Загадки магнетизма земли. Магнетизм земли Земной магнетизм и жизнь на земле
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.
Наша Земля — пятая по величине среди девяти планет, кружащихся по своим орбитам вокруг Солнца, ближайшей звезды. Каждую секунду Земля проходит около 30 км, а полный оборот вокруг Солнца она совершает в течение года. Вдобавок, Земля вращается вокруг своей оси, как волчок, делая полный оборот за 24 часа. Земля не является идеальным шаром. Ее диаметр равен 12756 км у экватора (условной линии, разделяющей земной шар на Северное и Южное полушария) и 12714 км у полюсов. Длина окружности Земли по экватору составляет 40075 км.
Луна — ближайший космический сосед Земли. Ее диаметр примерно вчетверо меньше диаметра Земли и равен 3475 км. Горные породы, слагающие Луну, менее плотные, чем земные, поэтому Луна весит в 8 раз меньше Земли.
Земля — третья планета от Солнца, состоящая в основном из каменистых горных пород.
«Анкета» нашей планеты, или что мы твёрдо знаем о Земле
Сегодня мы твёрдо знаем о той планете, на которой обитает человечество, что её средний радиус составляет 6371 км. Однако в плоскости экватора он чуть больше — около 6378 км, а расстояние от центра Земли до полюса — меньше, почти 6357 км.
Поверхность Земли — 510 млн км2, из которых 71% занимает океан, а остальное — суша. Может быть, вообще нашу планету правильнее было бы называть Океаном, раз уж земли на Земле значительно меньше?
Объём земного шара обозначается таким числом кубических километров, которое оканчивается двенадцатью нулями. Каждый кубический метр материала, из которого состоит Земля, в среднем весит чуть больше 5,5 т. Так что, если бы некоему великану удалось поместить планету на исполинские весы, она «потянула» бы на шесть с двадцать одним нулём тонн!
Во внутреннем составе планеты преобладает железо — его почти 35%; затем идёт кислород (около 30%), потом — кремний (15%) и магний (12%). Но это в среднем.
За 4,6 млрд лет существования Земли сила тяжести увлекла вглубь более тяжёлые породы, а более лёгкие оставила ближе к поверхности. Такой «сортировке» помогал и жар земных недр — в самой середине Земли температура от 5000 до 6000° С. Поэтому тело планеты стало неоднородным и по физическим свойствам, и по химическому составу. В сердцевине находится ядро планеты; оно окружено мантией, а поверх всего — земная кора.
Планета Земля обладает собственным магнетизмом — ее окружает невидимое поле магнитных сил, которого мы не ощущаем, однако оно действует на материалы, содержащие железо или некоторые другие металлы. Обнаружить магнитное поле можно с помощью компаса. Стрелка компаса — это длинный тонкий магнит. Взаимодействуя с земным магнетизмом, она поворачивается и указывает на север и на юг.
1. Магнитные силовые линии, 2. Земля
Сильнее всего проявляется на Северном и Южном магнитных полюсах. Там магнитные силовые линии направлены вертикально.
Вероятно, магнитное поле Земли обусловлено силами, порождаемыми ее внешним ядром — железной оболочкой, которая располагается на глубине около 2900 км под поверхностью. Давление на такой глубине очень велико, и температура превышает 4000 °С. При такой температуре железо находится в жидком состоянии. Из-за вращения Земли потоки расплавленного железа закручиваются подобно штопору, их движение порождает электричество, а оно, в свою очередь, создает магнитное поле, окружающее земной шар и защищающее нас от облучения частицами с высокой энергией, которыми Солнце бомбардирует Землю. Однако некоторые частицы притягиваются магнитными полюсами, вызывая сполохи на ночном небе — полярное сияние.
Магнитное поле распространяется в космическое пространство и образует магнитосферу. Солнечные частицы высокой энергии, «солнечный ветер», бомбардируют магнитосферу и заставляют ее принимать каплеобразную форму.
Колоссальные потоки тепловой энергии внутри Земли и вращение планеты вокруг своей оси заставляют полужидкие каменные глыбы двигаться по спиралям. Эти спиральные течения возбуждают электрические токи, которые порождают магнитное поле.
