Измерение магнитного поля Земли 1
Лабораторная работа №15
Измерение магнитного поля Земли
Конфигурация геомагнитного поля
В
существовании магнитного поля Земли
можно убедиться, взглянув на стрелку
компаса. Свободно вращающаяся на
вертикальной оси намагниченная стрелка
в любой точке земной поверхности
становится в определенном направлении,
которое в большинстве районов близко
к направлению географического меридиана.
Конец стрелки, направленный к северу,
называют, естественно, северным, а
противоположный – южным. Соответственно
называются и концы (полюсы) всех магнитов.
Линии магнитной индукции в пространстве
вне магнита принято считать направленными
от северного полюса магнита к южному.
Сближая два линейных магнита, легко
обнаружить, что они стремятся развернуться
противоположными полюсами друг к другу,
при этом линии магнитной индукции
замыкаются по кратчайшему пути – от
северного полюса одного магнита к южному
другого.
В общих чертах картина магнитного поля Земли выглядит так, будто внутри неё есть огромный (по некоторым оценкам около 2000 км длиной) линейный магнит. Ось этого магнита наклонена под углом 11,5° к оси вращения Земли, поэтому координаты северного магнитного полюса – 79°с.ш. и 71°з.д., а южного – 75°ю.ш. и 120°в.д. (см. примечание 1). При этом центр магнита отстоит от центра Земли на расстояние около 400 км.
Описанное
выше магнитное поле называют основным
(или дипольным) магнитным полем. Его величина на поверхности Земли вблизи
полюсов равна примерно 5·10-5Тл,
а у экватора ≈ 3·10-5Тл.
На это глобальное поле наложены несколько
так называемых мировых
аномалий (самые крупные – Бразильская, Сибирская,
Канадская) размером порядка 104км,
поле в которых отличается от основного
на величину до 1·10
Наблюдения
показывают, что магнитное поле не
является постоянным в течение года.
Основной вклад в сезонные изменения
магнитного поля (суточные, месячные и
полугодовые) вносят изменения электрических
токов в верхних слоях атмосферы , однако
амплитуда этих изменений составляет
лишь доли процента.
Постоянное поле, однако, тоже меняется со временем, но на гораздо больших промежутках. Так дипольное магнитное поле испытывает изменения с периодами в 10…20, 60…100, 600…1200 и 8000 лет (так называемые вековые вариации). Амплитуда таких вариаций достигает десятков нТл/год
Вековые
вариации свойственны также и недипольной
составляющей геомагнитного поля. За
последнее столетие дипольное поле
уменьшалось примерно на 0,04% в год.
Относительная величина годового
изменения недипольного поля в среднем
больше, но меняется от региона к региону,
где напряженность поля может как
увеличиваться, так и уменьшаться.
В результате вековых вариаций геомагнитные полюса также двигаются вокруг географических с периодом около 1200 лет, а мировые аномалии смещаются, распадаются и возникают вновь.
Элементы земного магнетизма
Изложенное в разделе 1 позволяет заключить, что стрелка компаса показывает направление не на географический, а на магнитный полюс. Угол D между этими двумя направлениями называют магнитным склонением (Declination). Можно сказать, что магнитным склонением называется угол между плоскостями географического и магнитного меридианов. Этот угол отсчитывается от северного направления к восточному.
Если
магнитную стрелку свободно подвесить
за центр тяжести, то она не только
повернётся так, что её концы будут
показывать на магнитные полюса. Она ещё
и расположится под углом к горизонту.
Этот угол обозначают буквой I и называют магнитным
наклонением (Inclination).
Другими словами, магнитным наклонением I называется угол между горизонтальной
плоскостью и вектором ,
т.е. наклон вектора индукции магнитного
поля Земли к горизонту. Этот угол
отсчитывается от горизонта вниз.
Фактически свободная стрелка показывает направление вектора , и это направление описывается двумя углами: с плоскостью меридиана и с плоскостью горизонта. Для полного задания вектора магнитной индукции осталось добавить его длину (модуль) В (или проекцию на любое фиксированное направление, неперпендикулярное вектору). Этих трёх величин достаточно для описания магнитного поля в данной точке.
Однако можно выбрать и другие три величины, например, вместо наклонения и модуля вектора взять горизонтальную Вh и вертикальную Вv компоненты индукции. Вкупе со склонением этот набор опять даёт нам полную картину.
