Магнитные и электрические поля Земли

Магнитное поле Земли. Земля – это гигантский магнит, силовые линии которого выходят из северного магнитного полюса (расположен в Антарктиде, море Дюрвиля) и замыкаются на южном магнитном полюсе (Канадский архипелаг, о-ва Королевы Елизаветы). Геомагнитное поле с точностью до 25% соответствует полю однородно намагниченного шара. Вектор напряженности магнитного поля на полюсах вертикален: нет горизонтальной составляющей (Н=0), а на экваторе – горизонтален, очень мала вертикальная составляющая (Ζ=min). Она обусловлена намагниченностью пород земной коры. В других пунктах земного шара вектор напряженности наклонен к дневной поверхности (рис. 1.8). Геомагнитное поле дипольное, магнитные полюса Земли не совпадают с географическими. Между осью земного магнитного диполя и осью вращения Земли образуется угол около 11,5°, называемый магнитным склонением. Ось магнитного диполя не проходит через географический центр Земли, а смещена на 400 км в сторону Тихого океана.

Источники магнитного поля Земли разделяются на внутренние и внешние. Внутренний источник магнитного поля находится в ядре Земли. На это поле накладывается фон от намагниченности горных пород земной коры и солнечного ветра. Картина изолиний магнитного поля смещается в западном направлении с угловой скоростью 0,2 градуса в год (30 км) и может совершать оборот вокруг земной оси за период около 1 800 лет. Это аномальное явление связано с различной угловой скоростью вращения ядра и мантии Земли. Величина земного магнитного поля со времени Гаусса непрерывно уменьшается на 0,05% в год и при сохранении такой тенденции исчезновение поля может произойти через 2000 лет. Но такое заключение некорректно, так как скорость изменения поля и его знак могут с течением времени варьировать, что подтверждается палеомагнитными исследованиями. Периоды вековых изменений поля: 360, 600, 1 200, 1 800, 4 000, 8 000 лет. Установлено, что магнитное поле Земли в течение геологического времени неоднократно инверсировало.

На Земле определены районы с максимальными значениями напряженности магнитного поля 0,6-0,7 Э: в Канаде, Антарктиде, между Енисеем и Леной. Имеются области низких значений напряженности поля 0,25 Э на южной оконечности Ю. Америки.

Рис. 1. 8. Деформация магнитного поля Земли солнечным ветром

Полюса магнитного поля Земли подвижны (дрейфуют) и смещаются на большие расстояния (до 100 км) даже в течение суток, описывая спиралевидную кривую. На постоянное магнитное поле Земли накладываются переменные составляющие, обусловленные солнечно-лунными возмущениями (солнечным ветром). Солнечные вспышки, обуславливающие солнечный ветер, происходят с ярко выраженной периодичностью в 11 лет. Отмечены следующие годы минимальной и максимальной солнечной активности:

min – 1843, 1 855, 1 867, 1 878, 1 888, 1 901, 1 912, 1 923, 1 934, 1 945, 1 956, 1 967, 1 978, 1 989, 2 000, 2 011 гг.;

max – 1 836, 1 847, 1 859, 1 871, 1 884, 1 893, 1 906, 1 917, 1 928, 1 939, 1 950, 1 961, 1 972, 1 983, 1 994, 2 005, 2 016 гг.

В периоды максимальной солнечной активности магнитное поле Земли осложняется значительными по напряженности вариациями поля, вызывающими полярные сияния. Такой характер магнитного поля носит название магнитных бурь.

Природа геомагнетизма. П ервые представления о равномерно намагниченных породах земного шара, создающих дипольное магнитное поле, сменялись более обоснованными теориями. В настоящее время хорошо разработана теория гидромагнитного динамо. Основная идея теории – создание магнитного поля в ядре как в динамо-машине с самовозбуждением. Важным фактором для такого механизма является разная угловая скорость вращения ядра и мантии, вследствие воздействия приливных сил.

В жидком ядре Земли происходят конвекционные движения. Возникновение конвекционных движений обусловлено дифференциацией вещества. Более тяжелые фракции двигаются к внутреннему ядру, легкие – к мантии.

Анализ магнитных полей планет. Космические тела характеризуются как наличием, так и отсутствием дипольного магнитного поля. Так, напряженность магнитного поля Солнца составляет 1-2 Э, хотя отдельные пятна имеют поле в 20 Э.

Максимальным магнитным полем обладает Юпитер, имеющий большую массу; минимальным полем – Луна, Марс, Меркурий. Образование Солнечной системы происходило в единый временной период, можно предположить наличие связи магнитного поля планет с термодинамическим состоянием их недр. Однако каждая из планет находится на своем временном этапе развития, поэтому у одних планет наблюдается максимальное дипольное поле, у других его отсутствие, третьих – значительная остаточная намагниченность пород и отсутствие значительного дипольного поля.

