class="part1">

подробности:

Планетата Земя

© Владимир Каланов,
уебсайт"Знанието е сила".

Земното магнитно поле

Това са процеси, които са недостъпни за непосредствено наблюдение и изследване само в началния етап. Но когато тези процеси се проявят на повърхността на земята, когато те, както се казва, се разгърнат с пълна сила, тогава те стават видими и много забележими за всеки, който се окаже в зоната на тяхното действие.

Но на Земята действат и невидими процеси, които хората почти не усещат. На първо място, това е земният магнетизъм. Явлението магнетизъм е известно на хората от много дълго време. Магнетизмът получи името си от град Магнетия в Мала Азия, където са открити находища на магнитна желязна руда - „камък, който привлича желязото“. Откриваме първите писмени доказателства за свойствата на магнита, по-специално в поемата „За природата на нещата“ от Тит Лукреций Кар, написана през първи век пр.н.е. Лукреций обяснява магнетизма с „магнитни токове“, протичащи от „магнитния камък“.

Хората отдавна са намерили приложения за свойствата на магнитите. Едно от първите подобни приложения беше компасът като просто навигационно устройство. Компасът е изобретен в Китай около хиляда години пр.н.е. В Европа компасът е известен от 12 век. Днес е абсолютно невъзможно да си представим много индустрии без използването на магнити и електромагнити.

Регионът от околоземното пространство, в който се открива магнитното поле на Земята, се нарича магнитосфера. Магнетизмът е цялостно, глобално свойство на природата. Създаването на пълна теория за земния и слънчевия магнетизъм е все още въпрос на бъдещето. Но науката вече е измислила много неща и дава доста убедителни обяснения за някои аспекти на толкова сложно явление като магнетизма. По-специално много учени и обикновени граждани са загрижени възможни последствиятакова явление като постепенно отслабване магнитно полеЗемята.

Наистина, от времето на Карл Гаус, който пръв измерва силата на магнитното поле на Земята, т.е. Повече от 170 години магнитното поле на Земята непрекъснато отслабва. Но магнитното поле е вид щит, който покрива Земята и целия живот на нея от разрушителното радиационно въздействие на така наречения слънчев вятър, т.е. електрони, протони и други частици, излъчвани от Слънцето. Магнитосферата на Земята отклонява потока от тези и други частици, летящи от космоса към полюсите, лишавайки ги от първоначалната им енергия. На полюсите на Земята потоците от тези космически частици се забавят за горни слоевеатмосфера, превръщайки се във фантастично красиви явления на сиянието.

Ако нямаше слънчев вятър, магнитното поле на Земята би било симетрично спрямо планетата, както е на Фигура 1. Фигура 2 показва истинската магнитосфера на Земята, деформирана от слънчевия вятър. Третата снимка показва несъответствието между магнитния и географския полюс.

Ако няма магнитно поле

Но ако няма магнитно поле или то стане много слабо, тогава целият живот на Земята ще бъде под прякото влияние на слънчевата и космическата радиация. А това, както може да се предположи, ще доведе до радиационно увреждане на живите организми, което ще доведе до тяхната мутация в неопределена посока или смърт. За щастие подобна перспектива е малко вероятна. Палеомагнитолозите, т.е. онези, които изучават древните магнитни полета, са успели да установят с разумна степен на сигурност, че магнитното поле на Земята непрекъснато осцилира с различни периоди. Когато се сумират всички криви на трептене, получената крива се оформя близо до синусоида с период от 8 хиляди години. Сегментът от тази крива, съответстващ на нашето време (началото на 2000-те), е на низходящия клон на тази крива. И този упадък ще продължи около две хиляди години. След това магнитното поле ще започне да се засилва отново. Това укрепване на полето ще продължи четири хиляди години, след което отново ще настъпи спад. Предишният максимум се е случил в началото на нашата ера. От съществено значение е амплитудата на сумиращата синусоида да е по-малка от половината от средната стойност на напрегнатостта на полето, т.е. тези флуктуации не могат да намалят силата на магнитното поле на Земята до нула.

