big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Геомагнитное поле

Магнитное поле на поверхности Земли делят на постоянное и переменное. Главная часть постоянного магнитного поля обязана происхождением процессам, протекающим в ядре Земли и на границе ядра и мантии. На эту часть магнитного поля накладывается магнитное поле, созданное породами земной коры.

Постоянное поле не является постоянным в строгом смысле слова. Оно меняется со временем, но изменения эти происходят медленно. Наиболее изученная часть таких изменений — это вековые вариации, они имеют, возможно, период в несколько сотен лет.

Переменное магнитное поле Земли связано с излучением Солнца, благодаря которому в околоземном пространстве в ионосфере и магнитосфере возникают электрические токи. Это поле действительно является переменным, и различные его составляющие имеют периоды изменения от сотых долей секунды до суток.

Постоянное магнитное поле Земли. Точные сведения о магнитном поле Земли имеют большое принципиальное и практическое значение, так как, с одной стороны, позволяют составить представление о строении Земли и о происхождении магнитного поля, а с другой, дают основу для правильного практического применения этих знаний, например, при магнитной разведке полезных ископаемых. Распределение магнитного поля Земли на ее поверхности изображают на картах с помощью изолиний магнитных элементов. К ним относятся магнитное склонение, наклонение, величины горизонтальной и вертикальной составляющих силы геомагнитного поля.

Несмотря на то, что рождением науки о магнитном поле Земли можно считать 1600 г., когда впервые английский физик У. Гильберт доказал, что Земля — огромный магнит, теоретическое развитие этой отрасли геофизики шло крайне медленно. Принципиальные для развития физических представлений о природе магнитного поля сведения о нем, которыми располагало человечество 50 лет назад, сводились к тому, что Земля обладает очень слабым потенциальным постоянным магнитным полем, что главная часть его — поле магнитного диполя, помещенного в центре Земли, и что ось этого диполя наклонена под углом 11°30` к оси вращения Земли. Что касается России, то подробных сведений о распределении магнитного поля на ее огромной территории еще не было, хотя такая крупнейшая особенность, как курские магнитные аномалии (КМА), уже была известна.

Сразу после гражданской войны началось детальное изучение магнитного поля на территории Советской России. С 1931 по 1941 г. вся страна была покрыта сетью магнитных измерений (генеральная магнитная съемка), часть из которых время от временя повторялась, чтобы изучить вековые вариации. Магнитная съемка на территории Советского Союза выявила распределение магнитных аномалий, связанных с особенностями геологии страны. На востоке Сибири была подробно изучена большая, занимающая почти треть азиатского материка аномалия — территория, где магнитное поле заметно отличалось от дипольного. Эта аномалия не имеет отношения к тем магнитным аномалиям, которые связаны с присутствием в верхних частях земной коры различных полезных ископаемых и которые поэтому интенсивно изучаются магнитной разведкой. Аномалии, охватывающие такую большую территорию, это мировые (или континентальные) аномалии и имеют отношение к строению Земли в целом. Некоторые особенности таких аномалий, теоретические расчеты, а также последние наблюдения магнитного поля на высоте, полученные при помощи искусственных спутников Земли, заставляют считать, что причины мировых аномалий находятся на границе земного ядра и оболочки.

Наиболее плохо до сих пор изучено магнитное поле на водных пространствах нашей планеты. Некоторые страны строят специальные немагнитные суда для изучения магнитного поля на морях и океанах. Одно из таких судов — немагнитная шхуна «Заря» — принадлежит Советскому Союзу. На «Заре» в 1957 г. получены многие ценные сведения о магнитном поле мирового океана; эти наблюдения помогли значительно лучше представить строение океанического дна. Необходимо упомянуть, что первые исследования магнитного поля Центральной Арктики принадлежат советским исследователям. Они были проведены в 1937—1938 гг. на дрейфующей льдине Е. К. Федоровым, одним из членов группы И. Д. Папанина.

