Строение и тепловое поле Земли

В районах с высокими тепловыми потоками, например в вулканических областях, делались попытки прямых измерений теплового потока с помощью тепломеров. К сожалению, их низкая чувствительность не позволяет использовать тепломеры в областях со средними и низкими тепловыми потоками.

Поведение физических полей Земли (гравитационного, магнитного, теплового и др.) определяется физическими свойствами горных пород (плотностью, намагниченностью, теплопроводностью, упругостью и пр.), которые зависят от их минералогического состава, от давления и температуры. Роль двух последних факторов неодинакова. Давление на одних и тех же глубинах практически остается постоянным, а температура значительно изменяется в зависимости от величины теплогенерации и теплового потока. В некоторых районах колебания температур могут оказывать определяющее влияние на поведение физических параметров и, следовательно, на характер физических полей. Особенно чувствительны к изменению температур электропроводность и намагниченность.

Таким образом, между распределением тепловых потоков и другими геофизическими полями должны существовать достаточно тесные связи. Они основываются, с одной стороны, на чувствительности этих полей к колебаниям физических параметров горных пород, которые определяются их литолого-петрографическими особенностями, минералогическим составом и характером залегания, а с другой - на зависимости этих параметров от температуры, изменяющейся в соответствии с величиной теплового потока.

Тепловое поле и возраст Земли

Источники тепла. Тепловой поток, поднимающийся из недр Земли, является важным физическим полем, которое позволяет судить не только о строении, но, как мы увидим позже, и о возрасте Земли. Тепловой поток мы можем наблюдать только на поверхности планеты. Он зависит от температурного градиента в измеряемой точке и определяется формулой

где -- теплопроводность горных пород, grad  -- геотермический градиент. Понятно, что для положительного теплового потока температура горных пород должна убывать отсюда знак минус в формуле.

Как уже говорили, температурный градиент можно измерить близко к поверхности, хотя очень важно знать и глубинные распределения температуры. От этого зависят наши представления об источниках тепловой энергии планеты. Приведем данные об энергетике Земли, которую можно оценить следующим способом. Полная тепловая энергия, выделенная с площади S за время t, очевидно равна

Таблица. Энерговыделение на Земле
Источник энергии	, (эрг/год)
Солнечная энергия
Геотермическая энергия
Упругая энергия землетрясений
Энергия, теряемая при замедлении вращения Земли
Тепло, выносимое при извержении вулканов

Хотя самое большое количество энергии Земля получает от Солнца, но лишь очень малая его часть проникает вглубь планеты. Остальная часть излучается обратно в пространство. Тепловое излучение планет - один из источников информации о состоянии поверхности планет и ее атмосферы. Методы ИК-астрономии (инфракрасной астрономии) дали очень много сведений, например, о Венере, особенно в доспутниковый период исследований. На глубинах 40-50 м под поверхностью Земли температура остается практически постоянной, как в метро, где "летом прохладно, зимой тепло". Именно на этих глубинах измеряют тепловой поток от внутренних источников.

Специалисты полагают, что геотермальная энергия  эрг/год слишком велика, чтобы считать ее естественным оттоком тепла от первоначально разогретой Земли. В 1899 году лорд Кельвин посчитал, за какой отрезок времени земная кора могла бы остыть до современного состояния, если изначально она была расплавленной. Оказалось, что этот уровень будет достигнут за 25 миллионов лет. Геологи с этим числом решительно не согласились, так как по их оценкам для накопления необходимого количества осадочных пород, слагающих кору, понадобятся, по крайней мере, сотни миллионов лет. Тем не менее, следует считать, что оценка Кельвина - это первая попытка определить возраст планеты.

Время остывания планеты зависит как от теплопроводности пород, так и толщин слоев, из которых сложена планета. Вещество земных недр обладает малой теплопроводностью, а расстояния - огромны. Для количественной оценки времени выравнивая тепла на расстоянии можно применить формулу

,

где - теплоемкость при постоянном давлении. Если принять, что расстояние равно радиусу Земли, то окажется, что Земля остынет за лет, что много больше, чем возраст Земли. Отсюда следует вывод, что в глубинных недрах нашей планеты только за счет теплопроводности температура пока остается постоянной.

Современные методы определения возраста горных пород основаны на анализе радиоактивного распада некоторых изотопов, содержащихся в породах. Первую оценку возраста Земли сделал английский физик Э.Резерфорд в 1905 году. Он получил число 500 миллионов лет, что намного превышает оценку Кельвина, хотя и много меньше современного представления о возрасте Земли. В том же 1905 году Релей установил неравномерное распределение радиоактивных источников в земных недрах. Он отметил, что если считать, что концентрация радиоактивных изотопов в земных недрах та же, что и в магматических горных породах, то тепловой поток будет много больше наблюдаемого. Он также установил, что основные породы (базальт, габбро) очень бедны радионуклидами. Отсюда сделал вывод о том, что радиоактивные элементы находятся только в земной коре.

Концентрацию тяжелых элементов в верхних слоях Земли объясняют тем, что они формировались позже остальных и имели большие объемы. Вследствие этого они были вытеснены из плотно упакованных кристаллических решеток силикатов и вместе с легкой фракцией всплыли наверх.

Определение возраста горных пород основано на естественном распаде изотопов урана, рубидия и калия. Природный уран состоит на 99,27% из радиоактивного изотопа U, рубидий содержит 27,85% -радиоактивный Rb с периодом полураспада 5 миллиардов лет, а радиоактивный калий K, который содержится в природном элементе всего 0,012%, имеет период полураспада 1,3 миллиарда лет.

Возраст определяют с помощью подсчета процентного содержания материнских радиоактивных элементов и конечного продукта их распада: для урана это свинец, рубидий дает стронций, а калий - аргон. Скорость распада ядер радиоактивных элементов пропорциональна их числу. Отсюда экспоненциальное убывание количества радиоактивных ядер. Если число распадающихся ядер, а их начальное количество, то



Определяют лишь число радиоактивных ядер в данный момент и число ядер дочернего изотопа

: .

