Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

ЗЕМНОЙ МАГНЕТИЗМ (геомагнетизм), магнитное поле Земли и околоземного космического пространства; раздел геофизики, изучающий магнитное поле Земли и связанные с ним явления (магнетизм горных пород, теллурические токи, полярные сияния, токи в ионосфере и магнитосфере Земли).

История изучения магнитного поля Земли . О существовании магнетизма было известно с глубокой древности. Считается, что первый компас появился в Китае (дата появления спорна). В конце 15 века во время плавания Х. Колумба было установлено, что склонение магнитное различно для разных точек поверхности Земли. Это открытие положило начало развитию науки о земном магнетизме. В 1581 году английский исследователь Р. Норман высказал предположение о том, что стрелку компаса разворачивают определённым образом силы, источник которых находится под поверхностью Земли. Следующим знаменательным шагом стало появление в 1600 книги У. Гильберта «О магните, магнитных телах и о большом магните - Земле», где было дано представление о причинах земного магнетизма. В 1785 начались разработки способа измерения напряжённости магнитного поля, базирующегося на методе вращающего момента, предложенном Ш. Кулоном. В 1839 К. Гаусс теоретически обосновал метод измерения горизонтальной составляющей вектора магнитного поля планеты. В начале 20 века была определена связь между магнитным полем Земли и её строением.

В результате наблюдений было установлено, что намагниченность земного шара более или менее однородна, а магнитная ось Земли близка к её оси вращения. Несмотря на относительно большой объём экспериментальных данных и многочисленные теоретические исследования, вопрос о происхождении земного магнетизма окончательно не решён. К началу 21 века наблюдаемые свойства магнитного поля Земли стали связывать с физическим механизмом гидромагнитного динамо (смотри Магнитная гидродинамика), согласно которому первоначальное магнитное поле, проникшее в ядро Земли из межпланетного пространства, может усиливаться и ослабляться в результате движения вещества в жидком ядре планеты. Для усиления поля достаточно наличия определённой асимметрии такого движения. Процесс усиления продолжается до тех пор, пока рост потерь на нагрев среды, идущий за счёт увеличения силы токов, не уравновесит приток энергии, поступающей за счёт её гидродинамического движения. Сходный эффект наблюдается при генерации электрического тока и магнитного поля в динамо-машине с самовозбуждением.

Напряжённость магнитного поля Земли. Характеристикой любого магнитного поля служит вектор его напряженности Н - величина, не зависящая от среды и численно равная магнитной индукции в вакууме. Собственное магнитное поле Земли (геомагнитное поле) является суммой полей, созданных различными источниками. Принято считать, что на поверхности планеты магнитное поле Н Т складывается из: поля, создаваемого однородной намагниченностью земного шара (дипольное поле, Н 0); поля, связанного с неоднородностью глубоких слоёв земного шара (поле мировых аномалий, Н а); поля, обусловленного намагниченностью верхних частей земной коры (Н к); поля, вызываемого внешними причинами (Н В); поля вариаций (δН), также связанных с источниками, расположенными вне земного шара: Н Т = Н о + Н к + Н а + Н в + δН. Сумма полей Н 0 + Н к образует главное магнитное поле Земли. Его вклад в поле, наблюдаемое на поверхности планеты, составляет более 95%. Аномальное поле Н а (вклад Н а в Н т около 4%) подразделяется на поле регионального характера (региональная аномалия), распространяющееся на большие площади, и поле местного характера (локальная аномалия). Сумму полей Н 0 + Н к + Н а часто называют нормальным полем (Н н). Так как Н в мало по сравнению с Н о и Н к (около 1% от Н т), нормальное поле практически совпадает с главным магнитным полем. Реально наблюдаемое поле (за вычетом поля вариаций δН) есть сумма нормального и аномального магнитных полей: Н т = Н н + Н а. Задача разделения поля на поверхности Земли на эти две части является неопределённой, так как разделение можно провести бесконечным числом способов. Для однозначности решения данной задачи необходимы сведения об источниках каждой из составляющих магнитного поля Земли. К началу 21 века установлено, что источниками аномального магнитного поля являются намагниченные горные породы, залегающие на глубинах, малых по сравнению с радиусом Земли. Источник главного магнитного поля находится на глубине больше половины радиуса Земли. Многочисленные экспериментальные данные позволяют построить математическую модель магнитного поля Земли, основанную на формальном изучении её структуры.

