полностью потерян. Это время оказывается порядка нескольких минут. Так как в действительности Земля своего заряда не теряет и величина поля Е довольно стабильна во времени и в различных районах Земли, она должна обладать источником, восполняющем потери электрического заряда. Попытки найти объяснение этому явлению, привлекая грозы как источник, восполняющий потерю электрического заряда, представляются малоубедительными. Также малоубедительными выглядят объяснения унитарной вариации электрического поля максимальным количеством гроз, происходящих в целом на Земле в 19 ч. по лондонскому времени.

Таким образом, есть основания считать, что вопрос о природе электрического поля Земли и причине унитарной вариации поля остается открытым в рамках «холодной» модели Земли. В рамках же «горячей» модели оказывается возможным некоторые особенности электрического поля описать на качественном уровне.

Согласно данным работы [Таблицы …, 1976; с. 996], в процессе исследований было установлено, что электрические токи в Земле ассоциируются с временными изменениями магнитного поля. Эти токи называются "теллурическими". Если одновременно измерять вариации магнитного и электрического полей, то можно получить представление о распределении электропроводности на глубине.

Плотность теллурических токов для различных участков земной поверхности приблизительно одинакова и равна 2 А/км2. Интенсивность теллурических токов возрастает от низких широт к высоким широтам. На низких широтах напряженность поля обычно не превосходит десятков милливольт на километр. В полярных странах напряженность может достигать единиц и даже десятков вольт на километр; наиболее сильные теллурические токи во время магнитных бурь.

Электромагнитные зондирования

[Ваньян, 1997; Хмелевской, Горбачев, Калинин, и др., 2004]

Горные породы обладают электромагнитными свойствами, к которым относятся: удельное электрическое сопротивление, величина, ей обратная – удельная электропроводность, электрохимическая активность, поляризуемость, диэлектрическая и магнитная проницаемости и пьезоэлектрические модули. Изучение этих свойств пород, кроме строения Земли, в целом, способствует также эффективному поиску полезных ископаемых.

Электромагнитные зондирования представляют собой активное воздействие на земные породы путем создания поля определенной конфигурации и регистрации отклика, по параметрам которого и определяют те или иные свойства среды.

Первые методы магниторазведки для определения ярко выраженных магнитных аномалий, связанных с сильно магнитными рудными залежами, были созданы во второй половине XIX века. В России специальные исследования магнитного поля с геологическими целями впервые были проведены на Курской магнитной аномалии в конце XIX века.

Электромагнитные зондирования начали развиваться в конце 20-х годов ХХ века. В нашей стране получили активное развитие методики зондирования с использованием постоянного тока.

К началу 50-х годов стало ясно, что в рамках только гальванической моды с использованием контуров постоянного тока, невозможно решить ряд важных научных и интересных практических задач. Например - получить надежную информацию об отложениях, заэкранированных высокоомными пластами, определить мощность анизотропных толщ и т.д. Стали развиваться индукционные методики электромагнитного поля, чему способствовали фундаментальные работы, проводимые А.Н. Тихоновым и А.П. Краевым с сотрудниками – в нашей стране, и С.С. Штефанеску – в Румынии.

200

Большую роль в развитии электромагнитных методов зондирования Земли сыграл в 50-х годах французский геофизик Л. Каньяр.

Внашей стране усилия многих коллективов ученых и практиков Москвы и Ленинграда были объединены организаторским гением А.М. Загармистра, прекрасно понимавшим запросы практики и возможности теории.

Впоследние десятилетия опубликован ряд фундаментальных работ, исчерпывающе трактующих все виды электромагнитных зондирований. Достаточно полный список публикаций по тематике электромагнитных зондирований можно найти в обобщающих монографиях [Ваньян, 1997; Хмелевской, Горбачев, Калинин и др., 2004], в которых подробно описаны и сами методы электромагнитного зондирования.

Геомагнетизм и жизнь. Диапазон магнитных явлений

Отрицать влияние магнитных полей на живой организм нельзя. Эксперименты на мышах показали, что внешнее магнитное поле задерживает их развитие, замедляет рост клеток, изменяет состав крови. Сильное магнитное поле – десять килоэрстед (104 Э) и больше даже способно убить молодые особи. Аналогичные результаты получены и в опытах с другими животными [Лишевский, 1988].

Так как магнитное поле оказывает воздействие на все живое, разработаны допустимые его уровни. Для человека разные исследователи считают безопасным магнитное поле напряженностью 300-700 Э.

