Гравитационное поле и земной магнетизм

Вокруг Земли существуют разнообразные геофизические поля, наиболее существенное влияние на географическую оболочку оказывают гравитационное и магнитное.

Гравитационное поле на Земле – это поле силы тяжести. Сила тяжести – равнодействующая сила между силой притяжения и центробежной силой, возникающей при вращении Земли. Центробежная сила достигает максимума на экваторе, но и здесь она мала и составляет 1/288 от силы тяжести. На силу притяжения должно влиять космическое окружение планеты, распределение масс внутри Земли и на ее поверхности. По закону всемирного тяготения, силы взаимодействия зависят от массы тел и расстояний между ними. Влияние ближайших космических тел – Солнца и Луны – мало из-за огромных расстояний. Следовательно, сила тяжести на Земле в основном зависит от силы притяжения, на которую оказывает влияние распределение масс внутри Земли и на поверхности. Сила тяжести действует повсеместно на Земле и направлена по отвесу к поверхности геоида. Напряженность гравитационного поля равномерно уменьшается от полюсов к экватору (на экваторе больше центробежная сила), от поверхности вверх (на высоте 36 000 км равна нулю) и от поверхности вниз (в центре Земли сила тяжести равна нулю). Нормальным гравитационным полем Земли называется такое, которое было бы у Земли, если бы она имела форму эллипсоида с равномерным распределением масс. Напряженность реального поля в конкретной точке отличается от нормального, возникает аномалия гравитационного поля. Аномалии могут быть положительными и отрицательными: горные хребты создают дополнительную массу и должны бы вызывать положительные аномалии, океанические впадины, наоборот – отрицательные. На самом деле земная кора находится в изостатическом равновесии.

Изостазия (от греч. isostasios – равный по весу) – уравновешивание твердой, относительно легкой земной коры более тяжелой верхней мантией. Теория равновесия была выдвинута в 1855 г. английским ученым Г.Б. Эйри. Благодаря изостазии избытку масс выше теоретического уровня равновесия соответствует недостатокихвнизу.Это выражается в том, что на определенной глубине (100–150 км) в слое астеносферы вещество перетекает в те места, где имеется недостаток масс на поверхности. Только под молодыми горами, где еще полностью компенсация не произошла, наблюдаются слабые положительные аномалии. Однако равновесие непрерывно нарушается: в океанах происходит отложение наносов, под их тяжестью дно океана прогибается. С другой стороны, горы разрушаются, высота их уменьшается, значит уменьшается и масса.

Сила тяжести создает фигуру Земли, она является одной из ведущих эндогенных сил. Благодаря ей выпадают атмосферные осадки, текут реки, формируются горизонты подземных вод, наблюдаются склоновые процессы. Силой тяжести объясняется максимальная высота гор; считается, что на нашей Земле не может быть гор выше 9 км. Сила тяжести такова, что она удерживает газовую и водную оболочки планеты. Атмосферу планеты покидают только самые легкие молекулы – водорода и гелия. Давление масс вещества, реализующееся в процессе гравитационной дифференциации в нижней мантии, наряду с радиоактивным распадом порождает тепловую энергию – источник внутренних (эндогенных) процессов, перестраивающих литосферу. Шаровая фигура гравитационного поля определяет два основных вида форм рельефа на земной поверхности – конические и равнинные (Л.П. Шубаев). Оно отпечатывается на всех телах, которые образуются на Земле. Если тело растет вниз или вверх, то оно приобретает форму, близкую к конической: горные вершины, дюны, карстовые воронки. Если тело растет горизонтально, то сила тяжести делает его листообразным – дельты, аккумулятивные равнины. Сила тяжести определяет силу поверхностного натяжения, с которой связано поднятие воды вверх и питание корней растений. У живых организмов существует геотропическая реакция – стремление ориентироваться в поле силы тяжести.

Магнитное поле. Земной магнетизм – свойство Земли, обусловливающее существование вокруг нее магнитного поля, вызываемого процессами, происходящими на границе ядро – мантия. Впервые о том, что Земля – магнит, человечество узнало благодаря работам У. Гильберта. В трактате «О магните, магнитных телах и большом магните – Земле» (1600) Гильберт последовательно рассмотрел магнитные явления.

Магнитосфера – область околоземного пространства, заполненная заряженными частицами, движущимися в магнитном поле Земли. Она отделена от межпланетного пространства магнитопаузой. Это внешняя граница магнитосферы. Влияние магнитного поля проявляется в том, что магнитная стрелка компаса устанавливается в направлении магнитных силовых линий. Северный конец стрелки магнитного компаса всегда показывает на магнитный полюс Северного полушария. Плоскость большого круга, в котором устанавливается стрелка компаса, называется магнитным меридианом. Магнитные меридианы не образуют правильной сетки, но сходятся в двух точках – магнитных полюсах Земли.

Магнитный полюс – область на поверхности Земли, где сходятся магнитные силовые линии. Магнитные полюсы не совпадают с географическими и медленно движутся со скоростью 7 – 8 км/год. В 1995 г. магнитный полюс Северного полушария находился в точке с координатами 77°30' с.ш. и 102°30' з.д. (в одном из проливов Канадского арктического архипелага), в 2185 г. его положение совпадет с географическим полюсом. Магнитный полюс Южного полушария имеет координаты 65° ю.ш. и 139° в.д. и находится побережья Земли Виктории в Антарктиде, он медленно движется с сторону Австралии. Магнитные полюсы находятся не в диаметрально противоположных точках земного шара. Магнитная ось не проходит через центр Земли, она смещена на 427 км от геометрического центра в сторону Марианской впадины. Ось магнитного поля наклонена под углом 11,5° по отношению к оси вращения Земли.

