XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Магнитное поле Земли, возникающее, по современным представлениям [1], в результате магнитогидродинамических процессов в жидком внешнем ядре, играет важнейшую роль в жизни нашей планеты. Силовые линии поля, расположенные вокруг Земли (магнитосфера Земли) в значительной степени регулируют солнечно-земные связи, являются барьером для проникновения к поверхности планеты опасных для жизни частиц высоких энергий, мчащихся от Солнца (солнечный ветер) и из космического пространства. Геомагнитное поле пронизывает всю Землю, литосферу, гидросферу и атмосферу. Геомагнитное поле характеризуется неоднородной пространственной структурой и широким спектром временных вариаций. Это объясняется тем, что оно создается за счет источников различной природы, расположенных внутри земли, а также в магнитосфере и ионосфере Эволюция геомагнитного поля тесно связана с эволюцией ядра Земли, земной коры и всей планеты в целом.

Вклад геомагнитного поля в полный вектор магнитной индукции, наблюдаемый на поверхности Земли, составляет в целом более 95%. Главное поле, возникающее вследствие динамо процессов во внешней части жидкого ядра Земли и изменяющееся на временных масштабах десятков лет имеет мультиполярную структуру, но доминирующую роль играет симметричный диполь [2]. В верхней мантии и коре, различные геологические образования являются источниками литосферной части внутреннего поля. Эти магнитные аномалии связаны в основном с магматической и метаморфической природой горных пород. Рост температуры с увеличением глубины приводит к тому, что горные породы, находящиеся на определенной глубине (глубина залегания точки Кюри), уже не обладают магнитными свойствами. Глубина Кюри изменяется от 20 километров в континентальных районах, и до 2 километров в океанах [3]. Таким образом литосферное поле генерируется в слоях, находящихся сравнительно близко к поверхности Земли, и в целом оно вносит вклад порядка процента в величину внутреннего поля.

Источники магнитного поля находятся не только внутри Земли, но и в околоземном пространстве. Источником внешнего магнитного поля является трехмерная система электрических токов, текущих в ионосфере Земли. Магнитный эффект этих токов наблюдается на Земле в виде регулярных вариаций (суточных, сезонных, 11-летних) и спорадических флуктуаций на временных масштабах от секундных до многочасовых отклонений от спокойного уровня. Короткопериодные флуктуации, связанные с токовыми системами магнитных бурь, суббурь и других нестационарных явлений формируют геомагнитную активность. Постоянно исходящий от Солнца сверхзвуковой поток заряженных частиц, в основном протонов, а также связанное с потоком межпланетное магнитное поле солнечного происхождения – это так называемый солнечный ветер [4], [18].Магнитосфера и ионосфера связаны между собой и с солнечным ветром через электродинамичесике и плазменные процессы, которые определяются конфигурацией магнитного поля Земли[5], [18]. Набегание солнечного ветра на земной диполь приводит к тому, что на стороне, обращенной к Солнцу, силовые линии магнитного поля диполя поджимаются, а на противоположной, ночной, стороне, наоборот, вытягиваются. Таким образом формируется магнитосфера, внешняя граница которой в подсолнечной точке отстоит от поверхности Земли приблизительно на десять земных радиусов, примерно на 64000 километров [6].

Хотя в магнитосферно-ионосферной системе электрические токи, в целом, взаимосвязаны, их можно разделить на магнитосферные и ионосферные. К первым относятся токи, текущие по внешней границы магнитосферы, токовый слой в хвосте магнитосферы и кольцевой ток, развивающийся во время мировых бурь в экваториальной плоскости на расстоянии 2-3 земных радиусов. Магнитосфера и ионосфера электродинамически соеденины между собой через продольные токи, текущие вдоль высокопроводящих силовых линий геомагнитного поля из пограничных слоев магнитосферы в высокоширотную ионосферу [7], [19].

На рисунке 1 схематично изображена магнитосфера Земли и выделены характерные области и токовые системы, каждая из которых обладает своими уникальными параметрами и динамикой. Стоит заметить, что каждая отдельная область, каждая токовая система, вносит свой вклад в общую конфигурацию магнитосферы и, в то же время, тесно с ней связана, сама зависит от геомагнитных условий и параметров солнечного ветра, что позволяет считать магнитосферу самосогласованной системой.

Рис.1 Схематичное изображение магнитосферы земли [8]

Ионосфера как слой с высокой электропроводностью вследствие ионизации молекул воздуха высокочастотной частью электромагнитного излучения Солнца формируется на высотах 60-500 километров, а наиболее интенсивные электрические токи текут на высоте 100-200 километров. Параметры ионосферы очень изменчивы и зависят от времени суток, сезона, фазы солнечного цикла и состояния магнитосферной плазмы. Ионосферу можно рассматривать как основание области, занимаемой магнитосферой.

