Земной магнетизм и его элементы. Магнитные направления

К основным характеристикам магнитного поля Земли, которые называют элементами земного магнетизма, относятся: напряженность (Н т), горизонтальная (Н) и вертикальная (Z) составляющие полного вектора напряженности Н т, магнитное склонение (D) и наклонение (I). Направление полного вектора напряженности определяет направление магнитных силовых линий, т. е. линий,в каждой точке которых вектор Н т, направлен по касательной к ним. Магнитным склонением называют угол между направлением географического меридиана и вектором Н (или направлением магнитного меридиана). В случае если магнитная стрелка отклоняется вправо от географического меридиана, то склонение называют восточным (или положительным), если влево, то склонение будет западным (отрицательным). Наклонение - ϶ᴛᴏ угол между горизонтальной плоскостью и полным вектором напряженности Н т. Величина I изменяется от –90 0 (Южное полушарие) до +90 0 (Северное полушарие).Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, при направлении вектора Н т к поверхности Земли наклонение считается положительным, а от Земли вверх – отрицательным.

Элементы земного магнетизма измеряют в различных точках земного шара в процессе проведения магнитных съемок на суше, в морях, океанах, атмосфере. Первая магнитная съемка в России была проведена в 1586 ᴦ. в устье р.Печоры. К 1917 ᴦ. уже насчитывалось 8000 съемок; в период 1931 – 1936 гᴦ. была осуществлена генеральная магнитная съемка, в ходе которой проведено 12000 измерений. К 1950 ᴦ. число магнитометрических пунктов достигло 26000. Результаты измерений представляют в виде магнитных карт, которые отражают в изолиниях пространственное распределœение какого-либо одного элемента (Н, Z, D, I). Первую карту построил Галлей (1700 ᴦ.) Карты строятся для регионов и земного шара в целом на определœенный момент времени, в качестве такого момента выбрана середина года (1 июля) - ϶ᴛᴏ так называемая магнитная эпоха. Мировые карты строят Англия, Россия, США. Кроме карт составляется каталог магнитных данных.

Изолинии значений D называются изогонами. Карта изогон напоминает ход меридианов: изогоны выходят из одной области, сходятся в другой, почти противоположной. Отличие от меридианов, которые сходятся в районе полюсов, состоит в том, что в каждом полушарии имеются по две области сходимости изогон: одна - ϶ᴛᴏ магнитный полюс, другая – географический. Там значения D изменяются в пределах ±180 0 .

Линии равных значений I – изоклины. Карты изоклин представляют собой семейство кривых широтного направления. Нулевая изоклина (магнитный экватор) огибает земной шар вблизи экватора, удаляясь от него на 15 0 в районе Южной Америки.В районе южного магнитного полюса (Северное полушарие) I = +90 0 , в районе Северного магнитного полюса (Южное полушарие) I = -90 0 .

Линии равных значений Н и Z – изодины. Карты изодин (Z) повторяют карты изоклин: на магнитном экваторе Z = 0; на полюсах Z = Н т = 48-55 А/м. Значения горизонтальной составляющей Н т – Н изменяются от Н = 0 на полюсах до Н = 32 А/м на магнитном экваторе, где Н = Н т.

На картах изопор показывается скорость смещения какого-либо ЭЗМ. Период полного обращения МПЗ примерно 2 тыс. лет.

Для определения и выдерживания курса на ВС используются магнитные курсовые приборы, принцип действия которых основан на использовании магнитного поля Земли. Земля представляет собой большой естественный магнит, вокруг которого существует магнитное поле. Магнитные полюсы Земли не совпадают с географическими. Северные магнитный полюс расположен в северной части Канады, южный – в Антарктиде. Положение магнитных полюсов медленно меняется, магнитное поле Земли в каждой точке характеризуется напряженностью, склонением и наклонением.

