§ 15. Земной магнетизм и его элементы. Магнитные карты

Пространство, в котором действуют магнитные силы Земли, называют магнитным полем Земли. Принято считать, что магнитные силовые линии земного поля выходят из южного магнитного полюса и сходятся в северном, образуя замкнутые кривые.

Положение магнитных полюсов не остается неизменным, координаты их медленно меняются. Приближенные координаты магнитных полюсов в 1950 г. были следующие:

Северного - φ ~ 76°N; Л ~ 96°W;

Южного - φ ~ 75°S; Л ~ 150° O st .

Магнитная ось Земли - прямая, соединяющая магнитные полюса, проходит вне центра Земли, и составляет с ее осью вращения приближенно угол около 1Г,5.

Сила магнитного поля Земли характеризуется вектором напряженности Т, который в любой точке земного магнитного поля направлен по касательным к силовым линиям. На рис. 18 сила земного магнетизма в точке А изображена по величине и направлению вектора AF. Вертикальную плоскость NmAZF, в которой располагается вектор AF, а следовательно, и ось свободно подвешенной магнитной стрелки, называют плоскостью магнитного меридиана. Эта плоскость составляет с плоскостью истинного меридиана NuAZM угол РАН, который называют магнитным склонением и обозначают буквой d.

Рис. 18.

Магнитное склонение d отсчитывается от северной части истинного меридиана к востоку и западу от 0 до 180°. Восточному магнитному склонению приписывают знак «плюс», а западному - знак «минус». Например: d=+4°, 6 или d = -11°,0.

Угол NmAF, образуемый вектором AF с плоскостью истинного горизонта NuAH, называют магнитным наклонением и обозначают буквой в.

Магнитное наклонение в отсчитывают от горизонтальной плоскости вниз от 0 до 90° и считают положительным, если опущен северный конец магнитной стрелки, и отрицательным, - если опущен южный конец.

Точки на земной поверхности, в которых вектор Т направлен горизонтально, образуют замкнутую линию, дважды пересекающую географический экватор и называемую магнитным экватором. Полную силу земного магнетизма - вектор Т - можно разложить на горизонтальную Н и вертикальную Z составляющие в плоскости магнитного меридиана. Из рис. 18 имеем:

H = TcosO, Z=Tsin O или Z = HtgO.

Величины d, Н, Z и O, определяющие магнитное поле Земли в данной точке, называют элементами земного магнетизма.

Распределение элементов земного магнетизма по поверхности земного шара принято изображать на специальных картах в виде кривых линий, соединяющих точки с одинаковым значением того или иного элемента. Такие линии называют изолиниями. Кривые равного магнитного склонения - изогоны наносят на карты изогон (рис. 19); кривые, соединяющие точки с равным магнитным напряжением, называют изодинами , или изодинамами. Кривые, соединяющие точки с равным магнитным наклонением - изоклины, наносят на карты изоклин.

Рис. 19.

Магнитное склонение - наиболее важный элемент для судовождения, поэтому его, помимо специальных магнитных карт, указывают на навигационных морских картах, на которых записывают, например, так: «Скл. к. 16°,5 W».

Все элементы земного магнетизма в любой точке земной поверхности подвержены изменениям, носящим название вариаций. Изменения элементов земного магнетизма делятся на периодические и непериодические (или возмущения).

К периодическим относятся вековые, годовые (сезонные) и суточные изменения. Из них суточные и годовые вариации невелики и для судовождения во внимание не принимаются. Вековые же вариации представляют собой сложное явление с периодом, равным нескольким столетиям. Величина векового изменения магнитного склонения колеблется в различных точках земной поверхности в пределах от 0 до 0,2-0°,3 в год. Поэтому на морских картах магнитное склонение компаса приводится к определенному году с указанием величины годового увеличения или уменьшения.

Чтобы привести склонение к году плавания, надо рассчитать его изменение за истекшее время и на полученную поправку увеличить или уменьшить склонение, указанное на карте в районе плавания.

Пример 18. Плавание происходит в 1968 г. Склонение компаса, снято с карты, d = 11°, 5 О st приведено к 1960 г. Годовое увеличение склонения 5" .Привести склонение к 1968 г.

Решение. Промежуток времени с 1968 по 1960 г. равен восьми годам; изменение Аd = 8 х 5 = 40" ~0°,7. Склонение компаса в 1968 г. d = 11°.5 + 0°,7 = - 12°, 2 O st

Внезапные кратковременные изменения элементов земного магнетизма (возмущения) называются магнитными бурями, возникновение которых обусловлено северными сияниями и количеством пятен на Солнце. При этом наблюдаются изменения склонения в умеренных широтах до 7°, а в полярных областях - до 50°.

В некоторых районах земной поверхности склонение резко отличается по величине и знаку от его значений в прилегающих точках. Это явление носит название магнитной аномалии. На морских картах указывают границы районов магнитной аномалии. При плавании в этих районах необходимо внимательно следить за работой магнитного компаса, так как точность работы нарушается.