Второй
набор (D, Вh, Вv)
соответствует выбору локальной системы
цилиндрических координат с осями,
направленными в зенит и на север.
А если
в первом взять Вv (проекцию на вертикальное направление)
вместо B – (D, I, Вv),
получим набор координат в локальной
сферической системе с аналогичными
осями. Можно также выбрать локальные
декартовы координаты, например, Вv, ВN,
В конце концов, можно воспользоваться глобальными координатами (с началом отсчёта в центре Земли). Так спутники, производящие магнитные измерения в околоземном пространстве, используют глобальную сферическую систему координат с осями, направленными на север и на нулевой меридиан (соответственно набор компонент вектора магнитной индукции Вv, Вθ, Вϕ).
Все вышеупомянутые величины называют элементами земного магнетизма. Рис. 1 поясняет выбор этих элементов.
2.2. Аппаратура для магниторазведки | BookOnLime
2.
2.1. Принципы измерений геомагнитного поля
2.2.2. Феррозондовые магнитометры
2.2.3. Протонные магнитометры
2.2.4. Квантовые магнитометры
2.2.5. Аппаратура для измерения магнитных свойств горных пород
* * *
2.2.1. Принципы измерений геомагнитного поля
Измерения магнитного поля Земли и его вариаций проводят как на стационарных пунктах — магнитных обсерваториях, которых насчитывается на Земле около 150, так и во время магниторазведочных работ. При абсолютных определениях измеряют, как правило, три элемента магнитного поля (например, Z, D, Н). Для этого применяют сложные трехкомпонентные магнитные приборы — магнитные теодолиты и вариационные станции, которые ведут запись автоматически.
При геологической разведке измеряют абсолютные (Т) и относительные по отношению к какой-нибудь исходной (опорной) точке (ΔT, ΔZ) элементы магнитного поля.
Приборы, используемые в магнитной разведке, называются магнитометрами. В настоящее время в основном применяют три типа магнитометров — феррозондовые, протонные и квантовые.
2.2.2. Феррозондовые магнитометры
Основой конструкции феррозонда (чувствительного элемента) феррозондового магнитометра служит электрическая катушка, намотанная на стержень из ферромагнетика, обладающего малой коэрцитивной силой и большой магнитной проницаемостью в слабых магнитных полях (например, из сплава железа, никеля и молибдена — пермаллоя). В отсутствие внешнего магнитного поля при пропускании через генераторную (первичную) катушку переменного электрического тока с частотой f и амплитудой, достаточной для создания поля возбуждения, превышающего уровень насыщения сердечника, в измерительной (вторичной) катушке возникает ЭДС удвоенной частоты (2f). При наличии внешнего постоянного магнитного поля, составляющая которого вдоль оси стержня отлична от нуля, в наведенной ЭДС будет преобладать частота, совпадающая с частотой поля возбуждения f.
Для измерения внешнего магнитного поля (его составляющей, направленной вдоль оси стержней) обычно используют компенсационный метод, заключающийся в компенсации постоянного магнитного поля Земли полем постоянного регулируемого тока. По величине тока компенсации судят о напряженности магнитного поля Земли вдоль оси феррозонда. К таким приборам относится аэромагнитометр АМФ-21. За счет погрешности в ориентировке феррозонда погрешность съемки таким магнитометром достигает десятков нТл при измерении ∆Z и до ±4,0 нТл при измерении ∆Т. При скважинных работах применяют специальный вариант ферромагнитометра (например, ТСМК-30), позволяющий измерять составляющие магнитного поля (∆Z, ∆Х, ∆Y) с погрешностью до ±100 нТл, и значение χ с точностью 5 %.
2.2.3. Протонные магнитометры
Принцип действия протонных, или ядерных, магнитометров основан на явлении свободной прецессии протонов в земном магнитном поле. После определенного электромагнитного воздействия на протоносодержащий датчик (с водой, спиртом, бензолом и др.
) магнитные моменты протонов прецессируют вокруг направления вектора земного магнитного поля с угловой скоростью (ω), пропорциональной полной напряженности магнитного поля Земли Т: ω = aT, где a — коэффициент пропорциональности, равный гиромагнитному отношению ядра (отношению магнитного момента ядра к механическому).
