Магнитное поле Земли

И так, несмотря на столь значительное расстояние (150 млн. км), мы оказываемся гораздо «ближе» к Солнцу, чем кажется на первый взгляд. Кстати, это связано не только с тем, что непрерывно расширяющаяся солнечная корона простирается до орбиты Земли и дальше. Огромные по сравнению с Землей размеры самого нашего светила тоже имеют немаловажное значение.

Если расстояние от Солнца до Земли оценивать не километрами, а принимать за единицу поперечный размер Солнца, то получится весьма скромная Цифра — всего 107!

Поток солнечного ветра настигает нашу планету, мирно движущуюся по своей околосолнечной орбите. Космические корабли дали нам возможность измерить его «силу». Такие наблюдения в течение 104 суток проводились, например, на американском космическом корабле «Маринер-2», летевшем к далекой Венере. В период спокойного Солнца в межпланетном пространстве вблизи орбиты Земли наблюдалось всего около пяти протонов в 1 см3. Движение этих частиц было направлено от Солнца и имело среднюю скорость около 500 км/с. Во время солнечных возмущений концентрация повышалась до 100 протонов в единице объема, а скорость достигала 1500 км/с!

Мы уже говорили, что магнитное поле и потоки солнечной плазмы неразрывно связаны. Солнечный ветер несет с собой и магнитное поле, вмороженное в плазму. Силовые линии этого поля (правда, довольно слабого) имеют вид вытянутых от Солнца волокон. При этом, поскольку один их конец «прикреплен» к Солнцу, а другой «свободен», то вращение Солнца вокруг своей оси приводит к их закручиванию. Таким образом, силовые линии приобретают вид раскручивающихся спиралей.

Космические ракеты и искусственные спутники Земли установили, что межпланетное магнитное поле, во-первых, существует, а во-вторых, имеет сложную структуру. Оно как бы разделено на несколько секторов. Как правило, их четыре. В двух из них магнитное поле направлено к Солнцу, а в двух — от Солнца. Открытие секторной структуры межпланетного поля произошло совсем недавно, и к этому интереснейшему явлению приковано внимание геофизиков. Оказывается, пересечение Землей границы сектора немедленно отдается эхом и в магнитном поле Земли, и в верхней атмосфере, и во всем околоземном космическом пространстве.

Но давайте по порядку. Итак, мы живем на огромном магните и, хотя непосредственно этого не чувствуем, во многом от него зависим. Магнитное поле Земли — вот первое, что встречает накатывающийся на Землю поток солнечной плазмы. И наблюдающиеся на Земле магнитные бури, полярные сияния, ионосферные возмущения— это проявления сложного взаимодействия солнечного ветра и геомагнитного поля.

Рассмотрим немного подробнее, что нам известно о магнетизме нашей собственной планеты. Человек очень давно заметил, что существуют магнитные материалы.

Магнитная стрелка, указывающая направление на север, упоминается уже в древнейших китайских легендах, повествующих о сражениях, происходивших 4 тыс. лет назад. Замечательное свойство магнитной стрелки было известно индейцам, арабам, грекам.

Естественный встречающийся в природе магнит — это минерал черного или коричневого цвета, магнитный железняк. Он образуется в процессе окисления железа при высокой температуре и встречается в таких породах, как базальт, диабаз, гранит. Иногда магнетит попадается в виде огромных залежей. У нас в стране есть гора Магнитная на Южном Урале, целиком состоящая из магнетита. Здесь прекрасная железная руда содержит до 70% железа. Существуют огромные залежи магнетита, создающие так называемые локальные магнитные аномалии, то есть сильные отклонения напряженности и направления земного магнитного поля от нормы.

Примером такого удивительного явления служит сильнейшая в мире Курская магнитная аномалия, представляющая собой два подземных железорудных хребта, расположенных почти параллельно друг другу и простирающихся на сотни километров. Напряженность аномального магнитного поля Курской магнитной аномалии в два-три раза превышает напряженность магнитного поля Земли. Стрелка компаса здесь вместо севера может показывать и на запад, и на восток, а иногда даже и на юг. Интересно, что существуют и такие железные руды, которые магнитную стрелку не притягивают, а отталкивают. В местах таких аномалий магнитное поле Земли не усиливается, а ослабляется. Такая «странная» аномалия расположена, например, в междуречье сибирских рек Ангары и Илима. И эта удивительная загадка природы никем пока еще не разгадана.