Тук, на нашия уебсайт, поради условията на краткост, не можем да разгледаме подробно методологията на изследването, довела до толкова оптимистични заключения. Учените са изразили различни мнения относно причините за флуктуациите на магнитното поле, но няма категорична теория по този проблем. Нека добавим, че науката е доказала съществуването на такова явление като инверсия, т.е. периодична смяна на магнитните полюси на Земята на места: северният полюс се премества на мястото на юга, югът - на мястото на севера. Такива движения продължават от 5 до 10 хиляди години. В историята на нашата планета подобни „скокове“ на полюсите са се случвали стотици пъти. Последното подобно движение се е случило преди 700 хиляди години. Не е установена конкретна периодичност или закономерност на това явление. Причините за тези полярни обръщания се крият в сложните взаимодействия на течната част на земното ядро ​​с космоса. Палеомагнетолозите са установили, че на Земята е имало и измествания на магнитните полюси от географските на големи разстояния, които обаче са завършили с връщането на полюсите на предишното им място.

Има предположения, че по време на обръщане на полюсите магнитното поле на Земята изчезва и планетата остава известно време без своята невидима защитна броня. Но тези предположения не намират надеждна научна обосновка и остават нищо повече от предположения.

Някои учени като цяло смятат, че внезапните промени в магнитосферата на Земята не са опасни, тъй като според тях основната защита срещу космическата радиация за всички живи същества не е магнитното поле, а атмосферата. Това мнение се споделя по-специално от еволюционния биолог професор B.M. Медников. С други думи, проблемът за взаимодействието на магнитното поле с процесите на живота на Земята все още далеч не е напълно изяснен и все още има достатъчно работа за изследователите тук.

Влиянието на магнитното поле върху живите организми

Отдавна е известно, че магнитните полета имат отрицателен ефект върху живите организми. Експерименти върху животни показват, че външното магнитно поле забавя тяхното развитие, забавя растежа на клетките и променя състава на кръвта. По време на така наречените магнитни бури, т.е. При резки колебания в силата на магнитното поле, зависими от времето, болни хора изпитват влошаване на здравето си.

Силата на магнитното поле се измерва в ерстеди (E). Тази единица е кръстена на датския физик Ханс Ерстед (1777-1851), който открива връзката между електрическите и магнитните явления.

Тъй като хората могат да бъдат изложени на магнитни полета на работа и у дома, са разработени допустими нива на сила на магнитното поле. Според различни оценки магнитно поле със сила от 300-700 ерстеда се счита за безопасно за хората. По-точно, в производството и в ежедневието човек се влияе не от магнитни, а от електромагнитни полета. Факт е, че по време на работа на всяко електрическо или радио устройство както магнитните, така и електрическите полета могат да се появят само като едно цяло, което се нарича електромагнитно поле. Това се обяснява с общия характер на магнитните и електрическите явления.

Трябва да се отбележи, че физическата страна на процеса на въздействието на магнитно поле върху човешкото тялоВсе още не е напълно ясно. Магнитното поле влияе и върху растенията. Според резултатите от някои експерименти се оказва, че покълването и растежът на семената зависят от това как първоначално са били ориентирани спрямо магнитното поле на Земята. Промяната на външното магнитно поле може или да ускори, или да попречи на развитието на растенията. Може би това явление по някакъв начин ще бъде използвано в селскостопанската практика.

И така, около нас има магнитни полета, генерирани от самата природа и създадени от източници с изкуствен произход - от генератори за променлив ток и трансформатори до микровълнови печки и мобилни телефони.

