Геомагнитное поле земли

Введение

Магнитные свойства обнаруживаются во всем окружающем нас мире: от элементарных частиц до безграничных космических пространств. Интерес к вопросу о влиянии магнитного поля возник в относительно давние времена. Еще в древности в Китае знали об особых свойствах железной руды, которая содержит атомы железа различной степени окисления, названная впоследствии магнетитом. В Китае во II веке до н. э. и был изобретен первый компас, с которым в Европе познакомились в ХII веке. Описание биполярного характера магнита и магнитных силовых линий впервые встречаются в 1269 году в трактате Петра Перегрина «Послание о магните». Однако принцип действия компаса был понят после исследований, выполненных в 1600 году английским медиком и физиком У. Гильбертом, который в своей книге «О магните, магнитных телах и большом магните Земля» первым высказал идею о намагниченности Земли. Резкое увеличение научных исследований и публикаций по магнитобиологии отмечается с 1960-х годов. Открытие таких направлений науки как гелиобиология и космическая биология с полным основанием связывают с именами А.Л. Чижевского и В.И. Вернадского. Все источники электромагнитного поля (ЭМП) можно разделить на естественные и техногенные. К естественным относят геомагнитное поле Земли (ГМП). Меньшее значение в формировании естественного электромагнитного фона Земли имеют грозовая активность (атмосферные разряды), электромагнитные излучения всего радиочастотного диапазона, инфракрасное и ультрафиолетовое излучения, видимый свет, ионизирующее излучение. Естественные ЭМП представляют собой спектр электромагнитных «шумов», в условиях которых существует все живое на Земле. Особое внимание при изучении влияния естественных ЭМП на живую природу уделяется ГМП - одному из важнейших экологических факторов окружающей среды.

Геомагнитное поле земли

Магнитное поле Земли - диполь, ось которого составляет с осью вращения Земли угол 11°, не проходит через геометрический центр вращения Земли, а сдвинута на 342 км в сторону, противоположную оконечности Бразилии. Полярность ГМП противоположна географической. Северный магнитный полюс расположен на юге, в Антарктиде, а Южный - на севере, в Канаде. Так, г. Москва, расположенная на 560 северной географической широте, имеет южную магнитную широту 510. Наклон и смещение оси диполя по отношению к оси вращения, а также величина магнитного момента определяют лишь общую картину магнитного поля Земли. На малых расстояниях от Земли поле несколько искажается под влиянием магнитных аномалий: Бразильской, Южноатлантической, Северной и др. На расстоянии более 6-7 радиусов Земли оно существенно искажено солнечным ветром (магнитным полем, вмороженным в плазму солнечного ветра). На расстоянии менее 6-7 радиусов Земли магнитное поле можно считать почти дипольным, сферически симметричным и не зависящим от долготы.

Установлено, что напряженность поля различна на разных географических широтах и постоянно меняется во времени. На северном геомагнитном полюсе напряженность составляет 0,6 эрстед (Э), на южном - 0,7 Э, на магнитном экваторе - 0,35 Э. В отдельных местах (например, в районах Курской, Криворожской, Кольской магнитных аномалий, аномалии на Урале и др.) напряженность поля может быть значительно выше. Так, самая высокая напряженность поля Курской магнитной аномалии достигает 1,5-1,9 Э. Обычно сильные магнитные аномалии связываются с залежами магнетитовых и титаномагнетитовых руд с залежами других пород, обогащенных магнетитом, с некоторыми пирротиоловыми месторождениями. Проявления слабых магнитных аномалий обусловлено залежами бурых и красных железняков, марганца, хромита, а также с интрузиями и местами контактов различных горных пород, отличающихся магнитными свойствами.

Магнитное поле Земли (как векторное поле) характеризуется вектором напряженности (НТ), который в направлении магнитного меридиана можно разложить на две составляющие: горизонтальную Н, действующую в горизонтальной плоскости, и вертикальную Z, перпендикулярную к Н. Горизонтальную составляющую в свою очередь можно разложить на силу, направленную вдоль географического меридиана, так называемую северную составляющую Х, и силу, перпендикулярную к меридиану, - восточную составляющую У. Стрелка компаса в каждой точке Земли направлена вдоль магнитного меридиана, т. е. вдоль условной плоскости земной поверхности, совпадающей с направлением ГМП.

Рис 1.1-Направление вектора напряженности земли

Полный вектор магнитного поля Земли наряду с изменением абсолютной величины претерпевает изменения в пространстве. Положение вектора в пространстве может быть характеризовано двумя угловыми величинами - склонением и наклонением. Магнитное склонение D является углом в горизонтальной плоскости, т. е. углом между географическим меридианом (линия север-юг) и магнитным меридианом данного места на Земле. Магнитное наклонение I - угол между горизонтальной плоскостью и направлением напряженности полного вектора ГМП (рис. 1).

По структуре ГМП Земли можно разделить на постоянное (период изменения - сотни лет) и переменное (период - меньше года). Переменное ГМП имеет либо определенный и плавный ход, либо беспорядочный, при котором амплитуда, фазы и периоды колебаний резко и непрерывно меняются.

По классификации Б.М. Яновского (1978) ГМП является суммой нескольких полей: Н0 - поля, создаваемого однородной намагниченностью земного шара; Нm - поля, создаваемого неоднородностью глубоких слоев земного шара, материкового поля; На - поля, обусловленного различной намагниченностью верхних частей коры, аномального поля; Нe - поля, источник которого находится вне Земли, внешнего поля; δН - поля вариаций, вызванными причинами лежащими вне Земли. Современные теоретические работы дают основание полагать, что главной причиной ГМП являются вихревые электрические токи в жидком ядре Земли.

В результате хромосферной вспышки на Солнце, ее волновые компоненты - ультрафиолетовое, мягкое рентгеновское и жесткое корпускулярное излучение обнаруживаются на Земле через 8 минут, вызывая ионизацию нижнего слоя ионосферы, т. е. практически одновременно со вспышкой. А медленное корпускулярное излучение (представляет собой водород с небольшой примесью гелия, вследствие ионизации атомов находящиеся в плазменном состоянии) достигает Землю за 2 - 3 дня. Это приводит к геомагнитным возмущениям, т. е. изменениям параметров магнитного поля от спокойного уровня.

Для характеристики вариаций магнитного поля Земли и степени магнитной активности используют различные индексы - всего более 20.

В медико-биологических исследованиях наиболее часто используют следующие:

К-индекс - локальная трехчасовая объективная оценка возмущенности магнитного поля Земли. Запись магнитного поля на одной обсерватории. Минимальная величина К-индекса - 0, максимальная - 9.

Кp-индекс - планетарный трехчасовой индекс. Осреднение К-индексов 12 обсерваторий, расположенных между 48° и 63° северной и южной геомагнитных широт. В качестве суточной характеристики применяется К N,S - сумма восьми значений «К» за сутки (28 - бальная система).

АР-индекс - планетарная среднесуточная эквивалентная амплитуда вариации магнитного поля Земли. Вычисляется по индексам Кр. С - локальная среднесуточная, глазомерная оценка возмущенности геомагнитного поля Земли. Записи вариаций геомагнитного поля на одной обсерватории.

ММП (знак поля) - направление межпланетного магнитного поля. Записи вариаций магнитного поля Земли на полярных обсерваториях «Восток» и «Туле».