Природа геомагнетизма

Вопрос о причинах магнетизма у космических тел и, в частности, у Земли привлекал внимание многих ученых. В последние десятилетия ученые как будто нащупали правильные пути, позволяющие в принципе объяснить геомагнетизм, но законченная теория всё ещё не создана.

Современные теории геомагнетизма исходят из предположения, что магнитное поле Земли создаётся и поддерживается за счет так называемого динамо-механизма. В грубых чертах считается, что создание магнитного поля в ядре происходит также, как и в динамо-машине с самовозбуждением. Принцип работы машины следующий. Пусть катушка проводов вращается во внешнем магнитном поле. Тогда за счет электромагнитной индукции в катушке возникает электрический ток. Этот ток создаёт магнитное поле, которое может усилить

внешнее магнитное поле, что в свою очередь усилит ток в катушке и т.д.

Жидкое земное ядро совсем не похоже на реальную динамо-машину. Но в принципе, если в жидком проводящем ядре за счет каких-либо причин возникает тепловая или гравитационная конвекция, то возникает некоторая система гидродинамических течений. Таким образом, мы имеем некоторую систему течений проводящей жидкости. Течение проводящей жидкости в рассматриваемой аналогии соответствует движению проводника. Если в ядре имеются какие-либо затравочные магнитные поля, то при пересечении проводящим потоком силовых линий этих полей в проводящем потоке возникает электрический ток. Этот ток создаёт магнитное поле, который при благоприятной геометрии течений может усилить внешнее затравочное поле, а это в свою очередь усилит ток и т.д. Процесс будет продолжаться до тех пор, пока не возникнет стационарное магнитное поле и различные динамические процессы не уравновесят друг друга. Теория геомагнитного поля, основанная на изложенном выше принципе, называется теорией гидромагнитного динамо (ГД).

Магнитное поле осевого диполя В, наблюдаемое на поверхности Земли равно ~ 0.5 Гс (где Гаусс=Гс=10^–4 Тл и, наоборот, Тл=10⁴ Гс). Экстраполируя это поле к условиям земного ядра, получим значения В ~ 3 Гс. Поля, выходящие из ядра на поверхность Земли, называются полоидальными или меридиональными, так как их силовые линии расположены в меридиональных плоскостях. Они обозначаются В_р. Именно эти поля мы и наблюдаем на поверхности Земли и в околоземном пространстве. Наличие в ядре дифференциального вращения существенно преобразует полоидальное поле, превращая его в тороидальное поле В_λ, т.е. в поле, силовые линии которого вытянуты в долготном направлении и образуют долготные круги и спирали. Тороидальное поле земного ядра B_λ не выходит на поверхность Земли и, таким образом, не наблюдаемо.

Таким образом, динамо-гипотеза доказывает принципиальную возможность механизма самовозбуждающегося поля и дает объяснение самым общим свойствам магнитного поля, однако исследователи оставляют в стороне конкретные свойства магнитного поля Земли.

Известно, что магнитное поле Земли существовало в архее и докембрии, не претерпев заметных изменений по величине и структуре до наших дней, хотя физические условия внутри Земли, существующие в настоящее время, значительно отличаются от тех, которые были в ранние периоды. Палеомагнитные данные позволяют сделать важный вывод о том, что, не меняясь существенно по величине и структуре, магнитное поле Земли дрейфовало по земному шару в поражающих масштабах. Миграция палеомагнитных полюсов начинается с экваториальной зоны в докембрии до современного положения вблизи северного и южного географических полюсов. Кроме миграции последних установлены многократные инверсии магнитного поля Земли. И если последние качественно объяснимы с точки зрения МГД-динамо, то отклонение геомагнитных полюсов от оси вращения почти на 90⁰ ставит гипотезу самовозбуждения под сомнение, поскольку частные решения МГД-уравнения получены при условии почти симметричного относительно оси вращения движения вихрей в жидком ядре. Есть основания полагать, что суточный период вращения Земли, имеющий для динамо-гипотезы важное значение, был прежде значительно более коротким. Менялись и другие характеристики Земли.

Однако в динамо-гипотезе историческое развитие Земли за 4 – 4.5 млрд. лет не рассматривается и строится она, исходя из современных сведений о строении Земли. Между тем, иные параметры – размеры жидкого ядра, температура, вращение Земли, проводимость ядра и мантии – должны были заметно отразиться на величине и структуре магнитного поля Земли, чего по палеомагнитным данным не наблюдается. Роль железо-никелевого твердого ядра не исследована, а она может быть очень важной для самовозбуждающегося динамо.

Дата добавления: 2015-08-09