Магнетизм земли

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.

ЗЕМНОЙ МАГНЕТИЗМ , отдел геофизики, изучающий магнитное поле земли. Пусть напряженность магнитного поля в данной точке изображается вектором F (фиг. 1). Вертикальная плоскость, содержащая этот вектор, называется плоскостью магнитного меридиана. Угол D, заключенный между плоскостями географического и магнитного меридианов, носит название склонения. Различают склонения восточное и западное. Принято отмечать восточные склонения знаком плюс, западные - знаком минус. Угол I, образованный вектором F с плоскостью горизонта, называется наклонением. Проекция Н вектора F на горизонтальную плоскость называется горизонтальной составляющей, а проекция Z на вертикальную прямую обозначается термином вертикальная составляющая.

Основными приборами для измерения элементов земного магнетизма являются в настоящее время магнитный теодолит и различные системы инклинаторов. Назначение магнитного теодолита - измерение горизонтальной составляющей магнитного поля и склонения. Горизонтально расположенный магнит, могущий вращаться около вертикальной оси, устанавливается под действием магнитного поля земли своей осью в плоскости магнитного меридиана. Если его вывести из этого положения равновесия и предоставить затем самому себе, то он начнет совершать колебания около плоскости магнитного меридиана с периодом Т, определяемым формулой:

где К - момент инерции колеблющейся системы (магнит и оправа) и М - магнитный момент магнита. Определив из специальных наблюдений величину К, можно по наблюденному периоду Т найти значение произведения МН. Затем помещают магнит, период колебания которого определен, на некотором расстоянии от другого, вспомогательного магнита, тоже имеющего возможность вращаться около вертикальной оси, и ориентируют первый магнит так, чтобы центр второго магнита оказался на продолжении магнитной оси первого. В таком случае на вспомогательный магнит будет кроме Н действовать и поле магнита М, которое м. б. найдено по формуле:

где В - расстояние между центрами обоих магнитов, а, b,... - некоторые постоянные. Магнит выйдет из плоскости магнитного меридиана и станет по направлению равнодействующей этих двух сил. Не изменяя относительного расположения частей установки, находят такое положение отклоняющего магнита, при котором названная равнодействующая будет перпендикулярна к нему (фиг. 2). Измеряя для этого случая угол отклонения v, можно из соотношения sin v = f/Hнайти значение отношения Из полученных значений МН и H/M определяют горизонтальную слагающую Н. В теории земного магнетизма имеет распространение единица, обозначаемая символом γ, равная 0,00001 гаусса. Магнитный теодолит можно применять в качестве деклинатора, прибора для измерения склонения. Совмещая визирную плоскость с направлением магнитной оси подвешенного на нити магнита, приводят ее в совпадение с плоскостью магнитного меридиана. Чтобы получить отсчет на круге, соответствующем наведению визирного приспособления на географический север, достаточно сделать наведение на какой-либо объект, истинный азимут которого известен. Разность отсчетов географического и магнитного меридианов и дает величину склонения.

Инклинатор - прибор для измерения I. Современная магнитометрия имеет два типа приборов для измерения наклонения - инклинаторы стрелочный и индукционный . Первый прибор имеет магнитную стрелку, вращающуюся около горизонтальной оси, помещенной в центре вертикального лимба. Плоскость движения стрелки совмещается с плоскостью магнитного меридиана; в таком случае в идеальных условиях магнитная ось стрелки в положении равновесия совпадет с направлением магнитного напряжения в данном пункте, и угол между направлением магнитной оси стрелки и горизонтальной линией даст величину I. В основу конструкции индукционного инклинатора (земного индуктора ) положено явление индукции в проводнике, движущемся в магнитном поле. Существенной особенностью прибора является катушка, вращаемая около одного из своих диаметров. При вращении такой катушки в магнитном поле земли в ней не появляется ЭДС лишь в том случае, когда ее ось вращения совпадает с направлением поля. Это положение оси, отмечаемое отсутствием тока в гальванометре, на который замкнута катушка, отсчитывается на вертикальном круге. Угол между направлением оси вращения катушки и горизонтом будет углом наклонения.

