Земной магнетизм и его элементы. Магнитные направления. Классическая физика

Так как магнитные и географические полюсы Земли не совпадают, то магнитная стрелка указывает направление север-юг только приблизительно. Плоскость, в которой устанавливается магнитная стрелка, называют плоскостью магнитного меридиана данного места, а прямую, по которой эта плоскость пересекается с горизонтальной плоскостью, называют магнитным меридианом. Угол между направлениями магнитного и географического меридианов называют магнитным склонением; его принято обозначать греческой буквой . Магнитное склонение изменяется от места к месту на земном шаре.

Магнитное склонение называют западным или восточным в зависимости от того, к западу () или к востоку () от плоскости географического меридиана отклоняется северный полюс магнитной стрелки (рис. 229). Шкала измерения склонения – от 0 до 180°. Часто восточное склонение отмечают знаком «+», а западное знаком «-».

Рис. 229. Положение магнитной стрелки относительно стран света: а) в местах с восточным магнитным склонением; б) в местах с западным магнитным склонением

Из рис. 228 видно, что линии земного магнитного поля, вообще говоря, не параллельны поверхности Земли. Это означает, что магнитная индукция поля Земли не лежит в плоскости горизонта данного места, а образует с этой плоскостью некоторый угол. Этот угол называется магнитным наклонением. Магнитное наклонение часто обозначают буквой . В разных местах Земли магнитное наклонение различно.

Очень ясное представление о направлении магнитной индукции земного магнитного поля в данной точке можно получить, укрепив магнитную стрелку так, чтобы она могла свободно вращаться и вокруг вертикальной и вокруг горизонтальной оси. Это можно осуществить, например, с помощью подвеса (так называемого карданова подвеса), показанного на рис. 230. Стрелка устанавливается при этом по направлению магнитной индукции поля.

Рис. 230. Магнитная стрелка, укрепленная в кардановом подвесе, устанавливается по направлению магнитной индукции земного магнитного поля

Магнитное склонение и магнитное наклонение (углы и ) полностью определяют направление магнитной индукции земного магнитного поля в данном месте. Остается еще определить числовое значение этой величины. Пусть плоскость на рис. 231 представляет собой плоскость магнитного меридиана данного места. Лежащую в этой плоскости магнитную индукцию земного магнитного поля мы можем разложить на две составляющие: горизонтальную и вертикальную . Зная угол (наклонение) и одну из составляющих, мы можем легко вычислить другую составляющую или сам вектор . Если, например, нам известен модуль горизонтальной составляющей , то из прямоугольного треугольника находим

Рис. 231. Разложение магнитной индукции земного магнитного поля на горизонтальную и вертикальную составляющие

На практике оказывается наиболее удобным непосредственно измерять именно горизонтальную составляющую земного, магнитного поля. Поэтому чаще всего магнитную индукцию этого поля в том или ином месте Земли характеризуют модулем ее горизонтальной составляющей.

Таким образом, три величины: склонение, наклонение и числовое значение горизонтальной составляющей полностью характеризуют магнитное поле Земли в данном месте. Эти три величины называют элементами земного магнитного поля.

129.1. Угол наклонения магнитной стрелки равен 60°. Если к ее верхнему концу прикрепить гирьку массы 0,1 г, то стрелка установится под углом 30° к горизонту. Какую гирьку нужно прикрепить к верхнему концу этой стрелки, чтобы стрелка стала горизонтально?

129.2. На рис. 232 изображен инклинатор, или буссоль наклонений, – прибор, служащий для измерения магнитного наклонения. Он представляет собой магнитную стрелку, укрепленную на горизонтальной оси и снабженную вертикальным разделенным кругом для отсчета углов наклонения. Стрелка всегда вращается в плоскости этого круга, но сама эта плоскость может поворачиваться вокруг вертикальной оси. При измерении наклонения круг устанавливается в плоскости магнитного меридиана.

Рис. 232. К упражнению 129.2

Покажите, что, если круг инклинатора установлен в плоскости магнитного меридиана, то стрелка установится под углом к плоскости горизонта, равным наклонению земного магнитного поля в данном месте. Как будет изменяться этот угол, если мы будем поворачивать круг инклинатора вокруг вертикальной оси? Как установится стрелка, когда плоскость круга инклинатора будет перпендикулярна к плоскости магнитного меридиана? 129.3. Как будет вести себя компасная стрелка, помещенная над одним из земных магнитных полюсов? Как будет вести себя там стрелка наклонения?