Отсюда определяют

: .

Много сведений о прошлом Земли дают метеориты. Содержащиеся в каменных метеоритах уран и торий при распаде образуют изотопы радиогенного свинца. По отношения радиогенного свинца( то есть образованного в результате распада) к первичному определили возраст метеоритов, а следовательно и Земли, равный 4,6 млрд. лет.

Температура в недрах Земли

Тепловой поток зависит от градиента температуры. Если он положительный, то есть недра Земли излучают тепло, то температура должна повышаться с глубиной. Конечно, если исключить влияние локальной температуры поверхности, связанной, например, с солнечным теплом. Рост температуры с глубиной особенно ясно ощущается при бурении. Среднее значение геотермического градиента равно 20 С/км. Конечно, геотермический градиент зависит от местных условий.

Температуру внутри Земли можно оценить из следующих соображений. Если предположить, что температурный градиент (не температура!) не возрастает с глубиной, то на глубине 100 км температура не должна превосходить 2000 С. Более точно для этих глубин определяют температуру по очагам вулканов, которая составляет приблизительно 1200 С. Как известно по лабораторным исследованиям и данным сейсмологии, на глубинах 400 км происходят фазовые переходы минералов - , а температура этих переходов 160050 С.

Поскольку мантия Земли по отношению к сейсмическим волнам ведет себя как твердое тело, то за верхний предел температуры обычно берут границу температур плавления. Температура плавления силикатов, составляющим мантию, на границе ядро-мантия, составляет приблизительно 5000К при давлении 1,4 млн. бар.

Земное ядро находится в расплавленном состоянии. Оно, в основном, состоит из железа, температура плавления которого при давлении 1,4 млн. бар составляет 4600 К. Температуру в центре ядра Земли оценивают в 6000 К.

Тепловой поток определяют как на суше, так и на море. Измерения показали, что величина теплового потока зависит от геологии региона. В наиболее древних регионах, например, на докембрийских щитах тепловой поток составляет 0.92 мккал/смс, а в вулканических областях, исключая геотермальные районы, 2,16 мккал/смс. На океанах наибольший тепловой поток наблюдается на подводных хребтах, а наименьший -- в глубоководных желобах.

Одной из загадок природы геофизики считают приблизительное равенство тепловых потоков на океанах и континентах, хотя толщины земной коры отличаются значительно. Среднее значение теплового потока на континентах (по В.И. Трухину) составляет 1,55, а на океанах 1,50 мккал в секунду с квадратного сантиметра. Существует несколько гипотез, объясняющих это явление. Объясняют либо степенью дифференциации радиоактивных элементов либо конвекцией в верхней мантии. Хотя до конца этот вопрос остается не изученным.

Магнитное поле Земли

К числу интереснейших тем в исследовании истории Земли относится проблема ее магнитного поля. О существовании земного магнетизма человечеству стало известно примерно с 800 г. до нашей эры. Геомагнитное поле дипольное, но магнитные полюсы Земли не совпадают с полюсами вращения, т.е. истинными северным и южным полюсами .Земли. Угол между магнитной осью и осью вращения составляет около 11,5 Фундаментальной особенностью магнитного поля Земли являются так называемые инверсии; их можно обнаружить при исследовании периодов истории Земли с временным масштабом в несколько десятков миллионов лет.

Наблюдаемое сегодня магнитное поле Земли создается гигантским стержневым магнитом, ориентированным вдоль линии север-юг и помещенным в центре Земли. Точнее, этот стержневой магнит должен быть установлен так, чтобы его северный магнитный полюс был направлен на южный географический полюс Земли, а южный магнитный полюс - на северный географический. Оказалось, что это не является неизменным свойством магнитного поля Земли. Как удалось установить, полярность геомагнитного поля с течением времени неоднократно менялась.

Известна роль магнитного поля Земли в жизни человека и в процессах биосферы, поэтому вызывают интерес особенности изменения состояния геомагнитного поля. В последнее время геофизики отмечают факт движения северного магнитного полюса, находящегося в южном полушарии. Установлено, что за последние 100 лет северный магнитный полюс переместился почти на 900 км и находится в Индийском океане. Пробег арктического (южного) магнитного полюса составил 270 км за последние 20 лет. Наблюдается тенденция ускорения движения полюсов. Все это свидетельствует о том, что возможна переполюсовка (инверсия) магнитного поля Земли, причем это может произойти гораздо быстрее, чем это прогнозируется многими исследователями.

Современные представления о слоистой модели Земли сводятся к следующему. Земля - сфероид, состоящий из твердой массивной оболочки толщиной примерно 2900 км. Оболочка покрыта гидросферой, реагирующей как на приливные воздействия Солнца и Луны, так и на перераспределение масс в теле Земли. Под оболочкой - вязкая жидкость (внешнее ядро), в центре которой находится твердый сфероид (внутреннее ядро) радиусом около 1200 км, плотностью 12,4 г/см3. Вся эта совокупность вращается с частотой суточного вращения Земли.

В настоящее время существует гипотеза магнитного динамо, согласно которой магнитное поле Земли можно объяснить циркуляцией электрического тока в ядре. Предполагается, что постоянное магнитное поле Земли возникает под действием сложной системы электрических токов, сопровождающих турбулентную конвекцию в жидком внешнем ядре. Земля работает как динамо-машина, в которой механическая энергия этой конвекционной системы генерирует электрические токи и связанный с ними магнетизм.

Магнитное поле принято характеризовать вектором магнитной индукции. Единицей измерения магнитной индукции является тесла (Тл). 1 Тл - это очень большая величина. Магнитное поле такой величины существует на поверхности Солнца. Земное магнитное поле измеряется в нанотеслах, 1 нТл = 10-9 Тл. Напряженность магнитного поля на экваторе планет Солнечной системы в нанотеслах характеризуется следующими величинами: Меркурий - 350, Венера - 10-15, Земля - 31000, Луна < 1, Марс - 64, Юпитер - 420000, Сатурн - 20000, для Урана, Нептуна, Плутона нет точных сведений.

