Геомагнитное поле

Магнитное наклонение – угол между горизонтальной плоскостью и направлением магнитной стрелки, подвешенной на горизонтальной оси. Наклонение положительное, когда северный конец стрелки смотрит вниз, и отрицательное когда северный конец стрелки смотрит вверх.

Напряженность - сила магнитного поля, она небольшая. Средняя напряженность поля на поверхности Земли составляет около 0,5 э и сильно зависит от географического положения.[1] Напряжённость магнитного поля на магнитном экваторе около 0,34 э (Эрстед), у магнитных полюсов около 0,66 э. В некоторых районах (в так называемых районах магнитных аномалий) напряжённость резко возрастает. В районе Курской магнитной аномалии она достигает 2 э.

1.3.Параметры магнитного поля

       Точки Земли, в которых напряжённость магнитного поля имеет вертикальное направление, называют магнитными полюсами. Таких точек на Земле две: северный магнитный полюс и южный магнитный полюс.

Рис.4 Параметры магнитного поля

          Прямая, проходящая через магнитные полюсы, называется магнитной осью Земли. Окружность большого круга в плоскости, которая перпендикулярна к магнитной оси, называется магнитным экватором. Напряжённость магнитного поля в точках магнитного экватора имеет горизонтальное направление. Проекция силовой линии геомагнитного поля на поверхность Земли называется – магнитным меридианом. Магнитные меридианы представляют собой сложные кривые, сходящиеся в северном и южном полюсах магнитных Земли.

         По форме основное магнитное поле Земли до расстояний менее трех радиусов близко к полю эквивалентного магнитного диполя. Его центр смещен относительно центра Земли на 430 км (рис.5) от геометрического центра в сторону Марианской впадины. Ось этого диполя наклонена к оси вращения Земли на 11,5°. На такой же угол геомагнитные полюса отстоят от соответствующих географических полюсов. При этом южный геомагнитный полюс находится в северном полушарии. А  северный геомагнитный полюс в южном полушарии. ( Пояснение: Традиционно, конец магнита, указывающий направление на север называется северным полюсом магнита, а противоположный конец — южным. Известно, что одинаковые полюса отталкиваются, а не притягиваются. Из этого следует, что северный магнитный полюс на самом деле физически является южным.) (эксцентричного, со смещением от центра Земли приблизительно на 436 км) 

                          Рис.5

          Каждый день северный магнитный  полюс движется по эллиптической  траектории^, и, кроме того, смещается в северном и северо-западном направлении со скоростью около 10 км в год поэтому любые его координаты являются временными и неточными. Со второй половины ХХ века полюс довольно быстро движется в сторону Таймыра. Согласно имеющимся данным, за 4.5 миллиарда лет, прошедших со времени образования Земли, северный магнитный полюс успел побывать на большей части земной поверхности. 

           Противоположностью северного магнитного полюса является южный магнитный полюс, который расположен в Антарктике. Если провести условную линию от одного полюса до другого, то она не пройдёт точно через центр Земли. Это связано с тем, что магнитное поле Земли не совсем симметрично. 

          Как заявил 30 октября в Оттаве руководитель геомагнитной лаборатории канадского министерства природных ресурсов Ларри Ньюитт, северный магнитный полюс Земли, как минимум 400 лет "принадлежавший" Канаде, "покинул" эту страну. Имеющий свойство перемещаться магнитный полюс, примерно с начала ХVII века располагавшийся под паковыми льдами в границах нынешней канадской Арктики, вышел за пределы 200-мильной зоны Канады.^[12]  

1.4. Составляющие   геомагнитного поля Земли

В основе образования магнитного поля лежат внутренние и внешние причины. Постоянное магнитное поле образуется благодаря электрическим токам, возникающим во внешнем ядре планеты, переменное магнитное поле образуют солнечные корпускулярные потоки.

Составляющие  геомагнитного поля. Магнитное поле Земли (геомагнитное поле) можно разделить на следующие три основные части.

1. Основное  магнитное поле Земли, испытывающее  медленные изменения во времени. 

2. Мировые  аномалии – отклонения от эквивалентного  диполя до 20% напряженности отдельных  областей с характерными размерами  до10 000 км. Примеры аномалий: Бразильская,  Канадская, Сибирская, Курская.  Они обусловлены намагниченностью  горных пород в верхнем слое  Земли, слагающих земную кору  и расположенных близко к поверхности.  Одна из наиболее мощных –  Курская магнитная аномалия.

