4.1. Магнитное поле Земли

Земля – большой магнит, вокруг которого существует магнитное поле. Область околоземного пространства, физические свойства которого определяются магнитным полем Земли и его взаимодействием с потоками заряженных частиц космического происхождения, называют магнитосферой (рис. 19). Она асимметрична по форме. Ее внешняя граница – магнитопауза (шириной около 200 км) с дневной стороны располагается на высоте 10–14 земных радиусов (магнитосфера сжата под ударами солнечного ветра), а с ночной простирается до высоты 900–1000 земных радиусов (магнитосфера вытянута, образуя «хвост»). С удалением от поверхности Земли неоднородность магнитосферы сглаживается, напряженность ее ослабевает, а за пределами магнитопаузы магнитное поле Земли теряет способность захватывать заряженные частицы. Благодаря существованию магнитосферы магнитная стрелка компаса устанавливается в направлении магнитных силовых линий. Большой круг, в плоскости которого находится магнитная стрелка компаса, называется магнитным меридианом данной точки. Магнитные меридианы не образуют на земной поверхности правильной сетки и сходятся в двух точках, называемых магнитными полюсами. Они не совпадают с географическими полюсами и медленно изменяют свое местоположение, «дрейфуя» со скоростью 7 – 8 км/год. Поэтому на географических картах их изображают не точками, а кружками. Магнитный полюс северного полушария в 1985 г. находился в Северном Ледовитом океане, среди островов Канадского Арктического архипелага (77°36' с. ш. и 102°48' з. д.); магнитный полюс южного полушария – в Индийском океане, близ побережья Антарктиды, у Земли Виктории (65°06' ю. ш. и 139°00' в. д.). Магнитные полюса не являются антиподальными точками. Первый из них смещается в направлении Северного полюса, второй – в сторону Австралии. Ожидается, что приблизительно в 2185 г. магнитный и географический полюса в северном полушарии окажутся в одной точке.

Рис. 19. Головная часть магнитосферы Земли (по М. М. Ермолаеву)

Магнитное поле Земли характеризуется тремя элементами земного магнетизма: магнитным склонением, магнитным наклонением и напряженностью.

Магнитное склонение – угол между истинным направлением на север, т. е. географическим меридианом, и направлением северного конца магнитной стрелки. Магнитное склонение бывает восточное и западное. При отклонении северного (синего) конца магнитной стрелки компаса к востоку от географического меридиана склонение называется восточным и имеет знак «плюс» (положительное), при отклонении к западу – западным и имеет знак «минус» (отрицательное). Магнитное склонение обязательно указывается на всех топографических картах. Например, магнитное склонение Москвы около +8° (рис. 20). Чтобы узнать направление географического меридиана, надо от направления северного конца магнитной стрелки компаса отсчитать к западу (против часовой стрелки) 8°. При этом синий конец стрелки компаса укажет направление на север. Линии одинакового магнитного склонения называются изогонами. Их значение изменяется от 0° до ±180°. Нулевую изогону называют агонической линией. Она разделяет области восточного и западного склонения, проходя через оба географических и оба магнитных полюса. На ней стрелки компаса показывают на географические полюса, поскольку географический и магнитный меридианы совпадают.

Магнитное наклонение – угол между горизонтальной плоскостью и магнитной стрелкой, свободно подвешенной на горизонтальной оси. Оно бывает положительное в северном геомагнитном полушарии и отрицательное в южном. Магнитное наклонение изменяется от 0° до +90°. На магнитных полюсах оно равно + 90° и –90°, поэтому магнитная стрелка компаса занимает вертикальное положение: в северном полушарии синий конец стрелки направлен вниз (+90°), в южном – красный (–90°). Магнитные полюсы определяют как точки с наклонением ±90°. Линии, соединяющие точки с одинаковым магнитным наклонением, называют изоклинами. Нулевая изоклина – магнитный экватор – проходит примерно вдоль географического экватора: чуть южнее – в западном полушарии, чуть севернее – в восточном. Он делит Землю на два геомагнитных полушария.

Магнитное поле Земли складывается из двух магнитных полей разного происхождения – постоянного и переменного. Главная составляющая – постоянное поле (99% по величине). Его образование обусловлено динамическими процессами в ядре Земли. Постоянное поле более или менее устойчиво, и ему присущи правильные колебания – суточные, годовые, вековые. Переменное поле (1% по величине) вызвано внешними причинами – воздействием солнечного ветра и связанными с ним электрическими токами в магнитосфере и верхних слоях атмосферы. Они вызывают, как правило, непериодические резкие возмущения всех элементов земного магнетизма, т. е. магнитные бури, которые сопровождаются полярными сияниями, ухудшением радиосвязи на коротких волнах, радиопомехами, ухудшением самочувствия людей и т. д. Несмотря на некоторую беспорядочность, магнитные бури усиливаются весной и осенью, ослабевают летом и зимой.

Значение магнитосферы исключительно велико. Она выполняет изолирующую роль для корпускулярной солнечной радиации, солнечный ветер ее обтекает. Так что магнитосфеpa – главный невидимый «броневой заслон» планеты. Однако в небольшом количестве солнечная плазма с дневной стороны в полярных районах просачивается в магнитосферу, а затем в верхние слои атмосферы – так называемую ионосферу до высот 80–100 км. Для всех просочившихся заряженных частиц магнитосфера оказывается своеобразной ловушкой. Попав в нее, заряженные частицы двигаются по замкнутым траекториям вдоль магнитных силовых линий, образуя радиационные пояса', внутренний (протонный) с максимальной концентрацией частиц на высоте 3 – 4 тыс. км над экватором и внешний (электронный) – на высоте около 22 тыс. км. Таким образом, магнитосфера – наш «магнитный зонтик». Пропуская к Земле лучистую энергию Солнца электромагнитной природы, она задерживает корпускулярную радиацию, защищая географическую оболочку и все живое от гибели.

Экспериментально доказана зависимость функций растений (расположение семян, корней, темпа их роста и урожайность) и животных (перелеты птиц, миграции рыб, насекомых) от ориентации их в магнитном поле. Это явление в органическом мире получило название магнитотропизма. Медико-биологические статистические материалы (частота сердечно-сосудистых приступов у людей, распространения инфекционных заболеваний, травматизма на производстве, аварий на дорогах и т. д.) свидетельствуют о связи перечисленных явлении с изменениями магнитного поля Земли.

Изучая естественные магнитные поля, не следует забывать об искусственных электромагнитных полях, создаваемых промышленными установками, телецентрами, ЛЭП и т. д. Механизм действия магнитных полей на биологические объекты – явление очень сложное, и расшифровка его – дело будущего. Магнитные бури действуют и на технические системы – энергетические, трубопроводы и др., в которых возникают перегрузки.

Магнитное поле Земли помогает ориентироваться в пространстве изыскательским партиям, кораблям, подводным лодкам, самолетам, туристам. При использовании компаса для определения сторон горизонта необходимо обязательно вводить поправку на магнитное склонение. На кораблях сейчас используются гирокомпасы, которые сразу показывают направление географического меридиана. По некоторым изменениям магнитного поля можно заранее предсказать приближение магнитной бури, что важно знать связистам, капитанам кораблей и другим специалистам, с которыми осуществляется локационная связь, а также медикам. Локальные магнитные аномалии указывают на месторождения железорудных полезных ископаемых, поэтому для поисков их широко применяют магнитометрические методы разведки.

Таково в общих чертах влияние геомагнитного поля на природные процессы Земли.