Магнитное поле Земли

Москва  2018

МИНИС ТЕРС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ИНСТИТУТ ЭКОТЕХНОЛОГИЙ И ИНЖИНИРИНГА 
 
Кафедра цветных металлов и золота

С.А. Гудошников
О.Н. Криволапова 
В.И. Одинцов

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ

Практикум

Допущено Федеральным Учебно-методическим объединением 
по укрупненной группе специальностей направлений 22.00.00 
«Технологии материалов» в качестве учебного пособия при подготовке бакалавров и магистров, обучающихся по направлению 
22.03.02 «Металлургия»

№ 3465

УДК 537.6 
 
Г93

Р е ц е н з е н т 
член кор. РАН, проф. д-р физ.-мат. наук Р.З. Валиев

Гудошников С.А.
Г93  
Магнитное поле Земли : практикум / С.А. Гудошников, 
О.Н. Криволапова, В.И. Одинцов. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2018. – 20 с.
ISBN 978-5-907061-54-5

В практикуме даны основные сведения о геомагнетизме, понятия его элементов. Подробно рассмотрено магнитное поле Земли, геомагнитные возмущения и бури. Предложена практическая работа для освоения приемов измерения направления магнитного поля Земли.
Предназначен студентам, обучающимся в магистратуре по направлениям 
подготовки 22.04.02 «Металлургия» и 03.04.02 «Физика».

УДК 537.6

 С.А. Гудошников 
О.Н. Криволапова
В.И. Одинцов, 2018
ISBN 978-5-907061-54-5
 НИТУ «МИСиС», 2018

ОГЛАВЛЕНИЕ

1 Цели и задачи работы 
4
2 Теоретическое введение 
4
2.1 Историческая справка 
4
2.2 Элементы мегнетизма 
6
2.3 Основные определения земельного магнетизма 
7
2.4 Магнитосфера 
9
2.5 Переменное магнитное поле Земли 
10
2.6 Геомагнитные возмущения и бури 
13
3 Порядок выполнения работы 
13
Список использованных источников 
16
Приложение 
17

Практическая работа 

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ

(2 часа)

1 Цели и задачи работы

Цели работы:
- освоить основные приемы измерения направления и наклона 
вектора магнитного поля Земли;
- закрепить знания, полученные при изучении соответствующих 
разделов физики и дополнительных материалов.

Задачи работы:
- освоить основные приемы работы с компасом;
- выявить тот факт, что вектор магнитного поля наклонен по 
отношению к поверхности Земли;
- измерить угол наклона вектора магнитного поля Земли 
(наклонения) в точке измерения;
- по заданному значению модуля вектора и измеренному значению 
наклонения рассчитать компоненты магнитного поля Земли.

2 Теоретическое введение

2.1 Историческая справка о геомагнетизме

Согласно современным представлениям Земля образовалась 
примерно 4,5 млрд лет назад, и с этого момента нашу планету 
окружает магнитное поле. Все, что находится на Земле, в том 
числе люди, животные и растения, подвергаются его воздействию. 
Человек не видит и не слышит магнитное поле Земли, но это 
невидимое силовое поле окружает нашу планету петлями и образует 
магнитосферу, простирающуюся на 70...80 тыс. км в направлении 
Солнца. Она экранирует поверхность Земли, защищает от вредного 
влияния заряженных частиц, высоких энергий и космических 
лучей, определяет характер погоды. Если мы его не замечаем, то 
это не значит, что наше тело его не чувствует. Просто мы настолько 
привыкли к магнитному полю Земли, что принимаем его как должное. 
А вот животные активно используют свойства магнитного поля. 
Птицы, летучие мыши, пчелы, рыбы (например, лосось), морские 

