У Земли есть магнитное поле, причины существования которого не установлены. Магнитное поле имеет два магнитных полюса и магнитную ось. Положение магнитных полюсов не совпадает с положением географических. Магнитные полюсы расположены в Северном и Южном полушариях несимметрично относительно друг друга. В связи с этим линия, соединяющая их, - магнитная ось Земли образует с осью ее вращения угол до 11°.
Магнетизм Земли характеризуется магнитной напряженностью, склонением и наклонением. Магнитная напряженность измеряется в эрстедах.
Магнитным склонением называется угол отклонения магнитной стрелки от географического меридиана в данном месте. Поскольку магнитная стрелка указывает направление магнитного меридиана, то магнитное склонение будет соответствовать углу между магнитным и географическим меридианами. Склонение может быть восточным и западным. Линии, соединяющие на карте одинаковые склонения, называются изогонами. Изогона склонения, равного нулю, называется нулевым магнитным меридианом. Изогоны исходят из магнитного полюса, расположенного в Южном полушарии, и сходятся в магнитном полюсе, находящемся в Северном полушарии.
Магнитным наклонением называется угол наклона магнитной стрелки к горизонту. Линии, соединяющие точки с равным наклонением, называются изоклинами. Нулевая изоклина называется магнитным экватором. Изоклины, подобно параллелям, вытягиваются в широтном направлении и изменяются от 0 до 90°.
Плавный ход изогон и изоклин в некоторых местах земной поверхности довольно резко нарушается, что связано с существованием магнитных аномалий. Источниками таких аномалий могут служить крупные скопления железных руд. Самая крупная магнитная аномалия - Курская. Магнитные аномалии могут быть вызваны также разрывами в земной коре - сбросами, взбросами, в результате чего происходит соприкосновение пород с различными магнитными характеристиками, и т. п. Магнитные аномалии широко используются для поиска месторождений полезных ископаемых и изучения строения недр.
Величины магнитных напряженностей, склонений и наклонений испытывают суточные и вековые колебания (вариации).
Суточные вариации вызываются солнечными и лунными возмущениями ионосферы и проявляются больше летом, чем зимой, и больше днем, чем ночью. Гораздо значительнее интенсивность
вековых вариаций. Считается, что они обусловлены изменениями, происходящими в верхних слоях земного ядра. Вековые вариации в разных географических точках различны.
Внезапные, длящиеся несколько суток магнитные колебания (магнитные бури) связаны с солнечной активностью и наиболее интенсивно проявляются в высоких широтах.
§ 4. Теплота Земли
Земля получает тепло из двух источников: от Солнца и из собственных недр. Тепловое состояние поверхности Земли почти полностью зависит от нагрева ее Солнцем. Однако под влиянием многих факторов происходит перераспределение солнечного тепла, попавшего на поверхность Земли. Различные точки земной поверхности получают неодинаковое количество тепла вследствие наклонного положения оси вращения Земли относительно плоскости эклиптики.
Для сравнения температурных условий введены понятия о среднесуточных, среднемесячных и среднегодовых температурах на отдельных участках поверхности Земли.
Наибольшие колебания температур испытывает верхняя толща Земли. Вглубь от поверхности суточные, месячные и годовые колебания температур постепенно уменьшаются. Толща земной коры, в пределах которой породы испытывают влияние солнечного тепла, называется гелиотермической зоной. Глубина этой зоны варьирует от нескольких метров до 30 м.
Под гелиотермической зоной располагается пояс постоянной температуры, где сезонные колебания температуры не сказываются. В районе Москвы он находится на глубине 20 м.
Ниже пояса постоянной температуры расположена зона геотермии. В этой зоне происходит повышение температуры с глубиной за счет внутренней теплоты Земли - в среднем на 1 °С на каждые 33 м. Этот интервал глубин называется „геотермической ступенью. Прирост температуры при углублении внутрь Земли на 100 м называется геотермическим градиентом. Величины геотермических ступени и градиента обратно пропорциональны и различны для разных районов Земли. Их произведение - величина постоянная и равна 100. Если, например, ступень равна 25 м, то градиент равен 4 °С.
Различия в величинах геотермической ступени могут быть обусловлены разной радиоактивностью и теплопроводностью горных пород, гидрохимическими процессами в недрах, характером залегания горных пород, температурой подземных вод, удаленностью от океанов и морей.
