В.Н. Жарков - Внутреннее строение Земли и планет (1119250), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Они существуют узвезд, в космическом пространстве; имеется магнитное поле у Солнца и у планетМеркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. В самое последнее время полученыуказания на наличие собственного магнитного поля у планет Уран и Нептун.91Для проблемы внутреннего строения, пожалуй, само замечательной особенностью геомагнитного поля является его быстрая изменчивость.
Значениевариаций магнитного поля для физики Земли определяется тем, что, с однойстороны, это наиболее быстрые изменения из всех геофизических процессов,которые поддаются изучению, и, с другой, что они отражают сложную картинугидромагнитных течений и колебаний в ядре Земли — месте, где расположеныисточники собственного геомагнитного поля.
Это позволяет нам также судитьо значениях ряда параметров земного ядра, которые не могут быть оцененыс помощью других геофизических методов. Далее, изучение затухания в Земле электромагнитных сигналов, которые инициируются солнечной активностьюв верхней атмосфере, позволяет определить в общих чертах такую важную характеристику земных недр, как электропроводность.Наряду с отмеченными двумя выходами в физику Земли геомагнитные исследования сейчас широко применяются для установления картины перемещений земной коры океанов в историческое и геологическое время. Последнеестало возможным на основе недавно разработанных археомагнитных и палеомагнитных методов, которые позволяют определять геомагнитное поле в далеком прошлом.
Например, лавовый поток из вулкана приобретает намагниченность во время охлаждения в земном магнитном поле, и такая намагниченностьпараллельна приложенному полю. Возраст породы может быть определен с помощью радиоактивного или геологического датирования. Следовательно, этот«ископаемый» магнетизм позволяет нам судить о магнитном поле Земли, которое было в период застывания лав.
Проведенные исследования показывают, чтомагнитное поле у Земли существует по крайней мере сотни миллионов лет, аможет быть, и больше, и что на протяжении геологической истории происходилоизменение полярности поля.То, что Земля имеет магнитное поле, было известно уже в древности, болеетысячи лет назад, китайцам, которые были знакомы с магнитной стрелкой-компасом. Однако начало геомагнетизму как научной дисциплине положено значительно позже, в 1600 г., когда Вильям Гильберт, придворный врач английскойкоролевы Елизаветы I, опубликовал свой трактат по геомагнетизму.
Гильберт показал, что магнитное поле Земли сходно с полем магнитного диполя, т.е. Земляпредставляет собой как бы гигантскую магнитную стрелку в форме шара. Позднее магнитологи обнаружили, что земное поле сходно с полем сферическогомагнита, ось которого наклонена к оси вращения Земли на 11∘ .Систематические наблюдения за магнитным полем были начаты в 1580 г.,и это позволило уже в 1622 г. обнаружить заметное изменение направлениямагнитного поля в районе Лондона за истекшие 40 лет. В 1839 г.
появилась фундаментальная работа Гаусса «Общая теория земного магнетизма». Гаусс первым92произвел сферический анализ геомагнитного поля, т.е. разложил магнитное полеЗемли по сферическим функциям. О том, что в связи со сферичностью Земли всеполя разлагаются по сферическим функциям, мы подробно говорили в разделе,посвященном гравиметрии. Такой анализ всегда полезен, и Гаусс сразу получилмногие фундаментальные результаты. Прежде всего он совершенно однозначноразделил геомагнитное поле на внутреннее и внешнее, т.е. на поля, источникикоторых расположены внутри и вне поверхности Земли.
Как мы теперь знаем,источники внутреннего поля находятся в земном ядре, за исключением небольшого фона от намагниченности горных пород. Оказалось, что почти весь земноймагнетизм имеет источники внутри Земли. Сферический анализ дает, по существу, разложение поля на компоненты разной мультипольпости — дипольноеполе, квадрупольное поле и компоненты высшей мультипольности. Гаусс показал, что в собственном магнитном поле преобладает дипольная компонента, ноэта компонента не исчерпывает всего магнитного поля Земли.
Земля имеет также квадрупольное магнитное поле и поле высшей мультипольности. Разложивполе по сферическим функциям, Гаусс впервые вычислил величину магнитногодиполя, которая для той эпохи равнялась 8.5 ⋅ 1025 ед. СГСМ. Оказалось, чтодипольное поле Земли по величине на порядок превосходит магнитное полевысшей мультипольности.После Гаусса сферический анализ магнитного поля Земли производилсянеоднократно. Элементы магнитного поля стали изображать с помощью изолиний на магнитных картах для различных эпох.
В 1950 г. был произведендетальный сравнительный анализ магнитных карт для различных эпох. Этотанализ привел к важному открытию. Получалось так, что картины изолинийнедипольной части магнитного поля систематически смещаются — «дрейфуют»в западном направлении. Величина этого дрейфа велика и составляет примерно0.2 градуса в год по долготе. Так как источники поля расположены в жидкомядре Земли, то это означает, что в ядре имеют место долготные течения жидкости со скоростями примерно 0.1 см/с. Эти скорости в миллион раз большескоростей тектонических движений, приводящих к горообразованию, о которыхмы судим также по современным движениям земной поверхности.
