Вековые вариации магнитного поля Земли. Научно-популярное издание

Источники магнитного поля

Наша планета состоит из трех основных слоев: земной коры, мантии и ядра (рис. 1).

Земная кора – это внешняя оболочка толщиной несколько десятков километров. На долю этого слоя приходится примерно 5% объема и менее 1% массы всей Земли.

Под земной корой находится мантия – это слой толщиной примерно 2900 км, на долю мантии приходится 83% объема и примерно 70% массы всей планеты.

На глубине порядка 2900 км от земной поверхности располагается земное ядро. Ядро имеет форму шара радиусом 3500 км, состоящее из железа с примесью других металлов. Ядро является самой плотной частью планеты, на его долю приходится всего 15% общего объема и 35% массы Земли.

Ядро Земли состоит из двух частей – твердого внутреннего ядра, радиус которого примерно 1300 км, и жидкой внешней оболочки ядра толщиной примерно 2200 км.

Внешняя жидкая оболочка холоднее внутреннего ядра, поэтому происходит тепловое перемешивание жидких потоков (конвекционные течения).

Рис. 1 – Строение Земли и силовые линии

геомагнитного поля

Ближние к внутреннему ядру слои жидкой оболочки вращаются вокруг земной оси быстрее, чем слои, расположенные дальше от ядра. В результате градиента скорости вращения на слои жидкого железа начинает действовать сила Кориолиса, которая заставляет эти слои отклоняться и образовывать спиралевидные траектории, а слабое внешнее поле следует за этими траекториями, постепенно образуя искаженные кольца. Таким образом возникают электрические контуры, которые, в свою очередь, усиливают внешнее поле (динамо-эффект).

Малейшего теплового движения во внешней оболочке земного ядра достаточно для возникновения начального электрического контура, создающего внешнее магнитное поле, которое впоследствии усиливается динамо-эффектом, и в конечном итоге образует магнитное поле Земли. Дополнительный усиливающий эффект могут создавать слабые внешние (в том числе и космические) поля, пронизывающие электрические контуры.

Морфология вековых вариаций

Наблюдаемое на поверхности Земли магнитное поле можно представить в виде суммы трех полей:

• главного геомагнитного поля, источники которого находятся во внешнем электропроводящем ядре,

• аномального, создаваемого намагниченными горными породами,

• и внешнего, источники которого находятся в верхних слоях атмосферы.

Вклад главного геомагнитного поля составляет более 95%, аномальное поле составляет около 3% геомагнитного поля, а внешнее поле, связанное с солнечно-земными взаимодействиями, – менее 1%.

Установлены следующие свойства магнитного поля Земли:

• Главное магнитное поле, усредненное за достаточно большой промежуток времени, носит преимущественно дипольный характер.

• Магнитный полюс перемещается внутри малой области, его положение близко к географическому полюсу.

• Источник геомагнитного поля одинаков за всю историю Земли и связан с ее вращением.

• Напряженность магнитного поля и его направление за всю историю Земли имели тот же порядок величины, что и у современного поля.

• Инверсии поля происходили на протяжении всего времени существования главного магнитного поля и связаны с перераспределением системы токов в жидком земном ядре.

Магнитные характеристики геомагнитного поля (магнитный момент, модуль напряженности поля и его компоненты) не являются постоянными величинами, они периодически изменяются по величине и направлению. Эти изменения в течение последних 400 лет можно проследить на основе прямых измерений и расчетных данных. Для прошлых эпох применяются архео- и палеомагнитные методы изучения истории магнитного поля Земли.

Палеомагнитные исследования основаны на свойстве горных пород с железосодержащими компонентами намагничиваться в окружающем ее магнитном поле, и при остывании запоминать информацию о величине и направлении этого поля. С помощью специальных физических методов можно извлечь эту информацию, по которой можно судить о состоянии поля той эпохи, в которой происходило остывание породообразующей лавы. Результаты показывают, что в прошлые эпохи магнитное поле существенно менялось по величине и направлению, а также многократно меняло свою полярность (инверсии палеополя).

Область археомагнитных исследований ограничена гораздо меньшим промежутком времени и тесно связана с археологическими находками изделий из обожженной глины.

Древняя керамика, кирпичи, срезы стенок печей для обжига изделий из глины являются объектами археомагнитных исследований. Глины содержат магнитные окислы железа, поэтому при обжиге и последующем остывании изделия из глины «запоминают» информацию о магнитном поле точно так же, как и горные породы при их остывании.