Упомянутые выше приборы являются в настоящее время наиболее распространенными. Следует упомянуть особо о магнитном теодолите Оглоблинского, определяющем значение H/M методом компенсации Н полем магнита, для которого определяется период колебания.

В последнее время начинают применяться т.н. электрические методы измерения Н, при которых отклонения производятся не с помощью отклоняющего магнита, а с помощью магнитного поля катушек. Для достижения той точности, которая требуется от магнитных измерений (0,2-0,02 % полного напряжения), рабочий ток сравнивается с током от нормальных элементов (компенсирование по методу потенциометра).

Измерения, сделанные в различных пунктах земной поверхности, показывают, что магнитное поле меняется от пункта к пункту. В этих изменениях можно заметить некоторые закономерности, характер которых лучше всего уясняется из рассмотрения т. н. магнитных карт (фиг. 3 и 4).

Если нанести на топографической основе линии, соединяющие точки равных значений какого-либо элемента земного магнетизма, то такая карта представит наглядную картину распределения этого элемента на местности. Соответственно различным элементам земного магнетизма имеются карты с различными системами изолиний. Эти изолинии носят специальные названия, смотря по тому, какой элемент они изображают. Так, линии, соединяющие точки равных склонений, носят название изогон (линия нулевых склонений получила название агонической линии), линии равных наклонений - изоклин и линии равных напряжений - изодинам . Различают изодинамы горизонтальной, вертикальной составляющей и т. д. Если построить такие карты для всей поверхности земного шара, то на них можно заметить следующие особенности. В экваториальных областях наблюдаются наибольшие значения горизонтальной силы (до 0,39 гаусса); по направлению к полюсам горизонтальная составляющая убывает. Противоположный характер изменений имеет место для вертикальной составляющей. Линия нулевых значений вертикальной составляющей называется магнитным экватором . Точки с нулевыми значениями горизонтальной силы называются магнитными полюсами земли. Они не совпадают с географическими и имеют координаты: северный магнитный полюс - 70,5° с. ш. и 96,0° з. д. (1922 г.), южный магнитный полюс - 71,2° ю. ш. и 151,0° в. д. (1912 г.). В магнитных полюсах земли пересекаются все изогоны.

