Дельфис

Земной магнетизм - одно из удивительных явлений природы. И хотя человечество начало использовать в качестве компаса «магнитный камень» задолго до начала нашей эры, до сих пор вскрываются всё новые и новые свойства магнитного поля нашей планеты.

На современном этапе официальная наука рассматривает магнитное поле Земли (МПЗ) как поле, образованное геоцентрическим диполем цилиндрической формы размером порядка 4000 км в длину и 200 км в диаметре с одним северным и одним южным полюсами, а также пятью- шестью радиальными диполями - материковыми магнитными аномалиями. Ось диполя наклонена к оси вращения Земли под углом 11,5°. В 1980 году магнитный полюс Северного полушария, то есть северный магнитный полюс (СМП), находился в точке с координатами 76,8° с. ш. и 102° з. д.; магнитный полюс Южного полушария, то есть южный магнитный полюс (ЮМП), - в точке 65° ю.ш. и 139°в. д. Полюса незначительно перемещаются. Среднее их положение за период около 10 тысяч лет близко к положению географических полюсов¹, а среднее положение магнитной оси диполя совпадает с положением оси вращения земного шара. Кроме того, периодически происходит переполюсовка диполя, так называемая инверсия магнитного поля, то есть за весьма короткий промежуток времени (тысячи лет) северный полюс становится южным, южный - северным.

^{Рис. 1. Карта изогон нормального МПЗ для эпохи 1975г. (по Яновскому, 1978). Цифры у изогон даны в градусах}

Задача данной работы - показать, что:

— в настоящее время существуют два северных магнитных полюса: северо-западный (СЗМП) и северо-восточный (СВМП);

— ЮМП - одноглав, но имеет не точечную, а многоточечную, вытянутую в запад-северо-западном направлении форму, длиною более тысячи км;

— такая форма полюсов обусловлена Y-образной формой электромагнитного (магнитного?) диполя, несколько изогнутого в средней своей части; естественно, материковые аномалии отсутствуют;

— магнитные полюса перемещаются по поверхности планеты весьма существенно;

— инверсия магнитного поля Земли не более, чем одна из гипотез, объясняющих обратное намагничивание пород.

Работая над проблемой магнитного поля Земли, автор использовал материалы, известные всем магнитологам: карты МПЗ разных эпох и различных составителей, результаты наблюдений мировой сети магнитных станций за элементами МПЗ, научно-техническую литературу. Кроме того, проводились простейшие опыты с магнитными компасами, магнитами и электромагнитами, железными опилками, швейными иголками и т.п. То есть данная работа - это результат лишь другого подхода к интерпретации магнитных и палеомагнитных наблюдений, известных широкому кругу специалистов. Так как работа ещё не завершена, то в некоторой своей части выводы носят предварительный характер.

Что же такое магнитные полюса Земли? Теоретически - это точки пересечения магнитной оси электромагнита (магнита), находящегося внутри планеты, с поверхностью земного шара. В этих точках сходятся магнитные меридианы. Здесь магнитное наклонение равно 90°, то есть магнитная стрелка (на горизонтальной оси) устанавливается перпендикулярно горизонтальной плоскости.

Так как магнитные полюса на современном этапе не совпадают с географическими, то магнитная стрелка компаса, указывающая направление магнитного меридиана, не совпадает с направлением географического меридиана. Это отклонение называется магнитным склонением.

Если северный конец стрелки отклоняется к западу, то склонение именуется западным; если к востоку, то - восточным.

Карта линий равных магнитных склонений (изогон) нормального магнитного поля Земли, принципиальная картина которой известна уже более ста лет, приведена на рис. 1. Из него видно, что в Южном полушарии поле представлено одной областью с западным склонением и одной областью с восточным. Все склонения в целом указывают на южный магнитный полюс. Поле же Северного полушария (например, по широте 60°) разделено на четыре примерно равные области: две области с западным магнитным склонением и две области - с восточным. Это означает, что магнитные меридианы от Гавайских островов до Парижа склоняются к общепринятому северному магнитному полюсу, находящемуся в Западном полушарии, в Канаде, а магнитные меридианы от Москвы до Токио склоняются к другому северному магнитному полюсу, находящемуся в Восточном полушарии.

