Земной магнетизм


Л.В. ТАРАСОВ





                ЗЕМНОЙ МАГНЕТИЗМ










Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ

ДОЛГОПРУДНЫЙ
2012

     Л.В. Тарасов
       Земной магнетизм: Учебное пособие / Л.В. Тарасов — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2012. — 184 с.: цв. вкл.

       ISBN 978-5-91559-118-8


       В учебно-популярной форме рассказывается о земном магнетизме. Рассматриваются как геомагнитное поле на земной поверхности (элементы земного магнетизма, магнитные карты, дрейф и инверсия магнитных полюсов), так и магнитосфера Земли (радиационные пояса, полярные сияния, магнитные бури). Обсуждается современная гипотеза происхождения магнитного поля Земли (гипотеза гидромагнитного динамо). Дополнительно читатель знакомится с палеомагнетизмом и современными представлениями о строении земного шара.
       Для школьников, преподавателей, студентов.
























     ISBN 978-5-91559-118-8      © 2012, Л.В. Тарасов

                                © 2012, ООО Издательский Дом «Интеллект», оригинал-макет, оформление

            ОГЛАВЛЕНИЕ










Предисловие........................................... 5

Глава 1
ГЕОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ НА ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМНОГО ШАРА
И ВБЛИЗИ НЕЕ.......................................... 8
   1.1. Характеристики геомагнитного поля............. 8
   1.2. Магнитные карты, магнитные аномалии, геомагнитные вариации............................................16
   1.3. Как измеряют элементы земного магнетизма? ....24
   1.4. Становление и развитие магнитных съемок...........32
   1.5. Дрейф магнитных полюсов Земли.................42
   1.6. Палеомагнетизм и инверсия магнитных полюсов Земли.56
   1.7. Движение литосферных плит и полосовые магнитные аномалии...........................................61
   1.8. Моделирование главного магнитного поля Земли..74

Глава 2
МАГНИТОСФЕРА ЗЕМЛИ....................................81
   2.1. Ионосфера Земли...............................81
   2.2. Солнечный ветер и образование земной магнитосферы.94
   2.3. Заряженная частица в магнитном поле..........105
   2.4. Радиационный пояс.................................116
   2.5. Наблюдения небесных пазорей и сполохов (полярных сияний).................................124
   2.6. Магнитные бури...............................128
   2.7. Природа полярных сияний......................133
   2.8. Магнитосфера Юпитера.........................144

Оглавление

Глава 3
ПРОБЛЕМА ПРОИСХОЖДЕНИЯ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ..151

    3.1. Современные представления о строении земного шара..151
    3.2. Примеры несостоятельных гипотез...................166
    3.3. Гипотеза гидромагнитного динамо...................169
    3.4. Грядущая переполюсовка геомагнитного поля.........173

            ПРЕДИСЛОВИЕ










               Земной магнетизм, или, иными словами, геомагнетизм — это раздел геофизики, изучающий распределение в пространстве и изменения во времени магнитного поля Земли (геомагнитного поля), а также связанные с ним геофизические процессы в Земле и верхней атмосфере.
       В изучении геомагнитного поля вполне четко просматриваются три этапа. Первый, наиболее ранний этап связан с изучением геомагнитного поля на поверхности земного шара и в непосредственной близости от нее. На этом этапе решались три задачи.
       Первая задача — экспериментальное определение положения в разных точках земной поверхности так называемых элементов земного магнетизма (магнитного склонения, магнитного наклонения, модуля вектора магнитной индукции) и составление мировых магнитных карт. Идея и первый опыт в составлении магнитных карт принадлежат английскому астроному Эдмунду Галлею (1700).
       Вторая задача — моделирование главного магнитного поля Земли и вычисление элементов земного магнетизма по известным географическим координатам точек наблюдения. Первый шаг по пути математического моделирования геомагнитного поля сделал выдающийся немецкий математик Карл Гаусс в фундаментальном труде «Общая теория земного магнетизма» (1839).
       Третья задача — определение географических координат магнитных полюсов Земли и изменений этих координат с течением времени. Первое измерение координат магнитного полюса в Северном полушарии сделал английский мореплаватель Джеймс Кларк Росс в 1831 г. Впоследствии ряд экспедиций обнаружили движение магнитных полюсов как в Северном, так и в Южном полушариях, приводящее к смещениям полюсов на сотни километров. Методами палеомагнитологии было доказано, что в истории нашей планеты