Палеомагнитное изучение пород, возраст которых установлен калий-аргоновым методом, позволило составить хронологическую шкалу эпох полярности магнитного поля Земли. Поскольку при своем формировании породы намагничиваются в направлении существовавшего тогда земного магнитного поля, то, изучая намагниченность пород, можно получить информацию о магнитном поле Земли соответствующей эпохи, о нахождении магнитных полюсов и линии дрейфа магнитных полюсов. Выяснилось, что с течением геологического времени происходило попеременное усиление и ослабление магнитного поля Земли, которое влияло на поглощение Землей приходящих космических лучей. Возможно, сильная бомбардировка космическими лучами в периоды низкой напряженности магнитного поля могла воздействовать на развитие жизни на Земле.

В океанической коре и осадочных породах можно проследить непрерывную хронику земного магнетизма. На огромных площадях океанического дна обнаружены магнитные аномалии, которые образуют систему параллельных полос чередующегося знака, ориентированных субмеридионально. Аномалии представляют собой как бы захороненную историю инверсий магнитного поля Земли. Полосы интенсивных положительных и отрицательных аномалий протягиваются вдоль срединно-океанических хребтов. Они образовались в результате подъема новой лавы и ее остывания в магнитном поле - нормальном или обращенном, смотря по тому, какое преобладало в то время.

С 1838 г. напряженность магнитного поля Земли убывает приблизительно на 4% за столетие. Можно лишь предполагать, что и этот процесс свидетельствует о возможной смене полярности, инверсии. Впервые гипотеза об инверсии геомагнитного поля была высказана Б.Брюнессом в 1906 г. За последние 4 млн лет выделяют 4 эпохи с чередующими направлениями поля: Брюнесса (современная), Матуямы, Гаусса, Гильберта. Кроме того, в течение одной эпохи могут происходить так называемые ивенты и экскурсы. Ивент - это кратковременное полное обращение магнитного поля продолжительностью около 100 тыс. лет. Экскурс - кратковременное отклонение и не более чемгеомагнитного полюса от исходного положения не менее чем на 60 с периодом не менее 10 тыс. лет, после чего магнитный полюс возвращаетсяна 120 в исходное положение. Последняя инверсия магнитного поля Земли произошла 700 тыс. лет назад.

Хотелось бы отметить еще одну особенность магнитного поля Земли. Интегральной характеристикой поля является магнитный момент М, который в настоящее время составляет 8,17·1022 Ам2. Однако его величина не остается постоянной. Это подтверждается археомагнитными данными. Остаточная намагниченность искусственных изделий (печных кирпичей, изделий из обожженной глины) является предметом исследования археомагнетизма. Оказалось, что примерно 6 тыс. лет назад он составлял 0,4 современного М, 2,5 тыс. лет назад - 2,5 современного значения. В настоящее время магнитный момент Земли уменьшается, и через 2000 лет он может оказаться равным нулю, а в таком случае исчезнет магнитное поле Земли и все живое вновь окажется один на один с потоком космических лучей и солнечной плазмы

Земной магнетизм, магнитное поле Земли и околоземного космического пространства

Земля обладает магнитным полем дипольного типа, как будто бы в ее центре расположен гигантский полосовой магнит. Конфигурация этого поля медленно изменяется, вероятно в результате движения расплавленного материала во внешнем ядре Земли на глубинах более 2900 км. Главное магнитное поле обусловлено источниками, расположенными в глубинах Земли. На медленные вариации главного магнитного поля накладываются быстрые, но слабые изменения, вызванные электрическими токами в ионосфере. Электрические свойства ионосферы связаны с присутствием в ней заряженных частиц, возникающих при ионизации атмосферы солнечным излучением. Ветры, дующие в ионосфере в присутствии постоянного магнитного поля Земли, приводят к возникновению электрических токов, которые, в свою очередь, создают дополнительное изменяющееся магнитное поле.

Кроме этих регулярных магнитных вариаций, наблюдаются также возмущения, обусловленные происходящими время от времени солнечными вспышками - источниками ультрафиолетовых и рентгеновских лучей и возмущенного потока заряженных частиц солнечного ветра. Эта радиация увеличивает ионизацию и вызывает дополнительные электрические токи в ионосфере. Временами солнечный ветер настолько эффективно взаимодействует с геомагнитным полем, что формирует кольцевой электрический ток на расстоянии в несколько радиусов земного шара; это приводит к уменьшению главного магнитного поля; такие магнитные возмущения ощущаются во всем мире, но наиболее сильно проявляются в полярных районах. В периоды сильных магнитных возмущений происходят особенно интенсивные полярные сияния, а также часто нарушается дальняя радиосвязь.

Исследования магнитного поля Земли используются для изучения физического состояния глубоких недр и процессов, происходящих в высоких слоях атмосферы. Наблюдения магнитных вариаций проводятся на земной поверхности, в океанах, а также с воздуха и из космоса с помощью самолетов и спутников. Магнитное поле играет также важную роль в областях, отстоящих от поверхности Земли на тысячи и более километров; в их пределах интенсивный поток частиц, захваченных магнитным полем, создает серьезные проблемы для аэрокосмических исследований. Солнечные и галактические космические лучи, несмотря на их высокую энергию, отклоняются магнитным полем Земли до того, как попадут в пределы атмосферы.

Если полосовой магнит свободно подвесить на нити, прикрепленной к его центру, ось магнита в первом приближении сориентируется в направлении север - юг. Точно не известно, когда было впервые обнаружено такое свойство магнита. Возможно, китайцы были знакомы с ним уже в 1100, однако практическое использование этого явления началось лишь 200 лет спустя. В Западной Европе магнитный компас применяется в навигации с 1187.