Ионосферные электрические токи, которые можно считать горизонтальными, растекаются по всей ионосферной оболочке, генерируя геомагнитные вариации на всех широтах. Наиболее сильные магнитные возмущения на поверхности Земли происходят в авроральной зоне во время магнитосферных бурь, так как в авроральном овале, вдоль 65-75 градусов магнитной широты протекают наиболее интенсивные ионосферные токи.

Несмотря на то, что плотность энергии межпланетного магнитного поля составляет всего 1% от плотности кинетической энергии солнечных ветров на орбите Земли, процессы пересоединения межпланетных и земных магнитных силовых линий в существенной мере определяют структуру и динамику магнитного поля. Пересоединение должно происходить в небольшой области на границе магнитного, где благодаря развитию плазменных неустойчивостей возрастает сопротивление плазмы и нарушается вмороженность магнитных силовых линий в плазму. Это позволяет межпланетным и земным магнитным силовым линиям "разорваться" и "пересоединиться" между собой Наиболее благоприятной для протекания этих процессов является ситуация, когда межпланетное магнитное поле имеет значительный южный компонент, то есть антипараллельно земному магнитному полю в подсолнечной точке магнитопаузы.

На рисунке 2 схематично изображена конфигурация магнитного поля магнитосферы Земли. Направления течения солнечного ветра вне магнитосферы вместе с вмороженными магнитными силовыми линиями показаны стрелками.

Суббуря связана с разрывом тока в хвосте магнитосферы и его замыканием на ночную ионосферу с образованием ионосферного западного тока [9]. Наибольшие магнитные возмущения обычно наблюдаются ночью на широтах аврорального овала, поскольку ионосферный суббуревой ток сосредоточен в полуночном секторе местного времени и в достаточно узком широтном интервале. Типичная продолжительность изолированной суббури составляет 0.5- 1 час. На близких частотах наблюдаются и квазипериодические вариации с амплитудой от единиц до десятков нТл, связанные с электромагнитными волнами в магнитосфере [10].

Рис.2 Схематичное изображение конфигурации магнитного поля магнитосферы[8]

Во время мировых магнитных бурь происходят глобальные возмущения. Бури вызываются солнечной вспышкой и приходом к Земле фронта межпланетного магнитного облака с резким изменением параметров солнечного ветра. Во время бури происходит быстрое усиление, а затем медленное затухание магнитосферного кольцевого тока, который формируется из заряженных частиц, поступающих из магнитосферы. На Земле магнитный эффект начального сжатия магнитосферы при столкновении с облаком плазмы и усилении тока на магнитопаузе выражается в появлении скачка горизонтальной Н- компоненты поля[10] Мощные бури с резким началом и длительностью 1-2 дня происходят обычно в годы максимума 11- летнего солнечного цикла, когда бывает много солнечных вспышек. Для фазы спада солнечного цикла характерно появление на Солнце долгоживущих коронарных дыр и высокоскоростных потоков солнечных ветров, которые вызывают продолжительные многодневные бури сравнительно небольшой интенсивности. Во время таких бурь резко усиливается и суббуревая активность. [11].

На рисунке 3 схематично изображена изменение структуры магнитного поля во время магнитосферных суббурь.

Рис.3 Схематичное изображение изменения структуры магнитного поля во время магнитосферных суббурь [8]

Быстрые изменения внешнего магнитного поля вызывают в проводящих слоях Земли индуцированные электрические токи, которые в свою очередь создают дополнительное магнитное поле. Наибольшей величины теллурические токи достигают во время магнитных бурь. Таким образом, наблюдаемые вариации геомагнитного поля представляют собой сумму вариаций, обусловленных как токами в ионосфере и околоземном пространстве, так и внутриземными токами.

Таким образом, положение истинного магнитного полюса меняется очень быстро, а его расчет, в определенной степени, зависит от расположения станции, в которой записана мгновенная величина его основных характеристик. Соответственно для представления структуры суммарного геомагнитного поля в определенных координатах на соответствующую эпоху используют численные модели. В частности, одной из них является международная модель геомагнитного поля (International Geomagnetic Reference Field – IGRF), сегодня используется уже 13 версия этой модели, рассчитанная для эпохи 2020 – 2025 года [12].

Источники длиннопериодных вековых вариаций, связанных с внутренним полем, можно грубо разделить на две части: изменения, обусловленные его недипольной составляющей (полем мировых магнитных аномалий) и собственные вариации главного дипольного поля. Наиболее хорошо они изучены для последних 60 млн лет. В изменениях недипольной составляющей доминируют периодичности меньше 3000 лет [13]. В частности, спектральный анализ археомагнитных данных (результаты палеомагнитных исследований по археологическим объектам) по трем элементам геомагнитного поля позволили выявить ряд периодов вековых вариаций ~360, 600, 900, 1200 и 1800 лет и период основного (дипольного) колебания геомагнитного поля ~ 8000 лет.

