Сфера применения магнитных методов, охватывающая области геомагнетизма, магнетизма горных пород, палеомагнетизма, магниторазведки, навигации на основе магнитометрии, воздействия изменения магнитного поля на здоровье людей, в том числе на экипажи летательных аппаратов и др., столь широка, что в рамках одной работы практически невозможно рассмотреть все аспекты.
аиболее впечатляющие результаты исследований геомагнетизма связаны с получением количественных данных по таким захватывающим воображение гипотезам, как дрейф континентов, спрединг морского дна и тектоника плит, движение географических и магнитных полюсов и т.д.
Напряженность магнитного поля Земли измеряется со спутников, самолетов, кораблей, в обсерваториях, систематизируется, формируется и записывается каждые 5 лет начиная с 1945 г. (несистематические измерения велись значительно раньше). Однако наглядного представления данных о магнитном поле Земли с целью их достоверного анализа и изучения для дальнейших фундаментальных и прикладных исследований в настоящее время недостаточно.
В настоящей работе анализируются направленность и величина изменений напряженности магнитного поля Земли за 1995-2005 гг., что имеет большое практическое значение, особенно для России, поскольку навигация в нашей стране связана преимущественно с использованием вектора и величины напряженности магнитного поля.
Общие сведения и структура данных
Реальное магнитное поле Земли является суммой нескольких составляющих: от ядра — главное геомагнитное поле (ГМП), от коры — поле локальных аномалий и от магнитосферы — поле внешних по отношению к объему Земли источников. Жидкое ядро Земли сильно нагрето, а потому не имеет постоянной намагниченности; происхождение главного поля приписывают наличию в ядре круговых токов, возникающих по механизму динамо.
Центральный (находящийся в центре Земли) магнитный диполь, лучше всего аппроксимирующий магнитное поле Земли, имеет магнитный момент 8.0×1022 Ам2, а его ось отклонена от оси вращения Земли примерно на 11.5°. Первый расчет этого магнитного момента был сделан Гауссом в 1835 г., тогда магнитный момент был равен 8.5х1022 Ам2; с тех пор поле Земли слабеет примерно на 5% за столетие.
П. Шарма считает, что «магнитное поле главного диполя Земли могло бы исчезнуть через 2000 лет и оставить без работы исследователей геомагнетизма в близком будущем». Если последнее верно, то основанные на использовании магнитного поля навигационные системы в России и других странах могли бы перестать работать в этот же период.
Предполагают существование инверсий главного ГМП. Около половины объема коры Земли намагничено в противоположную сегодняшнему главному полю сторону. Впрочем, недипольная часть главного поля (средней напряженности -10000 нТл при средней полной напряженности -45000 нТл), т.е. получаемая вычитанием поля диполя из главного ГМП, возможно, не подвержена инверсиям. Сегодняшнее главное поле изменяется в пространстве неравномерно, но имеет тенденцию в среднем смещаться к западу (западный дрейф). В настоящей работе динамика магнитного поля Земли не рассматривается.
Среднее значение горизонтальной составляющей напряженности главного ГМП -20000 нТл. Средняя напряженность внешнего поля от электрических токов в ионосфере много меньше (-20 нТл). Локальные аномалии поля от земной коры могут быть сравнительно большими, достигая 190 000 нТл для Курской магнитной аномалии, и не отображаются в масштабе 1:25000000. Магнитные бури могут вызывать изменения до 2000 нТл, но они кратковременны (день-два), во время бурь геомагнитные измерения обычно не ведутся.
Точки, где горизонтальная составляющая главного ГМП равна нулю, называются магнитными полюсами. Центральный магнитный диполь дает геомагнитные полюса, не совпадающие с магнитными полюсами (в данной работе геомагнитные полюса не определялись). Магнитные полюса не являются антиподами. Они соответствуют эксцентричному диполю, расположенному примерно в 300 км от центра Земли и наклоненному к оси вращения Земли на угол 11.5°.
Находящийся близ Северного географического полюса магнитный полюс условились называть северным магнитным полюсом, хотя ему отвечает южный полюс главного диполя (аналогично с южным магнитным полюсом). Линия, на которой вертикальная составляющая магнитного поля равна нулю, называется магнитным экватором.
Севернее этого экватора главное поле имеет вертикальную составляющую, направленную к центру Земли, южнее — от центра Земли. Магнитным меридианом называется линия, в каждой точке которой касательная к ней параллельна вектору горизонтальной напряженности главного поля.