Последниескорости составляют лишь ∼ (0.1–1) см/год и меньше. Чтобы представить себеболее наглядно масштаб тектонических скоростей, предположим, что частицамантии Земли движется вверх по радиусу от границы ядра к поверхности Землисо скоростью 1 см/год. Тогда весь путь в 2900 км она пройдет за 290 миллионовлет.
Если скорость движения будет меньше, скажем, 0.1 см/год, то время выходана поверхность будет примерно 3 миллиарда лет, т.е. близко к времени существования Земли как планеты. Насколько быстрее происходят движения в ядреЗемли, видно из того, что поле вековых вариаций, двигаясь к западу, совершаетоборот вокруг земной оси примерно за 2000 лет.93Величина земного магнитного диполя также не остается постоянной. Онасистематически уменьшается со времен Гаусса. При таком темпе уменьшениячерез 2000 лет земное дипольное магнитное поле должно исчезнуть.
Однакотакие экстраполяции в геофизике опасны. Никто не может поручиться за то,что эпохи уменьшения магнитного поля не сменяются эпохами его роста. То жесамое имеет место и при вертикальных движениях земной поверхности. Мызнаем, что часто периоды поднятий поверхности сменяются периодами ее опускания, так что само движение имеет скорее колебательный характер.В действительности археомагнитные и палеомагнитные исследования какраз и показали, что величина поля магнитного диполя изменяется около некоторого среднего значения, близкого к современному.
Пока что восстановлен одинпериод такого колебания магнитного диполя, длящийся ∼ 8000 лет. Минимальное значение дипольного поля примерно в два раза меньше максимального.Еще больший период соответствует переполюсовкам (смене полярности) геомагнитного поля. В новейшее геологическое время продолжительность эпоходной полярности составляла в среднем ∼ 2 ⋅ 105 лет. В более древнее геологическое время эти периоды были больше, достигая 106 и даже 107 лет. Явлениесмены полярности геомагнитного диполя послужило основой для создания геомагнитной хронологической шкалы. Эта шкала указывает, какую полярностьи на протяжении какого периода времени имел магнитный диполь.
В настоящее время имеется предварительная шкала для последних 160 миллионов летгеологической истории Земли. Уточнение этой шкалы и ее расширение во времени представляет одну из фундаментальных задач современной геофизики.В значительной мере это обусловлено тем, что полосчатая структура магнитных аномалий океанического дна, расположенных симметрично относительносрединноокеанических хребтов, с помощью геомагнитной шкалы позволяет оценить скорость раздвигания океанического дна в стороны от хребтов.Приведем основные формулы, описывающие геомагнитное поле.
Подобнотому как гравитационное поле описывается с помощью гравитационного потенциала V (30), магнитное поле Земли определяется путем разложения магнитногопотенциала W по сферическим функциям:∞ n ( )n+1 {} mam(42)gmW =a∑ ∑n cos mλ + hn sin mλ Pn (cos θ ),n=1 m=1 rгде a — радиус Земли, r — расстояние до центра Земли, в котором помещеноначало сферических координат, θ — полярное расстояние, λ — восточная долгоmmmта, gmn и hn — коэффициенты Гаусса. Коэффициенты gn и hn измеряются в техже единицах, что и напряженность магнитного поля.
В системе СГС единицанапряженности называется «гаусс» и обозначается Гс. В земном и космическом94магнетизме обычно употребляется значительно меньшая единица напряженноmсти поля, гамма (γ ), 1γ = 10−5 Гс. Величины gmn и hn испытывают небольшиеизменения во времени — так называемые вековые вариации. Значения первыхкоэффициентов ряда (42) приведены в табл. 1.
Первые коэффициенты ряда (42)можно наглядно интерпретировать. Пусть в центре Земли вдоль полярной осиz расположен магнитный диполь . В произвольной точке P вектор M создаетмагнитный потенциал W = M ⋅ r/r3 . В рассматриваемом случае M = (0, 0, Mz );тогдаMzMz(43)W = 2 cos θ = 2 P1 (cos θ ).rrПолагая в (42) и (43) r = a и сравнивая оба выражения, найдем g01 = Mz /a3 .Аналогично коэффициенты g11 и h11 выражаются через компоненты магнитногодиполя Mx и My как g11 = Mx /a3 и h11 = My /a3 . Следовательно, первая сферическая гармоника геомагнитного поля эквивалентна полю магнитного диполя,расположенного в центре Земли, причем величина магнитного момента диполяравна√( )( )2( )223(44)g01 + g11 + h11 ,M=aа направление диполя определяется углами θ0 и λ0 :( 0 )−1 √( 1 )2( )2g1 + h11 , tg λ0 = h11 /g11 .tg θ0 = g1(45)Точки, в которых ось диполя пересекает земную поверхность, называютсягеомагнитными полюсами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
