Формы и размеры Земли. Внутреннее строение Земли

Элементы земного магнетизма.

На поверхности Земли в произвольно взятой точке свободно подвешенная магнитная стрелка ориентируется в определенном направлении – в направлении полного вектора напряженности магнитного поля Т. Полный вектор можно разложить в трехмерной системе координат (рис.18), оси которой направлены х - на географический север, y - на восток, z- по вертикали вниз на составляющие – вертикальную Z, направленную к центру Земли и горизонтальную Н, которая является проекцией на плоскость XOY. В свою очередь горизонтальная составляющая Н раскладывается на составляющие X(северную) и Y (восточную). Вертикальный угол между Н и Т называется углом наклонения J (угол наклона магнитной стрелки), а горизонтальный угол между Х и Н углом склонения Д (отклонение магнитной стрелки от направления на географический северный полюс к магнитному северному полюсу Земли).

Величины T, Z, H, X, Y, J и D называются элементами земного магнетизма . Они связаны между собой соотношениями

Для изучения распределения элементов земного магнетизма проводятся их измерения на поверхности Земли и строятся специальные карты изодинам T, Z и H. Изодинамами называют линии равных значений этих величин . Строятся также карты равных значений D – изогон и J – изоклин. Полная напряженность геомагнитного поля увеличивается от экватора к полюсу с 33,4 до 55,7 А/м.

В магнитной разведке угловые элементы земного магнетизма не измеряют, а из линейных регистрируют, главным образом, значения полного вектора Т. Значение Т в любой точке земной поверхности можно представить в виде суммы

Т = Т 0 + Т 1 + Т 2 + Т 3 + δТ

Здесь δТ - переменная составляющая поля, то есть магнитные вариации, о которых говорилось выше. На эту переменную, нестационарную составляющую приходится всего около 1 % от величины Т. Остальные 99% приходятся на стационарную компоненту, источники которой находятся внутри Земли. Для стационарного поля установлены только медленные вековые изменения (вариации).

О составляющих Т 0 и Т 1 , образующих нормальное поле, уже упоминалось. Нормальное поле измеряется экспериментально – для этого регулярно проводят специальные наблюдения с периодичностью порядка 10 лет. В те годы, когда измерения не проводились, используют самые последние по времени карты, которые исправляют с учетом вековой вариации.

Земля в целом представляют собой шаровой магнит, полюса которого лежат вблизи географических полюсов: вблизи северного географического полюса расположен южный магнитный S (~11,5º к оси вращения Земли), а вблизи южного географического-северный магнитный полюс N. Магнитные полюса дрейфуют, предположительно южный магнитный полюс на северо-запад.

Угол между географическим и магнитным меридианом называется магнитным склонением β (рис. 1) .

Вектор полной напряженности (магнитной индукции B=μ 0 H) направлен по касательной к силовым линиям магнитного поля Земли. Магнитная стрелка, подвешенная на нити, устанавливается в направление вектора полной напряженности магнитного поля Земли, который можно разложить на две составляющие: горизонтальную H г и вертикальную H в (рис. 4).

α

S

N

в

Соотношение между горизонтальной и вертикальной составляющей зависит от географического положения. Чем ближе к северу, тем стрелка устанавливается круче вниз. Поэтому для характеристики магнитного поля Земли вводится угол α – угол наклонения .

Магнитная стрелка, которая может вращаться лишь около вертикальной оси, будет отклоняться только под действием вектораН г, устанавливаясь в плоскости магнитного меридиана. Это свойство магнитной стрелки используется в компасах.

Итак, для характеристики магнитного поля Земли используются:

1. Магнитное склонение β

2. Угол наклонения α

3. Горизонтальная составляющая магнитного поля Земли H г:

Н г =Нcosα или B г =Bcosα

Методика измерений горизонтальной (H г)и вертикальной H в составляющих магнитного поля Земли.

Величины, характеризующие магнитное поле Земли можно измерить двумя методами.