Точное знание величин, характеризующих земное магнитное поле, для возможно большего числа пунктов на Земле имеет чрезвычайно важное значение. Ясно, например, что, для того чтобы штурман корабля или самолета мог пользоваться магнитным компасом, он должен в каждой точке своего пути знать магнитное склонение. Ведь компас указывает ему направление магнитного меридиана, а для определения курса корабля он должен знать направление географического меридиана.

Склонение дает ему ту поправку к показаниям компаса, которую необходимо внести, чтобы найти истинное направление север-юг. Поэтому с середины прошлого века во многих странах ведется систематическое изучение земного магнитного поля. Свыше 50 специальных магнитных обсерваторий, распределенных по всему земному шару, систематически, изо дня в день, ведут магнитные наблюдения.

В настоящее время мы имеем обширные данные о распределении элементов земного магнетизма по земному шару. Данные эти показывают, что элементы земного магнетизма изменяются от точки к точке закономерно и в общем определяются широтой и долготой данного пункта.

ЗЕМНОЙ МАГНЕТИЗМ (геомагнетизм), магнитное поле Земли и околоземного космического пространства; раздел геофизики, изучающий магнитное поле Земли и связанные с ним явления (магнетизм горных пород, теллурические токи, полярные сияния, токи в ионосфере и магнитосфере Земли).

История изучения магнитного поля Земли . О существовании магнетизма было известно с глубокой древности. Считается, что первый компас появился в Китае (дата появления спорна). В конце 15 века во время плавания Х. Колумба было установлено, что склонение магнитное различно для разных точек поверхности Земли. Это открытие положило начало развитию науки о земном магнетизме. В 1581 году английский исследователь Р. Норман высказал предположение о том, что стрелку компаса разворачивают определённым образом силы, источник которых находится под поверхностью Земли. Следующим знаменательным шагом стало появление в 1600 книги У. Гильберта «О магните, магнитных телах и о большом магните - Земле», где было дано представление о причинах земного магнетизма. В 1785 начались разработки способа измерения напряжённости магнитного поля, базирующегося на методе вращающего момента, предложенном Ш. Кулоном. В 1839 К. Гаусс теоретически обосновал метод измерения горизонтальной составляющей вектора магнитного поля планеты. В начале 20 века была определена связь между магнитным полем Земли и её строением.

В результате наблюдений было установлено, что намагниченность земного шара более или менее однородна, а магнитная ось Земли близка к её оси вращения. Несмотря на относительно большой объём экспериментальных данных и многочисленные теоретические исследования, вопрос о происхождении земного магнетизма окончательно не решён. К началу 21 века наблюдаемые свойства магнитного поля Земли стали связывать с физическим механизмом гидромагнитного динамо (смотри Магнитная гидродинамика), согласно которому первоначальное магнитное поле, проникшее в ядро Земли из межпланетного пространства, может усиливаться и ослабляться в результате движения вещества в жидком ядре планеты. Для усиления поля достаточно наличия определённой асимметрии такого движения. Процесс усиления продолжается до тех пор, пока рост потерь на нагрев среды, идущий за счёт увеличения силы токов, не уравновесит приток энергии, поступающей за счёт её гидродинамического движения. Сходный эффект наблюдается при генерации электрического тока и магнитного поля в динамо-машине с самовозбуждением.

Напряжённость магнитного поля Земли. Характеристикой любого магнитного поля служит вектор его напряженности Н - величина, не зависящая от среды и численно равная магнитной индукции в вакууме. Собственное магнитное поле Земли (геомагнитное поле) является суммой полей, созданных различными источниками. Принято считать, что на поверхности планеты магнитное поле Н Т складывается из: поля, создаваемого однородной намагниченностью земного шара (дипольное поле, Н 0); поля, связанного с неоднородностью глубоких слоёв земного шара (поле мировых аномалий, Н а); поля, обусловленного намагниченностью верхних частей земной коры (Н к); поля, вызываемого внешними причинами (Н В); поля вариаций (δН), также связанных с источниками, расположенными вне земного шара: Н Т = Н о + Н к + Н а + Н в + δН. Сумма полей Н 0 + Н к образует главное магнитное поле Земли. Его вклад в поле, наблюдаемое на поверхности планеты, составляет более 95%. Аномальное поле Н а (вклад Н а в Н т около 4%) подразделяется на поле регионального характера (региональная аномалия), распространяющееся на большие площади, и поле местного характера (локальная аномалия). Сумму полей Н 0 + Н к + Н а часто называют нормальным полем (Н н). Так как Н в мало по сравнению с Н о и Н к (около 1% от Н т), нормальное поле практически совпадает с главным магнитным полем. Реально наблюдаемое поле (за вычетом поля вариаций δН) есть сумма нормального и аномального магнитных полей: Н т = Н н + Н а. Задача разделения поля на поверхности Земли на эти две части является неопределённой, так как разделение можно провести бесконечным числом способов. Для однозначности решения данной задачи необходимы сведения об источниках каждой из составляющих магнитного поля Земли. К началу 21 века установлено, что источниками аномального магнитного поля являются намагниченные горные породы, залегающие на глубинах, малых по сравнению с радиусом Земли. Источник главного магнитного поля находится на глубине больше половины радиуса Земли. Многочисленные экспериментальные данные позволяют построить математическую модель магнитного поля Земли, основанную на формальном изучении её структуры.