Величина геотермической ступени изменяется в широких пределах. В районе Пятигорска она равна 1,5 м, Ленинграда - 19,6 м, Москвы - 38,4 м, в Карелии - более 100 м, в районе Поволжья и Башкирии - 50 м и т. д. 14
Главным источником внутренней теплоты Земли является радиоактивный распад веществ, сосредоточенных в основном в земной коре. Предполагают, что теплота в ней увеличивается в соответствии с геотермической ступенью до глубины 15-20 км. Глубже происходит резкое возрастание величины геотермической ступени. Специалисты считают, что температура в центре Земли не превышает 4000 °С. Если бы величина геотермической ступени сохранилась одинаковой до центра Земли, то температура на глубине 900 км равнялась бы 27 000 °С, а в центре Земли достигла бы примерно 193 000 °С.
ЗЕМНОЙ МАГНЕТИЗМ , отдел геофизики, изучающий магнитное поле земли. Пусть напряженность магнитного поля в данной точке изображается вектором F (фиг. 1). Вертикальная плоскость, содержащая этот вектор, называется плоскостью магнитного меридиана. Угол D, заключенный между плоскостями географического и магнитного меридианов, носит название склонения. Различают склонения восточное и западное. Принято отмечать восточные склонения знаком плюс, западные - знаком минус. Угол I, образованный вектором F с плоскостью горизонта, называется наклонением. Проекция Н вектора F на горизонтальную плоскость называется горизонтальной составляющей, а проекция Z на вертикальную прямую обозначается термином вертикальная составляющая.
Основными приборами для измерения элементов земного магнетизма являются в настоящее время магнитный теодолит и различные системы инклинаторов. Назначение магнитного теодолита - измерение горизонтальной составляющей магнитного поля и склонения. Горизонтально расположенный магнит, могущий вращаться около вертикальной оси, устанавливается под действием магнитного поля земли своей осью в плоскости магнитного меридиана. Если его вывести из этого положения равновесия и предоставить затем самому себе, то он начнет совершать колебания около плоскости магнитного меридиана с периодом Т, определяемым формулой:
где К - момент инерции колеблющейся системы (магнит и оправа) и М - магнитный момент магнита. Определив из специальных наблюдений величину К, можно по наблюденному периоду Т найти значение произведения МН. Затем помещают магнит, период колебания которого определен, на некотором расстоянии от другого, вспомогательного магнита, тоже имеющего возможность вращаться около вертикальной оси, и ориентируют первый магнит так, чтобы центр второго магнита оказался на продолжении магнитной оси первого. В таком случае на вспомогательный магнит будет кроме Н действовать и поле магнита М, которое м. б. найдено по формуле:
где В - расстояние между центрами обоих магнитов, а, b,... - некоторые постоянные. Магнит выйдет из плоскости магнитного меридиана и станет по направлению равнодействующей этих двух сил. Не изменяя относительного расположения частей установки, находят такое положение отклоняющего магнита, при котором названная равнодействующая будет перпендикулярна к нему (фиг. 2). 
Измеряя для этого случая угол отклонения v, можно из соотношения sin v = f/Hнайти значение отношения Из полученных значений МН и H/M определяют горизонтальную слагающую Н. В теории земного магнетизма имеет распространение единица, обозначаемая символом γ, равная 0,00001 гаусса. Магнитный теодолит можно применять в качестве деклинатора, прибора для измерения склонения. Совмещая визирную плоскость с направлением магнитной оси подвешенного на нити магнита, приводят ее в совпадение с плоскостью магнитного меридиана. Чтобы получить отсчет на круге, соответствующем наведению визирного приспособления на географический север, достаточно сделать наведение на какой-либо объект, истинный азимут которого известен. Разность отсчетов географического и магнитного меридианов и дает величину склонения.
Инклинатор - прибор для измерения I. Современная магнитометрия имеет два типа приборов для измерения наклонения - инклинаторы стрелочный и индукционный . Первый прибор имеет магнитную стрелку, вращающуюся около горизонтальной оси, помещенной в центре вертикального лимба. Плоскость движения стрелки совмещается с плоскостью магнитного меридиана; в таком случае в идеальных условиях магнитная ось стрелки в положении равновесия совпадет с направлением магнитного напряжения в данном пункте, и угол между направлением магнитной оси стрелки и горизонтальной линией даст величину I. В основу конструкции индукционного инклинатора (земного индуктора ) положено явление индукции в проводнике, движущемся в магнитном поле. Существенной особенностью прибора является катушка, вращаемая около одного из своих диаметров. При вращении такой катушки в магнитном поле земли в ней не появляется ЭДС лишь в том случае, когда ее ось вращения совпадает с направлением поля. Это положение оси, отмечаемое отсутствием тока в гальванометре, на который замкнута катушка, отсчитывается на вертикальном круге. Угол между направлением оси вращения катушки и горизонтом будет углом наклонения.
