Миграция магнитных полюсов

Положение магнитного полюса в северном полушарии на середину 1980-х гг., по сравнению с серединой 1960-х гг., несколько изменилось: ϕ ≈ 740,N, λ ≈ 970W – полюс, как видим, в течение последних 20 лет «мигрировал» в направлении Северного географического полюса примерно на 3-40.

Рис. 7.2. Модуль напряженности (в нТл, 104 нТл = 0,1 Э) геомагнитного поля по данным на середину 1980-х гг. по [Кузнецов, 2008, с. 159].

Общая картина миграции магнитных полюсов приведена на рис. 7.3. Видим, траектория миграции северного полюса более определена, чем траектория южного полюса, что определяется разной полнотой геомагнитных данных, используемых при проведении расчетов.

Инструментальное определение координат положения северного магнитного полюса (СМП) было начато капитаном Россом в 1831 г. [Кузнецов, 2008, с. 185]. В течение следующих 70 лет измерений положения СМП не проводилось. В 1904 г. во время экспедиции Амундсена были повторно определены координаты СМП. Оказалось, что северный магнитный полюс за эти 70 лет переместился на расстояние около 50 км. Этап современных определений положения СМП начинается с измерений канадского магнитолога П. Серсона в 1948 г.

Измерения положения СМП в 1999 г. показали, что скорость дрейфа СМП по сравнению с 1994 г. увеличилась в 1,5 раза и достигла значения 26 км/год. Имеются переопределенные данные, согласно которым скорость дрейфа превысила 40 км/год. Анализ всех данных показывает, что в течение последних 100 лет СМП движется примерно в одном направлении в сторону Северного географического полюса со средней скоростью около 10 км/год [Кузнецов, 2008, с. 187-188].

Координаты южного магнитного полюса (ЮМП): 720S, 1550E впервые были определены профессором Д. Моусоном во время экспедиции Э. Шеклтона в 1909 г.

179

(отмечен звездочкой на рис. 7.3с). Достаточно надежно координаты ЮМП измеряются
примерно с 1965 г. [Кузнецов, 2008, с. 193-196]. Известно, что в 1860 г. скорость дрейфа
ЮМП уменьшалась до нуля, а в 1920-1930 гг. она даже меняла знак.
A	Б	B
Рис. 7.3. Дрейф северного (а) и южного (в) полюсов по [Dawson, Newitt, 1982] и южного полюса
(с) по [Barton, Hutchinson, Quilty et al.,1986] по [Кузнецов, 2008, с. 195].

Вариации значений магнитного момента Земли

Приведенные данные о динамике изменения координат СМП и ЮМП указывают на несимметричное расположение магнитных полюсов Земли [Кузнецов, 2008, с. 196], что может быть связано с динамикой изменения величины и/или направления магнитного момента Земли.

Современное магнитное поле в первом приближении представляют полем магнитного диполя, помещенного в центр Земли – гипотеза центрального диполя [Тяпкин, 1998, с. 44-46]. Магнитный момент такого диполя Земли и наклонение его оси приведены табл. 7.1.

Считают, что лучшее приближение к наблюдаемому геомагнитному полю дает диполь, расположенный в магнитном центре Земли – гипотеза эксцентричного диполя. Сферический гармонический анализ геомагнитного поля, выполненный по современным и древним картам, свидетельствует: начиная с 1840 г. по настоящее время эксцентрический диполь (магнитный центр) систематически удаляется от географического центра Земли на северо-запад - в сторону Тихого океана (табл. 7.2). По состоянию на эпоху 1955,0 г. удаление магнитного центра от географического составляло 436 км. Величина магнитного момента, начиная с 1829 г. по настоящее время, систематически уменьшается примерно от 8,5·1022 до 8,0·1022 а·м2 (см. далее табл. 7.3). Результаты вычислений свидетельствуют, что эксцентричный диполь дрейфует в плоскости большого круга Земли, наклоненного к экватору под углом 310, со средней угловой скоростью 00,3 в год. При определенных допущениях о параметрах траектории период такого обращения составляет около 1200 лет. Другие авторы склоняются к возможности его уменьшения до 600 лет и не исключают возможности представления его траектории спиральной линией. Например, как в схеме генерации магнитного поля глобальной аномалии как вихря Россби в тонком F-слое в рамках горячей модели Земли [Кузнецов, 2008, с. 178-180].

