Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
МАГНИТНЫЕ ВАРИАЦИИ

МАГНИТНЫЕ ВАРИАЦИИ

МАГНИТНЫЕ ВАРИАЦИИ - изменения во времени геомагн. поля, обусловленные существованием как внутренних, так и внешних по отношению к поверхности Земли источников магн. поля. М. в. с характерными временами от 10 до тыс. лет, обусловленные процессами в жидком ядре Земли и тесно связанные с механизмом генерации магн. поля Земли (МПЗ), наз. вековыми. М. в. с периодами от секунды до неск. лет обусловлены электрич. токами в ионосфере и магнитосфере Земли, к-рые тесно связаны с солнечной активностью, а интенсивность и форма этих М. в. зависят от широты, времени года и суток, параметров солнечного ветра. Обычно их делят на спокойные (солнечносуточные), возмущённые вариации и короткопериодные колебания (КПК).

Рис. 1. Схематическое изображение спектра вековых вариаций и скорости годовых изменений геомагнитного поля.

Вековые вариации (ВВ) возникают вследствие движения вещества и волновых процессов в жидком электропроводящем ядре Земли и служат осн. источником информации об электропроводности нижней мантии и ядра, о физ. процессах, приводящих к конвекции вещества, и о механизме генерации магн. поля Земли. На рис. 1 схематически представлен временной спектр вековых магн. вариаций. Амплитуда ВВ достигает 10^-6 Тл, а макс. характерные времена лет соответствуют изменению дипольного магн. момента и имеют, т. о., глобальное распространение. Более короткие периоды связаны с изменением геомагн. поля меньших масштабов. Характерные размеры L вариаций, отнесённые к поверхности ядра, и связанные с ними соотношением характерные времена Т приведены в таблице (D- коэф. магн. диффузии).

Характерные параметры вековых магнитных вариаций

Для всех типов вековых магнитных вариаций магн. число Рейнольдса , где - характерная скорость движения вещества в жидком ядре Земли, приводящего к данному типу ВВ. Конвективная природа генерирующих МПЗ движений подтверждается наличием западного дрейфа, к-рый проявляется в наблюдаемом на поверхности Земли движении к западу структурных особенностей МПЗ в приэкваториальных широтах. На рис. 2 представлено распределение вертикальной составляющей геомагн. поля вдоль широтных кругов 50° с. ш. и экватора для эпох с 1500 по наше время с шагом 50 лет. Данные свидетельствуют, что особенности МПЗ в экваториальной области дрейфуют к западу со скоростью в год. Западный дрейф свидетельствует о перераспределении момента вращения при радиальном конвективном перемещении вещества в ядре. Условие вмороженности магн. поля приводит к вытягиванию магн. силовых линий полоидаль-ного МПЗ (H _п) и образованию сильного тороидального магн. поля . Т. о., вследствие вращения Земли осн. структура конвективных движений близка к осесимметричной. Турбулентные движения нарушают осевую симметрию конвективных движений и снимают запрет на генерацию магн. поля (теорема Каулинга). Наличие иерархически упорядоченного спектра ВВ свидетельствует о турбулентном характере конвекции, к-рая приводит к значит. флуктуациям скорости вещества в поверхностных слоях ядра (см. также Гидромагнитное динамо). Поскольку высокая электропроводность нижней мантии обеспечивает наличие сильной эл.-магн. связи в системе мантия - ядро, изменение движений в последнем приводит к перераспределению момента вращения в этой системе, что проявляется в ВВ скорости суточного вращения Земли, определяемого по астрономич. данным. Хорошо известны ВВ скорости суточного вращения Земли с периодом ~60 лет и изменением длины суток до 2 миллисекунд. Вследствие турбулентного характера конвекции возникают и ВВ магн. поля с амплитудой Тл и периодом лет.

Рис. 2. Западный дрейф структурных особенностей вертикальной составляющей геомагнитного поля вблизи экватора ( б) и отсутствие дрейфа в средних широтах ( а).

В ВВ как МПЗ, так и скорости суточного вращения уверенно выделяется составляющая с периодом 20 лет. Предполагают, что эта вариация вызывается распространением алъвеновских волн вдоль полоидального поля в жидком ядре Земли. Если при скорости

в объёме ядра возникает стоячая волна длиной 2R _я ( - плотность вещества, - радиус ядра Земли) и поперечные перемещения вещества направлены вдоль широтных кругов, то это приводит к крутильным колебаниям поверхностного слоя ядра, к-рые путём эл.-магн. взаимодействия передаются мантии и фиксируются как ВВ магн. поля и скорости суточного вращения.

Выделяют магн. вариации с меньшими характерными временами, вплоть до 10 и менее лет, но их амплитуда на поверхности Земли невелика (-520 нТл), что не позволяет идентифицировать их природу. Малая амплитуда этих вариаций связана в значительной мере с высокой электропроводностью нижней мантии Земли, к-рая действует как частотный фильтр, практически не пропуская к поверхности Земли любые изменения магнитного поля, если их характерное время меньше 10 лет.

