title-icon Статьи о ремонте
title-icon
» » Магнитное поле

Магнитное поле

Это поле современная наука рассматривает как форму материи, которая действует на заряженную частицу с силой, зависящей от произведения ее заряда на скорость. Здесь речь идет об электрическом заряде, поскольку магнитных зарядов в природе не обнаружено. Поиски монополя Дирака, как возможного магнитного заряда, пока успехом не увенчались, хотя принципы симметрии Мира позволяют такой вопрос ставить. Микроскопические же источники магнитного поля в природе существуют: ими являются движущиеся электроны, протоны и нейтроны. Магнитный диполь, который они формируют, обязан своим существованием движению электрического заряда. Этот диполь и является источником магнитного поля.

Магнитное поле Земли характеризуется напряженностью Т. Линии напряженности представляют собой силовые линии магнитного поля. Они направлены от южного магнитного полюса к северному. В каждой точке этой линии напряженность является касательной. Наклон этой касательной к соответствующему магнитному меридиану (к сфероидной поверхности Земли) называется магнитным наклонением I. Очевидно, что на магнитном экваторе I=0°, а на полюсах I=90°. Реальные измерения магнитного наклонения сводятся к измерению угла между горизонтальной плоскостью и наклоном магнитной стрелки. Кроме того, принято различать вертикальную составляющую магнитного поля Z и горизонтальную H (рис. 4.14). Нетрудно видеть, что они имеют между собой простую связь:

Магнитные полюса не совпадают с географическими. Поэтому для характеристики магнитного поля используют еще одну величину — магнитное склонение D, которое определяется как угол между географическим и магнитным меридианами. В СИ за единицу напряженности магнитного поля (величин Т, Н, Z) принимают напряженность поля бесконечного линейного тока в 1 ампер на расстоянии R=1/2п метров от него (ампер на метр, А/м). Элементы поля D и I измеряют в угловых единицах, обычно в градусах, минутах, секундах.
Связь между основными составляющими магнитного поля, выраженная простыми соотношениями (4.14, 4.15), выполняется весьма приближенно, так как она отражает упрощенное представление о природе магнитного поля Земли. Наиболее простые модели магнитного поля рассматривают Землю как намагниченный с поверхности шар, действие которого часто заменяют действием стержнеобразного магнита (бруска), расположенного около его центра. Этот магнит смещен примерно на 40 км от центра в сторону Тихого океана и наклонен к оси вращения Земли приблизительно на 12°.
Естественное магнитное поле отличается от поля намагниченного шара ненамного, максимум на 30%. Его интенсивность невелика: 0,6—0,7 Э на полюсах и 0,4 Э на экваторе. В соответствии с моделью намагниченного бруса в северном полушарии расположен южный магнитный полюс (ф = 78,2°, Л = 68,8° з. д.), а в южном полушарии — северный (ф = 78,2°, Л = 111,2° в. д.). Местоположение же реальных полюсов соответствует тем точкам на Земле, в которых магнитная стрелка занимает вертикальное положение. Одна из них находится в Канадском архипелаге (ф = 72°, Л = 36° з. д.), другая — в Антарктиде (ф = 67°, Л = 140° в. д.).
Геомагнитное поле не постоянно, оно меняется из года в год, из столетия в столетие, возрастая в одних районах и уменьшаясь в других. Эти изменения носят монотонный характер. Изменения среднегодовых значений геомагнитного поля называются вековыми вариациями или вековым ходом. Они носят периодичный характер, увеличиваясь до определенного максимума, а потом уменьшаясь до известного минимума. Эти изменения магнитного поля связаны с целым комплексом явлений, происходящих в недрах Земли.
Помимо вековых магнитное поле испытывает суточные колебания, связанные уже не с Землей, а главным образом с действием ультрафиолетового излучения Солнца (ионизация атмосферы). Известны и так называемые геомагнитные пульсации, когда магнитное поле Земли в целом начинает как бы дрожать. Иногда такие пульсации имеют только региональный характер. Период их колебаний изменяется в широком диапазоне: от тысячной доли секунды до нескольких минут. Пульсации объясняют действием солнечного ветра (потоком ионизированного газа, «дующего» со стороны Солнца) на магнитосферу Земли.
Магнитное поле Земли испытывает и очень резкие колебания продолжительностью от нескольких часов до нескольких суток. Их называют магнитными бурями и связывают с изменением солнечной активности (рис. 4.15). Обычно они наблюдаются в дни весеннего и осеннего равноденствия, а также имеют 27-дневную и 11-летнюю повторяемость, определяемую, как полагалось, периодом обращения Солнца вокруг своей оси и периодичностью солнечной активности. В среднем магнитные бури возникают около десяти раз в году. При сильных магнитных бурях склонение D изменяется на несколько градусов, а вертикальная и горизонтальная составляющие напряженности T — на тысячи гамм и больше. Амплитуда колебаний геомагнитных параметров при этом в высоких широтах больше, чем в низких.

