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.
Наша Земля — пятая по величине среди девяти планет, кружащихся по своим орбитам вокруг Солнца, ближайшей звезды. Каждую секунду Земля проходит около 30 км, а полный оборот вокруг Солнца она совершает в течение года. Вдобавок, Земля вращается вокруг своей оси, как волчок, делая полный оборот за 24 часа. Земля не является идеальным шаром. Ее диаметр равен 12756 км у экватора (условной линии, разделяющей земной шар на Северное и Южное полушария) и 12714 км у полюсов. Длина окружности Земли по экватору составляет 40075 км.
Луна — ближайший космический сосед Земли. Ее диаметр примерно вчетверо меньше диаметра Земли и равен 3475 км. Горные породы, слагающие Луну, менее плотные, чем земные, поэтому Луна весит в 8 раз меньше Земли.
Земля — третья планета от Солнца, состоящая в основном из каменистых горных пород.
«Анкета» нашей планеты, или что мы твёрдо знаем о Земле
Сегодня мы твёрдо знаем о той планете, на которой обитает человечество, что её средний радиус составляет 6371 км. Однако в плоскости экватора он чуть больше — около 6378 км, а расстояние от центра Земли до полюса — меньше, почти 6357 км.
Поверхность Земли — 510 млн км2, из которых 71% занимает океан, а остальное — суша. Может быть, вообще нашу планету правильнее было бы называть Океаном, раз уж земли на Земле значительно меньше?
Объём земного шара обозначается таким числом кубических километров, которое оканчивается двенадцатью нулями. Каждый кубический метр материала, из которого состоит Земля, в среднем весит чуть больше 5,5 т. Так что, если бы некоему великану удалось поместить планету на исполинские весы, она «потянула» бы на шесть с двадцать одним нулём тонн!
Во внутреннем составе планеты преобладает железо — его почти 35%; затем идёт кислород (около 30%), потом — кремний (15%) и магний (12%). Но это в среднем.
За 4,6 млрд лет существования Земли сила тяжести увлекла вглубь более тяжёлые породы, а более лёгкие оставила ближе к поверхности. Такой «сортировке» помогал и жар земных недр — в самой середине Земли температура от 5000 до 6000° С. Поэтому тело планеты стало неоднородным и по физическим свойствам, и по химическому составу. В сердцевине находится ядро планеты; оно окружено мантией, а поверх всего — земная кора.
Планета Земля обладает собственным магнетизмом — ее окружает невидимое поле магнитных сил, которого мы не ощущаем, однако оно действует на материалы, содержащие железо или некоторые другие металлы. Обнаружить магнитное поле можно с помощью компаса. Стрелка компаса — это длинный тонкий магнит. Взаимодействуя с земным магнетизмом, она поворачивается и указывает на север и на юг.
1. Магнитные силовые линии, 2. Земля
Сильнее всего проявляется на Северном и Южном магнитных полюсах. Там магнитные силовые линии направлены вертикально.
Вероятно, магнитное поле Земли обусловлено силами, порождаемыми ее внешним ядром — железной оболочкой, которая располагается на глубине около 2900 км под поверхностью. Давление на такой глубине очень велико, и температура превышает 4000 °С. При такой температуре железо находится в жидком состоянии. Из-за вращения Земли потоки расплавленного железа закручиваются подобно штопору, их движение порождает электричество, а оно, в свою очередь, создает магнитное поле, окружающее земной шар и защищающее нас от облучения частицами с высокой энергией, которыми Солнце бомбардирует Землю. Однако некоторые частицы притягиваются магнитными полюсами, вызывая сполохи на ночном небе — полярное сияние.
Магнитное поле распространяется в космическое пространство и образует магнитосферу. Солнечные частицы высокой энергии, «солнечный ветер», бомбардируют магнитосферу и заставляют ее принимать каплеобразную форму.
Колоссальные потоки тепловой энергии внутри Земли и вращение планеты вокруг своей оси заставляют полужидкие каменные глыбы двигаться по спиралям. Эти спиральные течения возбуждают электрические токи, которые порождают магнитное поле.
ЗЕМНОЙ МАГНЕТИЗМ
(геомагнетизм) - раздел геофизики, изучающий магнитное поле Земли (МПЗ), его распределение на земной поверхности, пространств. структуру (магнитосферу Земли
, радиац. пояса), его взаимодействие с межпланетным магн. полем, вопросы его происхождения.
Магнитное поле Земли имеет постоянную составляющую - осн. поле (вклад его ~ 99%) и переменную (~ 1%). Осн. МПЗ по форме близко к полю диполя, центр к-рого смещён относительно центра Земли, а ось наклонена к оси вращения Земли на 11,5°, так что геомагн. полюса отстоят от географич. на 11,5°, причём в северном полушарии находится южный магн. полюс (вектор магн. индукции направлен вниз). Величина магн. момента диполя в наст. время составляет 8,3.10 22 А.м 2 . Ср. величина магн. индукции вблизи земной поверхности равна ~ 5.10 -5 Тл. Напряжённость геомагн. поля убывает от магн. полюсов к магн. экватору от 55,7 до 33,4 А/м (от 0,70 до 0,42 Э). Отклонения от поля диполя, имеющие на поверхности Земли характерный размер ~ 10 4 км и величину в макс. до 10 -5 Тл, образуют т. н. мировые магн. аномалии (напр., Бразильская, Сибирская, Канадская). Осн. МПЗ испытывает лишь медленные изменения во времени (т. н. в е к о в ы е вариации, ВВ) с периодом от 10 до 10 4 лет, причём имеется чётко выраженный их полосовой характер 10-20, 60-100, 600-1200 и 8000 лет. Главный период - ок. 8000 лет - характеризуется изменением дипольного момента в 1,5-2 раза. В ходе ВВ мировые аномалии движутся, распадаются и возникают вновь. В низких географич. широтах хорошо выражен западный дрейф МПЗ со скоростью ~ 0,2° в год. В результате ВВ геомагн. полюс прецессирует относительно географич. с периодом ~ 1200 лет.
Сведения о распределении МПЗ и о ВВ получены из прямых измерений величины и направления МПЗ, к-рые начаты с 19 в., навигац. измерений магн. склонения (угла между направлением стрелки компаса и географич. меридианом в точке измерения) в 15- 20 вв. и из археомагн. и палеомагн. данных. МПЗ измеряется с помощью магнитометров
наземными стационарными магн. обсерваториями, а также проводятся магн. съёмки - морские, на самолётах, ракетах и ИСЗ. В совр. 3. м. выделились два новых направления - археомагнетизм и палеомагнетизм, к-рые дали возможность изучить ВВ и обнаружить переплюсовку МПЗ.
Археомагнетизм - раздел 3. м., изучающий величину и направление МПЗ, существовавшего в момент обжига керамики, кирпичей, черепиц, пода очагов и др. предметов человеческой деятельности, изготовленных из материалов, содержащих высококоэрцитивные ферримагн. минералы на основе окислов железа. При остывании от темп-ры выше Кюри точки
минералы приобретают незначительную, но весьма стабильную термоостаточную . Вместе с данными о времени обжига (историч. сведения или радиоуглеродный метод) величина и направление этой намагниченности позволяют восстановить пространственно-временную структуру МПЗ за 8-10 тыс. лет.
Палеомагнитология
- раздел 3. м., изучающий величину и направление древнего МПЗ по намагниченности осадочных горных пород, содержащих ферримагн. минералы. Изучение палеомагн. методами показало, что МПЗ существовало, по крайней мере, 2,5 млрд. лет тому назад (возраст Земли ~4,6 млрд. лет) и имело величину, близкую к современной. Среднее за 10 4 -10 5 лет положение геомагн. полюсов совпадает с географическими. Характеристики геомагн. поля сохраняются неизменными в течение 10 5 -10 7 лет, потом МПЗ неожиданно уменьшается в 3-10 раз, и в этот относительно короткий (10 3 -10 4 лет) переходный период может измениться знак магн. поля (инверсия). Через нек-рое время величина МПЗ снова достигает
нормального уровня и опять сохраняется достаточно долго (10 5 -10 7 лет). При пониж. значении поля в переходный период может произойти одна, неск. (2-3) или ни одной инверсии. Моменты наступления переходных периодов распределены во времени случайно - вероятность их наступления описывается законом Пуассона. За последние ~ 30 млн. лет ср. время между инверсиями составляет ~ 150 000 лет; однако эта величина может меняться в значит. пределах: на протяжении последних 500 млн. лет она менялась на порядок с периодом ~ 200 млн. лет.
Палеомагн. измерения направления магн. поля на континентах позволили определить, на какой географич. широте располагался данный континент в момент образования изучаемой горной породы. Эти данные подтвердили гипотезу о дрейфе континентов.
Кроме мировых аномалий, в распределении геомагн. поля на поверхности наблюдаются местные аномалии, связанные с намагниченностью горных пород, слагающих земную кору. Почти все горные породы содержат нек-рое количество ферримагн. минералов на основе окислов железа, к-рые намагничиваются в МПЗ и создают аномалии. Размеры этих аномалий лежат в пределах от единиц до сотен км, их величина в среднем для всей поверхности Земли составляет 2.10 - 7 Тл, но в отд. исключит. случаях достигает 10 - 5 Тл (Курская магн. аномалия). Изучение аномалий магн. поля имеет важное значение для поисков полезных ископаемых и изучения глубинного строения земной коры до глубины 20-50 км (темп-ра более глубоких слоев превышает точку Кюри всех ферримагн. минералов).
Пространственная структура геомагнитного поля. МПЗ имеет пространств. распределение вокруг Земли, формируя совместно с солнечным ветром
магнитосферу - многосвязную систему электрич. и магн. полей и потоков заряж. частиц. Магнитосфера не симметрична относительно дневной и ночной стороны: магн. поле с дневной стороны сжато солнечным ветром до расстояния ~ 10R
з (R
з - радиус Земли) и имеет вытянутый "хвост" с ночной стороны на многие млн. км. Линии магн. поля в магнитосфере делятся на замкнутые (}
