В.С. Захаров, В.Б. Смирнов - Физика Земли (1119252), страница 36
Текст из файла (страница 36)
Магнипгое поле Земли меняется в пространстве (в том числе на поверхности Земли) и во времени. Ь ф Ри«.7.1. Ма«нито«фара Земли Характеристикой магнитного поля Земли является его ггоггулисенносгнь Т -- момент силы, действующий со стороны поля на единичный магнии Напряженность магнитного поля — векторная величина, Магнитное поле изображается силовыми линиями, касательные к которым в каждой точке указывают направление вектора напряженности поля. Плотность силовых линий — число силовых линий, пересекающих единичную площадку. перпендикулярную направлению силовых линий, — равна величине напряженности поля. Элементами ми нитного ноля Зегьти называются составляющие вектора напряженности в локальной системе координат, в которой ось с направлена вертикально вниз, ось х направлена на географический север, ось у — на Восток, оси х и у лежат в горизонтальной плоскости, касающейся поверхности Земли (рис.
7.2). ГгАтграфическия север Рмс. 7,2. Элементы земного магнитного полл Проекция вектора на горизонтальную плоскость называется горизонтальной составляющей (Н), проекция на ось с — вертикальной составляющей (Я) полного вектора Т.
В свою очередь„проекции горизонтальной составляющей на оси х и у называются северной (Х> н восточной составляющимтг ()) соответственно. Исторически сложилось так, что для ориентации вектора напряженности в пространстве использовались углы. Згеол между направлением горизонтальной составляющей Ут и направлением на географический Север называется склонением (Х> — тгесггнаггоя), а угол между вектором на- пряженности Ти его горизонтальной составляющей Н вЂ” логслонеяяеи (7-- !лсйлапол). Комбинации этих элементов полностью определяют вектор Т: Х, К У вЂ” в декартовой; I, П, 7) — в цилиндрической; Т, 7), 7 — в сферической системах координат. Этн элементы магнитного поля связаны между собой следующими соотношениями: Х = 7 сов(созН, У = 7сокбз!п)), 2 = Тз!п7, Н=з(Х +У =Тсоз), 1ВН=У7Х, 1я 7 = У / Н, т-Г»' Г' Г' 7,1.2.
Напряженность пеяя и магнитная нидукцяя. Системы единиц в геомагиетнзме Вплоть ло 1980 г. в геофизической литературе применяли в основном систему СГСМ, для которой основными единицами были грамм (г). сантиметр (см), секунла (с), а электрические и магнитные единицы описывались с помощью механических елнниц. С 1980-х гг соответствующие международные комитеты рекомендуют применять систему СИ, в которой основными единицами являкпся метр (м), килограмм (кг), секунда (с), и ампер (А).
В системе СГСЧ основные соотношения н уравнения электромагнетизма имели более простой вид, поскольку в СГСМ электрическая постоянная (е ) и магнитная постоянная (рс) были равны 1, а также отсутствовал множитель 4х. Поскольку в геомагнетизме в настоящее время используются обе системы, приведем здесь базовые соотношения для СГСМ и СИ, а также таблицу ели ниц и количественных соотношений между ними (табл, 7,11, В силу эквивалентности магнитного поля тока и постоянного магнита в качестве эталонного принято магнитное поле постоянно~о тока силой в 1 Ампер (1А), текущего в бесконечно длинном прямом проводнике. на расстоянии ! и от него (в вакууме).
Кажлому замкнутому току 7, охватывающему плошалку Я, соответствует магнитный момент, эквивалентный моменту днполя Таблица 7.! Сввтиввгвнмя единиц в системах СИ и СГСМ Величина Соотношение 1 А/м = 4к 10 'Э Напряжен- ность 1 А/м ! Тл= 10'Гс 1 Тч = =1Г А/м = = 1 кг/(А.с~) Магнитная индукции 1 Гс 1А/м=10 ед. сгсм/см' Намагничен- ность ! А/и 1 ед. сгсм/ !Ам =1О ед. СГСМ Магнитный момент 1 ед. СГСМ 1 Вб = 10" Мкс Магнитный гюток 1Вб= = 1 Ги А = = 1 кг м~/(А.сз) 1 Мкс 1 Гн/м = 10'/4к СГС М 1 йг/и= = 1 кг и/(А с ) 1 ед. СГСМ Магнитная проницае- мость вакуума где и — нормаль к поверхности витка. Единицей мзмерения напря- женности Т полн в системе СИ является 1 Ампер/метр (А/м), в сис- теме СГСМ единицей напряженности полн служит 1 Эрстед (Э).