Элементы земного магнетизма. Для разложения вектора Н т на составляющие обычно используют прямоугольную систему координат с началом в точке измерения поля О (рисунок). В этой системе ось Ох ориентирована по направлению географического меридиана на север, ось Оу - по направлению параллели на восток, ось Oz направлена сверху вниз к центру земного шара. Проекцию Н Т на ось Ох называют северной составляющей поля, проекцию на ось Оу - восточной составляющей, проекцию на ось Oz - вертикальной составляющей; они обозначаются соответственно через Х, Y, Z. Проекцию Н т на плоскость ху обозначают как Н и называют горизонтальной составляющей поля. Вертикальная плоскость, проходящая через вектор Н т и ось Оz, называется плоскостью меридиана магнитного, а угол между географическим и магнитным меридианами - магнитным склонением, обозначаемым через D. Если вектор Н отклонён от направления оси Ох к востоку, склонение будет положительным (восточное склонение), а если к западу - отрицательным (западное склонение). Угол между векторами Н и Н т в плоскости магнитного меридиана носит название наклонения магнитного и обозначается через I. Наклонение I положительно, когда вектор Н т направлен вниз от земной поверхности, что имеет место в Северном полушарии Земли, и отрицательно, когда Н т направлен вверх, то есть в Южном полушарии. Склонение, наклонение, горизонтальная, вертикальная, северная, восточная составляющие носят название элементов земного магнетизма, которые можно рассматривать как координаты конца вектора Н т в различных системах координат (прямоугольной, цилиндрической и сферической).

Ни один из элементов земного магнетизма не остаётся постоянным во времени: их величина меняется от часа к часу и от года к году. Такие изменения получили название вариаций элементов земного магнетизма (смотри Магнитные вариации). Изменения, происходящие в течение короткого промежутка времени (около суток), носят периодический характер; их периоды, амплитуды и фазы чрезвычайно разнообразны. Изменения среднегодовых значений элементов носят монотонный характер; их периодичность выявляется лишь при очень большой длительности наблюдений (порядка многих десятков и сотен лет). Медленные вариации магнитной индукции называются вековыми; их величина составляет около 10 -8 Тл/год. Вековые вариации элементов связаны с источниками поля, лежащими внутри земного шара, и вызываются теми же причинами, что и само магнитное поле Земли. Быстротечные вариации периодического характера обусловлены электрическими токами в околоземной среде (смотри Ионосфера, Магнитосфера) и весьма различаются по амплитуде.

Современные исследования магнитного поля Земли. К началу 21 века принято выделять следующие причины, вызывающие земной магнетизм. Источник главного магнитного поля и его вековых вариаций расположен в ядре планеты. Аномальное поле обусловлено совокупностью источников в тонком верхнем слое, называемом магнитоактивной оболочкой Земли. Внешнее поле связано с источниками в околоземном пространстве. Поле внешнего происхождения называется переменным электромагнитным полем Земли, поскольку оно является не только магнитным, но и электрическим. Главное и аномальное поля часто объединяют общим условным термином «постоянное геомагнитное поле».

Основной метод изучения геомагнитного поля - непосредственное наблюдение пространственного распределения магнитного поля и его вариаций на поверхности Земли и в околоземном пространстве. Наблюдения сводятся к измерениям элементов земного магнетизма в различных точках пространства и носят название магнитных съёмок. В зависимости от места проведения съёмок их подразделяют на наземные, морские (гидромагнитные), воздушные (аэромагнитные) и спутниковые. В зависимости от размера территории, которую охватывают съёмки, выделяют глобальные, региональные и локальные съёмки. По измеряемым элементам съёмки делятся на модульные (Т-съёмки, при которых ведётся измерение модуля вектора поля) и компонентные (измеряется только одна или несколько компонент этого вектора).

Земное магнитное поле находится под воздействием потока солнечной плазмы - солнечного ветра. В результате взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем Земли образуется внешняя граница околоземного магнитного поля (магнитопауза), ограничивающая земную магнитосферу. Форма магнитосферы постоянно меняется под воздействием солнечного ветра, часть энергии которого проникает внутрь неё и передаётся токовым системам, существующим в околоземном пространстве. Изменения магнитного поля Земли во времени, вызванные действием этих токовых систем, называются геомагнитными вариациями и различаются как по своей длительности, так и по локализации. Существует множество различных типов временных вариаций, каждый из которых имеет свою морфологию. Под действием солнечного ветра магнитное поле Земли искажается и приобретает «шлейф» в направлении от Солнца, который простирается на сотни тысяч километров, выходя за орбиту Луны.

Дипольный магнитный момент Земли составляет около 8·10 22 А·м 2 и постоянно уменьшается. Средняя индукция геомагнитного поля на поверхности планеты около 5·10 -5 Тл. Основное магнитное поле Земли (на расстоянии менее трёх радиусов Земли от её центра) по форме близко к полю эквивалентного магнитного диполя, центр которого смещён относительно центра Земли примерно на 500 км в направлении на точку с координатами 18° северной широты и 147,8° восточной долготы. Ось этого диполя наклонена к оси вращения Земли на 11,5°. На такой же угол полюсы геомагнитные отстоят от соответствующих географических полюсов. При этом южный геомагнитный полюс находится в Северном полушарии.

