ЗЕМНО́Й МАГНЕТИ́ЗМ

ЗЕМНО́Й МАГНЕТИ́ЗМ (гео­маг­не­тизм), маг­нит­ное по­ле Зем­ли и око­ло­зем­но­го кос­мич. про­стран­ст­ва; раз­дел гео­фи­зи­ки, изу­чаю­щий маг­нит­ное по­ле Зем­ли и свя­зан­ные с ним яв­ле­ния (маг­не­тизм гор­ных по­род, тел­лу­ри­че­ские то­ки, по­ляр­ные сия­ния, то­ки в ио­но­сфе­ре и маг­ни­то­сфе­ре Зем­ли).

История изучения магнитного поля Земли

О су­ще­ст­во­ва­нии маг­не­тиз­ма бы­ло из­вест­но с глу­бо­кой древ­но­сти. Счи­та­ет­ся, что пер­вый ком­пас поя­вил­ся в Ки­тае (да­та по­яв­ле­ния спор­на). В кон. 15 в. во вре­мя пла­ва­ния Х. Ко­лум­ба бы­ло ус­та­нов­ле­но, что скло­не­ние маг­нит­ное раз­лич­но для раз­ных то­чек по­верх­но­сти Зем­ли. Это от­кры­тие по­ло­жи­ло на­ча­ло раз­ви­тию нау­ки о З. м. В 1581 англ. ис­сле­до­ва­тель Р. Нор­ман вы­ска­зал пред­по­ло­же­ние о том, что стрел­ку ком­па­са раз­во­ра­чи­ва­ют оп­ре­де­лён­ным об­ра­зом си­лы, ис­точ­ник ко­то­рых на­хо­дит­ся под по­верх­но­стью Зем­ли. Сле­дую­щим зна­ме­на­тель­ным ша­гом ста­ло по­явле­ние в 1600 кни­ги У. Гиль­бер­та «О маг­ни­те, маг­нит­ных те­лах и о боль­шом маг­ни­те – Зем­ле», где бы­ло да­но пред­став­ле­ние о при­чи­нах З. м. В 1785 на­ча­лись раз­ра­бот­ки спо­со­ба из­ме­ре­ния на­пря­жён­но­сти маг­нит­но­го по­ля, ба­зи­рую­ще­го­ся на ме­то­де вра­щаю­ще­го мо­мен­та, пред­ло­жен­ном Ш. Ку­ло­ном. В 1839 К. Гаусс тео­ре­ти­че­ски обос­но­вал ме­тод из­ме­ре­ния го­ри­зон­таль­ной со­став­ляю­щей век­то­ра маг­нит­но­го по­ля пла­не­ты. В нач. 20 в. бы­ла оп­ре­де­ле­на связь ме­ж­ду маг­нит­ным по­лем Зем­ли и её строе­ни­ем.

В ре­зуль­та­те на­блю­де­ний бы­ло ус­та­нов­ле­но, что на­маг­ни­чен­ность зем­но­го ша­ра бо­лее или ме­нее од­но­род­на, а маг­нит­ная ось Зем­ли близ­ка к её оси вра­ще­ния. Не­смот­ря на от­но­си­тель­но боль­шой объ­ём экс­пе­рим. дан­ных и мно­го­числ. тео­ре­тич. ис­сле­до­ва­ния, во­прос о про­ис­хо­ж­де­нии З. м. окон­ча­тель­но не ре­шён. К нач. 21 в. на­блю­дае­мые свой­ст­ва маг­нит­но­го по­ля Зем­ли ста­ли свя­зы­вать с фи­зич. ме­ха­низ­мом гид­ро­маг­нит­но­го ди­на­мо (см. Маг­нит­ная гид­ро­ди­на­ми­ка), со­глас­но ко­то­ро­му пер­во­на­чаль­ное маг­нит­ное по­ле, про­ник­шее в яд­ро Зем­ли из меж­пла­нет­но­го про­стран­ст­ва, мо­жет уси­ли­вать­ся и ос­лаб­лять­ся в ре­зуль­та­те дви­же­ния ве­ще­ст­ва в жид­ком яд­ре пла­не­ты. Для уси­ле­ния по­ля дос­та­точ­но на­ли­чия оп­ре­де­лён­ной асим­мет­рии та­ко­го дви­же­ния. Про­цесс уси­ле­ния про­дол­жа­ет­ся до тех пор, по­ка рост по­терь на на­грев сре­ды, иду­щий за счёт уве­ли­че­ния си­лы то­ков, не урав­но­ве­сит при­ток энер­гии, по­сту­паю­щей за счёт её гид­ро­ди­на­мич. дви­же­ния. Сход­ный эф­фект на­блю­да­ет­ся при ге­не­ра­ции элек­трич. то­ка и маг­нит­но­го по­ля в ди­на­мо-ма­ши­не с са­мо­воз­бу­ж­де­ни­ем.