Элементы земного магнетизма. Для разложения вектора Н т на составляющие обычно используют прямоугольную систему координат с началом в точке измерения поля О (рисунок). В этой системе ось Ох ориентирована по направлению географического меридиана на север, ось Оу - по направлению параллели на восток, ось Oz направлена сверху вниз к центру земного шара. Проекцию Н Т на ось Ох называют северной составляющей поля, проекцию на ось Оу - восточной составляющей, проекцию на ось Oz - вертикальной составляющей; они обозначаются соответственно через Х, Y, Z. Проекцию Н т на плоскость ху обозначают как Н и называют горизонтальной составляющей поля. Вертикальная плоскость, проходящая через вектор Н т и ось Оz, называется плоскостью меридиана магнитного, а угол между географическим и магнитным меридианами - магнитным склонением, обозначаемым через D. Если вектор Н отклонён от направления оси Ох к востоку, склонение будет положительным (восточное склонение), а если к западу - отрицательным (западное склонение). Угол между векторами Н и Н т в плоскости магнитного меридиана носит название наклонения магнитного и обозначается через I. Наклонение I положительно, когда вектор Н т направлен вниз от земной поверхности, что имеет место в Северном полушарии Земли, и отрицательно, когда Н т направлен вверх, то есть в Южном полушарии. Склонение, наклонение, горизонтальная, вертикальная, северная, восточная составляющие носят название элементов земного магнетизма, которые можно рассматривать как координаты конца вектора Н т в различных системах координат (прямоугольной, цилиндрической и сферической).

Ни один из элементов земного магнетизма не остаётся постоянным во времени: их величина меняется от часа к часу и от года к году. Такие изменения получили название вариаций элементов земного магнетизма (смотри Магнитные вариации). Изменения, происходящие в течение короткого промежутка времени (около суток), носят периодический характер; их периоды, амплитуды и фазы чрезвычайно разнообразны. Изменения среднегодовых значений элементов носят монотонный характер; их периодичность выявляется лишь при очень большой длительности наблюдений (порядка многих десятков и сотен лет). Медленные вариации магнитной индукции называются вековыми; их величина составляет около 10 -8 Тл/год. Вековые вариации элементов связаны с источниками поля, лежащими внутри земного шара, и вызываются теми же причинами, что и само магнитное поле Земли. Быстротечные вариации периодического характера обусловлены электрическими токами в околоземной среде (смотри Ионосфера, Магнитосфера) и весьма различаются по амплитуде.

Современные исследования магнитного поля Земли. К началу 21 века принято выделять следующие причины, вызывающие земной магнетизм. Источник главного магнитного поля и его вековых вариаций расположен в ядре планеты. Аномальное поле обусловлено совокупностью источников в тонком верхнем слое, называемом магнитоактивной оболочкой Земли. Внешнее поле связано с источниками в околоземном пространстве. Поле внешнего происхождения называется переменным электромагнитным полем Земли, поскольку оно является не только магнитным, но и электрическим. Главное и аномальное поля часто объединяют общим условным термином «постоянное геомагнитное поле».

Основной метод изучения геомагнитного поля - непосредственное наблюдение пространственного распределения магнитного поля и его вариаций на поверхности Земли и в околоземном пространстве. Наблюдения сводятся к измерениям элементов земного магнетизма в различных точках пространства и носят название магнитных съёмок. В зависимости от места проведения съёмок их подразделяют на наземные, морские (гидромагнитные), воздушные (аэромагнитные) и спутниковые. В зависимости от размера территории, которую охватывают съёмки, выделяют глобальные, региональные и локальные съёмки. По измеряемым элементам съёмки делятся на модульные (Т-съёмки, при которых ведётся измерение модуля вектора поля) и компонентные (измеряется только одна или несколько компонент этого вектора).