Основы науки о геомагнетизме были заложены в период между 13 и 16 столетиями. К середине 15 в. стало известно, что подвешенный магнит не всегда указывает точно на север. Первые сведения о наклонении направления земного магнитного поля относительно горизонтальной плоскости появились в середине 16 в. В 1600 У.Гильберт, придворный врач Елизаветы I, опубликовал знаменитый трактат О магните, магнитных телах и о большом магните - Земле. Новая физиология, доказанная множеством аргументов и опытов (De magnete, magneticisque corporibus et de magno magnete tellure. Physiologia nova; рус. перевод 1956), в котором описал свойства магнита и земного магнетизма. Он отметил, что Земля, по-видимому, является огромным сферическим магнитом.

Вариации магнитного поля во времени были зафиксированы в 1635 Г.Геллибрандтом, профессором астрономии Грешам-Колледжа (Лондон). В 1701 астроном Э.Галлей опубликовал первую карту геомагнитного поля. В середине 18 в. была установлена связь между полярным сиянием и магнитными вариациями. В 19 в. К.Гаусс, внесший большой вклад в развитие знаний о геомагнетизме, усовершенствовал приборы для измерения магнитных вариаций и установил их в магнитной обсерватории в Гёттингене, построенной в 1833 из немагнитных материалов. В 1834 Гаусс и В.Вебер приняли участие в программе Ф.Гумбольдта наблюдений за магнитными явлениями, которую одновременно проводили ок. 50 обсерваторий, входивших в Гёттингенский магнитный союз. Гаусс обобщил магнитные данные и математически доказал гипотезу Гильберта о том, что источник главного (основного) магнитного поля находится внутри Земли.

Описание геомагнитного поля

В любой точке Земли магнитное поле исчерпывающим образом характеризуется его интенсивностью и направлением, угол которого с горизонтальной плоскостью называется магнитным наклонением (I). Если спроектировать поле на горизонтальную плоскость, направление в первом приближении будет ориентировано с севера на юг, но в общем случае будет образовывать некоторый угол с истинным направлением географического меридиана; это отклонение носит название магнитного склонения (D). Амплитуда, или напряженность, магнитного поля называется полной магнитной интенсивностью (F). Магнитное поле может быть представлено двумя взаимно перпендикулярными компонентами: горизонтальной (H) и вертикальной (Z). Если векторы, показывающие интенсивность и направление горизонтальной компоненты в различных точках Земли, нанести на карту, то видно, что они расходятся от точки вблизи Южного полюса и сходятся в точке вблизи Северного полюса. Эти точки называются соответственно Южным и Северным магнитными полюсами. На полюсах магнитное поле направлено вертикально. Линию, на которой магнитное поле направлено горизонтально, называют магнитным экватором.

Измерения геомагнитного поля показывают, что на поверхности Земли в целом оно может быть представлено как поле полосового магнита, помещенного в центре планеты. Его еще называют полем магнитного диполя; вне сферы оно имеет такую конфигурацию, как если бы сфера была однородно намагничена. Эта модель дает наилучшее (но далеко не идеальное) совпадение с действительным полем. Две точки, в которых ось диполя пересекает земную поверхность, называют геомагнитными полюсами. Полная магнитная напряженность на геомагнитных полюсах равняется примерно 0,6 гаусс, на магнитном экваторе напряженность примерно вдвое меньше.

Магнитные карты

Распределение геомагнитного поля у земной поверхности может быть представлено в виде изомагнитных линий, т.е. линий, вдоль которых значение конкретной компоненты остается постоянным. Карты склонения называются картами изогон (рис. 2). Магнитные карты основаны на многочисленных магнитных съемках, выполняемых на суше, на море и с воздуха. В США магнитные карты готовятся Береговой и геодезической службой и Военно-гидрографическим управлением.

Рис. 2. МИРОВАЯ КАРТА ИЗОГОН

В дополнение к магнитным съемкам высокоточные наблюдения за магнитным полем Земли ведутся во всех частях мира в магнитных обсерваториях. Со спутников осуществляются магнитные съемки на больших высотах, где не существует влияния региональных магнитных аномалий, таких, как намагниченные тела в земной коре, например железные руды.

Магнитные измерения

В магнитных обсерваториях через регулярные интервалы времени определяют абсолютные значения магнитных элементов (а не их вариаций) с возможно большей точностью.

Магнитное склонение D определяется путем измерения азимута (горизонтального направления) стрелочного магнита, свободно подвешенного на некрученой нити таким образом, что магнит располагается горизонтально. Азимут отсчитывается от направления на географический север, который устанавливается с помощью астрономических или геодезических наблюдений. Стандартными приборами магнитное склонение определяется с точностью 0,1".

Первоначально магнитное наклонение I определялось путем измерения наклона магнитной стрелки, центр которой закреплен на горизонтальной оси; эта ось ориентируется перпендикулярно магнитному меридиану таким образом, что стрелка может поворачиваться в плоскости меридиана. Однако точность этих измерений была невысокой, поэтому стали пользоваться индукционным наклономером, состоящим из круглой многовитковой катушки, которая вращается с большой скоростью вокруг оси, проходящей вдоль диаметра катушки. Ось прикрепляется к рамке таким образом, что ее ориентация может быть измерена. Этот метод основан на возникновении в катушке индуцированного электрического тока при изменении проходящего через нее магнитного потока. Если направление оси катушки не совпадает с направлением магнитного поля, то внутри катушки индуцируется переменный ток. Направление магнитного поля определяется в момент, когда гальванометр не показывает индуцированного тока во вращающейся катушке. С помощью индукционного наклонометра магнитное наклонение может быть установлено с точностью до 0,1".

Интенсивность горизонтальной составляющей измеряется методом, который разработал Гаусс. Измерения выполняются в два этапа. Вначале измеряется период крутильных колебаний свободно вращающегося в горизонтальной плоскости магнита; этот период зависит от напряженности геомагнитного поля H, а также от магнитного момента M и момента инерции магнита. Затем к магниту прикрепляют немагнитную полоску с известным моментом инерции, после чего эксперимент повторяют. Благодаря добавлению момента инерции период колебаний изменяется, что позволяет вычислить произведение MH. На втором этапе измеряют отклонение магнитной стрелки под влиянием земного магнитного поля и под действием поля магнита, использованного в первом эксперименте, получая отношения M/H. Комбинируя обе величины, MH и M/H, можно установить H.