Магнитное поле влияет и на растения. Результаты некоторых опытов показали, что всхожесть и рост семян зависят от того, как первоначально они были ориентированы относительно магнитного поля Земли. Изменение внешнего магнитного поля может или ускорять или угнетать развитие растений. Это свойство растений уже используется на практике.

Почему магнитное поле воздействует на человека? На это счет есть несколько гипотез. Одна из них считает, что магнитное поле влияет на протекание в организме некоторых тонких биохимических реакций. И хотя влияние магнитного поля на химические процессы в последнее время тщательно исследуются, физика этого процесса пока не совсем ясна.

Самые сильные магнитные поля, зарегистрированные во Вселенной, создаются нейтронными звездами и пульсарами. В лабораториях удается достичь магнитной напряженности в сотни тысяч более слабой, да и то на очень короткое время, измеряемое долями секунды. Если бы можно было воспроизводить в лабораторных условиях поля, сравнимые с теми, которые создаются нейтронными звездами, то мы стали бы свидетелями удивительных явлений. Например, железо, имеющее плотность 7,9 г/см3, под действием такого поля превратилось бы в вещество с плотностью 2700 г/см3.

Диапазон магнитных явлений представлен табл. 7.4.

Магнетизм – всеобъемлющее, глобальное свойство природы, но, к сожалению, мы многое о нем не знаем. Нам неизвестно, например, есть ли монополь – частица с одним магнитным полюсом, наподобие положительных или отрицательных заряженных частиц. Законы электродинамики не запрещают существование магнитного монополя, но он пока не обнаружен. До сих пор нет законченной теории земного и солнечного магнетизма, ряда других магнитных явлений в космическом масштабе. Не завершены исследования сверхпроводимости. Возникновение жизни на Земле и ее развитие, скорее всего, связаны с существованием геомагнитного поля и его переполюсовками [Викулин, 2008; Викулин, Мелекесцев, 2007; Николаев, 1991]. Овладев тайнами магнетизма, мы не только решим многие задачи, стоящие перед создателями современной техники, но и поймем, как рождаются и умирают миры в окружающем нас пространстве Вселенной.

201

Таблица 7.4. Диапазон магнитных явлений
		Напряженность
Объект
		поля, Э
Нейтронные звезды, пульсары		1012-1013
Внутри атома водорода		109-1010
Звезда PG 1031+234		108-109
Наибольшие поля, полученные в лаборатории		107-108
Звезда типа «Белый карлик»		107
Радиогалактики		105-106
Поле в установке «Токомак-15»		104-105
Солнечные пятна		103
Школьный магнит (U-образный)		102
Солнце		1
Земля		0,5
На границе магнитосферы Земли		10-3
Межпланетное пространство вблизи орбиты Земли		10-4-10-5
Сердце человека		10-6
Межзвездная среда		10-8
Мозг человека		10-9
Достигнутый в лаборатории предел измерений		10-14

Глобальные магнитные аномалии как самоорганизующаяся система токовых контуров в ядре Земли

Число крупномасштабных аномалий достаточно велико, разными исследователями их выделяется достаточно большое для Земли количество – от 4-6 до 8-12. Более того, как уже отмечалось выше со ссылкой на работу [Кузнецов, 2008] и другие работы, в распределении таких аномалий наблюдаются вполне определенные закономерности: они зарождаются, как правило, в районе экватора, затем дрейфуют в сторону запада или в сторону запада и к полюсам, затем, уменьшаясь по величине, «отмирают», рождая новые аномалии. При этом каждая из аномалий, в соответствии с современными представлениями, генерируется соответствующим кольцевым током с несимметричной относительно оси вращения Земли конфигурацией и, следовательно, имеет собственный магнитный момент, не совпадающий по направлению с моментами других аномалий. Таким образом, все глобальные аномалии должны взаимодействовать как между собой, так и с магнитным моментом Земли. Все это указывает на то, что кольцевые токи, генерирующие глобальные магнитные аномалии, по сути, должны представлять собою некую взаимосвязанную самосогласованную систему, анализ которой в первом приближении может быть выполнен с помощью следующих за дипольными членами разложения – квадрупольными коэффициентами.

