Земний магнетизм, геомагнетизм, магнітне поле Землі і навколоземного космічного простору; розділ геофізики, що вивчає розподіл в просторі і зміни в часі геомагнітного поля, а також пов'язані з ним геофизичні процеси в Землі і верхній атмосфері.
В кожній точці простору геомагнітне поле характеризується вектором напруженості Т, величина і напрям якого визначаються 3 складовими X, Y, Z (північною, східною і вертикальною) в прямокутній системі координат ( мал. 1 ) або 3 елементами З. м.: горизонтальної складової напруженості Н, відміною магнітним D (кут між Н і плоскістю географічного меридіана) і нахилом магнітним I (кут між Т і плоскістю горизонту).
З. м. обумовлений дією постійних джерел, розташованих усередині Землі і що випробовують лише повільні вікові зміни (варіації), і зовнішніх (змінних) джерел, розташованих в магнітосфері Землі і іоносфері . Відповідно розрізняють основне (головне ~99%) і змінне (~1%) геомагнітні поля.
Основне (постійне) геомагнітне поле . Для вивчення просторового розподілу основного геомагнітного поля виміряні в різних місцях значення Н, D, I наносять на карти (магнітні карти ) і сполучають лініями точки рівних значень елементів. Такі лінії називають відповідно ізодинамами, ізогонами, ізоклинами . Лінія (ізоклина) I = 0, тобто магнітний екватор, не збігається з географічним екватором. Із збільшенням широти значення I зростає до 90° в магнітних полюсах . Повна напруженість Т ( мал. 2 ) від екватора до полюса зростає з 33,4 до 55,7 а/м (від 0,42 до 0,70 е). Координати північного магнітного полюса на 1970: довгота 101,5° з. д.(західна довгота), широта 75,7° с. ш.(північна широта); південного магнітного полюса: довгота 140,3° ст д.(східна довгота), широта 65,5° ю. ш.(південна широта) Складну картину розподілу геомагнітного поля в першому наближенні можна представити полем диполя (ексцентричного, із зсувом від центру Землі приблизно на 436 км. ) або однорідної намагніченої кулі, магнітний момент якої направлений під кутом 11,5° до осі обертання Землі. Полюси геомагнітні (полюси однорідно намагніченої кулі) і полюси магнітні задають відповідно систему геомагнітних координат (широта геомагнітна, меридіан геомагнітний, екватор геомагнітний) і магнітних координат (широта магнітна, меридіан магнітний). Відхилення дійсного розподілу геомагнітного поля від дипольного (нормального) називають магнітними аномаліями . Залежно від інтенсивності і величини займаної площі розрізняють світові аномалії глибинного походження, наприклад Східно-сибірську, Бразільську і ін., а також аномалії регіональні і локальні. Останні можуть бути викликані, наприклад, нерівномірним розподілом в земній корі феромагнітних мінералів. Вплив світових аномалій позначається до висот ~ 0,5 R 3 над поверхнею Землі ( R 3 — радіус Землі). Основне геомагнітне поле має дипольний характер до висот ~3 R 3 .
Воно випробовує вікові варіації, неоднакові на всій земній кулі. У місцях найбільш інтенсивного вікового ходу варіації досягають 150g в рік (1g = 10 -5 е). Спостерігається також систематичний дрейф магнітних аномалій до заходу з швидкістю біля 0,2°в рік і зміна величини і напряму магнітного моменту Землі з швидкістю ~20g у рік. Із-за вікових варіацій і недостатньої вивченої геомагнітного поля на великих просторах (океанах і полярних областях) виникає необхідність заново складати магнітні карти. З цією метою проводяться світові магнітні зйомки на суші, в океанах (на немагнітних судах), в повітряному просторі (аеромагнітна зйомка ) і в космічному просторі (за допомогою штучних супутників Землі). Для вимірів застосовують: компас магнітний, теодоліт магнітний, магнітні ваги, інклінатор, магнітометр, аеромагнітометр і ін. прилади. Вивчення З. м. і складання карт всіх його елементів грає важливу роль для морської і повітряної навігації, в геодезії, маркшейдерській справі.
Вивчення геомагнітного поля минулих епох виробляється по залишковій намагніченості гірських порід (див. Палеомагнетизм ), а для історичного періоду — по намагніченості виробів з обпаленої глини (цегла, керамічний посуд і т.д.). Палеомагнітні дослідження показують, що напрям основного магнітного поля Землі у минулому багато разів змінювався на протилежний. Останнє така зміна мала місце близько 0,7 млн. років назад.
А. Д. Шевнін.
