СЕВЕРНОЕ ПОЛЯРНОЕ СИЯНИЕ

 

 

Магнитное поле Земли. Магнитные карты

 

Английский ученый Уильям Гильберт, придворный врач королевы Елизаветы, в 1600 г. впервые показал, что Земля является магнитом, ось которого не совпадает с осью вращения Земли. Следовательно, вокруг Земли, как и около любого магнита, существует магнитное поле.

 

В 1635 г. Геллибранд обнаружил, что поле земного магнита медленно меняется, а Эдмунд Галлей провел первую в мире магнитную съемку океанов и создал первые мировые магнитные карты (1702 г.). В 1835 г. Гаусс провел сферический гармонический анализ магнитного поля Земли. Он создал первую в мире магнитную обсерваторию в Гёттингене.

 

Составляющие геомагнитного поля определены следующим образом. В любой точке О  вектор напряженности магнитного поля В  может быть разложен на составляющие, как это показано на  8. Можно выбрать в качестве составляющих абсолютную величину полного вектора В  (модуль) и два угла: D и I. Угол D  образован направлением на север и горизонтальной составляющей вектора В, т. е. Н; I — это угол между В и Н. Угол D  считается положительным, если Н отклоняется к востоку, а I  положительно при отклонении В вниз от горизонтальной плоскости. Величина D  называется магнитным склонением, а I — наклонением. Вертикальная плоскость, которая проходит через Н, именуется местной магнитной меридиональной плоскостью.

 

Используется также разложение В на северную (X ) и восточную (Y ) составляющие вектора Н. Третьей служит вертикальная составляющая Z, которая считается положительной, если В направлено вниз. Напряженности B, H, Z, X, Y измеряются в гауссах (Гс) или гаммах (γ). 1γ = 10-5 Гс. Углы D  и I измеряются в дуговых градусах и минутах. Все приведенные семь величин B, H, D , I, X, Y, Z называются магнитными элементами. Соотношения между ними ясны из  8:

 

Ясно, что для полного описания вектора В достаточно иметь три независимых элемента. По ним могут быть рассчитаны все остальные.

 

Обычная стрелка магнитного компаса уравновешивается, вращаясь горизонтально на вертикальной оси. В северной полусфере Земли почти везде северный полюс магнитной стрелки направлен вниз (т. е. I  положительно), а в южном полушарии I  отрицательно, поскольку вниз направлен южный полюс стрелки. Линия, которая разделяет области положительного и отрицательного I, называется магнитным экватором или экватором наклонения. Естественно, что на ней I=0, т. е. магнитная стрелка в любой точке на этой кривой располагается горизонтально.

 

 

На полюсах магнитного наклонения горизонтальная компонента полного вектора В исчезает и магнитная стрелка устанавливается вертикально. Эти точки еще называют полюсами наклонения. Таких точек в принципе может быть несколько. Две основные из них обычно называются магнитными полюсами Земли. Они расположены в Арктике и в Антарктиде. Координаты их 75°,6 с. ш., 101° з. д. и 66°,3 ю. ш., 141° в. д. Местоположение магнитных полюсов не является постоянным. Приведенные выше координаты относятся к эпохе 1965 г.

 

Чтобы определить азимут вектора Н, нужно выбрать некоторое нулевое направление, от которого можно отсчитывать магнитное склонение D.  За такое направление принято направление на северный географический полюс. Таким образом, D  определяется относительно условного направления, поскольку ось вращения Земли не связана непосредственно с конфигурацией геомагнитного поля. То же относится и к элементам X и Y. Поэтому D, X, Y называют относительными магнитными элементами, тогда как H, Z  и I именуются собственными магнитными элементами.

 

Несколько слов о магнитных картах. Обычно через каждые 5 лет распределение магнитного поля на поверхности Земли представляется магнитными картами трех или более магнитных элементов. На каждой из таких карт проводятся изолинии, вдоль которых данный элемент имеет постоянную величину. Линии равного склонения D  называются изогонами, наклонения I  — изоклинами, величины полной силы В  — изодинамическими линиями или изодинами. Изомагнитные линии элементов H, Z, X и Y называются соответственно изолиниями горизонтальной, вертикальной, северной или восточной компонент.

