Земной магнетизм, геомагнетизм, магнитное поле Земли и околоземного космического пространства; раздел геофизики, изучающий распределение в пространстве и изменения во времени геомагнитного поля, а также связанные с ним геофизические процессы в Земле и верхней атмосфере.
В каждой точке пространства геомагнитное поле характеризуется вектором напряжённости Т, величина и направление которого определяются 3 составляющими X, Y, Z (северной, восточной и вертикальной) в прямоугольной системе координат (рис. 1) или 3 элементами З. м.: горизонтальной составляющей напряжённости Н, склонением магнитным D (угол между Н и плоскостью географического меридиана) и наклонением магнитным I (угол между Т и плоскостью горизонта).
З. м. обусловлен действием постоянных источников, расположенных внутри Земли и испытывающих лишь медленные вековые изменения (вариации), и внешних (переменных) источников, расположенных в магнитосфере Земли и ионосфере. Соответственно различают основное (главное, ~99%) и переменное (~1%) геомагнитные поля.
Основное (постоянное) геомагнитное поле. Для изучения пространственного распределения основного геомагнитного поля измеренные в разных местах значения Н, D, I наносят на карты (магнитные карты) и соединяют линиями точки равных значений элементов. Такие линии называют соответственно изодинамами, изогонами, изоклинами. Линия (изоклина) I = 0, т. е. магнитный экватор, не совпадает с географическим экватором. С увеличением широты значение I возрастает до 90° в магнитных полюсах. Полная напряжённость Т (рис. 2) от экватора к полюсу растет с 33,4 до 55,7 а/м (от 0,42 до 0,70 э). Координаты северного магнитного полюса на 1970: долгота 101,5° з. д., широта 75,7° с. ш.; южного магнитного полюса: долгота 140,3° в. д., широта 65,5° ю. ш. Сложную картину распределения геомагнитного поля в первом приближении можно представить полем диполя (эксцентричного, со смещением от центра Земли приблизительно на 436 км) или однородного намагниченного шара, магнитный момент которого направлен под углом 11,5° к оси вращения Земли. Полюсы геомагнитные (полюсы однородно намагниченного шара) и полюсы магнитные задают соответственно систему геомагнитных координат (широта геомагнитная, меридиан геомагнитный, экватор геомагнитный) и магнитных координат (широта магнитная, меридиан магнитный). Отклонения действительного распределения геомагнитного поля от дипольного (нормального) называют магнитными аномалиями. В зависимости от интенсивности и величины занимаемой площади различают мировые аномалии глубинного происхождения, например Восточно-Сибирскую, Бразильскую и др., а также аномалии региональные и локальные. Последние могут быть вызваны, например, неравномерным распределением в земной коре ферромагнитных минералов. Влияние мировых аномалий сказывается до высот ~ 0,5R3 над поверхностью Земли (R3 — радиус Земли). Основное геомагнитное поле имеет дипольный характер до высот ~3R3.
Оно испытывает вековые вариации, неодинаковые на всём земном шаре. В местах наиболее интенсивного векового хода вариации достигают 150g в год (1g = 10-5э). Наблюдается также систематический дрейф магнитных аномалий к западу со скоростью около 0,2°в год и изменение величины и направления магнитного момента Земли со скоростью ~20g в год. Из-за вековых вариаций и недостаточной изученности геомагнитного поля на больших пространствах (океанах и полярных областях) возникает необходимость заново составлять магнитные карты. С этой целью проводятся мировые магнитные съёмки на суше, в океанах (на немагнитных судах), в воздушном пространстве (аэромагнитная съёмка) и в космическом пространстве (при помощи искусственных спутников Земли). Для измерений применяют: компас магнитный, теодолит магнитный, магнитные весы, инклинатор, магнитометр, аэромагнитометр и др. приборы. Изучение З. м. и составление карт всех его элементов играет важную роль для морской и воздушной навигации, в геодезии, маркшейдерском деле.
Изучение геомагнитного поля прошлых эпох производится по остаточной намагниченности горных пород (см. Палеомагнетизм), а для исторического периода — по намагниченности изделий из обожжённой глины (кирпичи, керамическая посуда и т.д.). Палеомагнитные исследования показывают, что направление основного магнитного поля Земли в прошлом многократно изменялось на противоположное. Последнее такое изменение имело место около 0,7 млн. лет назад.
А. Д. Шевнин.
