„Който не знае едно нещо, знае друго.“

Магнитното поле на Земята играе огромна роля в живота на човека. Известно е, че много въртящи се космически тела притежават магнитни моменти, причините за чийто възникване за сега не са точно установени. Така както магнитни полета имат много планети от слънчевата система, така са открити магнитни полета и на някои звезди. Но, някаква закономерност в разпределението на интензивността на тези полета не са открити.

Изучаването на магнитното поле на Земята, или геомагнитното поле (ГМП), има много годишна история. Магнитните наблюдения били започнати преди няколко столетия, главно за нуждите на морската навигация. Първи морски наблюдения за геомагнитното поле (ГМП) на Земята са се провеждали още от 1538 – 1543 г от Де-Кастро в Атлантическия океан. Постепенно тези наблюдения започнали да преследват освен навигационните и други цели: изучаване на общия характер на разпределение на магнитното поле на повърхността на Земята; изучаване на неговите изменения във времето; изучаване на магнитните аномалии и т.н. Постоянното натрупване на магнитни наблюдения на земната повърхност е позволило към днешно време да си представим общата схема на разпределение на магнитното поле на повърхността на Земята. Към числото на първите такива схеми се отнася картата на склонението изготвена по резултатите от експедицията на английския астроном Галея на кораба „Перамур пинк” през 1698 – 1700 г. Понастоящем систематично се съставят световни магнитни карти за удовлетворяване на първостепенните нужди на науката и практиката.

Независимо от значителните достижения в областта на изучаване на магнитното поле на Земята, причините за земния магнетизъм още не са изяснени до край.

Както е било доказано още от К. Гаус през 1835 г, голяма част от геомагнитното поле (ГМП) се предизвиква от източници, намиращи се вътре в земното кълбо. По този начин, Земята представлява един голям магнит, чийто поле с точност 25% съвпада с полето на намагнетизирано кълбо, чийто магнитни полюси не съвпадат напълно с географските полюси, разположени на оста на въртене на Земята.

Структура на магнитното поле на Земята. Във връзка с по нататъшното развитие на народното стопанство, отбраната на страната и научно-техническия прогрес досегашните материали по изучаването на ГМП се оказват недостатъчни за удовлетворяване на съвременните практически потребности.

Особено големи се оказали задачите по изучаването на магнитното поле на Земята в океана. Данните за ГМП тук могат да бъдат използвани:

– за определяне на мястото ма кораба и решаването на редица други задачи по навигация;

– при осигуряване скритостта на действията на подводните лодки и поиска на подводните лодки на противника;

– при проектирането и осигуряването на ефективно използване на средствата и оръжията на ВМФ, действието на които е на основата на използването на магнитното поле на Земята или работата на които е свързана с отчитане на неговото влияние;

– при търсене на потънали обекти;

– за изучаване строежа на океанското дъно и океанската кора – това е най-слабо изучената в геологическо отношение част от земното кълбо;

– в комплекс с други геофизични методи за изучаване на релефа на дъното на океана, за откриване на крупни форми на релефа, за ускорено изучаване на релефа на дъното на акватории, покрити с лед;

– при геологично картографиране, при решаване на задачите от общата и разузнавателна геофизика.

Понастоящем магнитни снимки в океана се извършват от редица страни: САЩ, Великобритания, Франция, Канада и други. В Русия на изследванията на магнитното поле на Земята в океана се отделя значително внимание от АН, Министерството на геологията и Хидрографска служба на ВМФ на РФ. Руските учени и инженери имат огромни заслуги в създаването на измервателна магнитометрична апаратура, в развитието на теорията за ГМП и в магнитните изследвания в океана. С особено голяма известност се ползват изследванията, изпълнени в Атлантическия, Индийския и Тихия океан с не магнитния кораб „Заря” (построен в Финландия през 1952 г). Многолетните, в продължение на четири десетилетия работи, изпълнените от този кораб измервания се явяват уникални по съдържание и точност изследвания. Интерес представляват и събраните данни за характеристиките на магнитното поле, в океана.

Магнитното поле на Земята в океана се мени от 31,8 А/м (0,4 Э) на екватора до 47,7 А/м (0,6 Э) на северния магнитен полюс и 55,7 А/м (0,7 Э) на южния магнитен полюс. Материалите от аеромагнитните и корабните снимки, измерванията с не магнитния кораб „Заря”, тяхното обобщение, свидетелстват за съществени различия между магнитните полета на материка и в океана. Характерна особеност в строежа на ГМП в океана се явява наличието на система от аномалии и линейната структура, нямаща преки аналози на континента.

