4.3. Земний магнетизм

Земля — це величезний сферичний магніт. Хоча про наявність у планети магнетизму людям стало відомо давно, а вивченням його властивостей займаються вчені різних країн світу, в природі її ма­гнітного поля багато ще залишається нез'ясованим. Відомо, що серед металів тільки залізо і нікель можуть бути постійними магнітами. Ці матеріали називаються феромагнітними. Але феромагнітні речо­вини перестають бути магнітом, якщо їх нагріти вище точки Кюрі (770 °С для заліза і 358 °С для нікеля). Оскільки температура в на­драх Землі значно вища за ці величини, то земне ядро, яке склада­ється головним чином із заліза і нікеля, не може бути феромагніт­ним через відсутність для цього відповідних умов.

З багатьох теорій, які були висунені для пояснення походження магнітного поля Землі, найбільш популярною нині е теорія динамо. Згідно з нею Земля є скоріше електромагнітом, ніж постійним магні­том: електричний струм, що якимось чином генерується внаслідок турбулентної конвекції в рідкому ядрі, утворює навколо себе поле однорідного намагнічування, або постійне поле. Нез'ясованим зали­шається питання про джерело енергії, яке викликає конвекцію в зем­ному ядрі, де дуже мало або зовсім немає радіоактивних елементів. Допускають три варіанти: 1) на межі між внутрішнім і зовнішнім ядром відбувається поступова кристалізація заліза з виділенням тепла; 2) внаслідок опускання заліза з мантії вниз вивільняється гравітаційна енергія; 3) тепло виділяється при фазових змінах речо­вин, що відбуваються внаслідок гіпотетичного розширення Землі.

Магнітне поле Землі досягає висоти 80—90 тис, км від її по­верхні. До висоти 44 тис. км магнітне поле постійне, його величина зменшується з віддаленням від земної поверхні поступово. На ви­соті від 44 до 90 тис. км магнітне поле змінне, залежно від знаку воно захоплює і утримує електрони або протони. Сфера навколозем­ного простору, в якому знаходяться заряджені частини, захоплені магнітним полем Землі, має назву магнітосфери.

Будова магнітосфери Землі, тобто навколишнього простору, фізичні властивості якого визначаються магнітним полем Землі та його взаємодією з потоком заряджених частинок сонячного вітру, в ми­нулому уявлялася досить простою. Вважалося, що магнітосфера утво­рює симетричний диполь. Але вже перші прямі вимірювання маг­нітних полів, які були зроблені безпосередньо у космосі, не підтвер­дили цю гіпотезу. Виявилося, що магнітосфера Землі вкрай асимет­рична: з боку Сонця магнітне поле сильно стиснуте, а з протилежно­го боку — навпаки, дуже витягнуте і утворює довгий, до 1 млн км, магнітосферний хвіст (рис. 5). Це є наслідком обтікання магніто­сфери сонячним вітром. При цьому тут, в залежності від тиску соняч­ного вітру, границя магнітосфери з боку Сонця — магнітопауза — то наближається до Землі (при зростанні тиску), то віддаляється (при його послаблені). Плазма сонячного вітру обтікає магнітосферу Землі з надзвуковою швидкістю, внаслідок чого перед магнітосферою утво­рюється ударна хвиля, яка відокремлена від магнітопаузи перехідною областю.

Рис. Ь. Схема магнітосфери

Силові лінії геомагнітного поля, що відходять назад під дією со­нячного вітру, утворюють хвіст, або "шлейф" магнітосфери. Він роз­ділений магнітно-нейтральним шаром на два сектори — північний і південний. Магнітні силові лінії секторів зв'язані з полярними областями Землі. В магнітне нейтральному шарі концентрується щільна і гаряча плазма з температурою близько мільйона градусів, яка своїм тиском перешкоджає ангіляції силових ліній протилеж­них напрямів у секторах "шлейфу".