Детальное исследование магнитного поля земли обнаруживает, что изолинии идут далеко не так плавно, как это дается общей картиной. На каждой такой кривой имеют место искривления, нарушающие плавный ход ее. В некоторых областях эти искривления достигают настолько крупных значений, что приходится данный участок выделить в магнитном отношении из общей картины. Такие районы носят название аномальных, и в них можно наблюдать значения магнитных элементов, во много раз превышающие нормальное поле. Исследование магнитных аномалий выяснило их тесную связь с геологической структурой верхних частей земной коры, гл. обр. в отношении содержания в них магнитных минералов, и вызвало к жизни особую отрасль магнитометрии, имеющую прикладное значение и ставящую своей задачей применение магнитометрии, измерений к горной разведке. Такие аномальные районы, имеющие уже в настоящее время большое промышленное значение, находятся на Урале, в Курском округе, в Кривом Роге, в Швеции, в Финляндии и в др. местах. Для исследования магнитного поля таких областей разработана специальная аппаратура (магнитометр Тиберга-Талена, локальвариометры и т. д.), позволяющая быстро получить нужные результаты измерений. Изучение магнитного поля земли в каком-либо одном пункте обнаруживает факт изменений этого поля с течением времени. Детальное исследование этих временных вариаций элементов земного магнетизма привело к установлению их связи с жизнью земного шара в целом. В вариациях находят свое отражение вращение земли около оси, движение земли по отношению к солнцу и еще целый ряд явлений космического порядка. Изучение вариаций ведется специальными магнитными обсерваториями, снабженными, кроме точных приборов для измерений элементов магнитного поля земли, еще специальными установками для непрерывной записи временных изменений магнитных элементов. Такие приборы носят название вариометров , или магнитографов , и служат обычно для записи вариаций D, Н и Z. Прибор для записи вариаций склонения (вариометр D , или унифиляр ) имеет магнит с прикрепленным к нему зеркальцем, свободно висящий на тонкой нити. Вариации склонения, заключающиеся в поворотах плоскости магнитного меридиана, заставляют подвешенный таким способом магнит поворачиваться. Брошенный из специального осветителя луч, отразившись от зеркальца магнита, дает перемещающееся световое пятно, которое оставляет след в виде кривой на светочувствительной бумаге, навернутой на вращающийся барабан или опускающейся вертикально. Линия, прочерченная лучом, отраженным от неподвижного зеркальца, и отметки времени позволяют по полученной магнитограмме найти изменение D для любого момента времени. Если закручивать нить, вращая верхнюю точку ее прикрепления, то магнит выйдет из плоскости магнитного меридиана; надлежащим закручиванием можно поставить его в положение, перпендикулярное первоначальному. В новом положении равновесия на магнит, с одной стороны, будет действовать Н, с другой - момент закрученной нити. Всякое изменение горизонтальной слагающей вызовет изменение положения равновесия магнита, и такой прибор будет отмечать вариации горизонтальной составляющей (вариометр Н , или бифиляр , если магнит подвешен на двух параллельных нитях). Запись этих вариаций ведется таким же образом, как и запись изменений склонения. Наконец, третий прибор, служащий для записи вариаций вертикальной составляющей (весы Ллойда , вариометр Z ), имеет магнит, колеблющийся, подобно коромыслу весов, около горизонтальной оси. Надлежащим перемещением центра тяжести с помощью передвижного грузика магнит этого прибора приводят в положение, близкое к горизонтальному, и устанавливают обычно так, чтобы плоскость движений магнита была направлена перпендикулярно плоскости магнитного меридиана. В таком случае положение равновесия магнита определяется действием Z и веса системы. Изменение первой величины вызовет некоторый наклон магнита, пропорциональный изменению вертикальной составляющей. Эти изменения наклона регистрируются, подобно предыдущему, фотографическим путем и дают материал для суждений о вариациях вертикальной составляющей.

Если подвергнуть кривые, записанные магнитографами (магнитограммы ), анализу, можно найти на них целый ряд особенностей, из которых прежде всего бросится в глаза отчетливо выраженный суточный ход. Положение максимумов и минимумов суточного хода, а равно и их значения изо дня в день меняются в небольших пределах, и поэтому для характеристики суточного хода составляются некоторые средние кривые за какой-либо интервал времени. На фиг. 5 даны кривые изменения D, H и Z для обсерватории в Слуцке за сентябрь 1927 г., на которых хорошо заметен суточный ход элементов.

Наиболее наглядным способом изображения вариаций является т. н. векторная диаграмма , представляющая движение конца вектора F с течением времени. Две проекции векторной диаграммы на плоскости yz и ху даны на фиг. 6. Из этой фиг. видно, как отражается на характере суточного хода время года: в зимние месяцы колебания магнитных элементов значительно меньше, чем в летние.

Кроме вариаций, обусловленных суточным ходом, на магнитограммах иногда замечаются резкие изменения, достигающие нередко весьма больших значений. Такие резкие изменения магнитных элементов сопровождаются рядом других явлений, как то: полярных сияний в арктических областях, появлением индуцированных токов в телеграфных и телефонных линиях, и т. д., и называются магнитными бурями . Между вариациями, обусловленными нормальным ходом, и вариациями, вызванными бурями, существует коренное различие. В то время как нормальные изменения протекают для каждого пункта наблюдений по местному времени, вариации, причиной которых являются бури, протекают одновременно для всего земного шара. Это обстоятельство указывает на различную природу вариаций обоих типов.

Стремление объяснить наблюдаемое наземной поверхности распределение элементов земного магнетизма привело Гаусса к построению математической теории геомагнетизма. Изучение элементов земного магнетизма со времени первых геомагнитных измерений обнаружило существование т. н. векового хода элементов, и дальнейшее развитие теории Гаусса заключало среди прочих задач и учет этих вековых вариаций. В результате работ Петерсона, Неймайера и других исследователей имеется теперь формула для потенциала, учитывающая и этот вековой ход.