Упомянутые выше приборы являются в настоящее время наиболее распространенными. Следует упомянуть особо о магнитном теодолите Оглоблинского, определяющем значение H/M методом компенсации Н полем магнита, для которого определяется период колебания.
В последнее время начинают применяться т.н. электрические методы измерения Н, при которых отклонения производятся не с помощью отклоняющего магнита, а с помощью магнитного поля катушек. Для достижения той точности, которая требуется от магнитных измерений (0,2-0,02 % полного напряжения), рабочий ток сравнивается с током от нормальных элементов (компенсирование по методу потенциометра).
Измерения, сделанные в различных пунктах земной поверхности, показывают, что магнитное поле меняется от пункта к пункту. В этих изменениях можно заметить некоторые закономерности, характер которых лучше всего уясняется из рассмотрения т. н. магнитных карт (фиг. 3 и 4).
Если нанести на топографической основе линии, соединяющие точки равных значений какого-либо элемента земного магнетизма, то такая карта представит наглядную картину распределения этого элемента на местности. Соответственно различным элементам земного магнетизма имеются карты с различными системами изолиний. Эти изолинии носят специальные названия, смотря по тому, какой элемент они изображают. Так, линии, соединяющие точки равных склонений, носят название изогон (линия нулевых склонений получила название агонической линии), линии равных наклонений - изоклин и линии равных напряжений - изодинам . Различают изодинамы горизонтальной, вертикальной составляющей и т. д. Если построить такие карты для всей поверхности земного шара, то на них можно заметить следующие особенности. В экваториальных областях наблюдаются наибольшие значения горизонтальной силы (до 0,39 гаусса); по направлению к полюсам горизонтальная составляющая убывает. Противоположный характер изменений имеет место для вертикальной составляющей. Линия нулевых значений вертикальной составляющей называется магнитным экватором . Точки с нулевыми значениями горизонтальной силы называются магнитными полюсами земли. Они не совпадают с географическими и имеют координаты: северный магнитный полюс - 70,5° с. ш. и 96,0° з. д. (1922 г.), южный магнитный полюс - 71,2° ю. ш. и 151,0° в. д. (1912 г.). В магнитных полюсах земли пересекаются все изогоны.
Детальное исследование магнитного поля земли обнаруживает, что изолинии идут далеко не так плавно, как это дается общей картиной. На каждой такой кривой имеют место искривления, нарушающие плавный ход ее. В некоторых областях эти искривления достигают настолько крупных значений, что приходится данный участок выделить в магнитном отношении из общей картины. Такие районы носят название аномальных, и в них можно наблюдать значения магнитных элементов, во много раз превышающие нормальное поле. Исследование магнитных аномалий выяснило их тесную связь с геологической структурой верхних частей земной коры, гл. обр. в отношении содержания в них магнитных минералов, и вызвало к жизни особую отрасль магнитометрии, имеющую прикладное значение и ставящую своей задачей применение магнитометрии, измерений к горной разведке. Такие аномальные районы, имеющие уже в настоящее время большое промышленное значение, находятся на Урале, в Курском округе, в Кривом Роге, в Швеции, в Финляндии и в др. местах. Для исследования магнитного поля таких областей разработана специальная аппаратура (магнитометр Тиберга-Талена, локальвариометры и т. д.), позволяющая быстро получить нужные результаты измерений. Изучение магнитного поля земли в каком-либо одном пункте обнаруживает факт изменений этого поля с течением времени. Детальное исследование этих временных вариаций элементов земного магнетизма привело к установлению их связи с жизнью земного шара в целом. В вариациях находят свое отражение вращение земли около оси, движение земли по отношению к солнцу и еще целый ряд явлений космического порядка. Изучение вариаций ведется специальными магнитными обсерваториями, снабженными, кроме точных приборов для измерений элементов магнитного поля земли, еще специальными установками для непрерывной записи временных изменений магнитных элементов. Такие приборы носят название вариометров , или магнитографов , и служат обычно для записи вариаций D, Н и Z. Прибор для записи вариаций склонения (вариометр D , или унифиляр ) имеет магнит с прикрепленным к нему зеркальцем, свободно висящий на тонкой нити. Вариации склонения, заключающиеся в поворотах плоскости магнитного меридиана, заставляют подвешенный таким способом магнит поворачиваться. Брошенный из специального осветителя луч, отразившись от зеркальца магнита, дает перемещающееся световое пятно, которое оставляет след в виде кривой на светочувствительной бумаге, навернутой на вращающийся барабан или опускающейся вертикально. Линия, прочерченная лучом, отраженным от неподвижного зеркальца, и отметки времени позволяют по полученной магнитограмме найти изменение D для любого