О природе земного магнетизма - Физика в школе
Главное меню:
статьи
О природе земного магнетизма
Было время, когда люди, пытаясь объяснить, почему магнитная стрелка всегда одним своим концом показывает на север, полагали, что земной магнетизм находится на небе, что стрелку компаса направляют магнитные силы, исходящие из Полярной звезды. О том, что сама Земля представляет собой большой шарообразный магнит, с полюсами и с внешним магнитным полем, которое действует на стрелку компаса, люди узнали сравнительно недавно, около 350 лет назад. Великий русский ученый М. В. Ломоносов, придавая важное значение наблюдениям за компасной стрелкой, еще в 1759 году предложил построить самопишущий компас, который мог бы записывать эти наблюдения во время движения корабля.По мере исследования земного магнетизма постепенно раскрывались различные его свойства. Прежде всего было доказано, что географические меридианы не совпадают с магнитными, направление которых на поверхности Земли указывает компасная стрелка, и что, таким образом, магнитная ось Земли не совпадает с ее осью вращения. Ученые установили, что направление земного магнитного поля соответствует такому, которое получилось бы, если бы около центра Земли поместить магнит, ось которого составляет с осью вращения нашей планеты угол около 11,5°.
Магнитное поле характеризуется в каждой точке пространства не только направлением, но и величиной напряженности. На поверхности Земли эта напряженность сравнительно небольшая приблизительно такая, какую имеет обычный школьный магнит на расстоянии 10 - 15 см от его концов. Напряженность земного магнитного поля можно представить как равнодействующую двух составляющих: вертикальной и горизонтальной. Последняя направляет компасную стрелку по магнитному меридиану.
Если передвигаться с компасом в руке вдоль какой-нибудь широты вокруг земного шара, то окажется, что направление магнитного меридиана в редких случаях совпадает с географическим; между этими направлениями почти всегда имеется некоторый угол, который называется магнитным склонением. Направление стрелки компаса может отклоняться от географического меридиана к востоку или к западу. Магнитное склонение находят для всех мест земного шара и составляют кар ты распределения этого склонения. Если известно в данном месте склонение компаса, то можно определить и направление географического меридиана. Это дает возможность установить местоположение корабля на море или самолета над земной поверхностью.
Но магнитное поле Земли медленно меняется во времени, вследствие этого меняется и склонение магнитной стрелки. Поэтому приходится периодически составлять заново карты, на которых показано распределение магнитного склонения.
Россия одной из первых учредила в начале XIX века магнитные обсерватории. Однако только в ХХ веке путем генеральной магнитной съемки были созданы детальные карты распределения магнитного поля на всей территории страны; это дает возможность строить и карты магнитного склонения, необходимые для штурманской службы.
Медленные (вековые) изменения земного магнитного поля имеют повидимому почти периодический характер: в течение 400—600 лет напряженность геомагнитного поля меняется на 1-2% своей величины. Однако для разных мест поверхности Земли эта периодичность выражается различно.
Около двухсот лет назад было обнаружено, что наряду с медленными изменениями земного магнетизма имеют место сравнительно быстрые — как правильные, так и неправильные - колебания напряженности земного магнитного поля. Правильные колебания совпадают с некоторыми астрономическими периодами: суточным обращением Земли около своей оси, лунными сутками и годичным обращением Земли в круг Солнца. Размах этих колебаний невелик: суточные колебания магнитного поля составляют около 0.05% полной напряженности геомагнитного поля, причем летом они больше, чем зимой; колебания в течение лунных суток и того меньше - около 0,005%; годичные колебания напряженности также составляют несколько сотых процента напряженности поля.Кроме того, наблюдаются неправильные изменения земного магнитного поля, так называемые магнитные бури, которые наступают внезапно и продолжаются от нескольких часов до нескольких суток. Во время бурь изменение напряженности магнитного поля достигает нескольких процентов. Большей частью магнитные бури совпадают с северными сияниями и тесно связаны с явлениями, наблюдаемыми на Солнце, в частности с солнечными пятнами.
