Земной магнетизм его природа

Природа магнетизма и гравитации. Гипотеза Ампера о природе магнетизма

За последние 50 лет все отрасли наук шагнули стремительно вперед. Но прочитав множество журналов о природе магнетизма и гравитации, можно прийти к выводу, что у человека появляется еще больше вопросов, чем было.

Природа магнетизма и гравитации

Всем очевидно и понятно, что предметы, подброшенные вверх, стремительно падают на землю. Что же их притягивает? Можно смело предположить, что они притягиваются какими-то неведомыми силами. Те самые силы получили название — природная гравитация. После каждый интересующийся сталкивается со множеством споров, догадок, предположений и вопросов. Какова природа магнетизма? Чем являются гравитационные волны? В результате какого воздействия они образуются? В чем проявляется их сущность, а также частота? Как они воздействуют на окружающую среду и на каждого человека по отдельности? Как рационально можно использовать это явление во благо цивилизации?

Понятие магнитизма

В начале девятнадцатого века физик Эрстед Ханс Кристиан открыл магнитное поле электрического тока. Это дало возможность предполагать, что природа магнетизма тесно взаимосвязана с электрическим током, который образуется внутри каждого из существующих атомов. Возникает вопрос, какими явлениями можно объяснить природу земного магнетизма?

На сегодняшний день установлено, что магнитные поля в намагниченных объектах зарождаются в большей степени электронами, которые беспрерывно делают обороты вокруг своей оси и около ядра существующего атома.

Давно установлено, что хаотичное перемещение электронов являет собой самый настоящий электрический ток, а его прохождение провоцирует зарождение магнитного поля. Подводя итог этой части, можно смело утверждать, что электроны вследствие своего хаотичного перемещения внутри атомов порождают внутриатомные токи, которые, в свою очередь, способствуют зарождению магнитного поля.

Но чем же обусловлено то, что в разных материях магнитное поле имеет значительные отличия в собственной величине, а также различную силу намагничивания? Это связано с тем, что оси и орбиты перемещения самостоятельных электронов в атомах способны быть в разнообразных положениях относительно друг друга. Это приводит к тому, что в соответствующих положениях располагаются и произведенные перемещающимися электронами магнитные поля.

Таким образом, следует отметить, что среда, в которой зарождается магнитное поле, оказывает воздействие непосредственно на него, преумножая или ослабевая само поле.

Материалы, магнитное поле которых ослабляет результирующее поле, получили название диамагнитные, а материалы, весьма слабо усиливающие магнитное поле, именуются парамагнитными.

Магнитные особенности веществ

Следует отметить, то природа магнетизма зарождается не только благодаря электрическому току, но и постоянными магнитами.

Постоянные магниты могут быть изготовлены из небольшого количества веществ на Земле. Но стоит отметить, что все предметы, которые будут находиться в радиусе магнитного поля, намагнитятся и станут непосредственными источниками магнитного поля. Проведя анализ вышеизложенного, стоит добавить, что вектор магнитной индукции в случае наличия вещества отличается от вектора вакуумной магнитной индукции.

Гипотеза Ампера о природе магнетизма

Причинно-следственная связь, в результате которой была установлена связь обладания тел магнитными особенностями, была открыта выдающимся французским ученым Андре-Мари Ампером. Но в чем состоит гипотеза Ампера о природе магнетизма?

История положила свое начало благодаря сильному впечатлению от увиденного ученым. Он стал свидетелем исследований Эрстеда Лмиера, который смело предположил, что причиной магнетизма Земли являются токи, которые регулярно проходят внутри земного шара. Был сделан основополагающий и самый весомый вклад: магнитные особенности тел можно было объяснить беспрерывной циркуляцией в них токов. После Ампер выдвинул следующее заключение: магнитные особенности любого из существующих тел определены замкнутой цепью электрических токов, протекающих внутри них. Заявление физика было смелым и отважным поступком, поскольку он перечеркнул все предшествующие открытия, объяснив магнитные особенности тел.

Перемещение электронов и электрический ток

Гипотеза Ампера гласит, что внутри каждого атома и молекулы существует элементарный и циркулирующий заряд электрического тока. Стоит отметить, что на сегодняшний день нам уже известно, что те самые токи образуются в результате хаотичного и беспрерывного перемещения электронов в атомах. Если оговариваемые плоскости находятся беспорядочно относительно друг к друга вследствие теплового перемещения молекул, то их процессы взаимокомпенсируются и совершенно никакими магнитными особенностями не владеют. А в намагниченном предмете простейшие токи направлены на то, чтобы их действия слаживались.