момента времени. Если закручивать нить, вращая верхнюю точку ее прикрепления, то магнит выйдет из плоскости магнитного меридиана; надлежащим закручиванием можно поставить его в положение, перпендикулярное первоначальному. В новом положении равновесия на магнит, с одной стороны, будет действовать Н, с другой - момент закрученной нити. Всякое изменение горизонтальной слагающей вызовет изменение положения равновесия магнита, и такой прибор будет отмечать вариации горизонтальной составляющей (вариометр Н , или бифиляр , если магнит подвешен на двух параллельных нитях). Запись этих вариаций ведется таким же образом, как и запись изменений склонения. Наконец, третий прибор, служащий для записи вариаций вертикальной составляющей (весы Ллойда , вариометр Z ), имеет магнит, колеблющийся, подобно коромыслу весов, около горизонтальной оси. Надлежащим перемещением центра тяжести с помощью передвижного грузика магнит этого прибора приводят в положение, близкое к горизонтальному, и устанавливают обычно так, чтобы плоскость движений магнита была направлена перпендикулярно плоскости магнитного меридиана. В таком случае положение равновесия магнита определяется действием Z и веса системы. Изменение первой величины вызовет некоторый наклон магнита, пропорциональный изменению вертикальной составляющей. Эти изменения наклона регистрируются, подобно предыдущему, фотографическим путем и дают материал для суждений о вариациях вертикальной составляющей.
Если подвергнуть кривые, записанные магнитографами (магнитограммы ), анализу, можно найти на них целый ряд особенностей, из которых прежде всего бросится в глаза отчетливо выраженный суточный ход. Положение максимумов и минимумов суточного хода, а равно и их значения изо дня в день меняются в небольших пределах, и поэтому для характеристики суточного хода составляются некоторые средние кривые за какой-либо интервал времени. На фиг. 5 даны кривые изменения D, H и Z для обсерватории в Слуцке за сентябрь 1927 г., на которых хорошо заметен суточный ход элементов.
Наиболее наглядным способом изображения вариаций является т. н. векторная диаграмма
, представляющая движение конца вектора F с течением времени. Две проекции векторной диаграммы на плоскости yz и ху даны на фиг. 6. Из этой фиг. видно, как отражается на характере суточного хода время года: в зимние месяцы колебания магнитных элементов значительно меньше, чем в летние.
Кроме вариаций, обусловленных суточным ходом, на магнитограммах иногда замечаются резкие изменения, достигающие нередко весьма больших значений. Такие резкие изменения магнитных элементов сопровождаются рядом других явлений, как то: полярных сияний в арктических областях, появлением индуцированных токов в телеграфных и телефонных линиях, и т. д., и называются магнитными бурями . Между вариациями, обусловленными нормальным ходом, и вариациями, вызванными бурями, существует коренное различие. В то время как нормальные изменения протекают для каждого пункта наблюдений по местному времени, вариации, причиной которых являются бури, протекают одновременно для всего земного шара. Это обстоятельство указывает на различную природу вариаций обоих типов.
Стремление объяснить наблюдаемое наземной поверхности распределение элементов земного магнетизма привело Гаусса к построению математической теории геомагнетизма. Изучение элементов земного магнетизма со времени первых геомагнитных измерений обнаружило существование т. н. векового хода элементов, и дальнейшее развитие теории Гаусса заключало среди прочих задач и учет этих вековых вариаций. В результате работ Петерсона, Неймайера и других исследователей имеется теперь формула для потенциала, учитывающая и этот вековой ход.
Среди гипотез, предложенных для объяснений суточного и годового хода геомагнитных элементов, надо отметить гипотезу, предложенную Бальфур-Стюартом и развитую Шустером. По мысли этих исследователей, в высоких электропроводящих слоях атмосферы под термическим действием солнечных лучей возникают перемещения газовых масс. Магнитным полем земли в этих движущихся проводящих массах индуцируются электрические токи, магнитное поле которых и проявляется в виде суточных вариаций. Эта теория хорошо объясняет уменьшение амплитуды вариаций в зимние месяцы и выясняет превалирующую роль местного времени. Что касается магнитных бурь, то ближайшее исследование показало их тесную связь с деятельностью солнца. Выяснение этой связи привело к следующей общепризнанной в настоящее время теории магнитных возмущений. Солнце в моменты наиболее интенсивной своей деятельности выбрасывает потоки электрически заряженных частиц (например, электронов). Такой поток, попадая в верхние слои атмосферы, ионизирует ее и создает возможность протекания интенсивных электрических токов, магнитное поле которых и является теми пертурбациями, которые мы называем магнитными бурями. Такое объяснение природы магнитных бурь хорошо согласуется с результатами теории полярных сияний, развитой Штермером.