Напряжённость магнитного поля Земли

Ха­рак­те­ри­сти­кой лю­бо­го маг­нит­но­го по­ля слу­жит век­тор его на­пря­жён­ности $\boldsymbol H$ – ве­ли­чи­на, не за­ви­ся­щая от сре­ды и чис­лен­но рав­ная маг­нит­ной ин­дук­ции в ва­куу­ме. Соб­ст­вен­ное маг­нит­ное по­ле Зем­ли (гео­маг­нит­ное по­ле) яв­ля­ет­ся сум­мой по­лей, соз­дан­ных разл. ис­точ­ни­ка­ми. При­ня­то счи­тать, что на по­верх­но­сти пла­не­ты маг­нит­ное по­ле $\boldsymbol H_\text{T}$ скла­ды­ва­ет­ся из: по­ля, соз­да­вае­мо­го од­но­род­ной на­маг­ни­чен­но­стью зем­но­го ша­ра (ди­поль­ное по­ле, $\boldsymbol H_\text{0}$); по­ля, свя­зан­но­го с не­од­но­род­но­стью глу­бо­ких сло­ёв зем­но­го ша­ра (по­ле ми­ро­вых ано­ма­лий, $\boldsymbol H_\text{a}$); по­ля, обу­слов­лен­но­го на­маг­ни­чен­но­стью верх­них час­тей зем­ной ко­ры ($\boldsymbol H_\text{к}$); по­ля, вы­зы­вае­мо­го внеш­ни­ми при­чи­на­ми ($\boldsymbol H_\text{в}$); по­ля ва­риа­ций ($δ\boldsymbol H$), так­же свя­зан­ных с ис­точ­ни­ка­ми, рас­по­ло­жен­ны­ми вне зем­но­го ша­ра: $\boldsymbol H_\text{T} = \boldsymbol H_\text{0} + \boldsymbol H_\text{к} + \boldsymbol H_\text{а} + \boldsymbol H_\text{в} + δ\boldsymbol H$. Сум­ма по­лей $\boldsymbol H_\text{0} + \boldsymbol H_\text{к}$ об­ра­зу­ет глав­ное маг­нит­ное по­ле Зем­ли. Его вклад в по­ле, на­блю­дае­мое на по­верх­но­сти пла­не­ты, со­став­ля­ет бо­лее 95%. Ано­маль­ное по­ле $\boldsymbol H_\text{а}$ (вклад $\boldsymbol H_\text{а}$ в $\boldsymbol H_\text{T}$ ок. 4%) под­раз­де­ля­ет­ся на по­ле ре­гио­наль­но­го ха­рак­те­ра (ре­гио­наль­ная ано­ма­лия), рас­про­стра­няю­щее­ся на боль­шие пло­ща­ди, и по­ле мест­но­го ха­рак­те­ра (ло­каль­ная ано­ма­лия). Сум­му по­лей $\boldsymbol H_\text{0} + \boldsymbol H_\text{к} + \boldsymbol H_\text{в}$ час­то на­зы­ва­ют нор­маль­ным по­лем ($\boldsymbol H_\text{н}$). Т. к. $\boldsymbol H_\text{в}$ ма­ло́ по срав­не­нию с $\boldsymbol H_\text{0}$ и $\boldsymbol H_\text{к}$ (ок. 1% от $\boldsymbol H_\text{T}$), нор­маль­ное по­ле прак­ти­че­ски сов­па­да­ет с гл. маг­нит­ным по­лем. Ре­аль­но на­блю­дае­мое по­ле (за вы­че­том по­ля ва­риа­ций $δ\boldsymbol H$) есть сум­ма нор­маль­но­го и ано­маль­но­го маг­нит­ных по­лей: $\boldsymbol H_\text{T} = \boldsymbol H_\text{н} + \boldsymbol H_\text{а}$. За­да­ча раз­де­ле­ния по­ля на по­верх­но­сти Зем­ли на эти две час­ти яв­ля­ет­ся не­оп­ре­де­лён­ной, т. к. раз­де­ле­ние мож­но про­вес­ти бес­ко­неч­ным чис­лом спо­со­бов. Для од­но­знач­но­сти ре­ше­ния дан­ной за­да­чи не­об­хо­ди­мы све­де­ния об ис­точ­ни­ках ка­ж­дой из со­став­ляю­щих маг­нит­но­го по­ля Зем­ли. К нач. 21 в. ус­та­нов­ле­но, что ис­точ­ни­ка­ми ано­маль­но­го маг­нит­но­го по­ля яв­ля­ют­ся на­маг­ни­чен­ные гор­ные по­ро­ды, за­ле­гаю­щие на глу­би­нах, ма­лых по срав­не­нию с ра­диусом Зем­ли. Ис­точ­ник гл. маг­нит­но­го по­ля на­хо­дит­ся на глу­би­не боль­ше по­ло­ви­ны ра­диу­са Зем­ли. Мно­го­числ. экс­пе­рим. дан­ные по­зво­ля­ют по­стро­ить ма­те­ма­тич. мо­дель маг­нит­но­го по­ля Зем­ли, ос­но­ван­ную на фор­маль­ном изу­че­нии её струк­ту­ры.

