Земний магнетизм 1

Земної МАГНЕТИЗМ. відділ геофізики, що вивчає магнітне поле землі. Нехай напруженість магнітного поля в даній точці зображується вектором F (фіг. 1). Вертикальна площина, що містить цей вектор, називається площиною магнітного меридіана. Кут D, укладений між площинами географічного і магнітного меридіанів, носить назву відміни. Розрізняють відміни східне і західне. Прийнято відзначати східні відміни знаком плюс, західні - знаком мінус. Кут I, утворений вектором F з площиною горизонту, називається нахилом. Проекція Н вектора F на горизонтальну площину називається горизонтальної складової, а проекція Z на вертикальну пряму позначається терміном вертикальна складова.

Основними приладами для вимірювання елементів земного магнетизму є в даний час магнітний теодоліт і різні системи інклінатор. Призначення магнітного теодоліта - вимір горизонтальної складової магнітного поля і відміни. Горизонтально розташований магніт, який може обертатися навколо вертикальної осі, встановлюється під дією магнітного поля землі своєї віссю в площині магнітного меридіана. Якщо його вивести з цього стану рівноваги і надати потім самому собі, то він почне коливатися близько площині магнітного меридіана з періодом Т, що визначаються формулою:

де К - момент інерції коливної системи (магніт і оправа) і М - магнітний момент магніту. Визначивши зі спеціальних спостережень величину К, можна зі спостереження періоду Т знайти значення твору МН. Потім поміщають магніт, період коливання якого визначено, на деякій відстані від іншого, допоміжного магніту, теж має можливість обертатися навколо вертикальної осі, і орієнтують перший магніт так, щоб центр другого магніту виявився на продовженні магнітної осі першого. В такому випадку на допоміжний магніт буде крім Н діяти і поле магніту М, яке м. Б. знайдено за формулою:

де В - відстань між центрами обох магнітів, а, b. - деякі постійні. Магніт вийде з площини магнітного меридіана і стане у напрямку рівнодіючої цих двох сил. Не зраджуючи відносного розташування частин установки, знаходять таке положення відхиляє магніту, при якому названа рівнодіюча буде перпендикулярна до нього (фіг. 2). Вимірюючи для цього випадку кут відхилення v, можна зі співвідношення sin v = f / Hнайті значення відносини З отриманих значень МН і H / M визначають горизонтальну доданків Н. В теорії земного магнетизму має поширення одиниця, що позначається символом γ, рівна 0,00001 Гаусса. Магнітний теодоліт можна застосовувати в якості деклінатора, приладу для вимірювання відміни. Поєднуючи візирну площину з напрямком магнітної осі підвішеного на нитці магніту, приводять її в збіг з площиною магнітного меридіана. Щоб отримати відлік на колі, відповідному наведення візирного пристосування на географічний північ, досить зробити наведення на який-небудь об'єкт, істинний азимут якого відомий. Різниця відліків географічного і магнітного меридіанів і дає величину відмінювання.

Інклінатор - прилад для вимірювання I. Сучасна магнітометрія має два типи приладів для вимірювання способу - інклінатор стрілочний і індукційний. Перший прилад має магнітну стрілку, що обертається близько горизонтальній осі, вміщеній в центрі вертикального лімба. Площина руху стрілки поєднується з площиною магнітного меридіана; в такому випадку в ідеальних умовах магнітна вісь стрілки в положенні рівноваги співпаде з напрямком магнітної напруги в даному пункті, і кут між напрямком магнітної осі стрілки і горизонтальною лінією дасть величину I. В основу конструкції індукційного інклінатор (земного індуктора) покладено явище індукції в провіднику, рухається в магнітному полі. Суттєвою особливістю приладу є котушка, що обертається близько одного зі своїх діаметрів. При обертанні такої котушки в магнітному полі землі в ній не з'являється ЕРС лише в тому випадку, коли її вісь обертання збігається з напрямком поля. Це положення осі, що відзначається відсутністю струму в гальванометрі, на який замкнута котушка, відраховується на вертикальному колі. Кут між напрямком осі обертання котушки і горизонтом буде кутом нахилу.