Земля обладает магнитным полем, наглядно проявляющимся в воздействии на магнитную стрелку. Свободно подвешенная в пространстве, она в любом месте устанавливается в направлении магнитных силовых линий, сходящихся в магнитных полюсах.

Магнитные полюса Земли не совпадают с и медленно изменяют свое местоположение. В настоящий период они располагаются на севере и в . Силовые линии, идущие от одного полюса к другому, называются магнитными . Они не совпадают с географическими по направлению, и не указывает строго направление север-юг. Угол между магнитным и называют магнитным склонением. Оно бывает восточным (положительным) и западным (отрицательным). При восточном склонении стрелка отклоняется к востоку от географического меридиана, при западном - к западу от него.

Свободно подвешенная магнитная стрелка сохраняет горизонтальное положение только на линии магнитного экватора. Он не совпадает с географическим и отступает от него к югу в Западном полушарии и к северу в Восточном. К северу от магнитного экватора северный конец магнитной стрелки опускается, причем тем больше, чем меньше расстояние до магнитного полюса. На магнитном полюсе Северного полушария стрелка становится вертикально, северным концом вниз. К югу от магнитного экватора вниз наклоняется, наоборот, южный конец стрелки. Угол, образованный магнитной стрелкой с горизонтальной плоскостью, называется магнитным наклонением. Оно может быть северным и южным. Магнитное наклонение изменяется от 0° на магнитном экваторе до 90° на магнитных полюсах. Магнитное склонение и наклонение характеризуют направления магнитных силовых линий в любом пункте в данный момент.Различают постоянное и переменное магнитные поля Земли. Постоянное обусловлено магнетизмом самой планеты. Представление о состоянии постоянного магнитного поля Земли дают магнитные карты. Они сохраняют точность только в течение нескольких лет, так как магнитное склонение и магнитное наклонение непрерывно, хоть и очень медленно, изменяются. Обычно магнитные карты составляются один раз в пять лет.

Магнитные аномалии - отклонение значений магнитного склонения и наклонения от их среднего значения для данного места. Они могут охватывать огромные площади, тогда их называют региональными, или быть небольшими, и тогда их называют локальными. Примером региональной магнитной аномалии является . Здесь обнаружено западное склонение вместо восточного. Магнитное поле этой аномалии очень медленно затухает с высотой. По данным искусственного спутника Земли влияние Магнитной аномалии на высоте уменьшается очень незначительно. Примером локальной может являться Курская магнитная аномалия, создающая напряжение магнитного поля в 5 раз больше среднего напряжения магнитного поля Земли.

Большинство аномалий объясняется залеганием , содержащих .

Магнитные бури - особенно сильные возмущения магнитного поля, проявляющиеся в быстром отклонении магнитной стрелки от нормального положения. Магнитные бури вызываются вспышками на Солнце и сопровождающим их проникновением к Земле и в ее электрически заряженных частиц. 23 февраля 1956 года на Солнце произошел взрыв. Он продолжался несколько минут, а на Земле разразилась магнитная буря, в результате которой была на 2 часа нарушена работа радиостанций, вышел из строя на некоторое время трансатлантический телефонный кабель. Результатом магнитных бурь являются .

Магнитное поле Земли простирается вверх до высоты примерно 90 тыс. км. До высоты 44 тыс. км величина магнитного поля Земли убывает. В слое от 44 тыс. км до 80 тыс. км магнитное поле неустойчиво, в нем постоянно происходят резкие колебания. Выше 80 тыс. км интенсивность магнитного поля быстро падает.Магнитное поле Земли либо отклоняет, либо захватывает заряженные частицы, летящие от Солнца или образующиеся при воздействии космических лучей на атомы или молекулы воздуха. Заряженные частицы, попавшие в магнитное поле Земли, образуют радиационные пояса. Всю область околоземного пространства, в которой находятся заряженные частицы, захваченные магнитным полем Земли, называют магнитосферой.

Распределение магнитного поля по земной поверхности постоянно меняется. Оно медленно смещается к западу. В начале XIX века магнитный меридиан нулевого склонения проходил близ Москвы, в начале XX века он переместился к , а теперь находится у западных границ . Меняется положение и магнитных полюсов.

Магнетизм имеет большое практическое значение. При помощи магнитной стрелки определяют направления по . Для этого всегда необходимо в показание компаса вводить поправку на магнитное склонение. Связь магнитных элементов с геологическими структурами служит основанием для магнитных методов разведки .

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 8,3.10 22 А.м 2 . 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 ~ 10 4 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 10 4 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 . 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 10 4 -10 5 лет положение геомагн. полюсов совпадает с географическими. Характеристики геомагн. поля сохраняются неизменными в течение 10 5 -10 7 лет, потом МПЗ неожиданно уменьшается в 3-10 раз, и в этот относительно короткий (10 3 -10 4 лет) переходный период может измениться знак магн. поля (инверсия). Через нек-рое время величина МПЗ снова достигает нормального уровня и опять сохраняется достаточно долго (10 5 -10 7 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 (}