Изменения геомагнитного поля

Вековые вариации

Установлено, что мировые аномалии медленно перемещаются в западном направлении со скоростью 0,2° долготы в год. Это явление, открытое в 1951 г., получило название западного дрейфа магнитного поля Земли.

Наблюдения, которые ведутся уже около четырех веков, показывают, что все элементы магнитного поля Земли меняются. Процесс изменения среднегодовых значений того или иного элемента именуется вековой вариацией, а изменение величины их за один год - вековым ходом. Самую большую вековую вариацию имеет важнейший для морской практики элемент - магнитное склонение. Табл. 3 показывает изменение магнитного склонения (град.) в некоторых пунктах земного шара за последние 420 лет. Из таблицы видно, что, например, в Лондоне склонение за последние четыре столетия колебалось в пределах более чем 30°. В то же время наклонение менялось всего на 6°.

Таблица 3

Чтобы отчетливо представить себе распределение геомагнитных вековых вариаций по земному шару, строят карты, на которые наносят величины векового хода для каждого элемента. Эти карты называются картами изопор. С их помощью можно видеть, что на поверхности Земли имеется ряд фокусов вековых вариаций. Максимальные изменения напряженности геомагнитного поля как положительные, так и отрицательные достигают величины 100 γ за год. Величина векового хода не остается постоянной от года к году. Поэтому обсерватории вынуждены определять ее ежегодно.

Естественно полагать, что вековые вариации возникают из-за западного дрейфа магнитного поля Земли. Однако, как показывают простые расчеты, величины векового хода, вызываемые западным дрейфом, почти в два раза меньше наблюдаемых. Это свидетельствует о том, что вековые вариации обусловлены не только западным дрейфом, но и собственным непостоянством магнитного поля Земли.

Магнитный момент Земли также меняется со временем. Если в 1830 г. он составлял приблизительно 8,50×10²⁵ единиц СГСМ, то в 1885 г. - 8,35×10²⁵, а в 1965 г. - 8,01×10²⁵ единиц СГСМ. Следовательно, магнитный момент Земли уменьшается поразительно быстро, примерно на 5 % за столетие. Если это уменьшение будет продолжаться подобными темпами и в дальнейшем, то дипольное поле через 2000 лет исчезнет полностью!

Археомагнетизм и палеомагнетизм

Как же вело себя магнитное поле Земли в далеком прошлом? Еще совсем недавно казалось, что мы никогда не узнаем об этом. Однако за последние 20 лет были разработаны археомагнитные и палеомагнитиые методы, позволяющие определять геомагнитное поле в предысторическое и геологическое время. В чем же они заключаются?

Вещество обладает намагниченностью только в случае сравнительно низких температур. Например, породы, входящие в состав земной коры, теряют свою намагниченность, когда температура превышает 700° С. Такую высокую температуру может иметь лава, изливающаяся из недр Земли, кирпич и керамические изделия во время обжига в печах и т. д. При охлаждении этих предметов, а также при осаждении осадочных пород на дне водоемов ферромагнитные частицы, которые являются малыми магнитиками и которые всегда в большем или меньшем количестве имеются в земном веществе, ориентируются параллельно силовым линиям магнитного поля Земли. Благодаря этому охлаждающееся вещество и осадочная порода становятся намагниченными, причем их намагниченность настолько устойчива, что не разрушается ни от воздействия магнитного поля другой ориентации, ни от нагрева до 300-400° С, ни под влиянием времени. То есть земное магнитное поле во время остывания вещества и образования осадочных пород как бы "вмерзает" в них. Если кусок застывшей лавы, осадочной породы, кирпич или керамическое изделие не перемещались с момента своего остывания, то измерив их намагниченность, можно установить направление и интенсивность геомагнитного поля во время остывания исследуемых предметов.

Если при этом для определения прошлого геомагнитного поля исследуются изделия человеческих рук - кирпичи старинных зданий, глиняные сосуды, черепки, время изготовления которых установлено археологами, то метод называется археомагнитным. Он позволяет измерить элементы земного магнетизма - склонение, наклонение и напряженность магнитного поля - в данном пункте земного шара в пределах исторической эпохи (от нескольких сот лет тому назад до 3000-4000 лет до н. э.).

Если для определения прошлого геомагнитного поля исследуются горные или осадочные породы, возраст которых известен, то метод называется палеомагнитным. В отличие от археомагнитного, палеомагнитный метод используется для нахождения координат магнитных полюсов и распространяется на всю историю существования Земли.

Какие же результаты были получены этими методами?

