Особенности магнитного поля Земли.

1.Прежде всего, заметим, что геологические тела могут быть намагничены как современным магнитным полем (J _{индуцированное} или J₁), так и магнитными полями древних геологических эпох (J_{остаточное} или J_r). То есть, величина вектора намагниченности складывается из этих двух составляющих

Причем нередко доля J_r может оказаться существенно большей, то есть в геологических телах может быть запечатлено магнитное поле, существовавшее на Земле тогда, когда это тело создавалось. Это обстоятельство позволяет трактовать магнитное поле как историко-геологическую категорию. Поэтому и существует целая наука о палеомагнетизме и палеомагнитный метод определения возраста пород.

2. Магнитное поле – следствие движения электрических зарядов; как известно, электроны, вращающиеся вокруг своей оси обладают магнитным моментом. В зависимости от степени согласованности, упорядоченности движения электронов в атомах вещества можно говорить о различных способностях природных образований к восприятию намагничения. Но изучать магнитное поля можно не только используя законы электромагнетизма, а и опираясь на представление о том, что магнитные аномалии можно трактовать как результат взаимодействия фиктивных «магнитных масс», придуманных некогда Ампером и Кулоном. В этом случае обнаруживается больше сходства с гравиразведкой, и потому в геологии предпочтительней оказывается вторая трактовка.

3. Магнитное поле в отличие от гравитационного сильно изменяется во времени. Такое поле называют нестационарным. Однако, в земном нестационарном поле можно выделить значительную постоянную часть, обусловленную геологическими источниками, которая и является предметом исследований в магниторазведке. Для этих исследований временны'е изменения являются помехой, от которой необходимо как-то освобождаться. Изменения магнитного поля во времени называют вариациями. Различают периодические (суточные, годовые) и непериодические (магнитные бури) вариации. Источники всех вариаций находятся вне Земли. Это, прежде всего, - непостоянство солнечной радиации и вызываемые ею возмущения ионосферы. Для того, чтобы исключить влияние вариаций, используются специальные приборы – магнитовариационные станции, непрерывно регистрирующие изменение напряженности в фиксированной точке наблюдений. Поскольку при производстве магниторазведочных наблюдений всегда фиксируется время наблюдений, можно снять показания магнитного вариометра, отнесенные к этому времени и ввести соответствующую поправку в показания разведочного прибора – магнитометра.

4. В свою очередь, стационарное магнитное поле Земли связывается с внутренними земными причинами. Поскольку из планет Земной группы только у Земли существует столь сильное магнитное поле, науку всегда интересовал вопрос о его происхождении. Все гипотезы на этот счет можно разделить на две неравновеликие группы. Первая трактует природу этого поля, как связанную с процессами, протекающими вблизи ядра Земли, вторая объясняет данное явление намагниченным состоянием Земной коры. Большинство исследователей разделяют первую точку зрения. Основная концепция носит название гипотезы гидромагнитного динамо. Сущность ее состоит в следующем. Под мантией находится «жидкое» ядро с высокой электропроводностью, которая объясняется большим числом свободных электронов в веществе ядра вследствие высоких температур и давлений. Вращение Земли создает направленность в движении электронов, индуцирует в ядре вихревые токи. Эти токи в свою очередь создают магнитное поле, как происходит в динамомашине.

5. Места сосредоточения фиктивных магнитных масс в намагниченном теле называются полюсами. Их условно обозначают как северный N (плюсовой) и южный S (минусовой).

6. Сила взаимодействия точечных изолированных магнитных масс определяется законом Кулона

Структура этого выражения такая же, как и в законе Ньютона, но есть между ними глубокое различие – магнитное взаимодействие зависит от свойств среды, где находятся массы. Магнитные свойства характеризует параметр μ – магнитная проницаемость. В то же время в законе Ньютона коэффициент G – константа. Магнитная проницаемость воздуха принимается равной единице.

Сила, действующая на единичную магнитную массу, называется напряженностью магнитного поля . Положив в формуле Кулона m₂= 1, получим Т=

За единицу напряженности магнитного поля принимается ампер на метр (А/м). Напряженность магнитного поля - вектор, совпадающий по направлению с силой F. Его можно разложить на компоненты по осям координат: Х = Тcos(r,x); Y = Tcos(r,y); Z = Tcos(r,z). Х и Y это горизонтальные составляющие, а Т – вертикальная. Магнитное поле называется однородным, если величина и направление вектора напряженности остаются неизменными в каждой рассматриваемой точке пространства.

7. Согласно классической теории электромагнитных явлений, источниками магнетизма являются электрические макро- и микротоки. Основная величина, характеризующая магнитные свойства вещества – магнитный момент, определяемый как произведение тока, протекающего в замкнутом контуре, на площадь этого контура. Магнитный момент есть вектор, направленный по нормали к плоскости контура. Если исходить из ампер-кулоновских представлений, то каждое магнитное тело можно трактовать как магнитный диполь. Элементарным магнитным диполем называется система из двух разноименных магнитных масс на расстоянии 2dl малым в сравнении с r. Магнитный момент диполя d направлен вдоль линии (2dl), соединяющей полюсы, от южного полюса к северному( рис.17 )

.

Рис.17. Элементарный магнитный диполь.

При характеристике магнетизма объемных масс конечных размеров магнитный момент определяется как векторная сумма моментов магнитных диполей, заключенных в объеме этого тела

8. Для характеристики магнитного поля удобно ввести, как это было сделано в гравиразведке некую функцию – магнитный потенциал.

Это функция, частные производные которой по x, y и z связаны с напряженностью Т и ее составляющими соотношениями

Простой проверкой легко убедиться, что магнитный потенциал точечной массы

Потенциал, создаваемый элементарным диполем в точке Р будет

Это приближенное соотношение получено из предположения, что r₂ ≈ r₁ ≈ r ; r₂-r₁=2dlcosθ; 2mdl=dM; .

Обозначим

Вектор представляет собой магнитный момент, приходящийся на единицу объема. Назовем его интенсивностью намагничивания или просто намагниченностью.

Тогда можно записать, что d

Отсюда следует, что потенциал, создаваемый магнитом с объемом Ω будет представлять собой интегральную сумму таких dM.