Силата на магнитното поле на Земята

Каква е силата на магнитното поле на Земята?Тя не е еднаква навсякъде и варира от 0,24 Oe (в Бразилия) до 0,68 Oe (в Антарктика). Смята се, че средната сила на геомагнитното поле е 0,5 ерстеда. На места, където има големи находища на феромагнитни материали (железни руди), възникват магнитни аномалии. Курската магнитна аномалия е широко известна в Русия, където силата на полето е 2 Oe. За сравнение: силата на магнитното поле на Меркурий е 1/500 Oe, на Луната - 10 -5 Oe, а на междузвездната среда е още по-малко - 10. -8 Oe. Но силата на магнитното поле на слънчевите петна е огромна и равна на 10 3 Oe. Звездите бели джуджета имат още по-силни полета - до 10 7 Oe. Най-силните магнитни полета, регистрирани във Вселената, се създават от неутронни звезди и пулсари. Силата на магнитното поле на тези космически обекти достига 10 12 ерстеда! В лабораторни условия е възможно да се постигне магнитен интензитет стотици хиляди пъти по-слаб и дори тогава за време, измервано в части от секундата. Експертите предполагат, че ако беше възможно в лабораторни условия да се получат магнитни полета, сравними по сила с тези, действащи на неутронни звезди, тогава ще се появят удивителни трансформации с обекти, изложени на такива невъобразими полета. Например желязото, чиято плътност е нормални условияравна на 7,87 g/cm³, под въздействието на такива полета тя би се превърнала в вещество с плътност 2700 g/cm³. Куб с ръб от 10 см от такова вещество би тежал 2,7 тона и би изисквал мощен кран, за да го премести.

Земното магнитно поле.

Основни въпроси, разгледани в лекцията:

1. Природата на геомагнетизма.

2. Елементи на магнитното поле на Земята.

3. Структура на геомагнитното поле.

4. Магнитосферни и радиационни пояси на Земята.

5. Секуларни вариации на геомагнитното поле.

6. Аномалии на геомагнитното поле.

1. Природата на геомагнетизма.Земният магнетизъм или геомагнетизмът е свойство на Земята като небесно тяло, което определя наличието на магнитно поле около нея. Геомагнетологията е наука за земята.

Теорията за хидромагнитното динамо се основава на факта, установен от геофизиците, че на дълбочина 2900 км има „течно“ външно ядро ​​на Земята с добра електропроводимост (106–105 S/m).

Идеята за хидромагнитно динамо е предложена за първи път през 1919 г. от Лармор в Англия, за да обясни магнетизма на Слънцето. В Земния магнетизъм (1947) съветският физик Я. И. Френкел изрази идеята, че топлинната конвекция в земното ядро ​​е именно причината, която активира хидромагнитното динамо на земното ядро.

Основните положения на хипотезата за хидромагнитното динамо са следните.

1. Благодарение на така наречения жиромагнетичен (от гръцки Gyro - въртене, въртене) ефект и въртенето на Земята по време на нейното формиране, може да възникне много слабо магнитно поле. Жиромагнитният ефект е намагнитването на феромагнитни тела поради тяхното въртене и въртене при определени условия на намагнитване. Жиромагнитният ефект разкрива връзка между механичните и магнитните моменти на атома.

2. Наличието на свободни електрони в ядрото и въртенето на Земята в такова слабо магнитно поле доведе до индукция на вихрови електрически токове в ядрото.

3. Индуцираните вихрови токове от своя страна създават (генерират) магнитно поле, както се случва в динамото. Увеличаването на магнитното поле на Земята трябва да доведе до ново увеличение на вихровите токове в ядрото, а последното да доведе до увеличаване на магнитното поле.

4. Процес, подобен на регенерацията, продължава до разсейването на енергия поради вискозитета на ядрото и неговия електрическо съпротивлениене се компенсира от допълнителната енергия на вихрови токове и други причини.

Така според Френкел земното ядро ​​е един вид естествен турбогенератор. Ролята на турбина в него се играе от топлинни потоци: те повдигат големи маси от разтопен метал, който има свойството на течност, от дълбините на ядрото нагоре по радиуса. По-студените и следователно по-тежки частици от горните слоеве потъват надолу. Силата на Кориолис ги "върти" наоколо земната ос, като по този начин образуват гигантски намотки вътре в „земното динамо“. В тези затворени потоци от горещ метал, както в навивките на тел върху арматурата на обикновено динамо, отдавна трябва да е възникнал индукционен ток. Постепенно магнетизира земното ядро. Първоначалното много слабо магнитно поле се усилва, докато с течение на времето достигне граничната си стойност. Тази граница е достигната в далечното минало. И въпреки че турбогенераторът на Земята продължава да работи, кинетичната енергия на потоците от течен метал вече не се изразходва за магнетизиране на земното ядро, а изцяло се превръща в топлина.

Магнитното поле на Земята съществува от около 3 милиарда години, което е с около 1,5 милиарда години по-младо от неговата възраст. Това означава, че той не е бил реликтен и при липса на възстановителен механизъм не би могъл да съществува през цялата геоложка история на Земята.

