Основные типы геомагнитных вариаций

Магнитное поле Земли по величине и направлению непрерывно меняются во времени. Эти изменения получили название вариаций геомагнитного поля.

Геомагнитные вариации, обусловленные внутренним источником, имеют периоды, исчисляемые столетиями, десятилетиями и годами, поэтому их называют вековыми вариациями. Эти вариации связаны с процессами, происходящими в глубинных слоях Земли - земном ядре.

Геомагнитные вариации, обусловленные внешним источником, имеют периоды от долей секунд до 11 лет. Они вызываются процес­сами, происходящими в околоземном космическом пространстве.

Согласно законам электромагнитной индукции вариации геомагнитного поля возбуждают в Земле переменное электрическое поле и соответственно электрический ток. Величина этого тока тем больше, чем быстрее меняется магнитное поле во времени. Вековые вариации, связаны с медленными изменениями магнитного поля, практически не приводят к появлению электрического тока. А вариации, обусловленные внеш­ним источником, могут возбуждать в Земле токи, доступные измерениям. Эти токи получили назва­ние земных, или теллурических, токов. В целом поле геомагнитных вариаций и теллуриче­ских токов носит название магнитотеллурического поля.

Природа магнитотеллурического поля тесно связана с процессами, происходящими на Солнце. Солнце непрерывно выбрасывает в космическое пространства мощные потоки заряженных частиц - корпускул, образующих так называемый солнечный ветер.

Основная причина возмущений геомагнитного поля Земли связана с существованием солнечного ветра и с процессами происходящими при взаимодействии солнечного ветра с магнитным полем Земли. Корпускулярный поток, составляющий солнечный ветер, обладает высокой проводимостью, поэтому магнитное поле Земли не может проникнуть внутрь него. Отмечается до­статочно четкая граница между областью, где существует магнит­ное поле Земли, которая называется магнитосферой, и областью, где его нет. Наиболее активной зоной, в которой возбуждаются магнитотеллурические вариации различных типов, является граница магнитосферы и пограничный слой, отделяющий ее от солнеч­ного ветра.

В первом приближении магнитное поле Земли можно рассматривать как поле постоянного магнитного диполя, расположенного в центре Земли. Однако под действием давления солнечного ветра магнитное поле диполя искажается. В солнечном ветре поток частиц движется в среднем со скоростью 400 км/с, в результате чего солнечный ветер перекидывает магнитные силовые линии с дневной стороны на ночную. На дневной стороне Земли граница магнитосферы удалена от земной поверхности примерно на 60 тыс. км, а на ночной - на расстоя­ние, равное 100 радиусам Земли.

Интенсивность и скорость солнечного ветра непрерывно меняются во времени в связи с изменениями солнечной активности. В результате магнитосфера пульсирует, т.е. магнитные силовые линии то прижимаются к Земле, то отходят от нее, вызывая тем самым вариации геомагнитного поля на ее поверхности.

Поверхность Земли на большей части широт защищена магнитным полем от непосредственного попадания заряженных частиц солнечного ветра. На высоких широтах на дневной поверхности Земли силовые линии образуют своеобразную воронку, повернутую в сторону Солнца. Эти широты открыты для солнечного излучения и заряженные частицы проникают внутрь магнитосферы - в ионосферу, образуя в ионосфере электрические токи. Растекаясь по ионосфере, электрические токи концентрируются в приполярных зонах, где отмечается повышенная электропроводность вызванная вторжением энергичных заряженных частиц. В результате возникает струйный ток шириной до сотен и длиной несколько тысяч километров. Струйный ток порождает возмущения геомагнитного поля, длящиеся от получаса до двух часов так называемые бухтообразные возмущения (вариации).

Основными типами вариаций естественного электромагнитного поля, используемыми в магнитотеллурических методах исследования, являются пульсации, бухтообразные возмущения, солнечно-суточные вариации и мировые магнитные бури.

Пульсации представляют собой короткопериодные коле­бания геомагнитного поля (КПК) с диапазоном частот от сотых долей герца до нескольких герц. Короткопериодные вариации имеют относительно малую амплитуду - от нескольких единиц нанотесл до десятков.

Происхождение геомагнитных пульсаций связано со сложными процессами, происходящими в магнитосфере Земли. Согласно одной из точек зрения, пульсации являются результатом собственных колебаний силовых линий геомагнитного поля под действием солнечного ветра.

Бухтообразные возмущения (или DP-вариации) получили свое название из-за того, что графики изменения горизонтальной составляющей магнитного поля имеют характерный вид, похожий на изображение морской бухты. Источником вариации этого типа являются магнитосферно - ионосферные струй­ные токовые системы. Амплитуды бухтообразных возмущений составляют десятки нанотесл, достигают сотен нанотесл в высоких широтах.

Солнечно-суточными вариациями называют вариации геомагнитного поля с периодом, равным продолжитель­ности солнечных суток. Они хорошо заметны на магнитограммах в средних широтах. Суточный ход горизонтального компонента магнитного поля составляет приблизительно 50 нТл. В зависимости от актив­ности солнечно-суточные вариации разделяют на спокойные Sq - вариации и возмущенные S_d – вариации. Солнечно-суточные вариации связаны с существованием в Северном и Южном полушариях токовых систем в ионосфере на вы­сотах порядка 100 км. S_q-вариации используются для глубинного электромагнитного зондирования Земли.

Мировые магнитные бури обусловлены солнечными вспышками, при которых Солнце выбрасы­вает в космическое пространство мощные потоки заряженных частиц - корпускул. В результате взаимодействия интенсивных по­токов солнечной плазмы с магнитосферой Земли происходит резкая деформация и сжатие магнитосферы, в результате чего напряженность магнитного поля на поверхности Земли увеличивается. Кроме того, происходит интенсивное вторжение заряженных частиц непосредственно в магнитосферу Земли. При этом протоны и электроны в магнитосферной плазме вращаются вокруг магнитных силовых линий, образуя экваториальный коль­цевой ток, диаметр которого составляет около 4 - 5 диаметров Земли.

Характерной особенностью магнитной бури является ее глобальный характер и продолжительность (до нескольких суток). Благодаря значительному удалению от Земли поле кольцевого тока у земной поверхности в первом приближении можно считать однородным. Амплитуды вариа­ций, обусловленных мировыми бурями, могут достигать многих сотен нТс.