Земное магнитное поле находится под воздействием потока солнечной плазмы - солнечного ветра. В результате взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем Земли образуется внешняя граница околоземного магнитного поля (магнитопауза), ограничивающая земную магнитосферу. Форма магнитосферы постоянно меняется под воздействием солнечного ветра, часть энергии которого проникает внутрь неё и передаётся токовым системам, существующим в околоземном пространстве. Изменения магнитного поля Земли во времени, вызванные действием этих токовых систем, называются геомагнитными вариациями и различаются как по своей длительности, так и по локализации. Существует множество различных типов временных вариаций, каждый из которых имеет свою морфологию. Под действием солнечного ветра магнитное поле Земли искажается и приобретает «шлейф» в направлении от Солнца, который простирается на сотни тысяч километров, выходя за орбиту Луны.

Дипольный магнитный момент Земли составляет около 8·10 22 А·м 2 и постоянно уменьшается. Средняя индукция геомагнитного поля на поверхности планеты около 5·10 -5 Тл. Основное магнитное поле Земли (на расстоянии менее трёх радиусов Земли от её центра) по форме близко к полю эквивалентного магнитного диполя, центр которого смещён относительно центра Земли примерно на 500 км в направлении на точку с координатами 18° северной широты и 147,8° восточной долготы. Ось этого диполя наклонена к оси вращения Земли на 11,5°. На такой же угол полюсы геомагнитные отстоят от соответствующих географических полюсов. При этом южный геомагнитный полюс находится в Северном полушарии.

Широкомасштабные наблюдения за изменениями элементов земного магнетизма ведутся в магнитных обсерваториях, образующих мировую сеть. Вариации геомагнитного поля регистрируются специальными приборами, данные измерений обрабатываются и поступают в мировые центры сбора данных. Для визуального представления картины пространственного распределения элементов земного магнетизма проводится построение карт изолиний, то есть кривых, соединяющих на карте точки с одинаковыми значениями того или иного элемента земного магнетизма (смотри карты). Кривые, соединяющие точки одинаковых магнитных склонений, называются изогонами, кривые одинаковых магнитных наклонений - изоклинами, одинаковых горизонтальных или вертикальных, северных или восточных составляющих вектора Н т - изодинамами соответствующих составляющих. Линии равных изменений поля принято называть изопорами; линии равных значений поля (на картах аномального поля) - изоаномалиями.

Результаты исследований земного магнетизма применяют для изучения Земли и околоземного пространства. Измерения интенсивности и направления намагниченности горных пород позволяют судить об изменении геомагнитного поля во времени, что служит ключевой информацией для определения их возраста и развития теории литосферных плит. Данные о геомагнитных вариациях используются при магнитной разведке полезных ископаемых. В околоземном пространстве на расстоянии тысячи и более километров от поверхности Земли её магнитное поле отклоняет космические лучи, защищая всё живое на планете от жёсткой радиации.

Лит.: Яновский Б. М. Земной магнетизм. Л., 1978; Калинин Ю. Д. Вековые геомагнитные вариации. Новосиб., 1984; Колесова В. И. Аналитические методы магнитной картографии. М., 1985; Паркинсон У. Введение в геомагнетизм. М., 1986.

Магнитное поле Земли подобно полю диполя, помещенного в центр шара. Вектор магнитной индукции в точках магнитного экватора горизонтален, а на магнитных полюсах – вертикален. На северном полюсе он направлен вниз, на южном - вверх.

Следует обратить внимание на то, что в северном полушарии, т.к. вектор направлен вниз, расположен южный полюс диполя, а в южном полушарии - северный. (По физической сущности, у постоянных магнитов силу взаимного притяжения испытывают всегда разноименные полюса). Магнитное поле северного полушария принято называть северным, а южного полушария - южным. При переходе от одной точки поверхности Земли к другой вектор будет изменять величину и направление.

Рассмотрим составляющие полного вектора напряженности геомагнитного поля . Возьмем прямоугольную систему координат с началом в точке измерений, ось Z – направляем вниз, ось X – на географический север, ось Y – перпендикулярно на восток; т.о. ось Y –параллели, X – меридианы, угол D – магнитное склонение, угол I – магнитное наклонение.

Рис.1 Составляющие магнитного поля

При небольших значениях аномальная составляющая является проекцией на направление нормального поля.

В такой системе координат проекции вектора на направления осей X, Y, Z называют соответственно северной, восточной и вертикальной составляющими магнитного поля Земли и обозначаются буквами X, Y, Z .