1 Э = 79,58 А/м. В=рр Т (7.2) где р — магнитная проницаемость вещества. В системе СГСМ проницаемость вакуума р является безразмерной величиной и равна единице. Поэтому в системе СГСМ в вакууме В = Т, в веществе В= рТ. Магнитная проницаемость вакуума (магнитная постоянная) ре в системе единиц СИ равна ра = 4к 10 ~ Гн/и. Поэтому в системе СИ в вакууме В = р Т и соответственно размерность напряженности поля и индукции различны.
Единицей магнитной индукции В в системе СГСМ является ! Гаусс (1 Гс) — 1 Гс = 1 Э; в СИ вЂ” 1 Тесла (Тл), 1 Тз = 10 Гс. Соотношение для В и Т в веществе (7.2) записывается также в виде 22В Напряженность Тхарактеризует поле, созданное в вакууме. В веществе поле характеризуют индукцией В. Величины магнитного поля Т и индукции В связаны соотношением гле К вЂ” магнитная восприимчивость, или В= р (Т+,г), (7.4) где 1 — намагниченность; г = КТ. Для вакуума )( = О и / = О. Поскольку цзмерения магнитного поля Земли проводятся в воздухе, а не в вакууме, правильнее говорить об индукции.
Однако поскольку для возлуха р очень близко к (, используют оба термина. Напряженность (нндукция) магнитного поля Земли различна в различных точках на поверхности Земли: около геомагнитных полюсов она составляет около 6,6 !О Тл, на магнитном экваторе — около2,5 )О 'Тл. Величина )О ~Тл называется ! нТличасто используется в геомагнцтных измерениях как внесистемная единица измерения поля ! Т=)0 ' 3 = )О "Тл = ! нТл. 7.1.3. Методы измерения магнитного поля Земли Наиболее древним и самым распространенным до сих пор при- бором для указания направленпя магнитного поля является козгпас. Компас был изобретен в Китае в ! в.
н, з., а в Европе получил рас- пространение лля нужл морской навигации начиная с Х(! в. Направ- ление оси магнитной стрелки отклоняется от направления на геогра- фический север на угол, равный склонению (0) в ланной точке, Такой прибор называется деклиломегпр. Магнитное склонение и его зависимость от положения на поверхности Земли было открыто Ко- лумбом во время плавания к берегам Америки. Магнитная стрелка, закрепленная так, что она может вращаться вокруг 1оризонтальной осн (в вертикальной плоскости ми нитного меридиана), измеряет угол наклонения г'.
Такой прибор называется инюгило метр, Для измерения величины поля в настоящее время используются следуюызие типы приборов. Феррозоидоаые, основанные на измерении потока, пронизывающего лве тонкие пластинки пермаллоя (магнитомягкого сплава железа и никеля): индукционный ток разбалансировки двух обмоток провода вокруг пластинок пропорционален величине внешнего поля.
Их чувствительность — !0 Т. ° Прилоялы», основанные на явлении прецессии спинового магнитного момента протонов (обычно в протоносолержаших жидкостях -- вода, спирт и т.п,). Частота прецессии пропорциональна величине вне!пнего магнитного поля, точность измерений порядка ! Т. ° Олмичсские.
основанные на эффекте расщепления спектральных линий некоторых изов в магнитном поле. Величина сдвига линий пропорциональна величине поля. Чувствительность таких приборов порядка 0,01-0,1 у. ЯЛ0 (апрегсопдпс!(пя ппап1шп! пгег(егепсе дечсе) — сверхпро~юдяший квантовый интерферометр, Принцип действия прибора основан на том, что сила тока, проходящего через контакт мета.ш — изолятор — металл при низких температурах, при которых металл является сверхпроводн иком (коли!акты Длгозе4- соиа), зависит от величины внешнею магнитного поля.
