Магнитное поле Земли

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ 

  Специальный раздел геофизики, изучающий происхождение и природу магнитного поля Земли называется геомагнетизмом. Геомагнетизм рассматривает проблемы возникновения и эволюции основной, постоянной составляющей геомагнитного поля, природу переменной составляющей (примерно 1% от основного поля), а так же структуру магнитосферы – самых верхних намагниченных плазменных слоев земной атмосферы, взаимодействующих с солнечным ветром и защищающих Землю от космического проникающего излучения. Важной задачей является изучение закономерностей вариаций геомагнитного поля, поскольку они обусловлены внешними воздействиями, связанными в первую очередь, с влиянием солнечных излучений.

  Большинство планет Солнечной системы в той или иной степени обладают магнитными полями. По убыванию дипольного магнитного момента на первом месте Юпитер и Сатурн, а за ними следуют Земля, Меркурий и Марс, причем по отношению к магнитному моменту Земли значение их моментов составляет 20 000, 500, 1, 3/5000 3/10000.
    
  Реальные магнитные силовые линии магнитного поля Земли в среднем близки к силовым линиям этого диполя, отличаясь от них местными нерегулярностями, связанными с наличием намагниченных пород в коре. На больших расстояниях магнитное поле Земли несимметрично. Под действием исходящего от Солнца потока плазмы (солнечного ветра) магнитное поле Земли искажается и приобретает «шлейф» в направлении от Солнца, который простирается на сотни тысяч километров, выходя за орбиту Луны.
    
  Точки Земли, в которых напряжённость магнитного поля имеет вертикальное направление, называют магнитными полюсами. Таких точек на Земле две:  северный магнитный полюс и южный магнитный полюс. При этом, южный геомагнитный полюс находится в северном полушарии, северный – в южном. Прямая линия, проходящая через магнитные полюсы, называется магнитной осью Земли. Окружность большого круга в плоскости, которая перпендикулярна к магнитной оси, называется магнитным экватором. Напряжённость магнитного поля в точках магнитного экватора имеет приблизительно горизонтальное направление.
   
  Его центр смещен относительно центра Земли в направлении на 18° с.ш. и 147,8° в. д. Ось этого диполя наклонена к оси вращения Земли на 11,5°. На такой же угол геомагнитные полюса отстоят от соответствующих географических полюсов.

  В настоящее время южный магнитный полюс расположен недалеко от северного географического полюса Земли. Его координаты: ; = 78,6 + 0,04° Т с.ш., ; = 70,1 + 0,07° T з.д., где Т – число десятилетий от 1970.
 
  Координаты cеверного магнитного полюса: ; = 75; ю.ш., ; = 120,4; в.д.          Дипольный магнитный момент Земли на 1995 год составлял 7,812•1025 Гс•см; (или 7,812•1022 А•м;), уменьшаясь в среднем за последние десятилетия на 0,004•1025 Гс•см; или на 1/4000 в год. Средняя напряженность поля на поверхности Земли составляет около 0,5э (50 мкТл) и сильно зависит от географического положения. Напряжённость магнитного поля на магнитном экваторе около 0,34 э (эрстед), у магнитных полюсов около 0,66 э. В некоторых районах (в так называемых районах магнитных аномалий) напряжённость резко возрастает. К примеру, в районе Курской магнитной аномалии - КМА она достигает 2 э.

  Известно, что МПЗ – это не просто магнитный диполь. Кроме северного и южного магнитного полюсов существуют 4 глобальные магнитные аномалии - ГМА. Две из них находятся в северном полушарии: Канадская  и Сибирская. Две другие находятся в южном полушарии: Бразильская    и Южная (Антарктическая).  Кроме того, существуют множество более мелких магнитных аномалий, к которым можно приписать практически все открытые и еще не открытые месторождения ферромагнетиков (железа, никеля…).      Существование и взаимодействие магнитных полей всех магнитных аномалий создают свою конструкцию МПЗ, которая взаимодействуя с изменяющимся наводящим магнитным полем от кругового тока создает окончательное, результирующее (суммарное) МПЗ.  ГМА - это отклонения от эквивалентного диполя до 20% напряженности отдельных областей с характерными размерами до10 000 км. Эти аномальные поля испытывают вековые вариации, приводящие к изменениям  в течение многих лет и столетий и существенно влияют на все МПЗ.