С помощью археомагнитного метода установлено, что периоды вековых вариаций для каждого элемента имеют свое собственное значение. Например, геомагнитное наклонение, которое этим методом выводится наиболее точно, обнаруживает колебания с периодом около 1000 лет и амплитудой около 30°. Причем экстремальные значения достигаются не синхронно на всей поверхности земного шара, а с запаздыванием по времени, пропорциональным разности долгот. Например, последний максимум величины наклонения в Лондоне имел место в 1700 г., в Средней Азии - в 1350 г., а в Японии - в 1200т. Иными словами, картина векового хода как бы смещается на запад. Это лишний раз свидетельствует о реальности западного дрейфа магнитного поля Земли.

Напряженность геомагнитного поля от наших дней в глубь веков растет, достигая своего максимального значения (в 1,5 раза превышающего современную величину) примерно в начале новой эры, а затем уменьшается до минимума (равного 0,5 от современного значения) в четвертом тысячелетии до н. э. В еще более далеком прошлом поле, по-видимому, опять возрастает, хотя для надежного заключения данных еще недостаточно. Таким образом, напряженность геомагнитного поля, вероятно, меняется с периодом около 10 000 лет и амплитудой, составляющей 50% от ее современной величины.

Рис. 41. Траектории перемещения геомагнитного полюса, вычисленные по образцам горных пород разных континентов

Различие периодов вековых вариаций наклонения и напряженности на первый взгляд кажется неожиданным. Однако более внимательный анализ показывает, что изменения наклонения вызваны в основном западным дрейфом магнитного поля, в то время как вариации напряженности - изменениями магнитного момента Земли. Поскольку оба эти явления не связаны друг с другом, то и периоды их изменения могут отличаться на любую величину.

Вычисленные с помощью палеомагнитного метода координаты магнитных полюсов оказались разными для различных эпох. Создавалось впечатление, что магнитные полюса постоянно перемещаются по поверхности Земли. Так, исследованиями всевозможных пород, отобранных в пределах Европейского материка, обнаружено, что за последние 700 млн. лет северный магнитный полюс перемещался от Калифорнийского полуострова (США) через Тихий океан сначала на юго-запад к экватору, потом повернул на северо-запад к Японии и затем двигался на север, к своему современному положению. Исследования пород, отобранных на других материках, дали совершенно другие траектории перемещения северного магнитного полюса. Выяснилось, что каждому из материков присуща своя траектория (рис. 41). Общим в этих траекториях является лишь то, что все они сходятся в одной точке, соответствующей современному положению северного магнитного полюса.

Различие траекторий движения магнитных полюсов по поверхности Земли легче всего можно объяснить перемещением - дрейфом - материков. Гипотеза о существовании дрейфа материков впервые была высказана в 1912 г. немецким метеорологом Альфредом Вегенером для объяснения климата прошедших эпох. Однако эта гипотеза до сих пор не доказана и не отвергнута. Все же фактов, говорящих в пользу ее, значительно больше чем противоположных.

Еще более неожиданным результатом палеомагнитных исследований является то, что за время своего существования магнитное поле Земли, по-видимому, неоднократно меняло свою полярность. По всему земному шару имеются породы определенного возраста, направление намагниченности которых противоположно направлению намагниченности более молодых и более старых пород. Вероятно, северный и южный магнитные полюса менялись местами. Периоды существования одной и той же полярности, видимо, составляли в последние 10-20 млн. лет около 0,7 млн. лет, а в более ранние эпохи (300-500 млн. лет назад) - 5-10 млн. лет. Обращение полярности происходило быстро и не превышало, скорее всего, 0,1 млн. лет.

Следует заметить, что результаты, полученные и получаемые археомагнитным и палеомагнитным методами, далеко не всегда согласуются друг с другом. Учитывая это, к ним всегда нужно относиться с большой осторожностью.

Быстрые вариации

Помимо вековых вариаций, магнитное поле Земли обнаруживает быстрые колебания самых различных периодов - от нескольких дней до нескольких долей секунды. Для изучения этих вариаций в специальных магнитных обсерваториях ведется непрерывная регистрация элементов магнитного поля Земли с помощью самопишущих приборов. Результаты записей называются магнитограммами. Рис. 42 иллюстрирует некоторые из них. Магнитограммы показывают, что элементы магнитного поля Земли меняются в некоторые дни плавно и правильно (рис. 42, а), а иногда крайне нерегулярно (рис. 42, б). Дни с малыми изменениями называются спокойными, а дни с заметными вариациями элементов - возмущенными.

В спокойные дни на магнитограммах можно выявить периодические вариации. Наиболее значительной из них является солнечно-суточная с периодом, равным солнечным суткам. Менее заметна лунно-суточная вариация с периодом, равным половине лунных суток. Наглядное представление о суточном ходе элементов магнитного поля Земли можно получить из рис. 43, где, по данным магнитной обсерватории в Павловске под Ленинградом, показаны кривые вариаций склонения δD, горизонтальной δН и вертикальной δZ составляющих напряженности поля. Амплитуда солнечно-суточных вариаций для δD составляет примерно 5', а для δН - ≈20 γ. В то же время для лунно-суточных вариаций соответствующие амплитуды составляют 1' и 2 γ. Интересно, что величины амплитуд названных вариаций зависят от широты места наблюдения и времени года. Зимой амплитуды суточных вариаций почти в четыре раза меньше, чем летом.

