Вопрос 46. Природа геомагнитного поля. Источники энергии геомагнитного поля. Мп в морской и океанической воде.

Для объяснения природы геомагнитного поля выдвинут ряд гипотез. Широкой популярностью пользовалась гипотеза, утверждавшая, что геомагнитное поле возникает за счет движения электрических зарядов, участвующих во вращении Земли и т.о. создающих электрический ток. Были и др. гипотезы.

В настоящее время наибольшее распространение получила гипотеза гидромагнитного динамо, связанная с возбуждением токов в жидкой оболочке ядра – слое Е.

В основе гидродинамической гипотезы лежит идея, высказанная в 1947 г ленинградским физиком Я.И.Френкелем и позднее развитая английскими и американскими физиками, о том что геомагнитное поле образуется и поддерживается за счет так называемого динамо-механизма, т.е. создание магнитного поля в ядре Земли происходит подобно тому, как образуется магнитное поле в динамо-машине с самовозбуждением.

Как известно, в общих чертах принцип работы динамо-машин, используемых в промышленности, заключается в следующем. При вращении катушки проводов во внешнем магнитном поле в ней возникает электрический ток за счет электромагнитной индукции. Этот ток создает магнитное поле, которое может усилить внешнее магнитное поле, а это в свою очередь усилит ток в катушке, и т.д.

По гидродинамической гипотезе основной причиной возникновения геомагнитного поля является образование электрических токов в ядре Земли. Генерация таких токов осуществляется в магнитных полях, которые создаются самими же возбужденными токами. Конечно, ядро Земли совсем не похоже на реальную динамо-машину. Но, в принципе, если в жидком проводящем ядре возникает тепловая или гравитационная конвекция, то возникает и система гидродинамических течений, т.е. течений проводящей жидкости, подобно тому, как движется катушка проводов в динамо-машине. Электрические токи (гидродинамические течения) появляются тогда, когда в ядре происходит неоднородное вращение расплавленных масс или вращение отдельных объемов вещества. Такое дифференциальное вращение вещества во внешнем жидком ядре и в то же время вращение этой части ядра относительно мантии Земли является главной причиной создания геомагнитного поля.

На самом деле, внешнее ядро Земли находится в конвективном состоянии. Это означает, что более горячие, т.е. и более легкие, частицы нижних слоев жидкой массы ядра всплывают вверх по радиусу; более холодные, а значит и более тяжелые, частицы верхних слоев погружаются вниз. Жидкое ядро Земли вращается не как единое целое вокруг земной оси, а дифференцированно: разные слои вращаются с несколько различными скоростями. В результате создается некоторая система течений проводящей жидкости. В этих условиях при наличии в ядре первоначального магнитного поля («затравочное» земное магнитное поле) и при пересечении проводящей жидкостью силовых линий этого поля в ней возникает электрический ток. Он, этот ток, создает магнитное поле, которое может усилить внешнее «затравочное» поле, а последнее усилит ток и т.д. – подобно динамо-машине. После возникновения стационарного магнитного поля и различных взаимно уравновешивающих динамических процессов процесс «возникновение электрического тока – создание магнитного поля – усиление электрического тока» может прекратиться. Тогда встает вопрос об основном источнике энергии, питающем гидромагнитное динамо. Однозначного ответа на этот вопрос нет.

Для поддержания наблюдаемого геомагнитного поля необходимо, чтобы мощность электрического тока, преобразуемая в джоулево тепло, была порядка 10⁴ – 10⁵ МВт. Получение ее за счет различных физико-химических процессов объясняется тремя гипотезами, в основу которых положено явление конвекции, приводящее к возникновению электрических токов и магнитного поля.

По одной из них источником тепла считается конвекция, обусловленная выкристаллизацией железа из мантии в ядро или выделением образующегося в процессах кристаллизации жидкого ядра. Расчеты показывают, что мощности это источника тепла вполне достаточно для функционирования земного динамо. В качестве других источников тепла в ядре может служить калий-40.

Советский геофизик С.И.Брагинский полагает, что при кристаллизации ядра доминирующую роль должны играть не химические реакции с выделением тепла, а гравитационная дифференциация, ведущая к опусканию железа и всплытию кремния. При этом выделяется энергия значительно большая, чем при физико-химических реакциях.

Австралийские геофизики В.В.Малкус, Ф.Д.Стейси и др. считают, что главным процессом конвекции является прецессия оси вращения Земли, возникающая под действием гравитационных полей Луны и Солнца. В настоящее время ось вращения Земли направлена к небесной сфере в точку положения Полярной звезды. Через 12 тыс. лет земная ось будет направлена в точку положения звезды Вега в созвездии Лиры. Полный угол прецессии оси Земли составляет 47⁰. За счет приливного трения, вызванного Луной и Солнцем, генерируется 1,510⁶ МВт, за счет вращения оси Земли – 10⁶ МВт. Видно, что и этой энергии вполне достаточно для создания геомагнитного поля.

Полагают, что в оболочке ядра имеется порядка четырех конвективных ячеек. В низких широтах вещество опускается, а высоких – поднимается. Таким образом, происходит замыкание ячеек.

Рис.28. Схема конвекции в жидком слое ядра, генерирующей токи и магнитное поле.

Магнитные поля возникают в морской и океанической воде, которая, как известно, является электролитом и все время находится в движении. Поскольку ее движение происходит в магнитном поле Земли, то это ведет к образованию разности потенциалов и электрических токов благодаря явлению индукции электродвижущей силы. Токи, возникающие при движении водных масс, в свою очередь, создают вторичные магнитные поля различной интенсивности и стационарности. Они появляются не только под действием ламинарных течений, но и при образовании вихрей (рингов), а также при волнении водной поверхности (периоды Т около 8 – 10 с) и приливах (длиннопериодные колебания с Т около 12 часов).

Для характеристики магнитного поля, индуцируемого волнением в различных акваториях Мирового океана, строят специальные карты. Имея высокоточные карты магнитных полей, составленные с учетом геологического строения дна, а также вариаций поля, обусловленных ионосферными явлениями, данные высокоточной морской магнитной съемки можно использовать для изучения динамики морских вод и, в частности, вихревых образований. Для изучения этих природных явлений широко используется аэромагнитная съемка.