—1 Предисловие

    неоднократно происходила инверсия магнитных полюсов (переход полюсов из одного полушария Земли в другое). Это обнаружили французский геофизик Бернар Брюнес (1906) и японский геолог Мотонори Матуяма (1920).
       Второй этап в изучении магнитного поля Земли связан с изучением земной магнитосферы — области околоземного пространства, физические свойства которой определяются магнитным полем Земли и его взаимодействием с потоками заряженных частиц космического происхождения (с солнечным ветром).
       На этом этапе решались две задачи. Первая — изучение структуры магнитосферы и, в частности, находящегося внутри нее радиационного пояса заряженных частиц. Этот пояс был открыт в 1958 г. американским ученым Джеймсом ван Алленом и независимо от него российскими учеными Сергеем Николаевичем Верновым и Александром Евгеньевичем Чудаковым. Вторая задача — исследование связи солнечной активности с появлением на Земле полярных сияний и магнитных бурь.
       Третий этап в изучении магнитного поля Земли связан с решением проблемы происхождения этого поля на основе гипотезы гидромаг-нитного динамо. Согласно этой гипотезе, возникновение геомагнитного поля происходит подобно тому, как происходит возникновение стационарного магнитного поля в электрогенераторе постоянного тока с самовозбуждением (его часто называют динамо-машиной). Впервые идея гидродинамического динамо была предложена в 1919 г. английским физиком Джозефом Лармором для объяснения магнетизма Солнца. Для объяснения магнетизма Земли эту идею использовал в 1947 г. российский физик Яков Ильич Френкель. В качестве электропроводящей жидкости рассматривается жидкое внешнее земное ядро — огромная масса расплавленного железа с растворенным в ней оксидом железа, имеющая объем, в пять раз превышающий объем Луны.
       В настоящее время в рамках гипотезы гидромагнитного динамо разрабатываются компьютерные модели грядущей инверсии магнитных полюсов Земли и отслеживаются признаки начала этой инверсии.
       В соответствии с перечисленными выше тремя этапами в изучении магнитного поля Земли данная книга разбита на три главы:
       Глава 1. Геомагнитное поле на поверхности земного шара и вблизи нее.
       Глава 2. Магнитосфера Земли.
       Глава 3. Проблема происхождения геомагнитного поля.

Предисловие

Л

7

        Представляя вниманию читателей данную книгу, автор хотел бы подчеркнуть, что происхождение геомагнитного поля, равно как и механизмы вековых вариаций и инверсий магнитных полюсов до сих пор остаются загадочными. По образному выражению А.И. Дьяченко, «Какие бы гипотезы ни строили сегодня ученые относительно поведения геомагнитного поля, очевидно одно — магнитное поле планеты пробудилось и проявляет какую-то активность. Вот только какую? Необычное поведение магнитных полюсов и резкое падение общей напряженности поля — лишь ее проявления. При этом не следует забывать, что наша Земля — лишь один из атомов в организме беспредельной Вселенной, взаимосвязь с которой может оказаться гораздо сложнее, чем представляется сегодня. Магнитосфера Земли погружена в гелиосферу — магнитную капсулу Солнечной системы, которая, в свою очередь, мчится в пространстве через неизведанные галактические магнитные поля. Думается, что понимание подобных взаимодействий позволит геофизике XXI в. сделать качественный шаг вперед».
        Автор выражает благодарность Тарасовой Татьяне Борисовне за ценные обсуждения рукописи в процессе ее написания и за помощь в подготовке рукописи к изданию.

ГЛАВА

1



            ГЕОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ
            НА ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМНОГО ШАРА И ВБЛИЗИ НЕЕ







   1.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

             Открытие магнитного склонения и магнитного наклонения

             Трудно сказать, когда впервые придумали намагнитить железную иглу (прообраз магнитной стрелки компаса) при помощи куска природного магнетита, иначе говоря, магнитного железняка (Fe₃O₄). Прообразом компаса стала намагниченная игла, укрепленная на пробке, которую опускали на поверхность воды. Было замечено, что всякий раз пробка поворачивалась на воде так, чтобы игла показывала на Полярную звезду, т. е. ориентировалась по географическому меридиану, проходящему через данную точку земной поверхности. Затем появились первые компасы, где вместо намагниченной иглы использовалась магнитная стрелка.
      Изобретение морского компаса в современном его виде приписывается итальянцу Флавио Джойя, жившему в начале XIV в. Он поместил магнитную стрелку на острие и снабдил ее бумажным кругом (картушкой), разделенным на 32 части, известные под названием «розы ветров» или румбов.
      С помощью компаса моряки в своих плаваниях ориентировались по Полярной звезде. На нее неизменно показывал один из концов магнитной стрелки компаса — это и было направление на север. В те времена считалось, что именно Полярная звезда, воздействуя на магнитную стрелку, ориентирует ее. О существовании магнитного поля Земли тогда еще не догадывались.
      Важным шагом, предшествующим появлению науки о земном магнетизме, стало открытие магнитного склонения Христофором