  Кроме ГМА существуют магнитные поля локальных областей внешних оболочек с протяженностью от нескольких до сотен км. Природа их существования объясняется намагниченностью горных пород в верхнем слое Земли, слагающих земную кору и расположенных близко к поверхности. Одна из наиболее мощных МА, не входящих в группу ГМА – Курская магнитная аномалия. Недавно открыта более мощная Боливийская магнитная аномалия. Вполне возможно , что еще не все аномалии открыты. Очень большое влияние на всю конструкцию магнитного поля земли имеют глобальные залежи магнитосодержащих конкреций, находящихся на дне Мирового океана.

  Канадская, Сибирская, Южная ГМА -  здесь величина магнитного поля возрастает и направление магнитного диполя совпадает с основным диполем МПЗ. Бразильская ГМА  - направление магнитного диполя имеет обратное направление по отношению к основному диполю МПЗ.

  Можно предположить, что существует историческая связь между некоторыми ГМА. По всей видимости, Канадская и Сибирская ГМА возникли в одно время на материке Пангеи как единое целое, а затем, при расколе Пангеи, ее  праГМА разделилась на две части, сохранив направление первичной ориентации. Скорее всего, эти две ГМА имеют глубокие корни в земной коре в виде магнитопроводов, которые имеют возможности поддерживать магнитный диполь.

  Для магнитного полюса в южном полушарии принципы остаются те же самые. Вероятнее всего, Южная аномалия (Антарктическо- Африканская) имеет аналогичную историческую связь и первоначальную ориентацию.

  ИНВЕРСИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

  В 1958 году впервые была установлена полосчатая форма магнитных аномалий северо-западной части дна Тихого океана. Сравнительно неширокие, до 40 км, полосы с прямой и обратной намагниченностью, причем интенсивность намагничивания вдоль каждой из полос практически не менялась. Исходя из скорости движения материков около 4 см / год, можно рассчитать, что глобально-стабильные долговременные инверсии происходили через каждый миллион  лет. Здесь, скорость движения принята постоянной по величине, хотя она могла меняться в небольших пределах.
Инверсия магнитного поля Земли  — изменение направления магнитного поля Земли в геологической истории планеты (определяется палеомагнитным методом). При инверсии северный магнитный полюс и южный магнитный полюс меняются местами, и стрелка компаса начинает показывать противоположное направление. Инверсия — относительно редкое явление, которое ни разу не происходило за время существования человека. Предположительно, последний раз оно произошло 780 тысяч лет назад.

  В других районах планеты, инверсии магнитного поля происходят через интервалы времени от десятков тысяч лет, до огромных промежутков спокойного магнитного поля в десятки миллионов лет, когда инверсии не происходили. В этих районах, не обнаружено никакой периодичности в смене полюсов, и этот процесс считается схоластическим. За длительными периодами спокойного магнитного поля могут следовать периоды многократных инверсий с различной длительностью и наоборот.

  Подведем итоги, что мы знаем о МПЗ:
   
  1. Доказана связь частоты тектонической активности планеты с инверсией МПЗ.
   
  2. Величина температурного градиента пород с обратной полярностью геомагнитного поля несколько выше, чем этот градиент у пород с прямой полярностью.
   
   3. Обнаружено, что в моменты инверсии, величина поля значительно снижается, но не бывает равной нулю. Величина остаточного поля неравномерно распределена по земной поверхности: она заметно выше в областях магнитных аномалий.

  4. Важным параметром является скорость дрейфа магнитных полюсов, которая меняется.
 
  5. Модель гидромагнитного динамо не дает полного объяснения  дрейфу магнитных полюсов, не может объяснить инверсии и экскурсы магнитного поля.

  6. Южный магнитный полюс дрейфует вдоль линии, соединяющие две обсерватории: Резольют Бей в Канаде и Мыс Челюскин в Сибири. Эта линия является частью линии, соединяющей две глобальные магнитные аномалии: Канадскую и Сибирскую. Характер дрейфа не случаен. Этот факт дает возможность понять природу этого дрейфа.