Сходным образом измеряют вертикальную компоненту Z. Если определено H и Z, магнитное наклонение может быть найдено из соотношения tg I = Z /H.

Протонный магнитометр. Его действие основано на ядерной прецессии (изменении ориентации оси вращения) вокруг направления магнитного поля. Ядра водорода (протоны), находящиеся в воде, под влиянием искусственного магнитного поля, ориентированного примерно под прямым углом к земному магнитному полю, поляризуются. Затем поляризующее магнитное поле внезапно выключается. Протоны начинают свободно прецессировать вокруг направления земного магнитного поля F до тех пор, пока ядерные спины не достигнут нового равновесного состояния. Прецессия протонов индуцирует небольшую электродвижущую силу в катушке. Частота f этого сигнала такая же, как частота прецессии протонов и связана с величиной магнитного поля F соотношением 2pf = gF, где g - гиромагнитное отношение протона, известное с высокой точностью. Измерение частоты сигнала в катушке позволяет определить общую магнитную интенсивность. Сконструированы также протонные магнитометры для измерения H и Z. При измерении каждого из этих компонентов используется пара колец Гельмгольца (катушки для создания чрезвычайно однородного магнитного поля) с тем, чтобы привести к нулевому значению компонент, который в данный момент не подлежит измерению.

Вековые магнитные вариации

Годовые средние значения магнитных элементов, измеренные в обсерваториях, и результаты магнитных съемок, выполненные с интервалом в несколько лет, показывают, что земное магнитное поле подвергается вековым (медленно меняющимся) вариациям. Эти вариации наносят на карты в виде линий равных значений годовых изменений (карты изовариаций, или изопор) определенных эпох. Изопоры образуют овалы вокруг регионов, где происходят быстрые годовые изменения. В течение одной или двух декад изопоры могут существенно изменяться. Их центры имеют тенденцию к дрейфу в западном направлении.

Наблюдается также медленное вращение направления поля вокруг некоторого фиксированного направления. Например, наблюдения в Лондонской обсерватории показывают, что магнитное поле совершило почти три четверти оборота за последние 400 лет.

Палеомагнетизм. Изучение магнетизма, «сохраненного» в минералах и горных породах, обеспечивает информацию об истории земного магнитного поля в геологическом прошлом. Если горячее вещество охлаждается в магнитном поле от температуры выше точки Кюри (температура, выше которой намагниченное вещество теряет свою намагниченность) до более низких температур, его остаточная намагниченность будет сохранять направление внешнего магнитного поля, существовавшего при охлаждении. Поэтому сформировавшиеся из расплава минералы «запоминают» направление геомагнитного поля. Кроме того, при осадконакоплении намагниченные частицы в водных бассейнах ориентируются под воздействием земного магнитного поля. Эти феномены лежат в основе палеомагнетизма, но их интерпретация исключительно сложна, поскольку магнетизм пород не всегда стабилен.

Палеомагнитные данные легли в основу теории дрейфа материков. В результате исследований разновозрастных горных пород было установлено, что их намагниченность отклоняется от направления современного магнитного поля. Таким образом, создается впечатление, что магнитные полюса в геологическом прошлом перемещались относительно поверхности Земли. Это интерпретируется как свидетельство того, что взаимное расположение материков в разные геологические эпохи менялось.

Природа магнитного поля Земли и его вековых вариаций

Главное дипольное магнитное поле Земли можно было бы объяснить, если бы она была однородно намагничена. Однако намагниченность пород поверхностных слоев противоречит этому. Лабораторные эксперименты показывают, что точка Кюри понижается с увеличением давления. Поскольку давление и температура увеличиваются с глубиной, представляется весьма маловероятным, что ниже определенной глубины ферромагнитные вещества могут сохранять свою намагниченность. Хотя лабораторные эксперименты не полностью моделируют температуру и давление в глубоких слоях Земли, принято считать, что главное магнитное поле Земли не может быть обусловлено постоянной намагниченностью земного вещества.

Сейсмические и другие геофизические данные показывают, что Земля обладает ядром (сходным по плотности с железом или железо-никелевым сплавом), которое находится на глубине ок. 2900 км и обнаруживает некоторые свойства жидкости. У.Эльзассер, Э.Буллард и другие ученые предположили, что в ядре происходят конвективные движения. Перемещение проводящего вещества в магнитном поле индуцирует электродвижущую силу, которая вызывает электрические токи, порождающие дополнительное магнитное поле подобно действию самовозбуждающейся динамо-машины.

Магнитное поле вблизи центров векового хода может быть хорошо представлено изолированными диполями, расположенными вблизи поверхности «жидкого» ядра Земли. Относительно короткое время, за которое происходят вековые вариации, подтверждает, что их причина связана с движениями в ядре. Электрические токи, индуцируемые этими перемещениями вблизи поверхности ядра, вероятно, приводят к возникновению вековых вариаций.

Вариометры

В дополнение к абсолютным измерениям геомагнитного поля магнитные обсерватории ведут непрерывную запись компонентов H, D и Z, поскольку происходят регулярные и нерегулярные вариации магнитного поля. Амплитуда этих вариаций гораздо меньше, чем напряженность постоянного магнитного поля. Приборы для измерения вариаций называются вариометрами. Их действие основано на том, что изменения каждого магнитного элемента вызывают соответствующее отклонение магнитной стрелки, к которой прикрепляется зеркальце, а на него направляется свет от маленькой лампы. Отраженный луч падает на поверхность покрытого фотобумагой цилиндра, который вращается с постоянной скоростью вокруг своей оси. В вариометрах, одновременно измеряющих три компонента поля, фиксируются сразу три кривых на одной магнитограмме (рис. 3). Для регистрации вариаций различной амплитуды и частоты используют разные типы вариометров.

