Бесплатный фрагмент - Вековые вариации магнитного поля Земли
Научно-популярное издание
Предисловие
Однажды в университетской библиотеке мне в руки попала научная статья, в которой описывался метод датирования изделий из обожженной глины. Не дочитав первый лист статьи, я уже понял, что тема моей дипломной работы будет связана с археомагнитным датированием.
В университетской палеомагнитной лаборатории я получил бесценный опыт по работе с образцами керамики, освоив трудоемкий процесс извлечения информации о древнем поле из обломка глиняной вазы. Дипломная работа была написана и успешно защищена, затем были годы аспирантуры и успешная защита кандидатской диссертации на археомагнитную тему.
Профессия археомагнитолога окутана ореолом романтики — пласты горных пород, древние артефакты, находки, открытия… Но на самом деле это нелегкий и кропотливый труд, многочасовая лабораторная обработка коллекций образцов, систематизация и обсуждение полученных результатов. Тем не менее, возникает любовь к этой профессии и поселяется в сердце, иногда — на всю жизнь.
Итак, вековые вариации магнитного поля Земли… На их основе базируются современные палеомагнитные модели и опорные кривые векового хода геомагнитного поля, позволяющие производить точный палеоанализ и археомагнитную датировку. От точного анализа и прогноза вековых вариаций зависит качество работы навигационных систем и систем радиосвязи.
Особое значение имеют экологические аспекты взаимодействия вековых изменений магнитного поля Земли с биосферой, от которых зависит сохранение жизни на нашей планете.
В системе наук о Земле эти научные направления являются одними из самых интересных, они поражают наше воображение и помогают понять и оценить совершенство законов окружающего нас мира.
В книге в простой и доступной форме рассказывается об этих удивительных свойствах нашей планеты. Надеюсь, что читателям эта книга понравится, и в ней они найдут много нового и интересного.
Виктор Харебов
(Торонто, 2023)
Магнитное поле Земли
Источники магнитного поля
Наша планета состоит из трех основных слоев: земной коры, мантии и ядра (рис. 1).
Земная кора — это внешняя оболочка толщиной несколько десятков километров. На долю этого слоя приходится примерно 5% объема и менее 1% массы всей Земли.
Под земной корой находится мантия — это слой толщиной примерно 2900 км, на долю мантии приходится 83% объема и примерно 70% массы всей планеты.
На глубине порядка 2900 км от земной поверхности располагается земное ядро. Ядро имеет форму шара радиусом 3500 км, состоящее из железа с примесью других металлов. Ядро является самой плотной частью планеты, на его долю приходится всего 15% общего объема и 35% массы Земли.
Ядро Земли состоит из двух частей — твердого внутреннего ядра, радиус которого примерно 1300 км, и жидкой внешней оболочки ядра толщиной примерно 2200 км.
Внешняя жидкая оболочка холоднее внутреннего ядра, поэтому происходит тепловое перемешивание жидких потоков (конвекционные течения).
геомагнитного поля
Ближние к внутреннему ядру слои жидкой оболочки вращаются вокруг земной оси быстрее, чем слои, расположенные дальше от ядра. В результате градиента скорости вращения на слои жидкого железа начинает действовать сила Кориолиса, которая заставляет эти слои отклоняться и образовывать спиралевидные траектории, а слабое внешнее поле следует за этими траекториями, постепенно образуя искаженные кольца. Таким образом возникают электрические контуры, которые, в свою очередь, усиливают внешнее поле (динамо-эффект).
Малейшего теплового движения во внешней оболочке земного ядра достаточно для возникновения начального электрического контура, создающего внешнее магнитное поле, которое впоследствии усиливается динамо-эффектом, и в конечном итоге образует магнитное поле Земли. Дополнительный усиливающий эффект могут создавать слабые внешние (в том числе и космические) поля, пронизывающие электрические контуры.
Морфология вековых вариаций
Наблюдаемое на поверхности Земли магнитное поле можно представить в виде суммы трех полей:
• главного геомагнитного поля, источники которого находятся во внешнем электропроводящем ядре,
• аномального, создаваемого намагниченными горными породами,
• и внешнего, источники которого находятся в верхних слоях атмосферы.
Вклад главного геомагнитного поля составляет более 95%, аномальное поле составляет около 3% геомагнитного поля, а внешнее поле, связанное с солнечно-земными взаимодействиями, — менее 1%.
Установлены следующие свойства магнитного поля Земли:
• Главное магнитное поле, усредненное за достаточно большой промежуток времени, носит преимущественно дипольный характер.
• Магнитный полюс перемещается внутри малой области, его положение близко к географическому полюсу.
• Источник геомагнитного поля одинаков за всю историю Земли и связан с ее вращением.
• Напряженность магнитного поля и его направление за всю историю Земли имели тот же порядок величины, что и у современного поля.