Широкомасштабные наблюдения за изменениями элементов земного магнетизма ведутся в магнитных обсерваториях, образующих мировую сеть. Вариации геомагнитного поля регистрируются специальными приборами, данные измерений обрабатываются и поступают в мировые центры сбора данных. Для визуального представления картины пространственного распределения элементов земного магнетизма проводится построение карт изолиний, то есть кривых, соединяющих на карте точки с одинаковыми значениями того или иного элемента земного магнетизма (смотри карты). Кривые, соединяющие точки одинаковых магнитных склонений, называются изогонами, кривые одинаковых магнитных наклонений - изоклинами, одинаковых горизонтальных или вертикальных, северных или восточных составляющих вектора Н т - изодинамами соответствующих составляющих. Линии равных изменений поля принято называть изопорами; линии равных значений поля (на картах аномального поля) - изоаномалиями.

Результаты исследований земного магнетизма применяют для изучения Земли и околоземного пространства. Измерения интенсивности и направления намагниченности горных пород позволяют судить об изменении геомагнитного поля во времени, что служит ключевой информацией для определения их возраста и развития теории литосферных плит. Данные о геомагнитных вариациях используются при магнитной разведке полезных ископаемых. В околоземном пространстве на расстоянии тысячи и более километров от поверхности Земли её магнитное поле отклоняет космические лучи, защищая всё живое на планете от жёсткой радиации.

Лит.: Яновский Б. М. Земной магнетизм. Л., 1978; Калинин Ю. Д. Вековые геомагнитные вариации. Новосиб., 1984; Колесова В. И. Аналитические методы магнитной картографии. М., 1985; Паркинсон У. Введение в геомагнетизм. М., 1986.

Земля представляет собой огромный магнит, имеющий северный NM и южный SM полюса. Причем магнитные полюса не только не совпадают с истинными или географическими, но и, как показывают наблюдения, их место с течением времени меняется. Так, северный магнитный полюс в 1950 г. находился приближенно в точке, координаты которой cp = 72° N, л = 96° W, а южный магнитный полюс ф = 70° S и л = 150° Ost.

Сила, с которой магнитное поле Земли действует на единицу магнитной массы, помещенную в данное поле, называется напряженностью магнитного поля и характеризуется вектором, направленным в любой точке земного магнитного поля по касательным к силовым линиям.

Силу земного магнетизма, действующую в любой точке, в общем случае можно разложить на две составляющие - горизонтальную и вертикальную. Сила земного магнетизма в точке М (рис. 12) соответствует по величине и направлению вектору Г, его горизонтальная составляющая - H, а вертикальная - Z. Если в точке М поместить свободно подвешенную магнитную стрелку, то последняя установится по направлению горизонтальной составляющей земного магнетизма Я. Вертикальная плоскость ДМАС, в которой располагается вектор Т и магнитная стрелка, удерживаемая силой Н, называется плоскостью магнитного меридиана. Угол РМД между плоскостями истинного меридиана PMAF и магнитного ДМАС называется магнитным склонением и обозначается буквой d.

Когда нордовая часть магнитного меридиана отклонена вправо от истинного, склонение называется восточным (Оst) и ему приписывается знак плюс, если же нордовая часть магнитного меридиана отклонена влево от истинного меридиана, склонение будет западным (W) со знаком минус (рис. 13). Склонение всегда считается OTNH KNM K Оst или WOT 0 до 180°.

Сила Z (см. рис. 12) будет наклонять свободно подвешенную магнитную стрелку и устанавливать ее под некоторым углом 0 к плоскости истинного горизонта. Этот угол называется наклонением.

Все точки Земли, в которых наклонение равно 0°, лежат на магнитном экваторе, который не совпадает с географическим экватором и представляет неправильную кривую. На магнитных полюсах Земли наклонение 90°.

Напряженность, склонение и наклонение являются основными элементами земного магнетизма.

В настоящее время на основе работ по определению магнитного поля Земли для всех ее районов издаются специальные карты, на которых проведены линии равного значения элементов земного магнетизма.

Для характеристики напряженности магнитного поля издаются карты изодин, магнитного наклонения - изоклин, и магнитного склонения - изогон. На картах изогон линия, соединяющая точки, где склонение равно 0°, т. е. где магнитный меридиан совпадает с истинным, называется агоною.

Все элементы земного магнетизма с течением времени изменяются, поэтому карты приводят к определенному году и на них указывают годовые изменения элементов земного магнетизма.

Магнитное склонение в судовождении имеет наибольшее значение, так как его приходится принимать в расчет для определения истинных направлений в море при пользовании магнитным компасом.

Действие магнитного компаса основано на использовании магнитного поля Земли, и магнитная стрелка компаса, установленная на вертикальной оси, практически имеет одну степень свободы вокруг этой оси, и устанавливается по направлению горизонтальной составляющей земного магнетизма. Значение этой составляющей определяется выражением Н = Т cos 0 (см. рис. 12), и оно характеризует величину силы, которая удерживает стрелку компаса в плоскости магнитного меридиана.