Походження основного геомагнітного поля. Для пояснення походження основного геомагнітного поля висувалися багато різних гіпотез, у тому числі навіть гіпотези про існування фундаментального закону природи, згідно з яким всяке тіло, що обертається, володіє магнітним моментом. Робилися спроби пояснити основне геомагнітне поле присутністю феромагнітних матеріалів в корі Землі або в її ядрі; рухом електричних зарядів, які, беручи участь в добовому обертанні Землі, створюють електричний струм; наявністю в ядрі Землі струмів, що викликаються термоелектрорушійною силою на кордоні ядра і мантії і т.д., і, нарешті, дією так званого гідромагнітного динамо в рідкому металевому ядрі Землі. Сучасні дані про вікові варіації і багатократні зміни полярності геомагнітного поля задовільно пояснюються лише гіпотезою про гідромагнітне динамо (ГД). Згідно з цією гіпотезою, в електропровідному рідкому ядрі Землі можуть відбуватися досить складні і інтенсивні рухи, що приводять до самозбудження магнітного поля, аналогічно тому, як відбувається генерація струму і магнітного поля в динамо-машині з самозбудженням. Дія ГД засновано на електромагнітній індукції в рухомому середовищі, яке в своєму русі пересікає силові лінії магнітного поля.
Дослідження ГД спираються на магнітну гідродинаміку . Якщо вважати швидкість руху речовини в рідкому ядрі Землі заданою, то можна довести принципову можливість генерації магнітного поля при рухах різного вигляду, як стаціонарних, так і нестаціонарних, регулярних і турбулентних. Усереднене магнітне поле в ядрі можна представити у вигляді суми два складових — тороїдального поля В j і полях Вр, силові лінії якого лежать в меридіональній плоскості ( мал. 3 ). Силові лінії тороїдального магнітного поля В j замикаються усередині земного ядра і не виходять назовні. Згідно найбільш поширеній схемі земного ГД, поле B j в сотні разів сильніше, ніж проникаюче з ядра назовні поле В р , що має переважно дипольний вигляд. Неоднорідне обертання електропровідної рідини в ядрі Землі деформує силові лінії поля В р і утворює з них силові лінії поля В ( . У свою чергу, поле В р генерується завдяки індукційній взаємодії рухомою складним чином провідної рідини з полем В j. Для забезпечення генерації поля В р з В j руху рідини не мають бути осесиметричними. У останньому, як показує кінетична теорія ГД, рухи можуть бути вельми всілякими. Рухи провідної рідини створюють в процесі генерації, окрім поля В р , також ін. поля, що повільно змінюються, які, проникаючи з ядра назовні, викликають вікові варіації основного геомагнітного поля.
Загальна теорія ГД, що досліджує і генерацію поля, і «двигун» земного ГД, тобто походження рухів, знаходиться ще в початковій стадії розвитку, і в ній ще багато що гіпотетичне. Як причини, що викликають рухи, висуваються архимедови сили, обумовлені невеликими неоднородностямі щільності в ядрі, і сили інерції .
Перші можуть бути пов'язані або з виділенням тепла в ядрі і тепловим розширенням рідини (термічна конвекція ), або з неоднорідністю складу ядра унаслідок виділення домішок на його кордонах. Другі можуть викликатися прискоренням, обумовленим прецессией земної осі. Близькість геомагнітного поля до поля диполя з віссю, майже паралельній осі обертання Землі, вказує на тісний зв'язок між обертанням Землі і походженням З. м. Обертання створює Коріоліса силу, яка може грати істотну роль в механізмі ГД Землі. Залежність величини геомагнітного поля від інтенсивності руху речовини в земному ядрі складна і вивчена ще недостатньо. Згідно з палеомагнітними дослідженнями, величина геомагнітного поля випробовує коливання, але в середньому, по порядку величини, вона зберігається незмінною протягом довгого часу — порядка сотні млн. років.
Функціонування ГД Землі пов'язано з багатьма процесами в ядрі і в мантії Землі, тому вивчення основного геомагнітного поля і земного ГД є істотною частиною всього комплексу геофизичних досліджень внутрішньої будови і розвитку Землі.
С. І. Брагинський.