Установить положение этих северных магнитных полюсов можно различными способами. Наиболее простой из них - по схождению (пересечению) магнитных меридианов. На рис. 2 показано положение северных виртуальных (кажущихся) полюсов в 1978-1980 годы, рассчитанное по принятым в палеомагнитологии формулам (см. ниже), на основе наблюдений мировой сети обсерваторий за магнитными склонениями и наклонениями. На рис. 2а представлены только виртуальные полюса; на рис. 2б - виртуальные полюса, пункты наблюдений и направления магнитных меридианов в них. Из рис. 2а видно, что среднее положение северного магнитного полюса действительно близко к положению Северного (географического) полюса. Однако рисунок 2б однозначно демонстрирует, что вышеотмеченные магнитные меридианы Западного полушария склоняются к району с центром: 72°с.ш. и 95° з.д. (северо-западный магнитный полос - СЗМП); в Восточном полушарии они склоняются к району с центром: 81° с. ш. и 110° в. д. (северо-восточный магнитный полюс - СВМП). Расстояние между полюсами (центрами) около трёх тысяч км. Все виртуальные полюса располагаются в пределах области, соединяющей указанные районы.

^{Рис. 2. Положение виртуальных полюсов в Северном полушарии в 1978—1980 гг.: а) положение только виртуальных полюсов (1); б) виртуальные полюса (1). пункты наблюдения (2), направления магнитных меридианов, районы нахождения северо-западного и северо-восточного магнитных полюсов, центры положительных максимумов напряжённости нормального МПЗ по вертикальной составляющей, общеизвестные как Северо-Американская (С-А) и Восточно-Азиатская (В—А) материковые аномалии}

Вывод таков: магнитные склонения и наклонения показывают, что в настоящее время имеются два северных магнитных полюса (северо-западный и северо-восточный) и один южный. Этот вывод хорошо согласуется с картами напряжённости нормального МПЗ как по полному вектору (Т), так и по его вертикальной (Z) и горизонтальной (Н) составляющим. На рис. 3 приведена карта изодинам (линий равных напряжённостей МПЗ) вертикальной составляющей, принципиальная картина которой также известна около сотни лет. Из этой карты видно, что нормальное МПЗ характеризуется двумя положительными магнитными максимумами в Северном полушарии (северный конец магнитной стрелки направлен вниз) и одним отрицательным магнитным максимумом (северный конец магнитной стрелки направлен вверх). Примечателен практически плавный переход от положительных значений напряжённости (т.е. от северных магнитных максимумов) к отрицательным (т.е. к южному магнитному максимуму) через нулевые значения. Лишь в районе Южной Атлантики отмечается небольшая неоднородность поля. Так называемый магнитный экватор (нулевая изодинама) разделяет земной шар на два практически равных полушария.

^{Рис. 3. Карта изодинам нормального МПЗ по вертикальной составляющей для эпохи 1975г. (по Яновскому, 1978). Цифры у изодинам в 103 гамм}

Данная характеристика нормального МПЗ в сочетании с вышеотмеченной двуглавостью СМП позволяет предполагать, что это поле создаётся всего лишь одним магнитным телом (а не несколькими) - диполем, но с раздвоенной его северной частью.

Можно определить положение этого диполя внутри земного шара и его размеры. Как у каждого магнита, магнитные массы у земного диполя также сконцентрированы на противоположных концах его магнитной оси. Нетрудно установить положение этих масс в недрах планеты. Магнитные максимумы вертикальной составляющей - это точки на поверхности Земли, самые близкие к магнитным массам, являются радиальными проекциями последних на указанную поверхность. Следовательно, они располагаются на радиусах земного шара, проходящих через эти массы.

Различные способы определения глубины залегания северных магнитных масс дают значения порядка 3800 км, южной - около 3600 км, то есть в пределах внешнего, предположительно жидкого, ядра.

Итак, двуглавость СМП обусловлена двуглавостью северного конца магнитного диполя Земли. Размер последнего порядка 5300 км. Схематическое изображение эквивалента электромагнитного (магнитного) диполя Земли приведено на рис. 4. Диполь - Y-образной формы. Северные магнитные оси его, проходящие через соответствующие магнитные полюса и магнитные массы, почти параллельны оси вращения Земли. Южная магнитная ось направлена под углом 25°к земной оси. Сам диполь смещён от неё в сторону Тихого океана на немногие сотни км в северной части и на тысячу с лишним км - в южной.