Гипотеза Ампера в силах объяснить, почему магнитные стрелки и рамки с электрическим током в магнитном поле ведут себя идентично друг другу. Стрелку, в свою очередь, следует рассмотреть как комплекс небольших контуров с током, которые направлены идентично.

Особую группу парамагнитных материалов, в которых значительно усиливается магнитное поле, называют ферромагнитной. К этим материал относится железо, никель, кобальт и гадолиний (и их сплавы).

Но как объяснить природу магнетизма постоянных магнитов? Магнитные поля образуются ферромагнетиками не исключительно в результате перемещения электронов, но и в результате их собственного хаотичного движения.

Момент импульса (собственного вращательного момента) приобрел название — спин. Электроны в течение всего времени существования вращаются вокруг своей оси и, имея заряд, зарождают магнитное поле вместе с полем, образующимся вследствие их орбитального перемещения около ядер.

Температура Мария Кюри

Температура, выше которой вещество-ферромагнетик теряет намагниченность, получила свое определенное название — температура Кюри. Ведь именно французский ученый с данным именем сделал это открытие. Он пришел к выводу: если существенно нагреть намагниченный предмет, то он лишится возможности притягивать к себе предметы из железа.

Источник



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

Элементы земного магнетизма

Для раз­ло­же­ния век­то­ра $\boldsymbol H_\text$ 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 $\boldsymbol H_\text$ 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 $\boldsymbol H_\text$ на плос­кость xy обо­зна­ча­ют как $\boldsymbol H$ и на­зы­ва­ют го­ри­зон­таль­ной со­став­ляю­щей по­ля. Вер­ти­каль­ная плос­кость, про­хо­дя­щая че­рез век­тор $\boldsymbol H_\text$ 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 $\boldsymbol H_\text$ в плос­ко­сти маг­нит­но­го ме­ри­диа­на но­сит на­зва­ние на­кло­не­ния маг­нит­но­го и обо­зна­ча­ет­ся че­рез I. На­кло­не­ние I по­ло­жи­тель­но, ко­гда век­тор $\boldsymbol H_\text$ на­прав­лен вниз от зем­ной по­верх­но­сти, что име­ет ме­сто в Сев. по­лу­ша­рии Зем­ли, и от­ри­ца­тель­но, ко­гда $\boldsymbol H_\text$ 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 $\boldsymbol H_\text$ 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. 8·10 22 А·м 2 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 $\boldsymbol H_\text$ – 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.

Источник

Природа земного магнетизма

Цель работы: исследовать характер распределения параметров геомагнитного поля внутриземных источников (главного поля) по поверхности Земли и в околоземном пространстве. Выявить, проанализировать и объяснить характерные закономерности.

Краткие теоретические сведения

Природа земного магнетизма

Современная геотектоника полагает, что внутреннее ядро Земли жидкое, преимущественно металлическое и составляет

1,7%
от общей массы Земли, a химические элементы, такие как Fe и Ni, являются одними из его основных компонент и, вероятно, составляют массовую долю внутреннего ядра планеты

Примерный химический состав внешнего ядра Земли, составляющего

30 % массы всей планеты, представлен в табл. 1.

Предполагаемый химический состав внешнего ядра Земли

Вещество	Fe	Si	Ni	S	Cr	Co	P	Mn
Массовая доля, %	85,5	6,0	5,2	1,9	9,0	2,5	2,0	0,3

Непрерывное вращение Земли в целом и ее ядра в частности обуславливают наличие в нем постоянных течений и вследствие динамо-эффекта соответствующих им электрических токов, обеспечивающих, согласно законам магнитной гидродинамики, наличие ГМП.

В случае единственности Земли в космическом пространстве, силовые линии магнитного поля планеты располагаются в виде симметричных дуг, протянувшихся от северного магнитного полюса к южному (рис. 1). В такой модели значение напряженности магнитного поля связано обратно пропорциональной зависимостью с расстоянием от земного ядра до точки наблюдения [1].

В действительности магнитное поле Земли находится в непрерывном взаимодействии с магнитными полями, генерируемыми Солнцем, планетами Солнечной системы и прочими небесными телами. В результате имеет место значительная деформация ГМП, вносящая кардинальные поправки в законы существования и характер распространения идеализированного ГМП.

Рис. 1. Идеализированная картина магнитного поля Земли

Кроме этого, всегда существует определенная вероятность инверсии ГМП (смены знака осесимметричного диполя). В реальных условиях время, в течение которого происходит изменение знака полярности ГМП, составляет от тысячи до миллиона лет. Так, текущая магнитная эпоха условно названа эпохой прямой полярности [2].

Таким образом, очевидно, что в силу сложной и неоднородной структуры ГМП, его силовые линии распределены по поверхности Земли крайне неравномерно. Так, на основании результатов наблюдений, проводимых в данной области, установлено, что индукция ГМП на границе магнитосферы соответствует

10.03 мТл, у поверхности Земли на экваторе – 20–30 мкТл, а у полюсов –
60–70 мкТл.