Представления об изменении магнитного момента диполя за предыдущие тысячелетия дают археомагнитные данные. Их анализ свидетельствует о колебательном

180

характере изменения магнитного момента Земли. Около двух тысяч лет тому назад магнитный момент Земли достигал максимальной величины, в полтора раза превышающей нынешнюю, а шесть тысяч лет тому назад был минимальным – около половины нынешней. Таким образом, намечается период вариации магнитного момента Земли продолжительностью 7-8 тыс лет.

Изменение магнитного момента (напряженности магнитного поля) Земли в геологические эпохи отражают палеомагнитные данные. Интерпретация таких данных неоднозначна. Одни авторы, отдают предпочтения плавно меняющимся значениям, хорошо ложащимся на сплошную кривую. Из поведения этой кривой делаются два вывода. Во-первых, «напряженность современного поля существенно больше, чем ее среднее значение за любой продолжительный интервал времени в пределах последних 500 млн лет, в том числе и в последний миллион лет» и, во-вторых, «начиная с силура, дипольный магнитный момент Земли, в общем, возрастал» [Стейси, 1972, с. 212-213]. Другие авторы [Большаков, Солодовников, 1981; Тяпкин, 1998, с. 47-48], полагают, что такое плавное увеличение величины магнитного момента Земли осложнено периодическими изменениями с периодом порядка 200 млн лет.

Таблица 7.2. Широта, долгота и расстояние магнитного центра rM от центра Земли в единицах земного радиуса а для эксцентричного диполя [Рикитаке, 1968, с. 102; Тяпкин, 1998, с. 45].

Источник	Год	Северная широта	Восточная долгота	rM/a
A. Schmidt	1885	5036/	168012/	0,0461
F. Dyson, H. Furner	1922	9 13	161 16	0,0570
E. Vestine	1945	13 56	154 05	0,0630
H. Finch, B. Leaton	1955	15 41	150 49	0,0685
Экстраполяция по Finch& Leaton	1960	16 40	149 20	0,0702

Определения магнитного момента в докембрии весьма ограничены [Тяпкин, 1998, с. 48]. Между 1·109 и 2·109 лет назад напряженность магнитного поля Земли была больше, чем сейчас. Для пород же, возраст которых 2.6·109 лет, обнаружили, что геомагнитное поле в то время было сравнимо по напряженности с современным полем. Таким образом, ядро уже тогда было фактически сформировано и генерировало заметное магнитное поле уже на ранней стадии истории Земли [Стейси, 1972, с. 213].

Вековые вариации геомагнитного поля

Средние годовые значения всех магнитных элементов испытывают регулярные изменения от года к году. Подобные долгопериодные вариации геомагнитного поля называются вековыми вариациями. Они были впервые обнаружены Геллибрандтом в 1634 г., когда он установил, что склонение в Лондоне меняется со временем.

Склонение-наклонение. Систематические наблюдения за склонением и наклонением начинаются примерно с 1540 г. Наиболее полные данные известны для Лондона. На рис. 7.4 представлены сглаженные результаты наблюдений, опубликованные впервые Л. Бауэром для Лондона и Бостона [Bauer, 1895] и приведенные в нескольких классических геофизических монографиях и впоследствии дополненные новыми данными.