Повторные измерения геомагнитного поля на одних и тех же пунктах во многих странах и в том числе в СССР позволили уточнить географическое распространение вековых вариаций. Оказалось, что существовавшее раньше представление о вековых вариациях, как о результате вращения геомагнитной оси вокруг географической, было неточным. Вековые вариации представляют собой усиление магнитного поля в одних местах земного шара и ослабление его в других с периодом порядка 1000 лет; особенно большие изменения происходят в области континентальных аномалий. Одна из /основных особенностей вековых вариаций состоит в том, что места наибольшего изменения магнитного поля, как и центры мировых аномалий, постоянно смещаются к западу — происходит западный дрейф магнитного поля. Западный дрейф этих аномалий доказывает, что они связаны не с неподвижными слоями в одной из твердых оболочек Земли, а с какими-то процессами в жидком ядре.

Вековые вариации имеют часть, связанную с земной корой. Эта часть вековых вариаций различна в сейсмически активных и сейсмически спокойных районах. Есть основания считать, что вековые вариации в данном районе должны меняться при приближении времени крупных землетрясений. Если этот эффект будет достаточно велик, чтобы его можно было наблюдать, его смогут использовать для предсказания землетрясений.

Работы по изучению распределения магнитного поля на поверхности Земли, по выяснению происхождения времени мировых аномалий, по изучению вековых вариаций и их аномального хода в сейсмических районах ведутся в экспериментальном и теоретическом плане Институтом земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн АН СССР. Руководителями различных направлений этой отрасли науки, «которым принадлежат наиболее принципиальные достижения в этой области («Настоящее и прошлое...», 1965), являются В. П. Орлов и М. М. Иванов.

В 50-х годах с широким развитием палеомагнитных исследований начался новый этап в науке о магнитном поле Земли. Намагниченность горных пород (содержащихся в них ферромагнитных зерен) зависит не только от магнитного поля, в котором находились эти породы, но и от условий их образования. Намагниченность, возникшая при остывании расплавленной породы в магнитном поле, будет иметь направление этого поля, но ее стабильность, т. е. способность сопротивления размагничивающим воздействиям, настолько велика, что потребовались бы поля, в сотни и тысячи раз превышающие поле, в котором остывала порода, чтобы уничтожить эту намагниченность. Благодаря этому свойству многие породы до сих пор сохранили намагниченность, приобретенную ими во время их образования миллионы лет назад, Изучая эту древнюю намагниченность, мы получаем возможность судить о магнитном поле, которое было на Земле в разные геологические эпохи, и можем проследить закономерности изменения этого поля во времени.

Такая идея впервые у нас была высказана П. П. Лазаревым в 30-х годах, но реальное начало палеомагнитных исследований следует отнести к концу 40 — началу 50-х годов. В Советском Союзе палеомагнитные исследования начались с 1956 г. и получили очень широкое распространение. При таких исследованиях чрезвычайно важно сравнивать наблюдения, полученные по одновозрастным породам из далеко отстоящих районов. Поэтому в 1957 г. была создана специальная Палеомагнитная комиссия, основной функцией которой является координация палеомагнитных исследований и проверка надежности полученных результатов. Инициатором создания этой комиссии был А. Г. Калашников (ИФЗ АН СССР). Ее председатель и руководитель Б. М. Яновский (Ленинградский университет) объединил вопросы палеомагнетизма с вопросами геомагнетизма постоянного поля, так как на настоящей стадии исследований эти две линии уже не могут быть разъединены. Огромная территория Советского Союза, большой размах и единообразие исследований, а также четкая их организация позволили получить исключительные по своей ценности наблюдения и использовать их для геофизических обобщений. Основное количество палеомагнитных исследований, сбор и обобщение палеомагнитных данных проводится под руководством А. Н. Храмова. Сложность палеомагнитных исследований заключается не в отборе коллекций пород и измерений их намагниченности, а в доказательстве того, что намагниченность, которой обладает порода в настоящее время, именно та намагниченность, которую порода приобрела в процессе образования, и что эта намагниченность сохранилась неизменной в течение сотен миллионов лет, прошедших с того времени.