Спокойные М. в. наблюдаются при отсутствии геоэффективных явлений на Солнце, строго периодичны во времени и обусловлены суточным вращением Земли, её движением по орбите, расположением Луны по отношению к горизонту (лунными приливами). Спокойные М. в. являются следствием гл. обр. двух процессов: ионосферных ветров и постоянно существующего солнечного ветра, к-рый обдувает магнитосферу. Процессы ионизации в верхней атмосфере под воздействием волнового излучения Солнца и разогрев термосферы приводят к возникновению на высотах ионосферы регулярных в пределах солнечных суток крупномасштабных систем ветров, т. е. к движению электропроводящей среды в МПЗ. Происходит генерация на высотах 90-150 км электрич. токов, создающих в средних широтах спокойные солнечносуточные (S_q )вариации (рис. 3) с амплитудой ~50 нТл. На магн. экваторе в дневные часы амплитуда S_q -вариаций может увеличиваться до 2*10² нТл (экваториальная электроструя), что связано с анизотропной проводимостью ионосферы в МПЗ.

Рис. 3. Система токов в ионосфере, ответственная за вариации геомагнитного поля в период высокой солнечной активности (усреднение за год). Ток между соседними линиями составляет 25*10³ А. Цифры, относящиеся к крестикам, выражают полный ток в вихрях в тысячах А.

Изменения условий освещённости при орбитальном движении Земли создают периодич. годовые (сезонные) вариации с амплитудой 5-30 нТл. 11-летние изменения уровня солнечной активности проявляются в циклич. вариациях S_q с амплитудами до 20 нТл. Периодич. лунно-суточные вариации L с амплитудами ~1 нТл в средних широтах и до ~10 нТл на магн. экваторе связаны с движениями в атмосфере в результате лунного притяжения.

Обдувание магнитосферы потоком солнечного ветра приводит к генерации на её границе (магнитопаузе) электрич. токов восточного направления (рис. 4), увеличивающих магн. поле на экваторе в полдень на ~25 нТл. В течение суток на поверхности Земли поле этих токов меняется с амплитудой ~4 нТл. Другим следствием взаимодействия солнечного ветра с геомагн. полем является возникновение крупномасштабной конвекции плазмы внутри магнитосферы, что приводит к генерации в высоких широтах ионосферных токов и М. в. с интенсивностью до 10² нТл в летний сезон. В результате взаимодействия солнечного ветра и вмороженного в него межпланетного магн. поля (ММП) с геомагн. полем в приполюсной области появляются спокойные солнечно-суточные вариации с макс. концентрацией тока на геомагн. широтах ~80° в дневные часы и с интенсивностью М. в. ~1,5 *10² нТл (полярная электроструя). Направление тока в полярной электроструе зависит от ориентации азимутальной компоненты ММП, поэтому наземные измерения направления тока используются для определения направления ММП (от Солнца или к Солнцу).

Рис. 4. Схема крупномасштабных электрических токов в магнитосфере, ответственных за наблюдаемые на поверхности Земли вариации геомагнитного поля.

Возмущённые вариации связаны с нерегулярными процессами в солнечном ветре и на Солнце. В период наиб. активных процессов на Солнце, сопровождаемых солнечными вспышками, происходит выделение 10²⁶- 10²⁷ Дж энергии за сравнительно короткое время 2*10³ с. Выделение энергии сопровождается увеличением интенсивности излучения в рентгеновском и УФ-диапазонах длин волн, генерацией ударных волн и выбросом в межпланетную среду облаков плазмы, к-рые могут распространяться даже за пределы земной орбиты. Внезапное усиление рентгеновского и УФ-излучения производит избыточную ионизацию в нижних слоях ионосферы, усиливая токи S_q -вариаций на освещённой полусфере. Вариометрами это регистрируется как импульсное изменение магн. поля на ~10 нТл и длительностью ~30 мин. Подход межпланетной ударной волны, за фронтом к-рой повышены значения плотности и скорости солнечного ветра, приводит к сжатию магнитосферы и усилению электрич. токов на магнитопаузе. Такие импульсные увеличения поля, охватывающие весь земной шар и достигающие на экваторе неск. десятков нТл, наз. внезапными началами (ВН). Иногда ВН являются началом магн. бури.

Магнитная буря состоит из трёх фаз: начальной, главной и восстановления. Продолжительность начальной фазы может быть от 10 мин до 6 и более час; в течение этого времени магн. поле усилено за счёт увеличения токов на магнитопаузе, но слабо возмущено. Главная фаза магн. бури с продолжительностью от 3 до 20 ч начинается тогда, когда плазменное облако от Солнца достигнет магнитосферы. Эта фаза характеризуется последовательностью взрывообразных процессов, наз. суббурями, связанных с вводом в магнитосферу потока энергии и плазмы из межпланетной среды. Из падающего на магнитосферу потока энергии ~10¹³ Bт внутрь магнитосферы передаётся 1 - 5%. Часть энергии поступает непосредственно при взаимодействии солнечного ветра с магн. полем Земли, что приводит к сжатию магнитосферы в подсолнечной точке; часть энергии вместе с веществом проникает внутрь магнитосферы через нейтральные точки, но б. ч. энергии поступает в результате вязкого трения на магнитопаузе и пересоединения силовых линий межпланетного и геомагн. полей, что приводит к накоплению магн. энергии в хвосте магнитосферы. Эффективность последнего вида передачи энергии максимальна в периоды с южным направлением ММП, т. е. когда направления МПЗ и ММП антипараллельны. Поток поступающей энергии обычно оценивается как = , где H - напряжённость ММП, - скорость солнечного ветра, - угол между ММП и направлением на зенит, l₀ - масштабный фактор.