1)Метод тангенс-буссоли позволяет определить горизонтальную составляющую магнитного поля H г .

Внутри катушки помещается компас. Плоскость катушки устанавливается в плоскости магнитного меридиана, т.е. вдоль магнитной стрелки компаса. Когда через катушку проходит ток в ней создается магнитное поле перпендикулярное плоскости катушки и стрелка компаса устанавливается по направлению результирующего магнитного поля.

На рис.5 изображено сечение катушки.

α

Рис. 5.

Напряженность магнитного поля в центре кругового тока , а в центре круговой катушки с током с учетом числа витков:

Из рис.5 следует, что , тогда:

.

После логарифмического дифференцирования этой формулы, получим формулу для расчета погрешности

(2)

отсюда следует, что погрешность будет минимальной, если sin 2α =1 т.е. α =45°. Значит, нужно выбирать такую силу тока в цепи, чтобы отклонение магнитной стрелки было близким к 45° и тогда

где N – число витков катушки, N =400 витков; R – средний радиус катушки, R =35 мм.

2)Метод, использующий явление электромагнитной индукции, позволяет определить горизонтальную H г и вертикальнуюH в составляющие индукции магнитного поля Земли .

Установка состоит из индуктора (рис.1) и измерительного устройства, которое высчитывает среднее значение потока ЭДС индукции возникающее в катушке при её вращение.

Магнитная индукция В г и В в определяется по формуле.

где S – площадь катушки.

Если рамка на которой закреплена катушка установлена горизонтально, то (ось вращения катушки горизонтальна) измерительное устройство измеряетпоток <E i Δt>, создаваемую вертикальной составляющей B в.

Если рамка установлена вертикально, то измерительное устройство измеряет потока <E i Δt>, создаваемую горизонтальной составляющей B г.

Т.к. в отсутствии среды магнитная индукция и напряженность магнитного поля связаны соотношением:

где - магнитная постоянная =4 10 -7 Гн/м.

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.

Первые представления о формах и размерах Земли появились в глубокой древности. Античные мыслители (Пифагор – V в. до н.э., Аристотель – III в. до н.э. и др.) высказывали мысль, что наша планета имеет шарообразную форму.

Земля несимметрична по отношению к экватору: южный полюс расположен ближе к экватору, чем северный. Земля является не двухосным, а трехосным эллипсоидом.

В настоящее время за фигуру Земли при расчетах принимается эллипсоид Красовского. По этим данным экваториальный радиус Земли равен 6 378,245 км, полярный радиус – 6 356,863 км, полярное сжатие – 1/298,25. Объем Земли составляет 1,083·10 12 км 3 , а масса – 6·10 27 г. Ускорение силы тяжести на полюсе 983, на экваторе 978 см/с 2 . Площадь поверхности Земли около 510 млн. км 2 , из которых 70,8% -- Мировой океан и 29,2% – суша. В распределении океанов и материков наблюдается асимметрия. В Северном полушарии это соотношение составляет 61 и 39%, в Южном – 81 и 19%.

ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ. Особенности слоев Земли.

Земля, так же, как и многие другие планеты, имеет слоистое внутреннее строение. Наша планета состоит из трех основных слоев. Внутренний слой – это ядро, наружный – земная кора, а между ними размещена мантия.

Ядро представляет собой центральную часть Земли и расположено на глубине 3000-6000 км. Радиус ядра составляет 3500 км. По мнению ученых, ядро состоит из двух частей: внешней – вероятно, жидкой, и внутренней - твердой. Температура ядра составляет около 5000 градусов. Современные представления о ядре нашей планеты получены в ходе длительных исследований и анализа полученных данных. Так, доказано, что в ядре планеты содержание железа достигает 35%, что обусловливает его характерные сейсмические свойства. Внешняя часть ядра представлена вращающимися потоками никеля и железа, которые хорошо проводят электрический ток.