Видно, что СМП в течение последних 460 лет «передвигался» по «достаточно плавному» эллипсу, который на рис. 7.4 может быть дорисован точками. Такой характер движения СМП позволил предположить [Кузнецов, 2008, с. 187-188], что определенные Дж. Россом в 1831 г. координаты СМП, возможно, ошибочны, полюс должен был находиться восточнее примерно на 100 км, т.к. в пределах 70-летнего интервала (18311904 гг.) СМП «переместился» всего на 50 км при средней скорости миграции около 10

181

км/год. Однако с таким выводом можно и не согласиться. Действительно, в соответствии с определениями положения СМП [Dawson, Newitt, 1982], представленными на рис. 7.3а, направление миграции СМП в середине 19 в. изменилось на противоположное: и в 1831 и 1904 гг. СМП мог располагаться в близко расположенных точках.

Рис. 7.4. Склонение и наклонение на обсерваториях в Лондоне и Бостоне [Кузнецов, 2008, с. 188].

Данные, приведенные на рис. 7.4, и прогнозные данные о положении СМП в будущем в работе [Кузнецов, 2008, с. 185-191] подтверждают циклический с периодом в несколько сот лет характер вековых вариаций [Яновский, 1953, с. 147] и с большой степенью достоверности позволяют принять продолжительность периода близкой 600 годам.

Фокусы векового хода. Карта, показывающая вековые изменения одного из элементов поля для данной эпохи, называется картой изопор. Такая карта для модуля напряженности геомагнитного поля на эпоху середины 1980-х гг. приведена выше на рис. 7.2. На рис. 7.5а, б представлены данные о вековых изменениях вертикальной составляющей поля для разных эпох. На всех таких картах отчетливо выделяются центры, в которых вековые изменения особенно велики. Такие высоко градиентные изменения элементов магнитного поля называют фокусами изопор или фокусами векового хода (ФВХ). На карте последующей эпохи (1942,5, рис. 7.5б) все фокусы «сдвинуты» относительно таких же фокусов на карте предыдущей эпохи (1922,5, рис. 7.5а) к западу примерно на 150.

Изучение карт современных вековых вариаций, построенных для разных элементов магнитного поля, позволяет выделить следующие наиболее интенсивные ФВХ [Кузнецов, 2008, с. 172-174]: Бразильский с максимальной скоростью изменения общей интенсивности поля -200 нТл/год с координатами 00, 400W; Цейлонский – с +100 нТл/год,

100N, 800E; Индонезийский – с -40 нТл/год, 150S, 1100E; Тихоокеанский – с +60 нТл/год, 150S, 1000W.

Анализ аналогичных карт, построенных для более ранних лет, показал, что все ФВХ, в том числе и выделенные выше четыре наиболее интенсивные, представляют собой достаточно протяженные области – главные магнитные аномалии, дрейфующие по поверхности Земли. Как правило, ФBХ зарождаются на экваторе. Затем они дрейфуют вдоль него в западном направлении (рис. 7.5а, б) со скоростью около 0,20 (0,10 – 0,30

[Тяпкин, 1998, с. 55], 0,180±00,015 [Bullard, 1967]) по долготе в год. Либо, также дрейфуя к западу, перемещаются при этом к полюсам при средней скорости миграции 10-20 км/год, и, постепенно уменьшая свою интенсивность, распадаются [Yukutake, Tachinaka, 1968]. В частности, хорошо известен т.н. Каспийский ФBХ, который с середины 18 в. дрейфовал по территории России и распался на полярном Урале в середине 1960-х гг. [Почтарев, 1978].

Одиннадцать надежно установленных ФBХ, имевших место в течение последних 250 лет, проанализированы в работе [Yukutake, Tachinaka, 1968]. Согласно этим данным,

182

ФBХ представляют собой либо циклоны, либо антициклоны, к числу которых относится и упомянутый выше Каспийский ФBХ. Часть выявленных ФBХ существуют до настоящего времени и, дрейфуя, рождают новые ФПХ. Например, Бразильский ФBХ представляет собой в течение уже более 250 лет стабильный циклон, который за это время успел пройти путь вдоль экватора от Африки до Бразилии. Другая часть ФBХ уже прекратила свое существование.

