Характеристикой магнитного поля Земли, как и всякого магнитного поля, служит его напряженность  или ее составляющие. Для разложения вектора  на составляющие обычно используют прямоугольную систему координат, в которой ось х ориентируют по направлению географического меридиана (при этом положительным считается направление оси х  к северу), ось у – по направлению параллели (положительным считается направление оси у к востоку). Ось z таким образом направлена сверху вниз от точки наблюдения (рис. 3.8). Проекция вектора  на ось х носит название северной составляющей Н_х, проекция на ось у – восточной составляющей Н_у и проекция на ось z – вертикальной составляющей Н_z. Эти проекции, как правило, обозначают X, Y, Z, соответственно. Проекцию  на горизонтальную плоскость называют горизонтальной составляющей Н. Вертикальная плоскость, в которой лежит вектор , называется плоскостью магнитного меридиана. В плоскости географического меридиана лежат, очевидно, оси х и z, поэтому угол D между плоскостями географического и магнитного меридианов называется магнитным склонением. Угол между горизонтальной плоскостью и вектором  носит название магнитного наклонения J.  Наклонение положительно, когда вектор  направлен вниз от земной поверхности, что имеет место в северном полушарии, и отрицательно, когда  направлен вверх, т. е. в южном полушарии.

Склонение D, наклонение J, горизонтальная составляющая Н, северная Х, восточная Y и вертикальная составляющая Z носят название элементов земного магнетизма. Ни один из

элементов земного магнетизма не остается постоянным во времени, а непрерывно меняет свою величину от часа к часу и от года к году. Такие изменения получили название вариаций элементов земного магнетизма.

Рис. 3.8. Направление оси Z

Медленные вариации элементов земного магнетизма получили название вековых. Вековые вариации элементов связаны с источниками, лежащими внутри земного шара. Быстротечные вариации периодического характера имеют своим источником электрические токи в высоких слоях атмосферы.

Геомагнитное поле подразделяют на три основные части:

1) главное магнитное поле и его вековые вариации, имеющие внутренний источник в ядре Земли;

2) аномальное поле, обусловленное совокупностью источников в тонком верхнем слое, называемом магнитоактивной оболочкой Земли;

3) внешнее поле, связанное с внешними источниками – токовыми системами в околоземном пространстве.

Главное и аномальное поля называют постоянным геомагнитным полем. Поле внешнего происхождения называется переменным электромагнитным полем, поскольку оно является не только магнитным, но и электрическим.

Вклад главного поля составляет в среднем более 95 %, аномальное поле вносит 4 % и доля внешнего поля – менее 1 % [103].

Теоретическая модель в форме магнита-диполя, помещенная в центр Земли, создает на ее поверхности магнитное поле, которое сравнительно хорошо совпадает с реальным геомагнитным полем.

Однако более точно это поле воспроизводится, если такой «магнит – диполь» повернуть на угол 11.5° относительно оси вращения планеты, и еще более точно – при смещении его на 450 км в сторону Тихого океана.

Точки пересечения поверхности земного шара с осью смещенного магнита-диполя называются геомагнитными полюсами.

Координаты геомагнитных полюсов не совпадают, таким образом, с координатами географических полюсов земного шара, и соответственно геомагнитный экватор (линия на поверхности Земли, для всех точек которой наклонение дипольного поля равно нулю) – не совпадает с географическим экватором. Положение магнитных полюсов не является постоянным, а непрерывно меняется.

Вблизи магнитных полюсов вертикальная составляющая принимает максимальное значение, равное примерно 49.75 А/м, а горизонтальная составляющая в этой области равна нулю.

На магнитном экваторе величина вертикальной составляющей делается равной нулю, а горизонтальная составляющая принимает наибольшее значение (максимальное значение она принимает вблизи Зондских островов, равное примерно 31.83 А/м).

Для того чтобы ясно представить себе картину распределения элементов земного магнетизма по поверхности земного шара, пользуются графическим методом изображения – методом построения карт изолиний, т.е. кривых, соединяющих на карте точки с одинаковыми значениями изучаемого параметра магнитного поля.

Магнитные карты строятся как для данной области, так и для целой страны и, наконец, для всего земного шара. В последнем случае они носят название мировых карт.

Рассмотрение мировых карт изолиний и карт изолиний отдельных районов приводит к заключению, что магнитное поле  на поверхности Земли является суммой нескольких полей, имеющих различные причины, а именно:

– поля, создаваемого однородной намагниченностью земного шара, называемого дипольным (моделируется приведенным выше магнитом-диполем), – ;

– поля, вызываемого внутренними причинами, связанными с неоднородностью глубоких слоев земного шара, получившего название недипольного  (его называют также полем мировых аномалий);

– поля, обусловленного намагниченностью верхних частей земной коры, – ;

– поля, вызываемого внешними причинами, – ;

– поля вариации , причины генерации которого связываются также с источниками, расположенными вне земного шара, т.е.

Сумма полей дипольного и недипольного

образует, как отмечалось выше, главное магнитное поле Земли. Поле  представляет собой аномальное поле, которое подразделяется на поле регионального характера, распространяющееся на большие площади, и поле местного характера, ограниченное небольшими площадями. В первом случае оно называется региональной аномалией, а во втором – локальной аномалией.