 

Представление геомагнитного поля центральным диполем только лишь первое весьма грубое приближение. Используя более высокие члены разложения по сферическим гармоникам, можно построить геомагнитную систему координат, лучшую, чем дипольная. Так, если использовать наряду с дипольными еще пять старших сферических гармонических членов и рассчитать геометрическое место точек пересечения земной поверхности силовыми линиями, которые располагаются в экваториальной плоскости на расстоянии пяти-шести радиусов Земли, то полученная таким образом линия хорошо совпадает с зоной полярных сияний.

 

Было также показано, что если проектировать по силовым линиям на поверхность Земли лежащие в плоскости экватора геоцентрические окружности с радиусами Lc = α cosec2 θc, то полученные таким путем широты θc упорядочивают явления в полярной шапке лучше, чем дипольные геомагнитные широты.

 

Часто используют «исправленные» геомагнитные координаты при описании различных авроральных явлений и поглощения космического радиоизлучения в полярной шапке. Они были рассчитаны Хакурой на основе исследований Халтквиста. Дальнейшее усовершенствование этих «исправленных» геомагнитных координат выполнил Густавсон, использовав коэффициенты разложения поля на эпоху 1965 г.

 

При объяснении некоторых явлений, которые связаны с суточными вариациями полярных сияний, было введено понятие геомагнитных полуночи и полудня. Затем появилось и более общее понятие геомагнитного времени.

 

Если данная точка определена географическими координатами θ и φ и геомагнитными координатами θ' и φ', то геомагнитное время может быть выражено соотношением 15°t'  = φH' — φ'. Здесь φ'н — геомагнитная долгота полудня в данный момент времени. Геомагнитное время t'  отсчитывается от геомагнитного полудня и относительно истинного положения Солнца H.

 

Используя схему определения «геомагнитного времени» в системе геомагнитных координат ( 9), приведем пример его расчета. Если в Гринвиче истинное время tG,  в точке Р  местное истинное время составит t G + φ/15°, то географическая долгота истинного положения Солнца будет 180°—15° t G. Отсюда, учитывая также полярный угол этого положения (который определяется как 90°—δ, где δ обозначает склонение Солнца), геомагнитную долготу φH' можно рассчитать по приведенным выше формулам. Гринвичское среднее время в этот момент будет tc—e , где е  обозначает «уравнение времени».

 

Вернемся к  9. Там показан круг с угловым радиусом 90°—δ, который описывает положение Солнца на земной поверхности. Дуга большого круга, проведенная через точку Р и геомагнитный полюс В, пересекает этот круг в точках Н'n  и Н'm , которые указывают положение Солнца соответственно в моменты геомагнитного полудня и геомагнитной полуночи точки Р. Эти моменты зависят от широты точки Р. Положения Солнца в местные истинные полдень и полночь указаны точками Нп  и Нт  соответственно. Когда δ положительно (лето в северном полушарии), то утренняя половина геомагнитных суток не равна вечерней. В высоких широтах геомагнитное время может очень сильно отличаться от истинного или среднего времени в течение большей части суток.

 

Говоря о времени и системах координат, скажем еще об учете эксцентричности магнитного диполя. Эксцентричный диполь медленно дрейфует наружу (к северу и к западу) с 1836 г. Экваториальную плоскость он пересек примерно в 1862 г. Его траектория по радиальной проекции расположена в районе о-ва Гилберта в Тихом океане.

 

Ось эксцентрического диполя, проведенная через точку О'  параллельно АВ , пересекает поверхность Земли в точках В'  и А'  которые расположены соответственно вблизи В  и А . В этих точках наклонение поля эксцентрического диполя не равно нулю. Полоса наклонения поля эксцентрического диполя (точки В  и А ) находится в меридиональной плоскости ВО'А  несколько дальше от точек В  и А.  Западная долгота этой плоскости в геомагнитной системе координат возросла с 110° в 1836 г. до 143° в 1965 г. Углы BOB'  и АОА'  за этот же промежуток времени увеличились с 2,4° до 40°. Углы ВОВ''  в АОА'',  как правило, не равны друг другу: в 1836 г. они составляли 7,2° и 5,5°, а в 1965 г. — 11,8° и 13,2°.

 

 

К содержанию книги: Ю.Г. Мизун: "Полярные сияния"

 

Смотрите также:

 

Полярное сияние  полярные сияния и радиационные пояса.  оптические и электрические явления в атмосфере...  Магнитный полюс Земли