Исследования намагниченности лавовых потоков и отдельных минералов как в пределах суши, так и на океаническом дне позволили установить инверсии магнитного поля Земли и даже построить их хронологию. Датировки прямой и обратной намагниченности, выполненные с помощью калий-аргонового метода, дали возможность достаточно уверенно установить временную шкалу инверсий геомагнитного поля на период приблизительно в 4,5 млн. лет (рис. 4.16). Выделено четыре эпохи прямых и обратных полярностей, которые прерываются кратковременными эпизодами (ивентами) противоположной направленности поля. Например, эпоха Брюнес очень устойчиво определяется прямой полярностью (т. е. полярностью, совпадающей с ориентацией современного поля). Ее время оценивается в 690 тыс. лет и только в самом конце на протяжении 20—30 тыс. лет наблюдалась кратковременная ивента Лашамп, когда геомагнитное поле имело обратную ориентацию. Приведенная шкала имеет ряд вариантов и разными авторами экстраполируется до 10—80 млн. лет. Относительно легко устанавливаемым аномалиям геомагнитного поля присвоены стандартные номера, которые уже можно считать общепринятыми. Обращает на себя внимание тот факт, что на протяжении 80 млн. лет суммарное время пребывания геомагнитного поля в прямой и обратной ориентациях почти совпадает. Обе полярности одинаково стабильны, и если считать, что на протяжении этого интервала времени записи инверсий сохранились полностью, то можно заметить увеличение их частоты от мелового периода к четвертичному (рис. 4.17).

Для гидрогеологии чрезвычайно важным фактом является регистрация инверсий геомагнитного поля в океанических осадках (рис. 4.18). Лабораторные эксперименты с природными образцами показывают, что их намагничивание происходит, вероятно, не в процессе седиментации, а после ее завершения, но на том этапе седиментогенеза, когда в осадках еще содержалось большое количество воды. Однако механизм этого явления пока недостаточно ясен. Исследование инверсий геомагнитного поля в глубоководных осадках позволило не только выявить короткие ивенты, не зафиксированные в лавовых потоках, но и установить, что изменение знака геомагнитного поля происходит в течение нескольких тысяч лет (рис. 4.18). Изменения геомагнитного поля фиксируются и на протяжении человеческой истории. Археомагнитные исследования, например, показывают, что около 200 года нашей эры напряженность поля была приблизительно в 1,6 раза выше современной. Экстраполируя эти данные на 2000 г., мы получим напряженность, равную нулю. Затем, видимо, произойдет изменение знака поля (полюса поменяются местами).