Всередині магнітосфери розташовані радіаційні пояси. Вони скла­даються із заряджених частинок протонів і електронів, захоплених магнітними полем Землі з потоку сонячного вітру. Радіаційні поя­си утворюють в атмосфері шар іоносфери і вважаються областю за­хопленої радіації, вони е мовби магнітними пастками для зарядже­них частинок космосу.

Магнітне поле наочно проявляється при роботі з компасом: ма­гнітна стрілка в будь-якій точці земної поверхні встановлюється в певному напрямі. Кут, який утворюють магнітний і географічний ме­ридіани, називається магнітним схиленням. Воно обчислюється за північним кінцем стрілки компаса і може бути західним або східним (рис. 6). Лінії, що з'єднують точки з однаковим схиленням,

називаються ізогонами. Нульова ізогона — це лінія, яка з'єднує точки, в яких стрілка компаса спрямована одночасно на магнітний і географічний полюси. Вона ділить земну кулю на дві частини. Зараз лінія нульового схи­лення проходить через середні частини Північної та Південної Аме­рики, а в Євразії робить дуже звивистий шлях зі Скандинавії через Центральну Європу до Єгипту, далі до Сомалі і через Гімалаї вихо­дить в море Лаптєвих, звідки знову повертає на південь (див. рис. 7). З метою характеристики земного магнетизму визначають також маг­нітне нахилення, тобто кут, утворений магнітною стрілкою і горизон­тальною площиною. Вільно підвішена магнітна стрілка зберігає гори­зонтальне положення тільки на лінії магнітного екватора, який не збігається з географічним. На північ і на південь від магнітного еква­тора стрілка нахиляється до земної поверхні, причому тим більше, чим вища широта. Лінії, що з'єднують точки з однаковим нахилен­ням, називаються ізоклінами. Оскільки магнітні полюси не збігають­ся з географічними, ізокліни також не збігаються з паралелями. Магнітні полюси змінюють своє положення з року в рік. Зараз північний магнітний полюс знаходиться серед островів Канади і має координати 77" пн. ш. і 102° зх. д., а південний магнітний полюс розташовується в Антарктиді близько 65° пд. ш. і 139° сх. д, Вважається доведеним, що 300 млн років тому магнітні полюси знахо­дилися в сучасній екваторіальній області.

Рис. 7. Картa магнітного схилення

Магнітне поле біля поверхні Землі характеризується також ве­личиною напруги земного магнетизму. Вона визначається кількістю коливань магнітної стрілки за одиницю часу, або періодом її коли­вання, подібно до того, як сила тяжіння визначається періодом ко­ливання маятника. Напруга магнетизму на полюсах більша, ніж на екваторі. Місця найбільшої напруги магнітного поля називаються полюсами напруги.

Як показують результати вимірювань, на поверхні планети часто спостерігаються магнітні аномалії. Вони проявляються у відхиленні значень елементів земного магнетизму від їх середніх величин для даного місця. Розрізняють регіональні і локальні магнітні аномалії. Регіональні охоплюють великі площі, вони викликані глибинними процесами. Прикладом регіональної аномалії є Східносибірська ано­малія, де має місце західне схилення замість східного. Локальні магнітні аномалії пов'язані з місцевими особливостями будови земної кори (наприклад, з покладами залізних руд), як, наприклад, в Курську, Кривому Розі.

Магнітне поле зазнає періодичних і неперіодичних коливань. Найбільш сильні періодичні магнітні коливання одержали назву магнітних бур. Вони зумовлені змінами електричних токів в атмо­сфері під впливом сонячного вітру.

Магнетизм має велике практичне значення. За допомогою маг­нітної стрілки визначають напрями сторін горизонту. На встанов­ленні зв'язків магнітних елементів з геологічними структурами ба­зуються магнітометричні методи пошуків корисних копалин. Дослі­дження палеомагнетизму Землі дозволяє відтворити історію розвит­ку земної кори. Магнітосфера захищає географічну оболонку Землі від прямого впливу сонячного вітру, від проникнення в нижні шари атмосфери електронів і протонів високих енергій, а отже, змінює вплив космосу на живу природу.