черепахи и многие другие существа с его помощью ориентируются в 
пространстве.
В 1600 г. английский ученый Уильям Гильберт в своей книге 
«О магните, магнитных телах и большом магните – Земле» 
представил 
Землю 
как 
гигантский 
постоянный 
магнит, 
ось 
которого не совпадает с осью вращения Земли (угол между этими 
осями называют магнитным склонением). Следовательно, вокруг 
Земли, как и около любого магнита, существует магнитное поле. 
Еще в 1635 г. Генри Геллибранд обнаружил, что поле земного магнита медленно меняется. Позднее было установлено, что существуют 
постоянные и кратковременные изменения магнитного поля Земли. 
В 1702 г. Эдмунд Галлей создает первые магнитные карты Земли.
Изучению природы геомагнетизма уже много лет уделяется большое 
внимание [1]. В 1724 г. после того как была основана Петербургская 
Академия наук, уже на первом ее заседании земной магнетизм был 
отнесен к разряду важнейших наук. Многие из членов Академии наук 
с особым интересом изучали магнитное поле Земли, среди них такие 
знаменитые, как Эйлер и Ломоносов. Эйлер был одним из первых, 
кто с помощью математических формул стремился строго рассчитать 
распределение магнитного поля вокруг Земли. Ломоносов для изучения 
земного магнетизма рекомендовал вести системные наблюдения, 
используя для этого постоянные пункты (подобие обсерваторий). 
Также очень важно было, по мнению Ломоносова, это осуществлять 
и на море. Эта мысль великого учёного была реализована в России 
спустя шестьдесят лет. Открытие Магнитного полюса на Канадском 
архипелаге принадлежит полярному исследователю англичанину Джону 
Россу (1831 г.). А в 1841 г. он же открыл другой полюс планеты, но 
уже в Антарктиде. Гипотезу о происхождении магнитного поля Земли 
выдвинул Карл Гаусс. Вскоре он же доказал, что большая часть его 
питается из источника внутри планеты, но причина его незначительных 
отклонений находится во внешней среде.  В 1835 г. Гаусс провел 
сферический гармонический анализ магнитного поля Земли. Он создал 
первую в мире магнитную обсерваторию в Гёттингене.
Основной причиной наличия магнитного поля Земли по 
современным представлениям является то, что ядро Земли состоит 
из раскаленного железа (хорошего проводника электрических 
токов, возникающих внутри Земли). Магнитные полюса Земли – 
это часть магнитного (геомагнитного) поля нашей планеты, которое 
генерируется процессами в земном ядре, где вследствие непрерывных 

и регулярных перемещений электропроводящего вещества создается 
система электрических токов. Поведение одной из частей магнитного 
поля Земли объясняют течением жидких металлов на границе земного 
ядра с мантией. Другая часть связана с тем, что горные породы 
земной коры, намагничиваясь главным электрическим полем (полем 
ядра), создают собственное магнитное поле, которое суммируется с 
магнитным полем ядра. 

2.2 Элементы геомагнетизма

Магнитное поле Земли (геомагнитное поле) представляет собой 
диполь, магнитная ось которого составляет с осью вращения Земли 
угол ≈ 10°, не проходит через геометрический центр вращения Земли, а 
сдвинута на 342 км в сторону, противоположную восточной оконечности 
Бразилии (рисунок 1) [2]. Полярность магнитного поля Земли 
противоположна полярности географической: Северный магнитный 
полюс расположен на юге, в Антарктиде, а Южный – на севере, в Канаде. 
Так, Москва, расположенная на 56° северной географической широты, 
имеет южную магнитную широту 51°. Магнитный момент Земли 
M = 8,1.1025 Гс  .  см3, а средняя индукция магнитного поля на поверхности 
Земли составляет ~ 0,4 Гс. Общепризнанной теории происхождения 
магнитного поля Земли до сих пор нет. Среди имеющихся гипотез 
наиболее правдоподобны две: поле вызвано вращающимся железным 
ядром Земли или гигантским электрическим током, опоясывающим 
Землю на большом расстоянии от центра Земли.

Плоскость магнитного 
экватора

Геомагнитный северный полюс
Геомагнитная ось
Географический северный полюс

Ось вращения Земли

Рисунок 1 – Геомагнитное поле, стрелки – магнитные силовые линии

Наклон и смещение оси диполя по отношению к оси вращения, 
а также величина магнитного момента определяют лишь общую 
картину магнитного поля Земли. На малых расстояниях от Земли 
поле несколько искажается под влиянием магнитных аномалий: 
Бразильской, Южноатлантической, Канадской и Восточносибирской. 
На расстояниях более 6–7 радиусов Земли оно искажено солнечным 
ветром (магнитным полем, вмороженным в плазму солнечного ветра).