Оси магнитного поля планет и Солнца не совпадают с их осями вращения. Солнце за 11 лет с 1976 по 1987 годы сменило ось магнитного поля на 90^о. Вероятно, общее магнитное поле космических тел является результатом сложения двух и более внутренних источников.

Намагниченность лунных пород свидетельствует о том, что она обладала более сильным магнитным полем, чем наблюдаемое сейчас. Нет закономерной связи между массой планеты, наличием спутников и наличием у нее дипольного поля. Это не дает возможности гипотезу самовозбуждающегося динамо считать достаточно доказанной.

Намагниченность земной коры. Породы земной коры вносят свой вклад в магнитное поле Земли. Глубина залегания нижней границы земной коры превышает точку Кюри (450-775 °С), при которой исчезают магнитные свойства пород. Породы мантии и ядра не обладают магнитным полем. При образовании горных пород в процессе метаморфизации или при остывании и дифференциации расплавленного вещества, поступающего в земную кору и осадочный покров, происходит намагничивание минералов под действием существующего поля. В океанической коре магнитные аномалии обусловлены изменением намагниченности платобазальтового слоя.

Магнитное поле древних отложений, созданное в момент образования породы, несет информацию о величине напряженности магнитного поля и его полярности. Это дает возможность по палеомагнитным данным реконструировать магнитное поле Земли древних геологических эпох. Было установлено положение древних магнитных полюсов и их перемещение. Сопоставляя координаты полюса, определенные по породам каждого континента в единую геологическую эпоху, получили разное положение полюса для Американского, Евро-Азиатского, Австралийского континентов и Антарктиды. Можно расположить континенты на поверхности Земли таким образом, чтобы на данную геологическую эпоху их вектора магнитного поля показывали направление на единую точку полюса. Это позволяет реконструировать древнее взаимное положение континентов. Так и был определен древний единый континент Пангея.

Палеомагнитные данные показали изменения напряженности поля во времени и его неоднократную инверсию. Анализ магнитного поля пород океанического дна выявил специфический характер поля (рис. 1.9). Рифтовые зоны океанов характеризуются полосовидными аномалиями магнитного поля, симметрично протягивающимися параллельно оси рифта по обе его стороны. Породы фундамента "записали" состояние земного магнитного поля на момент образования соответствующей полосы фундамента. Инверсия магнитного поля Земли породила полосовой характер аномалий.

Полосовой характер магнитного поля океанического дна вместе с данными возраста пород дает ценный материал реконструкции скорости раскрытия океанов, позволяет находить древние захороненные остатки палеоокеанов.

Рис. 1.9. Схема формирования магнитных аномалий океанического дна

Магнитное поле континентальной коры не имеет полосового характера. В нем отражаются особенности континентального тектонического строения земной коры и образования месторождений. Обнаруживаются крупные аномалии поля над железорудными месторождениями. Курская магнитная аномалия представляет две полосы намагниченных пород шириной 25-30 км и протяженностью 400-600 км с напряженностью поля 1-2 Э, сильнее земного магнитного поля. Ориентация стрелки компаса в пределах аномалии может быть восточная, западная и даже южная.

Магнитные полюса Земли. Направление на магнитный полюс Земли достаточно устойчиво определяется в точках наблюдений на поверхности Земли, расположенных вдали от магнитных полюсов. Однако чем ближе приближаемся к магнитному полюсу, тем менее уверенно определяется его местонахождение. Место, где полный вектор магнитного поля Т равен вертикальной составляющей Z, а горизонтальная составляющая Н равна нулю, оказывается многозначно. Это не одна какая-то точка, а значительная область, растянутая на тысячи километров. Каждая из наблюдательных станций, находящихся близко от полюса, дает свои координаты полюса, не совпадающие с данными других станций. Помимо этого, каждая из станций показывает значительный дрейф магнитного полюса даже в течение суток.

В обычном понятии магнитного полюса смешивается несколько понятий: палеомагнитный полюс, виртуальный магнитный полюс (ВМП), истинный магнитный полюс, геомагнитный полюс.

Виртуальный магнитный полюс – это место пересечения оси дипольного земного магнитного поля с дневной поверхностью.

И стинный, магнитный полюс – это место дневной поверхности, где магнитная стрелка располагается вертикально, нет горизонтальной составляющей.

Геомагнитный полюс – это среднее значение виртуального магнитного полюса на данную эпоху.

Палеомагнитный полюс – это среднее положение магнитного полюса за длительный интервал времени 10⁴ -10⁹ лет. Направление на палеомагнитный полюс определяется по образцам горных пород соответствующего геологического времени. Пересечение направлений на палеомагнитный полюс, полученных в разных точках земной коры, дает местонахождение палеомагнитного полюса.