С приближением к магнитным полюсам угол 0 увеличивается и показание компаса становится не точным.

В тех местах на Земле, где залегают железные руды, наблюдаются резкие отклонения величины склонения от их значений в ближайших районах. Такие отклонения называются аномалиями.

Неоднократно наблюдались и кратковременные резкие колебания элементов земного магнетизма - магнитные бури, во время которых склонение изменялось на десятки градусов. В такой период показания магнитных компасов ненадежны и полагаться на них опасно.

Практические применения явлений Земного магнетизма. Под действием геомагнитного поля магнитная стрелка располагается в плоскости магнитного меридиана. Это явление с древнейших времён используется для ориентирования на местности, прокладывания курса судов в открытом море, в геодезической и маркшейдерской практике, в военном деле и т.д.

Исследование локальных магнитных аномалий позволяет обнаружить полезные ископаемые, в первую очередь железную руду (см. Магнитная разведка), а в комплексе с др. геофизическими методами разведки - определить место их залегания и запасы. Широкое распространение получил магнитотеллурический способ зондирования недр Земли, в котором по полю магнитной бури вычисляют электропроводность внутренних слоев Земли и оценивают затем существующие там давление и температуру.

Одним из источников сведений о верхних слоях атмосферы служат геомагнитные вариации. Магнитные возмущения, связанные, например, с магнитной бурей, наступают на несколько часов раньше, чем под её воздействием происходят изменения в ионосфере, нарушающие радиосвязь. Это позволяет делать магнитные прогнозы, необходимые для обеспечения бесперебойной радиосвязи (прогнозы «радиопогоды»). Геомагнитные данные служат также для прогноза радиационной обстановки в околоземном пространстве при космических полётах.

Постоянство геомагнитного поля до высот в несколько радиусов Земли используется для ориентации и маневра космических аппаратов.

Геомагнитное поле воздействует на живые организмы, растительный мир и человека. Например, в периоды магнитных бурь увеличивается количество сердечно-сосудистых заболеваний, ухудшается состояние больных, страдающих гипертонией, и т.д. Изучение характера электромагнитного воздействия на живые организмы представляет собой одно из новых и перспективных направлений биологии.

В 1891 году английский ученый Шустер пытался объяснить магнетизм Земли ее вращением вокруг оси. Много труда этой гипотезе отдал известный физик П. Н. Лебедев. Он предполагал, что под влиянием центробежной силы электроны в атомах смещаются в сторону поверхности Земли. От того поверхность должна быть отрицательно заряженной, это и вызывает магнетизм. Но опыты с вращением кольца до 35 тыс. оборотов в минуту гипотезу не подтвердили – магнетизм в кольце не появился.

Английский ученый В. Гельберт считал, что Земля состоит из магнитного камня. Позднее решили, что Земля намагнитилась от Солнца. Расчеты опровергли эти гипотезы.

Пытались объяснить магнетизм Земли течениями масс в ее жидком металлической ядре. Однако, эта гипотеза сама опирается на гипотезу жидкого ядра Земли. Многие ученые считают, что ядро твердое и отнюдь не железное.

В 1947 году П. Блекет (Англия) высказал предположение, что присутствие магнитного поля у вращающихся тел – неизвестный закон природы. Блекет попытался установить зависимость магнетизма от скорости вращения тела.

В то время были известны данные о скорости вращения и магнитных полях трех небесных тел – Земли, Солнца и Белого Карлика – звезды Е78 из созвездия Девы.

Магнитное поле тела характеризуется его магнитным моментом, вращение тела – угловым моментом (при учете размеров и массы тела). Давно известно, что магнитные моменты Земли и Солнца относятся друг к другу так же, как их угловые моменты. Звезда Е78 соблюдала эту пропорциональность! Отсюда стало очевидным, что существует прямая связь вращения небесных тел с их магнетизмом.

Складывалось впечатление, что все же именно вращение тел вызывает магнетизм. Блекет пытался экспериментально доказать существование предложенного им закона. Для опыта был изготовлен золотой цилиндр весом в 20 кг. По тончайшие опыты с упомянутым цилиндром ничего не дали. Немагнитный золотой цилиндр не показал и признаков магнетизма.

Теперь установлены магнитный и угловой моменты у Юпитера, а также предварительно у Венеры. И снова их магнитные поля, разделенные на угловые моменты, получаются близкими к числу Блекета. После такого совпадения коэффициентов трудно приписать дело случаю.

Так что же – вращение Земли возбуждает магнитное поле, или магнетизм Земли вызывает ее вращение? Почему-то всегда ученые считали, что вращение присуще Земле с момента ее образования. Так ли это? А может быть, не так. Аналогия с нашим телевизионным опытом ставит вопрос: не потому ли Земля вращается вокруг своей оси, что она, как большой магнит, находится в потоке заряженных частиц? Поток состоит в основном из ядер водорода (протонов), гелия (альфа-частицы). Электронов в " " не наблюдается, они, вероятно, образуются в магнитных ловушках в момент столкновений корпускул и рождаются каскадами в зонах магнитного поля Земли.