Рис. 3. МАГНИТОГРАММЫ ЯВЛЕНИЙ в земной атмосфере, полученные в Тусоне (Аризона, США).

Верхняя магнитограмма показывает запись в магнитоспокойный день, нижняя - во время магнитной бури.

Квантовый магнитометр. Для наблюдений за быстропротекающими вариациями разработан магнитометр на парах рубидия. Этот прибор использует оптическую накачку. Свет от рубидиевой лампы проходит через камеру, содержащую пары рубидия, и падает на фотоэлемент, регистрирующий интенсивность света. Магнитометр ориентируют так, чтобы луч света располагался почти параллельно магнитному полю. Если приложить переменное магнитное поле, создаваемое катушкой и имеющее частоту, соответствующую одному из зеемановских переходов в атомах рубидия, то увеличится поглощение за счет магнитного резонанса. Частота, соответствующая зеемановскому переходу, представляет собой известную функцию напряженности магнитного поля. Резонансная частота определяется частотой прилагаемого магнитного поля, что позволяет установить интенсивность магнитного поля.

Магнитометр на парах рубидия приемлем для точных измерений быстро меняющихся вариаций магнитного поля, поскольку с его помощью может быть достигнута чувствительность порядка 0,02 гаммы. Для измерения абсолютных значений интенсивности используют протонный магнитометр.

тепловой поле земля магнетизм

Солнечные и лунные магнитные вариации

В соответствии с характером записи вариаций на магнитограмме выделяются «магнито-спокойные» и «магнито-возмущенные» дни. Эти магнитные возмущения гораздо более часты и интенсивны в полярных широтах.

Даже в идеально спокойных условиях записи на одной станции магнитные элементы H, D и Z систематически изменяются в зависимости от времени. Эти вариации носят название солнечно-суточной спокойной магнитной вариации и обозначаются S_q; здесь S показывает, что вариация зависит от местного времени обсерватории (т.е. от ее долготы относительно Солнца), а индекс q означает «спокойный».

К северу и югу от экватора вплоть до 30? вариация S_q горизонтальной составляющей H соответственно увеличивается (в северном направлении) в течение дневного времени с максимумом вблизи полудня и уменьшается (в южном направлении) в ночное время; фаза вариации меняется на обратную к северу или югу от экваториального пояса. В северном полушарии S_q склонения D имеет направление на восток в утренние часы и на запад - в послеполуденное время; то же самое относится к вертикальной составляющей Z, которая уменьшается к ночи. Эти изменения D и Z меняют свой знак на обратный к югу от экватора.

Если рассматривать все три элемента совместно, S_q имеет амплитуду, гораздо бoльшую днем, чем ночью, что указывает на то, что S_q возникает в результате электрических токов, текущих в ионосфере. Электрические токи, ответственные за возникновение S_q, измеряются с помощью геофизических ракет, запускаемых вблизи экватора.

Осредненные за месяц или год величины амплитуд S_q меняются в соответствии с изменением солнечной активности; они наибольшие, когда на Солнце наблюдается максимум пятен. Амплитуда S_q и, до некоторой степени, ее глобальное распределение ежедневно меняются; тем не менее в этих изменениях не наблюдается простого следования за солнечной активностью.

Имеются и другие регулярные вариации, наложенные на Sq и меняющиеся в зависимости от лунного времени. Эти вариации, названные «лунно-суточными вариациями» (L), представлены главным образом регулярными полусуточными изменениями магнитного поля. Их амплитуда гораздо меньше, чем амплитуда S_q, например, вариация S_q горизонтальной составляющей H колеблется в пределах 30 гамм в низких широтах; колебания L - лишь ок. 3 гамм. Вариация L, в отличие от S_q, почти не выражена на магнитограммах (за исключением геомагнитного экватора, где ее величина необычно велика). Ее можно выделить лишь на основе тонкого математического анализа, в котором S_q и другие вариации подвергаются осреднению. Хотя L варьирует в зависимости от лунного времени, в основном она изменяется в дневные часы, когда электропроводность ионосферы максимальна. Следовательно, вариация L обязана электрическим токам, индуцируемым приливными движениями в нижних слоях ионосферы.

В пределах узкого пояса над магнитным экватором S_q значительно возрастает в полуденные часы. Этот эффект обусловлен существованием «электроджета» - концентрированного электрического тока, текущего в пределах узкого пояса в ионосфере. Лунно-суточная вариация L возрастает с большей скоростью, чем S_q. Полагают, что экваториальный электроджет, текущий с запада на восток, возникает вследствие повышения электропроводности в направлении поперек магнитного поля (которое в этой области направлено горизонтально).

Магнитные бухты

Часто наблюдаются магнитные вариации, при которых линия записи H на магнитограмме своим очертанием напоминает бухту, образованную береговой линией. «Магнитные бухты» имеют максимальную амплитуду и наиболее часто наблюдаются в авроральных зонах (зонах полярных сияний) с ночной стороны Земли, по одной в каждом полушарии; их центры отстоят от геомагнитных полюсов на 23°. Типичная магнитная бухта указывает на интенсивный электроджет в ионосфере в западном направлении, протекающий через авроральную зону в ранние утренние часы (по местному времени), и более слабый электроджет, текущий в восточном направлении в поздние вечерние часы. Рассеянные токи от этих авроральных электроджетов распространяются над всей Землей и возбуждают магнитные бухты гораздо меньшей интенсивности в низких широтах.

Мощные магнитные возмущения в авроральных зонах, называемые полярными штормами, тесно связаны с областью распространения полярных сияний и других полярных возмущений.

Влияние солнечных вспышек

В результате наблюдений за Солнцем были обнаружены неожиданные вспышки вблизи солнечных пятен. Одновременно с ними регистрируются возмущения на магнитограммах станций, расположенных на дневной стороне Земли. В земном магнитном поле солнечная вспышка вызывает неожиданное увеличение S_q длительностью 20-30 мин, поэтому эффект солнечной вспышки обозначают S_qa, где значок a указывает на увеличение интенсивности.