Таким образом, направление магнитного меридиана (направление стрелки магнитного компаса) в любом пункте наблюдений является результатом взаимодействия в основном трёх магнитных масс диполя - двух северных и одной южной. Непостоянство элементов МПЗ (прежде всего, склонений и наклонений) связано как с изменением положения этих масс, так и с изменением магнитного момента самого диполя.

^{Рис. 4. Схема основных элементов МПЗ: 1 — магнитные массы предполагаемого диполя; 2 — магнитные максимумы МПЗ по вертикальной составляющей (СЗММ - северо-западный, СВММ — северо-восточный, ЮММ - южный); 3 — магнитные полюса (СЗМП — северо-западный, СВМП — северо-восточный, ЮМП — южный); 4 — предполагаемые магнитные оси Земли; 5 — Северный и Южный (географические) полюса}

Подобное поведение хотя бы одного из параметров той или иной магнитной массы диполя сразу влечёт за собой изменение параметров магнитного поля всей планеты, внося основной вклад в его вековые вариации.

Определённую возможность судить о характере различных изменений в земном диполе даёт анализ траекторий движения виртуальных полюсов в сочетании с анализом изменений напряжённости МПЗ в пунктах наблюдений. Траектории движения в XX веке виртуальных северных магнитных полюсов отражает рис. 5, что рассчитано по данным мировой сети обсерваторий Северного полушария. Выделяются два типа траекторий, ещё раз подчёркивая двуглавость СМП: полукольцевой тип для пунктов наблюдения, находящихся на продолжениях линии, соединяющей СЗМП и СВМП (например - Тикси, Диксон, Челюскин, Сан-Хуан, Фредериксберг), и почти прямолинейный от СЗМП к СВМП для пунктов, находящихся по ту или другую сторону от этой линии (например — Готхавн, Хартленд, Воейково). Естественно, по своему положению и размерам, траектории отражают лишь кажущиеся перемещения северных магнитных полюсов, однако, по форме этих движений можно сказать следующее: в рассматриваемом периоде (около 80 лет) постоянно усиливалось влияние северо-восточной магнитной массы диполя или уменьшалось влияние северозападной магнитной массы; обе северные массы диполя испытывали, по-видимому, незначительное западное вращение.

Картина движения ЮМП имеет принципиально иной характер (рис. 6). Хотя виртуальные точки этого полюса и располагаются на одной линии (как и северные полюса), однако, траектории движения всех южных точек (полюсов), в отличие от СМП, направлены в одну сторону - на север. Это значит, что ЮМП имеет форму не точки, а как бы торца плоского магнита.

Наглядно демонстрируют движение полюсов, в настоящее время со скоростью до 10 км в год, рис. 5 и 6. Более детальные построения показывают, что это движение не равномерное, а с замедлением и ускорением в отдельные периоды.

^{Рис. 5. Траектории движения виртуальных северных магнитных полюсов в XX веке: 1 - траектория движения виртуального полюса и пункт наблюдения; 2 — направления магнитных меридианов из пунктов наблюдения и годы наблюдений; 3 — районы нахождения северо-западного и северо-восточного магнитных полюсов}

Изучением поведения магнитных полюсов в геологическом прошлом (сотни миллионов лет назад) занимается наука палеомагнитология. Эта наука основана на том, что горные породы, образовавшиеся из излившихся на поверхность Земли расплавленных масс «запоминают» существующие при их остывании элементы МПЗ (в основном, склонение и наклонение). Это связано с тем, что минералы магнетит и титаномагнетит, содержащиеся в таких породах, намагничиваются в соответствии с этим магнитным полем и поэтому являются своего рода магнитными стрелками палеокомпаса. То же самое и в осадочных породах: зёрна магнитных минералов осаждаются, ориентируясь по магнитному полю планеты.

По результатам измерений палеомагнитных склонений и наклонений в образцах горных пород палеомагнитологи определяют прежние положения магнитных полюсов. Большей частью это рассчитывается по формулам, основная из которых такова: ctgθ= tg φ = 0,5tg I; где I - палеомагнитное наклонение, φ - палеомагнитная широта точки отбора образца, θ - полярное расстояние (θ = 90° - φ ), 0,5 - коэффициент полярного расстояния. Магнитные полюса, рассчитанные по этим формулам, как раз и называются виртуальными полюсами.

