Глава VI. Геомагнетизм и околоземное космическое пространство

Земля - магнит

Земля - большой магнит. Она обладает магнитным полем, существование которого широко известно по действию на стрелку компаса, всегда стремящуюся стать параллельно силовым линиям магнитного поля Земли. Она указывает не на географический, а на магнитный полюс. Угол, который образует стрелка компаса с северным направлением географического меридиана или с истинным направлением на север, называется магнитным склонением. Склонение считается положительным, если стрелка компаса уклоняется к востоку, и отрицательным - при отклонении к западу. Для морской и воздушной навигации составляются карты магнитного склонения (первая карта склонений была составлена в 1700 г. английским астрономом Эдмундом Галлеем). Магнитное склонение данного места меняется со временем. Поэтому через каждые 5 - 10 лет карты составляются заново. Мировая карта склонений для 1955 г., составленная Гидрографической службой США, приведена на рис. 38. Одинаковые величины склонений соединены на ней линиями, которые называются изогонами. Стрелка компаса указывает на географические полюса лишь в тех местах земного шара, где проходит нулевая изогона (склонение равно пулю).

Если стрелку укрепить на перпендикулярной магнитному меридиану горизонтальной оси, то она, как правило устанавливается наклонно к горизонтальной поверхности. Угол, который образует стрелка компаса с горизонтальной плоскостью, называется наклонением. Наклонение считается положительным, если северный конец стрелки компаса направлен внутрь Земли. Наблюдения показывают, что наклонение положительно в северном полушарии и отрицательно - в южном. Точки, в которых наклонение равно 90°, называются магнитными полюсами Земли. При этом магнитный полюс, ближайший к северному географическому полюсу, называется северным, а ближайший к южному - южным. Заметим, что, с точки зрения физики, их надо было бы назвать наоборот.

Рис. 38. Карта склонений магнитного поля Земли для 1955 г. Линии равных склонений - изогоны проведены через 5 градусов

Полюсы не остаются на месте. Они движутся. Так, северный магнитный полюс, который в 1970 г. располагался около точки с координатами φ = 75° с. ш. и λ = 261° в. д., в 1904 г. находился около точки φ = 70,5° с. ш. и λ = 262,5° в. д. Южный магнитный полюс, фиксируемый сейчас в точке с координатами φ = 66,5° ю. ш. и λ = 140° в. д., в 1912 г. имел координаты φ = 72,2° ю. ш. и 150,7° в. д.

Линия, соединяющая на поверхности Земли точки с нулевым наклонением, называется магнитным экватором. Абсолютная величина наклонения растет от магнитного экватора к полюсам.

В ходе геомагнитных измерений, помимо магнитного склонения D и наклонения I, регистрируются величины горизонтальной Н и вертикальной Z составляющих напряженности геомагнитного поля (рис. 39). Горизонтальная составляющая Н обычно направляется по магнитному меридиану на северный магнитный полюс, а вертикальная составляющая Z - по вертикали вниз. Имея названные элементы геомагнитного поля, можно легко вычислить вектор напряженности магнитного поля В в рассматриваемой точке пространства, который иногда называют полным полем. Так, согласно рис. 39,

Рис. 39. Составляющие геомагнитного поля

За единицу напряженности магнитного поля обычно принимают эрстед (Э), т. е. напряженность такого магнитного поля, которое на единичную магнитную массу действует с силой в одну дину. Для измерения слабых полей употребляется более мелкая единица - гамм (γ). 1 Э = 100 000γ. В Международной системе единиц СИ за единицу напряженности магнитного поля принимают амперна метр (А/м). 1 А/м = 4π×10^-3 Э.

Вертикальная составляющая напряженности магнитного поля Z в общем увеличивается от нуля на магниты см экваторе до 0,7 Э на магнитных полюсах. Горизонтальная составляющая H, наоборот, уменьшается от 0,3-0,4 Э на магнитном экваторе до 0 на магнитных полюсах. На территории СССР, стран Европы и США величина Н имеет порядок 0,1-0,2 Э, а величина Z - 0,5-0,6 Э. Рис. 40 иллюстрирует полное геомагнитное поле В во всех частях земного шара, по данным Гидрографической службы США на 1955 г. Изолинии величин В проведены через 0,05 Э. Рис. 40 показывает, что напряженность геомагнитного поля в общем возрастает от экватора к полюсам от 0,25-0,35 до 0,6-0,7 Э.

Внимательный анализ рис. 38 и 40 показывает, что хотя по своему действительному характеру геомагнитное поле чрезвычайно сложно, все же в первом приближении оно довольно близко совпадает с полем короткого магнитного бруска, или диполя, расположенного в центре Земли и направленного вдоль линии, соединяющей так называемые геомагнитные полюса. Этот воображаемый диполь, поле которого ближе всего соответствует наблюдаемому, называется эквивалентным магнитным диполем. Ось эквивалентного диполя называется геомагнитной осью, а точки пересечения ее с поверхностью Земли - геомагнитными полюсами. Геомагнитные полюсы Земли не совпадают с магнитными полюсами. В 1970 г. северный геомагнитный полюс располагался, например, в точке с координатами φ = 78,5° с. ш., λ = 290° в. д., а южный - в точке с координатами φ = 78,5° ю. ш., λ = 110° в. д. Таким образом, геомагнитная ось наклонена к оси вращения Земли приблизительно на 11,5°.

Взяв за основу вместо географических геомагнитные полюсы, можно ввести на поверхности Земли геомагнитную систему координат - геомагнитные широту и долготу. Этой системой координат обычно пользуются при изучении различных явлений, связанных с геомагнетизмом и солнечно-земной физикой.

Рис. 40. Карта полного геомагнитного поля для 1955 г. Напряженности магнитного поля даны в эрстедах

Интенсивность магнитного поля, как это следует из приведенных выше данных, сравнительно невелика. Но чтобы создать наблюдаемое геомагнитное поле, потребовалось бы поместить в центре Земли гигантский цилиндрический магнит длиной 4000 км и диаметром 200 км. Магнитный момент М такого диполя, т. е. произведение намагниченности на объем магнита, равен 8×10²⁵ единиц СГСМ. Если отнести этот момент ко всему объему земного шара, то средняя намагниченность вещества составит 0,072 единиц СГСМ, т. е. менее тысячной доли по сравнению с намагниченностью обычных магнитов.

Поле эквивалентного диполя является лишь первым приближением для реального магнитного поля Земли. Если вычесть из последнего поле эквивалентного диполя, то получится поле аномалий. В зависимости от размеров занимаемой ими площади различают локальные, региональные и мировые аномалии. Локальные аномалии имеют характерные размеры порядка нескольких километров, региональные - нескольких сот, а мировые - нескольких тысяч километров.

Локальные и региональные аномалии связаны с залеганием в земной коре различных ферромагнитных минералов. Интенсивность этих аномалий может быть самой различной в зависимости от количества намагниченных пород и глубины их залегания. В районе Курской магнитной аномалии напряженность поля, например, достигает 2 Э, т. е. более чем в четыре раза превышает величину нормальной напряженности В, снятой с карты на рис. 40.

По поведению магнитного поля в районе аномалии можно теоретически вычислить, где и сколько залегает ферромагнитного вещества. Благодаря этому анализ магнитных аномалий широко используется в геологоразведочных работах, особенно при поисках железорудных месторождений.

Мировые аномалии, которые занимают площадь в несколько тысяч квадратных километров и захватывают целые материки, по-видимому, имеют то же происхождение, что и главное магнитное поле Земли.