Наша Земля — пятая по величине среди девяти планет, кружащихся по своим орбитам вокруг Солнца, ближайшей звезды. Каждую секунду Земля проходит около 30 км, а полный оборот вокруг Солнца она совершает в течение года. Вдобавок, Земля вращается вокруг своей оси, как волчок, делая полный оборот за 24 часа. Земля не является идеальным шаром. Ее диаметр равен 12756 км у экватора (условной линии, разделяющей земной шар на Северное и Южное полушария) и 12714 км у полюсов. Длина окружности Земли по экватору составляет 40075 км.
Луна — ближайший космический сосед Земли. Ее диаметр примерно вчетверо меньше диаметра Земли и равен 3475 км. Горные породы, слагающие Луну, менее плотные, чем земные, поэтому Луна весит в 8 раз меньше Земли.
Земля — третья планета от Солнца, состоящая в основном из каменистых горных пород.
«Анкета» нашей планеты, или что мы твёрдо знаем о Земле
Сегодня мы твёрдо знаем о той планете, на которой обитает человечество, что её средний радиус составляет 6371 км. Однако в плоскости экватора он чуть больше — около 6378 км, а расстояние от центра Земли до полюса — меньше, почти 6357 км.
Поверхность Земли — 510 млн км2, из которых 71% занимает океан, а остальное — суша. Может быть, вообще нашу планету правильнее было бы называть Океаном, раз уж земли на Земле значительно меньше?
Объём земного шара обозначается таким числом кубических километров, которое оканчивается двенадцатью нулями. Каждый кубический метр материала, из которого состоит Земля, в среднем весит чуть больше 5,5 т. Так что, если бы некоему великану удалось поместить планету на исполинские весы, она «потянула» бы на шесть с двадцать одним нулём тонн!
Во внутреннем составе планеты преобладает железо — его почти 35%; затем идёт кислород (около 30%), потом — кремний (15%) и магний (12%). Но это в среднем.
За 4,6 млрд лет существования Земли сила тяжести увлекла вглубь более тяжёлые породы, а более лёгкие оставила ближе к поверхности. Такой «сортировке» помогал и жар земных недр — в самой середине Земли температура от 5000 до 6000° С. Поэтому тело планеты стало неоднородным и по физическим свойствам, и по химическому составу. В сердцевине находится ядро планеты; оно окружено мантией, а поверх всего — земная кора.
Планета Земля обладает собственным магнетизмом — ее окружает невидимое поле магнитных сил, которого мы не ощущаем, однако оно действует на материалы, содержащие железо или некоторые другие металлы. Обнаружить магнитное поле можно с помощью компаса. Стрелка компаса — это длинный тонкий магнит. Взаимодействуя с земным магнетизмом, она поворачивается и указывает на север и на юг.
1. Магнитные силовые линии, 2. Земля
Сильнее всего проявляется на Северном и Южном магнитных полюсах. Там магнитные силовые линии направлены вертикально.
Вероятно, магнитное поле Земли обусловлено силами, порождаемыми ее внешним ядром — железной оболочкой, которая располагается на глубине около 2900 км под поверхностью. Давление на такой глубине очень велико, и температура превышает 4000 °С. При такой температуре железо находится в жидком состоянии. Из-за вращения Земли потоки расплавленного железа закручиваются подобно штопору, их движение порождает электричество, а оно, в свою очередь, создает магнитное поле, окружающее земной шар и защищающее нас от облучения частицами с высокой энергией, которыми Солнце бомбардирует Землю. Однако некоторые частицы притягиваются магнитными полюсами, вызывая сполохи на ночном небе — полярное сияние.
Магнитное поле распространяется в космическое пространство и образует магнитосферу. Солнечные частицы высокой энергии, «солнечный ветер», бомбардируют магнитосферу и заставляют ее принимать каплеобразную форму.