Земной магнетизм - это свойство Земли (как космического тела), обусловливающее существование вокруг нее магнитного поля. Из других планет доказательства существования магнитного поля имеются для Юпитера. Измерения на американском космическом аппарате «Маринер-4» показали, что дипольный магнитный момент Марса меньше 3 1O -4 магнитного момента Земли. На Венере и Луне магнитные поля отсутствуют. В 1912 г. было обнаружено магнитное поле Солнца, а в 1947 г. и других звезд.
По данным космических измерений на больших расстояниях магнитное поле Земли (магнитосфера) простирается за пределы планеты на несколько земных радиусов, причем на освещенной Солнцем стороне Земли оно значительно сжато.
На расстоянии 10 земных радиусов близ линии, соединяющей Солнце и Землю, регулярное магнитное поле Земли переходит в нерегулярное, или хаотическое, поле. Граница между регулярным и хаотическим полем называется магнитопаузой. Она, по-видимому, стабильна относительно потока солнечного ветра. Хаотическое поле представляет собой переходную область между магнитопаузой и невозмущенным межпланетным полем, расположенным на расстоянии около 14 земных радиусов (также близ линии Солнце - Земля). Напряженность магнитного поля Земли изменяется обратно пропорционально кубу расстояния.
С захватом магнитным полем Земли заряженных частиц (электронов и протонов) связано наличие двух радиационных поясов, обнаруженных с помощью счетчика Гейгера во время многочисленных зондирований, выполненных на космических кораблях и спутниках.
В связи с дипольным характером геомагнитного ноля радиационные пояса имеют вид рогов полумесяца (точнее, тороидальную форму вследствие дрейфа частиц по долготе, обусловленного неоднородностью магнитного поля). Внутренний радиационный пояс, по-видимому, стабилен во времени, внешний подвержен сильным изменениям, в частности во время магнитных бурь.
Нагляднее всего магнитное поле Земли проявляется своим действием на магнитную стрелку, которая в любой точке земной поверхности устанавливается в определенном направлении (на этом основано устройство компаса) при различных склонениях и наклонениях.
Склонение - угол отклонения магнитной стрелки от географического меридиана данного места. Склонение может быть восточным и западным, причем величина его меняется в разных районах. Линии, соединяющие на картах точки с одинаковым склонением, называются изогонами. Наклонение - угол наклона магнитной стрелки к горизонту. В северном полушарии вниз опущен северный конец стрелки, в южном - южный. Линии, соединяющие точки одинакового наклонения, называются изоклинами. Изоклина, на которой наклонение равно нулю, называется магнитным экватором. Магнитный экватор пересекает географический экватор на 169° в. д. и на 23° з. д. и отступает от него к югу в западном полушарии и к северу - в восточном. По направлению к северу и к югу наклонение увеличивается и достигает 90° в точках, называемых магнитными полюсами. В магнитных полюсах сходятся и все изогоны.
Магнитные полюса меняют свое положение из года в год. В их положении отмечаются также небольшие периодические суточные колебания. В 1970 г. положение Северного полюса определялось 78° 31" с. ш. и 70в01" з. д., а Южного - 78°31" ю. ш. и 109°59" в. д. Точно так же вековые, годичные и суточные колебания отмечаются и в магнитном склонении, причем вековые колебания достигают 30°. Кроме склонения и наклонения магнитное поле Земли характеризуется напряженностью, различной в разных участках и меняющейся во времени. Линии, соединяющие точки равной напряженности, называются изодинамами.
Напряженность магнитного поля увеличивается от магнитного экватора (0,4 э) (Э рстед (э) - единица измерения напряженности магнитного поля. Это - напряженность магнитного поля на расстоянии 2 см от бесконечно длинного прямолинейного проводника, по которому протекает ток силой в одну абсолютную электромагнитную единицу тока) к магнитным полюсам (0,7 э). Горизонтальная составляющая магнитного поля Земли H достигает наибольшей величины на магнитном экваторе (0,4 э) и убывает до нуля на магнитных полюсах. Вертикальная составляющая Z меняется от 0,7 э на магнитных полюсах до нуля на магнитном экваторе. Такое распределение элементов магнитного поля сближает его с полем однородно намагниченного шара, точнее, с полем магнитного диполя, расположенного в центре Земли, ось которого отклонена от оси вращения Земли на 11,5°.