Эгосамые точные современные приборы, их чувствительность -!О ~~Тл = 0,00! у. Эти приборы предназначены для измерений элементов магнитного поля Земли как в магнитных обсерваториях, так и при проведении магнитных съемок. В настоящее время на Земле работают около 170 обсерваторий, расположенных в основном на континентах н на островах мирового океана.
С вопросами измерений и регистрации элементов современного магнитного поля Земли, включая спутниковые измерения, можно ознакомиться на сайте Инсигитута земного магиглгизиа, ионосферы и распроседаиеиил радиоволн РАН ( ИЗМ И РАН, (з!(р://згввлхт(гаплзз!. гц). Наземные, аэро- и морские магнитные съемки осуществляются с помощью протонных магнитометров, на искусственных спутниках Земли усшнавливают квантовые магнитомегры, УЛ.4. Представления о магнитном поле Землн Магнитное поле Земли измеряется регулярно в ограниченном числе точек на ее поверхности, Для целей навигации и при проведении других работ„например магнитной съемки на ограниченной территории, требуется знать элементы магнитного поля, хотя его измерение на этой территории не проводилось.
Еше в ХЯ в. были изготовлены первые карты элементов поля в виде изолиний их значений. Карты строились ручным способом: по весьма ограниченному количеству пунктов измерений, интерполируя значения на те области, где измерений не было. Вид этих карт навел Гильбе(нна (1600) на мысль, что магнитное поле на поверхности Земли в целом похоже на поле диполя, помещенного в центре Земли. Эта гипотеза позволила получить хотя бы грубое представление о направлении поля в любой точке Земли. Строгое решение задачи аналитического представления магнитного поля Земли в любой точке по ограниченному числу пунктов измерений дал й;Ф. зйуее в Х1Х в, (1839).
Гаусс лля описания магнитного поля ввел такую функцию К что ее пространственные производные есть элементы магнитного поля 230 Эи функция носит названиемагнитиоео потенциала и вне источника удовлетворяет уравнению Лапласа Обратите внимание. что магнитное поле является не потенциальным, а вихревым, однако понятие магнитного потенциала весьма успешно используется лля его математического описания еле иегиочиика поля. Решение уравнения (7.6) в сферической системе координат ищется в виде (см.
гл. 3) 0(г, й, Х) = Г(е)О(й)А().), где у(г) — функция, зависягцая только от расстояния г до центра Земли: й(0) — только от широты д (или полярного угла 0 = 90 — ~р); А(Х) — только от долготы Х. Разложение ма~нитного полн по сферическим функциям имеет вил ()(г,б.),)=а ~ ~~> , '— ~ (Л„созг~),+й„'"з1птХ) Р„(созй), (7.7) в=от=а ~ глв а — радиус Земли; Р„(совй) — присоединенные полиномы Лежандра, Измерив в некотором числе пунктов элементы геомагнитного поля, можно опрелелить коэффициенты я,'," и )~и (их называюткоз44ициенгааии Гаусса) с точностью, которая определяется точностью измерения, количеством и плотностью точек измерения.
Аналипы ческие модели магнитного полн представляют собой набор рассчитанных по измеренным значениям полн коэффициентов сферического гармонического анализа я„'" и л„', позволяющих рассчитать значение элементов поля в любой точке земного шара. В настоящее время существует несколько геомш нитных моделей.
Полная таблица этих коэффициентов, публикуемая для конкретной эпохи, полностькз определяет некоторую модель главного поля Земли на этот момен~ времени. Магнитное поле Земли медленно меняется со временем, поэтому молели корректируются каждые пять лет. Мегиенные изменения магнитного поля Земли во времени названы вековым ходом (см, ниже). Олна из самых распространенных моделей — Междучгародное геомагннтное аналитическое поле ()пгегпа!!опа! Оеогпаяпег!с КеГегспсе Г)е!д, 16 ЕГз Вцр://тгвлкпйдс.пола.Вот!!АОА7тшод/!0г('. Ьгш!). Это серия математических моделей главного магнитного поля Земли (без учета внешних источников) и его вековой вариации на пятилетние интервалы. В 20!5 г. принята модель !(ЗКР-!2, используя зту модель, можно по уравнению (7.7) рассчитать значения всех элементов геомагнитного поля в любой точке земного шара в любой момент времени с 1935 по 2015 г., и для экстраполяции поля на эпоху до 2020 г.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