В момент вспышки возрастает поток жесткого излучения от Солнца; это приводит к увеличению ионизации, росту электропроводности ионосферы и усилению электрического тока, вызывающего S_q. Резкое увеличение ионизации в более низких областях ионосферы вызывает заметное поглощение радиоволн и перерывы радиосвязи на большие расстояния.

Магнитная буря

Особенно интенсивные магнитные возмущения, распространяющиеся на весь земной шар, называют магнитными бурями. Некоторые магнитные бури начинаются неожиданно и почти одновременно по всей Земле, а другие развиваются постепенно. Признаком внезапно начинающейся магнитной бури служит резкое изменение всех трех магнитных элементов на магнитограмме. Горизонтальный компонент H внезапно увеличивает интенсивность, чему иногда предшествует небольшой отрицательный импульс. При внезапном начале бури амплитуда вариации максимальна в авроральных зонах и уменьшается по направлению к экватору; увеличение S_q и L наблюдается в пределах узкого пояса на магнитном экваторе в дневные часы.

После внезапного начала бури линия записи горизонтального компонента H в течение нескольких часов обычно располагается выше уровня, предшествовавшего буре; этот этап (положительных значений) рассматривается как первая или начальная фаза. Значения H составляют от 10 до 20 гамм в средних широтах. За этой фазой следует существенное уменьшение до значений значительно ниже нормальных. Падение амплитуды на несколько десятков гамм во время бури средней интенсивности отвечает ее главной фазе. Максимальное отклонение достигается через 12 ч. Вслед за этим значительным уменьшением происходит медленное возвращение к нормальному уровню, которое обычно длится несколько дней. Эти особенности представляют собой осредненные характеристики магнитных бурь в средних и низких широтах; характеристики отдельных бурь могут существенно отличаться от средних. Крупные магнитные бури проходят эти фазы быстрее, чем слабые.

По мере приближения к авроральной зоне на изменения магнитного поля, связанные с магнитной бурей, накладываются магнитные бухты. Изменения поля здесь гораздо более нерегулярные и интенсивные, чем в низких широтах; вариации во время бурь могут достигать нескольких тысяч гамм. В пределах полярных шапок (околополярные области внутри авроральной зоны) степень возмущения несколько меньше, чем в авроральной зоне, но гораздо более сильная, чем на низких широтах.

Вариации в высоких широтах свидетельствуют о существовании интенсивных и концентрированных авроральных электроджетов, которые обычно направлены на восток перед «магнитной полночью» и на запад - после нее. Магнитная полночь определяется как время, когда Солнце располагается над магнитным меридианом, противоположным тому, на котором располагается станция; различие между локальной полночью и магнитной полночью зависит от положения станции (и в некоторой степени от времени года), это различие весьма незначительно в низких широтах, но в высоких широтах может достигать более одного часа. Электроджет, направленный к западу, гораздо сильнее ориентированного на восток; общая сила тока для бури средней интенсивности составляет 300 000 ампер и даже более во время максимума после магнитной полночи.

Часто магнитные бури происходят через 1-2 дня после солнечной вспышки из-за прохождения Земли через поток частиц, выброшенных Солнцем. Исходя из времени запаздывания, скорость такого корпускулярного потока оценивают в несколько миллионов км/ч.

Теория магнитных бурь была развита С.Чапменом, В.Ферраро, Х.Альфвеном, С.Зингером, А.Десслером, Е.Паркером и другими. Когда на некотором расстоянии от Земли поток солнечных частиц - протонов и электронов - сталкивается с земным магнитным полем, это вызывает «магнитный удар», который в виде сильной гидромагнитной ударной волны проходит через окружающий Землю электропроводящий газ. Внезапное начало магнитной бури означает приход гидромагнитной ударной волны.

Солнечный газ, обволакивая Землю, сжимает ее магнитное поле и, следовательно, увеличивает его интенсивность. Рост магнитного поля в начальной фазе магнитной бури происходит как следствие этого эффекта. Некоторые из солнечных частиц захватываются земным магнитным полем на расстоянии более 40 000 км от Земли. Когда движение заряженной частицы в магнитном поле ориентировано косо по отношению к магнитной силовой линии, она перемещается по спирали вокруг этой линии. По мере того, как она вторгается в область с интенсивным магнитным полем, составляющая ее скорости, параллельная вектору напряженности поля, постепенно уменьшается, а скорость вращения возрастает, при этом общая скорость остается постоянной. Когда параллельная полю составляющая скорости становится нулевой, частица как бы отражается и начинает двигаться назад вдоль силовой линии, продолжая спиралевидное вращение вокруг нее (точка, где происходит отражение, называется «точкой магнитного зеркала», по аналогии с обычным оптическим зеркалом, отражающим свет). Таким образом, захваченные магнитным полем заряженные частицы, вращаясь по спирали вокруг силовых линий, колеблются между двумя зеркальными точками, одна из которых расположена в северном, а другая - в южном полушарии.

Магнитное поле ослабевает с увеличением расстояния от Земли, из-за чего увеличивается радиус кривизны спирального движения частиц вокруг силовых линий на внешней части траектории. К тому же магнитные силовые линии выгнуты наружу, поэтому колеблющиеся вдоль них частицы испытывают центробежное ускорение, направленное от Земли, что способствует увеличению радиуса кривизны траектории частицы в ее части, более удаленной от Земли по сравнению с более близкой к Земле. А поскольку протоны и электроны вращаются вокруг магнитных силовых линий в противоположных направлениях, эти эффекты вызывают дрейф протонов в западном направлении, а электронов - в восточном.

Суммарная скорость дрейфа зависит от энергии частицы и угла, образованного вектором ее скорости с силовой линией, когда частица пересекает экватор. Эти два фактора лежат в некотором диапазоне, поэтому частицы имеют различные скорости дрейфа и, захваченные земным магнитным полем, быстро распределяются, формируя оболочку вокруг Земли. Западный дрейф протонов и восточный дрейф электронов есть не что иное, как электрический ток, «размазанный» по оболочке. Этот ток, имеющий повсюду западное направление, генерирует магнитное поле, направленное так, что оно ослабляет магнитное поле Земли. Этим можно объяснить особенности главной фазы магнитной бури.