Элементы земного магнетизма

Элементы земного магнетизма.

Для раз­ло­же­ния век­то­ра $\boldsymbol H_\text{T}$ на со­став­ляю­щие обыч­но ис­поль­зу­ют пря­мо­уголь­ную сис­те­му ко­ор­ди­нат с на­ча­лом в точ­ке из­ме­ре­ния по­ля O (рис.). В этой сис­теме ось Ox ори­ен­ти­ро­ва­на по на­прав­ле­нию гео­гра­фич. ме­ри­диа­на на се­вер, ось Oy – по на­прав­ле­нию па­рал­ле­ли на вос­ток, ось Oz на­прав­ле­на свер­ху вниз к цен­тру зем­но­го ша­ра. Про­ек­цию $\boldsymbol H_\text{T}$ на ось Ox на­зы­ва­ют се­вер­ной со­став­ляю­щей по­ля, про­ек­цию на ось Oy – вос­точ­ной со­став­ляю­щей, про­ек­цию на ось Oz – вер­ти­каль­ной со­став­ляю­щей; они обо­зна­ча­ют­ся со­от­вет­ст­вен­но че­рез X, Y, Z. Про­ек­цию $\boldsymbol H_\text{T}$ на плос­кость xy обо­зна­ча­ют как $\boldsymbol H$ и на­зы­ва­ют го­ри­зон­таль­ной со­став­ляю­щей по­ля. Вер­ти­каль­ная плос­кость, про­хо­дя­щая че­рез век­тор $\boldsymbol H_\text{T}$ и ось Oz, на­зы­ва­ет­ся плос­ко­стью ме­ри­диа­на маг­нит­но­го, а угол ме­ж­ду гео­гра­фич. и маг­нит­ным ме­ри­диа­на­ми – маг­нит­ным скло­не­ни­ем, обо­зна­чае­мым че­рез D. Ес­ли век­тор $\boldsymbol H$ от­кло­нён от на­прав­ле­ния оси Ox к вос­то­ку, скло­не­ние бу­дет по­ло­жи­тель­ным (вост. скло­не­ние), а ес­ли к за­па­ду – от­ри­ца­тель­ным (зап. скло­не­ние). Угол ме­ж­ду век­то­ра­ми $\boldsymbol H$ и $\boldsymbol H_\text{T}$ в плос­ко­сти маг­нит­но­го ме­ри­диа­на но­сит на­зва­ние на­кло­не­ния маг­нит­но­го и обо­зна­ча­ет­ся че­рез I. На­кло­не­ние I по­ло­жи­тель­но, ко­гда век­тор $\boldsymbol H_\text{T}$ на­прав­лен вниз от зем­ной по­верх­но­сти, что име­ет ме­сто в Сев. по­лу­ша­рии Зем­ли, и от­ри­ца­тель­но, ко­гда $\boldsymbol H_\text{T}$ на­прав­лен вверх, т. е. в Юж. по­лу­ша­рии. Скло­не­ние, на­кло­не­ние, го­ри­зон­таль­ная, вер­ти­каль­ная, се­вер­ная, вос­точ­ная со­став­ляю­щие но­сят на­зва­ние эле­мен­тов зем­но­го маг­не­тиз­ма, ко­то­рые мож­но рас­смат­ри­вать как ко­ор­ди­на­ты кон­ца век­то­ра $\boldsymbol H_\text{T}$ в разл. сис­те­мах ко­ор­ди­нат (пря­мо­уголь­ной, ци­лин­д­ри­че­ской и сфе­ри­че­ской).