Полный вектор в большинстве точек земной поверхности не совпадает ни с одной из осей.

Проекцию вектора на плоскость XOY называют горизонтальной составляющей магнитного поля и обозначают . Направление вектора определяет направление магнитного меридиана, а плоскость, в которой лежат векторы и , называется плоскостью магнитного меридиана .

Угол, между направлением магнитного меридиана в данной точке и некоторым заданным направлением, называется магнитным азимутом (он отсчитывается от направления магнитного меридиана по часовой стрелке).

Угол D – между направлениями географического и магнитного меридианов, называется магнитным склонением . Он отсчитывается от направления оси X по направлению движения часовой стрелки.

Угол I – между направлениями векторов и называется магнитным наклонением . Он отсчитывается от горизонтальной плоскости вниз; в северном полушарии вектор направлен вниз, поэтому угол I – положительный, в южном полушарии направлен вверх, поэтому угол I – отрицательный. Составляющие X, Y, Z, H, D, I являются элементами земного магнетизма . Склонения и наклонения измеряются в градусах.

В первом приближении магнитное поле Земли можно рассматривать как поле шара, намагниченного по оси, отклоняющейся от оси вращения приблизительно на 11,5 градуса. При этом магнитный потенциал шара можно определить как потенциал диполя.

Лабораторная работа 230ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ Теоретическая частьI. Элементы земного магнетизма. Земля представляет собой огромный шаровой магнит. В любой точке пространства, окружающего Землю, и на ее поверхности обнаруживается действие магнитных сил, т.е. создается магнитное поле, которое подобно полю магнитного диполя “ав” помещенного в центре Земли (рис.I). Магнитные полюса Земли лежат вблизи географических полюсов:вблизи северного географического полюса С расположен южный магнитный S, а вблизи южного географического Ю " северный магнитный N. Магнитное поле Земли на магнитном экваторе направлено горизонтально (точка В), а у магнитных полюсов - вертикально (точка А). В остальных точках земной по- верхности магнитное поле Земли поправлено под некоторым углом к поверхности (точка К). Убедиться в существовании магнитного поля Земли можно с помощью магнитной стрелки. Если подвесить стрелку на нити так,Рис.1 чтобы точка подвеса совпадала с центром тяжести, то она установится по направлению касательной к силовой линии магнитного поля Земли. Ознакомиться с основами теории Максвелла , свойствами электромагнитных волн и механизмом распространения электромагнитных волн в двухпроводной линии Магнетизм - раздел физики, изучающий взаимодействие между электрическими токами , между токами и магнитами (телами с магнитным моментом) и между магнитами. Взаимодействие двух параллельных проводников с током. Законы Био – Савара – Лапласа и Ампера применяются для определения силы взаимодействия двух параллельных проводников с током. Поток вектора магнитной индукции . Теорема Гаусса для магнитного поля. Магнитные моменты атомов . Для полного описания атома необходимы знания квантовой механики, которую мы будем изучать позднее. Однако магнитные свойства вещества хорошо объясняются с помощью простой и наглядной планетарной модели атома, предложенной Э.Резерфордом. Намагниченность вещества. Ранее мы предполагали, что провода, несущие ток и создающие магнитное поле, находятся в вакууме. Если же провода находятся в какой-либо среде, то величина создаваемого ими магнитного поля изменится. Виды магнетиков . Проведем опыт с сильным магнитным полем, создаваемым, например, соленоидом. Соленоид (цилиндр с намотанным на него проводом, по которой течет ток) может создать внутри себя магнитное поле в 100000 раз больше магнитного поля Земли. Будем помещать в такое магнитное поле различные вещества и наблюдать, как действует на них сила магнитного поля. Качественные результаты подобных опытов получаются довольно разнообразными. Доменная структура ферромагнетиков . Классическая теория ферромагнетизма была развита французским физиком П.Вейсом (1907 г.). Согласно этой теории, весь объем ферромагнитного образца, находящегося при температуре ниже точки Кюри, разбит на небольшие области – домены,– которые самопроизвольно намагничены до насыщения. Основной закон электромагнитной индукции . Величайший физик XIX века Майкл Фарадей считал, что между электрическими и магнитными явлениями существует тесная взаимосвязь. Ампер, Био и другие ученые выяснили одну сторону этой взаимосвязи, с которой мы уже знакомы, а именно – магнитное действие тока. Явление взаимной индукции Теория Максвелла для электромагнитного поля . В 60-х годах XIX столетия Д.К. Максвелл, ознакомившись с работами Фарадея, решил придать теории электричества и магнетизма математическую форму. Обобщив законы, установленные экспериментальным путем – закон полного тока, закон электромагнитной индукции и теорему Остроградского-Гаусса, - Максвелл дал полную картину электромагнитного поля Второе уравнение Максвелла. Максвелл ввел понятие полного тока. Плотность полного тока Вертикальная плоскость, в которой располагается стрелка, называется плоскостью магнитного меридиана. Все плоскости магнитных меридианов пересекаются по прямой NS, а следы магнитных меридианов на поверхности Земли сходятся в магнитных полюсах N и S. Угол, образованный плоскостями магнитного и географического меридианов называется углом склонения (на рис.1 - угол β). Угол, образованный направлением магнитного поля Земли и горизонтальной плоскостью, называется углом наклонения (на рис.2 – угол α).Вектор напряженности магнитного поля Земли можно разложить на две составляющие: горизонтальную и вертикальную . На рис.2 показано положение магнитной стрелки NS подвешенной на нити L в магнитном поле Земли. Направление северного конца N стрелки совпадает с направлением напряженности магнитного поля Земли. Плоскость чертежа совпадает с плоскостью магнитного меридиана. Знание углов склонения и на-клонения, а также горизонтальной составляющей дает возможность определить величину и направление напряженности магнитного поля Земли в определенной точке поверхности. Горизонтальная составляющая ,угол склонения β и угол наклонения α являются основными элементами земного магнетизма. С течением времени все элемента земного маг-нетизма, а также положение магнитных полюсов изменяются. Происхождение земного магнетизма в настоящее время до конца не выяснено. По последним гипотезам магнитное поле Земли связано с токами, циркулирующими по поверхности ядра Земли, а также с намагниченностью горных пород. 2. Метод тангенс-гальванометра. Если магнитная стрелка может вращаться лишь вокруг вертикальной оси, то она будет устанавливаться под действием горизонтальной составляющей магнитного поля Землив плоскости магнитного меридиана. Это свойство магнитной стрелки используется в тангенс-гальванометре. Рассмотрим круговой проводник из N витков, плотно прилегающих друг к другу, которые расположены вертикально в плоскости магнитного меридиана. В центре проводника поместим магнитную стрелку, способную поворачиваться вокруг вертикальной оси. Если по катушке пропустить ток I. то возникает магнитное поле с напряженностью , перпендикулярной к плоскости витков катушки (рис.З). На магнитную стрелку N1 S1, в этом случае будут действовать два взаимно перпендикулярных магнитных поля: горизонтальная составляющая магнитного поля Земли и магнитное поле тока . На рис.3 изображены сечения витка катушки (А и В) горизонтальной плоскостью. В сечении А ток направлен "из-за" плоскости чертежа перпендикулярно к ней. В сочетай В ток направлен за плоскость чертежа перпендикулярно к ней. Пунктирные кривые выражают силовые линии магнитного поля тока. Стрелкой NS показано направление магнитного меридиана.Рис.З

