Почему стрелка компаса показывает на север: магнитное поле Земли и его аномалии

Как планета создает собственное магнитное поле

Земля ведет себя как гигантский диполь. Источник этого поля скрыт на глубине около 2900 километров, во внешнем ядре планеты. Это ядро состоит из расплавленного железа и никеля с примесью легких элементов. Из-за огромной разницы температур между твердым внутренним ядром и нижней мантией в жидком металле идет непрерывная тепловая конвекция.

Суточное вращение Земли порождает силу Кориолиса, которая закручивает восходящие и нисходящие потоки проводящей жидкости в спирали вдоль оси вращения. Движение электропроводящего расплава в уже существующем слабом затравочном поле наводит электрические токи. Эти токи генерируют новое магнитное поле, которое поддерживает процесс. В физике этот механизм самоподдерживающейся индукции называют геодинамо.

Около девяноста процентов геомагнитного поля на поверхности хорошо описывается простой дипольной моделью. Представь наклонный стержневой магнит, помещенный в центр планеты. Ось этого диполя наклонена относительно оси вращения Земли примерно на одиннадцать градусов. Именно поэтому магнитные и географические полюса не совпадают друг с другом.

Механика взаимодействия стрелки и магнитных линий

По закону взаимодействия магнитов разноименные полюса притягиваются, а одноименные отталкиваются. Наконечник стрелки компаса, окрашенный обычно в синий или красный цвет и маркированный буквой N, физически является северным магнитным полюсом. Чтобы он устойчиво смотрел в сторону Арктики, там обязан находиться противоположный по знаку полюс. В северных полярных широтах расположен физический южный магнитный полюс Земли.

Вектор магнитной индукции земного поля направлен по касательной к силовой линии в каждой точке пространства. Этот вектор раскладывается на две составляющие, горизонтальную и вертикальную. Стрелка обычного туристического компаса сбалансирована так, чтобы двигаться только в горизонтальной плоскости под действием горизонтальной компоненты поля. Вертикальную составляющую удерживает сила тяжести и точка опоры.

Магнитное склонение и смещение полюсов

Угол между направлением на истинный географический север и направлением, которое показывает компас, называют магнитным склонением. Оно бывает восточным со знаком плюс или западным со знаком минус. Величина склонения зависит от географических координат наблюдателя. В навигации, геодезии и военном деле знание этой поправки критично для точной прокладки маршрута.

Положение магнитных полюсов Земли нестабильно. Из-за турбулентного характера движения расплавленного металла в ядре магнитные полюса непрерывно дрейфуют. В двадцатом веке Северный магнитный полюс двигался со скоростью около десяти километров в год от побережья Канады в сторону российской Арктики. В начале двадцать первого века скорость этого дрейфа возросла до пятидесяти пяти километров в год, что требует регулярного обновления Всемирной магнитной модели каждые пять лет.

Причины локальных магнитных аномалий

Дипольная модель описывает поле Земли лишь приближенно. В верхних слоях литосферы сосредоточены горные породы с разной магнитной восприимчивостью и остаточной намагниченностью. Если в земной коре залегают массивные рудные тела с высоким содержанием ферромагнитных минералов, они создают собственное локальное поле, накладывающееся на планетарное. Такие искажения называют магнитными аномалиями.

Аномалии разделяют по масштабу охвата территории:

• Континентальные или региональные аномалии тянутся на тысячи километров и связаны с неоднородностями на границе ядра и мантии или с глубинным строением тектонических плит
• Локальные аномалии занимают площади от нескольких сотен квадратных метров до десятков квадратных километров и возникают из-за приповерхностных рудных залежей, интрузий базальтов или разломов фундамента

Курская магнитная аномалия

Курская магнитная аномалия служит самым известным примером резкого локального искажения геомагнитного поля на планете. В конце восемнадцатого века астроном Петр Иноходцев обнаружил здесь сильное отклонение компаса при составлении карт межевания. Полноценное объяснение этому явлению дали только в начале двадцатого века советские ученые под руководством Петра Лазарева.

Причина аномалии кроется в колоссальном бассейне железистых кварцитов, залегающих на глубинах от нескольких десятков до сотен метров. Магнетит и гематит в толще докембрийских пород обладают мощной ферромагнитной намагниченностью. В эпицентрах аномалии напряженность поля превышает нормальный земной фон в три-четыре раза. В таких точках стрелка туристического компаса теряет ориентировку, начинает хаотично вращаться или указывает в направлении залегания ближайшей рудной линзы вместо севера.