Ни один из эле­мен­тов З. м. не ос­та­ёт­ся по­сто­ян­ным во вре­ме­ни: их ве­ли­чи­на ме­ня­ет­ся от ча­са к ча­су и от го­да к го­ду. Та­кие из­ме­не­ния по­лу­чи­ли на­зва­ние ва­риа­ций эле­мен­тов З. м. (см. Маг­нит­ные ва­риа­ции). Из­ме­не­ния, про­ис­хо­дя­щие в те­че­ние ко­рот­ко­го про­ме­жут­ка вре­ме­ни (око­ло су­ток), но­сят пе­рио­дич. ха­рак­тер; их пе­рио­ды, ам­пли­ту­ды и фа­зы чрез­вы­чай­но раз­но­об­раз­ны. Из­ме­не­ния сред­не­го­до­вых зна­че­ний эле­мен­тов но­сят мо­но­тон­ный ха­рак­тер; их пе­рио­дич­ность вы­яв­ля­ет­ся лишь при очень боль­шой дли­тель­но­сти на­блю­де­ний (по­ряд­ка мн. де­сят­ков и со­тен лет). Мед­лен­ные ва­риа­ции маг­нит­ной ин­дук­ции на­зы­ва­ют­ся ве­ко­вы­ми; их ве­ли­чи­на со­став­ля­ет ок. 10^–8 Тл/год. Ве­ко­вые ва­риа­ции эле­мен­тов свя­за­ны с ис­точ­ни­ка­ми по­ля, ле­жа­щи­ми внут­ри зем­но­го ша­ра, и вы­зы­ва­ют­ся те­ми же при­чи­на­ми, что и са­мо маг­нит­ное по­ле Зем­ли. Бы­ст­ро­теч­ные ва­риа­ции пе­рио­дич. ха­рак­те­ра обу­слов­ле­ны элек­трич. то­ка­ми в око­ло­зем­ной сре­де (см. Ио­но­сфе­ра, Маг­ни­то­сфе­ра) и весь­ма раз­ли­ча­ют­ся по ам­пли­ту­де.

Современные исследования магнитного поля Земли

К нач. 21 в. при­ня­то вы­де­лять сле­дую­щие при­чи­ны, вы­зы­ваю­щие З. м. Ис­точ­ник гл. маг­нит­но­го по­ля и его ве­ко­вых ва­риа­ций рас­по­ло­жен в яд­ре пла­не­ты. Ано­маль­ное по­ле обу­слов­ле­но со­во­куп­но­стью ис­точ­ни­ков в тон­ком верх­нем слое, на­зы­вае­мом маг­ни­тоак­тив­ной обо­лоч­кой Зем­ли. Внеш­нее по­ле свя­за­но с ис­точ­ни­ка­ми в око­ло­зем­ном про­стран­ст­ве. По­ле внеш­не­го про­ис­хо­ж­де­ния на­зы­ва­ет­ся пе­ре­мен­ным элек­тро­маг­нит­ным по­лем Зем­ли, по­сколь­ку оно яв­ля­ет­ся не толь­ко маг­нит­ным, но и элек­три­че­ским. Глав­ное и ано­маль­ное по­ля час­то объ­е­ди­ня­ют об­щим ус­лов­ным тер­ми­ном «по­сто­ян­ное гео­маг­нит­ное по­ле».

