Магнітне поле Землі, геомагнітне поле

МАГНІ́ТНЕ ПО́ЛЕ ЗЕМЛІ́, геомагнітне поле  — силове поле, яке створюється джерелами всередині земної кулі (див. Земля) та у навколоземному просторі (магнітосфері та іоносфері). Менша його частина пов’яза­­на з навколоземними джерелами, головна частина — із внутрішніми джерелами: електричними струмами в земному ядрі (головне М. п. З., включаючи світові магнітні аномалії) і магнітними мінералами в земній корі (аномальне магнітне поле).

Питання щодо походження магнітного поля донині остаточно не розв’язане. Більшість дослідників вважає, що в основі земного магнетизму лежить теорія динамо-ефекту: конвективні або турбулентні рухи провідної рідини в ядрі Землі сприяють самозбудженню та підтриманню магнітного поля в стаціонарному стані. У першому наближенні магнітне поле Землі можна уявити як поле магнітного диполя, розташованого в центрі Землі та нахиленого під кутом 11,5° відносно осі обертання планети. Його південний полюс знаходиться на географічному Північному полюсі, а північний — на Південному полюсі. Магнітний момент такого диполя має величину порядку 8·10²² А·м². Це не стала величина, за останні 100 р. магнітний момент зменшився на 5 %. Точки перетину такого диполя з земною поверхнею називають геомагнітними полюсами. Магнітні полюси — умовні точки на земній поверхні, де силові лінії магнітного поля направлені під кутом 90° до поверхні. Їхні географічні координати для 2016: геомагнітні північ і південь — 80.4°N, 72.7°W та 80.4°S, 107.3°E; магнітні південь і північ — 86.4°N, 166.3°W та 64.2°S, 136.4°E. Вони не є фіксованими і з часом зміщуються.

Північний магнітний полюс нещодавно покинув територію Канади та рухається в напрямку РФ. Характеристикою М. п. З. є його напруженість, що визначає величину й напрям магнітного поля в даній точці земної поверхні в даний час і є силою, що діє на одиничну масу. Позначається різними авторами літерами H_T, F або T. Одиниця вимірювання — Ампер/метр (А/м) у системі СІ, ерстед (Е) у системі СГС; 1Е = 10³/(4ϖ) А/м. Силовою характеристикою магнітного поля є B — магнітна індукція. Її одиницями вимірювання є тесла (Тл) у системі СІ або гаус (Гс) у системі СГС; 1 Гс = 10^-4 Тл. На практиці для опису геомагнітного поля використовують значно меншу одиницю — наноТесла; 1 нТл = 10^-9 Тл = 1γ. У точці спостережень на поверхні Землі вектор напруженості розкладається на елементи земного магнетизму: X — північна складова, додатним вважається напрям уздовж географічного меридіана на північ; Y — східна, уздовж географічної паралелі на схід; Z — вертикальна, направлена донизу паралельно вертикалі; H — горизонтальна компонента, що лежить у площині магнітного меридіана; D — магнітне схилення, кут між магніт. і геогр. меридіанами; I — нахилення, кут між горизонтальною компонентою H та повним векто­ром F. X, Y, H, Z називають силовими компонентами, D та I — кутовими. Співвідношення між H = cosI; Z = FsinI; Z = HtanI; X = HcosD; Y = HsinD. Інтенсивність М. п. З. змінюється в межах від 25000 нТл у поблизу екватора до 65000 нТл у районі полюсів. На поверхні Землі спостерігається поле, яке є векторною сумою полів декількох джерел, розташованих у різних областях усере­дині Землі і в навколоземному просторі: F = F₀+F_m+F_a+F_e+δF, де F₀ — дипол. поле; F_m — поле світових аномалій, пов’язане з неоднорідністю глибоких шарів земної кулі (недипол. поле); F_a — поле, обумовлене намагніченістю порід верхньої частини земної кори (аномал. поле); F_e — поле зовнішніх джерел; δF — поле варіацій, також пов’язане із зовнішніми причинами. Суму дипол. і недипол. полів називають головним магнітним полем Землі F’ = F₀+F_m. Одна з найбільш характерних особливостей магнітного поля Землі — його мінливість. Її досліджують за допомогою різних методів, що мають різну фізичну основу, роздільну здатність, охоплюють різні часові діапазони.

Інструментальні спостереження (розпочаті близько 400 років тому) — прямі спостереження елементів земного магнетизму за допомогою приладів на обсерваторіях, супутникові, аерозйомки, наземні та зйомки на акваторіях морів. У 19 столітті розпочався якісно новий етап з організацією світової мережі обсерваторій, яка нині складається з понад 100 обсерваторій по всій земній кулі. Решта методів належить до непрямих — історичні дані доповнюють інформацію про вікові варіації діапазону за останні 400–500 років. Об’єктами дослідження археомагнітного методу є залишки виробів з випаленої глини (цегла, кераміка, фрагменти гончарних печей) і, значно рідше — обпалені осадові породи давніх вогнищ віком до кількох тисяч років тому. Перевага цього методу — в точному визначенні віку об’єктів (зокрема радіовуглецевим методом) та добре розробленій теорії природи термозалишкової намагніченості обпаленої глини, що дозволяє визначати з точністю до перших градусів деклінацію та інклінацію, а також до перших тисяч нанотесла величину напруженості давнього геомагнітного поля. Палеомагнітний метод базується на визначенні природної залишкової намагніченості зразків гірських порід. У основі архео- і палеомагнітних методів лежить єдина феноменологічна теорія феромагнетизму, яка дозволяє вивчати процеси формування природної залишкової намагніченості у зразку (археологічному релікті чи гірській породі). Методи відрізняються точністю, роздільною здатністю та часовим діапазоном, надають інформацію про зміни магнітного поля Землі у часі.

Для уявлення про просторовий розподіл елементів земного магнетизму будують магнітні карти: ізолінії деклінації називають ізогонами, інклінації — ізоклінами, горизонтальної складової напруженості, вертикальної складової напруженості, повної напруженості — ізодинамами. Карти створюють на основі модельних розрахунків і даних спостережень та визначень; останні розташовані нерівномірно по земній поверхні. В основі моделювання лежить теорія Гауса, яка представляє магнітне поле Землі як функцію координат даної точки, залишаючи осторонь фізичні причини виникнення поля. На її основі створене стандартне наближення головного геомагнітного поля, яке називають міжнародним еталонним геомагнітним полем (IGRF; International Geomagnetic Reference Field) для періоду від 1900 року донині, а також моделі древнього магнітного поля Землі на основі архео- та палеомагнітних визначень (наприклад, серія моделей CALSxk).

Магнітне поле Землі екранує Землю від згубного для всього живого потоку заряджених частинок сонячного вітру та, частково, від космічного проміння. Вивчення геомагнітного поля має велике значення для орієнтування на місцевості, розвитку радіозв’язку, розвідки родовищ корисних копалин (магнітометричні та магнітотелуричні методи розвідки) тощо.

Завантажити статтю