Происхождение основного геомагнитного поля. Для объяснения происхождения основного геомагнитного поля выдвигалось много различных гипотез, в том числе даже гипотезы о существовании фундаментального закона природы, согласно которому всякое вращающееся тело обладает магнитным моментом. Делались попытки объяснить основное геомагнитное поле присутствием ферромагнитных материалов в коре Земли или в её ядре; движением электрических зарядов, которые, участвуя в суточном вращении Земли, создают электрический ток; наличием в ядре Земли токов, вызываемых термоэлектродвижущей силой на границе ядра и мантии и т.д., и, наконец, действием так называемого гидромагнитного динамо в жидком металлическом ядре Земли. Современные данные о вековых вариациях и многократных изменениях полярности геомагнитного поля удовлетворительно объясняются только гипотезой о гидромагнитном динамо (ГД). Согласно этой гипотезе, в электропроводящем жидком ядре Земли могут происходить достаточно сложные и интенсивные движения, приводящие к самовозбуждению магнитного поля, аналогично тому, как происходит генерация тока и магнитного поля в динамо-машине с самовозбуждением. Действие ГД основано на электромагнитной индукции в движущейся среде, которая в своём движении пересекает силовые линии магнитного поля.
Исследования ГД опираются на магнитную гидродинамику. Если считать скорость движения вещества в жидком ядре Земли заданной, то можно доказать принципиальную возможность генерации магнитного поля при движениях различного вида, как стационарных, так и нестационарных, регулярных и турбулентных. Усреднённое магнитное поле в ядре можно представить в виде суммы двух составляющих — тороидального поля Вj и поля Вр, силовые линии которого лежат в меридиональных плоскостях (рис. 3). Силовые линии тороидального магнитного поля Вj замыкаются внутри земного ядра и не выходят наружу. Согласно наиболее распространённой схеме земного ГД, поле Bj в сотни раз сильнее, чем проникающее из ядра наружу поле Вр, имеющее преимущественно дипольный вид. Неоднородное вращение электропроводящей жидкости в ядре Земли деформирует силовые линии поля Вр и образует из них силовые линии поля В (. В свою очередь, поле Вр генерируется благодаря индукционному взаимодействию движущейся сложным образом проводящей жидкости с полем Вj. Для обеспечения генерации поля Вр из Вj движения жидкости не должны быть осесимметричными. В остальном, как показывает кинетическая теория ГД, движения могут быть весьма разнообразными. Движения проводящей жидкости создают в процессе генерации, кроме поля Вр, также др. медленно изменяющиеся поля, которые, проникая из ядра наружу, вызывают вековые вариации основного геомагнитного поля.
Общая теория ГД, исследующая и генерацию поля, и «двигатель» земного ГД, т. е. происхождение движений, находится ещё в начальной стадии развития, и в ней ещё многое гипотетично. В качестве причин, вызывающих движения, выдвигаются архимедовы силы, обусловленные небольшими неоднородностями плотности в ядре, и силы инерции.
Первые могут быть связаны либо с выделением тепла в ядре и тепловым расширением жидкости (термическая конвекция), либо с неоднородностью состава ядра вследствие выделения примесей на его границах. Вторые могут вызываться ускорением, обусловленным прецессией земной оси. Близость геомагнитного поля к полю диполя с осью, почти параллельной оси вращения Земли, указывает на тесную связь между вращением Земли и происхождением З. м. Вращение создаёт Кориолиса силу, которая может играть существенную роль в механизме ГД Земли. Зависимость величины геомагнитного поля от интенсивности движения вещества в земном ядре сложна и изучена ещё недостаточно. Согласно палеомагнитным исследованиям, величина геомагнитного поля испытывает колебания, но в среднем, по порядку величины, она сохраняется неизменной в течение длительного времени — порядка сотен млн. лет.
Функционирование ГД Земли связано со многими процессами в ядре и в мантии Земли, поэтому изучение основного геомагнитного поля и земного ГД является существенной частью всего комплекса геофизических исследований внутреннего строения и развития Земли.
С. И. Брагинский.
Переменное геомагнитное поле. Измерения, выполненные на спутниках и ракетах, показали, что взаимодействие плазмы солнечного ветра с геомагнитным полем ведёт к нарушению дипольной структуры поля с расстояния ~3Rз от центра Земли. Солнечный ветер локализует геомагнитное поле в ограниченном объёме околоземного пространства — магнитосфере Земли, при этом на границе магнитосферы динамическое давление солнечного ветра уравновешивается давлением магнитного поля Земли. Солнечный ветер сжимает земное магнитное поле с дневной стороны и уносит геомагнитные силовые линии полярных областей на ночную сторону, образуя вблизи плоскости эклиптики магнитный хвост Земли протяжённостью не менее 5 млн. км (см. рис. в статьях Земля и Магнитосфера Земли). Приблизительно дипольная область поля с замкнутыми силовыми линиями (внутренняя магнитосфера) является магнитной ловушкой заряженных частиц околоземной плазмы (см. Радиационные пояса Земли).