Згадані вище прилади є в даний час найбільш поширеними. Слід згадати особливо про магнітне теодолите Оглоблінского, який визначає значення H / M методом компенсації Н полем магніту, для якого визначається період коливання.

Останнім часом починають застосовуватися т.зв. електричні методи вимірювання Н, при яких відхилення проводяться не за допомогою відхиляє магніту, а за допомогою магнітного поля котушок. Для досягнення тієї точності, яка вимагається від магнітних вимірів (0,2-0,02% повної напруги), робочий струм порівнюється з струмом від нормальних елементів (компенсування за методом потенціометра).

Вимірювання, зроблені в різних пунктах земної поверхні, показують, що магнітне поле змінюється від пункту до пункту. У цих змінах можна помітити деякі закономірності, характер яких найкраще усвідомлюється з розгляду т. Н. магнітних карт (фіг. 3 і 4).

Якщо нанести на топографічній основі лінії, що з'єднують точки рівних значень якого-небудь елемента земного магнетизму, то така карта представить наочну картину розподілу цього елемента на місцевості. Відповідно різним елементам земного магнетизму є карти з різними системами изолиний. Ці ізолінії носять спеціальні назви, залежно від того, який елемент вони зображують. Так, лінії, що з'єднують точки рівних відмін, звуться ізогон (лінія нульових відмін отримала назву агоніческой лінії), лінії рівних способу - ізоклін і лінії рівних напружень - ізодініт. Розрізняють ізодінами горизонтальної, вертикальної складової і т. Д. Якщо побудувати такі карти для всієї поверхні земної кулі, то на них можна помітити такі особливості. В екваторіальних областях спостерігаються найбільші значення горизонтальної сили (до 0,39 Гаусса); у напрямку до полюсів горизонтальна складова зменшується. Протилежний характер змін має місце для вертикальної складової. Лінія нульових значень вертикальної складової називається магнітним екватором. Точки з нульовими значеннями горизонтальної сили називаються магнітними полюсами землі. Вони не збігаються з географічними і мають координати: північний магнітний полюс - 70,5 ° с. ш. і 96,0 ° з. д. (1922), південний магнітний полюс - 71,2 ° ю. ш. і 151,0 ° ст. д. (1912 г.). У магнітних полюсах землі перетинаються всі ізогони.

