Вплив геомагнітного поля Землі на клімат

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.[3]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Структура  магнітного поля Землі

Магнітне поле на поверхні Землі Н_Т може бути представлене у вигляді векторної суми:

        Н_Т= Н₀+ Н_m+ Н_а +Н_е + σН,

 де  Н₀ – поле однорідної намагніченості земної кулі (дипольне);

Н_m – поле, викликане неоднорідністю глибоких шарів Земної кулі (недипольне, або материкове);

Н_а – поле, зумовлене намагніченістю верхніх частин земної кори (аномальне);

Н_е – поле, зв’язане з зовнішніми причинами;

σН – поле варіацій, також викликане зовнішніми причинами.

 

Сума дипольного і  недипольного полів називається  головним магнітним полем Землі. Аномальне поле:

Н_а= Н’_а + Н’’_а ,

де Н’_а – регіональна аномалія (викликається зокрема глибокими шарами земної кори і розповсюджується великі площі);

Н’’_а – місцева, або локальна, аномалія (зумовлена менш глибокими шарами земної кори та розповсюджується на обмежені площі).

 

Існують регіональні  і локальні поля різних порядків; їх розділено умовно. Маються випадки, коли регіональні аномалії викликаються породами, залягаючими близько до земної поверхні (наприклад, Курська магнітна аномалія).[2]

 

2.1. Нормальне  магнітне поле

Суму полів Н₀, Н_m та Н_е часто називають нормальним магнітним полем Н_н.

Полем Н_е практично нехтують (воно мале), у зв’язку з чим нормальне поле дорівнює головному. Якщо при цьому не беруть до уваги також поле σН, то поле, яке спостерігається, буде сумою нормального і аномального полів:

Н_m=Н_н+Н_а

Якщо необхідно виділити місцеву аномалію, то під нормальним полем розуміють суму:

Н₀+Н_m+Н_е+Н’_а

Коли треба виділити недипольне (залишкове) поле, під нормальним полем розуміють дипольне поле Н₀. Таким чином, поняття нормального поля є умовним, і за нормальне поле приймають ряд різноманітної структури в залежності від того, яку частину аномального поля треба виділити.

В магніторозвідці під нормальним магнітним полем розуміють або  суму дипольного поля і материкової  аномалії, яка охоплює всю територію  колишнього СРСР, на фоні якої треба  виділити ті чи інші регональні аномалії, або базисне магнітне поле, на фоні якого треба виділити місцеву аномалію. Іноді бажаючи підкреслити, що мова йде про нормальне поле, карти якого побудовано Інститутом земного магнетизму, іносфери і розповсюдження радіохвиль АН СРСР (ІЗМІРАН) на всій території колишнього СРСР, говорять про державне нормальне магнітне поле. При будуванні карт нормального поля ІЗМІРАН застосовує методику послідовного графічного згладжування ізоліній магнітного поля, яке спостерігається, поєднуючи іноді графічне згладжування з попереднім арефметичним усередненням (найпростішим магнетичним згладжуванням) елементів земного магнетизму на певних площах. Операція згладжування, якщо вона виконується вручну, повторюється кілька разів (послідовно будують кілька карт, кожна з яких є згладженою відносно попередньої). У теперішній час математичне згладження виконується на електронно-обчислювальних машинах. Побудована таким чином карта нормально поля колишнього СРСР зображує одну аномалію, яка охоплює всю територію колишнього СРСР. Її називають Східно-Сибірською материковою аномалією. Можна припустити, що карта відповідає полю:

Н_н=Н₀ +Н_m

Операція математичного згаджування  служить іноді самостійним способом будування карт нормально поля. На результат усереднення впливають  вибір радіусу усереднення і густота розрахункових точок.

Карти нормального поля ІЗМІРАН широко застосовують у магніторозвідці при будуванні карт магнітних аномалій, особливо для широких територій. Разом з тим карти нормально поля ІЗМІРАН мають і суттєві недоліки, які виражжаються в тому, що для певних територій ріваень нормально поля або зависокий, або занизький. В результаті аномальне магнітне поле на картах, що побудовані на базі такого нормального поля для певних площ, виявляється все без вийнятку або в області від’ємних значень, або лише додатніх. Однак вздовж профілів спостереження видимі коливання аномальних кривих, які мали б різні знаки, якщо був би  врахований місцевий магнітний фон. У зв’язку з цим в ІЗМІРАН уточнюються карти нормального поля шляхом виключення з нього ряду регіональних аномалій, не врахованих раніше.

Операція згладжування ізоліній магнітного поля равнозначна перерахунку його на певну висоту (приблизно 50-500 км). Однак це не означає, що магнітна зйомка на такій висоті могла б дати той  же результат. Перерахунок на висоту проводиться для умов поного вакууму, у дійсності ж на вказаній висоті циркулюють електричні токи. У просторі, заповненому токами, виникає непотенціальне магнітне поле. Воно накладається на потенціальне поле, яке створюється безпосередньо земним шаром, і викривляє його. Крім того, точність перерахунків залежить від показності вихідних даних і способів перерахунку. Тим не менш, у деяких випадках карти нормального поля складаються шляхом перерахунку поля уверх. На рис. 4-6 показані карти нормальних полів відповідно Т_н , Z_н , Н_н , складені в ІЗМІРАН. Нормальне поле Z_н в колишньому СРСР змінюється від 0,6 Е на широті полярного кола і довготі 110° до 0,4 Е на південних кордонах. Нормальне поле Н_н на континентальній території колишнього СРСР змінюється від 0,4 Е в районі півострову Таймир до 0,28 Е на південних кордонах.

