big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Магнитное поле Земли

Магнитное поле Земли, как и магнитное поле других космических тел, в том числе планет Солнечной системы, относится к явлениям, которые не находят объяснения. До XV в. общепризнанной причиной направления северной стрелки компаса считалось притяжение ее Полярной звездой. Открытие отклонения направления стрелки ком-ласа от направления меридианов, сделанное Колумбом, последующее установление различной величины этого отклонения, а также открытие наклонения магнитной стрелки заставило отказаться от этой гипотезы. В 1600 г. В. Гильберт обосновал новую гипотезу, по которой земной шар представляет собой магнит. Он подтвердил эту гипотезу опытами с намагниченным железным шаром. Отклонение магнитной стрелки от меридионального направления, которое не укладывалось в гипотезу большого магнита, В. Гильберт предложил объяснять тем, что массы материков намагничены и отклоняют стрелку. Предположение о том, что магнитное поле Земли вызывается источником, находящимся в ее недрах, нашло хорошее подтверждение в расчетах К. Ф. Гаусса, выполненных более 100 лет назад. Им были проведены расчетные определения потенциала магнитного поля для любой точки земного шара как функции от долготы и широты точки наблюдения.

Вероятность наличия железного ядра Земли, казалось, подвела основания под такую гипотезу магнитного поля Земли. Но в дальнейшем, когда было определено вероятное распределение температур в недрах Земли, стало ясно, что температура в 500—600° С, т. е. точка Кюри, для железа достигается уже в нижних слоях земной коры или в верхних слоях мантии. Поэтому гипотеза о постоянном магните — железном ядре — отпала.

Дальнейшее изучение земного магнетизма показало, что кроме аномалий, находящихся всегда в одних и тех же местах, имеется большое число аномалий, непрерывно изменяющихся и постоянно перемещающихся на запад.

Б. М. Яновский следующим образом характеризует состояние разработки вопроса о происхождении магнитного поля Земли: «Вопрос о происхождении земного магнетизма до сего времени остается нерешенным. Вплоть до последнего десятилетия не было ни одной гипотезы и ни одной теории, которые удовлетворительно объяснили бы постоянный магнетизм земного шара, и лишь за последние годы в науке о земном магнетизме установилась более или менее приемлемая теория, основанная на гипотезе вихревых токов в ядре».

За последние годы опубликовано много работ по теории земного магнетизма. Выдвинуты новые предположения; среди них наибольшим признанием пользуется гипотеза, по которой магнитное поле Земли возникает в результате электрических токов, связанных с перемещением масс вещества внутри или на поверхности ядра Земли. Эта гипотеза, получившая название «динамо» из-за аналогии с возбуждением магнитного поля в динамо-машинах, дает хорошее, но лишь качественное объяснение магнитного поля Земли. Убедительными доводами в пользу этой гипотезы является возможность объяснить те нерегулярные изменения магнитного поля Земли, которые наблюдаются на земной поверхности как в напряженности поля, так и в смещении магнитных полюсов и в самой скорости таких изменений. Однако не имеется гипотез, убедительно обосновывающих причины перемещения масс вещества и причины их электризации.

Особенности магнитного поля Земли и его вариаций, проявляющихся преимущественно на материках, в какой-то мере объясняются особенностями циркуляции глубинных масс у ядра под материками и под океанами. Для этого предлагается считать, что кора океанов охлаждается в большей степени, чем кора материков, или что, поскольку в коре материков содержится больше радиоактивных веществ, кора материков сильнее нагрета, чем кора океанов. Полагают, что это различие будто бы сказывается на температуре следующей оболочки — мантии. Это, в свою очередь, будто бы вызывает различия в интенсивности и направлении вертикальных и горизонтальных движений масс глубинного вещества у самой поверхности — между мантией и ядром.