Напряженность – это сила, с которой магнитное поле действует в данной точке. Вектор напряженности направлен не по горизонту, а под некоторым углом к нему. Этот угол называется углом магнитного наклонения Θ. На магнитном экваторе наклонение Θ=0 0 , а на магнитных полюсах Θ=90 0 . Если стрелку магнитного компаса установить на точечную опору, то она наклонится вниз относительно плоскости истинного горизонта на угол магнитного наклонения. То есть стрелка устанавливается по направлению вектора . На магнитном экваторе, где Θ=0 0 , стрелка займет горизонтальное, а на магнитном полюсе, где Θ=90 0 , магнитная стрелка займет вертикальное положение.

Для устранения наклона магнитной стрелки в авиационных компасах в северном полушарии утяжеляют южный конец стрелки, а в южном – северный или смещают точку опоры магнитной стрелки. Вектор напряженности магнитного поля Земли можно разложить на горизонтальную составляющую , расположенную в плоскости истинного горизонта, и вертикальной составляющей , направленную к центру Земли.

Величины горизонтальной и вертикальной составляющих зависят от величины угла магнитного наклонения. Вертикальная составляющая =0 на магнитном экваторе и максимальна на магнитных полюсах. Горизонтальная составляющая является направляющей силой магнитной стрелки. Под действием силы стрелка устанавливается вдоль магнитной силовой линии, то есть по направлению север-юг. На магнитном экваторе сила =Max, а на магнитных полюсах равна 0. Поэтому в полярных районах, когда воздействие силы ослабевает, магнитные компасы работают неустойчиво, выдают неточные показания, что ограничивает, а порой исключает возможность их применения.

Компасные направления

Направление горизонтальной составляющей магнитного поля Земли приняли за исходную для отсчета магнитного курса и назвали его магнитным меридианом.

Магнитный меридиан в общем случае не совпадает с истинным (или географическим) и составляет с ним угол, называемый магнитным склонением Δ М. Магнитное склонение измеряется от 0 до ±180 0 и отсчитывается от истинного меридиана к востоку (вправо) со знаком «+», а к западу (влево) – со знаком «-». В зависимости от того, какой из меридианов взят за начало отсчета, различают магнитный и истинный курсы.

Истинный курс – это угол между северным направлением истинного меридиана, проходящего через ВС и продольной осью ВС.

Магнитный курс – это угол между северным направлением магнитного меридиана, проходящего через ВС и продольной осью ВС.

ИК=МК/± Δ М/

Кроме магнитного поля Земли на чувствительный элемент магнитного или индукционного компасов воздействует магнитное поле ВС, создаваемое ферромагнитными массами и токонесущими проводами. Стрелка магнитного компаса, оказываясь под воздействием магнитного поля Земли и магнитного поля ВС, устанавливается по результирующей этих магнитных полей.

Линия, вдоль которой устанавливается магнитная стрелка компаса, установленного на ВС, называется компасным меридианом.

Компасный курс – это угол между северным направлением компасного меридиана, проходящего через ВС и продольной осью ВС. Компасный и магнитный меридианы не совпадают.

Угол, заключенный между северным направлением магнитного меридиана и северным направлением компасного меридиана, называется девиацией компаса Δ К.

Девиация отсчитывается от магнитного меридиана к востоку (вправо) со знаком «+», а к западу (влево) – со знаком «-».

Магнитный компас КИ-13

Магнитный компас КИ-13 является автономным дублирующим измерителем компасного курса ВС. КИ-13 установлен на каркасе фонаря кабины летчиков по продольной оси ВС. Предназначен для определения магнитного курса полета ВС.

Принцип действия основан на использовании свойств свободно подвешенного магнита, устанавливается в плоскости магнитного меридиана. Чувствительный элемент прибора состоит из двух постоянных магнитов, закрепленных в картушке. На картушке закреплена шкала, отградуированная от 0 до 360 0 , с оцифровкой через 30 0 и ценой деления 5 0 . Внутренняя часть компаса заполняется лигроином, что позволяет демпфировать колебания картушки и уменьшить трение. В нижней части прибора имеется девиационное устройство для устранения полукруговой девиации. Компас имеет индивидуальный подсвет шкалы.