Связь магнетизма Земли с ее ядром теперь вполне очевидна. Расчеты ученых показывают, что Луна не имеет текучего ядра, поэтому не должна иметь и магнитного поля. И действительно, измерения при помощи космических ракет показали, что Луна не имеет вокруг себя заметного магнитного поля.

Интересные данные получены в результате наблюдений земных токов в Арктике и Антарктиде. Интенсивность земных электротоков там очень велика. Она в десятки и сотни раз превышает интенсивность в средних широтах. Этот факт свидетельствует о том, что приток электронов из колец магнитных ловушек Земли усиленно поступает в Землю через полярные шапки в зонах магнитных полюсов, как, например, в опыте с .

В момент усиления солнечной активности усиливаются и земные электротоки. Теперь, вероятно, можно считать установленным, что электротоки в Земле вызываются течениями масс ядра Земли и притоков в Землю электронов из космоса, главным образом из ее радиационных колец.

Итак, электротоки вызывают магнетизм Земли, а магнетизм Земли, в свою очередь, очевидно, заставляет вращаться нашу Землю. Нетрудно догадаться, что скорость вращения Земли будет зависеть от соотношения отрицательно и положительно заряженных частиц, захваченных ее магнитным полем извне, а также рожденных в пределах магнитного поля Земли.

При вращении Земли вокруг собственной оси жидкий слой внешнего ядра позволяет мантии и твердой коре вращаться быстрее внутреннего ядра. В результате электроны в ядре движутся относительно электронов в мантии и коре. Это движение электронов образует природное динамо. Оно и создает магнитное поле, аналогичное полю катушки индуктивности .

Магнитная ось Земли под углом около 11° наклонена к ее географической оси. Она непрерывно меняет свой угол наклона, но настолько медленно, что на протяжении нескольких десятков тысяч лет почти сохраняет свое относительное положение.

Стрелка на компасе отклоняется несколько в сторону от географических полюсов. Угол между магнитным меридианом и географическим изменяется от одного района к другому. Небольшие отклонения магнитного поля, вероятно, обусловлены локальными вихревыми движениями во внешнем ядре , на стыке ядра и мантии. Аналогичный эффект могут вызывать крупные тела намагниченных пород и руд в земной коре.

Геомагнитное поле подвержено воздействию солнечного ветра - потока электрически заряженных частиц, испускаемых Солнцем. Попадая в наружную атмосферу Земли, эти частицы вызывают небольшие изменения ее магнитного поля вблизи земной поверхности, которые носят систематический (как ночные и дневные) или нерегулярный (как магнитные бури) характер.

Земное магнитное поле в прошлом

Под действием магнитного поля планеты горные породы намагничивались во время формирования, сохраняя эту намагниченность в следующие эпохи. Это явление называется палеомагнетизмом . При нагревании породы, как и постоянный магнит, теряют свою намагниченность. Остывшие породы вновь намагничиваются земным полем. Эта естественная остаточная намагниченность ориентирована параллельно силовым линиям геомагнитного поля, существовавшего во время образования пород. Поэтому в породах навсегда запечатлено направление того поля, которое действовало в момент их застывания, что может быть использовано для изучения геологической истории магнитного поля Земли .

Техника палеомагнитных исследований заключается в измерении естественного остаточного магнетизма в высверленных из массива пород цилиндрических столбиков. Полученные палеомагнитные координаты образцов позволяют определить первоначальное местоположение пород. Палеомагнитные координаты , выраженные в магнитных широтах, подобны географическим широтам (но только по отношению к магнитному полюсу) и относятся к положению магнитного полюса в период намагничивания породы. Данные, полученные в результате такого рода измерений, свидетельствуют о том, что долгое время магнитные полюсы «блуждали», меняя свое положение. Блуждание полюсов на материках фиксируется по-разному. Но для определенного периода геологической истории полярные направления, установленные на разных материках, могут быть совмещены в одну линию, если представить себе эти материки в иных, чем сегодня, положениях. Именно таким путем удалось установить и нанести на карту путь дрейфа материков . Результаты, полученные с помощью этого метода, довольно хорошо согласуются с другими свидетельствами континентального дрейфа - спредингом морского дна и данными, полученными при изучении горных пород и окаменелостей, характеризующими палеоклиматические условия.

