Природа магнитного поля Земли и его вариаций

Теперь, когда мы ознакомились с процессами, протекающими в верхних слоях атмосферы и околоземном пространстве, попытаемся ответить на поставленные выше вопросы о природе магнетизма Земли и его вариаций.

В настоящее время доказано, что основное магнитное поле принадлежит Земле в целом, Земле как космическому телу. Магнетизм Земли может быть обусловлен либо намагниченностью земного вещества, либо системами электрических токов. Но вещество Земли глубже 40 км не может обладать намагниченностью из-за высокой температуры, господствующей там, а земная кора толщиной 30-40 км даже в самом лучшем случае способна создать магнитное поле, несоизмеримо меньшее реально наблюдаемого поля. Следовательно, магнетизм Земли, за исключением локальных и региональных аномалий, может быть обусловлен только системами электрических токов. В настоящее время считается, что эти токи текут в ядре Земли. Но для существования электрических токов необходимо поддержание постоянной разности потенциалов. Предполагают, что такое поддержание вызывается конвективными движениями проводящего вещества во внешнем ядре Земли. Правда, еще не совсем ясны причины перемещения вещества в ядре Земли.

Конфигурация электрических токов в ядре Земли такова, что магнитное поле на земной поверхности имеет вид поля магнитного диполя, а мировые аномалии возникают за счет нерегулярностей этих токов. Вековые вариации магнитного поля Земли, вероятно, связаны с изменением силы и распределения токов в ядре. Существующая теория геомагнитного поля показывает, что в течение геологических периодов вариации сил и распределения токов таковы, что магнитное поле даже может менять полярность.

Западный дрейф магнитного поля, по-видимому, возникает из-за того, что земное ядро вращается несколько медленнее, чем мантия и кора Земли.

Помимо ядра Земли, электрические токи текут на границе магнитосферы, в ионосфере и, вероятно, в районе внешней радиационной зоны. Они возникают в результате движения заряженных частиц или ионизованного воздуха. Действительно, из физики известно, что движение электрически заряженных частиц эквивалентно электрическому току, который создает вокруг себя магнитное поле. Помимо небольшого постоянного вклада в геомагнитное поле, эти токи ответственны почти за все быстрые вариации магнитного поля Земли. Последнее становится понятным, если вспомнить, что плазма в околоземном космическом пространстве и в ионосфере чрезвычайно подвижна и концентрация ее очень изменчива.

Следует заметить, что любое изменение магнитного поля вызывает в проводящих слоях Земли индукционные электрические токи, которые называются теллурическими. Наибольшей величины теллурические токи достигают во время магнитных бурь, когда их напряженность увеличивается до сотен, а иногда и тысяч милливольт на 1 км. Теллурические токи в свою очередь создают дополнительное магнитное поле. Поэтому наблюдаемые быстрые вариации геомагнитного поля представляют собой сумму вариаций, обусловленных как токами в ионосфере и околоземном пространстве, так и внутриземными токами.

Движения плазмы в ионосфере - ионосферные ветры - зависят от времени суток. Это связано с приливами, вызываемыми Солнцем и Луной, и в еще большей степени с изменением температурного поля верхних слоев атмосферы в течение суток. Именно из-за этих движений плазмы в ионосфере и возникают солнечно-суточные и лунно-суточные вариации магнитного поля.

Периодические колебания магнитного поля типа "жемчужин", по-видимому, связаны с особенностями движения захваченных магнитным полем Земли сгустков одноименно заряженных частиц. Так, если захваченными частицами являются протоны с энергией около нескольких десятков килоэлектрон-вольт, то периоды поступательных движений между зеркальными точками совпадут с периодами огибающих - расстояниями между бусинками (1 - 3 мин.). Частоты же циклотронных вращений при некоторых условиях совпадают с несущими частотами "жемчужин" (0,5-2 Гц).

Механизм формирования магнитных бурь еще не совсем ясен. Несомненно лишь то, что магнитные бури вызваны корпускулярными потоками, значительно более энергичными, чем стационарный солнечный ветер. Воздействие таких корпускулярных потоков на магнитосферу приводит к сжатию ее и усилению поверхностных токов, текущих вдоль границы магнитосферы. Благодаря этому во время начальной фазы бури возрастает горизонтальная составляющая Н геомагнитного поля. Во время главной фазы силовые линии оказываются несколько спрямленными по сравнению с дипольными. При этом "щели" сползают в направлении экватора, что позволяет заряженным частицам проникать в атмосферу Земли вдоль силовых линий и вызывать полярные сияния в более низких широтах. Предполагается, что во время главной фазы бури в районе внешней радиационной зоны на расстоянии 3-5R появляется западный кольцевой ток. Усиливаясь, он уменьшает составляющую Н. Обратная фаза бури, или фаза восстановления, наступает, когда кольцевой ток начинает уменьшаться из-за потери энергии частицами.

В настоящее время еще нет единой законченной теории, объясняющей все особенности магнитных и электрических явлений, с которыми мы сталкиваемся при изучении Земли и околоземного пространства. В данный момент можно лишь предполагать, что быстрые вариации геомагнитного поля, полярные сияния, динамика ионосферы и радиационных поясов в основном обусловлены характером взаимодействия солнечных корпускулярных потоков с магнитным полем Земли.