Микропульсации

Они представляют собой быстрые колебания небольшой амплитуды, которые наблюдаются как в спокойные, так и в возмущенные периоды. В средних и низких широтах часто наблюдаются два условных класса микропульсаций: P_c и P_t. Микропульсации P_c продолжаются более или менее непрерывно в течение многих часов с периодом от 10 до 60 сек; их амплитуда составляет порядка 0,1 гамма. P_t состоят из рядов пульсаций с небольшой амплитудой, каждый ряд продолжается от 10 до 20 мин, индивидуальные пульсации имеют период от 40 с до нескольких минут и амплитуду ок. 0,5 гаммы. Пульсация P_c происходит наиболее часто в утренние часы. P_t часто ассоциируется с магнитными бухтами и наблюдается чаще всего ночью.

При использовании более чувствительных приборов, чем обычные вариометры, выявляются пульсации с более короткими периодами. С достаточной надежностью наблюдались колебания с частотой 2 Гц, но, возможно, существуют пульсации и с большей частотой. Амплитуда быстрых пульсаций очень мала - порядка 0,1 гаммы или меньше. Для их измерения используется катушка с большим числом витков проволоки (до 20 000) или огромная проволочная петля, охватывающая площадь 50-75 км², а также квантовые магнитометры.

В авроральных зонах и вблизи них выявлены гигантские микропульсации с амплитудой, значительно большей, чем у P_c, достигающей нескольких десятков гамм. Огибающая гигантской микропульсации постепенно возрастает и уменьшается с периодом от одной до нескольких минут. В авроральной зоне также выявлены пульсации с периодами в несколько минут, некоторые из них состоят из нескольких почти синусоидальных колебаний, продолжающихся в течение нескольких часов. Наиболее часто они возникают в годы высокой солнечной активности. В авроральной зоне наблюдаются и более быстрые микропульсации с периодом от нескольких секунд до 30 с, связанные, по-видимому, с авроральной активностью. Феномен гигантских микропульсаций не вполне исследован. Высказывается предположение, что некоторые их типы обусловлены колебаниями магнитных силовых линий во внешней области атмосферы Земли.

Геомагнитное поле в высоких слоях атмосферы

С началом запуска ракет и спутников в высокие слои атмосферы геомагнитное поле стало предметом пристального интереса. Раньше полагали, что земное магнитное поле простирается на большие расстояния. Л.Бирман предположил, что хвосты комет, состоящие из ионов, вытягиваются в сторону от Солнца под напором непрерывно испускаемого им потока заряженных частиц. По его расчетам, плотность ион-электронных пар вблизи Земли составляет ок. 100/см³. Идея была поддержана Е.Паркером, который назвал этот непрерывный корпускулярный поток «солнечным ветром». По его расчетам, если солнечный ветер действительно существует, земное магнитное поле должно быть сосредоточено в ограниченной области вокруг Земли, размер и форма которой зависят от силы солнечного ветра. Согласно данным магнитометра, установленного на космическом аппарате «Пионер-1» (1958), граница земного магнитного поля в направлении Солнца находится на расстоянии ок. 80 000 км от Земли (магнитосфера Земли). За пределами этой зоны зарегистрировано магнитное поле интенсивностью порядка 10 нТ. В межзвездном пространстве существует магнитное поле порядка 0,1 нТ.

Важное открытие было сделано группой ученых под рук. Дж.Ван Аллена в 1958. С помощью приборов, установленных на первом в США спутнике «Эксплорер-1», они обнаружили, что во внешней атмосфере Земли существует радиация высокой интенсивности. Измерения, проделанные с советских спутников под руководством С.Н.Вернова и А.Е.Чудакова (1958), выявили вторую зону радиации. Эти зоны получили название радиационных поясов, или поясов Ван Аллена. Первый пояс простирается от 960 до 8000 км над земной поверхностью; второй - от 16 000 до 64 000 км. В пределах внутреннего пояса имеются протоны с высокой энергией. Протоны малой энергии и электроны заполняют более обширную область. Захват заряженных частиц земным магнитным полем впоследствии был проверен в экспериментах «Аргус» (1958), когда с помощью ядерного взрыва на больших высотах во внешние слои атмосферы были искусственно введены электроны. Оказалось, что захваченные электроны остаются в тонкой оболочке магнитосферы в течение нескольких дней.

Земные токи

Земные, или теллурические, токи текут в приповерхностном слое земной коры. Косвенно об их существовании можно заключить на основе измерений потенциометром разности потенциалов между двумя электродами, помещенными в грунт. Измеренная разность потенциалов представляет собой электродвижущую силу, возникающую в результате электрических токов, величина которых зависит от сопротивления коры. Величина сопротивления (от 100 до нескольких миллионов и более Ом?см) зависит от геологической структуры и заметно меняется с глубиной. Поскольку верхний слой коры земной обладает электропроводностью, меняющееся магнитное поле индуцирует в нем электрические токи. Например, магнитная вариация S_q индуцирует глобальные земные токи. Поскольку сопротивление Земли не изотропно, земные токи обладают преимущественным направлением.

Исследование земных токов в авроральных зонах служит хорошим индикатором полярных возмущений, а также полезны для изучения микропульсаций.

Литература

Страхов Н.М. Типы литогенеза и их эволюция в истории Земли. М., 1965

Любимова Е.А. Термика Земли и Луны. М., 1968

Хаин В.Е. Региональная геотектоника. Северная и Южная Америка, Антарктида и Африка. М., 1971

Леонов Г.П. Основы стратиграфии, тт. 1-2. М., 1973-1974

Хаин В.Е. Региональная геотектоника. Внеальпийская Европа и Западная Азия. М., 1977

Энциклопедия региональной геологии мира. Западное полушарие (включая Антарктиду и Австралию). Л., 1980