В зависимости от протоносодержащего вещества и точности определения частоты прецессии рабочий цикл (время одного измерения) составляет от десятых долей до первых единиц секунд. В этом случае при небольшой скорости движения носителя магнитометра (наземный или морской варианты) данные о магнитном поле Земли (Т) получают практически непрерывно. При большой скорости, например при скорости самолета (350 км/ч), расстояние между замерами может составить 300 м.
При использовании металлических носителей магнитометров (кораблей, самолетов, вертолетов), обладающих собственным магнитным полем, датчик магнитометра буксируют на кабеле, длина которого должна в несколько раз превышать продольные размеры носителя..gif)
С помощью протонного магнитометра измеряют абсолютное модульное значение геомагнитного поля с погрешностью от ±(0,01–2) нТл при низкой чувствительности (±45°) к ориентации оси датчика относительно перпендикуляра к вектору напряженности магнитного поля Земли и практическом отсутствии смещения нуля прибора. Протонные магнитометры используют при наземных (ММП-203, ММП-203М, ПОС, МИНИМАГ, ММПГ-1) и морских (ММП-3) съемках, реже при воздушных съемках (АМ-5, ММС-214) и скважинных наблюдениях.
2.2.4. Квантовые магнитометры
В квантовых магнитометрах, предназначенных для измерения абсолютных значений модуля напряженности магнитного поля, используют так называемый эффект Зеемана. В электронной структуре атомов, обладающих магнитным моментом, при попадании в магнитное поле происходит изменение, приводящее к расщеплению энергетических уровней на подуровни, с разницей энергии и, соответственно, частотой излучения, пропорциональной модулю полного вектора магнитной индукции в точке наблюдения.
Чувствительным элементом магнитометра является сосуд, в котором находятся пары цезия, рубидия или гелия. В результате воздействия специально отфильтрованного монохроматического света (метод оптической накачки) электроны паров переводятся с одного энергетического подуровня на другой. Возвращение электронов на прежний уровень после окончания накачки сопровождается излучением энергии с частотой, пропорциональной величине магнитного поля.
С помощью квантового магнитометра измерения Т проводят с погрешностью ±(0,1–1,0) нТл при слабой чувствительности к ориентации датчика по отношению к силовым линиям магнитного поля Земли, высоком быстродействии и стабильности показаний (незначительное смещение нуля) во времени. Основными отечественными квантовыми магнитометрами являются приборы следующих марок: наземные (пешеходные) М-33 и ММП-303, морской КМ-8, аэромагнитометр КАМ-28.
2.2.5. Аппаратура для измерения магнитных свойств горных пород
Магнитные свойства горных пород измеряют как на образцах, так и в их естественном залегании.
С помощью астатических магнитометров МА-21, МАЛ-036 возможно изучение различных магнитных свойств, в том числе χ и In, на образцах в полевых или стационарных условиях. Эти магнитометры относят к классу оптико-механических. Принцип их действия основан на взаимодействии магнитного поля образца с полем двух или трех постоянных магнитов, имеющихся в чувствительной системе прибора. Чувствительная система астатических магнитометров реагирует только на неоднородное магнитное поле близко расположенного образца горной породы. По углу отклонения чувствительной системы от магнитного меридиана, расстоянию от образца до постоянных магнитов, объему образца и величине магнитного поля в районе исследования рассчитывают магнитные характеристики образца (χ и In). Относительная погрешность измерений составляет 5 %. Для изучения магнитной восприимчивости в лабораторных условиях и в естественном залегании горных пород применяют каппометры ИМВ-2 или приборы КТ-3, КТ-5.
Измерение магнитного поля Земли
You are here: Home / New Articles / Измерение магнитного поля Земли
Дэвид Херрес 4 комментария
Магнитное поле Земли намного сильнее, чем у Венеры или Марса, и этот единственный факт объясняет, почему жизнь на Земле в изобилии, в то время как ближайшие соседние планеты в настоящее время не поддерживают жизнь.
Магнитное поле Земли простирается от ее внешнего ядра (где вращающееся расплавленное железо создает эффект динамо) вверх через магнитосферу, простираясь на многие тысячи миль в космос. Это магнитное поле защищает Землю от солнечного ветра и космических лучей, которые в противном случае разрушили бы верхние слои атмосферы, включая озоновый слой, защищающий нас от смертельного ультрафиолетового излучения. Марс и Венера не так защищены.