При этом полный вектор индукции ГМП, наблюдаемый в любой точке географического пространства, заданной пространственно-временными координатами (широта, долгота, высота над уровнем моря и год), всегда можно определить, как сумму трех составляющих:

где B₁ – вектор индукции ГМП внутриземных источников;
B₂ – регулярная составляющая вектора индукции ГМП магнитосферных токов, вычисляемая в солнечно-магнитосферной системе координат; B₃ – составляющая вектора индукции ГМП, имеющая техногенную (антропогенную) природу происхождения.

Магнитное поле внутриземных источников состоит из поля электрических токов в земном ядре (главное поле), составляющего

98% всего поля и поля земного магнетизма горных пород, составляющего

2% всего поля. При этом поле земной коры убывает с высотой значительно быстрее, чем главное поле, и, начиная с высоты

100 км, им практически пренебрегают [3–4].

Именно магнитное поле внутриземных источников B₁ обычно принимают в качестве нормального (невозмущенного) состояния ГМП. Во многих случаях следует отдельно учитывать компоненту, наводимую магнитными свойствами горных пород, относя ее, таким образом, к геомагнитным вариациям:

где B – значение индукции невозмущенного ГМП в точке, заданной пространственно-временными координатами; ΔB’₁ – компонента ГМП внутриземных источников, отражающая магнитные свойства горных пород.

Источник

Земной магнетизм

Вокруг Земли существуют разнообразные поля, наиболее существенное влияние на ГО оказывают гравитационное и магнитное.

Гравитационное поле на Земле – это поле силы тяжести. Сила тяжести – равнодействующая сила между силой притяжения и центробежной силой, возникающей при вращении Земли. Центробежная сила достигает максимума на экваторе, но и здесь она мала и составляет 1/288 от силы тяжести. Сила тяжести на земле в основном зависит от силы притяжения, на которую оказывает влияние распределение масс внутри Земли и на поверхности. Сила тяжести действует повсеместно на земле и направлена по отвесу к поверхности геоида. Напряженность гравитационного поля равномерно уменьшается от полюсов к экватору (на экваторе больше центробежная сила), от поверхности вверх (на высоте 36 000 км равна нулю) и от поверхности вниз (в центре Земли сила тяжести равна нулю).

Нормальным гравитационным полем Земли называется такое, которое было бы у Земли, если бы она имела форму эллипсоида с равномерным распределением масс. Напряженность реального поля в конкретной точке отличается от нормального, возникает аномалия гравитационного поля. Аномалии могут быть положительными и отрицательными: горные хребты создают дополнительную массу и должны бы вызвать положительные аномалии, океанические впадины, наоборот – отрицательные. Но на самом деле земная кора находится в изостатическом равновесии.

Изостазия (от греч. isostasios – равный по весу) – уравновешивание твердой, относительно легкой земной коры более тяжелой верхней мантией. Теория равновесия была выдвинута в 1855 г. английским ученым Г.Б. Эйри. Благодаря изостазии избытку масс выше теоретического уровня равновесия соответствует недостаток их внизу. Это выражается в том, что на определенной глубине (100-150 км) в слое астеносферы вещество перетекает в те места, где имеется недостаток масс на поверхности. Только под молодыми горами, где еще полностью компенсация не произошла, наблюдаются слабые положительные аномалии. Однако равновесие непрерывно нарушается: в океанах происходит отложение наносов, под их тяжестью дно океанов прогибается. С другой стороны, горы разрушаются, высота их уменьшается, значит, уменьшается и масса.

Гравитационное поле Земли для ее природы имеет чрезвычайно важное значение:

1. Сила тяжести создает фигуру Земли, она является одной из ведущих эндогенных сил. Благодаря ей, выпадают атмосферные осадки, текут реки, формируются горизонты подземных вод, наблюдаются склоновые процессы. Давление масс вещества, реализующееся в процессе гравитационной дифференциации в нижней мантии, наряду с радиоактивным распадом порождает тепловую энергию – источник внутренних (эндогенных) процессов, перестраивающих литосферу.

2. Земное тяготение уплотнило внутреннее вещество земли и, независимо от его химического состава, сформировало плотное ядро.

3. Сила тяжести удерживает газовую и водную оболочки планеты. Атмосферу планеты покидают только самые легкие молекулы – водорода и гелия.

4. Сила тяжести обуславливает стремление земной коры к изостатическому равновесию. Силой тяжести объясняется максимальная высота гор; считается, что на нашей Земле не может быть гор выше 9 км.