Характеристикой магнитного поля Земли, как и всякого магнитного поля, служит его напряженность или ее составляющие. Для разложения вектора на составляющие обычно используют прямоугольную систему координат, в которой ось х ориентируют по направлению географического меридиана (при этом положительным считается направление оси х к северу), ось у – по направлению параллели (положительным считается направление оси у к востоку). Ось z таким образом направлена сверху вниз от точки наблюдения (рис. 3.8). Проекция вектора на ось х носит название северной составляющей Н х, проекция на ось у – восточной составляющей Н у и проекция на ось z – вертикальной составляющей Н z . Эти проекции, как правило, обозначают X, Y, Z, соответственно. Проекцию на горизонтальную плоскость называют горизонтальной составляющей Н. Вертикальная плоскость, в которой лежит вектор , называется плоскостью магнитного меридиана. В плоскости географического меридиана лежат, очевидно, оси х и z, поэтому угол D между плоскостями географического и магнитного меридианов называется магнитным склонением. Угол между горизонтальной плоскостью и вектором носит название магнитного наклонения J. Наклонение положительно, когда вектор направлен вниз от земной поверхности, что имеет место в северном полушарии, и отрицательно, когда направлен вверх, т. е. в южном полушарии.

Склонение D, наклонение J, горизонтальная составляющая Н, северная Х, восточная Y и вертикальная составляющая Z носят название элементов земного магнетизма. Ни один из

элементов земного магнетизма не остается постоянным во времени, а непрерывно меняет свою величину от часа к часу и от года к году. Такие изменения получили название вариаций элементов земного магнетизма.