Почему Земля, в отличие от Марса и Венеры, имеет такое магнитное поле? Для создания и поддержания магнитного поля, создаваемого внутренним динамо, есть три требования: проводящая жидкость, вращение и конвекция. Все это есть во внешнем ядре Земли.
Современная теория утверждает, что недостающим элементом Венеры является конвекция.
Детали неизвестны, но, по-видимому, разница температур в ядре слишком мала для поддержания конвекции, то есть передачи тепла за счет физического движения нагретой среды. Следовательно, внутреннего динамо, способного создавать магнитное поле, не существует.
Ситуация на Марсе совершенно иная. Предполагается, что красная планета потеряла свою магнитосферу четыре миллиарда лет назад, возможно, из-за многочисленных ударов астероидов, которые могли нарушить одно или несколько требований для внутреннего динамо.
Для измерения магнитного поля Земли обычно используется либо феррозондовый магнитометр, который дает векторные компоненты поля, либо магнитометр протонной прецессии, который измеряет скалярную напряженность поля. В феррозондовых датчиках обычно используются кольца из сплава с высокой магнитной проницаемостью. Каждый сердечник обычно содержит две обмотки катушки, обмотку возбуждения и обмотку считывания. Некоторые датчики также используют третью обмотку для обратной связи, если датчик работает в режиме обратной связи.
Как правило, имеется один кольцевой сердечник для измерения поля по каждой из трех осей.
Сигнал возбуждения кольцевого сердечника обычно состоит из периодического биполярного импульса тока на обмотке возбуждения. Импульс тока перемещает материал по его петле B-H и глубоко насыщает сердечник в разных направлениях (намагниченный — ненамагниченный — обратно намагниченный — ненамагниченный — намагниченный и т. д.).
В этой конструкции без обратной связи обмотка считывания настраивается с помощью конденсатора на удвоенную частоту возбуждения. Затем напряжение проходит через предварительный усилитель. Синхронный детектор сравнивает фазу усиленного двукратного сигнала с эталонной прямоугольной волной, чтобы определить знак измеряемого поля, затем выпрямляет его до постоянного, так что величина создаваемого постоянного напряжения пропорциональна как по знаку, так и по величине внешнему магнитное поле в направлении смысла. Обмотка датчика, размещенная вокруг датчика, улавливает наведенное напряжение, вызванное изменением потока внутри катушки, вызванным внешним полем.
Это индуцированное напряжение появляется как сигнал с удвоенной частотой возбуждения. Частота возбуждения f обычно составляет десятки килогерц. Таким образом, индуцированное 2 f будет в два раза больше. Электроника обнаружения и обнаружения извлекает величину и фазу небольшого сигнала, пропорционального полю, для определения величины и направления поля.
Конструкции, которые просто усиливают результирующий сигнал, известны как схемы без обратной связи. Но некоторые конструкции пропускают выходной сигнал через интегратор и подают его в обмотку обратной связи, чтобы обнулить поле в сердечнике. Такая конструкция с обратной связью улучшает линейность.
Феррозондовые магнитометры, которые измеряют магнитные поля по трем осям, обычно используют три кольца, но можно использовать только два кольца, оснащенных обмотками двойного измерения.
Магнитометры протонной прецессии, напротив, измеряют только величину магнитного поля Земли, а не направление. Вкратце, прецессия — это медленное движение оси вращающегося тела вокруг другой оси из-за крутящего момента (например, гравитационного воздействия), который изменяет направление первой оси.
Классический пример прецессии — круг, медленно описываемый полюсом вращающегося гироскопа.
Магнитометр прецессии протонов основан на прецессии протонов в магнитном поле
. Обычным источником протонов в магнитометре протонной прецессии является вода. Магнитные диполи протонов (ядер водорода) в образце воды временно выравниваются или поляризуются приложением магнитного поля, создаваемого током в катушке провода. Когда ток внезапно прекращается, вращение протонов заставляет их прецессировать относительно направления магнитного поля Земли. Эта прецессия протонов вызывает слабый сигнал в той же катушке, которая используется для поляризации протонов.