Детальне дослідження магнітного поля землі виявляє, що ізолінії йдуть далеко не так плавно, як це дається загальною картиною. На кожній такій кривій мають місце викривлення, що порушують плавний хід її. У деяких областях ці викривлення досягають настільки великих значень, що доводиться дану ділянку виділити в магнітному відношенні із загальної картини. Такі райони звуться аномальних, і в них можна спостерігати значення магнітних елементів, у багато разів перевищують нормальне поле. Дослідження магнітних аномалій з'ясувало їх тісний зв'язок з геологічною структурою верхніх частин земної кори, гл. обр. щодо змісту в них магнітних мінералів, і викликало до життя особливу галузь магнітометри, що має прикладне значення і яка ставить своїм завданням застосування магнітометри, вимірювань до гірської розвідки. Такі аномальні райони, які мають вже в даний час велике промислове значення, перебувають на Уралі, в Александріяом окрузі, в Кривому Розі, в Швеції, в Фінляндії і в ін. Місцях. Для дослідження магнітного поля таких областей розроблена спеціальна апаратура (магнітометр Тіберга-Талена, локальваріометри і т. Д.), Що дозволяє швидко отримати потрібні результати вимірювань. Вивчення магнітного поля землі в якомусь одному пункті виявляє факт змін цього поля з плином часу. Детальне дослідження цих тимчасових варіацій елементів земного магнетизму призвело до встановлення їх зв'язку з життям земної кулі в цілому. У варіаціях знаходять своє відображення обертання землі близько осі, рух землі по відношенню до сонця і ще цілий ряд явищ космічного порядку. Вивчення варіацій ведеться спеціальними магнітними обсерваторіями, забезпеченими, крім точних приладів для вимірювання елементів магнітного поля землі, ще спеціальними установками для безперервного запису тимчасових змін магнітних елементів. Такі прилади звуться варіометрів. або магнітографів. і служать зазвичай для запису варіацій D, Н і Z. Прилад для запису варіацій схилення (варіометр D. або уніфіляр) має магніт з прикріпленим до нього дзеркальцем, вільно висить на тонкій нитці. Варіації відміни, які полягають в поворотах площині магнітного меридіана, змушують підвішений таким способом магніт повертатися. Кинутий з спеціального освітлювача промінь, відбившись від дзеркальця магніту, дає переміщається світлову пляму, яка залишає слід у вигляді кривої на світлочутливої ​​папері, навернути на обертовий барабан або опускається вертикально. Лінія, прокреслена променем, відбитим від нерухомого дзеркальця, і позначки часу дозволяють за отриманою магнітограми знайти зміна D для будь-якого моменту часу. Якщо закручувати нитка, обертаючи верхню точку її прикріплення, то магніт вийде з площини магнітного меридіана; належним закручуванням можна поставити його в положення, перпендикулярне початкового. У новому положенні рівноваги на магніт, з одного боку, буде діяти Н, з іншого - момент закрученої нитки. Будь-яке зміна горизонтальної слагающей викличе зміна положення рівноваги магніту, і такий прилад буде відзначати варіації горизонтальної складової (варіометр Н. або біфіляр. Якщо магніт підвішений на двох паралельних нитках). Запис цих варіацій ведеться таким же чином, як і запис змін відмінювання. Нарешті, третій прилад, службовець для запису варіацій вертикальної складової (ваги Ллойда. Варіометр Z), має магніт, що коливається, подібно коромисла ваг, близько горизонтальній осі. Належним переміщенням центру ваги за допомогою пересувного грузика магніт цього приладу призводять до положення, близьке до горизонтального, і встановлюють зазвичай так, щоб площина рухів магніту була спрямована перпендикулярно площині магнітного меридіана. У такому випадку положення рівноваги магніту визначається дією Z і ваги системи. Зміна першої величини викличе певний нахил магніту, пропорційний зміни вертикальної складової. Ці зміни нахилу реєструються, подібно до попереднього, фотографічним шляхом і дають матеріал для суджень про варіації вертикальної складової.

Найбільш наочним способом зображення варіацій є т. Н. векторна діаграма. представляє рух кінця вектора F з плином часу. Дві проекції векторної діаграми на площині yz і ху дані на фіг. 6. З цієї фіг. видно, як відбивається на характері добового ходу пору року: в зимові місяці коливання магнітних елементів значно менше, ніж в літні.

Серед гіпотез, запропонованих для пояснень добового і річного ходу геомагнітних елементів, треба відзначити гіпотезу, запропоновану Бальфур-Стюартом і розвинену Шустером. На думку цих дослідників, в високих електропровідних шарах атмосфери під термічною дією сонячних променів виникають переміщення газових мас. Магнітним полем землі в цих рухомих проводять масах індукуються електричні струми, магнітне поле яких і проявляється у вигляді добових варіацій. Ця теорія добре пояснює зменшення амплітуди варіацій в зимові місяці і з'ясовує переважну роль місцевого часу. Що стосується магнітних бур, то найближчим дослідження показало їх тісний зв'язок з діяльністю сонця. З'ясування зв'язку з цим привело до наступної загальновизнаною в даний час теорії магнітних збурень. Сонце в моменти найбільш інтенсивної своєї діяльності викидає потоки електрично заряджених частинок (наприклад, електронів). Такий потік, потрапляючи у верхні шари атмосфери, іонізує її і створює можливість протікання інтенсивних електричних струмів, магнітне поле яких і є тими пертурбаціями, які ми називаємо магнітними бурями. Таке пояснення природи магнітних бур добре узгоджується з результатами теорії полярних сяйв, розвиненою Штермер.