  7. В настоящее время  магнитная индукция МПЗ уменьшает свое значение.,

  8. Глобальные климатические условия на нашей планете изменяются в сторону глобального потепления.

  9. Движение обоих магнитных полюсов имеет одно и то же меридиональное направление.

  10. Имеются коридоры инверсии магнитных полюсов – это траектории, по которым инверсии повторяются.

  11. Основное магнитное поле Земли, испытывающее медленные изменения во времени (вековые вариации) с периодами от 10 до 10 000 лет, сосредоточенными в интервалах 10–20, 60–100, 600–1200 и 8000 лет. Последний связан с изменением дипольного магнитного момента в 1,5–2 раза.

  12. Смещение магнитных полюсов регистрируется с 1885 г. За последние 100 лет магнитный полюс в южном полушарии переместился почти на 900 км и вышел в Индийский океан. Новейшие данные по состоянию арктического магнитного полюса (движущегося по направлению к Сибирской мировой магнитной аномалии через Ледовитый океан) показали, что с 1973 по 1984 г. его пробег составил 120 км, с 1984 по 1994 г. - более 150 км. Хотя эти данные расчетные, они подтверждены замерами северного магнитного полюса. По данным на начало 2007-го года скорость дрейфа северного магнитного полюса увеличилась с 10 км/год в 70-х годах, до 60 км/год в 2004-м году.

  13. Напряжённость земного магнитного поля падает, причём неравномерно. За последние 22 года она уменьшилась в среднем на 1.7%, а в некоторых регионах - например, в южной части Атлантического океана, - на 10 процентов. Кое-где напряжённость магнитного поля, вопреки общей тенденции, даже возросла.

  14. Ускорение движения полюсов (в среднем на 3 км/год) и движение их по коридорам инверсии магнитных полюсов (более 400 палеоинверсий позволили выявить эти коридоры) позволяет предположить, что в данном перемещении полюсов следует усматривать не экскурс, а очередную переполюсовку магнитного поля Земли. Это подтверждается и текущим возрастанием угла раствора каспов (полярных щелей в магнитосфере на севере и юге), который к середине 90-ых годов достиг 45°. В расширившиеся щели устремился радиационный материал солнечного ветра, межпланетного пространства и космических лучей, вследствие чего, в полярные области поступает большее количество вещества и энергии, что может привести к дополнительному разогреву полярных шапок.

  Природа магнитного поля Земли остается неизвестной, несмотря на усиленное его изучение во всем мире. В настоящее время это самая главная проблема  в изучении физики Земли. Понимание физики магнитного поля Земли дало бы разрешение других задач в изучении строения и эволюции Земли: влияние теплового потока, конвекции масс, причины движения материков, движение магнитных полюсов, инверсия магнитного поля. Очевидно, что работающая модель магнитного поля Земли (МПЗ) должна объяснить весь спектр проблем.

  Гипотезы о происхождении МПЗ начали возникать еще с того времени, как был обнаружен эффект определенной ориентации намагниченной иглы. В 60-е годы прошлого столетия, была популярной гипотеза о происхождении МПЗ от кругового  (вихревого) тока отрицательного заряда Земли, которая подкупала своей простотой объяснения. Наука о МПЗ не стояла на месте. Появились новые факты о МПЗ на основе космических и технических  достижений. Фактов набралось очень много (движение полюсов, изменение напряженности, несимметричность поля, глобальные магнитные аномалии…).  Возникла необходимость в создании новой рабочей гипотезы, которая могла бы все факты увязать. Так возникла гипотеза гидромагнитного динамо, согласно которой,  на глубине главного реакционного слоя индуцируется магнитное поле с меняющимися характеристиками, допускающее даже инверсию МПЗ. Гипотеза построена на допущениях и предположениях, не проверенных экспериментально. Кроме того, она не объясняет большого количества явлений, связанных с магнитным полем.

  НОВЫЕ ГИПОТЕЗЫ

  Природа всегда развивалась по простым законам. Все необъяснимое, в конце концов, находит простое объяснение. Роль ученого найти это простое объяснение.