3. Переменное  магнитное поле Земли (так же  называемое внешним) определяется  источниками в виде токовых  систем, находящимися за пределами  земной поверхности и в ее  атмосфере. Основными источниками  таких полей и их изменений  являются корпускулярные потоки  намагниченной плазмы, приходящие  от Солнца вместе с солнечным  ветром, и формирующие структуру  и форму земной магнитосферы.

Основное (постоянное) геомагнитное поле. Для изучения пространственного распределения основного геомагнитного поля, измеренные в разных местах значения Н, D, I наносят на карты (магнитные карты) и соединяют линиями точки равных значений элементов. Такие линии называют соответственно изодинамами, изогонами, изоклинами. Линия (изоклина) I = 0, т. е. магнитный экватор, не совпадает с географическим экватором. С увеличением широты значение I возрастает до 90° в магнитных полюсах. Полная напряжённость Т от экватора к полюсу растет  от 0,42 до 0,70 э. Наглядное представление о состоянии магнитного поля Земли дают магнитные карты. Они составляются на пятилетний срок – магнитную эпоху

Происхождение основного геомагнитного  поля. Для объяснения происхождения основного геомагнитного поля выдвигалось много различных гипотез, в том числе даже гипотезы о существовании фундаментального закона природы, согласно которому всякое вращающееся тело обладает магнитным моментом. Делались попытки объяснить основное геомагнитное поле присутствием ферромагнитных материалов в коре Земли или в её ядре; движением электрических зарядов, которые, участвуя в суточном вращении Земли, создают электрический ток; наличием в ядре Земли токов, вызываемых термоэлектродвижущей силой на границе ядра и мантии и т.д., и, наконец, действием, так называемого гидромагнитного динамо в жидком металлическом ядре Земли. Современные данные о вековых вариациях и многократных изменениях полярности геомагнитного поля удовлетворительно объясняются только гипотезой о гидромагнитном динамо (ГД). Согласно этой гипотезе, в электропроводящем жидком ядре Земли могут происходить достаточно сложные и интенсивные движения, приводящие к самовозбуждению магнитного поля, аналогично тому, как происходит генерация тока и магнитного поля в динамо-машине с самовозбуждением.

Мировые аномалии. Сложную картину распределения геомагнитного поля в первом приближении можно представить полем диполя или однородного намагниченного шара, магнитный момент которого направлен под углом 11,5° к оси вращения Земли. Полюсы геомагнитные (полюсы однородно намагниченного шара) и полюсы магнитные задают соответственно систему геомагнитных координат (широта геомагнитная, меридиан геомагнитный, экватор геомагнитный) и магнитных координат (широта магнитная, меридиан магнитный). Отклонения действительного распределения геомагнитного поля от дипольного (нормального) называют магнитными аномалиями. В зависимости от интенсивности и величины занимаемой площади различают мировые аномалии глубинного происхождения, например Восточносибирскую, Бразильскую и др., а также аномалии региональные (Курская магнитная аномалия Рис.6) и локальные. Последние могут быть вызваны, например, неравномерным распределением в земной коре ферромагнитных минералов. Влияние мировых аномалий сказывается до высот ~ 0,5R3 над поверхностью Земли (R3 — радиус Земли). Основное геомагнитное поле имеет дипольный характер до высот ~3R3. Наблюдается также систематический дрейф магнитных аномалий к западу со скоростью около 0,2°в год. Из-за вековых вариаций и недостаточной изученности геомагнитного поля на больших пространствах (океанах и полярных областях) возникает необходимость заново составлять магнитные карты. С этой целью проводятся мировые магнитные съёмки на суше, в океанах (на немагнитных судах), в воздушном пространстве (аэромагнитная съёмка) и в космическом пространстве (при помощи искусственных спутников Земли). 
 