Полярность остаточной намагниченности («ископаемого» магнитного поля) горных пород, сформированных в короткие промежутки времени, оказывается обратной. Этот факт объясняется не поворотом материка на 180° (на это понадобилось бы слишком много времени), а изменением полярности геомагнитного поля . Такая перемена направления земного магнитного поля называется обращением или инверсией. Инверсии отмечают границы периодов геологической истории, в течение которых геомагнитное поле сохраняло постоянную полярность. Периоды эти имели различную продолжительность. Возрастное датирование инверсий (путем изучения распада радиоактивных изотопов в горных породах) позволило создать палеомагнитную шкалу геологического времени. Эта шкала может быть использована для определения возраста пород посредством анализа их остаточной намагниченности. Сопоставление палеомагнитной шкалы времени с «магнитными аномалиями» морского дна подтвердило гипотезу спрединга.

Магнито- и электроразведка

Многие рудные тела и породы, богатые магнитными минералами, создают сильное локальное магнитное поле. Это их свойство используется при геофизических поисках и разведке месторождений полезных ископаемых. С помощью чувствительных приборов - магнитометров выявляют промышленно-ценные скопления минералов. Существует также метод, использующий естественные электрические токи, которые возникают между земной поверхностью и рудным телом благодаря просачивающимся грунтовым водам. Взаимодействие таких токов с геомагнитным полем поддается измерению и служит основой для обнаружения месторождений.

ЗЕМНОЙ МАГНЕТИЗМ , отдел геофизики, изучающий магнитное поле земли. Пусть напряженность магнитного поля в данной точке изображается вектором F (фиг. 1). Вертикальная плоскость, содержащая этот вектор, называется плоскостью магнитного меридиана. Угол D, заключенный между плоскостями географического и магнитного меридианов, носит название склонения. Различают склонения восточное и западное. Принято отмечать восточные склонения знаком плюс, западные - знаком минус. Угол I, образованный вектором F с плоскостью горизонта, называется наклонением. Проекция Н вектора F на горизонтальную плоскость называется горизонтальной составляющей, а проекция Z на вертикальную прямую обозначается термином вертикальная составляющая.

Основными приборами для измерения элементов земного магнетизма являются в настоящее время магнитный теодолит и различные системы инклинаторов. Назначение магнитного теодолита - измерение горизонтальной составляющей магнитного поля и склонения. Горизонтально расположенный магнит, могущий вращаться около вертикальной оси, устанавливается под действием магнитного поля земли своей осью в плоскости магнитного меридиана. Если его вывести из этого положения равновесия и предоставить затем самому себе, то он начнет совершать колебания около плоскости магнитного меридиана с периодом Т, определяемым формулой:

где К - момент инерции колеблющейся системы (магнит и оправа) и М - магнитный момент магнита. Определив из специальных наблюдений величину К, можно по наблюденному периоду Т найти значение произведения МН. Затем помещают магнит, период колебания которого определен, на некотором расстоянии от другого, вспомогательного магнита, тоже имеющего возможность вращаться около вертикальной оси, и ориентируют первый магнит так, чтобы центр второго магнита оказался на продолжении магнитной оси первого. В таком случае на вспомогательный магнит будет кроме Н действовать и поле магнита М, которое м. б. найдено по формуле:

где В - расстояние между центрами обоих магнитов, а, b,... - некоторые постоянные. Магнит выйдет из плоскости магнитного меридиана и станет по направлению равнодействующей этих двух сил. Не изменяя относительного расположения частей установки, находят такое положение отклоняющего магнита, при котором названная равнодействующая будет перпендикулярна к нему (фиг. 2). Измеряя для этого случая угол отклонения v, можно из соотношения sin v = f/Hнайти значение отношения Из полученных значений МН и H/M определяют горизонтальную слагающую Н. В теории земного магнетизма имеет распространение единица, обозначаемая символом γ, равная 0,00001 гаусса. Магнитный теодолит можно применять в качестве деклинатора, прибора для измерения склонения. Совмещая визирную плоскость с направлением магнитной оси подвешенного на нити магнита, приводят ее в совпадение с плоскостью магнитного меридиана. Чтобы получить отсчет на круге, соответствующем наведению визирного приспособления на географический север, достаточно сделать наведение на какой-либо объект, истинный азимут которого известен. Разность отсчетов географического и магнитного меридианов и дает величину склонения.

Инклинатор - прибор для измерения I. Современная магнитометрия имеет два типа приборов для измерения наклонения - инклинаторы стрелочный и индукционный . Первый прибор имеет магнитную стрелку, вращающуюся около горизонтальной оси, помещенной в центре вертикального лимба. Плоскость движения стрелки совмещается с плоскостью магнитного меридиана; в таком случае в идеальных условиях магнитная ось стрелки в положении равновесия совпадет с направлением магнитного напряжения в данном пункте, и угол между направлением магнитной оси стрелки и горизонтальной линией даст величину I. В основу конструкции индукционного инклинатора (земного индуктора ) положено явление индукции в проводнике, движущемся в магнитном поле. Существенной особенностью прибора является катушка, вращаемая около одного из своих диаметров. При вращении такой катушки в магнитном поле земли в ней не появляется ЭДС лишь в том случае, когда ее ось вращения совпадает с направлением поля. Это положение оси, отмечаемое отсутствием тока в гальванометре, на который замкнута катушка, отсчитывается на вертикальном круге. Угол между направлением оси вращения катушки и горизонтом будет углом наклонения.