Рис. 4. Положение северного геомагнитного полюса в течение последних 2000 лет. [15], [13]

Таким образом, вариации недипольной части имеют характерные времена менее чем 10³ – 10⁴ лет, а основное колебание дипольного поля – период около 10⁴ – 10⁵ лет. При этом анализ общей совокупности палеомагнитных и археомагнитных данных указывает на то, что амплитуда вековых вариаций в мезозое, палеозое и даже позднем докембрии слабо отличалась от современных (позднекайнозойских), при этом спектр основного колебания также дискретен [14], [13], [20].

В доказательство этому на рисунке 4 показано положение северного магнитного полюса в течение последних 2000 лет.

На рис.4 точками отмечены средние геомагнитные полюсы за 100-летний интервал; числа указывают дату в годах; круги вокруг полюсов 900, 1300 и 1700 лет являются 95% овалами доверия; положение среднего полюса за весь интервал времени показано черным квадратом с соответствующим овалом доверия.

Для определения средних значений использованы данные не менее чем по 8-ми далеко расположенным друг от друга регионам, что позволяет «избавиться» от влияния недипольной составляющей поля, т.е. представить приближенную вариацию только дипольной его части. Видно, что на этом временном отрезке, магнитный полюс совершает вокруг географического сложные нерегулярные колебания. Палеомагнитные данные свидетельствуют о том, что такое движение геомагнитных полюсов происходит постоянно и положение оси геоцентрального диполя является “случайной” величиной в каждый момент времени. При этом ее среднее значение за время превышающее основное колебание (10⁴ – 10⁵ лет) с 95%-вероятностью совпадает с положением оси вращения Земли, т.е. согласуется с моделью ЦОД [20], [14], [13]. Например, среднее положение геомагнитного полюса в голоцене (палеомагнитный полюс) составляет 88.2° СШ и 84.6° ВД [16]. Соответственно построенный по таким данным последовательный временной ряд палеомагнитных полюсов будет представлять кажущееся смещение в реальности неподвижного геомагнитного полюса, координаты которого совпадают с географическим, и отражает перемещением самого блока земной коры (террейна), для которого этот ряд восстановлен. Именно это и является основой всех палеотектонических построений с использованием палеомагнитных данных [20].

Список литературы

1. Яновский Б.М. Земной магнетизм 1978

2. Паркинсон У. Введение в геомагнетизм пер. с англ. 1986

3. Моисеенко У.И., Смыслов А.А. Температура земных недр 1986

4.Акасофу С.И., Чепмен С. Солнечно-земная физика 1975

5.Харгривс Дж. К Верхняя атмосфера и солнечно-земные связи 1982

6. Лайонс Л., Уильямс Д. Физика магнитосферы. Количественный подход пер. с англ. 1987

7. Papitashvili V., Frederick J. High-latitude ionospheric convection models derived from Defense Meteorological Satellite Program ion drift observations and parameterized by the interplanetary magnetic field strength and direction 2002;

8. https://www.astronet.ru/db/msg/1188426

9.Lyons, F. H., & Ben-Ora, D. Total Rewards Strategy: The Best Foundation of Pay for Performance 2002

10.Клейменова Н.Г. Модель космоса. Геомагнитные пульсации 2007

11.LukianovaR. Геоинформатика и наблюдения магнитного поля Земли: Российский сегмент 2012

12. Thébault E. et al. International Geomagnetic Reference Field: the 12th generation 2015

13. Butler R., Paleomagnetism: Magnetic Domains to Geologic Terranes 1992

14. ХрамовА.Н. Палеомагнитология; 1982;

15. Merrill R., McElhinny M., The Earth’s Magnetic Field 1983;

16. Бахмутов В.Г., Мозговая Т.А., Седова Ф.И. Морфологические признаки в структуре геомагнитных вариаций в связи с землетрясениями в зоне Вранча // Геофиз. журн.

17.Веселовский И.С., Кропоткин А.П. Физика межпланетного и околоземного пространства 2010

18. Kivelson M., Russell C., 1996 Introduction to space physics

19. Lukianova R., Christiansen F., Modeling of the global distribution of ionospheric electric fields based on realistic maps of field-aligned currents 2006

20. Метелкин Д. В., Казанский А. Ю. Геотектоника и геодинамика: основы магнитотектоники: учебное пособие для вузов 2018

Код для цитирования: Скопировать