Природа геомагнетизма интересует ученых давно. В 1724 г. на первом заседании Академии наук в Петербурге вопрос о магнетизме Земли был назван одним из самых важных.
Эйлер пытался описать распределение магнитного поля нашей планеты.
Ломоносов полагал, что Земля является магнитом, составленным и множества разных магнитов, обладающих разной силой и разной ориентацией.
Свойства геомагнитного поля Земли
Землю можно уподобить большому сферическому магниту, окружённому магнитным полем. Геомагнитное поле можно считать аналогичным магнитному полю дипольного магнита.
Дипольным магнитом считают стержень, имеющий южный и северный магнитные полюса.
Магнитные полюса не совпадают с географическими полюсами Земли. Ось магнитного диполя образует угол с осью вращения Земли примерно 11°.
Для описания магнитного поля Земли в избранной точке пространства, следует выяснить каковы:
- модуль напряженности магнитного поля;
- направление этого поля.
Параметры, указывающие направление магнитного поля Земли, это;
- склонение ($D$);
- наклонение ($I$),
измеряемые в градусах.
Величина магнитного поля Земли невелика, 0,25 – 0,65 эрстед.
Магнитное поле нашей планеты неоднородно. Для того чтобы получить картину распределения магнитного поля Земли проводят его измерения в большом числе точек, и делают это во множестве обсерваторий.
В 1990 году Канадская Геологическая служба наблюдения и Океанографический Штаб Военно-морских сил США установили, что магнитные полюса находятся:
- один 78,5° северной широты и 103,4° западной долготы, недалеко от острова Эллеф Рингес (Канада);
- второй 65° южной широты и 139° западной долготы в заливе Содружества (Антарктида).
Магнитное поле планеты считают результатом наложения пяти полей, созданными разными источниками (основные поля):
- внешней короной ядра планеты, находящейся в жидком состоянии;
- намагниченными горными породами коры Земли;
- вешним магнитным полем ионосферы и магнитосферы;
- токами коры Земли, которые текут благодаря внешним вариационным полям;
- магнитными эффектами дна океана.
Источником около 90% магнитного поля планеты является жидкая корона ядра Земли.
Изменение магнитного поля Земли
Магнитное поле Земли является переменным. Не известны законы его изменения. Проводя регулярные исследования поля (измеряя его параметры), получают данные для создания различных его моделей, магнитных карт которые помогают исследовать распределение магнитного поля в пространстве.
Палеомагнитные исследования дали основания полагать, что геомагнитное поле увеличивает свою интенсивность, уменьшается и изменяет свою полярность.
Часть изменений магнитного поля происходит регулярно. Примерами изменений магнитного поля служат:
- Суточные вариации магнитного поля, которым свойственны циклические изменения напряженности и магнитного склонения.
- Колебания поля с малым периодом, длительность подобных колебаний не более нескольких минут.
- Магнитные бури с продолжительностью до нескольких суток.
Изменение направления магнитного поля (замена южного полюса на северный и наоборот) нашей планеты называется инверсией магнитного поля.
В 1096 году Б. Брюнес исследовал магнитные свойства лавовых пород центральной Франции. Он получил, что эти вещества обладают намагниченностью, которая противоположна направлению геомагнитного поля Земли в настоящее время. Получалось, что северный и южный полюса сменили свои места. Был сделан вывод о том, что обратная намагниченность пород - это следствие того, что в момент ее образования на Земле магнитное поле имело противоположное направление.
Модели инверсии
В середине XX века японский геофизик Т. Рикитаки выдвинул теорию по которой каждой конвективной ячейке (вихрю) в жидкой короне ядра можно поставить в соответствии один диск динамо.
В модели простого дискового динамо из двух дисков ток первого диска течет ко второму диску, при этом создается магнитное поле. Второй ток с диска два перетекает к диску номер один, создается второе магнитное поле, усиливающее магнитное поле около диска один. Согласно модели Рикитаки магнитное поле совершает колебания около одного стационарного состояния, затем его амплитуда увеличивается, колебания совершаются около другого стационарного состояния. Так, моделируют возможную инверсию магнитного поля.
Магнитное поле было найдено на границе мантии и ядра. Геодинамо порождает сильное магнитное поле, но около 1% энергии этого поля попадает в пространство вне ядра. Наибольшая часть магнитного поля возникает в четырех больших областях границы ядра и мантии.
Конфигурацией магнитного поля считают диполь, который максимальную часть времени параллелен оси вращения Земли. Максимально магнитный поток земного поля ориентирован от центра Земли в Южном полушарии и к центру планеты - в Северном полушарии. Магнитный поток распределен неравномерно.
Южный магнитный полюс диполя расположен около северного географического полюса, в этой связи, стрелка компаса показывает на северный географический полюс.
Напряженность магнитного поля максимальна на Антарктическом побережье, под Северной Африкой и Сибирью. Некоторые авторитетные источники считают, что данные участки поля существуют тысячи лет и поддерживаются внутриядерной конвекцией. Палеомагнитология говорит о том, что смены полюсов шли в достаточно короткие отрезки времени от 4 000 до 10 000 лет. При прекращении работы геодинамо магнитный диполь существовал бы еще 100 000 лет. Изменение же полярности в более короткий срок говорит о том, что некоторое неустойчивое положение разрушает полярность и вызывает инверсию.
Инверсию пытались объяснить случайным изменением структуры магнитного потока. Но, периодичность изменения полярности, которая проявляется устойчиво последние 120 млн. лет, показывает возможное внешнее регулирование. Как одну из причин выдвигают изменение температуры нижнего слоя мантии и характера излияний ядра.
Изменения геомагнитного поля появляются на границе ядра и мантии там, где направление магнитного потока противоположно обычному для рассматриваемого полушария. Площади Земли, с магнитным полем противоположного направления, появляются в случае прорыва закрученных и петляющих линий поля за пределы ядра. Части данного поля имеют возможность значительного ослабления магнитного поля на Земной поверхности, что может стать свидетельством инверсии поля. Участки обратного поля возникают тогда, когда жидкая масса ядра поднимается вверх. Такое излияние может закрутить и изменить направление линий магнитной индукции. Вращение планеты приводит к винтовой циркуляции расплава, при этом петля на выдавленной магнитной линии может затягиваться. Если сила выталкивания может вытолкнуть петлю из ядра, на границе между ядром и мантией возникает пара участков магнитного потока.
В настоящее время определено, что новые участки обратного магнитного поля продолжают возникать, например, под Арктикой. Ранее обнаруженные участки увеличились и сдвинулись в направлении полюсов.
Локации интенсивного магнитного поля нормального и обратного направлений возникают на границе ядро – мантия, в местах взаимодействия больших завихрений поля с магнитными полями, направленными на восток и запад, проникающими внутрь ядра.
Турбулентные движения жидкой части ядра могут закручивать линии полей. Если вращение перемещает локацию обратного магнитного поля в сторону географического полюса, при этом нормальное поле удаляется, то магнитный диполь ослабляется (он является более уязвимым около своих полюсов). В случае глобального наступления смены полюсов участки обратного магнитного поля способны разрастаться на большие площади около географических полюсов.