Упомянутые выше приборы являются в настоящее время наиболее распространенными. Следует упомянуть особо о магнитном теодолите Оглоблинского, определяющем значение H/M методом компенсации Н полем магнита, для которого определяется период колебания.

В последнее время начинают применяться т.н. электрические методы измерения Н, при которых отклонения производятся не с помощью отклоняющего магнита, а с помощью магнитного поля катушек. Для достижения той точности, которая требуется от магнитных измерений (0,2-0,02 % полного напряжения), рабочий ток сравнивается с током от нормальных элементов (компенсирование по методу потенциометра).

Измерения, сделанные в различных пунктах земной поверхности, показывают, что магнитное поле меняется от пункта к пункту. В этих изменениях можно заметить некоторые закономерности, характер которых лучше всего уясняется из рассмотрения т. н. магнитных карт (фиг. 3 и 4).

Если нанести на топографической основе линии, соединяющие точки равных значений какого-либо элемента земного магнетизма, то такая карта представит наглядную картину распределения этого элемента на местности. Соответственно различным элементам земного магнетизма имеются карты с различными системами изолиний. Эти изолинии носят специальные названия, смотря по тому, какой элемент они изображают. Так, линии, соединяющие точки равных склонений, носят название изогон (линия нулевых склонений получила название агонической линии), линии равных наклонений - изоклин и линии равных напряжений - изодинам . Различают изодинамы горизонтальной, вертикальной составляющей и т. д. Если построить такие карты для всей поверхности земного шара, то на них можно заметить следующие особенности. В экваториальных областях наблюдаются наибольшие значения горизонтальной силы (до 0,39 гаусса); по направлению к полюсам горизонтальная составляющая убывает. Противоположный характер изменений имеет место для вертикальной составляющей. Линия нулевых значений вертикальной составляющей называется магнитным экватором . Точки с нулевыми значениями горизонтальной силы называются магнитными полюсами земли. Они не совпадают с географическими и имеют координаты: северный магнитный полюс - 70,5° с. ш. и 96,0° з. д. (1922 г.), южный магнитный полюс - 71,2° ю. ш. и 151,0° в. д. (1912 г.). В магнитных полюсах земли пересекаются все изогоны.

Детальное исследование магнитного поля земли обнаруживает, что изолинии идут далеко не так плавно, как это дается общей картиной. На каждой такой кривой имеют место искривления, нарушающие плавный ход ее. В некоторых областях эти искривления достигают настолько крупных значений, что приходится данный участок выделить в магнитном отношении из общей картины. Такие районы носят название аномальных, и в них можно наблюдать значения магнитных элементов, во много раз превышающие нормальное поле. Исследование магнитных аномалий выяснило их тесную связь с геологической структурой верхних частей земной коры, гл. обр. в отношении содержания в них магнитных минералов, и вызвало к жизни особую отрасль магнитометрии, имеющую прикладное значение и ставящую своей задачей применение магнитометрии, измерений к горной разведке. Такие аномальные районы, имеющие уже в настоящее время большое промышленное значение, находятся на Урале, в Курском округе, в Кривом Роге, в Швеции, в Финляндии и в др. местах. Для исследования магнитного поля таких областей разработана специальная аппаратура (магнитометр Тиберга-Талена, локальвариометры и т. д.), позволяющая быстро получить нужные результаты измерений. Изучение магнитного поля земли в каком-либо одном пункте обнаруживает факт изменений этого поля с течением времени. Детальное исследование этих временных вариаций элементов земного магнетизма привело к установлению их связи с жизнью земного шара в целом. В вариациях находят свое отражение вращение земли около оси, движение земли по отношению к солнцу и еще целый ряд явлений космического порядка. Изучение вариаций ведется специальными магнитными обсерваториями, снабженными, кроме точных приборов для измерений элементов магнитного поля земли, еще специальными установками для непрерывной записи временных изменений магнитных элементов. Такие приборы носят название вариометров , или магнитографов , и служат обычно для записи вариаций D, Н и Z. Прибор для записи вариаций склонения (вариометр D , или унифиляр ) имеет магнит с прикрепленным к нему зеркальцем, свободно висящий на тонкой нити. Вариации склонения, заключающиеся в поворотах плоскости магнитного меридиана, заставляют подвешенный таким способом магнит поворачиваться. Брошенный из специального осветителя луч, отразившись от зеркальца магнита, дает перемещающееся световое пятно, которое оставляет след в виде кривой на светочувствительной бумаге, навернутой на вращающийся барабан или опускающейся вертикально. Линия, прочерченная лучом, отраженным от неподвижного зеркальца, и отметки времени позволяют по полученной магнитограмме найти изменение D для любого момента времени. Если закручивать нить, вращая верхнюю точку ее прикрепления, то магнит выйдет из плоскости магнитного меридиана; надлежащим закручиванием можно поставить его в положение, перпендикулярное первоначальному. В новом положении равновесия на магнит, с одной стороны, будет действовать Н, с другой - момент закрученной нити. Всякое изменение горизонтальной слагающей вызовет изменение положения равновесия магнита, и такой прибор будет отмечать вариации горизонтальной составляющей (вариометр Н , или бифиляр , если магнит подвешен на двух параллельных нитях). Запись этих вариаций ведется таким же образом, как и запись изменений склонения. Наконец, третий прибор, служащий для записи вариаций вертикальной составляющей (весы Ллойда , вариометр Z ), имеет магнит, колеблющийся, подобно коромыслу весов, около горизонтальной оси. Надлежащим перемещением центра тяжести с помощью передвижного грузика магнит этого прибора приводят в положение, близкое к горизонтальному, и устанавливают обычно так, чтобы плоскость движений магнита была направлена перпендикулярно плоскости магнитного меридиана. В таком случае положение равновесия магнита определяется действием Z и веса системы. Изменение первой величины вызовет некоторый наклон магнита, пропорциональный изменению вертикальной составляющей. Эти изменения наклона регистрируются, подобно предыдущему, фотографическим путем и дают материал для суждений о вариациях вертикальной составляющей.