КИ-13 работает следующим образом. В прямолинейном горизонтальном полете картушка со шкалой с помощью двух параллельно расположенных стержней устанавливается в плоскости магнитного меридиана Земли и сохраняет относительно Земли неизменное направление. При повороте ВС относительно плоскости магнитного меридиана картушка со шкалой остаются в неизменном положении, а курсовая черта поворачивается вместе с корпусом прибора на тот же угол, что и ВС, показывая по шкале новый компасный курс.

Ошибки магнитного компаса КИ-13.

КИ-13 имеет следующие ошибки:

· застой картушки;

· увлечение картушки жидкостью;

· девиация;

· креновая девиация;

· северная поворотная ошибка.

Застой картушки – это угол, на который не доходит картушка до магнитного меридиана при медленном возвращении к нему. Причиной застоя меридиана является трение оси об опору. Застой картушки может наблюдаться при полетах в северных широтах ввиду малого значения горизонтальной составляющей магнитного поля Земли .

Увлечение картушки жидкостью проходит при разворотах вследствие инерции жидкости. После прекращения разворота жидкость еще некоторое время по инерции продолжает вращение, что приводит к запаздыванию прихода картушки к меридиану. При длительных виражах увеличение картушки может достигать скорости виража. Время успокоения картушки после сильного увлечения жидкостью до 2 минут.

Девиация – это основная методическая ошибка КИ-13, которая возникает вследствие воздействия на магнитную систему компаса магнитного поля ВС. Это приводит к тому, что магнитная система устанавливается вдоль компасного меридиана и КИ-13 указывает компасный курс. Величина и характер девиации зависят от магнитного поля ВС.

Девиация ΔК представляет собой сумму 3 составляющих: круговой ΔК КР, полукруговой ΔК п / КР и четвертной ΔК ЧЕТВ:

Δ К= Δ К КР + Δ К п / КР + Δ К ЧЕТВ

Круговая девиация ΔК КР от курса ВС не зависит и имеет постоянную величину. ΔК КР называется установочной ошибкой.

ΔК КР (установочная ошибка) компенсируется поворотом КИ-13 в месте крепления.

При развороте ВС на 360 0 ΔКп/ КР два раза меняет свой знак, два раза достигает нуля и два раза максимум, то есть меняется по синусоидальному закону.

ΔК п / КР устраняется штурманом на 4 основных курсах 0; 90; 180; 270 0 с помощью девиационного устройства в нижней части компаса.

ΔК ЧЕТВ при развороте ВС на 360 0 четыре раза меняет свой знак, четыре раза достигает максимума и четыре раза приходит к нулю.

ΔК ЧЕТВ для КИ -13 не устраняется, но списывается штурманом на 8 курсах 0; 45; 90; 135; 180; 225; 270; 315 0 и заносится в график поправок, который устанавливается в кабине пилотов.

Для отсчета магнитного курса по КИ – 13 необходимо в показания компасного курса КИ -13 внести поправку из графика установленного в кабине пилотов.

Креновая девиация – это разность показаний КИ-13 при горизонтальном и наклонном положении ВС. Креновая девиация появляется в полете при поперечных и продольных кренах, когда плоскость картушки имеет угол относительно плоскости ВС. Креновая девиация на ВС в практике не учитывается.

В горизонтальном полете плоскость картушки КИ-13 горизонтальна и расположена в плоскости магнитного меридиана. На магнитную систему компаса действует только горизонтальная составляющая , которая является направляющей силой для магнитных компасов.