 
 
 
 
 
 

Рис.6 Курская магнитная аномалия 
 
 
 
 

Переменное  геомагнитное поле. Измерения, выполненные на спутниках и ракетах, показали, что взаимодействие плазмы солнечного ветра с геомагнитным полем ведёт к нарушению дипольной структуры поля с расстояния ~3Rз от центра Земли, образуя при этом переменное магнитное поле (рис.7). Обтекание магнитосферы плазмой солнечного ветра с переменной плотностью и скоростью заряженных частиц, а также прорыв частиц в магнитосферу приводят к изменению интенсивности систем электрических токов в магнитосфере и ионосфере Земли. Токовые системы в свою очередь вызывают в околоземном космическом пространстве и на поверхности Земли колебания геомагнитного поля в широком диапазоне частот (от 10-5 до 102 Гц) и амплитуд (от 10-3 до 10-7 э). Фотографическая регистрация непрерывных изменений геомагнитного поля осуществляется в магнитных обсерваториях при помощи магнитографов.

Рис. 7 ГЕОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ: а) - дипольное магнитное поле, б) - магнитное поле Земли, трансформированное потоком солнечного ветра.

1.5. Геомагнитные вариации.

Изменение магнитного поля Земли во времени  под действием различных факторов называются геомагнитными вариациями. Разность между наблюдаемой величиной  напряженности магнитного поля и  средним ее значением за какой-либо длительный промежуток времени, например, месяц или год, называется геомагнитной вариацией.

Суточные вариации геомагнитного поля возникают регулярно в основном за счет токов в ионосфере Земли, вызванных изменениями освещенности земной ионосферы Солнцем в течение суток.

Нерегулярные  вариации магнитного поля возникают вследствие воздействия потока солнечной плазмы (солнечного ветра) на магнитосферу Земли, а так же изменений внутри магнитосферы и взаимодействия магнитосферы с ионосферой.

27-дневные  вариации существуют как тенденция к повторению увеличения геомагнитной активности через каждые 27 дней, соответствующих периоду вращения Солнца относительно земного наблюдателя. Эта закономерность связана с существованием долгоживущих активных областей на Солнце, наблюдаемых в течении нескольких оборотов Солнца. Эта закономерность проявляется в виде 27-дневной повторяемости магнитной активности и магнитных бурь.

Сезонные  вариации магнитной активности уверенно выявляются на основании среднемесячных данных о магнитной активности, полученных путем обработки наблюдений за несколько лет. Их амплитуда увеличивается с ростом общей магнитной активности. Найдено, что сезонные вариации магнитной активности имеют два максимума, соответствующие периодам равноденствий, и два минимума, соответствующие периодам солнцестояний. Причиной этих вариаций является образование активных областей на Солнце, которые группируются в зонах от 10 до 30° северной и южной гелиографических широт. Поэтому в периоды равноденствий, когда плоскости земного и солнечного экваторов совпадают, Земля наиболее подвержена действию активных областей на Солнце.

11-летние  вариации. Наиболее ярко связь между солнечной активностью и магнитной активностью проявляется при сопоставлении длинных рядов наблюдений, кратных 11 летним периодам солнечной активности. Наиболее известной мерой солнечной активности является число солнечных пятен. Найдено, что в годы максимального количества солнечных пятен магнитная активность также достигает наибольшей величины, однако возрастание магнитной активности несколько запаздывает по отношению к росту солнечной, так что в среднем это запаздывание составляет один год.

Вековые вариации – медленные вариации элементов земного магнетизма с периодами от нескольких лет и более. В отличии от суточных, сезонных, и других вариаций внешнего происхождения, вековые вариации связаны с источниками, лежащими внутри земного ядра. Амплитуда вековых вариаций достигает десятков нТл/год, изменения среднегодовых значений таких элементов, названы вековым ходом. Изолинии вековых вариаций концентрируются вокруг нескольких точек – центры или фокусы векового хода, в этих центрах величина векового хода достигает максимальных значений.  

1.6. Магнитные возмущения.

               Другие наблюдаемые неправильные колебания поля различной формы и амплитуды называют магнитными возмущениями, среди которых выделяют несколько типов магнитных  возмущений. Магнитная буря (рис.8). Особенно интенсивные магнитные возмущения, распространяющиеся на весь земной шар. Некоторые магнитные бури начинаются неожиданно и почти одновременно по всей Земле, а другие развиваются постепенно. Признаком внезапно начинающейся магнитной бури служит резкое изменение всех трех магнитных элементов на магнитограмме. Горизонтальный компонент H внезапно увеличивает интенсивность, чему иногда предшествует небольшой отрицательный импульс. При внезапном начале бури амплитуда вариации максимальна в авроральных зонах и уменьшается по направлению к экватору.