Колоссальные потоки тепловой энергии внутри Земли и вращение планеты вокруг своей оси заставляют полужидкие каменные глыбы двигаться по спиралям. Эти спиральные течения возбуждают электрические токи, которые порождают магнитное поле.
Еще в девятнадцатом веке ученый из Англии по фамилии Шустер хотел понять и объяснить в чем состоим магнетизм Земли. Он предполагал, что он вызван ее вращением вокруг оси. В России этому вопросу уделял большое внимание физик П. Лебедев. По его теории, из-за влияния центробежных сил электроны в атомах смещаются в сторону нашей планеты. Из-за этого поверхность обязательно должна иметь отрицательный заряд и это в свою очередь приводи к возникновению магнетизма как такового.
Однако эта теории оказалась неточной. После проведения опытов с вращением колеса на огромной скорости магнетизма в ней обнаружено не было. Исследователь Гельберт утверждал, что наша планета полностью сделана из камня имеющего магнитную природу. Также были точки зрения, которые утверждали, что Земля стала намагниченной благодаря Солнцу. Однако все эти теории показали свою полную нежизнеспособность после того, как были проведены соответствующие исследования.
Теория магнитного поля земли
Многие из исследователей предполагали, что у планеты жидкое ядро, которое и вызывает магнетизм, и такая точка зрения до сих пор присутствует в науке. Исследователь Блекет в середине двадцатого века предположил, что магнитное поле у планет вызвано каким-то законом, который пока неизвестен науке.
Он разработал теорию, которая помогла прояснить множество моментов в природе магнетизма. Именно тогда ученым удалось установить, какая именно скорость вращения и какие магнитные поля есть у нашей планеты, Солнца, а также звезды под кодовым обозначением E78.
Как известно из физики, магнитное поле Земли и Солнца к примеру, соотносятся так же, как и их угловые моменты. Ученые предположили, что есть некоторая связь между вращением небесных тел и их магнетизмом. Тогда у исследователей было мнение, что вращение тел приводит к возникновению магнетизма.
Несмотря на опыты ученых того времени, им в точной мере не удавалось ответить на этот вопрос, и многие научные эксперименты, пытающиеся объяснить природу магнетизма добавляли только еще больше вопросов. В конечном итоге, только после развития физики и астрономии исследователи лучше стали понимать природу этого загадочного явления. Однако вопросы все же оставались.
Возникает вопрос, вращение нашей планеты приводит к тому, что магнитное поле возмущается или же магнетизм приводит к тому, что планета вращается? Может быть наша планета все время осуществляет вращение, вокруг своей оси, потому что она является гигантским магнитом, находящемся в потоке сильно заряженных частиц.
Магнетизм и ядро планеты
Благодаря новым знаниям в области физики удалось доказать очевидную связь между ядром планеты и магнетизмом. Исследования ученых показали, что к примеру наш спутник – Луна не имеет своего магнитного поля, и благодаря измерениям космических аппаратов удалось точно установить, что у нее нет этого поля. Любопытные данные были обнаружены учеными во время изучения токов планеты в Арктике и Антарктиде. Было выяснено, что там очень высокая активность электрических токов, которая во много раз выше их интенсивности в обычных широтах. Это говорит о том, что электроны в большом количестве поступают на планету через зоны магнитных полюсов, которые находятся в полярных шапках.
Когда активность Солнца резко возрастает, то происходит и усиление электрических токов нашей планеты. На данный момент ученые считают, что, электрические токи в планете вызваны течением массы ядра Земли и постоянного притока из космического пространства электронов. Новые исследования наверняка и дальше будут уточнять природу магнетизма Земли, и мы еще узнаем много интересных фактов о данном явлении.
Земля обладает магнитным полем, наглядно проявляющимся в воздействии на магнитную стрелку. Свободно подвешенная в пространстве, магнитная стрелка устанавливается в любом месте в направлении магнитных силовых линий, сходящихся в магнитных полюсах.
Магнитные полюсы Земли не совпадают с географическими и медленно изменяют свое местоположение. В настоящий период географические координаты магнитных полюсов таковы: в северном полушарии - 72° с. ш. и 96° з. д., в южном полушарии - 70° ю. ш. и 150° в. д. Силовые линии, идущие от одного магнитного полюса к другому, - магнитные меридианы
не совпадают по направлению с географическими меридианами, и магнитная стрелка компаса не указывает строго направление север - юг. Угол между магнитным и географическим меридианами называется углом магнитного склонения
или магнитным склонением. Склонение бывает восточным (положительным) и западным (отрицательным). В первом случае стрелка отклоняется к востоку от географического меридиана, во втором - к западу от него. Линии, соединяющие точки с одинаковым склонением, - изогоны
. Изогоны, соединяющие точки с нулевым склонением и называемые агоническими линиями
, делят Землю на область восточного и западного склонений. Агонические линии имеют сложную форму (см. карту 23).