Градієнт нормального  поля, або нормальний градієнт, - зміна  нормального поля у заданому напрямку в гамах на одиницю відстані (метр, кілометр). Нормальний градієнт елементів Z_н і Н_н в меридіональному напрямку складає на території колишнього СРСР в середньому 5 гам/км. Нормальний градієнт, знятий з карт нормального поля, відрізняється від градієнта, який був би, якби напруженість поля змінювалася півномірно від магнітного полюса до магнітного екватора. Такий градієнт складав би для Z_н 6 гам/км, для Н_н - 3,5 гам/км.

 Рис. 4. Карта нормального геомагнітного  поля Т_н (епоха 1965 р). [2¹]

Рис. 5. Карта нормального геомагнітного  поля Z_н (епоха 1965 р.) [2¹]

Рис. 6. Карта нормального  геомагнітного поля Н_н (епоха 1965 р.) [2²]

значення ізоліній –  в ерстедах

 

Нормальнив вертикальний градієнт складає 20-30 гам/км.

Щоб визначити величину необхідного елементу (наприклад, Z_н) нормального геомагнітного поля, необіхдно зняти його значення з ізолінії нормального поля, що проходить через точку, для якої роблять визначення, і ввести поправку за віковий хід. Поправку за віковий хід в цій точці знаходять по відповійній ізолінії на карті ізопор даного елементу та множать на різність років між роком, для якого береться значення елемента, і роком карти ізопор. Поправку алгебраїчно додають до значення елементугеомагітного поля, знятого з карти нормального поля.

Спостережені значення поля, з яких віднімається (для обчислювання аномального поля) нормальне поле з поправкою за віковий хід, попередньо приводять до середньорічного значення шляхом введення поправки за варіацію, що складається з суми двох різностей: між миттєвим і середньодобовим показниками МВС та між середньодобовими і середньорічними показниками обсерваторської МВС.

В результати магнітних зйомок на великих площах вводять також поправку за нормальний градієнт магнітного поля. Її знімають з карти нормального поля у вигляді різностей міжзначеннями ізоліній нормального поля, січних профілів спостережень. Поправку рівномірно розподіляють між точками спостережень по даному профілю (пропорційно відстані між точками спостережень), і відповідні пропорційні долі алгебраїчно складаються з виміряними значеннями поля на кожній точці спостережень. Частіше за все цю поправку вносять графічно.[5]

 

2.2. Материкове магнітне поле

Материкове поле –  недипольна (неоднорідна) частина головного  магнітного поля Землі. Його називають  також залишковою чистиною головного  магніткого поля Землі (залишкове поле). Для виділення материкового поля по формулам вичисляють поле однорідного намагнічення та віднімають його з нормального магнітного поля. Таку опрецію вперше виконав у 1899 р. Л. Пауер для епохи 1895 р. Пізніше карти материкових магнітних полів  для  різних  епох  (1907, 1912, 1942 роки)  побудовані  Є. Вестиним. На рис. 7 показані ізолінії вертикальної складової материкового поля по В. П. Орлову.

Рис. 7. Вертикальна складова материкового поля для епохи 1955 р. [2³]

(За В. П. Орловим)

1 – ізолінії додатних  значень; 2 – ізолінії від’ємних  значень; 3 – ізолінії нульових значень; значення ізоліній – в тисячах грам

На поверхні Землі  мається шість материкових аномалій. Найбільш інтенсивною є Східно-Азіатська  материкова аномалія (φ=45° п. ш.,  λ=100° с. д.,  Z_m=0,175 Е для епохи 1950 р.) вона охоплює весь азіатський материк і частину Європейського, значення вертикальної складової в її епіцентрі складає 30% нормального поля. Велика материкова аномалія розташована у Західній Африці.

До теперішнього часу ще не вироблена єдина точка зору відносно того, чи мають фізичну  реальність материкові аномалії, або вони є наслідком формальних математичних операцій. Якщо вірна перша точка зору, то виникає питання про джерела материкових аномалій та, зокрема, про глибину їх залягання. Якщо материкові аномалії викликані намагніченими породами, глибина джерел не може бути більше 100-120 км, тому що глибше породи повинні знаходитись при температурі вище точки Кюрі. Можливо, материкові аномалії зумовлені глибинними електричними токами, що може бути при достатньо більшій провідності середовища, яка передбачається на глибині, рівній половині земного радіусу (3000 км) поблизу ядра.

Якщо вірно твердження Е. Буларда про те, що вся недипольна частина головного поля пересувається  до заходу зі швидкістю 0,18±0°,015 в рік (західний дрейф), то єдиним поясненням материкових аномалій може бути гіпотеза про наявність вихрових токів на межі ядро-оболонка Землі. [2]

 

2.3. Магнітні  аномалії та їх геологічні  причини

Основними критеріями наявності  магнітної аномалії на ділянці є  знінення градієнтів елементів земного магнетизму відносно їх значень, які приймаються за нормальні.

Градієнт напруженості нормального поля складає декілька грамів на 1 км, а градієнт аномального  поля досягає десятків і навіть сотень грам на 1 км, в деяких випадках аномальне  поле змінюється на десятки та сотні грам навіть у межах декількох метрів (на ділянках неглибокого залягання сильно магнітних порід). Разом з тим, інтенсивність аномалій здебільшого не перевищує 10 % інтенсивності нормального магнітного поля Землі, що складає для вертикальної складової декілька тисяч грам. Однак іноді аномальне поле за своєю інтенсивністю перевищує нормальне. Наприклад, інтенсивність Курської магнітної анмалії (КМА) досягає 1,80 Е (при чому близька до цієї величини інтенсивність спостерігається напротязі кількох сотень кілометрів), нормального поля складає 0,46 Е.

Регіональні аномалії простираються  на десятки і сотні кілометрів, локальні – займають площі від  кількох десятків квадратних кілометрів до кількох кв. метрів.