Происхождение магнитного поля Земли связано именно с этой частью ядра, так как глобальное магнитное поле создается электрическими токами, протекающими в жидком веществе внешнего ядра. Из-за очень высокой температуры внешнее ядро оказывает значительное влияние на соприкасающиеся с ним участки мантии. В некоторых местах возникают громадные тепломассопотоки, направленные к поверхности Земли. Внутреннее ядро Земли твердое, также имеет высокую температуру. Ученые полагают, что такое состояние внутренней части ядра обеспечивается очень высоким давлением в центре Земли, достигающим 3 млн. атмосфер. При увеличении расстояния от поверхности Земли повышается сжатие веществ, при этом многие из которых переходят в металлическое состояние.

Промежуточный слой – мантия – покрывает ядро. Мантия занимает около 80% объема нашей планеты, это самая большая часть Земли. Мантия расположена кверху от ядра, но не достигает поверхности Земли, снаружи она соприкасается с земной корой. В основном, вещество мантии находится в твердом состоянии, кроме верхнего вязкого слоя толщиной примерно 80 км. Это астеносфера, в переводе с греческого языка означает «слабый шар». По мнению ученых, вещество мантии непрерывно движется. При увеличении расстояния от земной коры в сторону ядра происходит переход вещества мантии в более плотное состояние.

Снаружи мантию покрывает земная кора – внешняя прочная оболочка. Ее толщина варьирует от нескольких километров под океанами до нескольких десятков километров в горных массивах. На долю земной коры приходится всего 0,5% общей массы нашей планеты. В состав коры входят оксиды кремния, железа, алюминия, щелочных металлов. Континентальная земная кора делится на три слоя: осадочный, гранитный и базальтовый. Океаническая земная кора состоит из осадочного и базальтового слоев.

Литосферу Земли формирует земная кора вместе с верхним слоем мантии. Литосфера слагается из тектонических литосферных плит, которые как будто «скользят» по астеносфере со скоростью от 20 до 75 мм в год. Двигающиеся друг относительно друга литосферные плиты различны по величине, а кинематику передвижения определяет тектоника плит.

ЗЕМНОЙ МАГНЕТИЗМ, ЕГО ЗНАЧЕНИЕ. ЭЛЕМЕНТЫ ЗЕМНОГО МАГНЕТИЗМА.

Земля представляет собой огромный магнит, имеющий северный NM и южный SM полюса. Причем магнитные полюса не только не совпадают с истинными или географическими, но и, как показывают наблюдения, их место с течением времени меняется.

Сила, с которой магнитное поле Земли действует на единицу магнитной массы, помещенную в данное поле, называется напряженностью магнитного поля и характеризуется вектором, направленным в любой точке земного магнитного поля по касательным к силовым линиям.

Силу земного магнетизма, действующую в любой точке, в общем случае можно разложить на две составляющие - горизонтальную и вертикальную.

Все элементы земного магнетизма с течением времени изменяются, поэтому карты приводят к определенному году и на них указывают годовые изменения элементов земного магнетизма.

Магнитное склонение в судовождении имеет наибольшее значение, так как его приходится принимать в расчет для определения истинных направлений в море при пользовании магнитным компасом.

Действие магнитного компаса основано на использовании магнитного поля Земли, и магнитная стрелка компаса, установленная на вертикальной оси, практически имеет одну степень свободы вокруг этой оси, и устанавливается по направлению горизонтальной составляющей земного магнетизма. Значение этой составляющей определяется выражением Н = Т cos 0 (см. рис. 12), и оно характеризует величину силы, которая удерживает стрелку компаса в плоскости магнитного меридиана.

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

Кафедра "Физика-2"

У т в е р ж д е н о

Редакционно-издательским

советом университета

Методические указания

к лабораторным работам

по физике

Работы № 20, 22, 90

Под редакцией проф. В.А Никитенко и доц. А.П. Прунцева

МОСКВА–2003

Методические указания к лабораторным работам по физике. Работы № 20, 22, 90 / Под ред. проф. Никитенко В.А.(№ 22,90), доц. Прунцев А.П.(№ 20) – М.: МИИТ, 2003. – 25 с.

