Геомагнитное поле и его основные свойства



Магнитное поле Земли или геомагнитное поле — магнитное поле, генерируемое внутри земными источниками. Геомагнитное поле оказывает довольно глубокое воздействие на геофизические, биофизические и экологические процессы на Земле. Оно сыграло выдающуюся роль в эволюции Земли, в происхождении и защите жизни на Земле.

Геомагнитное поле пронизывает все три оболочки Земли: литосферу, гидросферу и атмосферу, воздействует на живую и неживую природу, на все четыре царства природы: растительное, животное, минеральное и, конечно, человеческое. Магнитное поле Земли также оказывает существенное влияние на климат и погоду. Изменения его интенсивности могут привести к значительным колебаниям в температуре, в атмосферном давлении и в частоте выпадения осадков, а также к бурям, ураганам и другим стихийным бедствиям.

Геомагнитное поле намагничивает все минералы и горные породы. Магнитную память о древнем геомагнитном поле сохраняют входящие в состав всех горных пород ферримагнитные минералы. Их естественная остаточная намагниченность появляется во время их образования и сохраняется полностью или частично до нашего времени [1–2].

Геомагнитное поле состоит из главного геомагнитного поля, источники которого находятся во внешнем электропроводящем ядре Земли, аномального, создаваемого намагниченными горными породами, и внешнего геомагнитных полей. В соответствии с общей теорией геомагнетизма Гаусса главное геомагнитное поле состоит из дипольной и недипольной частей. В первом приближении теории геомагнитное поле является полем диполя, наклоненного к оси вращения Земли на угол 10–12 градусов. Аномальное поле составляет около 3 % геомагнитного поля, а внешнее, связанное с солнечно-земными взаимодействиями, — менее 1 %. Измерения магнитного поля Земли выполняются на магнитных обсерваториях, магнитные съемки бывают сухопутными, водными, воздушными и спутниковыми [2].

Силовые линии и напряжённость геомагнитного поля находятся в непрерывном изменении. Изменения (вариации) геомагнитного поля имеют периоды как в сотни и тысячи лет, так и от нескольких месяцев, до долей секунд. Кроме того, имеется тенденция смещения силовых линий геомагнитного поля на запад со скоростью 0.2 градуса в год (так называемый западный дрейф). Длиннопериодные вариации с периодом от 60 до 1800 и более лет называются «вековыми», короткопериодные (с периодом меньше одного года) очень различны как по своим периодам, так и по своей природе. Источники вековых вариаций, по современным представлениям, находятся в ядре Земли, источники короткопериодных — в верхних слоях атмосферы, в ионосфере и магнитосфере. Интенсивность короткопериодных вариаций зависит от активности солнечно-земных взаимодействий.

На Земной поверхности существуют так называемые магнитные аномалии, напряженность которых существенно превышает среднее аномальное геомагнитное поле. Магнитные аномалии во многих случаях связаны с залежами полезных ископаемых. Таким образом, непосредственные измерения геомагнитного поля прямо связаны с поиском полезных ископаемых (включая алмазы) как на суше, так и на дне мирового океана.

Геомагнитное поле, в первом приближении, можно рассматривать как магнитное поле однородно намагниченного шара — планеты Земля. Такое представление утвердилось в науке с 1600 г. — со времени выхода в свет книги В. Гильберта «О магнитах, магнитных телах и большом магните Земля, новая физиология, доказываемая множеством опытов и рассуждений» и удовлетворительно отражает характер изменения магнитного поля Земли на акватории Мирового океана [3].

Для описания глобальных явлений вблизи земной поверхности и геомагнитного поля, в частности, обычно используется система ортогональных сферических географических координат, несколько отличная от сферической системы координат. В этой системе координат r — расстояние до центра Земли (на земной поверхности r  R₀ — радиус Земли), - географическая широта и  — географическая долгота, при этом = 0 на экваторе,   на северном полюсе, =-/2 на южном;    на Гринвичском меридиане и    на тихоокеанском меридиане, лежащим в одной плоскости с Гринвичским. Декартова система координат Земли ₁ ₂ ₃, с центром в центре Земли, ось ₁ которой направлена вдоль оси вращения Земли к северному полюсу, а ось ₂ в точку пересечения Гринвичского меридиана и экватора, связана с системой сферических географических координат следующими соотношениями:

.

