Общие сведения о земном магнетизме

11.01.2017

На основании многочисленных измерений напряженности магнитного поля как на поверхности земного шара, так и на большом удалении от нее с помощью магнитометров на ракетах и спутниках магнитное поле Земли в первом приближении можно рассматривать как поле шара, намагниченного по оси, отклоняющейся от оси вращения приблизительно на 11°,5. Экспериментальные данные о напряженности поля позволяют вычислить магнитный момент Земли, который по современным данным считается равным M = 8,3*10в25 СГС.
В учении о земном магнетизме напряженность магнитного поля принято рассматривать по составляющим прямоугольной системы координат, в которой ось х горизонтальна с положительным направлением на географический север, ось у также горизонтальна с положительным направлением на восток, ось z вертикальна с положительным направлением вниз. Составляющие вектора напряженности поля T по осям соответственно называются северной (X), восточной (Y) и вертикальной (Z); проекция вектора T на горизонтальную плоскость называется горизонтальной составляющей H = √X2+Y2. Угол, образуемый составляющей H и осью х, называется склонением; ему приписывается знак плюс в случае, если вектор H отклоняется к востоку от оси х, и знак минус в противоположном случае. Угол между плоскостью хоу и вектором T называется наклонением и обозначается I (рис. 1).
Общие сведения о земном магнетизме

Опытные данные о напряженности магнитного поля в различных точках на земной поверхности позволили установить, что каждая из составляющих по осям координатной системы в точке, определяемой географическими координатами φ и λ, может быть представлена аналитически как функция названных координат. В этом случае пользуются аналитическими выражениями, предложенными Гауссом, согласно которым каждый член бесконечного ряда разложения состоит из суммы шаровых функций от θ = 90° — φ и λ с двумя постоянными для каждого члена разложения коэффициентами. Коэффициенты могут быть вычислены из уравнений, содержащих экспериментальные данные о напряженности поля в точках с известными координатами. Необходимое число уравнений определяется произведением n (n+2), где n — число используемых членов разложения. Если ограничиться членами разложения четвертого порядка, как это выполнил Гаусс, то нужно составить 24 уравнения. Для увеличения надежности решения Гаусс использовал 36 уравнений с последующим решением по способу наименьших квадратов.
Для приближенного представления об изменениях напряженности поля на поверхности Земли вычислим первые члены ряда разложения, пользуясь выражением магнитного потенциала шара, равного потенциалу диполя.
Выражение магнитного потенциала магнитной массы m в точке Р, находящейся на расстоянии r, определяется формулой
Общие сведения о земном магнетизме

Пользуясь этим выражением потенциала, можно найти выражение силы притяжения по любому направлению s как производной от потенциала по этому направлению, взятой с обратным знаком.
Вычислим потенциал диполя, помещенного в центре Земли и ориентированного по оси вращения, в точке P на поверхности Земли (рис. 2).
Общие сведения о земном магнетизме

При малом значении l углы θ, θ1 и θ2 можно считать равными. При этом условии слагаемым l2 cos2 θ в знаменателе можно пренебречь как величиной ничтожно малой сравнительно с r2. Замечая, что 2lm = М, т. е. магнитному моменту Земли, получим
Общие сведения о земном магнетизме

Чтобы найти вертикальную и горизонтальную составляющие напряженности земного магнитного поля Z и Н, надо соответственно найти выражения производных по нормали и касательной к окружности в точке P, т. е. по dr и rdθ. Дифференцируя выражение (1,1), получим:
Общие сведения о земном магнетизме

Полный вектор T равен
Общие сведения о земном магнетизме

а направление его определяется углом наклонения I:
Общие сведения о земном магнетизме

Из этих формул вытекает общее представление об изменениях напряженности поля в зависимости от магнитной широты местности φ = 90° — θ.
Полный вектор T достигает наибольшего значения на полюсах, где θ = 0°, а наименьшего — на экваторе, при θ = 90°. Пределы изменения T от 2M/r3 до M/r3. Подставляя сюда значения M и радиуса Земли r, получим изменения T от 0,66 до 0,33 э. Значения вертикальной составляющей по полученной формуле изменяются от 0,66 э на полюсах до нуля на экваторе, а горизонтальной составляющей — от нуля на полюсах до 0,33 э на экваторе. Единица напряженности поля называется эрстед; для измерения напряженности земного поля применяются 1 мэ = 10в-3 э и 1γ = 10в-5 э.
Общие сведения о земном магнетизме