• Инверсии поля происходили на протяжении всего времени существования главного магнитного поля и связаны с перераспределением системы токов в жидком земном ядре.
Магнитные характеристики геомагнитного поля (магнитный момент, модуль напряженности поля и его компоненты) не являются постоянными величинами, они периодически изменяются по величине и направлению. Эти изменения в течение последних 400 лет можно проследить на основе прямых измерений и расчетных данных. Для прошлых эпох применяются архео- и палеомагнитные методы изучения истории магнитного поля Земли.
Палеомагнитные исследования основаны на свойстве горных пород с железосодержащими компонентами намагничиваться в окружающем ее магнитном поле, и при остывании запоминать информацию о величине и направлении этого поля. С помощью специальных физических методов можно извлечь эту информацию, по которой можно судить о состоянии поля той эпохи, в которой происходило остывание породообразующей лавы. Результаты показывают, что в прошлые эпохи магнитное поле существенно менялось по величине и направлению, а также многократно меняло свою полярность (инверсии палеополя).
Область археомагнитных исследований ограничена гораздо меньшим промежутком времени и тесно связана с археологическими находками изделий из обожженной глины.
Древняя керамика, кирпичи, срезы стенок печей для обжига изделий из глины являются объектами археомагнитных исследований. Глины содержат магнитные окислы железа, поэтому при обжиге и последующем остывании изделия из глины «запоминают» информацию о магнитном поле точно так же, как и горные породы при их остывании.
Мне остается сказать, по какому закону природы
То происходит, что камень притягивать может железо.
Камень же этот по имени месторожденья магнитом
Назван был греками, так как он найден в пределах
⠀⠀⠀⠀ ⠀⠀⠀⠀ ⠀⠀⠀⠀ ⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀магнетов.
Люди весьма удивляются камню такому. Он часто
Цепь представляет из звеньев, держащихся сами собою.
Можешь увидеть ты пять таких звеньев, порой даже
⠀⠀⠀ ⠀⠀⠀⠀ ⠀⠀⠀⠀ ⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀⠀больше.
Распределенные рядом, качаясь от легкого ветра,
Звенья такие свисают, одно под другим прилепившись.
Звенья одно от другого всю силу и цепкость приемлют.
Вот как здесь действует этого камня текучая сила…
Лукреций Кар, «О природе вещей»
В результате археомагнитных работ удалось восстановить пространственно-временную структуру археомагнитного поля за последние 10000 лет. С помощью спектрального анализа археомагнитных данных были получены сведения о вековых вариациях магнитного поля Земли с различными временными характеристиками.
Анализ археомагнитных рядов показал, что магнитное поле Земли имело дипольную структуру в течение последних 10000 лет, отклонение от дипольного характера поля сравнимо с недипольной частью современного геомагнитного поля.
Спектр вековых вариаций дискретен, выявлены медленные колебания поля (8000, 1800 и 1200-летние), на которые налагаются быстрые колебания (600, 360-летние). Изменение магнитного момента Земли обусловлено основным колебанием поля с периодом 8000 лет.
Изменение направления геомагнитного поля связано с прецессией геомагнитой оси вокруг географической в направлении против часовой стрелки. Один оборот прецесии составляет по длительности 1200 лет, а полный цикл вековых изменений — примерно 100000 лет.
На Рис. 2 приведены спектральные характеристики основных вековых вариаций:
Считается, что в среднем амплитуда напряженности современного геомагнитного поля равна 50 микротесла (µТ). Таким образом, вековые вариации вносят вклад в изменения геомагнитного поля от 1% до 50% от его среднего значения в наши дни.
Модели геомагнитного поля
В соответствии с общей теорией геомагнетизма Гаусса главное геомагнитное поле состоит из дипольной и недипольной частей и может быть математически смоделировано.
Модель центрального диполя. В модели центрального диполя геомагнитный полюс (точка пересечения оси диполя с поверхностью Земли) обладает свойством вертикальности силовых линий дипольного поля (магнитное наклонение равно 90° в Северном и –90° в Южном полушариях). Ось центрального диполя помещена в начало сферической системы координат (в центр Земли) и совпадает с географической осью (см. рис. 1).
Модель наклонного диполя. Дипольная ось в модели наклонного диполя наклонена к оси вращения Земли на угол 10—12 градусов.
Модель эксцентричного диполя. Ось эксцентричного диполя смещена относительно центра Земли.
Геомагнитное поле наиболее полно описывают модели IGRF (Международное геомагнитное аналитическое поле) и WMM (Всемирная магнитная модель). В этих моделях используется разложение потенциала геомагнитного поля в сферический гармонический ряд, предложенный К. Ф. Гауссом в 1838 году.