Мне остается сказать, по какому закону природы

То происходит, что камень притягивать может железо.

Камень же этот по имени месторожденья магнитом

Назван был греками, так как он найден в пределах

⠀⠀⠀⠀ ⠀⠀⠀⠀ ⠀⠀⠀⠀ ⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀магнетов.

Люди весьма удивляются камню такому. Он часто

Цепь представляет из звеньев, держащихся сами собою.

Можешь увидеть ты пять таких звеньев, порой даже

⠀⠀⠀ ⠀⠀⠀⠀ ⠀⠀⠀⠀ ⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀больше.

Распределенные рядом, качаясь от легкого ветра,

Звенья такие свисают, одно под другим прилепившись.

Звенья одно от другого всю силу и цепкость приемлют.

Вот как здесь действует этого камня текучая сила…

В результате археомагнитных работ удалось восстановить пространственно-временную структуру археомагнитного поля за последние 10000 лет. С помощью спектрального анализа археомагнитных данных были получены сведения о вековых вариациях магнитного поля Земли с различными временными характеристиками.

Анализ археомагнитных рядов показал, что магнитное поле Земли имело дипольную структуру в течение последних 10000 лет, отклонение от дипольного характера поля сравнимо с недипольной частью современного геомагнитного поля.

Спектр вековых вариаций дискретен, выявлены медленные колебания поля (8000, 1800 и 1200-летние), на которые налагаются быстрые колебания (600, 360-летние). Изменение магнитного момента Земли обусловлено основным колебанием поля с периодом 8000 лет.

Изменение направления геомагнитного поля связано с прецессией геомагнитой оси вокруг географической в направлении против часовой стрелки. Один оборот прецесии составляет по длительности 1200 лет, а полный цикл вековых изменений – примерно 100000 лет.

На Рис. 2 приведены спектральные характеристики основных вековых вариаций:

Рис. 2 – Амплитудный спектр вековых вариаций.

Считается, что в среднем амплитуда напряженности современного геомагнитного поля равна 50 микротесла (µТ). Таким образом, вековые вариации вносят вклад в изменения геомагнитного поля от 1% до 50% от его среднего значения в наши дни.

Модели геомагнитного поля

В соответствии с общей теорией геомагнетизма Гаусса главное геомагнитное поле состоит из дипольной и недипольной частей и может быть математически смоделировано.

Модель центрального диполя. В модели центрального диполя геомагнитный полюс (точка пересечения оси диполя с поверхностью Земли) обладает свойством вертикальности силовых линий дипольного поля (магнитное наклонение равно 90° в Северном и —90° в Южном полушариях). Ось центрального диполя помещена в начало сферической системы координат (в центр Земли) и совпадает с географической осью (см. рис. 1).

Модель наклонного диполя. Дипольная ось в модели наклонного диполя наклонена к оси вращения Земли на угол 10—12 градусов.

Модель эксцентричного диполя. Ось эксцентричного диполя смещена относительно центра Земли.

Геомагнитное поле наиболее полно описывают модели IGRF (Международное геомагнитное аналитическое поле) и WMM (Всемирная магнитная модель). В этих моделях используется разложение потенциала геомагнитного поля в сферический гармонический ряд, предложенный К. Ф. Гауссом в 1838 году.

IGRF-13 была предложена в декабре 2019 года и предоставляет модель DGRF для эпохи 2015.0, модель IGRF для эпохи 2020.0 и прогнозирующую модель вековых вариаций IGRF для 5-летнего временного интервала с 2020.0 по 2025.0.

Модель представлена разложением скалярного потенциала главного геомагнитного поля по сферическим гармоникам, разложение ограничивается коэффициентами от 1-й до 13-й степени и от 0-го до 13-го порядка (в прогностической вариации от 1-го по 8-й и от 0-го по 8-й соответственно), округлённых до 0,1 нТ.

Сферический гармонический ряд можно свести к дипольным моделям следующим образом. Если в разложении удержать только первый член ряда, то полученная модель будет эквивалентна модели центрального диполя.

При удержании бо́льшего числа членов сферического гармонического ряда получают эксцентричные модели с произвольным положением магнитных диполей, значениями и ориентировкой их вектора магнитного момента.