Вертикальная составляющая магнитного поля Земли перпендикулярна плоскости картушки и никакого воздействия на магнитную систему не оказывает. При разворотах ВС на северных или южных курсах картушка под действием центробежной силы вместе с ВС отклоняется от плоскости меридиана на угол крена. При этом магнитная система компаса, оказываясь под воздействием двух составляющих – горизонтальной и вертикальной , устанавливается по равнодействующей и измеряет курс с ошибкой ΔМК. Эта ошибка носит название северной поворотной ошибки. Величина ее особенно велика при полетах в северных широтах, где угол магнитного наклонения Θ приближается к 80 0 - 90 0. Северная поворотная ошибка зависит не только от угла магнитного наклонения Θ, но и от угла крена ВС при развороте. Учитывается северная поворотная ошибка следующим образом. При выводе ВС из крена на северных курсах надо не доводить ВС до намеченного курса на величину крена разворота, а на южных курсах, наоборот проворачивать ВС на ту же величину крена. На курсах 90 0 и 270 0 северная поворотная ошибка равна нулю, так как вертикальная составляющая совпадает с плоскостью магнитного меридиана Земли. После перехода ВС в горизонтальный полет действие вертикальной составляющей земного магнетизма прекращается и показания компаса восстанавливаются.

Использование КИ-13

Перед вылетом внешним осмотром проверить прибор – крепление, уровень лигроина. Проверить наличие в кабине графика девиации.

Перед выруливанием на старт убедится, что КИ -13 указывает магнитный курс стоянки (с учетом ΔК ЧЕТВ).

На исполнительном старте после установки ВС вдоль оси ВПП проверить соответствие показаний КИ -13 курсу ВС (также с учетом ΔК ЧЕТВ).

В полете магнитный компас КИ – 13 является дублирующим курсовым прибором и используется экипажем при отказах ГМК-1А.

Однако в полете экипаж обязан постоянно сличать показания КМ – 8, УГР – 4УК и КИ -13, что позволит своевременно обнаружить отказ курсовой системы ГМК – 1А. При полете в неспокойной атмосфере наблюдаются колебания картушки КИ -13, которые могут достигать ±15 0 ÷ 20 0 . Поэтому при отсчете курса по КИ – 13 показания необходимо усреднять. Компас работает нормально при кренах ВС до 17 0 , свыше – картушка компаса задевает за внутренние части прибора, и он становится неработоспособн

Элементы земного магнетизма

Земля в целом представляет собой огромный шаровой магнит. В любой точке пространства, окружающего Землю, и ее поверхности обнаруживается действие магнитных силовых линий. Иными словами, в пространстве, окружающем Землю, создается магнитное поле, силовые линии которого изображены на рисунок 19.1. Северный магнитный полюс находится у южного географического, а южный магнитный – у северного. Магнитное поле Земли на экваторе направлено горизонтально, а у магнитных полюсов вертикально. В остальных точках земной поверхности магнитное поле Земли направлено под некоторым углом.

Существование магнитного поля в любой точке Земли можно установить с помощью магнитной стрелки. Если подвесить магнитную стрелку NS на нити L (рис. 19.2) так, чтобы точка подвеса совпадала с центром тяжести стрелки, то стрелка установится по направлению касательной к силовой линии магнитного поля Земли. В северном полушарии южный конец будет наклонен к Земле и ось стрелки составит с горизонтом угол наклонения q (на магнитном экваторе наклонение равно 0). Вертикальная плоскость, в которой расположится ось стрелки, называется плоскостью магнитного меридиана. Все плоскости магнитных меридианов пересекаются по прямой NS , а следы магнитных меридианов на поверхности Земли сходятся в магнитных полюсах N и S. Так как магнитные полюса не совпадают с географическими полюсами, то ось стрелки будет отклоняться от географического меридиана.

Магнитное поле кругового тока

Согласно теории, напряженность магнитного поля в центре О , создаваемого элементом длины dl кругового витка радиусом R , по которому протекает ток I , может быть определена по закону Био-Савара- Лапласа

и векторная запись этого закона имеет вид

В этом выражении: r – модуль радиуса-вектора , проведенного из элемента проводника dl в рассматриваемую точку поля; 1/4p - коэффициент пропорциональности для записи формулы в системе единиц СИ.

В рассматриваемом примере радиус-вектор перпендикулярен к элементу тока , а по модулю равен радиусу витка, так что

Вектор напряженности магнитного поля направлен перпендикулярно к плоскости чертежа, в которой лежат векторы и , ориентирован по правилу буравчика.

Принцип работы магнитного компаса основан на свойстве магнитной стрелки устанавливаться по направлению вектора напряженности магнитного поля, в котором она находится.