Методические указания к лабораторным работам по физике предназначены для студентов всех институтов и факультетов МИИТа, обслуживаемых кафедрой «Физика-2», и соответствует программе и учебным планам по физике (раздел «Электродинамика»).

Методические указания составили преподаватели: старший преподаватель Государева Н.А. (работа № 20), доц. Прунцев А.П. (работа № 22, 90).

При составлении методических указаний к лабораторной работе № 20 использовано описание соответствующей лабораторной работы в РГОТУПС.

 Московский государственный университет путей

сообщения (МИИТ), 2003

Работа 20 определение горизонтальной составляющей вектора напряженности магнитного поля земли

Цель работы: Изучение магнитного поля кругового тока. Ознакомление с основами учения о земном магнетизме.

Приборы и принадлежности: 1.Источник постоянного тока. 2.Реостат. 3. Амперметр.4. Переключатель.5. Тангенс- гальванометр.

Элементы земного магнетизма

Земля в целом представляет собой огромный магнит. В пространстве, окружающем Землю, существует магнитное поле, силовые линии которого изображены на рис.1.Северный магнитный полюс находится у южного географического, а южный магнитный - у северного географического. 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. 2) так, чтобы точка подвеса совпадала с центром тяжести, то стрелка установится по направлению касательной к силовой линии магнитного поля Земли.

Плоскость магнитного меридиана

К центру Земли

В северном полушарии южный конец будет направлен к Земле, и ось стрелки составит с горизонтом угол наклона (на магнитном экваторе наклонение, равно 0). Вертикальная плоскость в которой расположится ось стрелки, называется плоскостью магнитного меридиана. Все плоскости магнитных меридианов пересекаются по прямойNS , а следы магнитных меридианов на поверхности Земли находятся в магнитных полюсах N и S . Так как магнитные полюса не совпадают с географическими, то ось стрелки будет отклоняться от географического меридиана. Угол, который образует вертикальная плоскость, проходящая через ось магнитной стрелки (магнитный меридиан), с географическим меридианом, называется магнитным склонением (рис. 2). Вектор полной напряженности магнитного поля Земли можно разложить на две составляющие: горизонтальную и вертикальную.Значения углов склонения и наклонения, а также горизонтальной составляющей вектора даст возможность определить величину и направление полной напряженности магнитного поля Земли в данной точке. Если магнитная стрелка может свободно вращаться лишь вокруг вертикальной оси, то она будет устанавливаться под действием горизонтальной составляющей магнитного поля Земли в плоскости магнитного меридиана. Горизонтальная составляющая , магнитное склонение и наклонение называется элементами земного магнетизма.

Различают восточное и западное склонение(северный полюс стрелки отклоняется вправо или влево от географического меридиана).

Наклонение бывает северное и южное (северный или южный конец стрелки располагается выше или ниже горизонтальной плоскости). Эти два угла являются магнитными координатами данной точки. Например, для Москвы = 8° (восточное склонение),=70° (северное наклонение).

Элементы земного магнетизма плавно изменяются при переходе от одной точки к другой. Если же наблюдаются нарушения в этом плавном изменении, то говорят, что в данной местности наблюдается магнитная аномалия. Аномалии связаны с большими залежами магнитных руд, например, Курская магнитная аномалия.

Напряженность магнитного поля Земли сравнительно невелика, однако, наличие земного магнетизма проявляется существенным образом в целом ряде географических и других явлений. К таким явлениям относятся полярные сияния и захват заряженных частиц из космического пространства в своеобразные ловушки, которые называются радиационными поясами Земли.

Некоторые биофизические эксперименты позволят предполагать, что пространственная ориентация птиц при дальних сезонных перелетах связана с их способностью ощущать направление магнитных силовых линий.