IGRF-13 была предложена в декабре 2019 года и предоставляет модель DGRF для эпохи 2015.0, модель IGRF для эпохи 2020.0 и прогнозирующую модель вековых вариаций IGRF для 5-летнего временного интервала с 2020.0 по 2025.0.
Модель представлена разложением скалярного потенциала главного геомагнитного поля по сферическим гармоникам, разложение ограничивается коэффициентами от 1-й до 13-й степени и от 0-го до 13-го порядка (в прогностической вариации от 1-го по 8-й и от 0-го по 8-й соответственно), округлённых до 0,1 нТ.
Сферический гармонический ряд можно свести к дипольным моделям следующим образом. Если в разложении удержать только первый член ряда, то полученная модель будет эквивалентна модели центрального диполя.
При удержании бо́льшего числа членов сферического гармонического ряда получают эксцентричные модели с произвольным положением магнитных диполей, значениями и ориентировкой их вектора магнитного момента.
Перечисленные выше модели используются не только для наземных исследований, но и для ориентации космических спутников, навигации пилотируемых и беспилотных космических аппаратов и для других задач освоения космического пространства.
Магнитные карты
Главное геомагнитное поле определяется как поле, полученное усреднением измеренных величин по временному интервалу около года на площади приблизительно 106 км2.
На Рис. 3—5 приведены карты изолиний компонент геомагнитного поля (магнитной напряженности, склонения и наклонения) для 2020 года. Их называют магнитными картами. Изолинии склонения — изогоны, изолинии наклонения — изоклины, изолинии напряженности поля — изодинамы.
Полные данные о моделях геомагнитного поля, координатах полюсов, программ для вычислений и другой документации размещены на сайтах WMM и IGRF:
http://www.ngdc.noaa.gov/geomag/WMM/image.shtml
Модель IGRF:
https://www.ngdc.noaa.gov/IAGA/vmod/igrf.html
Модель WMM:
https://www.ngdc.noaa.gov/geomag/WMM/
Калькулятор поля:
https://www.ngdc.noaa.gov/geomag/calculators/magcalc.shtml#igrfwmm
Документацию и рисунки, размещенные на этих сайтах, можно свободно копировать и использовать без авторских ограничений.
Кривые векового хода
Предмет и методы исследований
Высокоточное вычисление параметров магнитного поля Земли с помощью современных моделей (IGRF и WMM), а также определение их пространственно-временных характеристик и магнитное картирование возможны для промежутка времени порядка 400 лет. Параметры современного поля и построенные на их основе магнитные карты отличаются высокой точностью и широко применяются в геофизических исследованиях, экологических прогнозах, наземной и спутниковой навигации.
Для исследований геомагнитного поля последних 10000 лет используют изделия из обожженной глины (керамика, кирпичи, печи для обжига, очаги). А для временного отрезка, насчитывающего миллионы лет применяют данные о палеополе, получаемые при обработке намагниченных горных (лавовых) пород и осадочных отложений.
Измерения величины и направления остаточной намагниченности вулканических (лавовых) пород, а также образцов из печей для обжига, очагов и других артефактов, не смещенных с места своего последнего обжига, дают информацию о наклонении, склонении и напряженности древнего поля. Частично ориентированные артефакты (кирпичи, основания или венчики керамических изделий) могут дать сведения о напряженности и наклонении древнего поля. Неориентированные фрагменты керамики дают сведения только о напряженности древнего поля.
Получаемые данные о геомагнитном поле прошлых эпох имеют погрешности, часто превышающие допустимые величины. Чтобы получить данные с удовлетворительной точностью, прибегают к различным методам корректировки — увеличивают число образцов в коллекциях, применяют различные методы математической статистики и теории погрешностей.
Обширные коллекции образцов могут быть получены на территориях стран, где возникли очаги древних цивилизаций (Египет, Месопотамия, Финикия, Малая Азия, Кавказ, крито-микенская цивилизация, цивилизации майя, ацтеков и инков и др.).
Перед началом проведения исследований обычно производят предварительную датировку другими методами (археологический, радионуклидный, термолюминесцентный и др. методы датирования), чтобы заранее иметь представление о временном отрезке, которому принадлежит исследуемая коллекция образцов.
Совсем недавно группой ученых из университетов Манчестера и Эдинбурга был предложен новый метод датировки керамики (регидроксиляционное датирование), основанный на зависимости количества поглощенной керамикой воды от ее возраста. Сначала образец взвешивается на точных весах, затем производится его сушка по специальной методике.
После окончания сушки определяется потеря веса образца при высокотемпературном нагреве из-за удаления связанной воды из пор образца. По разности значений первоначального веса и веса после сушки, а также по скорости испарения связанной воды определяется возраст керамики.
Бесплатный фрагмент закончился.
Купите книгу, чтобы продолжить чтение.