^{Рис. 6. Траектории движения виртуальных точек южного магнитного полюса в XX веке: 1 — траектория движения виртуального полюса, 2 — период наблюдений. Остальные условные обозначения см. на рис.2}

Анализ палеомагнитных данных показывает, что полюса перемещались по поверхности земного шара, и за сотни миллионов лет они прошли пути от экватора до их современных положений. На рис.7 изображена весьма стандартная, публикуемая в различных работах, картина движения СМП. Именно исходя из существующего постулата одноглавости полюса и незыблемости его положения около географического полюса, и делается вывод о раздвижении материков Северной Америки и Евразии. Но, подходя к интерпретации данной картины с точки зрения двуглавости СМП и значительной скорости движения полюсов, в настоящее время вывод о раздвижении материков представляется явно некорректным.

К сожалению, неправомерными бывают не только выводы, но и сами палеомагнитные построения. Во-первых, все виртуальные палеополюса рассчитываются по формулам, в одной из которых (см. выше) присутствует коэффициент полярного расстояния, равный 0,5. Он во многом определяется глубиной залегания магнитных масс, и в настоящее время для различных пунктов наблюдений его величина колеблется, как минимум, от 0,45 до 0,94. Расхождения в определении положения виртуального полюса при применении различных значений данного коэффициента достигают тысячи и более километров! Кроме того, в геологической истории магнитные массы наверняка существенно перемещались по вертикали. То есть для каждого геологического времени и для каждого пункта наблюдения должен быть вычислен свой коэффициент полярного расстояния.

Во-вторых, нередко построения движения СМП основываются на данных анализов пород Австралии, южной части Африки и Южной Америки, а также считается, что СМП - антипод ЮМП относительно центра Земли. Конечно, это недопустимо. В Южном полушарии основной результирующей силой является южная магнитная масса. Но, как видно из рис. 4, она не антиподальна северным массам, да и имеет значительные размеры в торцевой части.

Что касается инверсии магнитного поля Земли, то, пока окончательно не изучена природа земного магнетизма, нельзя отрицать возможность инверсии. Но это не более, чем одна из гипотез, объясняющих обратную намагниченность пород. О возможности такой намагниченности пород говорит следующее. Любой диполь, имеющий хоть какую-нибудь длину, создаёт (индуцирует) параллельно себе внешнее поле, обратное внутреннему по направлению. Поэтому стальные стержни (проволока, гвозди, иглы) намагничиваются в поле постоянных магнитов в направлении, противоположном направлению этих магнитов. Обратно направлению «намагниченности» диполя Земли ориентируется и стрелка компаса. Если её закрепить и начать соосно опускать на него другой компас, то его стрелка, сориентированная, как и первая (север - юг), на определённой высоте резко перевернётся на 180°. Тоже самое происходит и в природе: магнетиты первой генерации (первого покрова) намагничиваются в МПЗ в одном направлении; минералы последующей генерации намагничиваются уже в поле магнетитов первой генерации, в обратном им направлении. Поэтому на Земле породы с противоположной намагниченностью составляют, по наблюдениям специалистов, около 59%.

^{Рис. 7. Траектории движения северного магнитного полюса, вычисленные по образцам горных пород Северной Америки и Евразии (по Почтарёву и др., 1986)}

И в заключение. Зарождение эффекта двуглавости магнитного полюса в Северном полушарии уходит в глубь времён, от одного до 250 млн. лет назад - во времена кайнозойской и мезозойской эр. Новый взгляд на магнитное поле Земли, раскрытый в данной статье, вызывает необходимость пересмотра практически всего материала, накопленного и наработанного магнитологами и палеомагнитологами за многие десятилетия. Этот пересмотр определит, вероятнее всего, и новые подходы к разгадке как природы земного магнетизма, так и внутреннего строения нашей планеты.

Послесловие от редакции

Магнитные поля Солнца, Земли и других планет считаются современной наукой вторичным явлением, хотя и грандиозным, вызывающим другие важнейшие следствия в окружающей космической среде; они являются свидетельством мощных тепловых, а потому конвективных движений внутри тел (особенно в звёздах, в их чрезвычайно податливой плазме).

Традиционные магнитные поля представляются дипольными (двухполюсными) - это с точки зрения очень далёкого наблюдателя, но вблизи поверхности тел магнитные поля испещрены множеством аномалий (например, Курская - на Земле), причём они могут смещаться по поверхности, аналогично тому, как это происходит на Солнце благодаря внутренним перемещениям плазмы.