По существующим представлениям о внутреннем строении земного шара и об агрегатном состоянии вещества, слагающего оболочки Земли, перемещение ее вещества возможно только на границе между твердой мантией и жидким ядром, т. е. на глубине 2900 км от поверхности. Поэтому в настоящее время одной из наиболее обсуждаемых гипотез происхождения магнитного поля считается гипотеза об отставании вращения ядра от вращения мантии примерно на один оборот за 2000 лет.

Эта гипотеза дает общее решение, но не объясняет характерных особенностей магнитного поля Земли, которые на ее поверхности часто проявляются на узких и длинных полосах или локальных, относительно небольших площадях.

Сравнение карт изолиний элементов магнитного поля Земли, построенных для различных эпох, показывает, что скорость векового хода магнитного поля, которую обычно связывают со скоростью отставания вращения ядра от скорости вращения мантии, определенно зависит и от геологических особенностей строения земной коры. На эту связь обратил внимание В. П. Орлов, когда в 1955 г. при повторных измерениях магнитного поля в различных районах Памира обнаружилось большое различие в скоростях изменений значения элементов магнитного поля по сравнению с данными, полученными в 1947 г. Выяснилось также, что одни фокусы магнитных аномалий движутся быстрее, другие медленнее, а иные имеют и обратное

движение. Различие скоростей и направлений перемещения фокусов магнитного поля видно из данных, приведенных в табл. 38, составленной Юкутаке.

Средние значения западного дрейфа по всей поверхности Земли для элементов магнитного поля принимаются следующими:

Математический анализ данных о вековом ходе фокусов аномалий магнитного поля, по мнению Б. М. Яновского, показал, что он не может быть объяснен только западным дрейфом и что кроме него необходимо допускать существование локальных источников, вызывающих вековой ход.

Магнитное поле Земли обычно делят на две части: а) главное магнитное поле и его вековые вариации, источниками которых принимаются процессы, протекающие в недрах Земли, и б) переменное поле, к которому относятся быстротечные вариации элементов магнитного поля и его бури. Причинами последней части магнитного поля принимаются главным образом электрические токи в высоких слоях атмосферы и индукционные токи в недрах земного шара. Эту часть магнитного поля именуют также электромагнитным полем Земли. Активность магнитного поля чрезвычайно изменчива, она непрерывно меняется для каждого нового отрезка времени и носит совершенно случайный характер как для суток или еще меньших отрезков времени, так и для недель, месяцев, лет и более длительных периодов. Выявить закономерности, которым подчиняется ход вариаций магнетизма, можно только путем статистической обработки наблюдений за достаточно длительное время.

На рис. 37 приведены результаты обработки данных за 59 лет (с 1872 по 1930 г.), которые показывают, что среднемесячные значения активности и её отклонений для лет с высокой магнитной активностью (1) и для лет со средней (2) и слабой (3) активностью изменяются с одной и той же закономерностью: они отклоняются в сторону увеличения в периоды весеннего и осеннего равноденствий и в сторону уменьшения в периоды солнцестояний.

Средние значения суточного хода изменяются, как правило, по местному времени, мало изменяясь ночью и более днем. На рис. 38

Среднемесячные значения магнитной активности и отклонения её от средних значений на протяжении года

Среднесуточный ход элементов земного магнетизма в Павловской магнитной обсерватории

приведены данные наблюдений на Павловской магнитной обсерватории, из которых видно, что средние значения суточного хода элементов магнетизма: склонения (δD), горизонтальной (δН) и вертикальной (δZ) составляющих изменяются не одинаково. Амплитуды суточных вариаций, как видно из данных табл. 39, зависят также от времени года, достигая максимальных значений в период летнего (июнь) и минимальных в период зимнего (декабрь) солнцестояний.

В периоды осеннего (сентябрь) и весеннего (март) равноденствий амплитуда колебания солнечносуточных вариаций элементов магнитного поля имеет среднее значение.