Магнитные полюса Земли не совпадают с географическими, они дрейфуют вблизи географических полюсов по сложным линиям. Считают, что путь дрейфа южного магнитного полюса проходит от Канадской к Восточносибирской магнитной аномалии (рис. 1.11). В настоящее время наблюдается скорость дрейфа 8 км/год, и за 150 лет наблюдений произошло смещение магнитного полюса на 10 градусов. Расстояние от южного магнитного полюса до географического составляет 16 000 км. Восточно-Сибирская магнитная аномалия совпадает с аномалией теплового потока и гравитационной.

.

Рис. 1.11. Положение магнитного полюса Земли (МП),

Восточно-Сибирской (А), Канадской (В) аномалий

Северный магнитный полюс находится вблизи берегов Антарктиды в море Дюрвиля в 2 550 км от южного географического полюса в сторону Австралии. Он так же дрейфует. Компоненты дрейфа северного и южного полюсов и скорости их дрейфа не синхронны. Это означает, что дрейф полюсов определяется не изменением оси дипольного поля, а влиянием местных аномалий, меняющих свои параметры во времени

Электрическое поле Земли. Электрическое поле Земли имеет стационарную постоянную составляющую, на которую накладывается переменное электрическое поле, вызванное воздействием солнечного ветра на магнитосферу, создавая магнитно-теллурическое поле. То, что Земля обладает региональным электрическим полем, подтверждается наблюдениями его в атмосфере. Среднее нормальное электрическое поле атмосферы составляет минус 100-130 В/м и с высотой резко убывает, а электрический заряд Земли равен 5,7х10 Кл. Землю и ионосферные проводящие слои можно считать гигантским конденсатором, между обкладками которого находится атмосфера. Между ионосферой и поверхностью Земли (80 км) развивается потенциал величиной до 200 кВ. Так как атмосфера проводит электрический ток, в направлении к поверхности Земли постоянно течет ток силой 10^-12 А/м². Суммарный ток утечки для всей Земли составит (1-1,5)10³ А. Такой ток в течение нескольких минут полностью смог бы разрядить Землю, однако этого не наблюдается, заряд Земли практически постоянен. Электрическое поле Земли является ее глобальной характеристикой, такой же, как гравитационное, тепловое, магнитное поля. Частицы солнечного ветра, захваченного магнитным полем Земли, движутся по магнитным силовым линиям к полюсам. Плотность потока непрерывно возрастает, создавая свечение атмосферы в высоких широтах (полярные сияния).

Помимо постоянного планетарного электрического поля Земли в ней возбуждаются другие электрические поля: электротеллурические, токи грозовых разрядов, окислительно-восстановительные, фильтрационные, блуждающие.

Электротеллурические поля обусловлены лунно-солнечной активностью, солнечным ветром. Изменение магнитного поля Земли под его воздействием приводит к наведению в Земле электрического тока, изменяющего свою величину и направление, с периодами от долей секунд до часов.

Наличие промышленных объектов, линий электропередач, связи, радиоволн, электротранспорта приводит к утечке электрического тока через изоляцию, проникновение его в Землю и движение в сторону источника тока. Такие токи называют блуждающими. Они приводят к разрушению металлических конструкций, их быстрой коррозии (нефте- и газопроводы, теплотрассы, водоснабжение, канализация и т.д.). Срок службы металлических конструкций сокращается в десятки раз. Чтобы предотвратить это явление, строят специальные катодные станции защиты, где вырабатывается постоянный электрический ток, катод установки соединяют с охраняемой конструкцией.

Таким образом, электрическое поле в Земле – это не случайность, а закономерное явление, которое необходимо изучать, использовать или уменьшать его негативные проявления.

Новая гипотеза магнитоэлектрического поля Земли. Основываясь на гипотезе «горячего» образования Земли, предполагают быстрое гравитационное сжатие Земли, коллапс, с дальнейшей пульсацией внутри ядра и перетоком вещества между внутренним и внешним ядром, наращивание его толщины и расширение Земли. Земля пульсирующе расширяется.