Свободно подвешенная магнитная стрелка сохраняет горизонтальное положение только на линии магнитного экватора . К северу от этой линии северный конец магнитной стрелки опускается, причем тем больше, чем меньше расстояние до магнитного полюса. На магнитном полюсе северного полушария стрелка становится вертикально, северным концом вниз. К югу от магнитного экватора вниз наклоняется, наоборот, южный конец магнитной стрелки. Угол, образованный магнитной стрелкой с горизонтальной плоскостью, называется углом магнитного наклонения или магнитным наклонением . Магнитное наклонение может быть северным и южным, оно изменяется от 0° на магнитном экваторе до 90° на магнитных полюсах. Линии, соединяющие точки с одинаковым наклонением, - изоклины .
Склонение и наклонение характеризуют направление магнитных силовых линий в любом пункте в данный момент.
Сила магнитного поля характеризуется его напряженностью . За единицу напряженности принимают напряженность такого магнитного поля, в котором сила, действующая на единицу магнитной массы, равна одной дине. Единица измерения напряженности магнитного поля называется эрстед (0,00001 эрстеда - гамма). Напряженность магнитного поля Земли невелика: на магнитном экваторе - 0,3-0,5 эрстеда, на магнитном полюсе - 0,6-0,7. Линии равного напряжения магнитного поля - изодинамы .
Различают постоянное и переменное магнитные поля Земли. Постоянное магнитное поле обусловлено магнетизмом самой планеты. Представление о состоянии постоянного магнитного поля Земли дают магнитные карты. Ho так как все элементы земного магнетизма (склонение, наклонение, напряженность) непрерывно, хотя и очень медленно, изменяются, карты сохраняют необходимую точность только в течение нескольких лет. Обычно магнитная карта приурочивается к середине года, оканчивающегося на 0 или на 5, например на 1 июля 1950, 1955, 1960, 1965 г. и т. д. Пятилетний период, для которого магнитная карта действительна, называется магнитной эпохой . Сейчас эпоха 1965 г. На основании анализа магнитных карт, построенных для определенной эпохи, составляют поправочные таблицы для постоянного магнитного поля на будущее.
Существующее распределение элементов земного магнетизма позволяет сделать вывод о сходстве постоянного магнитного поля Земли с магнитным полем однородно намагниченного шара. Магнитные полюса такого поля называются геомагнитными полюсами. Их географические координаты - 78°32" с. ш. и 69°9" з. д., 78°32" ю. ш. и 110°52" в. д.
Магнитные аномалии проявляются в отклонениях значений элементов земного магнетизма от их среднего значения для данного места. Магнитные аномалии, охватывающие огромные площади, называются региональными в отличие от локальных (местных), занимающих площадь от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч квадратных километров. Примером региональной магнитной аномалии является Восточно-Сибирская. На огромной территории Восточной Сибири обнаружено западное склонение вместо восточного. Магнитное поле этой аномалии очень медленно затухает с высотой Это значит, что региональные аномалии вызваны процессами, происходящими глубоко в Земле, возможно в земном ядре.
Примером локальной (местной) аномалии может быть Курская магнитная аномалия, создающая напряжение магнитного поля в 5 раз больше среднего напряжения магнитного поля Земли. Аномалия проявляется в изменениях склонения от 0 до 180° и наклонения от 40 до 80°. Местные аномалии вызываются присутствием в верхних слоях земной коры залежей магнитных пород и руд. С высотой магнитное поле таких аномалий сравнительно быстро затухает.
Существование постоянного магнитного поля Земли объясняют вихревыми электрическими таками, возникающими в земном ядре (во внешней его части) благодаря непрерывному движению заряженных электронов, описывающих круги и петли. Изменения в характере этих движений вызывают медленные изменения постоянного магнитного поля Земли - его вековые колебания.
Переменное магнитное поле составляет всего 6% общей напряженности магнитного поля Земли. Оно вызывается движением электрически заряженных частиц в земной атмосфере и как бы накладывается на постоянное магнитное поле. На фоне спокойного магнитного поля возникают отдельные его колебания - вариации. Существуют вариации с годичным периодом, вызываемые сезонными движениями земной атмосферы, суточные вариации, связанные со сменой дня и ночи, лунные вариации, являющиеся результатом приливов в атмосфере. Вариации, обладающие периодом от 5 до 100 сек. и называемые пульсациями, пока не имеют объяснения.