1.1. Характеристики геомагнитного поля —1

    Колумбом во время его плавания из Европы в Америку. До этого открытия, т. е. вплоть до XV в., существовало убеждение, что магнитная стрелка компаса точно показывает на север, на Полярную звезду. И только после первого путешествия Колумба в 1492 г. стало известно, что магнитная стрелка меняет свое направление при переходе из одного места в другое.
       Колумб обнаружил, что по мере пересечения его судном Атлантического океана стрелка компаса постепенно отклонялась от направления на Полярную звезду, т. е. от географического меридиана. В максимуме отклонение составило 12°.
       Так возникло понятие о магнитном склонении — угле отклонения оси магнитной стрелки от географического меридиана.
       Итак, в конце XV в. в Европе стали известны два факта: отклонение стрелки компаса от истинного меридиана (факт существования магнитного склонения) и изменение величины отклонения при перемещении от одного места к другому (зависимость магнитного склонения от места наблюдения).
       В 1510 г. часовых дел мастер Георг Гартман из Нюрнберга (Германия), занимавшийся изготовлением компасов, обнаружил, что магнитная стрелка отклоняется не только от географического меридиана. Будучи подвешенной на нити в центре тяжести, она ориентировалась под некоторым углом к горизонтальной плоскости. Этот угол получил впоследствии название магнитного наклонения.
       Обнаружение магнитного склонения и магнитного наклонения стрелки компаса определенно указывало, что наблюдаемая ориентация стрелки в пространстве обусловлена отнюдь не таинственным воздействием на нее со стороны Полярной звезды.

               «Наша всеобщая мать Земля — это большой магнит!»

               Эти слова публично прозвучали впервые в 1600 г. Они принадлежат английскому физику и врачу Уильяму Гильберту (1544—1603), автору трактата «О магните, магнитных телах и большом магните — Земле».
       Уильям Гильберт вырезал из большого куска природного магнетита шар, который назвал тереллой, т. е. «маленькой Землей» (в переводе с итальянского). Ученый разместил в различных местах

¹⁰ -V

Глава 1. Геомагнитное поле на поверхности земного шара и вблизи нее

    вблизи поверхности тереллы магнитные иглы-стрелки и проанали

    зировал картину их ориентации в пространстве. Наблюдавшаяся

    картина показана на рис. 1.1, повторяющем эскиз из книги Гильберта.
   Гильберт обнаружил на поверхности «малень-

Рис. 1.1

кой Земли» две диаметрально расположенные точки, где магнитные стрелки «выбрали» ориентацию вертикально к поверхности шара. Эти точки ученый назвал магнитными полюсами. Оказалось, что магнитные наклонения стрелок в опыте с терел-лой хорошо соответствуют магнитным наклонениям, которые действительно наблюдались мореплавателями в те времена.
   Отсюда Гильберт сделал правильный вывод: вся Земля есть огромный магнит, намагниченный шар, увеличенная во много раз терелла. Магнитные полюса Земли — это те две точки на ее повер-

   хности , где магнитная стрелка ориентируется вертикально (магнитное наклонение равно 90°). Такое определение магнитных полюсов

   Земли, сформулированное Гильбертом четыреста лет назад, сохра-

   нилось до нашего времени.
       Но где находятся магнитные полюса Земли? Гильберт ошибочно полагал, что они совпадают с географическими полюсами. Но как в таком случае можно было объяснить магнитное склонение, т. е. отклонение магнитной стрелки компаса от географического меридиана? Гильберт полагал, что оно обусловлено воздействием на магнитную стрелку со стороны материков, а точнее сказать, со стороны содержащихся в недрах материков намагниченных пород. Вроде той породы, из какой была вырезана терелла.