Вычисленные выше значения в первом приближении соответствуют наблюдаемым величинам напряженности поля. Соответствие вполне естественно, так как закон распределения напряженности поля на земной поверхности и величина магнитного момента установлены на основании экспериментальных данных. Существенные же отклонения наблюдаемых величин от теоретических значений поля однородно намагниченного шара на отдельных участках объясняются причинами, обусловленными особенностями глубинного и поверхностного строения земного шара.
О причинах основного магнитного поля Земли высказывалось много различных гипотез. В настоящее время почти все исследователи, занимающиеся этим вопросом, приходят к выводу, что магнитное поле Земли является следствием наличия электрических токов в ядре Земли.
На основании сейсмических данных, указывающих, что поперечные волны не распространяются на глубину более 2900 км, а скорость продольных волн на этой глубине меняется скачком с 13,6 до 8 км/сек, делается вывод, что ядро Земли с радиусом около 3500 км находится в состоянии, обладающем свойствами жидкого тела с металлической проводимостью. Высказывается предположение, что текучее (жидкое) состояние вещества на определенной глубине обусловливает возможность расслоения металлических (тяжелых) и силикатных (более легких) масс; выше границы раздела силикатные массы обладают свойствами твердого тела. Существует предположение, что указанная граница отмечается также скачкообразным изменением плотности от 3,5—5 в оболочке до 8—10 г/см3 в ядре.
По новейшим взглядам, нет необходимости допускать расслоения вещества на границе ядра. При давлении в миллион атмосфер, которое возникает на границе ядра, внешние электроны атомов смещаются на более высокий энергетический уровень, благодаря чему происходят уплотнение вещества и увеличение проводимости до металлической.
Предполагая, что ядро обладает свойствами жидкого тела, следует допустить возможность возникновения турбулентного движения за счет энергии распада радиоактивных элементов. При высокой проводимости вещества возникнут электрические токи термоэлектронной или индукционной природы.
Более обоснованной считается последняя гипотеза. При наличии некоторого первичного магнитного поля возникающие электрические токи создадут вторичное магнитное поле, усиливающее первичное. Возрастание поля будет продолжаться за счет энергии радиоактивного распада до тех пор, пока последняя будет равна энергии рассеяния, вызываемой вязкостью вещества и его электрическим сопротивлением. В этом случае вопрос об источнике первичного поля не имеет существенного значения, так как в качестве такового достаточно принять ничтожное по величине магнитное поле, возникающее в результате вращения Земли, или магнитное поле Солнца.
Отклонения напряженности поля от поля однородно намагниченного шара наблюдаются на площадях весьма различных размеров — от ничтожных долей квадратного километра до площадей в миллионы квадратных километров, т. е. до размеров континентов. Отклонения, отмечаемые на очень больших площадях, в литературе называются по-разному: «мировыми», «материковыми», «континентальными» аномалиями, а иногда просто «остаточным полем». Мировые аномалии определяются по картам магнитного поля земного шара, составленным на основе измерений напряженности поля путем вычитания напряженности поля, вычисленного в предположении однородной намагниченности земного шара параллельно его магнитной оси. Большинство авторов выделяют восемь таких аномалий на поверхности земного шара. Наиболее интенсивная и четко оконтуриваемая материковая аномалия отмечается на территории Азии с центром в Южной Якутии, интенсивность ее достигает 30% нормального поля. Ю.Д. Калинин, используя данные о напряженности поля Восточно-Азиатской материковой аномалии, путем вычислений определил местоположение источника аномалии на глубине 0,4—0,6 радиуса Земли (глубина меняется в зависимости от предположений о форме источника аномалии). Это решение находится в согласии с последними наблюдениями магнитного поля Земли, выполненными на больших высотах со спутников. Таким образом, причины основного и остаточного поля Земли, вероятнее всего, являются общими.