Загальне землезнавство - Олійник Я.Б. - 4.3. Земний магнетизм

Навколо Землі існує поле тяжіння, зумовлене її масою. Це поле називається гравітаційним. Сила тяжіння притаманна як малим, так і великим тілам. Чим більша маса тіла, тим потужніше його гравітаційне поле. Біля поверхні Землі його середнє значення становить близько 9,8 м/с². З висотою напруженість поля зменшується. Теоретично гравітаційне поле Землі поширюється до безкінечності. Ближче до поверхні Землі сила тяжіння набуває дещо іншого характеру. Тут проявляються сили, які не тільки притягують, а і відштовхують тіла, що знаходяться на поверхні Землі. Відштовхуюча сила зумовлена обертанням Землі навколо своєї осі і називається відцентровою. Рівнодіюча двох сил — гравітаційної та відцентрової — називається силою тяжіння. Визначається сила тяжіння масою тіл. Маса, власне, і є сила, з якою тіла притягаються в напрямі до центра Землі. Сила тяжіння утримує тіла і предмети на поверхні Землі, а гравітаційне поле утримує на відстані супутник Землі Місяць.

Розподіл величини сили тяжіння на поверхні Землі залежить від географічної широти: зі збільшенням широти вона зростає. Зменшення сили тяжіння в напрямі до екватора пояснюється двома причинами: збільшенням у цьому напрямку відцентрової сили і збільшенням відстані від центра планети, а також особливостями її внутрішньої будови. Якби Земля була правильною нерухомою кулею, за складом однорідною від поверхні до центру, то її сила тяжіння скрізь була б однаковою і направленою до центру планети.

На полюсах, де відцентрова сила практично відсутня, а відстань до центру Землі найменша, сила тяжіння найбільша і становить 9,83 м/с². На екваторі відцентрова сила і відстань найбільші, тому сила тяжіння найменша — 9,78 м/с².

Вплив гравітаційного поля на розвиток планети та її географічну оболонку величезний. Сила тяжіння визначає справжню форму земної поверхні — геоїд, зумовлює рухи земної кори. ПІД її впливом відбувається переміщення пухких гірських порід, мас води, льоду, повітря. Гравітаційне поле Землі є однією з причин кругообігів у літосфері, атмосфері і гідросфері.

Саме ж гравітаційне поле зумовлене, як уже було зазначено, масою Землі. Підраховано, що повна маса Землі (F) становить 5,976 · 10²⁷ г. Безпосередньо цю масу виміряти неможливо, але розрахувати її порівняно просто за формулою гравітаційного тяжіння:

де k_e — гравітаційна стала, яка дорівнює 6,67 · 10⁸; m₁, m₂ — маси тіл, що притягаються, г; d — відстань між центрами тіл, см.

Об'єм сферичної Землі також легко приблизно підрахувати, оскільки з вимірювань дуг її кола відомий радіус. Знайдений таким чином об'єм нашої планети становить 1,083 · 10²⁷ см³.

Знаючи масу і об'єм Землі, можна знайти її середню густину. Вона становить 5,52 г/см³, тобто вдвічі більша за щільність граніту"

Встановлено, що земна кора має середню густину 2,7 г/см³. Таким чином, щоб середня густина Землі дорівнювала 5,52 г/см³, внутрішня частина Землі повинна бути щільніша, ніж зовнішня. Збільшення густини з глибиною можна пояснити відмінностями в хімічному складі і тією величезною силою, з якою зовнішні частини Землі тиснуть на внутрішні. Передбачається, що внутрішнє ядро має густину близько 13 г/см³.

4.3. Земний магнетизм

Земля — це величезний сферичний магніт. Хоча про наявність у планети магнетизму людям стало відомо давно, а вивченням його властивостей займаються вчені різних країн світу, в природі її магнітного поля багато ще залишається нез'ясованим. Відомо, що серед металів тільки залізо і нікель можуть бути постійними магнітами. Ці матеріали називаються феромагнітними. Але феромагнітні речовини перестають бути магнітом, якщо їх нагріти вище точки Кюрі (770 °С для заліза і 358 °С для нікелю). Оскільки температура в надрах Землі значно вища за ці величини, то земне ядро, яке складається головним чином із заліза і нікеля, не може бути феромагнітним через відсутність для цього відповідних умов.

З багатьох теорій, які були висунені для пояснення походження магнітного поля Землі, найбільш популярною нині є теорія динамо. Згідно з нею Земля є скоріше електромагнітом, ніж постійним магнітом: електричний струм, що якимось чином генерується внаслідок турбулентної конвекції в рідкому ядрі, утворює навколо себе поле однорідного намагнічування, або постійне поле. Нез'ясованим залишається питання про джерело енергії, яке викликає конвекцію в земному ядрі, де дуже мало або зовсім немає радіоактивних елементів. Допускають три варіанти: 1) на межі між внутрішнім і зовнішнім ядром відбувається поступова кристалізація заліза з виділенням тепла; 2) внаслідок опускання заліза з мантії вниз вивільняється гравітаційна енергія; 3) тепло виділяється при фазових змінах речовин, що відбуваються внаслідок гіпотетичного розширення Землі.

Магнітне поле Землі досягає висоти 80—90 тис. км від її поверхні. До висоти 44 тис. км магнітне поле постійне, його величина зменшується з віддаленням від земної поверхні поступово. На висоті від 44 до 90 тис. км магнітне поле змінне, залежно від знаку воно захоплює і утримує електрони або протони. Сфера навколоземного простору, в якому знаходяться заряджені частини, захоплені магнітним полем Землі, має назву магнітосфери.

