Геомагнитное поле

Природа геомагнетизма

       Вопрос о причинах  магнетизма у космических тел  и, в частности, у Земли привлекал  внимание многих ученых. В последние десятилетия ученые как будто нащупали правильные пути, позволяющие в принципе объяснить геомагнетизм, но законченная теория всё ещё не создана.

       Современные теории геомагнетизма  исходят из предположения, что  магнитное поле Земли создаётся и поддерживается за счет так называемого динамо-механизма. В грубых чертах считается, что создание магнитного поля в ядре происходит также, как и в динамо-машине с самовозбуждением. Принцип работы машины следующий. Пусть катушка проводов вращается во внешнем магнитном поле. Тогда за счет электромагнитной индукции в катушке возникает электрический  ток. Этот  ток  создаёт  магнитное  поле,  которое  может   усилить

внешнее магнитное поле, что в  свою очередь усилит ток в катушке  и т.д.

       Жидкое земное  ядро совсем не похоже на  реальную динамо-машину. Но в принципе, если в жидком проводящем ядре  за счет каких-либо причин возникает  тепловая или гравитационная  конвекция, то возникает некоторая  система гидродинамических течений.  Таким образом, мы имеем некоторую систему течений проводящей жидкости. Течение проводящей жидкости в рассматриваемой аналогии соответствует движению проводника. Если в ядре имеются какие-либо затравочные магнитные поля, то при пересечении проводящим потоком силовых линий этих полей в проводящем потоке возникает электрический ток. Этот ток создаёт магнитное поле, который при благоприятной геометрии течений может усилить внешнее затравочное поле, а это в свою очередь усилит ток и т.д. Процесс будет продолжаться до тех пор, пока не возникнет стационарное магнитное поле и различные динамические процессы не уравновесят друг друга. Теория геомагнитного поля, основанная на изложенном выше принципе, называется теорией гидромагнитного динамо (ГД).                

       Магнитное   поле   осевого   диполя В,  наблюдаемое   на    поверхности    Земли равно ~ 0.5 Гс (где Гаусс=Гс=10^–4 Тл и, наоборот, Тл=10⁴ Гс). Экстраполируя это поле  к условиям земного ядра, получим значения В ~ 3 Гс. Поля, выходящие из ядра на поверхность Земли, называются полоидальными или меридиональными, так как их силовые линии расположены в меридиональных плоскостях. Они обозначаются В_р. Именно эти поля мы и наблюдаем на поверхности Земли и в околоземном пространстве. Наличие в ядре дифференциального вращения существенно преобразует полоидальное поле, превращая его в тороидальное поле В_λ, т.е. в поле, силовые линии которого вытянуты в долготном направлении и образуют долготные круги и спирали. Тороидальное поле земного ядра B_λ не выходит на поверхность Земли и, таким образом, не наблюдаемо.

Таким образом, динамо-гипотеза доказывает принципиальную возможность механизма  самовозбуждающегося поля и дает объяснение  самым общим свойствам  магнитного поля, однако исследователи  оставляют в стороне конкретные свойства магнитного поля Земли.

Известно , что магнитное  поле Земли существовало в архее  и докембрии, не претерпев заметных изменений по величине и структуре  до наших дней, хотя физические условия  внутри Земли, существующие в настоящее  время, значительно отличаются от тех, которые были в ранние периоды. Палеомагнитные данные позволяют сделать важный вывод о том, что, не меняясь существенно по величине и структуре, магнитное поле Земли дрейфовало по земному шару в поражающих масштабах. Миграция палеомагнитных полюсов начинается с экваториальной зоны в докембрии до современного положения вблизи северного и южного географических полюсов. Кроме миграции последних установлены многократные инверсии магнитного поля Земли. И если последние качественно объяснимы с точки зрения МГД-динамо, то отклонение геомагнитных полюсов от оси вращения почти на 90⁰ ставит гипотезу самовозбуждения под сомнение, поскольку частные решения МГД-уравнения получены при условии почти симметричного относительно оси вращения движения вихрей в жидком ядре. Есть основания полагать, что суточный период вращения Земли, имеющий для динамо-гипотезы важное значение, был прежде значительно более коротким. Менялись и другие характеристики Земли.