Прецессия протонов в богатой протонами среде не будет синфазной. Вот почему богатая протонами среда сначала подвергается воздействию сильного магнитного поля путем подключения катушки к источнику питания. Этот процесс называется поляризацией. Напряжение поляризации прикладывается до тех пор, пока не произойдет выравнивание диполей.
Минимальное время поляризации определяется так называемым временем спин-решеточной релаксации среды, обычно это несколько секунд для воды.
После поляризации намагниченность протонов убывает экспоненциально и поэтому
сигнал исчезает через несколько секунд. Сигнал, полученный датчиком, подключается к цепи усилителя для записи точек данных.
Диаметр проволочных контейнеров обычно составляет несколько дюймов. Индуцированное среднеквадратичное значение напряжения сигнала от таких устройств составляет порядка микровольт.
Рубрики: FAQ, Рекомендуемые, Новые статьи с тегами: FAQ
Измерение магнетизма Земли
Эта страница содержит заархивированный контент и больше не обновляется. На момент публикации он представлял собой наилучшую доступную науку.
Запущенная в ноябре 2013 года Европейским космическим агентством (ЕКА) группировка из трех спутников Swarm позволяет по-новому взглянуть на работу глобального магнитного поля Земли. Магнитное поле, создаваемое движением расплавленного железа в ядре Земли, защищает нашу планету от космического излучения и заряженных частиц, испускаемых нашим Солнцем.
Он также обеспечивает основу для навигации с помощью компаса.
На основе данных Swarm на верхнем изображении показана средняя напряженность магнитного поля Земли на поверхности (измеряемая в нанотеслах) в период с 1 января по 30 июня 2014 года. На втором изображении показаны изменения этого поля за тот же период. Хотя цвета на втором изображении такие же яркие, как и на первом, обратите внимание, что самые большие изменения были плюс-минус 100 нанотесла в поле, которое достигает 60 000 нанотесла.
Геофизики отмечают, что сила магнитного поля Земли ослабевает — примерно на 5 процентов в глобальном масштабе за последнее столетие. Тем не менее, он меняется неравномерно; она становится сильнее в одних местах и слабее в других.
Изменения являются естественным изменением из-за процессов в глубинных недрах Земли, пояснил Нильс Олсен, член команды Swarm из Технического университета Дании. Движение расплавленного железа в ядре создает электрические токи, а электрические токи создают магнитное поле.
Таким образом, каждое изменение потока ядра означает изменение магнитного поля.
«Магнитное поле меняется хаотично, и мы не знаем, почему оно меняется так, как оно это делает, и как оно будет развиваться в будущем», — сказал Олсен. «Нет периодического поведения, и поэтому довольно сложно, если не невозможно, предсказать, как магнитное поле меняется с течением времени. Мы можем просто наблюдать, как он изменился в прошлом и как он выглядит сегодня».
Изображения и видео предоставлены Европейским космическим агентством/Техническим университетом Дании (ESA/DTU Space). Подпись Майка Карловича, частично основанная на истории Европейского космического агентства.
Новая группировка спутников Европейского космического агентства может обнаруживать незначительные изменения в магнитном поле планеты.
Изображение дня на 7 сентября 2014 г.
- Инструмент:
- Модель
Изображение дня Земля Дистанционное зондирование
Посмотреть другие изображения дня:
6 сентября 2014 г.
8 сентября 2014 г.
- Европейское космическое агентство (19 июня 2014 г.) Рой раскрывает изменяющийся магнетизм Земли. По состоянию на 5 сентября 2014 г.
- Земная обсерватория НАСА (2011, 23 апреля) Магнитосфера Земли.
- Земная обсерватория НАСА (22 мая 2004 г.) Магнетизм поверхности Земли.
- Земная обсерватория НАСА (30 марта 2004 г.) Эксперимент по восстановлению гравитации и климату.
IMAGE Фотографии космического корабля Аврора
Из космоса полярное сияние представляет собой корону света, которая окружает каждый из полюсов Земли. Спутник IMAGE сделал этот снимок южного сияния через четыре дня после того, как рекордная солнечная вспышка отправила плазму в сторону Земли.
Изображение дня Атмосфера
Магнитное поле Солнца
Изображение дня Нагревать
Магнитосфера Земли
Земля — сильный магнит, и ученые потратили столетие на изучение ее формы и структуры.