Землю и околоземное пространство окружает магнитное поле, силовые линии которого выходят из южного магнитного полюса, огибают земной шар и сходятся в северном магнитном полюсе. Магнитные полюса Земли не совпадают с географическими, их положение на 1970 г. определялось приближенно координатами: Северный - φ = = 75°N, λ = 99°W; Южный - φ = 66,5°S; λ = 140°Е. Принято считать, что на Южном магнитном полюсе сосредоточен положительный магнетизм, а на Северном - отрицательный.

Магнитное поле Земли характеризует вектор напряженности Т (полная сила земного магнетизма), который направлен по касательной к магнитным силовым линиям (рис. 9). В общем случае этот вектор составляет некоторый угол I с плоскостью истинного горизонта и не лежит в плоскости истинного меридиана.

Рис. 9. Элементы земного магнетизма

Вертикальная плоскость, проходящая через вектор напряженности магнитного поля Земли в данной точке, называется плоскостью магнитного меридиана. В этой плоскости устанавливается ось свободно подвешенной магнитной стрелки. След от пересечения плоскости магнитного меридиана плоскостью истинного горизонта называется магнитным меридианом.

Угол в плоскости истинного горизонта между истинным меридианом (полуденной линией N - S)и магнитным меридианом называется магнитным склонением (d). Склонение отсчитывается от северной части истинного меридиана к Е или W от 0 до 180°. Восточному (Е) склонению приписывают знак (+), а западному (W) - знак (-).

Угол между плоскостью истинного горизонта И вектором полной силы земного магнетизма называется магнитным наклонением (/). На магнитных полюсах наклонение максимально и равно 90°, а по мере удаления от полюсов уменьшается до нулю. Кривая на земной поверхности, образованная точками, в которых магнитное наклонение равно нулю, называется магнитным экватором.

Вектор напряженности магнитного поля Земли можно разложить на горизонтальную (Н) и вертикальную (Z) составляющие (см. рис. 9). Величины Т, Н, Z и I связаны соотношениями

Горизонтальная составляющая Н направлена по магнитному меридиану и удерживает в нем чувствительный элемент (стрелку, картушку) магнитного компаса. Как видно из (12), максимальное значение Н принимает при I - 0, т.е. на магнитном экваторе, и становится равным нулю на магнитных полюсах. Поэтому в близкополярных районах показания магнитного компаса не надежны, а на магнитных полюсах компас вообще не работает.

Величины d, I, H, Z называются элементами земного магнетизма. Из всех элементов наибольшее значение для судовождения имеет магнитное склонение. Распределение магнетизма на земной поверхности показывают на специальных картах элементов земного магнетизма. Кривыми линиями на карте соединены точки с одинаковыми значениями того или иного элемента. Линия, соединяющая точки с одинаковым значением склонения, называется изогоной. Изолиния нулевого склонения - агона разделяет районы с восточным и западным склонением. Величина магнитного склонения приводится также на морских навигационных картах.

Все элементы земного магнетизма подвержены изменениям по времени - вариациям. Вариации склонения различают вековые, суточные и апериодические.

Вековое изменение - это изменение среднегодовой величины склонения из года в год. Годовое изменение склонения (годовое увеличение или уменьшение) не превышает 15" и показывается на морских картах. Суточные или солнечносуточныевариации склонения имеют период, равный солнечным суткам, по величине незначительны и в судовождении не учитываются. Апериодические изменения или магнитные воз мущения происходят без определенного периода.

Магнитные возмущения большой интенсивности, когда в течение нескольких часов все элементы земного магнетизма резко изменяются, называются магнитными бурями. Возникновение магнитных бурь связано с солнечной активностью и наблюдается по всей земной поверхности. Показания компаса во время магнитных бурь ненадежны - склонение может изменяться на несколько десятков градусов.