Общим свойством для всех ФBХ является то, что все они как бы «обходят стороной» Глобальные магнитные аномалии (ГМА), ни разу не «столкнувшись» с ними. Возможно, это происходит не случайно [Кузнецов, 2008, с. 174]. В соответствии с работой [Ботт, 1974, с. 152-157], такое «нестолкновение», возможно, имеет фундаментальный смысл. Б.М. Яновский [1967; с. 19–20] полагает важным, что при этом можно принять малыми и/или слабо изменяющимися величину магнитного момента Земли, положение его северного магнитного полюса и наклон магнитной оси основного диполя.

Рис. 7.5 а. Карта изопор, показывающая вековые изменения вертикальной составляющей (в гаммах в год) для эпохи 1922,5 [Ботт, 1974, с. 197].

ФBХ в рамках горячей модели Земли представляются гидродинамическими вихрями, типа вихрей Россби, аналогичными атмосферным вихрям – циклонам и антициклонам. Направление переноса такого вихря, т.е. ФBХ, может быть как к поверхности Земли, так и от нее, его вращение – как по часовой стрелке, так и против нее

[Кузнецов, 2008, с. 174].

Экскурсы – относительно короткие изменения магнитного поля между продолжительными (порядка одного млн лет) периодами положительной и отрицательной полярности [Кузнецов, 2008, с. 176-177]. Обсуждая проблему экскурсов, в работе [Петрова, Поспелова, 1992] отмечаются три важных момента. Во-первых, теории динамо не могут объяснить таких резких и кратковременных изменений магнитного поля. Вовторых, экскурс, как инверсия поля, представляет собой глобальное явление, и, в-третьих, экскурсы случаются во время циклов уменьшения величины магнитного момента Земли ниже значения 4·1022 а·м2.

183

Рис. 7.5 б. Карта изопор, показывающая вековые изменения вертикальной составляющей (в гаммах в год) для эпохи 1942,5 [Ботт, 1974, с. 198].

Джерки. Дословно: джерк – резкий толчок во время езды, в геомагнетизме джерки

– резкие изменения производной напряженности магнитного поля по времени ∂B ∂t

[Кузнецов, 2008, с. 177]. Это явление берет начало с работы [Courtillot et al., 1978], в которой авторами было обращено внимание на поведение в Европе в 1969-1970 гг. вековой вариации Y (ориентированной вдоль направления Восток-Запад) компоненты изменения производной напряженности магнитного поля Земли по времени. Необычность выражалась в том, что, начиная с 1940-х гг. и до конца 1960-х гг., для каждой обсерватории ряд среднегодовых значений Y(t) достаточно хорошо описывался модельной параболой. Затем, начиная с 1969-1970 гг., между регистрируемыми данными и моделью стало наблюдаться резкое расхождение, которое достаточно просто устранялось введением второй параболы.

Хорошо изучены джерки 1969-1970, 1979-1980 и 1989-1992 гг. Оказалось, что наилучшим образом джерки проявляются на временной зависимости Y-компоненты, слабее они видны на Х (Север-Юг) компоненте и еще слабее на Z (вертикальной) компоненте геомагнитного поля. Именно за явлением такого резкого изменения среднегодовых значений, с наибольшей интенсивностью проявляющихся на ориентированной в направлении Восток-Запад Y(t)-компоненте, и закрепилось название джерк.

Очевидно, что симметричный относительно оси вращения дипольный источник генерации геомагнитного поля не может приводить к выделению компоненты, ориентированной вдоль направления Восток-Запад. Поэтому есть достаточно веские физические основания появление интенсивной Y-компоненты связать с отклонением источника геомагнитного поля от дипольного – с квадрупольным характером геомагнитного поля. В соответствии с данными работы [Madden, Le Mouel, 1982], максимальные джерки 1969-1970 гг. оказались «привязанными» к главным магнитным аномалиям Земли. В таком случае и квадрупольность геомагнитного поля так же можно

184