Магнитное поле Земли: структура на поверхности, вариации

Т- магнитная индукция, основной элемент магнитного поля

Структура магнитного поля Земли

Значения Т на земной поверхности изменяются от 23000 до 68000 нТл. Среднее значение Т на экваторе – 32000нТл, на полюсах – 60000нТл. Такое распределение Т соответствует магнитному моменту диполя в центре Земли.

Ось диполя, поле которого наилучшим образом описывает геомагнитное поле, пересекает поверхность в точках(называемых геомагнитными полюсами) с координатами на 1980г.

На севере – 78,8 с.ш. 70,9 з.д. На юге – 78,8ю.ш., 109,1 в.д.

Это соответствует наклону оси диполя к оси вращения Земли на угол 11,2 градусов.

Структуру геомагнитного поля удобно изучать по результатам разложения потенциалов в ряд по сферическим функциям, называемый рядом Гаусса:

Важным отличием реального геомагнитного поля от модели, описываемой формулами, является смещение центра диполя от центра масс Земли (и начала используемой координатной системы) на величину 0.07R = 490 км в сторону Филлипинских островов в западной части Тихого океана. Это усложняет формулы для определения параметров диполя из-за необходимости учета коэффициентов Гаусса второго порядка.

В главном, геомагнитном поле можно выделить:

А) дипольное поле (ДП), описываемое первой и второй гармониками; его величина составляет приблизительно 90% полного МПЗ в среднем по интенсивности на земной поверхности.

Б) поле мировых магнитных аномалий (ММА) определяется гармониками порядка от 3 до 8; на земной поверхностивыделены 4 аномалии – положительные Сибирская, Канадская и Антарктическая и отрицательная Бразильская. ММА составляют основную часть недипольного поля, которое отличается от дипольного не только морфологией, но и закономерностями изменения во времени.

Наличие ММА, а также аномального магнитного поля с источниками в литосфере приводит к тому что магнитные полюса как области где Н = 0 (Н- горизонтальная составляющая), не совпадают с геомагнитными полюсами. Магнитные полюса имеют координаты: На севере – 75 с.ш., 100 з.д., На юге – 66 ю.ш.,140 в.д.

Отличие от координат геомагнитных полюсов составляет по широте от 4 до 13 градусов, по долготе порядка 30 градусов.

Вариации магнитного поля Земли

Геомагнитное поле очень нестабильно сравнительно с другими физическими полями Земли. Вариации МПЗ очень разнообразны:

1) Изменение магнитного момента М и амплитуды первой гармоники g₁₀ со скоростью dM/Mdt = -5*10^-4 год^-1 в среднем за последние 150 лет. Если бы скорость была постоянной, поле могло бы до нуля за 2000 лет, но она меняется.

2) Инверсии (изменение знака) геомагнитного поля, выявленные по данным палеомагнитных исследований. За последние 5 млн лет известны 22 инверсии МПЗ: выделены две эпохи прямой (современной) и две эпохи обратной полярности: Брюнес+ (0.87млн лет до настоящего времени), Матуяма- (2.40 – 0.87), Гаусс+(3.32 - 2.40) и Гилберт- (5.20-3.32 млн лет). В каждой из них выявлены более или менее длительные (от 0.02 до 0.2 млн лет) эпизоды противоположной полярности. За 230 млн. лет в мезозое и кайнозое одна инверсия приходилась на 2-5 * 10⁵лет. Длительность инверсии составляет 10³ – 10⁵ лет.

3) Вариации недипольной части поля: возникновение, западный дрейф со скоростью 0.18-0.23 град/год и распад (через 20-60 лет) фокусов векового хода МПЗ; дрейф фокусов к полюсам – сместе с западным дрейфом его можно рассматривать как результат смещения эксцентричного диполя со скоростями: на запад – примерно 20 мин/год, к полюсу – 12 мин/год, по радиусу от центра dr/Rdt = 3*10^-4 год^-1.

4) Квазипериодические вариации интенсивности элементов МПЗ: по инструментальным, архео – и палеомагнитным данным выделены периоды: 6, 11, 22, 58, 450, 600, 1800, 8000 лет. (первые два связываются с внешним полем).

5) Вариации внешнего магнитного поля (с источниками в ионо- и магнитосфере):

-солнечно-суточные в спокойные дни (Sq-вариации), их амплитуда по Z и H не достигает в дневное время 70 нТл, зависит от широты и от электропроводности разреза, а в разнесенных по долготе пунктах эти вариации коррелируются по солнечному времени;

-солнечно-суточные вариации в магнитно-возмущенные дни (Sd - вариации) гораздо менее закономерные и могут быть намного интенсивнее Sq вариаций.

-бухтообразные возмущения геомагнитного поля с амплитудамив единицы и первые десятки нанотесл и с характерными временами от долей часа до 2-5 часов.

-магнитные бури продолжительностью от часов до нескольких суток, во время которых на фоне изменений поля на 30-50 нТл наблюдаются нерегулярные, зачастую короткопериодные вариации с амплитудами в сотни и тысячи нанотесл.

Для справки – суточные вариации обусловлены воздействием «солнечного ветра» на магнитосферу Земли и по всей Земле проходят только в дневное время; бухтообразные вариации и магнитные бури вызваны приполярными круговыми токами в ионосфере и одновременны на Земле.

Суточные вариации и бухты генерируют в Земле электромагнитное поле, измерение которого позволяет определить электропроводность глубоких зон литосферы и мантии электроразведочными методами магнито-теллурических зондирований.

Вариация с периодом в 8000 лет является основной для магнитного момента. Около 2 тыс. лет назад он был максимален, в 1,5 раза больше современного, а 6 тыс. лет назад вдвое меньше современного.

Магнитное поле Земли, осредненное за время порядка наибольшего периода вариаций(8000 лет), как показали специальные исследования, соответствует модели поля центрального диполя, что важно в палеомагнитологии при определении координат магнитных полюсов прошедшие геологические эпохи и восстановления на этой основе характеристик больших перемещений литосферных плит.

ВОПРОС 87