Однако в динамо-гипотезе историческое развитие Земли за 4 – 4.5 млрд. лет не рассматривается и строится она, исходя из современных сведений о строении Земли. Между тем, иные параметры – размеры жидкого ядра, температура, вращение Земли, проводимость ядра и мантии – должны были заметно отразиться на величине и структуре магнитного поля Земли, чего по палеомагнитным данным не наблюдается. Роль железо-никелевого твердого ядра не исследована, а она может быть очень важной для самовозбуждающегося динамо.

Инверсии  магнитного поля

В 1906 году Б. Брюн, измеряя магнитные свойства неогеновых, сравнительно молодых лав в центральной Франции, обнаружил, что их намагниченность противоположна по направлению современному геомагнитному полю, то есть в момент их образования Северный и Южный магнитные полюса как бы поменялись местами. С тех пор породы с обратной намагниченностью обнаружены как на континентах, так и на океанах.

Наличие обратно  намагниченных горных пород является результатом инверсии магнитного поля Земли - смены знака осесимметричного диполя. Обнаружение обращения полярности геомагнитного поля — важнейшее открытие в палеомагнитологии, позволившее создать новую науку магнитостратиграфию, изучающую расчленение отложений горных пород на основе прямой или обратной намагниченности. Установлена синхронность этих обращений знака в пределах всего земного шара. Это даёт весьма действенный дополнительный метод корреляции отложений и событий.

Установлено, что  продолжительность инверсий значительно  меньше (<10000 лет), чем промежуток между  ними. Механизм инверсий - уменьшение дипольного поля до 0 с последующим восстановлением в противоположную сторону.

Следует отметить, что современная полярность магнитного поля, называемая нормальной, такова, что  северный магнитный полюс (тот, из которого, как считается, выходят магнитные  линии) располагается вблизи южного географического. Но называются геомагнитные полюсы по близлежащим географическим (см. рис. 6.1).

Магнитостратиграфическая  шкала

Инверсии магнитного поля хорошо датированы особенно за последние 5 млн. лет. Датировки произведены как с помощью изотопных радиологических методов, то есть с получением абсолютного возраста породы, так и с помощью методов относительной геохронологии, то есть палеонтологических методов. Магнитостратиграфическая шкала является, по существу глобальной шкалой геомагнитной полярности за наблюдаемую часть геологической истории.

Временные интервалы  преобладания какой-либо одной полярности получили название геомагнитных эпох, и части из них присвоены имена  выдающихся геомагнитологов Брюнесса, Матуямы, Гаусса и Гильберта (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Шкалы инверсий магнитного поля: I-за последние 5 млн. лет; II-за последние 55 млн. лет. Черный цвет -нормальная, белый цвет-обратная полярность (по У. У. Харленду и др., 1985).

 В пределах эпох выделяются меньшие по длительности интервалы той или иной полярности, называемые геомагнитными эпизодами. Наиболее эффектно выявление интервалов прямой и обратной полярности геомагнитного поля было проведено для молодых в геологическом смысле лавовых потоков в Исландии. Эфиопии и других местах. Недостаток этих исследований заключается в том, что процесс излияния лав был прерывистым процессом, поэтому вполне возможен пропуск какого-либо магнитного эпизода.

Совсем другое дело, если измеряются магнитные свойства горных пород осадочной толщи в океанах при бурении глубоководных скважин. Такое бурение стало возможным в 1968 году, когда его осуществили на специальном буровом судне "Гломар Челленджер", а позднее — с судна "Джойдес Резолюшн". За это время пробурено уже свыше тысячи скважин в разных океанах и некоторые из них углубились в породы морского дна на 1,5 км.

Самое главное  преимущество изучения магнитных свойств  керна скважин (столбика высверленных горных пород) заключается в непрерывности  и полноте стратиграфического разреза. Анализ магнитных свойств образцов из пород океанского дна позволил составить детальную шкалу инверсий поля до поздней эпохи юрского периода включительно, то есть на интервал времени в 170 млн. лет, что дало возможность реконструировать магнитное поле Земли за это время.

До рубежа в 570 млн. лет — для всего фанерозоя  — такая шкала тоже создана, но она хуже по качеству. Есть шкала  и для рифея - венда (1,7- 0.57 млрд. лет), однако она еще менее удовлетворительна. Остаточная намагниченность обнаруживается даже у архейских пород с возрастом 3,4 млрд. лет. Распределение геомагнитных инверсий во времени характеризуется довольно сложной ритмичностью, состоящей как из длительных, так и кратких интервалов обращения знака поля.