Однако наблюдаемое магнитное поле Земли заметно отличается от дипольного наличием наложенных на него внешнего и недипольного полей. Внешнее поле связано с движением электрических зарядов в ионосфере и меняется в результате атмосферных приливов и солнечной деятельности (солнечных пятен). Среднеалгебраическая интенсивность его очень мала, хотя во время магнитных бурь может составлять несколько процентов от общего суммарного магнитного поля. Недипольная компонента определяется
при вычитании из наблюдаемого поля дипольной и внешней компонент. Недипольное поле состоит из неравномерно распределенных участков высокой и слабой интенсивности размером от 25 до 100°. Эти участки изменяются в размерах, и современные скорости их изменения показывают, что средний период жизни каждого из них достигает 100 лет. Недипольные элементы перемещаются по поверхности Земли к западу со скоростью 0,5° географической долготы в год.
Неустойчивое положение магнитных полюсов определяется влиянием неоднородного, быстро меняющегося недипольного поля: на магнитных полюсах недипольная горизонтальная составляющая полностью уничтожает горизонтальную составляющую дипольного поля. Точки на поверхности Земли, на которые направлен диполь, называются геомагнитными полюсами. Современные координаты северного геомагнитного полюса - 78,5° с. ш. и 69° з. д. Его положение не изменилось за период, для которого имеются измерения, тогда как положение магнитного полюса менялось относительно быстро, соответственно с изменениями недипольной составляющей.
Отклонения наблюдаемого распределения элементов земного магнетизма от среднего для данной местности называются магнитными аномалиями. По размерам аномалии делятся на региональные и местные. Региональные аномалии распространяются на огромные регионы, и действительные причины их возникновения не выяснены. Местные аномалии распространяются на области от нескольких квадратных метров до нескольких десятков тысяч квадратных километров и вызываются обычно залежами магнитных пород и руд. Крупнейшая в мире местная магнитная аномалия охватывает Курскую область и прилегающие районы.
На Курской аномалии известно несколько местных магнитных полюсов - участков, в которых магнитное наклонение равно 90°, и склонение равно нулю (стрелка компаса останавливается на любом азимуте). Значения магнитного склонения меняются от 0 до 180°, а наклонения - от 40 до 90°. Курская аномалия вызвана наличием.на некоторой глубине залежей железистых кварцитов.
Таким образом, магнитные аномалии определяются различными магнитными свойствами горных пород, в различной степени намагничивающихся в магнитном поле Земли, и, следовательно, ориентировка их намагниченности должна быть параллельна этому полю. Оказалось, однако, что горные породы часто обладают остаточной намагниченностью, которая далеко не всегда параллельна современному магнитному полю Земли и бывает сильнее современной индуцированной намагниченности.
В слабом магнитном поле Земли (0,5 э) остаточная намагниченность появляется при температуре Кюри в процессе застывания магмы и охлаждения раскаленных горных пород. Такая намагниченность называется термоостаточной. Она ориентирована параллельно силовым линиям магнитного поля Земли, существовавшего во время застывания намагниченной горной породы. Главная часть естественной остаточной намагниченности изверженных горных пород является термоостаточной намагниченностью.
При выпадении осадков ранее намагниченные ферромагнитные частицы поворачиваются в направлении магнитного поля Земли и сохраняют эту ориентировку после уплотнения осадка и превращения его в осадочную породу; т. е. и в осадочных породах остаточная намагниченность параллельна магнитному полю Земли, существовавшему во время их образования. Таким образом, направление остаточной намагниченности горных пород соответствует направлению магнитного поля Земли в момент их образования, и, зная возраст намагниченных пород, можно восстановить положение магнитного меридиана и полюсов для этого времени.