  1. ЭФФЕКТ ДЖАНИБЕКОВА.
Некоторые объяснения инверсии магнитного поля Земли основаны на эффекте Джанибекова. Земля, как  безопорное тело, вращается в космическом пространстве свободно. Ее движение неустойчиво (не является чисто гироскопическим). Так как она является не сбалансированным телом, на нее действует внешние силы влияния, приводящие к прецессии и внутренние силы влияния, приводящие к изменению балансировки тела за счет перемещения его масс. Эти силы, взаимодействуя между собой, могут привести тело планеты к кувыркам – изменению полюсов на обратные, при неизменном направлении движения по орбите и направлению вращения.
Так как направление вращения при кувырке планеты не меняется, то не меняется направление кругового тока электрического заряда планеты и направление ориентации магнитного поля, возникающего от него. Перевернувшаяся планета в том же самом магнитном поле будет иметь отложения ориентированные в обратном направлении – так возникает инверсия магнитных отложений.

  Согласно расположения магнитных полос на дне океанов, которые чередуются через каждые 40 км, при скорости движения континентов и дна океана равной 4 см/год., кувырки планеты происходят каждый миллион лет. Если мы  для анализа возьмем график палеоинверсий за последние 4,5 млн лет, то заметим, что инверсии бывали довольно чаще и на более коротком промежутке времени. Как это объясняется?
Рабочая гипотеза о турбулентном динамо, создающем магнитное поле Земли, по моему убеждению, довольно «натянута». Многие научные работы просто оторваны от практического электромагнетизма, который объясняет изменение магнитного поля ферромагнетиков при влиянии внешнего магнитного поля. На этом принципе работают все электромагниты и магнитопроводы. Эффект Джанибекова для объяснения инверсий магнитного поля для Земли не подходит. Я не верю, что у Земли имеется возможность производить «кувырки» Джанибекова, учитывая ее огромные инерцию масс и гироскопический момент.

  2. ГИПОТЕЗА МАГНИТОПРОВОДОВ.

  Как альтернатива гипотезе гидромагнитного динамо, мною предлагается другая гипотеза - гипотеза магнитопроводов. Она согласуются с основными законами физики, проста в понимании и охватывает все необъяснимые с точки зрения других гипотез, явления. Она очень проста в моделировании.  Суть ее  основана на простых законах электромагнетизма. Для этого нужно знать, что:

  1. В круговом (вихревом) электрическом токе, который представляет собой вращающийся отрицательный заряд Земли со скоростью 1 оборот в сутки, возникает магнитное поле. Это магнитное поле воздействует на  ферромагнитные материалы, находящиеся в этом поле, а они, в свою очередь, усиливают первоначальное магнитное поле. Это принцип работы обычного электромагнита. В роли сердечника из ферромагнитных материалов, в нашем случае, выступает ферромагнитные вещества ядра, мантии и коры. Известно, что основная концентрация ферромагнетиков находится в ядре и мантии, а в коре ферромагнетики распределены аномалиями. Возникновение этих аномалий объясняется по-разному, но я прихожу к мнению они связаны в основном с разбросом осколков гравитационных взрывов (смотри « Как Луна появилась»)..

  Следует обратить внимание на составляющую МПЗ от кругового электрического тока. Максимальное ее значение наводится в экваториальной части, так как значение заряда здесь максимальные и скорости движения отрицательного заряда Земли здесь максимальные – здесь возникает струя максимального значения кругового тока и максимальные значения индукции. При приближении к полюсам, скорости зарядов уменьшаются, а это означает, что силовые магнитные линии на высоких широтах слабее и поэтому имеют склонность блуждать, «приклеиваясь» к более сильному диполю остаточного магнетизма в земной коре или к более массивному магнитопроводу.

  2.Ферромагнитные материалы имеют температурный предел для остаточного магнетизма, ограниченный точкой Кюри, которая для Fe - 770°С, для Ni -358°С, для Co -1120°С. Ферромагнетики при температуре выше точки Кюри теряют свои магнитные свойства в виде остаточного магнетизма и ведут себя как парамагнетики, для которых индукция В вплоть до высоких значений напряженности Н пропорциональна ей, т.е. остаточный магнетизм  сохраняется только до точек Кюри. Парамагнитные вещества характеризуются тем, что они обладают свойствами магнита только во внешнем магнитном поле. Если же наводящее внешнее магнитное поле отключить, парамагнетики становятся немагнитными. Намагниченность в ферромагнетиках сохраняется  и после выключения внешнего поля в виде остаточного магнетизма.