Три компоненты вектора главного поля F обозначаются X, Y, Z. Компонента X направлена на географический север, Y — на восток, Z — к центру Земли. Горизонтальная компонента вектора главного поля обозначается через Н. Склонением поля (D) называется угол между вектором Н горизонтальной составляющей и географическим меридианом, наклонением (I) — угол между вектором F полной напряженности и вектором Н.
Геомагнитные полюса отражают только главный диполь ГМП; в противоположность магнитным полюсам, им не соответствует уменьшение горизонтальной составляющей главного ГМП до нуля.
На практике (в навигации и др.) используют магнитные, а не геомагнитные полюса. Напряженность главного ГМП, так же как и магнитного поля Земли, измеряется со спутников, самолетов, кораблей, обсерваторий и начиная с 1945 г. систематически (каждые 5 лет) записывается. Этот период в применении к магнитному полю называется эпохой.
Определенное в этих систематических измерениях главное ГМП известно как Международное эталонное геомагнитное поле (МЭГП). В МЭГП записывается также скорость изменения ГМП в каждой точке. Результаты этих измерений пересчитываются в потенциал главного поля и скорость его изменения. Значение поля в точке между датами измерения в данной точке в пределах эпохи определяется по полю и скорости его изменения путем линейной интерполяции.
Значения вектора напряженности главного ГПМ рассчитывают как минус градиент потенциала для выбранной даты и высоты над уровнем океана.
Подготовкой данных МЭГП занимается Международная ассоциация геомагнетизма и аэрономии. Эти данные представляются разложением по сферическим гармоникам путем пересчета векторов полной напряженности в коэффициенты потенциала главного ГМП по формуле
где R — средний радиус Земли (6371.2 км). Потенциал V удовлетворяет уравнению Лапласа = 0 и в написанном виде уже отвечает отсутствию электрических токов вне объема Земли. Сферические гармоники есть функции (0, X).; доказано, что они однозначны и непрерывны на поверхности единичной сферы. Коэффициенты есть функции времени, и для МЭГП они принимаются изменяющимися с постоянной за эпоху скоростью. Таблица коэффициентов с 1900 по 2000 гг. в виде файла для программы Excel доступна в Интернете.
Наибольший вклад в потенциал V дает член с коэффициентом, который пропорционален cos и описывает поле центрального магнитного диполя, направленного вдоль оси вращения Земли. Добавление двух следующих членов (пропорциональных Р или sin0) приводит к наклону оси диполя, а следующие старшие члены смещают его на расстояние -300 км от центра Земли.
Для эпох до 2000 г. генерации основывались на N=10 (120 коэффициентов Гаусса), для 2000 г. N=13 (195 коэффициентов), и коэффициенты Гаусса даны уже с точностью не 1 нТл, а 0.1 нТл. Для расчета скорости изменения главного ноля используется та же формула при N=8 (80 коэффициентов). По данным за 1995, 2000 и 2005 гг. нами и проводились расчеты для высоты над уровнем океана нуль с пересчетом из геоцентрической в геодезическую систему координат, основанную на референц-эллипсоиде WGS-84 с длинами полуосей а = 6378.137 км, b = 6356.752 км.
Расчеты в опорных точках производились с помощью сетевой программы Британской геологической службы, число этих точек составляло 1768. Каждая точка содержала долготу, широту, три компоненты (X, Y, Z) вектора напряженности главного ГМП, модуль горизонтальной составляющей главного поля угол склонения D и угол наклонения I.
Система опорных точек на карте была нерегулярной, со сгущением у магнитных полюсов, для более точного определения их положения. Значения |Н| в опорных точках интерполировались в матрицу |Н| с разрешением 1 градус по широте и 1 градус по долготе (64800 элементов в матрице), причем алгоритм интерполяции использовавшейся программы «Аналитическая ГИС Эко» не менял значений в опорных точках.
По этой матрице были сгенерированы изолинии, отвечающие значениям |Н|, равным 500, 1000, 2000, 4000, 40000 нТл (величина |Н| менялась от 0 до 41380 нТл). В связи с необходимостью корректного учета границ матрицы изолинии |Н| рассчитывались до 87° с.ш. Магнитные полюса определялись из равенства |Н| = 0. Полная напряженность главного ГМП |F| изменялась от 22 870 до 67140 нТл.