром, и образует магнитосферу. Под ударами солнечного ветра она сжата со стороны Солнца и сильно вытянута в противосолнечном направлении, образуя хвост длиной до 900 – 1050 земных радиусов.

Рис. 11.1. Меридиональное сечение магнитосферы:

1 – плазменный слой («хвост») магнитосферы; 2 – полярная щель; 3– радиационный пояс; 4– плазмосфера; 5– плазменная мантия; 6 – магнитопауза; 7 – фронт ударной волны; 8 – «солнечный ветер»

Магнитосфера не относится к геосферам планеты, но играет важную роль в формировании многих свойств географической оболочки. Она является главным препятствием для проникновения в географическую оболочку губительного для живого вещества корпускулярного излучения Солнца. Геомагнитное поле наряду с атмосферой образует «броневой заслон» планеты – захватывает подлетающие к Земле космические частицы и мешает им ускользнуть обратно в межпланетное пространство или проникнуть в нижние слои атмосферы. Беспрепятственно вторгаться в атмосферу космические частицы могут лишь в районе магнитных полюсов.

Одновременно магнитосфера пропускает к поверхности планеты рентгеновские и ультрафиолетовые лучи, радиоволны и лучистую энергию, которая служит основным источником тепла и энергетической базой происходящих в географической оболочке процессов.

Накоплено много фактов о высокой чувствительности к магнитным полям насекомых, рыб, птиц, моллюсков, черепах, червей и даже водорослей, а также человека. Экспериментально доказана зависимость между различными функциями растений и животных и их ориентацией в магнитном поле. Это явление получило название магнитотропизма.

Возмущения геомагнитного поля длительностью от нескольких часов до нескольких суток называют геомагнитными бурями. Они вызываются поступлением в окрестности Земли возмущнных потоков солнечного ветра (потока супер-ионизированных частиц) и их взаимодействием с магнитосферой Земли.

Геомагнитные бури имеют несимметричный по времени характер развития: в среднем фаза нарастания возмущения (главная фаза бури) составляет около 7 часов, а фаза возвращения к исходному состоянию (фаза восстановления) – около 3 суток.

Следует отметить, что во время магнитной бури возмущения магнитного поля на поверхности Земли имеют величину менее или порядка 1% от величины стационарного геомагнитного поля.

Геомагнитные бури являются одним из важнейших элементов космической погоды и влияют на многие области деятельности человека, из которых можно выделить нарушение связи, систем навигации космических кораблей, возникновения вихревых индукционных токов в трансформаторах и трубопроводах и даже разрушение энергетических систем. Магнитные бури также влияют на здоровье и самочувствие людей. Раздел биофизики, изучающий влияние изменений активности Солнца и вызываемых ею в земной магнитосфере возмущений на земные организмы, называется гелиобиологией.

Палеомагнетизм Магнитное поле Земли существует с незапамятных времен и отражается в результатах процессов и явлений, происходивших на планете в далеком прошлом.

Исследование древних горных пород, содержащих частицы магнетита, гематита или других оксидов железа, показало наличие в них остаточной намагниченности, имеющей направление магнитного поля Земли соответствующей эпохи. Изучение первичной намагниченности горных пород разного возраста позволило получить данные (отчасти дискуссионные) о временных изменениях магнитного поля Земли, а при проведении исследований в разных регионах – его пространственное распределение. Согласно этим данным, магнитное поле характеризуется медленным направленным изменением и неоднократно претерпевало инверсии, когда северный полюс становился южным и наоборот. В кайнозойскую эру средним состо янием земного магнитного поля является поле диполя, ориентированного по оси вращения планеты, а сама современная эпоха считается положительной. Палеомагнитные данные для палеозойской эры согласуются между собой только при дополнительном предположении о миграции магнитного полюса относительно земной поверхности.

Пути миграции магнитного полюса, вычисленные для разных континентов, существенно различаются, что объясняется их перемещениями во времени и пространстве.

Планетарный характер земного магнетизма и изменений его элементов в геологическом прошлом обусловливает принципиальную возможность возрастной корреляции событий и образований географической оболочки и строгую изохронность выделяемых единиц. Отмеченные зависимости в настоящее время широко используют при сопоставлении разновозрастных базальтов океанического дна, а также для корреляции молодых континентальных образований, практически лишенных палеонтологического материала. Полосчатое строение (полосы прямой и обратной намагниченности чередуются между собой) этих горных пород обусловлено ориентацией железосодержащих минералов в соответствии с направлением магнитных силовых линий, существующих в момент их образования.

11.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ Электрическое поле Земли существует во всех сферах географической оболочки, в том числе и у животных. Основная его характеристика – напряженность – представляет собой силу, приложенную в этом поле к единичному положительному заряду. Распределение электрических зарядов в пространстве изображают силовыми линиями: чем больше густота линий, тем больше напряженность электрического поля.

Явления, связанные с движением электрических зарядов, лежат в основе многих процессов, происходящих во Вселенной и на Земле. Наша планета постоянно подвергается «бомбардировке» заряженными частицами из космического пространства. Некоторые из них возникают за пределами Солнечной системы и в основном представлены протонами (примерно 85%), -частицами (около 14%) и тяжелыми атомными ядрами. Большинство этих частиц образуется, вероятно, в пределах нашей Галактики, и поэтому их потоки называют галактическими космическими лучами. Кроме них известны солнечные космические лучи, исходящие от Солнца и состоящие в основном также из протонов. Именно они формируют внеземные электрические потоки, заметно увеличивающиеся в периоды сильных возмущений на поверхности Солнца. При подходе к Земле эти частицы попадают в магнитное поле планеты и приобретают очень сложный характер движения, особенно вблизи полюсов. Если кинетическая энергия частицы сравнительно небольшая, то частица отклоняется полем и не достигает поверхности Земли. Частицы с большой энергией могут достигать земной поверхности. В области магнитных полюсов протоны даже с небольшой энергией могут достигать земной поверхности, как бы «навиваясь» на магнитные силовые линии. С движением заряженных частиц в магнитном поле Земли связаны полярные сияния – свечение разреженных слоев воздуха на высоте 90 – 100 км и молнии – гигантские электрические искровые разряды между облаками.

Земные (теллурические) электрические потоки захватывают обширные участки земной коры и океанской толщи, размеры которых составляют сотни и тысячи квадратных километров. Главной причиной их образования считают изменение интенсивности солнечной радиации, создающее в атмосфере, гидросфере и литосфере переменное электромагнитное поле. Теллурическое поле изменчиво во времени и пространстве: плотность теллурических токов возрастает при магнитных возмущениях и в период магнитных бурь. Теллурические электрические токи в океане по сравнению с токами на суше имеют большую плотность: в земной коре она составляет в среднем 210-10 А/м2, в океане – 310-6 A/м2. Поле теллурических токов постоянно изменяется в зависимости от геомагнитного поля. В Мировом океане дополнительными источниками электромагнитного поля являются скопления определенных микроорганизмов, создающих биоэлектрический эффект (свечение воды), насыщенные суспензией потоки (особенно в придонном слое и в подводных каньонах), вертикальная конвекция. Соотношение этих факторов различно, но, как