Конечно, остаточная намагниченность может образоваться и иными путями, например при ударах молний возникают сильные магнитные поля, вызывающие в горных породах изотермическую остаточную намагниченность, ориентировка которой может не совпадать с ориентировкой магнитного поля Земли. Химические изменения горных пород и минералов (например, переход гематита в магнетит) в магнитном поле Земли сопровождаются появлением остаточной намагниченности, сходной с термостатической, хотя и не столь интенсивной. Эти и некоторые другие виды намагниченности могут возникнуть значительно позднее образования горных пород, и время их появления обычно не устанавливается. Однако «намагниченности, возникающие в результате различных процессов, обладают весьма различными свойствами, которые, как правило, могут быть определены в лабораторных условиях» (А. Кокс, Р. Долл. Обзор явлений палеомагнетизма. M., 1963, с. 239).
Происхождение магнитного поля. Гипотезы, связывающие магнитное поле Земли с ее остаточной намагниченностью, встречают серьезные возражения:
1) геологические процессы в земной коре и верхней мантии протекают медленно и с ними трудно увязать большую скорость изменения недиполыюго поля и его перемещения в западном направлении со скоростями до 20 км/год;
2) для обеспечения современной интенсивности магнитного поля Земли недостаточно ферромагнитного материала, температура которого ниже точки Кюри (температура земных недр на глубине более 25 км в подавляющем большинстве случаев, вероятно, выше 750° С, и, следовательно, только внешняя оболочка планеты может обладать остаточной намагниченностью).
Поэтому в настоящее время широким признанием пользуется теория происхождения земного магнетизма, предложенная Эльзассером - Френкелем (1956 г.), согласно которой жидкое ядро во вращающейся Земле действует как самовозбуждающаяся динамо-машина. Быстрое изменение недипольного поля объясняется как результат вихревых движений жидкости у границы ядра и мантии, а перемещение его в западном направлении связывают с меньшей угловой скоростью внешней зоны ядра по сравнению с мантией. Динамометрия была успешно применена для объяснения свойств магнитных полей Солнца и некоторых звезд, была предсказана также корреляция между магнитным полем Солнца и осью его вращения. В после нее время она нашла подтверждение в отсутствии магнитного поля у медленно вращающихся планет - Венеры и Луны.
Согласно этой теории ось вращения Земли и средняя ось магнитного поля Земли должны совпадать, т. е. смещение во времени геомагнитных полюсов происходит одновременно со смещением географических полюсов - вывод чрезвычайно важный для геологии. Изучение остаточного магнетизма (палеомагнетизма) показало, что положение магнитных и близких к ним географических полюсов на протяжении геологической истории Земли менялось весьма существенно, что полностью согласуется с палеогеографическими и палеоклиматическими данными (в позднем палеозое, например, полюса находились в современной экваториальной области, где имело место мощное покровное оледенение). Мало того, определение положения полюсов одних и тех же геологических эпох, произведенное в разных точках одного материка, дает обычно хорошее совпадение. Однако данные, полученные на разных материках, систематически расходятся и расхождение увеличивается от более поздних геологических периодов к более ранним. Совмещение полюсов, определенных на разных материках, приводит к объединению этих материков в единый континентальный массив. «Так, - пишет В. Е. Хаин, - гипотеза мобилизма, совсем было уже забытая, получила неожиданное и притом весьма эффективное подтверждение» (В. Е. Хаин. «Природа», № 1, 1970, с. 7-19).
Изучение магнитных аномалий имеет большое практическое значение. Магнитометрические методы в настоящее время широко применяются в практике поисков и разведки магнитных железных руд, бокситов, полиметаллических сульфидных руд, если в них присутствуют ферромагнитные минералы, и других полезных ископаемых. Магнитометрические методы с успехом применяются также при геологической съемке для выяснения некоторых структур, подземного рельефа и др. Это наиболее дешевый и быстрый из всех геофизических методов разведки и поисков.
Еще в девятнадцатом веке ученый из Англии по фамилии Шустер хотел понять и объяснить в чем состоим магнетизм Земли. Он предполагал, что он вызван ее вращением вокруг оси. В России этому вопросу уделял большое внимание физик П. Лебедев. По его теории, из-за влияния центробежных сил электроны в атомах смещаются в сторону нашей планеты. Из-за этого поверхность обязательно должна иметь отрицательный заряд и это в свою очередь приводи к возникновению магнетизма как такового.