Медленные вариации элементов земного магнетизма получили название вековых. Вековые вариации элементов связаны с источниками, лежащими внутри земного шара. Быстротечные вариации периодического характера имеют своим источником электрические токи в высоких слоях атмосферы.

Геомагнитное поле подразделяют на три основные части:

1) главное магнитное поле и его вековые вариации, имеющие внутренний источник в ядре Земли;

2) аномальное поле, обусловленное совокупностью источников в тонком верхнем слое, называемом магнитоактивной оболочкой Земли;

3) внешнее поле, связанное с внешними источниками – токовыми системами в околоземном пространстве.

Главное и аномальное поля называют постоянным геомагнитным полем. Поле внешнего происхождения называется переменным электромагнитным полем, поскольку оно является не только магнитным, но и электрическим.

Вклад главного поля составляет в среднем более 95 %, аномальное поле вносит 4 % и доля внешнего поля – менее 1 % .

Теоретическая модель в форме магнита-диполя, помещенная в центр Земли, создает на ее поверхности магнитное поле, которое сравнительно хорошо совпадает с реальным геомагнитным полем.

Однако более точно это поле воспроизводится, если такой «магнит – диполь» повернуть на угол 11.5° относительно оси вращения планеты, и еще более точно – при смещении его на 450 км в сторону Тихого океана.

Точки пересечения поверхности земного шара с осью смещенного магнита-диполя называются геомагнитными полюсами.

Координаты геомагнитных полюсов не совпадают, таким образом, с координатами географических полюсов земного шара, и соответственно геомагнитный экватор (линия на поверхности Земли, для всех точек которой наклонение дипольного поля равно нулю) – не совпадает с географическим экватором. Положение магнитных полюсов не является постоянным, а непрерывно меняется.

Вблизи магнитных полюсов вертикальная составляющая принимает максимальное значение, равное примерно 49.75 А/м, а горизонтальная составляющая в этой области равна нулю.

На магнитном экваторе величина вертикальной составляющей делается равной нулю, а горизонтальная составляющая принимает наибольшее значение (максимальное значение она принимает вблизи Зондских островов, равное примерно 31.83 А/м ).

Для того чтобы ясно представить себе картину распределения элементов земного магнетизма по поверхности земного шара, пользуются графическим методом изображения – методом построения карт изолиний, т.е. кривых, соединяющих на карте точки с одинаковыми значениями изучаемого параметра магнитного поля.

Магнитные карты строятся как для данной области, так и для целой страны и, наконец, для всего земного шара. В последнем случае они носят название мировых карт .

Рассмотрение мировых карт изолиний и карт изолиний отдельных районов приводит к заключению, что магнитное поле на поверхности Земли является суммой нескольких полей, имеющих различные причины, а именно:

– поля, создаваемого однородной намагниченностью земного шара, называемого дипольным (моделируется приведенным выше магнитом-диполем), – ;

– поля, вызываемого внутренними причинами, связанными с неоднородностью глубоких слоев земного шара, получившего название недипольного (его называют также полем мировых аномалий);

– поля, обусловленного намагниченностью верхних частей земной коры, – ;

– поля, вызываемого внешними причинами, – ;

– поля вариации , причины генерации которого связываются также с источниками, расположенными вне земного шара, т.е.

Сумма полей дипольного и недипольного

образует, как отмечалось выше, главное магнитное поле Земли.

Поле представляет собой аномальное поле, которое подразделяется на поле регионального характера, распространяющееся на большие площади, и поле местного характера, ограниченное небольшими площадями. В первом случае оно называется региональной аномалией, а во втором – локальной аномалией.

Часто сумму полей однородного намагничивания, поля мировых аномалий и внешнего поля

называют нормальным полем. Так как очень мало и практически им можно пренебречь, то нормальное поле практически совпадает с главным полем. С этой точки зрения, наблюдаемое поле, если исключить из него поле вариаций, является суммой нормального (или главного) и аномального:

Таким образом, если известно распределение нормального поля на поверхности Земли, то можно определить аномальную часть магнитного поля.

Обычно интенсивность нормального поля во много раз больше, чем интенсивность региональных и локальных аномалий. Есть, правда крайне редко, участки земной поверхности,

на которых эти аномалии по интенсивности близки к главному магнитному полю Земли. Но и среди этих участков уникален район Курской магнитной аномалии , где «возвышаются» десятки магнитных «Эверестов».