В некоторых районах поверхности Земли величины элементов магнетизма, в том числе и склонение, резко отличаются от их значений в окружающей местности. Такое изменение связано со скоплением магнитных пород под поверхностью и называется магнитной аномалией. Районы магнитных аномалий и пределы изменения склонения в них

Рис. 10. Магнитные направления

указываются на морских навигационных картах и в лоциях. Примером аномалий являются магнитные аномалии в Повенецкой бухте Онежского озера и в южной части Ладожского озера. Показания магнитного компаса в районе аномалий использовать затруднительно, а иногда даже опасно.

Для использования в практике данные с карты о величине склонения должны быть приведены к году плавания. С этой целью умножают годовое изменение склонения на число лет, прошедших от года к которому отнесено склонение. Полученной поправкой исправляют склонение, снятое с карты. Необходимо учитывать, что термин «годовое уменьшение» или «годовое увеличение» относится к абсолютной величине склонения.

Если плавание происходит между точками, для которых указано склонение на карте, то производят интерполяцию склонения на глаз, разбивая район плавания на участки, в которых склонение принимают постоянным.

Направления в море, определенные относительно магнитного меридиана, называются магнитными (рис. 10).

Магнитный курс (МК) - угол в плоскости истинного горизонта между северной частью магнитного меридиана и диаметральной плоскостью судна по направлению его движения.

Магнитный пеленг (МП) - угол в плоскости истинного горизонта между северной частью магнитного меридиана и направлением из точки наблюдения на предмет.

Направление, отличающееся на 180° от магнитного пеленга называют обратным магнитным пеленгом (ОМП). Магнитные курсы, и пеленги отсчитываются в круговом счете от 0 до 360°.

Зная величину склонения, можно перейти от магнитных направлений к истинным и обратно. Из рис. 10 видно, что истинные и магнитные направления связаны зависимостями:

(13)
(14)

Формулы (13), (14) - алгебраические, где склонение d может быть величиной положительной и отрицательной.

Характеристикой магнитного поля Земли, как и всякого магнитного поля, служит его напряженность или ее составляющие. Для разложения вектора на составляющие обычно используют прямоугольную систему координат, в которой ось х ориентируют по направлению географического меридиана (при этом положительным считается направление оси х к северу), ось у – по направлению параллели (положительным считается направление оси у к востоку). Ось z таким образом направлена сверху вниз от точки наблюдения (рис. 3.8). Проекция вектора на ось х носит название северной составляющей Н х, проекция на ось у – восточной составляющей Н у и проекция на ось z – вертикальной составляющей Н z . Эти проекции, как правило, обозначают X, Y, Z, соответственно. Проекцию на горизонтальную плоскость называют горизонтальной составляющей Н. Вертикальная плоскость, в которой лежит вектор , называется плоскостью магнитного меридиана. В плоскости географического меридиана лежат, очевидно, оси х и z, поэтому угол D между плоскостями географического и магнитного меридианов называется магнитным склонением. Угол между горизонтальной плоскостью и вектором носит название магнитного наклонения J. Наклонение положительно, когда вектор направлен вниз от земной поверхности, что имеет место в северном полушарии, и отрицательно, когда направлен вверх, т. е. в южном полушарии.

Склонение D, наклонение J, горизонтальная составляющая Н, северная Х, восточная Y и вертикальная составляющая Z носят название элементов земного магнетизма. Ни один из

элементов земного магнетизма не остается постоянным во времени, а непрерывно меняет свою величину от часа к часу и от года к году. Такие изменения получили название вариаций элементов земного магнетизма.

Медленные вариации элементов земного магнетизма получили название вековых. Вековые вариации элементов связаны с источниками, лежащими внутри земного шара. Быстротечные вариации периодического характера имеют своим источником электрические токи в высоких слоях атмосферы.

Геомагнитное поле подразделяют на три основные части:

1) главное магнитное поле и его вековые вариации, имеющие внутренний источник в ядре Земли;

2) аномальное поле, обусловленное совокупностью источников в тонком верхнем слое, называемом магнитоактивной оболочкой Земли;

3) внешнее поле, связанное с внешними источниками – токовыми системами в околоземном пространстве.