5. Астеносфера – размягченный теплом слой, допускающий движение литосферы, — тоже функция сила тяжести, поскольку расплавление вещества происходит при благоприятном соотношении количества тепла и величины сжатия – давления.

6. Шаровая фигура гравитационного поля определяет два основных вида форм рельефа на земной поверхности – конические и равнинные, которые соответствуют двум универсальным формам симметрии – конической и билатеральной.

7. Направление силы тяжести вниз, к центру Земли, помогает животным удерживать вертикальное положение.

Тепловой режим поверхностного слоя земной коры (в среднем до 30 м) имеет температуру, определяемую солнечным теплом. Это гелиометрический слой, испытывающий сезонные колебания температуры. Ниже – еще более тонкий горизонт постоянной температуры (около 20 м), соответствующий среднегодовой температуре места наблюдения. Ниже постоянного слоя температура с глубиной нарастает – геотермический слой. Для количественного определения величины этого нарастания двумя взаимно связанными понятиями. Изменение температуры при углублении в землю на 100 м называется геотермическим градиентом (колеблется от 0,1 до 0,01 0 С/м и зависит от состава горных пород, условий их залегания), а расстояние по отвесу, на которое необходимо углубиться, чтобы получить повышение температуры на 1 0 , называется геотермической ступенью (колеблется от 10 до 100 м/ 0 С).

Земной магнетизм – свойство Земли, обусловливающее существование вокруг нее магнитного поля, вызванного процессами, происходящими на границе ядро-мантия. Впервые о том, что Земля – магнит, человечество узнало благодаря работам У. Гильберта.

Магнитосфера – область околоземного пространства, заполненная заряженными частицами, движущимися в магнитном поле Земли. Она отделена от межпланетного пространства магнитопаузой. Это внешняя граница магнитосферы.

В основе образования магнитного поля лежат внутренние и внешние причины. Постоянное магнитное поле образуется благодаря электрическим токам, возникающим во внешнем ядре планеты. Солнечные корпускулярные потоки образуют переменное магнитное поле Земли. Наглядное представление о состоянии магнитного поля Земли дают магнитные карты. Магнитные карты составляются на пятилетний срок – магнитную эпоху.

Нормальное магнитное поле было бы у Земли, будь она однородно намагниченным шаром. Земля в первом приближении представляет собой магнитный диполь – это стержень, концы которого имеют противоположные магнитные полюса. Места пересечения магнитной оси диполя с земной поверхностью называются геомагнитными полюсами. Геомагнитные полюсы не совпадают с географическими и медленно движутся со скоростью 7-8 км/год. Отклонения реального магнитного поля от нормального (теоретически рассчитанного) называются магнитными аномалиями. Они могут быть мировыми (Восточно-Сибирский овал), региональными (КМА) и локальными, связанными с близким залеганием к поверхности магнитных пород.

Магнитное поле характеризуется тремя величинами: магнитным склонением, магнитным наклонением и напряженностью. Магнитное склонение — угол между географическим меридианом и направлением магнитной стрелки. Склонение бывает восточным (+), если северный конец стрелки компаса отклоняется к востоку от географического, и западным (-), когда стрелка отклоняется к западу. Магнитное наклонение — угол между горизонтальной плоскостью и направлением магнитной стрелки, подвешенной на горизонтальной оси. Наклонение положительное, когда северный конец стрелки смотрит вниз, и отрицательное, если северный конец направлен вверх. Магнитное наклонение изменяется от 0 до 90 0 . Сила магнитного поля характеризуется напряженностью. Напряженность магнитного поля небольшая составляет на экваторе 20-28 А/м, на полюсе – 48-56 А/м.

Магнитосфера имеет каплевидную форму. На стороне, обращенной к Солнцу, ее радиус равен 10 радиусам Земли, на ночной стороне под влиянием «солнечного ветра» увеличивается до 100 радиусов. Форма обусловлена воздействием солнечного ветра, который, наталкиваясь на магнитосферу Земли, обтекает ее. Заряженные частицы, достигая магнитосферы, начинают двигаться по магнитным силовым линиям и образуют радиационные пояса.Внутренний радиационный пояс состоит из протонов, имеет максимальную концентрацию на высоте 3500 км над экватором. Внешний пояс образован электронами, простирается до 10 радиусов. У магнитных полюсов высота радиационных поясов уменьшается, здесь возникают области, в которых заряженные частицы вторгаются в атмосферу, ионизируя газы атмосферы и вызывая полярные сияния.

Географическое значение магнитосферы очень велико: она защищает Землю от корпускулярного солнечного и космического излучения. С магнитными аномалиями связан поиск полезных ископаемых. Магнитные силовые линии помогают ориентироваться в пространстве туристам, кораблям.

Источник