Установено е, че магнитното поле в океана е рязко аномално. Средната амплитуда на наблюдаваните аномалии е 160-320 мА/м (200-400 нТл) при напречно сечение на 10 -12 км, а средните хоризонтални градиенти около 40 нТл/км.

Понастоящем се използва класификация на ГМП в зависимост от значението на хоризонталния градиент и хоризонталната разчлененост, показани са в таблица 1 и 2.

Таблица 1. Класификация на ГМП в зависимост от значението на хоризонталния градиент

Характеристика на ГМП	Значение G, нТл/км
Спокойно	0 – 20
Средно аномално	20 – 50
Аномално	50 – 200
Рязко аномално	Повече от 200

Към особеностите на геомагнитното поле в океана следва да се отнесат:

– ниска стабилност на полето;

– висока хоризонтална и вертикална разчлененост.

Геомагнитното поле се характеризира с напрегнатостта на полето Н и магнитната индукция В. При това напрегнатостта характеризира интензивността само на източника на геомагнитното поле, а индукцията – сумарното въздействие на източника и на околната среда. Полето на определено вещество, обикновено се характеризира от индукцията В, а напрегнатостта Н я разглеждат като допълнителна характеристика. Н и В са свързани между себе си със съотношението:

където ₀ – магнитна постоянна;

 – абсолютна магнитна проницаемост на средата.

Таблица 2. Класификация на ГМП в зависимост от значението на хоризонталната разчлененост.

Характеристика ГМП	Хоризонтална разчлененост, м
	На дълбочина < 500 м (в зоната на шелфа)	На дълбочина > 1000 м (ложе на океана)
Равно	5000	20000
Средно разчленено	1500 – 5000	6000 – 20000
Разчленено	600 – 1500	3000 – 6000
Рязко разчленено	< 600	1000 – 3000

Връзката между измерителните единици, за указаните магнитни величини в системите СИ и СГС, са показани в таблица 3.

Таблица 3. Връзка между измерителните единици за параметрите на ГМП.

Измервана величина	СИ	СГС
Напрегнатост на магнитното поле	А/м	Э
Напрегнатост на геомагнитното поле	А/м	
Магнитна индукция	Тл	Гс
Индукция на геомагнитното поле	нТЛ	Гс

Съотношение на единиците: 1 = 10^-5 Э, 1Гс = 10^-4 Тл, 1нТл = 1 . (2)

Измерванията на ГМП винаги се извършват в обкръжаваща среда, поради това като характеристика за неговата интензивност се явява индукцията, а по-точно векторът на магнитната индукция. Във всяка точка на Земята може да бъде измерено значението на вектора на магнитната индукция или неговите съставляващи. Векторът на магнитната индукция на ГМП е прието да се обозначава сТ.

Съставляващи на геомагнитното поле. Векторът Т може да бъде разложен на следните съставляващи (виж рис. 1) Н, Z, D, I, които носят названието компоненти на земния магнетизъм

където: Н и Z – съответно хоризонтална и вертикална съставляваща на пълния вектор на магнитната индукция;

D – магнитно склонение;

I – магнитно наклонение.

За преход от една система координати към друга и определяне на вектора Т, съществуват, както се вижда от рисунката, следните съотношения:

С отчет на това, че параметрите на земния магнетизъм се изменят във времето, то в общия случай геомагнитното поле може да се разглежда като постоянно поле, но с наложено на него променливото поле.

където Т’ – индукция на постоянното поле;

Т_i – амплитуда на i-та хармонична на променливото геомагнитно поле;

t – период на наблюденията;

t_i – момент на наблюденията;

_i – фазов ъгъл.

Заедно с това, математическия анализ на геомагнитното поле показва, че то се явява като сума на няколко полета, имащи различни причини.

Индукцията на магнитното поле на Земята може да се представи като сума на полетата:

където Т_o – поле, създавано от еднородно намагнитване на Земното кълбо (диполно поле);

Т_m – поле, предизвикано от вътрешни причини, свързани с не еднородния строеж на вътрешните слоеве на Земята, получили названието не диполни или материково поле, предвид огромното пространство, което то обхваща;

Т_a – аномално поле, обусловено от намагнитеността на връхната част на земната кора;

Т_e – поле, обусловено от външни причини и предизвикващи вековни изменения на ГМП, чийто величина не превишава 6% от величината на Т;

Т – поле на вариациите, също имащо външни причини.

Сумата от полетата на еднородно намагнитеното, материковото и външното полета често се нарича нормално поле, тоест.

Тъйкато Т_е е много малко и може да се пренебрегне, то нормалното поле в този случай съвпада с главното магнитно поле.