Солнечносуточные вариации находят удовлетворительное объяснение в допущении существования в атмосфере систем замкнутых вихревых токов, направление которых противоположно движению часовой стрелки в северном полушарии (если смотреть сверху вниз) и совпадает с ней в южном. Вихревые токи остаются неподвижными в пространстве над северным и южным полушариями, обращенными к Солнцу. На противоположной, не освещенной Солнцем, стороне Земли солнечносуточные вариации магнитного поля являются минимальными.

Расчеты системы замкнутых вихревых токов показали, что солнечносуточные вариации могут быть вызваны токами в 62∙103 а во время равноденствий и 89∙103 а во время солнцестояний. Авторы расчетов считают, что примерно 1/3 поля вариаций вызывается токами, протекающими внутри Земли, и 2/3 — токами в атмосфере.

Лунносуточные вариации земного магнетизма в Батавии и Гринвиче при различных фазах Луны

Однако сопоставление наблюдаемых данных по суточному ходу вариаций с вычисленными не показало хорошего их совпадения. Лучшее совпадение результатов расчета с действительными было получено Н. П. Беньковой, которая попыталась учесть зависимость вариаций суточного хода не только от широты, но и от долготы, причем не от географических, а от геомагнитных.

Для развиваемой в данной работе точки зрения особенно интересным результатом расчетов Н. П. Беньковой является то, что определенная ею необходимая сила токов достигает в полуденное время только 20 тыс. а и такое же значение, но обратное по знаку, имеют токи на ночной стороне.

Это интересно потому, что кроме солнечносуточных вариаций наблюдаются и лунносуточные вариации (рис. 39), величина которых значительно меньше солнечносуточных. Для их происхождения необходимо предположить существование замкнутых вихревых токов, сила которых, по расчетам, достигает 5—11 тыс. а.

Но если для допущения о существовании постоянных вихревых токов в верхних слоях атмосферы между Землей и Солнцем имеются основания, ибо Солнце посылает мощный ток лучистой энергии, то, конечно, нет никаких оснований для предположения о существовании в атмосфере постоянных вихревых токов на оси между Землей и Луной. Луна посылает на Землю несоизмеримо меньше лучистой солнечной энергии, отраженной ее поверхностью на Землю. Эта лучистая энергия не может вызвать вихревые токи, которые сохраняются в верхних слоях атмосферы постоянно и независимо от времени солнечных суток.

Трудность объяснения причин лунносуточных вариаций замкнутыми токами в атмосфере на высоте 100—120 км особенно убедительна, если учесть, что и солнечносуточные и лунносуточные вариации требуют наличия почти соизмеримых по силе вихревых токов. Это явно невозможно, если сравнить энергию, посылаемую Солнцем и Луной к Земле.

Но если гипотеза, объясняющая лунносуточные аномалии вихревыми токами, возникающими в атмосфере, малопригодна, то это заставляет искать иные объяснения»

С точки зрения гипотезы о наличии особой дренажной оболочки земной коры, состоящей из слоев, обладающих повышенной по сравнению с выше- и нижележащими слоями пористостью и проницаемостью, возможность появления электрических зарядов и возможность их перемещения может найти удовлетворительное объяснение. Ниже приведены некоторые соображения в пользу предлагаемого представления о причинах появления магнитного поля и его аномалий.

Рассматривая роль водных растворов дренажной оболочки в создании магнитного поля, т. е. рассматривая вопрос, еще никем не затронутый, необходимо прежде всего попробовать наметить те основные вопросы, значение которых является наиболее важным для аргументации выдвигаемой гипотезы. Представляется, что к ним относятся вопросы о причинах, вызывающих появление электрических зарядов в водных растворах дренажной оболочки и о причинах постоянного, направленного, широтного перемещения электрически заряженных растворов по ней.

По-видимому, не вызывает сомнения возможность появления электрических зарядов в водных растворах в результате восстановительно-окислительных реакций и ионнообменных процессов при взаимодействии минеральных веществ и рассеянного органического вещества, находящихся в водных растворах и во вмещающих породах.