Обтекание магнитосферы плазмой солнечного ветра с переменной плотностью и скоростью заряженных частиц, а также прорыв частиц в магнитосферу приводят к изменению интенсивности систем электрических токов в магнитосфере и ионосфере Земли. Токовые системы в свою очередь вызывают в околоземном космическом пространстве и на поверхности Земли колебания геомагнитного поля в широком диапазоне частот (от 10-5 до 102 гц) и амплитуд (от 10-3 до 10-7 э). Фотографическая регистрация непрерывных изменений геомагнитного поля осуществляется в магнитных обсерваториях при помощи магнитографов. В спокойное время в низких и средних широтах наблюдаются периодические солнечно-суточные и лунно-суточные вариации магнитные с амплитудами 30—70g и 1—5g соответственно. Другие наблюдаемые неправильные колебания поля различной формы и амплитуды называют магнитными возмущениями, среди которых выделяют несколько типов магнитных вариаций.
Магнитные возмущения, охватывающие всю Землю и продолжающиеся от одного (рис. 4) до нескольких дней, называются мировыми магнитными бурями, во время которых амплитуда отдельных составляющих может превзойти 1000g. Магнитная буря — одно из проявлений сильных возмущений магнитосферы, возникающих при изменении параметров солнечного ветра, особенно скорости его частиц и нормальной составляющей межпланетного магнитного поля относительно плоскости эклиптики. Сильные возмущения магнитосферы сопровождаются появлением в верхней атмосфере Земли полярных сияний, ионосферных возмущений, рентгеновского и низкочастотного излучений.
Практические применения явлений З. м. Под действием геомагнитного поля магнитная стрелка располагается в плоскости магнитного меридиана. Это явление с древнейших времён используется для ориентирования на местности, прокладывания курса судов в открытом море, в геодезической и маркшейдерской практике, в военном деле и т.д. (см. Компас, Буссоль).
Исследование локальных магнитных аномалий позволяет обнаружить полезные ископаемые, в первую очередь железную руду (см. Магнитная разведка), а в комплексе с др. геофизическими методами разведки — определить место их залегания и запасы. Широкое распространение получил магнитотеллурический способ зондирования недр Земли, в котором по полю магнитной бури вычисляют электропроводность внутренних слоев Земли и оценивают затем существующие там давление и температуру.
Одним из источников сведений о верхних слоях атмосферы служат геомагнитные вариации. Магнитные возмущения, связанные, например, с магнитной бурей, наступают на несколько часов раньше, чем под её воздействием происходят изменения в ионосфере, нарушающие радиосвязь. Это позволяет делать магнитные прогнозы, необходимые для обеспечения бесперебойной радиосвязи (прогнозы «радиопогоды»). Геомагнитные данные служат также для прогноза радиационной обстановки в околоземном пространстве при космических полётах.
Постоянство геомагнитного поля до высот в несколько радиусов Земли используется для ориентации и маневра космических аппаратов.
Геомагнитное поле воздействует на живые организмы, растительный мир и человека. Например, в периоды магнитных бурь увеличивается количество сердечно-сосудистых заболеваний, ухудшается состояние больных, страдающих гипертонией, и т.д. Изучение характера электромагнитного воздействия на живые организмы представляет собой одно из новых и перспективных направлений биологии.
А. Д. Шевнин.
Лит.: Яновский Б. М., Земной магнетизм, т. 1—2, Л., 1963—64; его же, Развитие работ по геомагнетизму в СССР за годы Советской власти. «Изв. АН СССР, Физика Земли», 1967, № 11, с. 54; Справочник по переменному магнитному полю СССР, Л., 1954; Околоземное космическое пространство. Справочные данные, пер. с англ., М., 1966; Настоящее и прошлое магнитного поля Земли, М., 1965; Брагинский С. И., Об основах теории гидромагнитного динамо Земли, «Геомагнетизм и аэрономия»,1967, т.7, № 3, с. 401; Солнечно-земная физика, М., 1968.
Рис. 4. Магнитограмма, на которой зафиксирована малая магнитная буря: Н0, D0, Z0 — начало отсчёта соответствующей составляющей земного магнетизма; стрелками показано направление отсчёта.
Рис. 2. Карта полной напряжённости геомагнитного поля (в эрстедах) для эпохи 1965 г.; чёрные кружочки — магнитные полюсы (М. П.). На карте указаны мировые магнитные аномалии: Бразильская (Б. А.) и Восточно-Сибирская (В.-С. А.).
Строение магнитосферы Земли.
Рис. 1. Элементы земного магнетизма.
Рис. 3. Схема магнитных полей в гидромагнитном динамо Земли: NS — ось вращения Земли: Вр — поле, близкое к полю диполя, направленного вдоль оси вращения Земли; Bj — тороидальное поле (порядка сотен гаусс), замыкавщееся внутри земного ядра.