  Лабораторные эксперименты показывают, что точка Кюри понижается с увеличением давления. Поскольку  давление и температура в коре увеличиваются с глубиной (расстоянием от поверхности), то маловероятно, что ниже определенной глубины ферромагнитные вещества могут сохранять свою намагниченность. Хотя лабораторные эксперименты не могут моделировать температуру и давление в глубоких слоях Земли,  можно считать, что главное магнитное поле Земли  не может быть обусловлено постоянной намагниченностью земного вещества, находящегося при температуре выше точки Кюри. Это означает, что ядро планеты и реакционные слои не могут являться магнитами без влияния внешнего магнитного поля.

  Итак, ферроматериалы планеты могут вести себя как ферромагнетики при температуре ниже точки Кюри и как парамагнетики, при температуре, выше точки Кюри. Т.е. при высоких температурах в ферроматериалах не проявляются свойства остаточного магнетизма, но и не теряются свойства магнитопровода. По  этой причине, в магнитном поле от кругового тока они работают как усилители наведенной индукции магнитного поля.

  Рассмотрим любую глобальную магнитную аномалию - ГМА. Что бросается в глаза? В основном, она фиксируется приборами на большой высоте и обладает большими полями. Т.е. в  месте ГМА находится большое количество ферромагнитного материала. Стереотипное мышление говорит о ГМА, как о наличии большого количества  остаточного магнетизма. Это одно из самых больших заблуждений. Влияние ферроматериала ГМА не характеризуется только остаточным магнетизмом. Его влияние возможно через его свойства магнитного сцепления с  магнитопроводом, который усиливает наведенное в нем магнитное поле. Т.е. ГМА  может проявляться и без наличия остаточного магнетизма. Остаточный магнетизм может образоваться потом, в осадочных породах за счет их эволюционной намагниченности  полем этого магнитопровода.

  В своем развитии, Земля имела неоднократную возможность выплеска (подъема) ферромагнитных материалов из реакционных слоев на поверхность через плюмы или извержения вулканов. Некоторые такие выплески могли дойти до коры и остыть с образованием «головы» ГМА с остаточной намагниченностью. Нижняя ее часть ГМА – ее «корень», находясь в горячем состоянии и не имея остаточного магнетизма, может иметь сколь - угодную глубину залегания и в виде магнитопровода иметь контакты даже с ядром – вот такая магнитная «морковка»: у намагниченной «головы» имеется немагнитный «корень». Это могло произойти за счет выплеска магнитосодержащего материала ядра через некоторые плюмы в момент увеличения внутрипланетного давления.

  Рассмотрим несколько схем динамики изменения МПЗ

  Увеличение потепления в климате планеты приводит к уменьшению отрицательного заряда планеты (см. статью «электрическое поле Земли»), что приводит к уменьшению наводящего им магнитного поля. В этом случае начинают проявляться все магнитные поля с остаточной намагниченностью по степени их намагниченности. Сначала будут проявляться более сильно намагниченные, а потом менее  и еще менее намагниченные. МПЗ будет стремиться принять новую схему взаимодействия множества магнитных полей с различной индукцией и ориентацией. Магнитные полюса, сами по себе, будут стремиться к полям остаточного магнетизма с большей индукцией и выбирать приемлемую для них замкнутую магнитную цепь через магнитопроводы, которые будут поддерживать, усиливать или искажать уже новое МПЗ. Вышеизложенное хорошо согласуется с характеристиками МПЗ в период инверсий.

  При существовании двух магнитных полей с противоположными направлениями индукции, магнитная стрелка компаса ориентируется на очень слабые превышения напряженности одно поля над другим. Скорость инверсии зависит только от скорости изменения кругового тока. При этом, максимальная скорость инверсии происходит в момент изменения направления индукции магнитного поля.
Вот пример. Остаточный магнетизм Канадской ГМА (магнитопровод-2) меньше, чем у Сибирской ГМА (постоянный магнит), но магнитное сцепление более сильное, чем у Сибирской ГМА. При такой ситуации, при уменьшении наводящей индукции от кругового электрического тока, магнитный полюс будет перемещаться с Канадской ГМА на Сибирскую ГМА, где остаточного магнетизма больше. При увеличении индукции магнитного поля от кругового электрического тока магнитный полюс снова вернется на Канадскую ГМА. Дрейф «туда-сюда» будет происходить по одному и тому же коридору.  Это объясняет влияние значения кругового  электрического тока на изменение индукции общего магнитного поля Земли.