В декартовой системе координат Земли скалярный потенциал () магнитного поля Земли, рассматриваемой как равномерно намагниченный шар, при , представляет собой потенциал точечного магнитного диполя с магнитным моментом , расположенного в начале координат:

, (1)

где _i — направляющие косинусы вектора магнитного момента ;

— его компоненты; .

По современным данным магнитный момент Земли равен M₀ = 8.25 10²²А∙м². Направляющие косинусы определяют декартовы координаты Северного магнитного полюса Земли:

который находится в Антарктиде и определяется условием ортогональности направления геомагнитного поля поверхности Земли, при этом:

,

где — географические координаты Северного магнитного полюса.

В сферической географической системе координат скалярный потенциал будет иметь вид:

(2)

где cos = sin₀ sin + cos₀ coscos ( — ₀),

Орты сферической системы координат в каждой точке пространства образуют ортогональную систему и направлены. В этих ортах напряженность геомагнитного поля, определяемого скалярным потенциалом (2) будет равна:

,

где — элементы длины вдоль направлений , соответственно. Компоненты напряженности:

определяются выражениями:

(3)

Величина радиуса Земли R₀ несоизмеримо велика по сравнению с размерами зданий, кораблей и других сооружений и объектов, создаваемых человеком, поэтому для описания координат точек этих объектов обычно пользуются локальной географической системой декартовых координат, начало которой обычно помещают в центр тяжести объекта, ось х направляется на географический север по касательной к меридиану, проходящему через данную точку, ось у — на восток по касательной к широтной линии, ось z — вертикально вниз по направлению к центру Земли. Эта локальная географическая система координат является правой, и ее орты связаны с ортами глобальной сферической системы в точке расположения ее центра следующим образом:

следовательно, в локальной географической системе координат:

Формулы (3) при в локальной географической системе координат удобно представить в виде:

(4)

где коэффициенты определяются следующими выражениями:

(5)

В ряде случаев удобно пользоваться локальной геомагнитной декартовой системой координат, которая получается из локальной географической поворотом на угол D вокруг оси Z, так, что ось Х геомагнитной системы совпадает с направлением горизонтальной проекции вектора , или, как иногда говорят, с направлением магнитного меридиана.

Несмотря на простейшие предположения о геомагнитном поле как о поле равномерно намагниченного шара, на основании которых были написаны формулы (1) — (4), эти формулы позволяют описывать геомагнитное поле на акватории океана и на тех участках суши, на которых нет выходов магнитных руд, с погрешностью порядка 25 %, т. е. вполне удовлетворительно передают характер глобального изменения компонент геомагнитного поля как функции  и . Например, согласно (4), на магнитных полюсах получаем = 49.70 А/м в то время как среднее значение на полюсах составляет 50.9 А/м; на магнитном экваторе , в то время как максимальное значение на магнитном экваторе составляет 32.6 А/м (погрешность 23 %).

Следует отметить, что согласно (4) изменение при перемещении точки на 1 км составляет величину порядка 8·10–³ А/м, таким образом, в пределах рукотворных объектов геомагнитное поле можно считать практически однородным [2–3].

Как уже отмечалось ранее, фундаментальный вклад в описание геомагнитного поля был сделан великим немецким математиком К. Ф. Гауссом, в 1839г. построившим аналитическую модель геомагнитного поля, существенно уточнившую простейшую модель, основанную на представлении магнитного потенциала Земли в виде (4).

Таким образом, Геомагнитное поле является одним из обязательных условий существования и развития жизни на Земле, потому что, как уже было сказано выше, оно, наравне с атмосферой, защищает Землю от пагубного разрушительного воздействия солнечного ветра и космических лучей. Более того, жизнь на Земле могла возникнуть только после дифференциации вещества Земли, возникновения ядра и, соответственно, геомагнитного поля.

Литература:

1. Дема Р. Р., Молочкова О. С., Нефедьев С. П. «Материаловедение», 2014.
2. Краснов И. П. «Основы классической теории намагничения тел» намагничения тел» Центральный НИИ им. академика А. Н. Крылова. — СПб., 2008.
3. Сандомирский С. Г. «Магнитный контроль структуры стальных и чугунных изделий. Современное состояние». Литье и металлургия, 2008.