Осн. ме­тод изу­че­ния гео­маг­нит­но­го по­ля – не­по­сред­ст­вен­ное на­блю­де­ние про­стран­ст­вен­но­го рас­пре­де­ле­ния маг­нит­но­го по­ля и его ва­риа­ций на по­верх­но­сти Зем­ли и в око­ло­зем­ном про­стран­ст­ве. На­блю­де­ния сво­дят­ся к из­ме­ре­ни­ям эле­мен­тов З. м. в разл. точ­ках про­стран­ст­ва и но­сят на­зва­ние маг­нит­ных съё­мок. В за­ви­си­мо­сти от мес­та про­ве­де­ния съё­мок их под­раз­де­ля­ют на на­зем­ные, мор­ские (гид­ро­маг­нит­ные), воз­душ­ные (аэро­маг­нит­ные) и спут­ни­ко­вые. В за­ви­си­мо­сти от раз­ме­ра тер­ри­то­рии, ко­то­рую ох­ва­ты­ва­ют съём­ки, вы­де­ля­ют гло­баль­ные, ре­гио­наль­ные и ло­каль­ные съём­ки. По из­ме­ряе­мым эле­мен­там съём­ки де­лят­ся на мо­дуль­ные (Т-съём­ки, при ко­то­рых ве­дёт­ся из­ме­ре­ние мо­ду­ля век­то­ра по­ля) и ком­по­нент­ные (из­ме­ря­ет­ся толь­ко од­на или неск. ком­по­нент это­го век­то­ра).

Зем­ное маг­нит­ное по­ле на­хо­дит­ся под воз­дей­ст­ви­ем по­то­ка сол­неч­ной плаз­мы – сол­неч­но­го вет­ра. В ре­зуль­та­те взаи­модей­ст­вия сол­неч­но­го вет­ра с маг­нит­ным по­лем Зем­ли об­ра­зу­ет­ся внеш­няя гра­ни­ца око­ло­зем­но­го маг­нит­но­го по­ля (маг­ни­то­пау­за), ог­ра­ни­чи­ваю­щая зем­ную маг­ни­то­сфе­ру. Фор­ма маг­ни­то­сфе­ры по­сто­ян­но ме­ня­ет­ся под воз­дей­ст­ви­ем сол­неч­но­го вет­ра, часть энер­гии ко­то­ро­го про­ни­ка­ет внутрь неё и пе­ре­да­ёт­ся то­ко­вым сис­те­мам, су­ще­ст­вую­щим в око­ло­зем­ном про­стран­ст­ве. Из­ме­не­ния маг­нит­но­го по­ля Зем­ли во вре­ме­ни, вы­зван­ные дей­ст­ви­ем этих то­ко­вых сис­тем, на­зы­ва­ют­ся гео­маг­нит­ны­ми ва­риа­ция­ми и раз­ли­ча­ют­ся как по сво­ей дли­тель­но­сти, так и по ло­ка­ли­за­ции. Су­ще­ст­ву­ет мно­же­ст­во разл. ти­пов вре­менны́х ва­риа­ций, ка­ж­дый из ко­то­рых име­ет свою мор­фо­ло­гию. Под дей­ст­ви­ем сол­неч­но­го вет­ра маг­нит­ное по­ле Зем­ли ис­ка­жа­ет­ся и при­об­ре­та­ет «шлейф» в на­прав­ле­нии от Солн­ца, ко­то­рый про­сти­ра­ет­ся на сот­ни ты­сяч ки­ло­мет­ров, вы­хо­дя за ор­би­ту Лу­ны.