  При инверсии магнитного поля Земли, отрицательный заряд Земли не исчезает полностью, а только уменьшается до минимума. Для изменения отрицательного электрического заряда планеты на положительный не никаких оснований. Инверсия МПЗ – это не глобальная катастрофа, а глобальный, повторяемый эпизод в эволюции планеты.

  Вывод:

  Земля имеет два рода магнитных полей :  магнитное поле от совокупных магнитных полей магнитных аномалий, которые постоянны и от кругового электрического тока атмосферы и самой Земли, которая сильно меняется от условий потепление климата, вызывает ослабление магнитного поля возникающего от кругового тока. Результирующее магнитное поле будет выражено аномалиями остаточного магнетизма. При увеличении  магнитного поля от возникающего от электрического кругового тока, результирующее магнитное поле будет выражено магнитным полем возникающим от кругового электрического поля.  Взаимодействие обоих магнитных полей, создают общую картину инверсий магнитного поля Земли и движение магнитных полюсов.
   
  Контурные карты магнитного поля Земли на границе ядро-мантия, составленные по измерениям, сделанным со спутника, показывают, что большая часть магнитного потока направлена от центра Земли в Южном полушарии и к центру в Северном. Здесь видно, что при уменьшении отрицательного электрического заряда Земли, уменьшилась общая напряженность МПЗ , сразу стали проявляться участки с остаточной намагниченностью, которые скрывало первоначальное, более сильное магнитное поле от кругового тока.

  Важными характеристиками для наблюдения изменения МПЗ являются: напряженность магнитного поля, склонение и наклонение магнитных силовых линий на всей поверхности Земли и насколько они отличаются от спутниковых данных. Их сравнение позволило бы просматривать процесс изменения магнитного поля более предсказуемо, согласно предложенной выше концепции существования и эволюции МПЗ. Насколько я знаю, наши метеорологи не ведут наблюдений за напряженностью магнитного поля Земли на своих участках. А это очень важная характеристика в изменении климата.

  ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ НА ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА

  Ранее мы познакомились с образованием магнитного поля от кругового электрического тока, который возникает при вращении электрически заряженной атмосферы. Однако в самой атмосфере всегда существуют свои вертикальные вращающиеся потоки в виде смерчей, торнадо, циклонов и антициклонов. Существуют и горизонтальные вращающиеся воздушные потоки. Все вращающиеся воздушные потоки при наличии избыточного электрического заряда в них, создают свои магнитные поля, которые могут взаимодействовать с другими магнитными полями планеты. Такие взаимодействия могут привести к перемещению магнитного вихря, притягиваясь к магнитной аномалии, отталкиваясь от нее или зависая над ней.

  В климате нашей планеты очень большую роль играют циклоны.  Эти огромные вращающиеся атмосферные вихри имеют свои глобальные магнитные поля, которые, взаимодействуя с магнитным полем Земли, могут влиять на изменение климата. Так, при сильном магнитном поле Земли, имеющем конкретно выраженные полюса,  движение циклона имеет вполне конкретные траектории и климат вполне можно предсказать на основе статистики.

  При ослаблении магнитного поля Земли от кругового электрического тока, возникает множество аномальных магнитных полей и полюсов, климат может изменяться непредсказуемо. Приведем конкретный пример предполагаемого изменения климата. Обычно Атлантические циклоны, пересекают европейскую часть и проникают в азиатскую. Это их классическая траектория движения. При этом происходит равномерный перенос и распределение  влаги циклона.

  При ослаблении магнитного поля Земли на пути их движения возникает влияние Курской магнитной аномалии. Циклоны в этом месте останавливаются (зависают). Их движение на восток затормаживается и даже прекращается. Возникает ситуация по примеру летней погоды последних лет: западнее Курской магнитной аномалии идут дожди, а восточнее – ни капли. Сухо и жарко.

  На эти размышления стоит обратить внимание климатологам.