Часто сумму полей однородного намагничивания, поля мировых аномалий и внешнего поля

называют нормальным полем. Так как  очень мало и практически им можно пренебречь, то нормальное поле практически совпадает с главным полем. С этой точки зрения, наблюдаемое поле, если исключить из него поле вариаций, является суммой нормального (или главного) и аномального:

.

Таким образом, если известно распределение нормального поля на поверхности Земли, то можно определить аномальную часть магнитного поля.

Обычно интенсивность нормального поля во много раз больше, чем интенсивность региональных и локальных аномалий. Есть, правда крайне редко, участки земной поверхности,

на которых эти аномалии по интенсивности близки к главному магнитному полю Земли. Но и среди этих участков уникален район Курской магнитной аномалии, где «возвышаются» десятки магнитных «Эверестов».

Магнитное поле Земли относится к слабым полям, и напряженность ее нормального поля (модуль напряженности) изменяется в зависимости от регионов в широких пределах. Так на полюсах, как уже было отмечено, она достигает 49.5 А/м, в районе Москвы – 39.8 А/м, в районе Комсомольска-на-Амуре – 43.8 А/м. Наибольшего значения на территории нашей страны она достигает в районе Иркутска, Якутии – 48.54 А/м, на Сахалине – 40.59 А/м.

В настоящее время большое внимание уделяют и магнитным вариациям, поскольку помимо научного значения они представляют интерес как явление, оказывающее влияние на практическую деятельность людей и на их здоровье. Так, при возникновении вариаций значительной амплитуды – магнитных бурь – нарушается радиосвязь, ухудшается работа многих технических устройств, изменяется скорость протекания физиологических процессов. Например, в июле 1959 г. в результате сильной магнитной бури была прервана радиосвязь между Европой и Америкой, наблюдались нарушения электрической сигнализации на железных дорогах многих стран, вышли из строя даже некоторые электротехнические системы (нарушалась изоляция кабелей и обмоток трансформаторов).

Установлено также, что интенсивные изменения геомагнитного поля не безразличны для животных и растений. Бесспорно теперь и влияние вариаций магнитного поля Земли на здоровье людей. Так, когда в одном из городов [34] напряженность магнитного поля возросла на протяжении суток в три раза, смертельные исходы увеличились в 1.8 раза.

Магнитные вариации меняются в разные дни различно. Иногда изменения происходят плавно, подчиняясь определенной закономерности, иногда они имеют беспорядочный характер и тогда периоды, амплитуды и фазы вариаций непрерывно меняют свое значение. В первом случае вариации называются спокойными или невозмущенными, а во втором – возмущенными.

К числу невозмущенных вариаций относятся солнечно-суточные, лунно-суточные и годовые.

Возмущенная часть вариаций магнитного поля также состоит из целого ряда вариаций, которые, накладываясь одна на другую, в сумме дают неправильные колебания всех элементов земного магнетизма около среднего значения. Некоторые из этих вариаций имеют вполне определенный период, другие меняют свой период от одного колебания к другому. Кроме того, имеются вариации непериодического характера. Поэтому возмущенные вариации классифицируют также на периодические, непериодические и неправильные флуктуации. К числу периодических относятся возмущенные солнечно-суточные вариации с периодом солнечных суток и короткопериодические колебания, у которых период колеблется от долей секунд до десятков минут. Из непериодических известна вариация под названием апериодическая возмущенная, которая проявляется во время магнитных бурь главным образом в изменении горизонтальной составляющей. Неправильные флуктуации элементов земного магнетизма представляют основную часть магнитных возмущений.

Помимо этого существуют вариации, которые нельзя отнести ни к одному из этих трех типов. Эти вариации получили название бухтообразных.

Магнитные возмущения могут иметь локальный характер и наблюдаться только в ограниченном секторе долгот и широт или же, достигая большой интенсивности, охватывать одновременно всю Землю. В последнем случае их называют магнитными бурями или мировыми бурями.

Принято выделять магнитные бури с внезапным началом и бури с постепенным началом. В первом случае на фоне спокойного хода всех элементов внезапно происходит скачок, отмечаемый в пределах одной-двух минут на всех станциях земного шара. Особенно резко такой скачок проявляется в величине горизонтальной составляющей, которая увеличивается на десятки гамм (внесистемная единица напряженности магнитного поля, равная одной сто

тысячной эрстеда; 1g = 10^-5 Э = 0.795775×10^-3 А/м). Во втором случае возмущения возникают в виде постепенного увеличения амплитуды всех элементов.

Бури по интенсивности (по величине амплитуды) принято делить на слабые, умеренные и большие. При большой буре амплитуды, например, у горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля могут достигать 3000g (2.39 А/м) и более [103].

Под частотой магнитных бурь понимают их количество, приходящееся на тот или иной период времени (год, сезон, сутки). Частота магнитных бурь зависит от многих факторов и, прежде всего, от солнечной активности. В годы максимальной солнечной активности частота бурь наибольшая: от 23 (в 1894 г.) до 41 (в 1938 г.) [103] бури в год, а в годы минимальной солнечной активности она опускается до нескольких бурь в год. Кроме этого частота бурь зависит от времени года. Бури чаще возникают в периоды равноденствий.

Следует отметить также одну из основных закономерностей в появлении магнитных бурь, а именно их 27-дневную повторяемость.

В последние годы была также установлена связь магнитных бурь с параметрами солнечного ветра.