Магнитные бури - особенно сильные возмущения магнитного поля, проявляющиеся в быстром отклонении магнитной стрелки от нормального положения. Магнитные бури вызываются вспышками на Солнце и сопровождающим их проникновением к Земле и в ее атмосферу корпускулярных потоков. 23 февраля 1956 г. на Солнце произошел взрыв, продолжавшийся несколько минут, а на Земле разразилась магнитная буря, в результате которой была на 2 часа нарушена работа радиостанций, вышел на некоторое время из строя трансатлантический телефонный кабель и т. д. Особенно сильные магнитные бури возникают в том случае, если корпускулярный поток охватывает всю Землю, менее сильные магнитные бури вызываются потоками, проходящими мимо Земли.
Магнитное поле Земли простирается вверх до высоты 90 000 км. До высоты 44 000 км величина магнитного поля Земли убывает обратно пропорционально кубу расстояния от поверхности Земли. В слое от 44 000 до 80 000 км магнитное поле неустойчиво, в нем постоянно происходят резкие колебания. Выше 80 000 км интенсивность магнитного поля быстро падает, принимая значение, сохраняющееся в межпланетном пространстве. На расстоянии 90 000 км от поверхности Земли магнитное поле теряет способность притягивать (захватывать) заряженные частицы. Эту границу предлагают считать верхней границей газовой оболочки Земли.
Величина магнитного поля Земли в сотни раз меньше, например, величины магнитного поля, возникающего около обыкновенного подковообразного магнита. Ho магнитное поле Земли имеет огромный объем, а так как энергия магнитного поля пропорциональна объему поля, влияние его на процессы, происходящие на Земле, очень велико. Магнитное поле Земли либо отклоняет, либо захватывает заряженные частицы, летящие от Солнца или образующиеся при воздействии космических лучей на атомы и молекулы воздуха. Заряженные частицы, попавшие в магнитное поле Земли, образуют радиационные пояса: нижний, или внутренний, и верхний, или внешний.
Внутренний радиационный пояс простирается от высоты 2400 до высоты 5600 км. Он состоит из протонов сравнительно высоких энергий и представляет непосредственную опасность для космических полетов. Этот пояс сравнительно устойчив во времени.
Внешний радиационный пояс имеет максимальную интенсивность излучения на высоте 20 тыс. км. В нем зарегистрированы и протоны и электроны. Этот пояс не стабилен во времени, его изменения согласуются с изменениями солнечной активности. Непосредственной опасности для космических полетов внешний пояс не представляет. Результаты полетов космических ракет дают основания предполагать существование третьего, очень нестабильного пояса заряженных частиц, называемого «круговым током» и находящегося на высоте 45-60 тыс. км.
Всю область околоземного пространства, в которой находятся заряженные частицы, захваченные магнитным полем Земли, называют магнитосферой . Магнитосфера довольно четко ограничена магнитопаузой. Под действием солнечного ветра она имеет овальную форму.
Частица, попавшая в магнитное толе Земли, вращаясь по спирали вокруг магнитной силовой линии, двигается из одного полушария в другое и обратно, смещаясь к востоку (протоны) или к западу (электроны). Движение заряженной частицы продолжается до тех пор, пока она не потеряет заряд от столкновения с молекулами воздуха. На близкое расстояние к Земле проникают только частицы больших энергий, они и создают полярные сияния , очерчивающие область, где заканчиваются пути заряженных частиц, попавших в атмосферу. Полярные сияния чаще возникают в зоне, опоясывающей Землю примерно на расстоянии 23° от геомагнитных полюсов. Полярные сияния обычно сопровождаются магнитными бурями.
Влияние магнитного поля отражается на всех процессах, происходящих на Земле, но механизм и степень этого влияния пока еще недостаточно изучены.
По мнению специалистов, изучающих намагниченность древних горных пород, направление магнитных силовых линий в течение геологической истории Земли изменялось. Это значит, что изменялось направление круговых токов в земном ядре. Изменение, а может быть, и временное прекращение этих токов должно вызывать изменение и временное исчезновение магнитных силовых линий, а следовательно, и «ловушек» заряженных частиц, идущих к Земле и образующих радиационные пояса. В такие периоды космическое излучение достигнет земной поверхности, а это существенно отразится на процессах, происходящих в географической оболочке, и прежде всего на процессах, происходящих в живом веществе.