Змінне геомагнітне поле. Виміри, виконані на супутниках і ракетах, показали, що взаємодія плазми сонячного вітру з геомагнітним полем веде до порушення дипольної структури поля з відстані ~3 Rз від центру Землі. Сонячний вітер локалізує геомагнітне поле в обмеженому об'ємі навколоземного простору — магнітосфері Землі, при цьому на кордоні магнітосфери динамічний тиск сонячного вітру врівноважується тиском магнітного поля Землі. Сонячний вітер стискує земне магнітне поле з денного боку і відносить геомагнітні силові лінії полярних областей на нічну сторону, утворюючи поблизу плоскості екліптики магнітний хвіст Землі протяжністю не менше 5 млн. км. (див. мал. в статтях Земля і Магнітосфера Землі ). Приблизно дипольна область поля із замкнутими силовими лініями (внутрішня магнітосфера) є магнітною пасткою заряджених часток навколоземної плазми (див. Радіаційні пояси Землі ).
Обтікання магнітосфери плазмою сонячного вітру із змінною щільністю і швидкістю заряджених часток, а також прорив часток в магнітосферу приводять до зміни інтенсивності систем електричних струмів в магнітосфері і іоносфері Землі. Струмові системи у свою чергу викликають в навколоземному космічному просторі і на поверхні Землі вагання геомагнітного поля в широкому діапазоні частот (від 10 -5 до 10 2 гц ) і амплітуд (від 10 -3 до 10 -7 е ). Фотографічна реєстрація безперервних змін геомагнітного поля здійснюється в магнітних обсерваторіях за допомогою магнітографів . В спокійний час в низьких і середніх широтах спостерігаються періодичні сонячні добові і місячні добові варіації магнітні с амплітудами 30—70g і 1—5g відповідно. Інші спостережувані неправильні коливання поля різної форми і амплітуди називають магнітними обуреннями, серед яких виділяють декілька типів магнітних варіацій.
Магнітні обурення, що охоплюють всю Землю і що продовжуються від одного ( мал. 4 ) до декількох днів називаються світовими магнітними бурями, під час яких амплітуда окремих складових може перевершити 1000g. Магнітна буря — один з проявів сильних обурень магнітосфери, параметрів сонячного вітру, що виникають при зміні, особливо швидкості його часток і нормальної складової міжпланетного магнітного поля відносно плоскості екліптики. Сильні обурення магнітосфери супроводяться появою у верхній атмосфері Землі полярних сяянь, іоносферних обурень, рентгенівського і низькочастотного випромінювань.
Практичні вживання явищ З. м. Під дією геомагнітного поля магнітна стрілка розташовується в плоскості магнітного меридіана. Це явище з прадавніх часів використовується для орієнтування на місцевості, прокладення курсу судів у відкритому морі, в геодезичній і маркшейдерській практиці, в військовій справі і т.д. (див. Компас, Бусоль ).
Дослідження локальних магнітних аномалій дозволяє виявити корисні копалини, в першу чергу залізняк (див. Магнітна розвідка ) , а в комплексі з ін. геофизичними методами розвідки — визначити місце їх залягання і запаси. Широкого поширення набув магнітотеллурічеський спосіб зондування надр Землі, в якому по полю магнітної бурі обчислюють електропровідність внутрішніх шарів Землі і оцінюють ті, що потім існують там тиск і температуру.
Одним з джерел відомостей про верхні шари атмосфери служать геомагнітні варіації. Магнітні обурення, зв'язані, наприклад, з магнітною бурею, настають на декілька годин раніше, ніж під її дією відбуваються зміни в іоносфері, що порушують радіозв'язок. Це дозволяє робити магнітні прогнози, необхідні для забезпечення безперебійного радіозв'язку (прогнози «радіопогоди»). Геомагнітні дані служать також для прогнозу радіаційної обстановки в навколоземному просторі при космічних польотах.
Постійність геомагнітного поля до висот в декілька радіусів Землі використовується для орієнтації і маневру космічних апаратів.
Геомагнітне поле впливає на живі організми, рослинний світ і людину. Наприклад, в періоди магнітних бурь збільшується кількість серцево-судинних захворювань, погіршується стан хворих, страждаючих гіпертонією, і т.д. Вивчення характеру електромагнітної дії на живі організми є одним з нових і перспективних напрямів біології.
А. Д. Шевнін.
Літ.: Яновський Би. М., Земний магнетизм, т. 1—2, Л., 1963—64; його ж, Розвиток робіт по геомагнетизму в СРСР за роки Радянської влади. «Ізв. АН(Академія наук) СРСР, Фізика Землі», 1967 № 11, с. 54; Довідник по змінному магнітному полю СРСР, Л., 1954; Навколоземний космічний простір. Довідкові дані, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1966; Сьогодення і минуле магнітного поля Землі, М., 1965; Брагинський С. І., Про основи теорії гідромагнітного динамо Землі, «Геомагнетизм і аерономія»,1967, т.7 № 3, с. 401; Сонячно-земна фізика, М., 1968.