При изучении процессов намагничивания и размагничивания, свойственных ферромагнетикам, входящим в состав горных пород, разработан ряд методов, при помощи которых удается ответить на вопрос о происхождении намагниченности. В Советском Союзе такие работы ведутся в Институте физики Земли АН СССР, в Московском и Ленинградском университетах, а также в Институте физики СО АН СССР. Изучение закономерностей возникновения и разрушения намагниченности горных пород является физической базой палеомагнитных исследований и интерпретации палеомагнитных определений, но их значение выходит за пределы чисто палеомагнитных исследований. На основе изученных закономерностей геомагнетизма предложены методы, позволяющие в ряде случаев устанавливать возраст и условия происхождения горных пород,

Палеомагнитные и археомагнитные (относящиеся к последним 30 тыс. лет) исследования позволили советским и зарубежным ученым обнаружить следующие особенности геомагнитного поля.

1. Магнитный полюс перемещается со временем, но за последние несколько миллионов лет местоположение магнитного полюса определялось осью вращения Земли: если установить среднее положение магнитного полюса за весь четвертичный период, то этот средний магнитный полюс совпадет с географическим.

2. Геомагнитная ось постепенно перемещается относительно земной коры. Примерно за 500—600 млн. лет магнитный полюс переместился из центральной части Тихого океана мимо берегов Японии к современному положению.

3. При каждом положении геомагнитной оси магнитные полюсы могут занимать диаметрально противоположные положения.

4. Вековые вариации существуют по меньшей мере последние 10 тыс. лет, сохраняя примерно одинаковый характер.

5. Величина магнитного момента тоже пульсирует с периодом порядка 10 тыс. лет, оставаясь в среднем приблизительно такой, как в настоящее время.

Естественно, что эти новые и столь принципиальные сведения о магнитном поле Земли совершенно изменили представления о магнитном поле и причинах, его вызывающих. Новые представления нашли отражение в теории геомагнитного поля и вековых вариаций. Я. И. Френкель (1947) высказал предположение, что процесс возникновения геомагнитного поля происходит в земном ядре и подобен процессу самовозбуждения динамомашины. Идея Френкеля получила развитие в работах других авторов, однако статью Френкеля можно считать началом нового направления в теории геомагнитного поля. Первой стройной теорией геомагнитного поля, построенной с учетом его особенностей, установленных палеомагнитными и археомагнитными методами, является предложенная в 1948 г. теория Булларда.

В Советском Союзе предложены еще два варианта теории геомагнитного поля, существенно отличающихся от представлений Булларда. Авторами этих теорий являются Б. А. Тверской (1962) и С. И. Брагинский (1963). Одновременно с созданием теории происхождения геомагнитного поля уточняются наши знания о строении земного ядра и процессах, в нем происходящих. В частности, инверсии поля, т. е. перемена местами магнитных полюсов при неизменном направлении геомагнитной оси, возможны только при крупных конвективных перемещениях вещества в земном ядре. На основании поведения геомагнитного поля во время инверсий можно судить о характере и скорости таких перемещений, следовательно, в какой-то мере и о свойствах вещества ядра. Поскольку перемена полярности — очень заметный момент в истории магнитного поля, изменения знака намагниченности горных пород можно использовать для корреляции геологических разрезов на далеких расстояниях, даже на разных континентах.

Переменное магнитное поле Земли. Величины изменений магнитных элементов в данном месте можно узнать, имея магнитную обсёрваторию, т. е. приборы, которые регистрируют все изменения поля — его переменную часть или переменное магнитное поле Земли. Перед Октябрьской революцией в России было только пять магнитных обсерваторий. После революции их число постепенно возрастало, и теперь их около 30.