Из данных табл. 7.3 видно, что квадрупольные члены разложения g20 , g12 , g22 и h21 , h22 , со временем меняются более сложным образом, чем дипольные. Согласно [Орленок,

2000, с. 162] они «испытывают сложные изменения – либо попеременно, либо устойчиво разрушаются, либо увеличиваются». Анализируя особенности магнитных аномалий Земли В.В. Кузнецов [2008, с. 182] в своих выводах идет еще дальше, по сути, определяя «парный» механизм взаимодействия аномалий: «В магнитном поле Земли, как в атмосферах Сатурна и Юпитера, возникли и продолжают существовать две пары вихрей. Одна пара вихрей состоит из двух антициклонов, другая – из циклона-антициклона. Пара циклон-антициклон: Бразильская – канадская аномалии на Земле и атмосферные вихри: Ультрафиолетовое пятно и Пятна Анны – на Сатурне».

В начале 20 в. русский физик Н.А. Умов впервые дал интерпретацию коэффициентов Гаусса и ввел понятие мультиполя – магнитного потенциала особого

202

распределения, имеющего определенные оси симметрии, число которых определяется порядком коэффициента [Яновский, 1964, с. 93-97]. В соответствии с этим определением, квадруполем называется совокупность двух диполей, параллельных друг другу, но противоположно направленных и находящихся на малом (по сравнения с радиусом Земли) расстоянии друг от друга. Слагаемые в (7.10), ответственные за эту составляющую поля, имеют нижний индекс l = 2. Такому квадруполю могут соответствовать токовые системы, генерирующие четыре наиболее крупные магнитные аномалии (рис. 7.2), получившие название Канадской, Сибирской, Бразильской и Южной [Кузнецов, 2008, с. 159]. Как отмечалось выше, кроме западного дрейфа, магнитные аномалии имеют тенденцию смещаться к полюсам. По данным Т. Рикитаке [1968, с. 115-119], такая квадрупольная система совершает гармонические колебания с периодом порядка 100 лет.

Система, состоящая из двух квадруполей, т.е. из восьми магнитных глобальных аномалий, называется мультиполем и описывается следующими членами разложения в

(7.10) с l = 3 [Яновский, 1953, с. 105].

Как видим, имеются вполне определенные данные, которые указывают на существование физически обоснованного механизма «самоорганизации», управляющего глобальными аномалиями геомагнитного поля. И не маловажную самоорганизационную роль в таком механизме играют именно вихревые движения жидкости в ядре Земли, которые в рамках задачи Дирихле (см. главы 1 и 2) интерпретируются как s-эллипсоиды Римана [Кондратьев, 2003, с. 30].

Литература

Большаков А.С., Солодовников Г.М. Напряженность геомагнитного поля в последние 400 млн лет // Докл. АН СССР. 1981. Т. 80. № 6. С. 1340.

Ботт М. Внутреннее строение Земли. М.: Мир, 1974. 375 с.

Ваньян Л.Л. Электромагнитные зондирования. М.: Научный мир, 1997. 219 с. Викулин А.В. Мир вихрей. Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2008. 230 с. Викулин А.В. Мелекесцев И.В. Вихри и жизнь // Ротационные процессы в геологии и

физике / Ред. Е.Е. Милановский. М.: ДомКнига, 2007. С. 39-101.

Глацмайер Г., Олсон П. Изучение геодинамо // В мире науки. 2005. № 7. С. 29-35.

Григорьев В.И., Григорьева Е.В., Ростовский В.С. Бароэлектрический эффект и электромагнитные поля планет и звезд. М.: Физматлит, 2003. 192 с.

Джекобс Дж. Земное ядро. М.: Мир, 1979. 305 с.

Диоген Лаэртский. О жизни, учениях и изречениях знаменитых философов. М.:

Мысль, 1979. 622 с.

Дорфман Я.Г. Всемирная история физики. С древнейших времен до конца XVIII века. М.: КомКнига, 2007а. 352 с.

Дорфман Я.Г. Всемирная история физики. С начала XIX до середины ХХ вв. М.: КомКнига, 2007б. 320 с.

Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли и планет. М.: Наука, 1983. 416 с.

Жарков В.Н., Трубицын В.П., Самсоненко Л.В. Физика Земли и планет. Фигуры и внутреннее строение. М.: Наука, 1971. 384 с.

Кондратьев Б.П. Теория потенциала и фигуры равновесия. М.-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2003. 624 с.

Кузнецов В.В. Введение в физику горячей Земли. Петропавловск-Камчатский:

КамГУ, 2008. 367 с.

