Магнитное поле Земли

Если длинный и тонкий магнитный стержень - магнитную стрелку - укрепить на острие или подвесить так, чтобы она могла свободно вращаться, то в каждой точке вблизи земной поверхности под действием магнитного поля Земли она всегда установится приблизительно в одном и том же направлении (с севера на юг). С давних пор известен компас, использующий это свойство и имеющий большое значение в морской и воздушной навигации. Точное знание магнитного поля для возможно большего числа пунктов на Земле чрезвычайно важно для науки и практики, поэтому в течение суток изо дня в день на магнитных обсерваториях, распределенных по всему земному шару, ведутся систематические магнитные наблюдения. Первая магнитная карта была опубликована в 1701 г. Э. Галлеем, который собрал наблюдения многих моряков за направлением магнитной стрелки. В настоящее время карты магнитного поля составляются также при помощи магнитометров, установленных на искусственных спутниках Земли.

Удобным и наглядным способом графического изображения магнитного поля служит построение его силовых линий, касательные к которым в каждой точке указывают направление поля. Наглядно это видно на следующем опыте. Положим на магнит лист стекла, сверху насыплем на него немного железных опилок и слегка встряхнем его. Опилки расположатся в виде цепочек, которые и покажут направление силовых линий поля. Густота этих линий, т. е. число линий, проходящих через единицу поверхности, будет характеризовать величину напряженности магнитного поля. В первом приближении на не слишком больших удалениях от поверхности Земли ее магнитное поле таково, как если бы земной шар представлял собой магнит с осью, направленной приблизительно с севера на юг, проходящей через центр Земли и наклоненной на 11° к оси вращения Земли (рис. 1). Лучшее приближение к наблюдаемому на Земле полю дает магнитный диполь, смещенный относительно центра Земли на ≈436 км.

Напряженность магнитного поля составляет у полюса 0,62 Гс, у экватора - 0,31 Гс. Координаты северного магнитного полюса 76° с. ш., 101 з. д.; южного - 66° ю. ш., 140° в. д. Наблюдается множество нерегулярных отклонений от чисто дипольного поля. В современную эпоху северный полюс диполя расположен в Южном полушарии. На основе изучения намагниченности изверженных и осадочных пород на суше и морском дне получены указания на то, что дипольное поле Земли иногда имело почти противоположное направление по сравнению с настоящим. Происхождение собственного магнитного поля Земли обычно приписывается действию механизма, связанного с электрическими токами в квазижидком ядре планеты.

Рис. 1. Схематическое изображение силовых линий магнитного поля Земли вблизи ее поверхности

Долгое время предполагалось, что близкое к дипольному спокойное магнитное поле Земли простирается неограниченно далеко в вакууме межпланетного пространства. Проведенные на космических аппаратах измерения показали, что это не так. Оказывается, собственное магнитное поле Земли представляет собой препятствие на пути сверхзвукового ионизованного газа, непрерывно испускаемого Солнцем, - солнечного ветра. Вследствие этого поле сосредоточено в области конечных размеров. С освещенной Солнцем стороны Земли область ограничена примерно сферической поверхностью с радиусом ≈10-15 радиусов Земли (R), а с противоположной стороны она вытянута подобно кометному хвосту на расстояния вплоть до нескольких тысяч радиусов Земли, образуя геомагнитный хвост. Эту область пространства, заполненную магнитными силовыми линиями, соединенными с Землей, называют магнитосферой Земли (рис. 2). Магнитосфера отделена от межпланетного магнитного поля переходной областью. В определенных зонах магнитосферы - радиационных поясах - имеется поток заряженных частиц, захваченных магнитным полем Земли. В магнитосфере существует сложная система электрических токов. Изменения этих и ионосферных токов вызывают как медленные непрерывные изменения, так и сравнительно быстрые изменения, называемые магнитными бурями. Вариации поля на поверхности Земли, обусловленные этими токами, как правило, не превышают 1%, но во внешних частях магнитосферы, вблизи ее границы - магнитопаузы, где напряженность поля примерно в тысячу раз меньше, чем на поверхности Земли, относительные изменения могут быть значительно больше.

Рис. 2. Общий вид магнитосферы Земли и ее характерных областей (показан разрез верхней половины магнитосферы)

Некоторые самые быстрые вариации происходят за малую долю секунды; наблюдаются суточные, сезонные вариации. В фазе с циклом солнечной активности отмечены 11-летние вариации. Изменение электрических токов в ядре Земли создает вековые вариации магнитного поля Земли; нужны сотни лет, чтобы эти вариации заметным образом сказались на поле.