Переменное магнитное поле Земли обусловлено, как сказано выше, солнечной деятельностью. Различают две части в этом поле — регулярную и не регулярную. Первая связана с ионизацией солнечным светом земной атмосферы, в которой в результате ионизации возникает на высотах 100 км и выше область, хорошо проводящая электрические токи. Вместе со всей атмосферой ионосфера подвержена приливным колебаниям, в первую очередь под действием притяжения Солнца и Луны. При этих колебаниях, происходящих в магнитном поле земного шара, в ионосфере индуцируются электрические т о к и. Магнитное поле этих токов можно наблюдать на земной поверхности как периодические, суточные вариации. Первые сведения о географическом распределении суточных магнитных вариаций были получены еще в XIX в. В 1941 г. Н. П. Бенькова на основании наблюдений мировой сети магнитных обсерваторий за лето 1933 г. (в этот период был проведен 2-й Международный полярный год и было организовано много новых магнитных обсерваторий) провела подробный анализ суточных вариаций, впервые установив в них наличие части, связанной с географической долготой. В 1964 г. М. Н. Фаткуллин и Я. И. Фельдштейн одновременно с английскими геофизиками показали, что суточные вариации следует рассматривать не в отклонениях от средних за сутки, а в отклонениях от ночного уровня магнитного поля. При таком подходе появляется возможность правильнее в физическом отношении связывать между собой суточные магнитные вариации и суточные изменения характеристик ионосферы.

Вторая, нерегулярная часть переменного магнитного поля обусловлена воздействием на Землю солнечного корпускулярного излучения. Потоки солнечных корпускул, солнечной плазмы, встречая Землю в своем движении от Солнца, вызывают на ней комплекс связанных между собой явлений: магнитные бури, полярные сияния, нарушения нормального состояния ионосферы, возмущения естественных электрических токов, существующих в земной коре, и др. Изучение этих явлений, помимо научного интереса, имеет большое практическое значение для обеспечения работы коротковолновой радиосвязи, радионавигации и т. п. Магнитные бури одновременно охватывают весь земной шар, но особенно сильны они в высоких широтах, куда магнитное поле Земли отклоняет значительную часть сближающихся с Землей солнечных корпускул. В связи с этим со времени 2-го Международного полярного года в СССР, как и в других странах, было обращено особое внимание на создание магнитных обсерваторий в Арктике. При организации в 1957—1958 гг. Международного геофизического года магнитные обсерватории были созданы и в Антарктиде. Советский Союз организовал первоклассную обсерваторию Мирный и несколько других обсерваторий, в том числе обсерваторию Восток в районе южного магнитного полюса.

Зарубежные геофизики (англичанин С. Чепмен и др.) сосредоточили внимание на изучении средних особенностей протекания магнитных бурь по наблюдениям магнитных обсерваторий. В советских работах, первые из которых стали появляться с 1935 г., внимание было обращено на связи отдельных магнитных бурь с солнечными явлениями и на изучение магнитных бурь в целом, без выделения из них средних особенностей. П. И. Гусев еще в 1939 г. предложил схему строения солнечного корпускулярного потока, объясняющую ряд закономерностей связи солнечных явлений и магнитных бурь. Эта схема в 1961 г. подтверждена теорией, предложенной Э. И. Могилевским. По этой теории поток, выходя из активных областей Солнца, уносит с собой мощные магнитные поля, отрывающиеся от общего магнитного поля Солнца. В теории Могилевского были преодолены те трудности, которые встретили аналогичные теории иностранных ученых (Т. Голда и др.). А. П. Никольский с 1935 г. подробно изучил по данным полярных магнитных обсерваторий закономерности распределения магнитной активности по часам суток. Он показал, что в высоких широтах есть не одна, а две зоны повышенной магнитной активности, одна зона охватывает другую. Многие закономерности магнитных бурь внутри Арктического бассейна удалось выяснить на основе наблюдений дрейфующих станций «Северный полюс». В отдельные годы одновременно работало по две таких станции. В 1966 г. организована очередная станция СП-15.