Однако эта теории оказалась неточной. После проведения опытов с вращением колеса на огромной скорости магнетизма в ней обнаружено не было. Исследователь Гельберт утверждал, что наша планета полностью сделана из камня имеющего магнитную природу. Также были точки зрения, которые утверждали, что Земля стала намагниченной благодаря Солнцу. Однако все эти теории показали свою полную нежизнеспособность после того, как были проведены соответствующие исследования.
Теория магнитного поля земли
Многие из исследователей предполагали, что у планеты жидкое ядро, которое и вызывает магнетизм, и такая точка зрения до сих пор присутствует в науке. Исследователь Блекет в середине двадцатого века предположил, что магнитное поле у планет вызвано каким-то законом, который пока неизвестен науке.
Он разработал теорию, которая помогла прояснить множество моментов в природе магнетизма. Именно тогда ученым удалось установить, какая именно скорость вращения и какие магнитные поля есть у нашей планеты, Солнца, а также звезды под кодовым обозначением E78.
Как известно из физики, магнитное поле Земли и Солнца к примеру, соотносятся так же, как и их угловые моменты. Ученые предположили, что есть некоторая связь между вращением небесных тел и их магнетизмом. Тогда у исследователей было мнение, что вращение тел приводит к возникновению магнетизма.
Несмотря на опыты ученых того времени, им в точной мере не удавалось ответить на этот вопрос, и многие научные эксперименты, пытающиеся объяснить природу магнетизма добавляли только еще больше вопросов. В конечном итоге, только после развития физики и астрономии исследователи лучше стали понимать природу этого загадочного явления. Однако вопросы все же оставались.
Возникает вопрос, вращение нашей планеты приводит к тому, что магнитное поле возмущается или же магнетизм приводит к тому, что планета вращается? Может быть наша планета все время осуществляет вращение, вокруг своей оси, потому что она является гигантским магнитом, находящемся в потоке сильно заряженных частиц.
Магнетизм и ядро планеты
Благодаря новым знаниям в области физики удалось доказать очевидную связь между ядром планеты и магнетизмом. Исследования ученых показали, что к примеру наш спутник – Луна не имеет своего магнитного поля, и благодаря измерениям космических аппаратов удалось точно установить, что у нее нет этого поля. Любопытные данные были обнаружены учеными во время изучения токов планеты в Арктике и Антарктиде. Было выяснено, что там очень высокая активность электрических токов, которая во много раз выше их интенсивности в обычных широтах. Это говорит о том, что электроны в большом количестве поступают на планету через зоны магнитных полюсов, которые находятся в полярных шапках.
Когда активность Солнца резко возрастает, то происходит и усиление электрических токов нашей планеты. На данный момент ученые считают, что, электрические токи в планете вызваны течением массы ядра Земли и постоянного притока из космического пространства электронов. Новые исследования наверняка и дальше будут уточнять природу магнетизма Земли, и мы еще узнаем много интересных фактов о данном явлении.
Земля представляет собой огромный магнит, имеющий северный NM и южный SM полюса. Причем магнитные полюса не только не совпадают с истинными или географическими, но и, как показывают наблюдения, их место с течением времени меняется. Так, северный магнитный полюс в 1950 г. находился приближенно в точке, координаты которой cp = 72° N, л = 96° W, а южный магнитный полюс ф = 70° S и л = 150° Ost.
Сила, с которой магнитное поле Земли действует на единицу магнитной массы, помещенную в данное поле, называется напряженностью магнитного поля и характеризуется вектором, направленным в любой точке земного магнитного поля по касательным к силовым линиям.
Силу земного магнетизма, действующую в любой точке, в общем случае можно разложить на две составляющие - горизонтальную и вертикальную. Сила земного магнетизма в точке М (рис. 12) соответствует по величине и направлению вектору Г, его горизонтальная составляющая - H, а вертикальная - Z. Если в точке М поместить свободно подвешенную магнитную стрелку, то последняя установится по направлению горизонтальной составляющей земного магнетизма Я. Вертикальная плоскость ДМАС, в которой располагается вектор Т и магнитная стрелка, удерживаемая силой Н, называется плоскостью магнитного меридиана. Угол РМД между плоскостями истинного меридиана PMAF и магнитного ДМАС называется магнитным склонением и обозначается буквой d.