Кроме сильных локальных магнитных аномалий существуют более крупные региональные аномалии и весьма обширные по площади мировые аномалии. Самые большие мировые магнитные аномалии находятся в Восточной Сибири, Северной Америке и Южной Атлантике.

Впервые идея о том, что наша планета представляет собой «большой магнит», была сформулирована английским врачом и физиком Уильямом Гильбертом в 1600 г. Его книга «О магните, магнитных телах и о великом магните — Земле» имеет торжественное посвящение: «Я препоручаю основания науки о магните— новый род философии — только вам, истинные философы, благородные мужи!» Через двести с лишним лет великий Карл Гаусс (кстати, член Российской академии наук), не делая каких-либо предположений относительно причин земного магнетизма, вывел фундаментальное уравнение, позволяющее определить величину магнитного поля Земли в любом месте земной поверхности.

В настоящее время благодаря усилиям многих ученых, инженеров, наблюдателей, которые создали большую сеть магнитных обсерваторий, изобрели тонкие приборы, магнитометры, произвели многолетние измерения на всех материках и океанах, послали магнитометры в космос, люди знают основные особенности геомагнитного поля.

Магнитное поле земного шара практически совпадает с полем, которое создал бы магнит в виде стержня, если его мысленно поместить вблизи центра Земли. При этом его надо расположить на 436 км от центра в сторону Тихого океана и наклонить на 12° к оси вращения Земли. Силовые линии такого гигантского магнита выходят из Северного магнитного полюса, расположенного в южном географическом полушарии, и, пронизав десятки тысяч километров околоземного космического пространства, входят в Южный магнитный полюс в северном полушарии. Один геомагнитный полюс находится на Канадском Арктическом архипелаге, на покрытом вечными льдами острове Элсмир (81° с. ш. и 84,7° з. д), а другой — на ледяном континенте Антарктиды, на Земле Уилкса (75° ю. ш. и 120,4 ° в. д.).

Если бы магнитное поле Земли было совершенно однородным, то на полюсах свободно вращающаяся вокруг своего центра тяжести магнитная стрелка устанавливалась бы вертикально. Но в дело вмешиваются мировые магнитные аномалии, и поэтому указанные нами геомагнитные полюса и те точки, где поле вертикально к земной поверхности, не совпадают. Более того, эти точки блуждают. В январе 1986 г. на австралийском научно-исследовательском судне провели измерения магнитного поля Земли с высокой точностью и установили, что за последние десятилетия Южный магнитный полюс «вышел в море», покинув Восточную Антарктиду и оказавшись в крайней южной области Индийского океана, в точке с координатами 65,2° ю. ш. и 139,1° в. д.

Анализ магнитного поля показал, что его можно разделить на внутреннее, создаваемое источниками внутри планеты, и внешнее, связанное с токами в ионосфере, с межпланетным магнитным полем и т. д. На долю внутреннего поля приходится 99% интенсивности, а на долю внешнего — всего 1%, но именно этот процент больше всего интересует исследователей проблемы Солнце—Земля. Внутреннее поле почти постоянно, оно испытывает вариации с периодом в 100 лет и более, а вот внешнее поле испытывает быстрые непрерывные изменения.

Внутреннее поле принято условно делить на поле однородного намагничивания и поле магнитных аномалий. На долю первого приходится 85% интенсивности, поэтому обычно (особенно на больших расстояниях от Земли) принимают, что геомагнитное поле подобно полю однородно намагниченного шара.