Главное и аномальное поля называют постоянным геомагнитным полем. Поле внешнего происхождения называется переменным электромагнитным полем, поскольку оно является не только магнитным, но и электрическим.

Вклад главного поля составляет в среднем более 95 %, аномальное поле вносит 4 % и доля внешнего поля – менее 1 % .

Теоретическая модель в форме магнита-диполя, помещенная в центр Земли, создает на ее поверхности магнитное поле, которое сравнительно хорошо совпадает с реальным геомагнитным полем.

Однако более точно это поле воспроизводится, если такой «магнит – диполь» повернуть на угол 11.5° относительно оси вращения планеты, и еще более точно – при смещении его на 450 км в сторону Тихого океана.

Точки пересечения поверхности земного шара с осью смещенного магнита-диполя называются геомагнитными полюсами.

Координаты геомагнитных полюсов не совпадают, таким образом, с координатами географических полюсов земного шара, и соответственно геомагнитный экватор (линия на поверхности Земли, для всех точек которой наклонение дипольного поля равно нулю) – не совпадает с географическим экватором. Положение магнитных полюсов не является постоянным, а непрерывно меняется.

Вблизи магнитных полюсов вертикальная составляющая принимает максимальное значение, равное примерно 49.75 А/м, а горизонтальная составляющая в этой области равна нулю.

На магнитном экваторе величина вертикальной составляющей делается равной нулю, а горизонтальная составляющая принимает наибольшее значение (максимальное значение она принимает вблизи Зондских островов, равное примерно 31.83 А/м ).

Для того чтобы ясно представить себе картину распределения элементов земного магнетизма по поверхности земного шара, пользуются графическим методом изображения – методом построения карт изолиний, т.е. кривых, соединяющих на карте точки с одинаковыми значениями изучаемого параметра магнитного поля.

Магнитные карты строятся как для данной области, так и для целой страны и, наконец, для всего земного шара. В последнем случае они носят название мировых карт .

Рассмотрение мировых карт изолиний и карт изолиний отдельных районов приводит к заключению, что магнитное поле на поверхности Земли является суммой нескольких полей, имеющих различные причины, а именно:

– поля, создаваемого однородной намагниченностью земного шара, называемого дипольным (моделируется приведенным выше магнитом-диполем), – ;

– поля, вызываемого внутренними причинами, связанными с неоднородностью глубоких слоев земного шара, получившего название недипольного (его называют также полем мировых аномалий);

– поля, обусловленного намагниченностью верхних частей земной коры, – ;

– поля, вызываемого внешними причинами, – ;

– поля вариации , причины генерации которого связываются также с источниками, расположенными вне земного шара, т.е.

Сумма полей дипольного и недипольного

образует, как отмечалось выше, главное магнитное поле Земли.

Часто сумму полей однородного намагничивания, поля мировых аномалий и внешнего поля

называют нормальным полем. Так как очень мало и практически им можно пренебречь, то нормальное поле практически совпадает с главным полем. С этой точки зрения, наблюдаемое поле, если исключить из него поле вариаций, является суммой нормального (или главного) и аномального:

.

Таким образом, если известно распределение нормального поля на поверхности Земли, то можно определить аномальную часть магнитного поля.

Обычно интенсивность нормального поля во много раз больше, чем интенсивность региональных и локальных аномалий. Есть, правда крайне редко, участки земной поверхности,

на которых эти аномалии по интенсивности близки к главному магнитному полю Земли. Но и среди этих участков уникален район Курской магнитной аномалии , где «возвышаются» десятки магнитных «Эверестов».

Магнитное поле Земли относится к слабым полям , и напряженность ее нормального поля (модуль напряженности) изменяется в зависимости от регионов в широких пределах. Так на полюсах, как уже было отмечено, она достигает 49.5 А/м, в районе Москвы – 39.8 А/м, в районе Комсомольска-на-Амуре – 43.8 А/м. Наибольшего значения на территории нашей страны она достигает в районе Иркутска, Якутии – 48.54 А/м, на Сахалине – 40.59 А/м.