2.3 Основные определения земного магнетизма

Основные определения, относящиеся к понятиям земного 
магнетизма, поясняются графически на рисунке 2 [2.]
Геомагнитные полюсы – точки пересечения магнитной оси Земли 
с её поверхностью.
Геомагнитная широта – угловое расстояние от геомагнитного 
экватора до рассматриваемой точки земной поверхности.
Магнитный полюс Земли – точка на земной поверхности, в которой 
магнитная стрелка располагается вертикально. Различают Северный 
и Южный магнитные полюсы Земли. Положение магнитных полюсов 
Земли со временем меняется. На рисунке П1 приложения показано 
движение Северного магнитного полюса Земли [3].

Рисунок 2 – Элементы геомагнитного поля:  
X, Y, Z – компоненты, Т – полный вектор,  
D – склонение, I – наклонение

Магнитный 
экватор 
– 
геометрическое 
место 
точек 
на 
земной поверхности, в которых магнитная стрелка располагается 
горизонтально относительно поверхности. Магнитный экватор не 
совпадает с географическим экватором.

Магнитное склонение (D) – угол между географическим и 
магнитным меридианами в точке земной поверхности. Магнитное 
склонение 
считается 
положительным, 
если 
северный 
конец 
магнитной стрелки отклонен к востоку от географического 
меридиана, и отрицательным, если к западу.
Магнитное наклонение (I) – угол между магнитной силовой 
линией и горизонтальной плоскостью. На магнитных полюсах 
Земли, а также в районах крупных магнитных аномалий магнитное 
наклонение равно 90º.
Элементы земного магнетизма. Чтобы определить магнитное 
поле в какой-то точке земного шара, мы должны измерить направление 
и 
ндукцию 
магнитного 
поля. 
Параметрами, 
описывающими 
направление, являются склонение (D) и наклонение (I), которые 
измеряются в градусах. Индукция магнитного поля (T) определяется 
величинами горизонтальной (H), вертикальной (Z) компонентами, 
и северной (X) и восточной (Y) компонентами горизонтальной 
напряженности. Индукция магнитного поля Земли составляет 
25 000...65 000 наноТесла (нТл = 10–9 Тл), или 0,25...0,65 Гаусс.
Взаимосвязь между элементами геомагнитного поля может быть 
описана, например, следующими соотношениями:

H = T cosI; Z = T sinI; X = H cosD; Y = H sinD.

Соотношения между единицами магнитных величин в системах 
СИ и СГС приводятся в таблице 1.

Таблица 1

Магнитные  
величины
Обозначение
Единицы
Переводные множители
СГС
СИ
СГС/СИ
СИ/СГС
Напряженность
магнитного поля
H
Эрстед
А/м
103/4π
4π/103

Магнитный момент
M
–
А ⋅ м2
10–3
103

Индукция
B
Гаусс
Тесла
10–4
104

Магнитное поле Земли на ее поверхности в разных точках 
различно и так нерегулярно, что для получения удовлетворительной 
картины его конфигурации приходится проводить его измерения 
во многих точках, что и делается на почти двухстах магнитных 
обсерваториях.
Магнитные обсерватории. Магнитные обсерватории (МО) – 
научно-исследовательские учреждения, в которых осуществляется 
непрерывная 
регистрация 
временных 
изменений 
(вариаций) 

магнитного поля Земли и проводятся регулярные измерения 
абсолютных значений напряженности геомагнитного поля и его 
направления. МО снабжены различного типа магнитографами и 
магнитометрами, их размещают преимущественно вдали от городов, 
электрифицированных железных дорог и крупных промышленных 
предприятий, способных исказить геомагнитное поле. Ряд МО входит 
в состав комплексных магнитно-ионосферных станций.
В России к 1829 г. МО были построены в Петербурге и Казани 
(они были первыми в Европе), затем МО были созданы в Нерчинске, 
Барнауле, Колывани, Екатеринбурге, Тбилиси и др. Первая в 
мире полярная МО открыта в 1924 г. в проливе Маточкин Шар 
на Новой Земле. В 1939 г. на базе магнитного отделения Главной 
геофизической обсерватории под Москвой организован Институт 
земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн  
АН СССР (ИЗМИРАН, http://www.izmiran.ru). В настоящее время в 
мире насчитывается свыше сотни постоянно действующих магнитных 
обсерваторий, в том числе ряд обсерваторий в полярных районах  
(в Арктике и Антарктике).