             Магнитные полюса и магнитные меридианы

             Итак, четыреста лет назад Гильберт сделал правильный вывод о том, что Земля представляет собой шарообразный магнит и что ее магнитные полюса — это точки, где магнитная стрелка ориентируется вертикально. Но Гильберт ошибался, полагая, что магнитные полюса Земли совпадают с ее географическими полюсами. Они не совпадают. Более того, если положения географических по

1.1. Характеристики геомагнитного поля

Л

11

   люсов неизменны, то положения магнитных полюсов со временем изменяются .
       В 2001 г. магнитный полюс в Северном полушарии имел географические координаты 81°18' с. ш., 110°48' з. д., т. е. находился в Северном Ледовитом океане в 200 км северо-западнее острова Эллеф-Рингнес Канадского Арктического архипелага. В том же году магнитный полюс в Южном полушарии имел координаты 64°40' ю. ш., 138°07' в. д., т. е. находился в Индийском океане в 150 км от береговой линии материка Антарктиды и в 2500 км южнее острова Тасмания. Заметим, что, например, в 1962 г. магнитный полюс в Северном полушарии имел координаты 75°06' с. ш., 100°48' з. д., а магнитный полюс в Южном полушарии — координаты 67°30' ю. ш., 140°00' в. д. Все эти данные — результаты измерений на месте, выполненных различными полярными экспедициями. В указанных точках земной поверхности в указанные годы магнитная стрелка компаса принимала практически вертикальную ориентацию.
       Через каждую точку на земной поверхности проходит, наряду с географическим, также свой магнитный меридиан. Он представляет собой сечение поверхности Земли плоскостью, проведенной через рассматриваемую точку и оба магнитных полюса. Эту плоскость называют плоскостью данного магнитного меридиана. Прямую, проходящую через магнитные полюса, называют магнитной осью Земли. Легко сообразить, что она не проходит через центр земного шара; это следует уже из различия значений южной и северной широт, соответствующих магнитным полюсам (напомним: в 2001 г. 81’18' с. ш. — 64°40' ю. ш.; в 1962 г. 75°06' с. ш. — 67°30' ю. ш.). Магнитная ось является общей линией пересечения плоскостей всех магнитных меридианов. Со временем изменяются как направление магнитной оси, так и вся совокупность магнитных меридианов и их плоскостей.
       Отметим, что магнитная ось Земли не пересекается с осью ее вращения. Если мысленно перенести магнитную ось параллельно самой себе до ее пересечения с осью вращения Земли, то можно говорить об угле наклона магнитной оси к оси вращения (проще говоря, об угле, образуемом этими двумя осями). Если в 1962 г. этот угол составлял 11,5° (что, заметим, надолго вошло в разные учебники), то к 2001 г. он уменьшился до 10°.

¹² -V

Глава 1. Геомагнитное поле на поверхности земного шара и вблизи нее


            Элементы земного магнетизма для каждой точки земной поверхности


              Магнитное поле — это векторное физическое поле; каждая его точка характеризуется вектором магнитной индукции В, который можно представить себе в виде своеобразной стрелки, «растущей» из данной точки. Единицей измерения магнитной индукции в СИ является тесла (обозначается Тл); название дано в честь сербского ученого Николы Тесла (1856—1943):

           1Тл=1 Н/(А-м).
           1Тл = 10 000 гаусс (единица СГС).
           1Тл= 1 ■ 10⁹ гамма (единица, применяемая в геофизике).

       Вблизи магнитных полюсов Земли магнитная индукция составляет примерно 6 ■ 10“⁵ Тл. По мере перемещения от полюса к экватору магнитная индукция постепенно уменьшается. На широте 50° магнитная индукция в среднем составляет 5 ■ 10⁻⁵ Тл, а на экваторе — 3,1 ■ 10⁻⁵ Тл. Это весьма малое значение.
       Для сравнения заметим, что магнитная индукция поля между полюсами обычного подковообразного магнита (2—4) ■ 10⁻³ Тл, а современные мощные электромагниты создают поля до (1—2) Тл. В солнечных пятнах магнитная индукция составляет примерно 10 Тл. Рекордное значение магнитной индукции постоянного магнитного поля, достигнутое людьми — 91,4 Тл. Магнитные поля в атомах характеризуются магнитной индукцией от 1 до 10 килотесла (10³—10⁴ Тл), а на нейтронных звездах — от 1до 100 мегатесла (10⁶—10⁸ Тл).
       Пусть А — некоторая точка наблюдения на поверхности земного шара в Северном полушарии (рис. 1.2). Магнитное поле в точке А характеризуется вектором магнитной индукции В; его направление совпадает с направлением на север магнитной стрелки, помещенной в точку наблюдения А. На рисунке отмечены, кроме А, еще три точки: П — Северный географический полюс и М₁ и М, — магнитные полюса Земли. Штриховкой показана плоскость проведенная через точки А, М₁ и М₂. Это есть плоскость магнитного меридиана, проходящего через точку А земной поверхности. Наряду с магнитным меридианом на рисунке показана часть географического меридиана, проходящего через А. Вектор В можно разложить на вектор В₁, направленный по касательной к магнитному меридиану, и вектор В₂,