Будова магнітосфери Землі, тобто навколишнього простору, фізичні властивості якого визначаються магнітним полем Землі та його взаємодією з потоком заряджених частинок сонячного вітру, в минулому уявлялася досить простою. Вважалося, що магнітосфера утворює симетричний диполь. Але вже перші прямі вимірювання магнітних полів, які були зроблені безпосередньо у космосі, не підтвердили цю гіпотезу. Виявилося, що магнітосфера Землі вкрай асиметрична: з боку Сонця магнітне поле сильно стиснуте, а з протилежного боку — навпаки, дуже витягнуте і утворює довгий, до 1 млн км, магнітосферний хвіст (рис. 5). Це є наслідком обтікання магнітосфери сонячним вітром. При цьому тут, в залежності від тиску сонячного вітру, границя магнітосфери з боку Сонця — магнітопауза — то наближається до Землі (при зростанні тиску), то віддаляється (при його послаблені). Плазма сонячного вітру обтікає магнітосферу Землі з надзвуковою швидкістю, внаслідок чого перед магнітосферою утворюється ударна хвиля, яка відокремлена від магнітопаузи перехідною областю.

Рис. 5. Схема магнітосфери

Силові лінії геомагнітного поля, що відходять назад під дією сонячного вітру, утворюють хвіст, або "шлейф" магнітосфери. Він розділений магнітно-нейтральним шаром на два сектори — північний і південний. Магнітні силові лінії секторів зв'язані з полярними областями Землі. В магнітно-нейтральному шарі концентрується щільна і гаряча плазма з температурою близько мільйона градусів, яка своїм тиском перешкоджає анігіляції силових ліній протилежних напрямів у секторах "шлейфу".

Всередині магнітосфери розташовані радіаційні пояси. Вони складаються із заряджених частинок протонів і електронів, захоплених магнітними полем Землі з потоку сонячного вітру. Радіаційні пояси утворюють в атмосфері шар іоносфери і вважаються областю захопленої радіації, вони є мовби магнітними пастками для заряджених частинок космосу.

Магнітне поле наочно проявляється при роботі з компасом: магнітна стрілка в будь-якій точці земної поверхні встановлюється в певному напрямі. Кут, який утворюють магнітний і географічний меридіани, називається магнітним схиленням. Воно обчислюється за північним кінцем стрілки компаса і може бути західним або східним (рис. 6).

Рис. 6. Магнітне схилення

Лінії, що з'єднують точки з однаковим схиленням, називаються ізогонами. Нульова ізогона — це лінія, яка з'єднує точки, в яких стрілка компаса спрямована одночасно на магнітний і географічний полюси. Вона ділить земну кулю на дві частини. Зараз лінія нульового схилення проходить через середні частини Північної та Південної Америки, а в Євразії робить дуже звивистий шлях зі Скандинавії через Центральну Європу до Єгипту, далі до Сомалі і через Гімалаї виходить в море Лаптєвих, звідки знову повертає на південь (див. рис. 7). З метою характеристики земного магнетизму визначають також магнітне нахилення, тобто кут, утворений магнітною стрілкою і горизонтальною площиною. Вільно підвішена магнітна стрілка зберігає горизонтальне положення тільки на лінії магнітного екватора, який не збігається з географічним. На північ і на південь від магнітного екватора стрілка нахиляється до земної поверхні, причому тим більше, чим вища широта. Лінії, що з'єднують точки з однаковим нахиленням, називаються ізоклінами. Оскільки магнітні полюси не збігаються з географічними, ізокліни також не збігаються з паралелями.

Рис. 7. Карта магнітного схилення

Магнітні полюси змінюють своє положення з року в рік. Зараз північний магнітний полюс знаходиться серед островів Канади і має координати 77° пн. ш. і 102е зх. д., а південний магнітний полюс розташовується в Антарктиді близько 65° пд. ш. і 139° сх. д. Вважається доведеним, що 300 млн років тому магнітні полюси знаходилися в сучасній екваторіальній області.

Магнітне поле біля поверхні Землі характеризується також величиною напруги земного магнетизму. Вона визначається кількістю коливань магнітної стрілки за одиницю часу, або періодом її коливання, подібно до того, як сила тяжіння визначається періодом коливання маятника. Напруга магнетизму на полюсах більша, ніж на екваторі. Місця найбільшої напруги магнітного поля називаються полюсами напруги.

Як показують результати вимірювань, на поверхні планети часто спостерігаються магнітні аномалії. Вони проявляються у відхиленні значень елементів земного магнетизму від їх середніх величин для даного місця. Розрізняють регіональні і локальні магнітні аномалії. Регіональні охоплюють великі площі, вони викликані глибинними процесами. Прикладом регіональної аномалії є Східносибірська аномалія, де має місце західне схилення замість східного. Локальні магнітні аномалії пов'язані з місцевими особливостями будови земної кори (наприклад, з покладами залізних руд), як, наприклад, в Курську, Кривому Розі.

Магнітне поле зазнає періодичних і неперіодичних коливань. Найбільш сильні періодичні магнітні коливання одержали назву магнітних бур. Вони зумовлені змінами електричних токів в атмосфері під впливом сонячного вітру.

Магнетизм має велике практичне значення. За допомогою магнітної стрілки визначають напрями сторін горизонту. На встановленні зв'язків магнітних елементів з геологічними структурами базуються магнітометричні методи пошуків корисних копалин. Дослідження палеомагнетизму Землі дозволяє відтворити історію розвитку земної кори. Магнітосфера захищає географічну оболонку Землі від прямого впливу сонячного вітру, від проникнення в нижні шари атмосфери електронів і протонів високих енергій, а отже, змінює вплив космосу на живу природу.