Среди гипотез, предложенных для объяснений суточного и годового хода геомагнитных элементов, надо отметить гипотезу, предложенную Бальфур-Стюартом и развитую Шустером. По мысли этих исследователей, в высоких электропроводящих слоях атмосферы под термическим действием солнечных лучей возникают перемещения газовых масс. Магнитным полем земли в этих движущихся проводящих массах индуцируются электрические токи, магнитное поле которых и проявляется в виде суточных вариаций. Эта теория хорошо объясняет уменьшение амплитуды вариаций в зимние месяцы и выясняет превалирующую роль местного времени. Что касается магнитных бурь, то ближайшее исследование показало их тесную связь с деятельностью солнца. Выяснение этой связи привело к следующей общепризнанной в настоящее время теории магнитных возмущений. Солнце в моменты наиболее интенсивной своей деятельности выбрасывает потоки электрически заряженных частиц (например, электронов). Такой поток, попадая в верхние слои атмосферы, ионизирует ее и создает возможность протекания интенсивных электрических токов, магнитное поле которых и является теми пертурбациями, которые мы называем магнитными бурями. Такое объяснение природы магнитных бурь хорошо согласуется с результатами теории полярных сияний, развитой Штермером.

Магнетизм Земли

У Земли есть магнитное поле, причины существования кото­рого не установлены. Магнитное поле имеет два магнитных по­люса и магнитную ось. Положение магнитных полюсов не совпа­дает с положением географических. Магнитные полюсы располо­жены в Северном и Южном полушариях несимметрично относи­тельно друг друга. В связи с этим линия, соединяющая их, - магнитная ось Земли образует с осью ее вращения угол до 11°.

Магнетизм Земли характеризуется магнитной напряженностью, склонением и наклонением. Магнитная напряженность изме­ряется в эрстедах.

Магнитным склонением называется угол отклоне­ния магнитной стрелки от географического меридиана в данном месте. Поскольку магнитная стрелка указывает направление магнитного меридиана, то магнитное склонение будет соответ­ствовать углу между магнитным и географическим меридианами. Склонение может быть восточным и западным. Линии, соединя­ющие на карте одинаковые склонения, называются изого­нами. Изогона склонения, равного нулю, называется нулевым магнитным меридианом. Изогоны исходят из магнитного полюса, расположенного в Южном полушарии, и сходятся в магнитном полюсе, находящемся в Северном полушарии.

Магнитным наклонением называется угол на­клона магнитной стрелки к горизонту. Линии, соединяющие точки с равным наклонением, называются изоклинами. Нулевая изо­клина называется магнитным экватором. Изоклины, подобно параллелям, вытягиваются в широтном направлении и изме­няются от 0 до 90°.

Плавный ход изогон и изоклин в некоторых местах земной поверхности довольно резко нарушается, что связано с существо­ванием магнитных аномалий. Источниками таких аномалий могут служить крупные скопления железных руд. Самая крупная маг­нитная аномалия - Курская. Магнитные аномалии могут быть вызваны также разрывами в земной коре - сбросами, взбросами, в результате чего происходит соприкосновение пород с различными магнитными характеристиками, и т. п. Магнитные аномалии широко используются для поиска месторождений полезных иско­паемых и изучения строения недр.

Величины магнитных напряженностей, склонений и наклоне­ний испытывают суточные и вековые колебания (вариации).

Суточные вариации вызываются солнечными и лунными воз­мущениями ионосферы и проявляются больше летом, чем зимой, и больше днем, чем ночью. Гораздо значительнее интенсивность

вековых вариаций. Считается, что они обусловлены изменениями, происходящими в верхних слоях земного ядра. Вековые вариации в разных географических точках различны.

Внезапные, длящиеся несколько суток магнитные колебания (магнитные бури) связаны с солнечной активностью и наиболее интенсивно проявляются в высоких широтах.

§ 4. Теплота Земли

Земля получает тепло из двух источников: от Солнца и из собственных недр. Тепловое состояние поверхности Земли почти полностью зависит от нагрева ее Солнцем. Однако под влиянием многих факторов происходит перераспределение солнечного тепла, попавшего на поверхность Земли. Различные точки земной по­верхности получают неодинаковое количество тепла вследствие наклонного положения оси вращения Земли относительно пло­скости эклиптики.