Геомагнитное поле нерегулярно изменяется не только во времени, но и в пространстве при передвижении по поверхности Земли. Существуют места, где напряженность магнитного поля значительно больше (а иногда и меньше), чем в окружающем районе. Такие изменения земного поля называются магнитными аномалиями. Мировую известность имеет, например, район Курской магнитной аномалии, где напряженность магнитного поля в три-четыре раза превосходит нормальную напряженность окружающего района. Сильные магнитные аномалии обычно имеют место над теми районами земной коры, которые содержат в себе большие количества железной руды — магнетита.
Как же объясняются основные особенности магнитного поля Земли? Самой трудной оказалась для науки проблема происхождения главного геомагнитного поля, которое в течение последних миллионов лет остается почти постоянным, подвергаясь лишь небольшим изменениям. По этому вопросу были высказаны самые различные предположения. Одни ученые утверждали, что Земля полечила свой магнетизм в магнитном поле Солнца. Дальнейшие исследование, однако, не подтвердили это предположение. Хотя и возникают иногда сильные магнитные поля в районе так называемых солнечных пятен, но в целом Солнце не имеет заметного магнитного поля на расстоянии радиуса орбиты Земли. Не подтвердилась также другая гипотеза, согласно которой Земля, имеющая постоянный электрический заряд, вследствие своего суточного вращения должна образовать вокруг себя магнитное поле. Расчеты показывают, что поверхностный заряд Земли в общем невелик и может при вращении Земли образовать лишь ничтожно малое магнитное поле.
В последнее время выдвинута гипотеза о происхождении земного магнетизма, которая объясняет его возникновение вращением массы Земли. По этой теории всякая вращающаяся масса создает магнетизм вне зависимости от электрического состояния этой массы. Еще наш великий ученый П. Н. Лебедев хотел на опыте проверить такое предположение: он подвергал очень быстрому вращению различные тела, но возникновение магнетизма у них не было обнаружено.
Наконец, некоторые ученые полагают, что источники магнитного поля сосредоточены где-то значительно ниже поверхности Земли.
Все высказывавшиеся до сих пор предположения о происхождении земного магнетизма не являются общепринятыми в науке. Вероятно, явление главного магнитного поля Земли представляет собой сложную комбинацию двух основных процессов: системы замкнутых электрических токов с магнитной осью, смещенной по отношению к оси вращения Земли, и остаточного намагничения горных пород, богатых магнетитом, в верхних слоях земной коры. Первый процесс является устойчивым, создающим основную величину напряженности главного магнитного поля. К нему присоединяется поле остаточного намагничивания земной коры. Оно могло образоваться под действием радиоактивного тепла в процессе разогревания и остывания в земном магнитном поле горных пород, содержащих магнетит. Что касается временных изменений главного магнитного поля, то их объясняют следующим образом. Вековые изменения объясняются с помощью колебаний температуры в нижележащих слоях земной коры; повышение или понижение температуры изменяет намагниченность горных пород и вызывает колебания магнитного поля на поверхности Земли.Суточные вариации геомагнитного поля определяются движением ионизированных масс воздуха в высоких слоях атмосферы, в так называемой ионосфере. Ионизация же воздуха происходит под действием солнечных лучей, поскольку интенсивность солнечного излучения больше около полудня и особенно в летние дни, то и суточные вариации геомагнитного поля принимают в это время наибольшее значение. Магнитные бури объясняются тем, что Земля попадает в потоки солнечного корпускулярного излучения. На Солнце происходят процессы извержения отдельных частиц, которые иногда выбрасываются далеко за пределы орбиты Земли. Эти частицы обладают большой ионизирующей способностью и быстро увеличивают количество электрических зарядов в ионосфере. Движение этих зарядов создает магнитное поле, которое и воспринимается на Земле как магнитная буря.
Таким образом, земной магнетизм представляет собой весьма сложное явление: в создании его участвуют различные части Земли и разнообразные физические процессы. Несомненно, что дальнейшие успехи российской геофизики, астрономии и других наук позволят в ближайшее время найти новые данные о происхождении, земного магнетизма, которые правильно объяснят одно из интереснейших явлений природы.