Круговорот воды, проникающей сквозь материки и уходящей под океаны, и круговорот твердого вещества, смываемого в океаны и идущего затем в пределах мантии под материки, не объясняют направленного широтного движения электрических зарядов, которые могут накапливаться в растворах.

В этом процессе потоки жидкого вещества расходятся от материков во все стороны, а потоки твердого вещества, наоборот, со всех сторон движутся под материки. Такого рода перемещение зарядов пригодно, по-видимому, для объяснения материковых аномалий магнитного поля. Возможно, что в них лежат и причины образования тех особых центров, которые лежат как на материках, так и в океане и на которых магнитная стрелка устанавливается вертикально — в одних северным, в других южным концом вниз. На рис. 40 приведена карта изопор вертикальной составляющей для эпохи 1912 г., на которой видны упомянутые центры. Центры эти не остаются на одних и тех же местах, а перемещаются преимущественно на запад.

Как видно на карте изопор вертикальной составляющей для эпохи 1942 г. (рис.41), перемещающиеся области изменяются по своим размерам, форме и взаимному расположению. Как само наличие особых областей, так и их постоянная изменчивость и специфические особенности их дрейфа не находят объяснения в существующих гипотезах.

Существующие представления о внутреннем строении Земли не давали никаких оснований для поисков таких горизонтов, в которых возможно перемещение масс вещества или циркуляция систем электрических токов. Такие явления допускались только на границе между мантией и ядром Земли, и которые лучше, чем другие, объясняли особенности поля. Однако такое глубокое залегание источников магнитного поля и его аномалий оказалось непригодным для объяснения даже таких явлений, как западный дрейф, направление и скорость перемещения которого непредсказуемы даже на короткие периоды. По-видимому, этим объясняется проведение Е. Вестайном и др. расчетов систем токов, циркулирующих на тонких шаровых оболочках, залегающих вблизи поверхности Земли и на глубинах 1000, 2000 и 3000 км и моделирующих как главное поле Земли, так и его недипольную часть для ряда эпох.

Сопоставление токовых систем, моделирующих недипольную часть магнитного поля (рис. 42 и 43), показывает, что циркуляция электрических зарядов на нулевой глубине (в дренажной оболочке земной коры) более приемлема для объяснения причин возникновения магнитных центров.

Представление о дренажной оболочке позволяет объяснить и малую глубину циркулирующих токов и их происхождение тем, что водные растворы, несущие электрические заряды, проникают через толщу материков в дренажную оболочку преимущественно в тех областях, на которых расположены центры магнитных материковых аномалий. Естественно предположить, что и выходят водные растворы через дно океанов неравномерно, а преимущественно в определенных областях.

Сопоставление токовых систем, моделирующих главное магнитное поле (рис. 44 и 45), показывает, что создание главного магнитного поля токами на малой глубине требует менее сложной системы и менее сильных токов, чем при создании его на глубине 3000 км. Чтобы возникло главное магнитное поле, необходима система токов, измеряемая величиной в сотни миллионов ампер, циркулирующих вокруг

Карта изопор вертикальной составляющей для эпохи 1912 г.

Карта изопор вертикальной составляющей для эпохи 1942 г.

Циркуляция токов в 1000000 а на тонкой сфере, расположенной на глубине 3000 км, моделирующая недипольную часть магнитного поля для эпохи 1945 г.

Циркуляция токов в 1000000 а на нулевой глубине, моделирующая недипольную часть магнитного поля для эпохи 1945 г.

Циркуляция токов в 10000000 а на глубине 3000 км, моделирующая главное магнитное поле Земли для эпохи 1945 г.

Циркуляция токов в 10000000 а на нулевой глибине, моделирующая главное магнитное поле Земли для эпохи 1945 г.

Земли почти параллельно экватору. Такое перемещение электричества, по развиваемой гипотезе, может быть вызвано приливной волной литосферы, образующейся под влиянием притяжения Луны и Солнца и перемещающейся на запад в результате движения Земли.

 

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

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.