Магнитное поле Земли относится к слабым полям , и напряженность ее нормального поля (модуль напряженности) изменяется в зависимости от регионов в широких пределах. Так на полюсах, как уже было отмечено, она достигает 49.5 А/м, в районе Москвы – 39.8 А/м, в районе Комсомольска-на-Амуре – 43.8 А/м. Наибольшего значения на территории нашей страны она достигает в районе Иркутска, Якутии – 48.54 А/м, на Сахалине – 40.59 А/м.

В настоящее время большое внимание уделяют и магнитным вариациям, поскольку помимо научного значения они представляют интерес как явление, оказывающее влияние на практическую деятельность людей и на их здоровье. Так, при возникновении вариаций значительной амплитуды – магнитных бурь – нарушается радиосвязь, ухудшается работа многих технических устройств, изменяется скорость протекания физиологических процессов. Например, в июле 1959 г. в результате сильной магнитной бури была прервана радиосвязь между Европой и Америкой, наблюдались нарушения электрической сигнализации на железных дорогах многих стран, вышли из строя даже некоторые электротехнические системы (нарушалась изоляция кабелей и обмоток трансформаторов).

Установлено также, что интенсивные изменения геомагнитного поля не безразличны для животных и растений. Бесспорно теперь и влияние вариаций магнитного поля Земли на здоровье людей. Так, когда в одном из городов напряженность магнитного поля возросла на протяжении суток в три раза, смертельные исходы увеличились в 1.8 раза.

Магнитные вариации меняются в разные дни различно. Иногда изменения происходят плавно, подчиняясь определенной закономерности, иногда они имеют беспорядочный характер и тогда периоды, амплитуды и фазы вариаций непрерывно меняют свое значение. В первом случае вариации называются спокойными или невозмущенными, а во втором – возмущенными.

К числу невозмущенных вариаций относятся солнечно-суточные, лунно-суточные и годовые.

Возмущенная часть вариаций магнитного поля также состоит из целого ряда вариаций, которые, накладываясь одна на другую, в сумме дают неправильные колебания всех элементов земного магнетизма около среднего значения. Некоторые из этих вариаций имеют вполне определенный период, другие меняют свой период от одного колебания к другому. Кроме того, имеются вариации непериодического характера. Поэтому возмущенные вариации классифицируют также на периодические, непериодические и неправильные флуктуации. К числу периодических относятся возмущенные солнечно-суточные вариации с периодом солнечных суток и короткопериодические колебания, у которых период колеблется от долей секунд до десятков минут. Из непериодических известна вариация под названием апериодическая возмущенная, которая проявляется во время магнитных бурь главным образом в изменении горизонтальной составляющей. Неправильные флуктуации элементов земного магнетизма представляют основную часть магнитных возмущений.

Помимо этого существуют вариации, которые нельзя отнести ни к одному из этих трех типов. Эти вариации получили название бухтообразных.

Магнитные возмущения могут иметь локальный характер и наблюдаться только в ограниченном секторе долгот и широт или же, достигая большой интенсивности, охватывать одновременно всю Землю . В последнем случае их называют магнитными бурями или мировыми бурями .

Принято выделять магнитные бури с внезапным началом и бури с постепенным началом. В первом случае на фоне спокойного хода всех элементов внезапно происходит скачок, отмечаемый в пределах одной-двух минут на всех станциях земного шара. Особенно резко такой скачок проявляется в величине горизонтальной составляющей, которая увеличивается на десятки гамм (внесистемная единица напряженности магнитного поля, равная одной сто

тысячной эрстеда; 1g = 10 -5 Э = 0.795775×10 -3 А/м). Во втором случае возмущения возникают в виде постепенного увеличения амплитуды всех элементов.

Бури по интенсивности (по величине амплитуды) принято делить на слабые, умеренные и большие . При большой буре амплитуды, например, у горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля могут достигать 3000g (2.39 А/м ) и более .

Под частотой магнитных бурь понимают их количество, приходящееся на тот или иной период времени (год, сезон, сутки). Частота магнитных бурь зависит от многих факторов и, прежде всего, от солнечной активности. В годы максимальной солнечной активности частота бурь наибольшая : от 23 (в 1894 г.) до 41 (в 1938 г.) бури в год, а в годы минимальной солнечной активности она опускается до нескольких бурь в год. Кроме этого частота бурь зависит от времени года. Бури чаще возникают в периоды равноденствий.

Следует отметить также одну из основных закономерностей в появлении магнитных бурь, а именно их 27-дневную повторяемость .

В последние годы была также установлена связь магнитных бурь с параметрами солнечного ветра.