Если подвергнуть кривые, записанные магнитографами (магнитограммы ), анализу, можно найти на них целый ряд особенностей, из которых прежде всего бросится в глаза отчетливо выраженный суточный ход. Положение максимумов и минимумов суточного хода, а равно и их значения изо дня в день меняются в небольших пределах, и поэтому для характеристики суточного хода составляются некоторые средние кривые за какой-либо интервал времени. На фиг. 5 даны кривые изменения D, H и Z для обсерватории в Слуцке за сентябрь 1927 г., на которых хорошо заметен суточный ход элементов.

Наиболее наглядным способом изображения вариаций является т. н. векторная диаграмма , представляющая движение конца вектора F с течением времени. Две проекции векторной диаграммы на плоскости yz и ху даны на фиг. 6. Из этой фиг. видно, как отражается на характере суточного хода время года: в зимние месяцы колебания магнитных элементов значительно меньше, чем в летние.

Кроме вариаций, обусловленных суточным ходом, на магнитограммах иногда замечаются резкие изменения, достигающие нередко весьма больших значений. Такие резкие изменения магнитных элементов сопровождаются рядом других явлений, как то: полярных сияний в арктических областях, появлением индуцированных токов в телеграфных и телефонных линиях, и т. д., и называются магнитными бурями . Между вариациями, обусловленными нормальным ходом, и вариациями, вызванными бурями, существует коренное различие. В то время как нормальные изменения протекают для каждого пункта наблюдений по местному времени, вариации, причиной которых являются бури, протекают одновременно для всего земного шара. Это обстоятельство указывает на различную природу вариаций обоих типов.

Стремление объяснить наблюдаемое наземной поверхности распределение элементов земного магнетизма привело Гаусса к построению математической теории геомагнетизма. Изучение элементов земного магнетизма со времени первых геомагнитных измерений обнаружило существование т. н. векового хода элементов, и дальнейшее развитие теории Гаусса заключало среди прочих задач и учет этих вековых вариаций. В результате работ Петерсона, Неймайера и других исследователей имеется теперь формула для потенциала, учитывающая и этот вековой ход.

Среди гипотез, предложенных для объяснений суточного и годового хода геомагнитных элементов, надо отметить гипотезу, предложенную Бальфур-Стюартом и развитую Шустером. По мысли этих исследователей, в высоких электропроводящих слоях атмосферы под термическим действием солнечных лучей возникают перемещения газовых масс. Магнитным полем земли в этих движущихся проводящих массах индуцируются электрические токи, магнитное поле которых и проявляется в виде суточных вариаций. Эта теория хорошо объясняет уменьшение амплитуды вариаций в зимние месяцы и выясняет превалирующую роль местного времени. Что касается магнитных бурь, то ближайшее исследование показало их тесную связь с деятельностью солнца. Выяснение этой связи привело к следующей общепризнанной в настоящее время теории магнитных возмущений. Солнце в моменты наиболее интенсивной своей деятельности выбрасывает потоки электрически заряженных частиц (например, электронов). Такой поток, попадая в верхние слои атмосферы, ионизирует ее и создает возможность протекания интенсивных электрических токов, магнитное поле которых и является теми пертурбациями, которые мы называем магнитными бурями. Такое объяснение природы магнитных бурь хорошо согласуется с результатами теории полярных сияний, развитой Штермером.