Магнитное поле характеризуется тремя величинами: магнитным склонением, магнитным наклонением и напряженностью. Магнитное склонение – угол между географическим меридианом и направлением магнитной стрелки. Склонение бывает восточным (+), если северный конец стрелки компаса отклоняется к востоку от географического, и западным (–), когда стрелка отклоняется к западу. Линии одинакового склонения называются изогонами, их значение изменяется от 0 до 180°. Нулевая изогона – агоническая линия – разделяет западное и восточное склонения, стрелка компаса на ней северным концом показывает на Северный географический полюс.

Магнитное наклонение – угол между горизонтальной плоскостью и направлением магнитной стрелки, подвешенной на горизонтальной оси. Наклонение положительное, когда северный конец стрелки смотрит вниз, и отрицательное, если северный конец направлен вверх. Магнитное наклонение изменяется от 0 до 90°. На магнитном полюсе Северного полушария северный конец стрелки компаса направлен перпендикулярно вниз, на магнитном полюсе Южного полушария – перпендикулярно вверх. Линии равных наклонений называются изоклинами. Нулевая изоклина – магнитный экватор – проходит вблизи географического экватора. Сила магнитного поля характеризуется напряженностью.

Напряженность магнитного поля небольшая, составляет на экваторе 20–28 А/м (0,25–0,35 эрстед), на полюсе - 48 – 56 А/м (0,6 – 0,7 эрстед). В основе образования магнитного поля лежат внутренние и внешние причины. Постоянное магнитное поле образуется благодаря электрическим токам, возникающим во внешнем ядре планеты. Солнечные корпускулярные потоки образуют переменное магнитное поле Земли. Наглядное представление о состоянии магнитного поля Земли дают магнитные карты. Магнитные карты составляются на пятилетний срок – магнитную эпоху. Нормальное магнитное поле было бы у Земли, будь она однород но намагниченным шаром. Места пересечения магнитной оси однородного намагниченного шара с земной поверхностью называются геомагнитными полюсами. Геомагнитные полюсы расположены симметрично относительно центра Земли, так как магнитная ось «нормального магнитного поля» проходит через центр Земли. Отклонения реального магнитного поля от нормального (теоретически рассчитанного) называются магнитными аномалиями. Они могут быть мировыми (Восточно-Сибирский овал), региональными (Курская магнитная аномалия) и локальными, связанными с близким залеганием к поверхности магнитных пород.

Магнитосфера имеет каплевидную форму (рисунок 2). На стороне, обращенной к Солнцу, ее радиус равен 10 радиусам Земли, на ночной стороне под влиянием «солнечного ветра» увеличивается до 100 радиусов. Форма обусловлена воздействием солнечного ветра, который, наталкиваясь на магнитосферу Земли, обтекает ее. Заряженные частицы, достигая магнитосферы, начинают двигаться по магнитным силовым линиям и образуют радиационные пояса. Внутренний радиационный пояс состоит из протонов, имеет максимальную концентрацию на высоте 3500 км над экватором. Внешний пояс образован электронами, простирается до 10 радиусов. У магнитных полюсов высота радиационных поясов уменьшается, здесь возникают области, в которых заряженные частицы вторгаются в атмосферу, ионизируя газы атмосферы и вызывая полярные сияния.

Рисунок 2 – Магнитосфера Земли

При изучении магнитного поля Земли, существовавшего в прошлые эпохи, пользуются палеомагнитными и археомагнитными методами. Палеомагнитные методы основываются на изучении магнитного поля по намагниченности древних пород. Археомагнитные методы исследования позволяют изучать намагниченность предметов, созданных людьми: кирпича, глиняных сосудов. Палеомагнитные и археомагнитные методы исследования позволили установить ряд интересных закономерностей. Наблюдаются вековые вариации элементов магнитного поля Земли: период колебания склонения составляет 1000 лет, напряженности – 10000 лет. Удалось установить, что величина магнитного поля всегда была примерно такой же, как сейчас, она колеблется около среднего уровня. Однако положение магнитных полюсов менялось: магнитный полюс Северного полушария много миллионов лет назад располагался на экваторе, затем он перемещался вдоль берегов Восточной Азии через Камчатку и достиг современного положения. Причина несоответствия современного магнитного поля и древнего объясняется движением литосферных плит.

Палеомагнитный метод подтвердил мнение ученых о неоднократном изменении полярности магнитного поля. Обращения (изменения полярности) магнитного поля происходили многократно в течение геологической истории. Полярность не меняется внезапно; напряженность магнитного поля постепенно уменьшается до нуля, затем медленно увеличивается в обратном направлении. Породы сохраняют в себе «ископаемое» магнитное поле, которое существовало в момент их образования. Радиологическое исследование образцов горных пород позволило построить шкалу изменения магнитного поля Земли. Продолжительность периодов, в течение которых сохранялась одна полярность, в палеозое составляла 5–10 млн лет, в последние несколько миллионов – 0,7 – 1,2 млн лет.

Географическое значение магнитосферы очень велико: она защищает Землю от корпускулярного солнечного и космического излучения. С магнитными аномалиями связан поиск полезных ископаемых. Магнитные силовые линии помогают ориентироваться в пространстве туристам, кораблям. Живые организмы обладают магнитотропизмом, они способны ориентироваться в магнитном поле Земли. Контрольные