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.