2.4 Магнитосфера

Магнитосферой называется область пространства вокруг Земли, 
в которой поведение плазмы, окружающей Землю, определяется ее 
магнитным полем. Граница земной магнитосферы (магнитопауза) 
определяется условием равенства давлений магнитного поля 
и набегающей плазмы (солнечного ветра). Cолнечный ветер – 
это поток ионизированных частиц, истекающий из солнечной 
короны в окружающее космическое пространство со скоростью 
300...1200 км/с (скорость солнечного ветра у Земли около 400 км/c). 
Солнечный ветер деформирует магнитосферу, порождает полярные 
сияния и радиационные пояса. Во время вспышек на Солнце 
происходит усиление солнечного ветра. В результате взаимодействия 
собственного магнитного 
поля 
Земли 
с 
солнечным ветром, 
магнитосфера представляет собой полость достаточно сложной 
формы, обтекаемую солнечным ветром (рисунок 3).
Проникновение плазмы солнечного ветра в магнитосферу Земли 
происходит непосредственно через промежутки между замкнутыми 
и «разомкнутыми» магнитными силовыми линиями в магнитопаузе, 
именуемые 
дневными 
полярными 
каспами. 
Проникновение 

плазмы может сопровождаться дневными полярными сияниями в 
высокоширотной ионосфере. К ним приводят, в частности, резкие 
изменения параметров межпланетной среды, которые проявляются в 
зависимости частоты и интенсивности полярных сияний от уровня 
солнечной активности. Часть плазмы, проникшей в магнитосферу, 
образует радиационный пояс планеты (пояс Ван Аллена) и 
плазменный слой. 

Рисунок 3 – Магнитосфера Земли. Искажение формы магнитосферы 
солнечным ветром

В Солнечной системе, помимо Земли, магнитосфера имеется у 
всех планет.

2.5 Переменное магнитное поле Земли

Установлено, что геомагнитные возмущения на поверхности 
Земли есть сумма эффектов, различных источников, представляющих 
собой сложные системы токов, текущих в ионосфере и в 
магнитосфере Земли [4]. На сегодня можно принять, что переменное 
магнитное поле состоит:
- из регулярной части магнитного поля, возникающего из-за 
волнового излучения Солнца в результате действия токовой системы, 
развивающейся на освещенной стороне Земли;
- нерегулярной части поля, возникающего из-за корпускулярного 
излучения Солнца;

- поля кольцевого тока, существенно усиливающегося в период 
магнитных бурь планетарного масштаба.
Вклад каждой из перечисленных частей поля существенно 
зависит от времени суток, сезона, географической и геомагнитной 
широты точки наблюдения, а также от состояния околоземного 
космического пространства.
Процессы ионизации в верхней атмосфере под воздействием 
волнового излучения Солнца и разогрев термосферы приводят 
к возникновению на высотах ионосферы регулярных в пределах 
солнечных суток крупномасштабных систем ветров, т.е. к движению 
электропроводящей среды в магнитном поле Земли. Происходит 
генерация электрических токов на высотах 90...150 км, создающих 
в средних широтах спокойные солнечно-суточные (Sq) вариации 
с амплитудой ~50 нТл. На магнитном экваторе в дневные часы 
амплитуда Sq-вариаций может увеличиваться до 2  ⋅  102 нТл 
(экваториальная электроструя).

Рисунок 4 – Схема крупномасштабных электрических токов  
в магнитосфере, ответственных за наблюдаемые  
на поверхности Земли вариации геомагнитного поля