Практическое задание № 5

Вычислить по приведенным ранее формулам значения Z, H и T нормального дипольного поля Земли для экватора и полюса. Для тех же точек получить формулы и рассчитать значения вертикальных градиентов Z, H, T. Определить величину намагниченности вещества Земли и сделать вывод о его преимущественном составе, учитывая , что намагниченность магнетитовых руд имеет значение около 0,1 ед СГС, средний температурный градиент под поверхностью Земли составляет 1 градус на 33 метра, точка Кюри для магнетита 578 градусов.

Определить по картам нормального магнитного поля значения Z, H, T и наклонения I 0 в Томске (φ = 560 30’, λ = 850) для эпохи текущего года.

Ответить на следующие вопросы:

А). Каковы, на ваш взгляд, должны быть причины возникновения магнитного поля Земли (магнитные свойства вещества Земли или что-то другое)?

Б). Какую составляющую поля (Т, Z, H, D, I⁰) лучше измерять, чтобы получить больше информации о геологическом строении площади. Во всех ли точках Земли эта составляющая будет наиболее информативной и почему?

В). В чем причины расхождения значений нормального поля, определенного по формулам и по картам нормального магнитного поля?

Г). Как получают величину векового хода составляющих магнитного поля Земли, используемую для построения карт изопор?

3.1.7. Природа магнитного поля Земли

Причина появления и существования земного магнитного поля остается пока неясной. Вопрос этот привлекал внимание многих исследователей. Было предложено множество гипотез. Например, поле объясняли постоянной намагниченностью вещества Земли или его кристаллической оболочки, или связывали с гироскопическим эффектом, или предполагали, что положительные и отрицательные заряды вещества Земли распределены по объему Земли неравномерно, и суточное вращение ее приводит к появлению поля, и другие.

Приняв любую из этих гипотез, невозможно объяснить такие особенности геомагнитного поля, как западный дрейф его, появление инверсий, периодичность вековых вариаций и западный дрейф некоторых из них. В связи с этим все они в настоящее время отвергнуты.

Появилась и находит широкое признание гипотеза земного гидромагнитного динамо. Согласно этой гипотезе предполагают, что в жидком проводящем ядре Земли при его вращении так же, как в динамомашине с самовозбуждением, могут возникать электрические токи, и этими токами создается магнитное поле. Возможность существования такого механизма устанавливают теоретически путем анализа решений уравнений электромагнитной индукции, механики и термодинамики земного ядра с учетом имеющихся сведений о внутреннем строении Земли.

Идея земного динамо была высказана английским ученым Дж.Лармором в 1919 году. Позднее она развивалась и совершенствовалась В.Эльзассером, Я.Френкелем, Е.Буллардом, Т.Каулингом и др. Обстоятельные теоретические исследования, нашедшие мировое признание, выполнены советским ученым С.И.Брагинским.

Исследование уравнения магнитной индукции показывает, что для самовозбуждения геомагнитного поля в земном ядре должны происходить конвективные спиральные перемещения проводящей жидкости. Скорость перемещений может быть выбрана такой, чтобы возбуждаемое ими поле оказалось близким к наблюдаемому. Естественно полагать, что для самоподдержания поля в ядре Земли должен происходить процесс, восполняющий неизбежные потери энергии.

Из многих возможных вариантов моделей механизма земного динамо С.И.Брагинский считает более вероятным следующий.

Из сейсмологии известно, что ядро Земли состоит из внешней жидкой оболочки, центрального твердого тела и переходного слоя между ними. Ядро окружено мантией и земной корой. Считают, что вещество жидкого ядра состоит, по крайней мере, из двух компонентов: тяжелого и легкого (предположительно из железа и силикатов).

В жидкой оболочке ядра перемещения жидкости по вертикали происходят за счет архимедовой силы. Эта сила появляется при нарушении закономерности в распределении плотности вещества по объему оболочки. Такое нарушение может произойти из-за появления избытка более легкого вещества в нижней части оболочки за счет кристаллизации твердой компоненты в переходной зоне либо за счет появления избытка более тяжелой компоненты в верхах оболочки за счет перемещения силикатов в мантию. Искривления и закручивания таких потоков происходят за счет кориолисовой силы. Появившиеся винтовые вихри в совокупности с суточным вращением Земли генерирует магнитное поле. Поле представляют состоящим из более сильного тороидального и близкого к наблюдаемому полоидалыюго. Силовые линии тороидального (кольцевого) поля находятся внутри жидкой оболочки ядра и располагаются в плоскости, перпендикулярной к оси вращения Земли. Силовые линии полоидалыюго поля перпендикулярны к линиям тороидального, пересекают поверхность Земли и охватывают околоземное пространство. Полоидальное поле близко к дипольному. Тороидальное поле существенно усиливается неравномерным вращением жидкой оболочки ядра, а именно меньшей угловой скоростью суточного вращения ее внешней части по сравнению с внутренней. Неравномерность вызывается теми же вихревыми перемещениями жидкости.

Помимо сил Архимеда и Кориолиса на движущуюся в магнитном поле проводящую жидкость действует также и магнитная сила. При одновременном действии этих трех сил - магнитной, архимедовой и кориолисовой внутри Земли возникают колебания магнитогидродинамической природы, получившие название МАК-волн.

Описанным механизмом гидромагнитного динамо удается объяснить все основные особенности геомагнитного поля -его распределение, природу вариаций, западный дрейф и инверсии.

Предложены и другие модели гидромагнитного динамо, однако в полной мере природа геомагнитного поля до конца не выяснена и поиск наиболее вероятной модели продолжается.