Длительно существующие на Солнце активные области создают долгоживущие солнечные корпускулярные потоки. Это обусловливает 27-дневную повторяемость части магнитных бурь. Н. П. Бенькова изучила эту повторяемость, показав в 1944 г., что самые сильные бури, как правило, входят в ту или иную группу бурь, повторяющихся через 27 дней. Этот вывод имеет значение для предсказания нарушений радиосвязи. Э. Р. Мустель со своими сотрудниками в цикле работ, начатых в 1944 г., выяснил, что потоки выходят из областей поверхности Солнца, отмеченных флоккулами, — наиболее высокотемпературными яркими участками его поверхности. В. И. Афанасьева в работах 1960—1966 гг. установила, что характер магнитной бури зависит от расстояния, на котором мимо Земли проходит ось (средняя линия) потока.

Переменное магнитное поле, возникающее в атмосфере Земли, проникает внутрь земного шара, где индуцирует электрические токи. Эти токи создают на земной поверхности переменное магнитное поле «внутреннего» по отношению к земной поверхности происхождения. По соотношению переменных полей атмосферного и внутреннего происхождения можно судить о распределении внутри Земли электрической проводимости. Это положение, известное еще с XIX в., использовано во многих работах советских геофизиков. Н. П. Бенькова (1941), В. Н. Бобров (1958—1959), Н. М. Ротанова (1963) и другие этим путем определили электрические характеристики глубин Земли до 1000 км и более. А. Н. Тихонов и его ученики использовали для изучения электрических характеристик земной коры более короткопериодические вариации электромагнитного поля Земли, которые не проникают на большую глубину. На этой основе возник в 1950 г. метод магнитно-теллурического зондирования, при котором по одновременным наблюдениям за вариациями электрических токов в земной коре и магнитного поля на поверхности Земли судят об электрических свойствах коры. Этот метод используется в геофизической разведке полезных ископаемых. Аналогичный метод был одновременно предложен во Франции.

В результате запуска в околоземное космическое пространство искусственных спутников Земли с приборами для измерения магнитного поля установлено, что это поле простирается в пространстве не безгранично далеко от Земли, а имеет границу, вне которой существует магнитное поле межпланетного пространства. Область, в которой заключено магнитное поле Земли, получила название магнитосферы. Ш. Ш. Долгинов, Н. В. Пушков и другие в 1960 г. при измерениях магнитного поля в магнитосфере установили, что Земля окружена кольцевым током, находящимся в области земного экватора на удалении в несколько земных радиусов от поверхности Земли. Существование такого тока предполагалось давно.

Еще в 1948—1951 гг. А. Г. Калашников, В. А. Троицкая и другие начали изучение с помощью высокочувствительной аппаратуры колебаний электромагнитного поля Земли с периодами в секунды и доли секунды. Для этого на некоторых обсерваториях регистрировались колебания электрических токов в Земле. В. А. Троицкая и ее сотрудники начиная с 1953 г. выяснили наличие двух типов таких короткопериодных колебаний и дали им объяснение. Они предположили существование в магнитосфере Земли двух типов электромагнитных (магнитогидродинамических) колебаний.

Работы по изучению переменного магнитного поля Земли ведут многие институты и обсерватории. В большинстве случаев они связываются с изучением других электромагнитных геофизических явлений. Крупнейшие институты этого профиля находятся в Москве, Ленинграде, Иркутске и Мурманске. Магнитные обсерватории оснащены приборами, регистрирующими магнитные вариации без искажений вследствие влияния температуры, влажности и т. п. (конструкции В. Н. Боброва, Б. Е. Брюнелли и др.). Для учета вариаций магнитного поля при магнитных съемках (наземных, геологоразведочного характера и при аэромагнитных работах) используются походные вариационные станции.

Кадры научных работников для исследования земного магнетизма готовят некоторые университеты (Ленинградский, Московский и др.). В подготовке кадров большую роль сыграл учебник по земному магнетизму, выдержавший с 1940 г. ряд изданий (Яновский, 1963, 1964). Работы по земному магнетизму печатаются в сборниках (труды институтов, издания Междуведомственного геофизического комитета) и журналах. С 1961 г. Академия наук СССР издает журнал «Геомагнетизм и аэрономия».

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.