В области фазового перехода «жидкое – твердое ядро» происходит разделение зарядов. Внешнее ядро заряжается отрицательно, внутреннее – положительно. Процессы, происходящие в ядре, генерируют электрическое поле и поддерживают его постоянным, отрицательным для внешнего ядра, мантии, земной коры и атмосферы. Генерация электрического поля приводит к поддержанию магнитного поля Земли. Особенности рельефа границы двойного электрического слоя в области фазового перехода обуславливают региональные магнитные аномалии, регистрируемые на поверхности Земли: Восточно-Сибирскую, Северо-Канадскую, Южно-Американскую, Южно-Африканскую. В этих аномалиях магнитное поле постоянно изменяется примерно на 100 нТл/год. Кроме положительных магнитных аномалий отмечается и отрицательные: Бразильская, Цейлонская. Эти аномалии имеют глубинный источник. Их также нельзя объяснить с позиций гипотезы гидромагнитного динамо. Обращает на себя внимание приуроченность северных и южных аномалий близко к расположению магнитных полюсов, достаточная симметричность аномалий и невозможность определения реальных магнитных полюсов как точек. Эти факты не укладываются в гипотезу единого дипольного магнитного поля. Более реально сложение в единое магнитное поле Земли нескольких источников поля.

Инверсия магнитного поля составляет период 10³-10⁴ лет и связана с режимом фазового перехода в ядре от сжатия к расширению. Инверсия магнитных полюсов происходят не за счет блуждания их по поверхности Земли, а в связи с их исчезновением и возникновением новой полярности. С позиций рассматриваемой гипотезы магнитного поля Земли объясняется отсутствие дипольного магнитного поля Луны и наличие значительной остаточной намагниченности её пород. На Луне существовало магнитное поле, но остывание планеты привело к исчезновению дифференциации вещества внутри планеты и прекращению разделения зарядов.

Земля – одна их девяти планет Солнечной системы. Планеты подразделяются на планеты Земной группы и группы Юпитера. Планеты Земной группы имеют значительно меньшие размеры, но большую плотность. Они обладают рядом общих форм строения. Все они имеют сферически-концентрические оболочки, ассиметрию расположения коры континентального и океанического типа, вулканическую деятельность в прошлом и многие в настоящее время, поверхность планет испещрена кольцевыми структурами вулканического и метеоритного происхождения. Многие планеты имеют разрывные и блоково-ступенчатые структуры.

Фигуру Земли называют геоидом. В результате центробежной силы Земля сплюснута у полюсов, полярный радиус меньше экваториального на 21 км. В строении Земли выделяют три главные области: земная кора; мантия: верхняя до глубины 900 км, нижняя до глубины 2 900 км; ядро Земли: внешнее до глубины 5 120 км, внутреннее до глубины 6 371 км. Внешнее ядро — жидкое, внутреннее – твердое.

В пределах мантии происходит последовательная смена основных минеральных фаз и плотности упаковки в них на различных глубинах. Ядро состоит из никелистого железа с присутствием серы.

Земная кора и верхняя часть мантии до глубин 80-150 км находится в твердом состоянии и называется литосферой. До глубин около 400 км располагается астеносфера.

Внутреннее тепло Земли связано с распадом радиоактивных элементов – урана, тория, калия, рубидия и др. и с превращением приливной энергии Луны и Солнца в тепловую энергию. Средняя величина теплового потока составляет 1,4 – 1,5 мккал/см²с. Температура в ядре Земли – в пределах 3 600 ⁰С.

Земля обладает дипольным магнитным полем, меняющим свои параметры и полюса (инверсирует). Магнитные полюса Земли не совпадают с географическими.

2. ЗЕМНАЯ КОРА, ЕЁ СОСТАВ И СТРОЕНИЕ

Средний химический состав Земли. Для суждения о химическом составе Земли привлекаются данные о метеоритах, представляющих собой наиболее вероятные образцы протопланетного материала, из которого сформировались планеты земной группы и астероиды. К настоящему времени хорошо изучены выпавшие на Землю в разные времена и в разных местах метеориты. По составу выделяют три типа метеоритов: железные, состоящие главным образом из никелистого железа (90-91% Fе); железокаменные, состоящие из железа и силикатных минералов; каменные, состоящие из железисто-магнезиальных силикатов и включений никелистого железа.

Наибольшее распространение имеют каменные метеориты — около 92,7% всех находок, железокаменные 1,3% и железные 5,6%. Каменные метеориты подразделяют на две группы: хондриты, структура которых представлена мелкими округлыми зернами — хондрами (90%); ахондриты, не содержащие хондр. Состав каменных метеоритов близок к ультраосновным магматическим породам. В них около 12% железоникелевой фазы.

На основании анализа состава различных метеоритов, а также полученных экспериментальных геохимических и геофизических данных, дается современная оценка элементного состава Земли. Повышенное распространение относится к четырем важнейшим элементам — О, Fе, Si, Мg, составляющим свыше 91%. В группу менее распространенных элементов входят Ni, S, Са, А1. Остальные элементы периодической системы Менделеева по общему распространению имеют второстепенное значение.

В земной коре существенно увеличивается содержание О, А1, Si и значительно уменьшается содержание Fе, Мg.