Когда нордовая часть магнитного меридиана отклонена вправо от истинного, склонение называется восточным (Оst) и ему приписывается знак плюс, если же нордовая часть магнитного меридиана отклонена влево от истинного меридиана, склонение будет западным (W) со знаком минус (рис. 13). Склонение всегда считается OTNH KNM K Оst или WOT 0 до 180°.
Сила Z (см. рис. 12) будет наклонять свободно подвешенную магнитную стрелку и устанавливать ее под некоторым углом 0 к плоскости истинного горизонта. Этот угол называется наклонением.
Все точки Земли, в которых наклонение равно 0°, лежат на магнитном экваторе, который не совпадает с географическим экватором и представляет неправильную кривую. На магнитных полюсах Земли наклонение 90°.
Напряженность, склонение и наклонение являются основными элементами земного магнетизма.
В настоящее время на основе работ по определению магнитного поля Земли для всех ее районов издаются специальные карты, на которых проведены линии равного значения элементов земного магнетизма.
Для характеристики напряженности магнитного поля издаются карты изодин, магнитного наклонения - изоклин, и магнитного склонения - изогон. На картах изогон линия, соединяющая точки, где склонение равно 0°, т. е. где магнитный меридиан совпадает с истинным, называется агоною.
Все элементы земного магнетизма с течением времени изменяются, поэтому карты приводят к определенному году и на них указывают годовые изменения элементов земного магнетизма.
Магнитное склонение в судовождении имеет наибольшее значение, так как его приходится принимать в расчет для определения истинных направлений в море при пользовании магнитным компасом.
Действие магнитного компаса основано на использовании магнитного поля Земли, и магнитная стрелка компаса, установленная на вертикальной оси, практически имеет одну степень свободы вокруг этой оси, и устанавливается по направлению горизонтальной составляющей земного магнетизма. Значение этой составляющей определяется выражением Н = Т cos 0 (см. рис. 12), и оно характеризует величину силы, которая удерживает стрелку компаса в плоскости магнитного меридиана.
С приближением к магнитным полюсам угол 0 увеличивается и показание компаса становится не точным.
В тех местах на Земле, где залегают железные руды, наблюдаются резкие отклонения величины склонения от их значений в ближайших районах. Такие отклонения называются аномалиями.
Неоднократно наблюдались и кратковременные резкие колебания элементов земного магнетизма - магнитные бури, во время которых склонение изменялось на десятки градусов. В такой период показания магнитных компасов ненадежны и полагаться на них опасно.
Практические применения явлений Земного магнетизма. Под действием геомагнитного поля магнитная стрелка располагается в плоскости магнитного меридиана. Это явление с древнейших времён используется для ориентирования на местности, прокладывания курса судов в открытом море, в геодезической и маркшейдерской практике, в военном деле и т.д.
Исследование локальных магнитных аномалий позволяет обнаружить полезные ископаемые, в первую очередь железную руду (см. Магнитная разведка), а в комплексе с др. геофизическими методами разведки - определить место их залегания и запасы. Широкое распространение получил магнитотеллурический способ зондирования недр Земли, в котором по полю магнитной бури вычисляют электропроводность внутренних слоев Земли и оценивают затем существующие там давление и температуру.
Одним из источников сведений о верхних слоях атмосферы служат геомагнитные вариации. Магнитные возмущения, связанные, например, с магнитной бурей, наступают на несколько часов раньше, чем под её воздействием происходят изменения в ионосфере, нарушающие радиосвязь. Это позволяет делать магнитные прогнозы, необходимые для обеспечения бесперебойной радиосвязи (прогнозы «радиопогоды»). Геомагнитные данные служат также для прогноза радиационной обстановки в околоземном пространстве при космических полётах.
Постоянство геомагнитного поля до высот в несколько радиусов Земли используется для ориентации и маневра космических аппаратов.
Геомагнитное поле воздействует на живые организмы, растительный мир и человека. Например, в периоды магнитных бурь увеличивается количество сердечно-сосудистых заболеваний, ухудшается состояние больных, страдающих гипертонией, и т.д. Изучение характера электромагнитного воздействия на живые организмы представляет собой одно из новых и перспективных направлений биологии.