Для сравнения температурных условий введены понятия о среднесуточных, среднемесячных и среднегодовых температурах на отдельных участках поверхности Земли.

Наибольшие колебания температур испытывает верхняя толща Земли. Вглубь от поверхности суточные, месячные и годовые колебания температур постепенно уменьшаются. Толща земной коры, в пределах которой породы испытывают влияние солнечного тепла, называется гелиотермической зоной. Глубина этой зоны варьирует от нескольких метров до 30 м.

Под гелиотермической зоной располагается пояс постоянной температуры, где сезонные колебания температуры не сказы­ваются. В районе Москвы он находится на глубине 20 м.

Ниже пояса постоянной температуры расположена зона гео­термии. В этой зоне происходит повышение температуры с глуби­ной за счет внутренней теплоты Земли - в среднем на 1 °С на каждые 33 м. Этот интервал глубин называется „геотерми­ческой ступенью. Прирост температуры при углублении внутрь Земли на 100 м называется геотермическим градиентом. Величины геотермических ступени и гра­диента обратно пропорциональны и различны для разных районов Земли. Их произведение - величина постоянная и равна 100. Если, например, ступень равна 25 м, то градиент равен 4 °С.

Различия в величинах геотермической ступени могут быть обусловлены разной радиоактивностью и теплопроводностью гор­ных пород, гидрохимическими процессами в недрах, характером залегания горных пород, температурой подземных вод, удален­ностью от океанов и морей.

Величина геотермической ступени изменяется в широких пределах. В районе Пятигорска она равна 1,5 м, Ленинграда - 19,6 м, Москвы - 38,4 м, в Карелии - более 100 м, в районе Поволжья и Башкирии - 50 м и т. д. 14

Главным источником внутренней теплоты Земли является радиоактивный распад веществ, сосредоточенных в основном в зем­ной коре. Предполагают, что теплота в ней увеличивается в соот­ветствии с геотермической ступенью до глубины 15-20 км. Глубже происходит резкое возрастание величины геотермической ступени. Специалисты считают, что температура в центре Земли не превышает 4000 °С. Если бы величина геотермической ступени сохранилась одинаковой до центра Земли, то температура на глу­бине 900 км равнялась бы 27 000 °С, а в центре Земли достигла бы примерно 193 000 °С.

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.

Земля обладает магнитным полем, наглядно проявляющимся в воздействии на магнитную стрелку. Свободно подвешенная в пространстве, магнитная стрелка устанавливается в любом месте в направлении магнитных силовых линий, сходящихся в магнитных полюсах.
Магнитные полюсы Земли не совпадают с географическими и медленно изменяют свое местоположение. В настоящий период географические координаты магнитных полюсов таковы: в северном полушарии - 72° с. ш. и 96° з. д., в южном полушарии - 70° ю. ш. и 150° в. д. Силовые линии, идущие от одного магнитного полюса к другому, - магнитные меридианы не совпадают по направлению с географическими меридианами, и магнитная стрелка компаса не указывает строго направление север - юг. Угол между магнитным и географическим меридианами называется углом магнитного склонения или магнитным склонением. Склонение бывает восточным (положительным) и западным (отрицательным). В первом случае стрелка отклоняется к востоку от географического меридиана, во втором - к западу от него. Линии, соединяющие точки с одинаковым склонением, - изогоны . Изогоны, соединяющие точки с нулевым склонением и называемые агоническими линиями , делят Землю на область восточного и западного склонений. Агонические линии имеют сложную форму (см. карту 23).