В настоящее время большое внимание уделяют и магнитным вариациям, поскольку помимо научного значения они представляют интерес как явление, оказывающее влияние на практическую деятельность людей и на их здоровье. Так, при возникновении вариаций значительной амплитуды – магнитных бурь – нарушается радиосвязь, ухудшается работа многих технических устройств, изменяется скорость протекания физиологических процессов. Например, в июле 1959 г. в результате сильной магнитной бури была прервана радиосвязь между Европой и Америкой, наблюдались нарушения электрической сигнализации на железных дорогах многих стран, вышли из строя даже некоторые электротехнические системы (нарушалась изоляция кабелей и обмоток трансформаторов).

Установлено также, что интенсивные изменения геомагнитного поля не безразличны для животных и растений. Бесспорно теперь и влияние вариаций магнитного поля Земли на здоровье людей. Так, когда в одном из городов напряженность магнитного поля возросла на протяжении суток в три раза, смертельные исходы увеличились в 1.8 раза.

Магнитные вариации меняются в разные дни различно. Иногда изменения происходят плавно, подчиняясь определенной закономерности, иногда они имеют беспорядочный характер и тогда периоды, амплитуды и фазы вариаций непрерывно меняют свое значение. В первом случае вариации называются спокойными или невозмущенными, а во втором – возмущенными.

К числу невозмущенных вариаций относятся солнечно-суточные, лунно-суточные и годовые.

Возмущенная часть вариаций магнитного поля также состоит из целого ряда вариаций, которые, накладываясь одна на другую, в сумме дают неправильные колебания всех элементов земного магнетизма около среднего значения. Некоторые из этих вариаций имеют вполне определенный период, другие меняют свой период от одного колебания к другому. Кроме того, имеются вариации непериодического характера. Поэтому возмущенные вариации классифицируют также на периодические, непериодические и неправильные флуктуации. К числу периодических относятся возмущенные солнечно-суточные вариации с периодом солнечных суток и короткопериодические колебания, у которых период колеблется от долей секунд до десятков минут. Из непериодических известна вариация под названием апериодическая возмущенная, которая проявляется во время магнитных бурь главным образом в изменении горизонтальной составляющей. Неправильные флуктуации элементов земного магнетизма представляют основную часть магнитных возмущений.

Помимо этого существуют вариации, которые нельзя отнести ни к одному из этих трех типов. Эти вариации получили название бухтообразных.

Магнитные возмущения могут иметь локальный характер и наблюдаться только в ограниченном секторе долгот и широт или же, достигая большой интенсивности, охватывать одновременно всю Землю . В последнем случае их называют магнитными бурями или мировыми бурями .

Принято выделять магнитные бури с внезапным началом и бури с постепенным началом. В первом случае на фоне спокойного хода всех элементов внезапно происходит скачок, отмечаемый в пределах одной-двух минут на всех станциях земного шара. Особенно резко такой скачок проявляется в величине горизонтальной составляющей, которая увеличивается на десятки гамм (внесистемная единица напряженности магнитного поля, равная одной сто

тысячной эрстеда; 1g = 10 -5 Э = 0.795775×10 -3 А/м). Во втором случае возмущения возникают в виде постепенного увеличения амплитуды всех элементов.

Бури по интенсивности (по величине амплитуды) принято делить на слабые, умеренные и большие . При большой буре амплитуды, например, у горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля могут достигать 3000g (2.39 А/м ) и более .

Под частотой магнитных бурь понимают их количество, приходящееся на тот или иной период времени (год, сезон, сутки). Частота магнитных бурь зависит от многих факторов и, прежде всего, от солнечной активности. В годы максимальной солнечной активности частота бурь наибольшая : от 23 (в 1894 г.) до 41 (в 1938 г.) бури в год, а в годы минимальной солнечной активности она опускается до нескольких бурь в год. Кроме этого частота бурь зависит от времени года. Бури чаще возникают в периоды равноденствий.

Следует отметить также одну из основных закономерностей в появлении магнитных бурь, а именно их 27-дневную повторяемость .

В последние годы была также установлена связь магнитных бурь с параметрами солнечного ветра.