Ди­поль­ный маг­нит­ный мо­мент Зем­ли со­став­ля­ет ок. 8·10²² А·м² и по­сто­ян­но умень­ша­ет­ся. Ср. ин­дук­ция гео­маг­нит­но­го по­ля на по­верх­но­сти пла­не­ты ок. 5·10^–5 Тл. Осн. маг­нит­ное по­ле Зем­ли (на рас­стоя­нии ме­нее трёх ра­диу­сов Зем­ли от её цен­тра) по фор­ме близ­ко к по­лю эк­ви­ва­лент­но­го маг­нит­но­го ди­по­ля, центр ко­то­ро­го сме­щён от­но­си­тель­но цен­тра Зем­ли при­мер­но на 500 км в на­прав­ле­нии на точ­ку с ко­ор­ди­на­та­ми 18° с. ш. и 147,8° в. д. Ось это­го ди­по­ля на­кло­не­на к оси вра­ще­ния Зем­ли на 11,5°. На та­кой же угол по­лю­сы гео­маг­нит­ные от­сто­ят от со­от­вет­ст­вую­щих гео­гра­фич. по­лю­сов. При этом юж. гео­маг­нит­ный по­люс на­хо­дит­ся в Сев. по­лу­ша­рии.

Ши­ро­ко­мас­штаб­ные на­блю­де­ния за из­ме­не­ния­ми эле­мен­тов З. м. ве­дут­ся в маг­нит­ных об­сер­ва­то­ри­ях, об­ра­зую­щих ми­ро­вую сеть. Ва­риа­ции гео­маг­нит­но­го по­ля ре­ги­ст­ри­ру­ют­ся спец. при­бо­ра­ми, дан­ные из­ме­ре­ний об­ра­ба­ты­ва­ют­ся и по­сту­па­ют в ми­ро­вые цен­тры сбо­ра дан­ных. Для ви­зу­аль­но­го пред­став­ле­ния кар­ти­ны про­стран­ст­вен­но­го рас­пре­де­ле­ния эле­мен­тов З. м. про­во­дит­ся по­строе­ние карт изо­ли­ний, т. е. кри­вых, со­еди­няю­щих на кар­те точ­ки с оди­на­ко­вы­ми зна­че­ния­ми то­го или ино­го эле­мен­та зем­но­го маг­не­тиз­ма (см. кар­ты). Кри­вые, со­еди­няю­щие точ­ки оди­на­ко­вых магнитных скло­не­ний, на­зы­ва­ют­ся изо­го­на­ми, кри­вые оди­на­ко­вых магнитных на­кло­не­ний – изо­кли­на­ми, оди­на­ко­вых го­ри­зон­таль­ных или вер­ти­каль­ных, се­вер­ных или вос­точ­ных со­став­ляю­щих век­то­ра $\boldsymbol H_\text{T}$ – изо­ди­на­ма­ми со­от­вет­ст­вую­щих со­став­ляю­щих. Ли­нии рав­ных из­ме­не­ний по­ля при­ня­то на­зы­вать изо­по­ра­ми; ли­нии рав­ных зна­че­ний по­ля (на кар­тах ано­маль­но­го по­ля) – изо­ано­ма­лия­ми.

Ре­зуль­та­ты ис­сле­до­ва­ний З. м. при­ме­ня­ют для изу­че­ния Зем­ли и око­ло­зем­но­го про­ст­ран­ст­ва. Из­ме­ре­ния ин­тен­сив­но­сти и на­прав­ле­ния на­маг­ни­чен­но­сти гор­ных по­род по­зво­ля­ют су­дить об из­ме­не­нии гео­маг­нит­но­го по­ля во вре­ме­ни, что слу­жит клю­че­вой ин­фор­ма­ци­ей для оп­ре­де­ле­ния их воз­ра­ста и раз­ви­тия тео­рии ли­то­сфер­ных плит. Дан­ные о гео­маг­нит­ных ва­риа­ци­ях ис­поль­зу­ют­ся при маг­нит­ной раз­вед­ке по­лез­ных ис­ко­пае­мых. В око­ло­зем­ном про­стран­ст­ве на рас­стоя­нии ты­ся­чи и бо­лее ки­ло­мет­ров от по­верх­но­сти Зем­ли её маг­нит­ное по­ле от­кло­ня­ет кос­ми­че­ские лу­чи, за­щи­щая всё жи­вое на пла­не­те от жё­ст­кой ра­диа­ции.