Внутреннее строение Земли и геомагнитное поле

 

Внутреннее строение Земли и геомагнитное поле

Наблюденное геомагнитное поле рассматривают как сумму квазистационарного и переменного магнитного поля. Квазистационарное поле подразделяют на поле однородно намагниченного шара – диполя, недипольное материковое поле, региональное и локальное поля и поле вековых, длиннопериодных вариаций. Под переменным полем понимают короткопериодные вариации поля, изменяющегося от нескольких суток до долей секунды. Кроме того, в наблюденном поле, разумеется, имеется составляющая, обусловленная внешними по отношению к Земле источниками (очень мала по величине).

Дипольное и недипольное поле объединяют в главное магнитное поле. А если к нему добавить внешнее поле, то получим так называемое нормальное поле. Основную часть геомагнитного поля, почти 85%, составляет дипольное поле: его напряженность на полюсе около 67000 нТл, а на экваторе – 23000 нТл. Дипольное поле генерируется электрическими токами в земном ядре. В качестве магнитного диполя  рассматривают, в частности, цилиндрический магнит, диаметром 200 км и длиной 4000 км. Он располагается  в центре Земли со смещением в сторону Тихого океана на 436 км. Ось диполя отклоняется от оси вращения Земли на 11.5⁰. Пересечения оси диполя с земной поверхностью называют северным и южным полюсами. Магнитный диполь с течением времени  перемещается: его северный полюс  со скоростью 7.5 км/год (сейчас он в северной Канаде), а южный – 11 км/год (в настоящее время он на пути из Антарктиды в Австралию).

Недипольная часть главного магнитного поля – материковые аномалии имеют слабую интенсивность ±180 нТл. Их природу одни связывают с намагниченными массами, другие – с электрическими токами. Глубинность источников этих аномалий также дискуссионна.

Региональные и локальные аномалии обусловлены магнитной неоднородностью горных пород, слагающих верхнюю оболочку Земли – земную кору.

Вековые, длиннопериодные вариации магнитного поля – это изменения среднегодовых элементов магнитного поля. Наибольшая скорость изменения поля сейчас наблюдается в Антарктиде (до -140 нТл/год) и в центральной части Атлантического океана (до - 100 нТл/год). В Европе магнитное поле растет со скоростью 20-40 нТл/год, в частности, на белорусской магнитной обсерватории в Плещеницах – на 22  нТл/год. Зафиксировано постепенное смещение на запад экстремумов векового хода и материковых аномалий (западный дрейф).

Короткопериодные вариации подразделяются на спокойные периодические (регулярные) и возмущенные непериодические (нерегулярные). К спокойным вариациям относят солнечносуточные, лунносуточные и годовые вариации. К апериодическим – прежде всего магнитные бури. Интенсивность первых  составляет несколько десятков нанотесла, а вторых – сотни и тысячи нанотесла.

На рис.11 показан ход магнитного центра Земли во времени. Расчеты показывают, что  магнитный центр дрейфует в плоскости большого круга Земли, наклоненный к экватору под углом 31⁰, со средней угловой скоростью около 0,3 градуса в год.

 Изменения положения полюсов магнитного поля дают нам палеомагнитные данные (рис.12). Расхождение кривых движения магнитного полюса, построенных для разных континентов, интерпретируется как результат движения литосферных плит.

Палеомагнитные исследования показали, что с течением времени земной магнитный диполь неоднократно менял направление магнитного поля на противоположное, т.е. имела место инверсия – смена направления вектора напряженности геомагнитного поля на обратное. Установлено, что перед инверсией напряженность поля сначала уменьшается в 7-10 раз, затем происходит инверсия. Процесс инверсии идет примерно 100 000 лет. В течение фанерозоя за 500 млн лет инверсий магнитного поля было около тысячи; последняя произошла примерно 40 000 лет назад.

Что касается вековых вариаций геомагнитного поля и, прежде всего, западный дрейф геомагнитного поля, то предполагается, что они отражают сложную картину магнитогидродинамических течений и колебаний в ядре Земли. В частности, западный дрейф недипольного поля связывают с вращениями ядра: внешние области жидкого ядра Земли вращаются медленнее, чем мантия, а внутренние несколько быстрее, чем все ядро в целом. Это следует из существования в ядре конвекции вещества. А известно из магнитной гидродинамики, что при высокой электропроводности движущегося вещества возникающее магнитное поле также переносится.

Исследования показывают, что электромагнитное взаимодействие ядра и мантии, так или иначе связанное с конвекцией вещества, обусловливает высокочастотную часть спектра геомагнитного поля (Жарков, Трубицин, 1980).