Вопрос №21. Магнитное поле Земли и палеомагнитные исследования.

Геомагнитное поле.Основной вклад в магнитное поле Земли вносит так называемое геомагнитное поле, генерируемое в земном ядре, которое может быть уподоблено (правда, лишь в первом приближении) полю стержневого магнита, ось которого на 11 отклонена от оси вращения Земли. Первоначально предполагалось, что геомагнитное поле обусловлено существованием внутри планеты твёрдого намагниченного железного ядра. Эта гипотеза оказалась несостоятельной, так как железо теряет ферромагнитные свойства при температуре 769 C (точка Кюри), а недра Земли значительно горячее. Существование геомагнитного поля может быть объяснено только тем, что внутри нашей планеты существует устойчивая система электрических токов.

Как показало теоретическое моделирование, система таких токов может быть устойчивой только в жидком металлическом ядре, в котором происходит конвективное перемешивание проводящего электричество расплава.

Магнитное склонение.Так как ось магнитного поля не совпадает с осью вращения Земли, то стрелка компаса ориентирована не на истинный северный полюс, а на так называемый магнитный северный полюс, который в настоящее время находится в районе Канадского Арктического архипелага. Отклонение магнитной стрелки от направления на истинный север называется магнитным склонением. Так как в Европе магнитное склонение невелико, то долгое время его просто не замечали. Первым из европейцев его обнаружил Колумб во время плавания к берегам Америки в 1492 году. В районе Санкт-Петербурга стрелка компаса отклоняется от северного направления на 5 к востоку. В высоких широтах магнитное склонение может быть очень большим - вплоть до 180 (на участке между истинным и магнитным северными полюсами северный конец стрелки компаса указывает на юг).

Западный дрейф геомагнитного поля.Ось геомагнитного поля не занимает в теле земного шара фиксированного положения, а перемещается в западном направлении, совершая один полный «оборот» вокруг оси вращения Земли за несколько тысяч лет. Это явление получило название «западный дрейф геомагнитного поля». Смещение магнитной оси Земли происходит неравномерно, но угол её отклонения от оси вращения Земли остаётся примерно одним и тем же (около 11). На земной поверхности западный дрейф магнитного поля выражается в систематическом изменении магнитного склонения во всех географических пунктах. Впервые это было замечено в XVII веке при сравнении измерений, проводившихся в течение нескольких десятилетий в Лондоне.

Инверсии геомагнитного поля.В XX веке в ходе исследований остаточной намагниченности разновозрастных горных пород, было установлено, что геомагнитное поле в течение геологической истории многократно меняло свою полярность. Процесс смены полярности геомагнитного поля получил название инверсии геомагнитного поля. Установлено, что инверсии происходят по геологическим меркам довольно быстро и занимают не более одной тысячи лет, после чего геомагнитное поле снова не меняет своей полярности в течение неопределенно долгого времени. Последняя инверсия произошла на Земле около 700 тысяч лет назад.

Не следует думать, что инверсия геомагнитного поля представляет собой некий переворот воображаемого магнита внутри земного шара. Геомагнитное поле во время инверсии вначале уменьшается до нуля, а затем восстанавливается с противоположной полярностью, при этом сама магнитная ось Земли почти не меняет своего положения. Теоретическое моделирование показало, что западный дрейф геомагнитного поля и его инверсии, вероятнее всего, связаны с изменениями в характере конвекции металлического расплава в ядре.

Магнитные аномалии.Дополнительный вклад в магнитное поле Земли вносят так называемые магнитные аномалии - магнитные поля, создаваемые теми горными породами земной коры, в которых в значительных количествах присутствуют высокомагнитные минералы (главным образом, магнетит Fe₃O₄). Такие горные породы распределены в земной коре очень неравномерно, и поэтому картина регистрируемых магнитных аномалий является очень сложной. Правда, как правило, интенсивность магнитных аномалий невелика, и лишь изредка она составляет несколько процентов от интенсивности геомагнитного поля. Однако в районах, где расположены крупные залежи железных (магнетитовых) руд, интенсивность магнитных аномалий может быть очень высокой. Так, интенсивность знаменитой Курской Магнитной Аномалии (КМА), самой интенсивной магнитной аномалии в мире, более чем в три раза превышает интенсивность нормального для этого региона геомагнитного поля.

Следует подчеркнуть, что мантия, хотя и является самой массивной оболочкой нашей планеты, не вносит никакого вклада в магнитное поле Земли. С одной стороны, слагающие мантию породы неэлектропроводны, и поэтому в ней не текут электрические токи, которые могли бы индуцировать магнитное поле. С другой стороны, температура в мантии выше точки Кюри, и поэтому в ней не может быть никаких постоянных магнитов.

Магнитные вариации.Реальное магнитное поле, измеряемое у поверхности Земли, осложняется еще и так называемыми магнитными вариациями - быстропеременными периодическими и непериодическими магнитными полями, обусловленными электрическими токами в верхних слоях атмосферы (в ионосфере) и в околоземном пространстве.

Наиболее интенсивные непериодические магнитные вариации называются магнитными бурями. Их первопричиной являются вспышки на Солнце, в результате которых в окружающее пространство выбрасываются мощные потоки заряженных частиц, которые, достигая окрестностей нашей планеты, вызывают мощные электрические токи в ионосфере и в околоземном пространстве, что, в свою очередь, приводит к сильным возмущениям магнитного поля.

Палеомагнитные исследования. В состав многих горных пород входит минерал магнетит Fe₃O₄, являющийся при температуре ниже 578 °С сильным ферромагнетиком (при нагревании выше этой температуры, называемой температурой Кюри, магнетит теряет свои ферромагнитные свойства). Каждое зернышко магнетита представляет собой маленький постоянный магнит, который через некоторое время после своей кристаллизации намагничивается внешним магнитным полем (т.е. магнитным полем Земли в данной точке) и тем самым «запоминает» его. «Запоминание» происходит не строго при температуре Кюри, а в некотором температурном интервале - оно начинается с того момента, когда медленно остывающая порода, содержащая зёрна магнетита, остынет до температуры Кюри и закончится тогда, когда порода остынет ещё примерно на 10 градусов. Таким образом “запоминание” внешнего магнитного поля происходит не мгновенно, а растягивается в медленно остывающих магматических породах на десятки тысяч лет. За это время вследствие западного дрейфа геомагнитное поле успевает совершить несколько «оборотов» вокруг земной оси, поэтому горная порода «запоминает» направление не на какой-либо из мгновенных магнитных полюсов, а направление на их среднее положение, соответствующее истинному географическому полюсу. Определив в лаборатории направление собственного магнитного поля образцов, можно установить направление на истинный географический полюс из точки отбора образцов (так называемый палеомеридиан) для той геологической эпохи, в которую произошло образование горных пород. Выполнив подобные исследования в нескольких регионах, можно получить несколько палеомеридианов, которые должны пересекаться в точке, где находился истинный северный полюс в соответствующую геологическую эпоху.

Первоначальной целью этих исследований, широко развернувшихся в 50-е годы XX века, было определение изменения положения полюсов Земли в геологическом прошлом. Совершенно неожиданно выяснилось, что траектории перемещения полюса по поверхности Земли, определенные по результатам палеомагнитных исследований, выполненных на разных континентах, оказались совершенно различными. Такую ситуацию можно объяснить, только допустив, что по поверхности Земли перемещаются сами континенты.