Свободно подвешенная магнитная стрелка сохраняет горизонтальное положение только на линии магнитного экватора . К северу от этой линии северный конец магнитной стрелки опускается, причем тем больше, чем меньше расстояние до магнитного полюса. На магнитном полюсе северного полушария стрелка становится вертикально, северным концом вниз. К югу от магнитного экватора вниз наклоняется, наоборот, южный конец магнитной стрелки. Угол, образованный магнитной стрелкой с горизонтальной плоскостью, называется углом магнитного наклонения или магнитным наклонением . Магнитное наклонение может быть северным и южным, оно изменяется от 0° на магнитном экваторе до 90° на магнитных полюсах. Линии, соединяющие точки с одинаковым наклонением, - изоклины .
Склонение и наклонение характеризуют направление магнитных силовых линий в любом пункте в данный момент.
Сила магнитного поля характеризуется его напряженностью . За единицу напряженности принимают напряженность такого магнитного поля, в котором сила, действующая на единицу магнитной массы, равна одной дине. Единица измерения напряженности магнитного поля называется эрстед (0,00001 эрстеда - гамма). Напряженность магнитного поля Земли невелика: на магнитном экваторе - 0,3-0,5 эрстеда, на магнитном полюсе - 0,6-0,7. Линии равного напряжения магнитного поля - изодинамы .