Нормалното поле е подложено на вековни изменения. Вековните вариации за период от 10 години и повече могат забележимо да изменят величината и характера на нормалното поле. Това води към необходимостта от периодично преиздаване на картите на геомагнитното поле с указване на епохата, към която те се отнасят. Под епоха тук се разбира средната година, към която са приведени данните от наблюденията с отчета на вековните вариации.

Аномалното поле Т_а се подразделя на поле от регионален характер, разпространяващо се на голяма площ, и на поле от местен характер, простиращо се на не голяма площ, тоест.

където Т`_a – поле на регионална аномалия;

Т“_a – поле на местна или локална аномалия.

Обикновено регионалната аномалия се предизвиква от дълбоките слоеве на земната кора, а локалните – от при повърхностните слоеве. Но като причина за регионалните аномалии също могат да бъдат породите, намиращи се във връхните, близки до земната повърхност, слоеве на земната кора, такива като Куртската аномалия например. Аномалията се характеризира с забележимо изменение на елементите на земния магнетизъм, достигайки десетки и стотици нТл/км.

Аналитичните методи, основани на теорията на потенциала, дават възможност да се раздели магнитното поле на части, източниците на които лежат вътре и вън от Земята, да се отделят вътрешната и външната части на магнитното поле, а също позволяват във вътрешното поле да се отдели частта на еднородно намагнитените.

Но не съществува основан на физични данни аналитичен метод с помощта на който разделянето на магнитното поле на отделните му съставляващи е възможно, позволяващ да се отдели полето на световните магнитни аномалии от полето на регионалните и локалните аномалии.

По този начин, наблюдаваното геомагнитно поле, ако се изключи от него полето на вариациите се явяват сума от нормалното и аномалното полета.

Следователно, ако е известно разпределението на главното поле на повърхността на Земята, може да се определи аномалната част на магнитното поле. Института по земен магнетизъм, йоносфера и разпространение на радио вълните (ИЗМИРАН) регулярно съставя карти за разпределението на елементите на нормалното или главното поле на повърхността на Земята.

Геомагнитното поле, както беше казано по-горе, не остава постоянно. Изменението на магнитното поле във времето се нарича магнитни вариации.

Вариациите на ГМП се явяват едни от основните източници за погрешност при магнитните снимки, което води към необходимост от изключване на значението на вариациите от измерените значения на елементите на магнитното поле.

Тази изменчивост, освен вече споменатия вековен ход, включва в себе си денонощните вариации, геомагнитните пулсации с честота от няколко милихерца до един килохерц, както и магнитните бури. В повторяемостта на магнитните бури (зависещи от слънчевата активност) се наблюдава 27 дневна цикличност (съответстваща на периода на въртене на Слънцето около своята ос), и освен това, слънчевата активност има 11 годишна периодичност, което оказва влияние и на средната годишна магнитна активност.

Магнитните бури, вариации и пулсации, предизвиквани от различни причини, обикновено обхващат цялото земно кълбо, макар и тяхната интензивност да се мени в зависимост от географската ширина (колкото по-голяма е ширината, толкова по-големи са вариациите) и от годишния сезон (нараства през есента и пролетта). Освен това, вариациите съществено зависят от характера на местните условия, което е особено важно за океана. На шелфа, островите, а още повече на материка вариациите ще бъдат различни, дотолкова доколкото е различна структурата на земната кора. Съществено влияние на вариациите оказват и водните маси (магнитно хидродинамичния ефект, обусловен от морските течения). И, накрая, в районите на магнитни аномалии вариациите ще са по-големи.

Местните магнитни флуктуации могат да възникват в крайните части на островите и континентите, което затруднява използването на данните от бреговите магнитни обсерватории и магнитно вариационните станции за изправяне на резултатите от морските магнитни снимки.

В общия случай на вариация, натрупваща се в значението на постоянното магнитно поле, може да се представи във вид на сума на геомагнитни вариации, имащи различен характер и различен произход. Сумарното отклонение на значението на наблюдавания елемент от средното годишно може да бъде представено с формулите:

където F(t) – измерено значение на елемента в момент t;

F(t_o) – средно годишно значение на елемента;

F_a(t_o) – средно годишно значение на елемента, центрирано към средата на годината (епохата);

F_a(t) – средно годишно значения на елемента, центрирано към времевия момент t;

F_a(t)-Fa(t_o) – бавна (годишна) вариация за период t = t_o;

F_m(t) – средно месечно значение на елемента;

F_m(t)-F_a(t) – годишна вариация за даден месец;

F_h(t) – средно часово значение на елемента, центрирано към момента t;

F_h(t)-F_m(t) – средна денонощна вариация;

F(t)-F_h(t) – отклонение на вариацията.