Напряженность магнитного поля измеряют в специальных единицах — эрстедах (по имени выдающегося датского физика X. К. Эрстеда, открывшего в 1820 г. существование магнитного поля вокруг проводника с электрическим током). В современных физических лабораториях удается получить сильнейшие магнитные поля в десятки тысяч эрстед (1 3=79,5775 А/м). По сравнению с напряженностью таких полей напряженность геомагнитного поля сравнительно невелика: на магнитных полюсах земного шара — от 0,6 до 0,7 Э, на магнитном экваторе — от 0,3 до 0,4 Э. При оценке переменного геомагнитного поля используют даже стотысячные доли эрстеда — гаммы. Изменение магнитного поля на несколько сот гамм — это уже сильная магнитная буря, охватывающая всю планету. Хотя магнитное поле Земли и невелико, но общий магнитный момент Земли колоссален (из-за громадного объема планеты) и равен 8,9 * 10 в 25 степени электромагнитных единиц.

Изучение постоянного или внутреннего геомагнитного поля жизненно важно для таких областей человеческой деятельности, как поиски полезных ископаемых, изучение геологического строения планеты, мореплавание и т. д. Именно поэтому существует сеть магнитных обсерваторий, оснащенных хитроумными приборами, иногда настолько чувствительными, что они способны обнаружить присутствие швейной иглы на расстоянии 1   м от прибора.

На Земле в настоящее время работает более 150 крупных магнитных обсерваторий, в нашей стране их более 20, самая западная — под Львовом, самая восточная — на Чукотке. Чтобы составить магнитные карты всей планеты, этого, конечно, недостаточно. Поэтому магнитологи работают в основном в экспедиционных условиях во всех уголках земного шара. Сейчас почти все области нашей планеты обеспечены данными геомагнитной съемки. Так, абсолютные магнитные измерения производятся в 300 тыс. пунктах.

Всему миру известна героическая экспедиция 30-х годов, когда четверка отважных — И. Д. Папанин, Е. К. Федоров, П. П. Ширшов и Э. Т. Кренкель — впервые осуществила геофизические исследования в центре Арктики. Е. К. Федоров (впоследствии академик и известный общественный деятель) проводил тогда магнитные наблюдения. Сейчас на дрейфующих ледовых станциях ежегодно работают геофизики всех специальностей. В Антарктике магнитные измерения производятся регулярно, несмотря на ураганные ветры и сверхнизкие температуры, достигающие иногда —70 °С.

Морскую магнитную съемку осуществляют специальные исследовательские судна. Так же как и здания магнитных обсерваторий, их надо строить из немагнитных материалов — дерева, бронзы, латуни, стали специальных сортов. Пятнадцать лет плавала по морям и океанам первая советская немагнитная шхуна «Заря». Этот трехмачтовый парусник был оснащен новейшей магнитоизмерительной аппаратурой; 500 тыс. км было пройдено шхуной в Атлантическом, Индийском и Тихом океанах — 500 тыс. км непрерывных измерений!

Специалисты сконструировали и аэромагнитометр, непрерывно измеряющий магнитное поле Земли с самолета. Только так можно произвести магнитную съемку в необозримых пространствах тайги и тундры, в горных цепях, оперативно получить данные над океанскими просторами. Современные аэромагнитометры с помощью электронно-вычислительных машин дают возможность строить подробные и точные магнитные карты.

Но вершиной современной техники магнитной съемки, конечно, являются спутниковые измерения. Искусственный спутник, скажем, известной серии «Космос» успевает сделать полный оборот вокруг земного Шара всего за полтора часа. Значит, измерения проводятся в 100 раз быстрее, чем на самолете, и в 2000 раз быстрее, чем со шхуны «Заря». Спутник «Космос-21», например, с 20 января по 22 марта 1970 г. охватил измерениями 94% поверхности земного шара (спутник был выведен на полярную орбиту с наклонением 71° и летал в ионосфере на высотах 280—507 км).

К сожалению, получая огромный выигрыш в скорости измерений, мы существенно проигрываем в возможности детально узнать строение магнитного поля. На высотах ионосферы геомагнитное поле совсем не такое по структуре и величине, как на земной поверхности. Все аномалии, связанные с особенностями геологического строения, быстро затухают с высотой. Поэтому спутниковые измерения отнюдь не заменили другие способы магнитных съемок, а просто дополнили их ценными сведениями о структуре поля в околоземном космическом пространстве.

Казимировский Э. С.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все о космосе
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: