С Землей связано магнитное поле (рис. 16.1), сходное с полем, создаваемым плоским магнитом, ось которого проходила бы через центр Земли, но была бы наклонена примерно на 20° к оси вращения. Наличие магнитного поля у Земли не есть что-то необычное для Вселенной - и звезды, и планеты, и галактики имеют магнитные поля. Причем они могут быть и сильнее, и слабее земного. У. Гильберт первый обнаружил магнитное поле примерно в 1600 году, хотя земной магнетизм использовался намного раньше в примитивных компасах.
Магнитное поле Земли имеет сложную структуру, на его форму серьезное влияние оказывает солнечный ветер - поток заряженных частиц, выбрасываемых Солнцем (рис. 16.2). Поток частиц, составляющих солнечный ветер, уже на расстоянии около 10 земных радиусов от поверхности Земли попадает в достаточно сильное магнитное поле. Частицы обтекают условную поверхность, называемую границей магнитосферы. Магнитное поле планеты под действием солнечного ветра становится несимметричным, вытягиваясь в сторону, противоположную Солнцу. К Солнцу оно простирается на 70-80 тысяч километров, от него - на многие миллионы километров.
Рис. 16.1
Схематическое изображение силовых линий магнитного поля Земли
147
Рис. 16.2
Схематическое изображение магнитных оболочек Земли
Оболочки сформированы за счет взаимодействия набегающих потоков (1) элементарных частиц (солнечного ветра) с магнитосферой Земли. Образуется ударная волна (2). Возникает сложная структура магнитного поля (3 - магнитная полость, 4 - магнитопауза, 5 - полярная магнитосферная щель). Формируются радиационные пояса (7, 8), за Землей тянется "хвост" ионизированного газа (6, 9, 10).
Магнитное поле Земли весьма слабое. У поверхности Земли магнитное поле составляет около 0,5 эрстед, на границе магнитосферы - в тысячи раз меньше. Это много меньше, чем магнитное поле, создаваемое бытовой магнитной защелкой. Наблюдая за стрелкой компаса, легко обнаружить, что проходящий в сотнях метров трамвай или электропоезд приводит к ее резким колебаниям, то есть большой электрический ток создает магнитное поле, превышающее земное.
Между границей магнитосферы и регулярным магнитным полем Земли находится область, называемая магнитопаузой. В ней магнитное поле слабое, нерегулярно изменчивое и случайно направленное.
Магнетизм Земли - результат скорее динамических процессов, чем некоторых стационарных состояний (которые имели бы место, если бы ядро Земли состояло из намагниченного твердого материала, например, железа). Железо перестает быть магнитным материалом при температурах более чем 540°С. Температура в центре Земли может быть выше 6500°С.
Теория динамо предполагает, что конвективные потоки в пределах жидкого внешнего ядра ведут себя подобно проводам в динамо-машине, создавая огромное магнитное поле. Твердое внутреннее ядро вращается медленнее внешнего ядра, что ведет к вековым смещениям магнитного поля.
Магнитные полюса Земли не совпадают с географическими. Положения магнитных полюсов не постоянны и заметно изменяются из года в год (рис. 16.3). Это периодические
148
(секулярные, вековые) смещения полюсов с периодом около 960 лет. Существуют ежегодные, и даже суточные, изменения положения полюсов. Однако они могут быть зафиксированы с помощью очень чувствительных приборов. Периодические (секулярные) изменения направления магнитного поля показывают, что магнитное поле имеет тенденцию дрейфовать на запад на расстояние от 19 до 24 км в год.
Изучение древних вулканических камней, лавы, показывает, что при охлаждении они "заморозили" направление магнитного поля, существовавшего в то время. Измерения намагниченности таких минералов показывают, что через определенное геологическое время
Рис. 16.3
"Блуждание" Северного полюса в период 1941 -1947 гг.Эту сложную кривую можно разложить на две круговые составляющие с периодами 12 и 14 месяцев.
Рис.16.4
Пример движения геомагнитного полюсаСкорость движения 10-15 см за тысячу лет (
Channell J.Е.Т.,
Lehman В. Nature. 1997. V. 389).
149
ориентация магнитного поля существенно изменилась, тогда как ось вращения Земли переместилась значительно меньше (рис. 16.4).
Северный магнитный полюс 500 миллионов лет назад, например, был южнее Гавайев. Изучение остаточного магнетизма в вулканических породах, магнитных аномалий на дне океанов показало, что магнитное поле Земли полностью меняло полярность, по крайней мере, 170 раз за последние 100 миллионов лет. Измерения палеомагнетизма пород из разных точек поверхности Земли позволили обосновать гипотезу дрейфа континентов (лекция 17).
На магнитное поле Земли в данной точке значительное влияние оказывает и состав горных пород. Залегающие породы могут значительно изменить как его величину, так и направление. Так, в газете "Новое время" от 22 апреля 1898 года появилось сообщение: "Помощник председателя Императорского Русского географического общества А.А. Тилло получил извещение от профессора Э.Е. Лейста, производившего исследования по земному магнетизму в Курской губернии, что в деревне Кочетовка им открыто место, в котором наклонение магнитной стрелки равняется 900. Следовательно, в Кочетовке обнаружен северный магнитный полюс".
Атмосферное электричество (исключая связанное с зарядами внутри облаков и вызывающее электрический разряд - молнию) определяется ионизацией атмосферы солнечной радиацией и движением ионов, несомых атмосферными потоками. Атмосферные потоки определяются гравитационным притяжением Солнца и Луны и, подобно океанским течениям, находятся в постоянном установившемся движении. Ионизация воздуха (и, следовательно, электрическая проводимость) атмосферы около поверхности Земли мала, но быстро растет с увеличением высоты. На высотах от 40 до 400 км имеется очень хорошо проводящий слой, отражающий электромагнитные волны в радиодиапазоне (ионосфера). Ионизация атмосферы зависит от высоты, широты местности, времени суток.
Поверхностные токи образуют всемирную систему из восьми петель, достаточно симметрично расположенных
150
с обеих сторон экватора, а также ряд меньших петель около полюсов. Эта система токов связана с ежедневными изменениями в атмосферном электричестве. Однако происхождение системы является более сложным, и определяется, видимо, эффектом динамо в ядре Земли.
Поверхность Земли имеет отрицательный электрический заряд. Проводимость воздуха около поверхности мала, однако воздух не является совершенным изолятором, и заряд должен был бы постепенно исчезать. Этого не происходит из-за взаимодействия с атмосферой.
- Почему Э.Е. Лейст сделал вывод об обнаружении северного магнитного полюса в деревне Кочетовка Курской губернии?
- Каковы причины существования магнитного поля Земли?
- Каким образом показано, что магнитные полюса Земли перемещаются по поверхности?
151