Рис. 5. Системы продольных ионосферных токов в высоких широтах, ответственные за умеренные магнитные возмущения. Токи полярных электроструй замыкаются через ионосферу полярной шапки и приполярных широт.

Во время суббурь в магнитосфере генерируются продольные токи суммарной интенсивностью (1-2)*10⁶ А, текущие вдоль магн. силовых линий и связывающие хвост магнитосферы с авроральной зоной ионосферы (рис. 5). Продольные токи замыкаются в ионосфере, образуя вдоль овала полярных сияний интенсивные авроральные электроструи (западную и восточную). Токи электроструй растекаются по ионосфере в приполюсную область и в субавроральные и даже средние широты. Вариации магн. поля на поверхности Земли от таких токов в средних широтах имеют вид бухт (отрезка изрезанной береговой линии) продолжительностью 1-2 ч (продолжительность суббури) и интенсивностью 30-300 нТл в максимуме. Иррегулярные магн. возмущения на поверхности Земли имеют амплитуду от 5*10² до 3*10³ нТл. Разогретая плазма солнечного ветра, а также ускоренные ионосферные ионы (в основном 0+) с энергиями от 10 до 500 кэВ инжектируются в область замкнутых магн. силовых линий на геоцентрич. расстоянии 37 радиусов Земли, образуя кольцевой ток. Его магн. эффект на поверхности Земли проявляется в виде уменьшения интенсивности геомагн. поля до 600 нТл на экваториальных широтах. Фаза восстановления продолжительностью от 1 до 5 суток характеризуется возвращением магн. поля к невозмущённому значению из-за затухания кольцевого тока в результате диссипации энергичных ионов, сталкивающихся с нейтральными атомами водорода в геокороне.

Многие суббури связаны с изменением северного направления ММП на южное, приводящим к плавному усилению западной авроральной электроструи с вариацией магн. поля до 10² нТл (предварит. фаза, или фаза зарождения суббури) длительностью от 5 до 60 мин. Затем она сменяется импульсным усилением и расширением в широтном направлении авроральной электроструи (фаза развития суббури). Иррегулярные вариации могут достигать неск. тыс. нТл, продолжительность фазы развития ~30 мин. Затем поле восстанавливается до исходного уровня (фаза восстановления суббурь) в течение 1-2 ч. Такие циклы могут повторяться неоднократно в течение магн. бури, накладываясь часто друг на друга. В период суббурь в верхней атмосфере выделяется энергия ~10¹² Вт, как поступающая из солнечного ветра, так и предварительно запасённая в виде магн. энергии в хвосте магнитосферы. Для описания геомагн. возмущений используются международные планетарные индексы, характеризующие разл. составляющие вариаций геомагн. ноля или состояние магн. поля. К ним относятся индексы авроральных электроструй (A U, AL, АЕ), кольцевого тока и токов на магнитопаузе , меры планетарной геомагн. активности . Эти индексы применяются не только в геомагнетизме, но и в др. разделах солнечно-земной физики.

Короткопериодные колебания - микропульсации МПЗ с периодами от 0,2 до 500 с и амплитудами от 0,1 до 50 нТл. Они существуют как в спокойные, так и в возмущённые периоды. КПК есть следствие разл. типов ультранизкочастотных эл.-магн. волн, генерирующихся в магнитосфере, ионосфере или проникающих в магнитосферу из солнечного ветра. Периоды продолжительных достаточно гармонических колебаний ( Р _с )определяются как параметрами межпланетной среды, так и резонансными свойствами магнитосферы, иррегулярные пульсации (P_i )являются характерным признаком начала суббури.

Изучение М. в. разных типов на поверхности Земли позволяет исследовать процессы генерации МПЗ, параметры вещества в её глубоких недрах, проводить диагностику параметров солнечного ветра, состояния эл.-магн. поля в магнитосфере, М. в. могут служить для оценки радиац. безопасности в ближнем космосе. Оказалось, что потоки энергии проникающей радиации тесно связаны с изменениями магн. поля на поверхности Земли. Отдельные типы КПК воздействуют на биол. системы, в т. ч. и на человеческий организм.

Лит.: Акасофу С. И., Чепмен С., Солнечно-земная физика, пер. с англ., ч. 1-2, М., 1974-75; Яновский Б. М., Земной магнетизм, Л., 1978.

В. П. Головков, Я. И. Фельдштейн.