Различают постоянное и переменное магнитные поля Земли. Постоянное магнитное поле обусловлено магнетизмом самой планеты. Представление о состоянии постоянного магнитного поля Земли дают магнитные карты. Ho так как все элементы земного магнетизма (склонение, наклонение, напряженность) непрерывно, хотя и очень медленно, изменяются, карты сохраняют необходимую точность только в течение нескольких лет. Обычно магнитная карта приурочивается к середине года, оканчивающегося на 0 или на 5, например на 1 июля 1950, 1955, 1960, 1965 г. и т. д. Пятилетний период, для которого магнитная карта действительна, называется магнитной эпохой . Сейчас эпоха 1965 г. На основании анализа магнитных карт, построенных для определенной эпохи, составляют поправочные таблицы для постоянного магнитного поля на будущее.
Существующее распределение элементов земного магнетизма позволяет сделать вывод о сходстве постоянного магнитного поля Земли с магнитным полем однородно намагниченного шара. Магнитные полюса такого поля называются геомагнитными полюсами. Их географические координаты - 78°32" с. ш. и 69°9" з. д., 78°32" ю. ш. и 110°52" в. д.
Магнитные аномалии проявляются в отклонениях значений элементов земного магнетизма от их среднего значения для данного места. Магнитные аномалии, охватывающие огромные площади, называются региональными в отличие от локальных (местных), занимающих площадь от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч квадратных километров. Примером региональной магнитной аномалии является Восточно-Сибирская. На огромной территории Восточной Сибири обнаружено западное склонение вместо восточного. Магнитное поле этой аномалии очень медленно затухает с высотой Это значит, что региональные аномалии вызваны процессами, происходящими глубоко в Земле, возможно в земном ядре.
Примером локальной (местной) аномалии может быть Курская магнитная аномалия, создающая напряжение магнитного поля в 5 раз больше среднего напряжения магнитного поля Земли. Аномалия проявляется в изменениях склонения от 0 до 180° и наклонения от 40 до 80°. Местные аномалии вызываются присутствием в верхних слоях земной коры залежей магнитных пород и руд. С высотой магнитное поле таких аномалий сравнительно быстро затухает.
Существование постоянного магнитного поля Земли объясняют вихревыми электрическими таками, возникающими в земном ядре (во внешней его части) благодаря непрерывному движению заряженных электронов, описывающих круги и петли. Изменения в характере этих движений вызывают медленные изменения постоянного магнитного поля Земли - его вековые колебания.
Переменное магнитное поле составляет всего 6% общей напряженности магнитного поля Земли. Оно вызывается движением электрически заряженных частиц в земной атмосфере и как бы накладывается на постоянное магнитное поле. На фоне спокойного магнитного поля возникают отдельные его колебания - вариации. Существуют вариации с годичным периодом, вызываемые сезонными движениями земной атмосферы, суточные вариации, связанные со сменой дня и ночи, лунные вариации, являющиеся результатом приливов в атмосфере. Вариации, обладающие периодом от 5 до 100 сек. и называемые пульсациями, пока не имеют объяснения.
Магнитные бури - особенно сильные возмущения магнитного поля, проявляющиеся в быстром отклонении магнитной стрелки от нормального положения. Магнитные бури вызываются вспышками на Солнце и сопровождающим их проникновением к Земле и в ее атмосферу корпускулярных потоков. 23 февраля 1956 г. на Солнце произошел взрыв, продолжавшийся несколько минут, а на Земле разразилась магнитная буря, в результате которой была на 2 часа нарушена работа радиостанций, вышел на некоторое время из строя трансатлантический телефонный кабель и т. д. Особенно сильные магнитные бури возникают в том случае, если корпускулярный поток охватывает всю Землю, менее сильные магнитные бури вызываются потоками, проходящими мимо Земли.
Магнитное поле Земли простирается вверх до высоты 90 000 км. До высоты 44 000 км величина магнитного поля Земли убывает обратно пропорционально кубу расстояния от поверхности Земли. В слое от 44 000 до 80 000 км магнитное поле неустойчиво, в нем постоянно происходят резкие колебания. Выше 80 000 км интенсивность магнитного поля быстро падает, принимая значение, сохраняющееся в межпланетном пространстве. На расстоянии 90 000 км от поверхности Земли магнитное поле теряет способность притягивать (захватывать) заряженные частицы. Эту границу предлагают считать верхней границей газовой оболочки Земли.
Величина магнитного поля Земли в сотни раз меньше, например, величины магнитного поля, возникающего около обыкновенного подковообразного магнита. Ho магнитное поле Земли имеет огромный объем, а так как энергия магнитного поля пропорциональна объему поля, влияние его на процессы, происходящие на Земле, очень велико. Магнитное поле Земли либо отклоняет, либо захватывает заряженные частицы, летящие от Солнца или образующиеся при воздействии космических лучей на атомы и молекулы воздуха. Заряженные частицы, попавшие в магнитное поле Земли, образуют радиационные пояса: нижний, или внутренний, и верхний, или внешний.
Внутренний радиационный пояс простирается от высоты 2400 до высоты 5600 км. Он состоит из протонов сравнительно высоких энергий и представляет непосредственную опасность для космических полетов. Этот пояс сравнительно устойчив во времени.
Внешний радиационный пояс имеет максимальную интенсивность излучения на высоте 20 тыс. км. В нем зарегистрированы и протоны и электроны. Этот пояс не стабилен во времени, его изменения согласуются с изменениями солнечной активности. Непосредственной опасности для космических полетов внешний пояс не представляет. Результаты полетов космических ракет дают основания предполагать существование третьего, очень нестабильного пояса заряженных частиц, называемого «круговым током» и находящегося на высоте 45-60 тыс. км.
Всю область околоземного пространства, в которой находятся заряженные частицы, захваченные магнитным полем Земли, называют магнитосферой . Магнитосфера довольно четко ограничена магнитопаузой. Под действием солнечного ветра она имеет овальную форму.
Частица, попавшая в магнитное толе Земли, вращаясь по спирали вокруг магнитной силовой линии, двигается из одного полушария в другое и обратно, смещаясь к востоку (протоны) или к западу (электроны). Движение заряженной частицы продолжается до тех пор, пока она не потеряет заряд от столкновения с молекулами воздуха. На близкое расстояние к Земле проникают только частицы больших энергий, они и создают полярные сияния , очерчивающие область, где заканчиваются пути заряженных частиц, попавших в атмосферу. Полярные сияния чаще возникают в зоне, опоясывающей Землю примерно на расстоянии 23° от геомагнитных полюсов. Полярные сияния обычно сопровождаются магнитными бурями.
Влияние магнитного поля отражается на всех процессах, происходящих на Земле, но механизм и степень этого влияния пока еще недостаточно изучены.
По мнению специалистов, изучающих намагниченность древних горных пород, направление магнитных силовых линий в течение геологической истории Земли изменялось. Это значит, что изменялось направление круговых токов в земном ядре. Изменение, а может быть, и временное прекращение этих токов должно вызывать изменение и временное исчезновение магнитных силовых линий, а следовательно, и «ловушек» заряженных частиц, идущих к Земле и образующих радиационные пояса. В такие периоды космическое излучение достигнет земной поверхности, а это существенно отразится на процессах, происходящих в географической оболочке, и прежде всего на процессах, происходящих в живом веществе.