Поскольку предметом гидрогеологии является система вода — порода, то нас интересует воздействие магнитного поля как внешнего — поля Земли, так и внутреннего — остаточного магнетизма самих пород) на данную систему. Вначале совершим небольшой экскурс в магнитные свойства пород и вод и начнем с понятий пара-, диа- и ферромагнетизма. В очень общем виде их можно объяснить так: если магнитное поле ориентирует магнитные моменты атомов и молекул, мы имеем дело с парамагнетизмом, если такие моменты создаются и величина их пропорциональна действующему полю и направлена против него, следует говорить о диамагнетизме. Строго говоря, явление диамагнетизма охватывает как диамагнетики, так и парамагнетики, но во втором случае изменение существующего (собственного) парамагнитного момента чрезвычайно мало и оно, как правило, не учитывается. Ферромагнетики — это тела, которые способны намагничиваться самопроизвольно, под действием внутренних сил и являются макроскопическими источниками магнитного поля. При повышении температуры и отсутствии внешнего магнитного поля спонтанный магнитный момент ферромагнетиков уменьшается и начиная с некоторой температуры, называемой температурой Кюри, ферромагнетики становятся парамагнетиками. Таким образом, при достаточно высоких температурах все ферромагнетики являются парамагнетиками, но при низких температурах не все парамагнетики являются ферромагнетиками.
Вода относится к типичным представителям диамагнетиков. Ряд самородных минералов, например ртуть, сера, золото, серебро, медь и такие породообразующие минералы, как кварц, полевой шпат, большинство органических соединений, из газов — гелий также являются диамагнетиками. В то же время большинство породообразующих минералов относятся к парамагнетикам, из газов характерным парамагнетиком является кислород. К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт, их многочисленные соединения и сплавы. Из минералов самыми характерными здесь являются магнетит, титаномагнетит, пирротин, гематит, ильменит, ульвошпинель и некоторые другие.
Таким образом, можно констатировать, что в системе вода — порода все составляющие обладают магнитной восприимчивостью, но их реакции на геомагнитное поле и его изменчивость существенно отличаются. Как мы только что показали, даже осадочные породы обладают заметной намагниченностью и способны сохранять ее сотни тысяч, а возможно, и миллионы лет. Нетрудно понять, что разная намагниченность по разрезу создает устойчивые во времени градиенты внутренних магнитных полей. Очевидно, что даже при слабых полях их градиенты могут быть весьма высокими, особенно при смене полярности. Относительно недавно действие магнитного поля на воду в науке даже не обсуждалось. Однако в настоящее время специалисты занимаются этим вопросом чрезвычайно активно, особенно в биологии и технике. Уже целый ряд фактов установлен достаточно надежно. Например, зафиксированы изменения под действием магнитного поля кислотно-щелочной реакции воды (pH), поверхностного натяжения, ее диэлектрической постоянной, удельной электропроводности. При этом изменение свойств сохраняется довольно долго после снятия поля. Наиболее существенные изменения происходят не с «чистой» водой, а с водными растворами — факт наиболее интересный для гидрогеологии. В частности, магнитная обработка уменьшает гидратацию диамагнитных ионов и несколько увеличивает гидратацию парамагнитных. Наиболее заметны изменения в разбавленных растворах и у ионов, стабилизирующих структуру воды (Mg2+, Ca2+, Li+) или образующих с ней комплексы (Fe3+, Ni2+, Cu2+). Некоторые исследователи пришли к выводу, что действие магнитного поля испытывает структура воды, а находящиеся в ней ионы лишь ослабляют или усиливают наблюдаемые эффекты.
Уже можно перечислить те физико-химические процессы, происходящие в воде, на которые заметное влияние оказывает магнитная обработка воды: ускоряется коагуляция, усиливается адсорбция и растворение твердых тел, изменяется концентрация растворенных газов, при упаривании раствора соли образуются не только на стенках сосуда, но и в объеме образца. Интересно, что после магнитной обработки растворов может меняться природа кристаллов, которые в них образуются. Например, вместо кальцита появляется арагонит. Зафиксировано изменение плотности и вязкости растворов кислот при их магнитной обработке. Все эти и другие приводимые в литературе факты чрезвычайно впечатляющи. К сожалению, они получены при поисках различного рода технических решений в таких задачах, как борьба с накипью, с коррозией и т. п. Может быть, поэтому в погоне за быстротой эффекта использовались магнитные поля с высокой напряженностью. Влияние же слабых, но долгоживущих полей, влияние градиентных изменений, а также комплексных факторов (например, одновременных изменений температуры, давления, магнитного поля и т. д.), зависимость результатов от скорости движения воды в магнитном поле вообще не исследовались. Почти совсем ничего не известно о влиянии на эффекты воздействия магнитного поля природы и концентрации растворенных в воде веществ. По существу, гидрогеология еще не начала заниматься этими вопросами.

title-icon Подобные новости