Лишевский В. Магнетизм // Наука и жизнь. 1988. № 2. С. 31-32.

Николаев Г. Магнитное поле Земли слабеет. Опасны ли последствия этого? // Наука и жизнь. 1991. № 1. С. 44-50.

Новая глобальная тектоника / Ред. Л.П. Зоненшайн, А.А. Ковалев. М.: Мир, 1974.

472 с.

203

Орленок В.В. Основы геофизики. Калининград: Калиниградский ГУ, 2000. 446 с. Паркинсон У. Введение в геомагнетизм. М.: Мир, 1986. 525 с.

Петрова Г.Н., Поспелова Г.А. Экскурсы геомагнитного поля // Земля и Вселенная. 1992. № 3. С. 3-7.

Почтарев В.И. О динамике каспийского центра вековых изменений магнитного поля Земли // Геомагнетизм и Аэрономия. 1978. Т. 10. № 9. С. 183-185.

Рикитаке Т. Электромагнетизм и внутреннее строение Земли. Л.: Недра, 1968. 332

с.

Советский энциклопедический словарь / Ред. А.М. Прохоров. М.: Советская энциклопедия, 1985. 1600 с.

Стейси Ф. Физика Земли. М.: Мир, 1972. 342 с.

Таблицы физических величин / Ред. И.К. Кикоин. М.: Атомиздат, 1976. 1008 с. Трухин В.И., Показеев К.В., Куницын В.Е. Общая и экологическая геофизика. М.:

Физматлит, 2005. 576 с.

Трухин В.И., Показеев К.В., Куницын В.Е., Шрейдер А.А. Основы экологической геофизики. СПб: Изд-во «Лань», 2004. 384 с.

Тяпкин К.Ф. Физика Земли. Киев: Вища школа, 1998. 312 с.

Физика Земли. Новый взгляд на некоторые проблемы / В.В. Кузнецов, Н.Н. Семаков, В.Н. Доровский, П.Е. Котляр. Новосибирск: Наука, 1989. 128 с.

Физический энциклопедический словарь / Ред. А.М. Прохоров. М.: «Советская энциклопедия», 1983. 928 с.

Хмелевской В.К. (ред.) Геофизика. Учебник. М.: КДУ, 2007. 320 с.

Хмелевской В.К., Горбачев Ю.И., Калинин А.В., Селиверстов Н.И., Шевнин В.А.

Геофизические методы исследований. Петропавловск-Камчатский: Изд-во КГПУ, 2004. 232 с.

Храмов Ю.А. Физики. Биографический справочник. М.: Наука, 1983. 400 с. Яновский Б.М. Земной магнетизм. М.: Изд-во технико-теоретической литературы,

1953. 592 с.

Яновский Б.М. Земной магнетизм. II. Теоретические основы магнитометрического метода исследования земной коры и геомагнитные измерения. Л.: ЛГУ, 1963. 462 с.

Яновский Б.М. Земной магнетизм. I. Морфология и теория магнитного поля Земли и его вариаций. Л.: ЛГУ, 1964. 446 с.

Яновский Б.М. Магнитное поле Земли. Л.: Знание, 1967. 48 с.

Barton C.E., Hutchinson R., Quilty P. et al. Quest for the magnetic poles: relocation of the South magnetic pole at sea,1986. Record Bureau of Mineral Recources, geology and geophysics. 1986. 20 p.

Bauer L.A. Beitrage zur Kenntnis des Wesens der Sakular-variation des Erdmagnetismus. Dissertation of Univer. Berlin. 1895. 195 р.

Bullard E.C. The removal of trend from magnetic surveys // Earth Planet Sci. Lett. 1967. V. 2. № 4. P. 293-300.

Courtillot V. et al. Su rune acceleration recente de la variation seculare du champ magnetique terrestre. C.R. Acad. Sci. Paris. Ser. D. 1978. V. 287. P. 1095-1098.

Dawson E., Newitt L.R. The magnetic poles of the Earth. J. Geomag. Geoelectr. 1982. V. 34. P. 225-240.

Madden T., Le Mouel J.L. The recent secular variation and the motion at the core surface. Phil. Trans. R. Soc. Lond. 1982. V. A 306. P. 271-280.

Yukutake T., Tachinaka H. The non-dipole part of the Earth’s magnetic field. Bull. Earthquake Res. Inst. 1968. N 46. P. 1027-1074.

204