К периодическим относятся и колебания - микропульсации - с периодами от долей секунды до нескольких сот секунд и амплитудами, не превышающими десятки γ. Различают большое число типов этих колебаний, отличных по форме, периоду и амплитуде.

Опишем колебания, названные за свою оригинальную форму жемчужинами. На магнитограмме "жемчужины" выглядят в виде биений двух или нескольких близких частот, так что магнитограмма напоминает цепочку бусин, нанизанных на нить. Обычно "несущая" частота равна 0,5-2 Гц, а период огибающей (расстояние между бусинками) составляет 1-3 мин. Длительность одного биения (длина одной бусинки) равна примерно 15-30 сек. Поражает устойчивость частоты и формы биений. Даже мелкие детали, часто имеющие место около отдельного биения, периодически повторяются на протяжении всей серии. Серия "жемчужин" может длиться несколько десятков минут. Особый интерес представляет тот факт, что "жемчужины" появляются одновременно как в северной, так и в южной полярных зонах.

Рис. 42. Изменение элементов геомагнитного поля со временем в спокойный (а) и слегка возмущенный (б) день. По оси абсцисс даны часы

Рис. 43. Суточный ход элементов геомагнитного поля

Возмущенные дни характеризуются наличием множества нерегулярных, случайных вариаций магнитного поля Земли, которые по своей величине значительно больше периодических. Максимальную амплитуду имеют вариации, продолжительность которых лежит в пределах от 15 мин. до нескольких часов. Для более коротких и более длительных возмущений амплитуда уменьшается.

Нерегулярные возмущения магнитного поля Земли в настоящее время принято разделять по территориальному признаку на три типа.

К первому типу относят возмущения, наблюдающиеся одновременно на всем земном шаре. Их обычно называют магнитными бурями. Возмущения второго типа происходят лишь на ограниченных областях земной поверхности. Это - локальные возмущения. Они длятся обычно несколько часов. Амплитуда их не превышает 100 γ.

Третий тип возмущений наблюдается в околополюсных областях (полярных шапках) ежедневно и непрерывно в течение всего дня. Поэтому их называют перманентными возмущениями.

Из всех типов нерегулярных возмущений самыми грандиозными являются магнитные бури, наиболее четко проявляющиеся в вариациях горизонтальной составляющей магнитного поля Земли Н. Характерная особенность магнитных бурь состоит в том, что они начинаются внезапно и одновременно на всем земном шаре. За один-два часа напряженность Н по абсолютной величине вырастает на несколько десятков γ. Это - начальная фаза бури. За ней следует главная фаза (продолжительностью в несколько часов), в течение которой Н резко уменьшается до минимального значения. После этого наступает обратная фаза бури - магнитное поле медленно возвращается к прежнему невозмущенному значению. Она обычно длится несколько дней. Замечено, что чем интенсивнее буря, тем быстрее протекают ее фазы. Во время сильных магнитных бурь амплитуда возмущения достигает 1500 γ в высоких и 1000 γ в средних широтах. Подобные бури случаются сравнительно редко - примерно раз в год. Во время недавней уникальной по силе магнитной бури, возникшей примерно через 14 час. после начала мощной солнечной вспышки 4 августа 1972 г., наблюдались вариации горизонтальной и вертикальной составляющей напряженности магнитного поля с амплитудами соответственно 2500 γ и 3000 γ. Магнитные бури меньшей силы, амплитуда возмущения при которых не выше сотен γ, могут происходить несколько раз в месяц.

Замечено, что магнитные бури тесно связаны с корпускулярным излучением Солнца. Особенно тесно они коррелируют с солнечными вспышками. Исследования показывают, что магнитные бури обнаруживают тенденцию к 27-дневной повторяемости (период вращения Солнца вокруг оси для земного наблюдателя).

Магнитные бури, как правило, сопровождаются изменениями в ионосфере, появлением полярных сияний в области более низких широт, чем обычно, значительным ухудшением радиосвязи на коротких волнах, возникновением помех в линиях кабельной и проволочной связи и т. п. Так, например, во время магнитной бури 11 февраля 1958 г. индуцированные электрические токи были так велики, что в Швеции в некоторых местах загорался электроизоляционный материал на кабелях, сгорали предохранители и даже трансформаторы!

Расчеты показывают, что полная энергия средней геомагнитной бури достигает 10²⁴ эрг, а мощность - 10¹⁹ эрг/сек.