2. Елементи на магнитното поле на Земята.Във всяка точка от земната повърхност магнитното поле се характеризира с общ вектор на интензитет Ht, чиято величина и посока се определят от трите елемента на земния магнетизъм; хоризонтална компонента на напрежението H, магнитна деклинация D и наклон I. Магнитна деклинация е ъгълът в хоризонталната равнина между географския и магнитния меридиан; магнитното наклонение е ъгълът във вертикалната равнина между хоризонталната равнина и посоката на пълния вектор Ht.

Величините H, X, Y, Z, D и I се наричат ​​елементи на земния магнетизъм, докато елементите H, X, Y и Z се наричат ​​силови компоненти на земното магнитно поле, а D и I се наричат ​​ъглови нечий.

Общият вектор на напрегнатостта на магнитното поле на Земята Ht, неговите силови компоненти H, X, Y и Z имат размерност A/m, деклинация D и наклон I - ъглови градуси, минути и секунди. Силата на магнитното поле на Земята е сравнително ниска: общият вектор Ht варира от 52,5 A/m на полюса до 26,3 A/m на екватора.

Ориз. 5.1 – Елементи на земния магнетизъм

Абсолютни стойностистойностите на елементите на земния магнетизъм са малки и затова за измерването им се използват високоточни инструменти - магнитометри и магнитни вариометри; Има вариометри за измерване на стойностите на H и Z. Използват се пътуващи магнитни станции, оборудвани със сложни оптико-механични и квантови магнитометри. Линиите, свързващи точки на картата с еднаква деклинация D се наричат ​​изогони, с еднакъв наклон I - изоклинали, с еднакви H или Z - изодини на хоризонталните или вертикалните компоненти на вектора на общото напрежение Ht и с еднакви X или Y - изодини на северните или източните компоненти. Стойностите на елементите на земния магнетизъм непрекъснато се променят във времето и затова магнитните карти се актуализират на всеки пет години.

3. Структура на геомагнитното поле.Магнитното поле на Земята е разнородно по структура. Състои се от две части: постоянни и променливи полета. Постоянното поле се причинява от вътрешни източници на магнетизъм; Източниците на променливо поле са електрически токове в горните слоеве на атмосферата - йоносферата и магнитосферата. От своя страна постоянното магнитно поле е нехомогенно по природа и се състои от няколко части. Следователно, като цяло, магнитното поле на Земята се състои от следните полета:

Нт =Ho+Hm+Ha+Hв+δH, (5.1)

където Нт – интензитетът на земното магнитно поле; Но силата на диполното поле, създадена от равномерното намагнитване на земното кълбо; Nm е силата на създаденото недиполно или континентално поле вътрешни причини, причинени от разнородността на дълбоките слоеве на Земята; Na е аномалната сила на полето, създадена от различни намагнитвания горни частиземната кора; Нв – напрегнатост на полето, чийто източник е свързан с външни причини; δH – напрегнатост на полето на магнитни вариации, причинени от външни причини.

Сумата от полетата Ho+Hm=NG образува основното магнитно поле на Земята. Аномалното поле се състои от две части: поле с регионален характер Нр и поле с локален (локален) характер Нл. Локална аномалия може да бъде насложена върху регионална аномалия и тогава Ha = Нр+Нл.

Сумата от полетата Ho+Hm+Hb обикновено се нарича нормално поле. Но полето Hb има много малък принос към общото геомагнитно поле Hb. Систематичното изследване на геомагнитното поле, според магнитни обсерватории и магнитни проучвания, показва, че външното поле спрямо вътрешното е по-малко от 1% и следователно може да бъде пренебрегнато. В този случай нормалното поле съвпада с главното магнитно поле на Земята.

Геомагнитните полюси се намират там, където магнитната ос на Земята пресича земната повърхност. Въпреки че северният магнитен полюс се намира в южното полукълбо, а южният полюс е в северното полукълбо, в ежедневието те се наричат ​​по аналогия с географските полюси.

С течение на времето магнитните полюси променят позицията си. Така северният магнитен полюс се движи през земната повърхност с 20,5 m (7,5 km годишно) на ден, а южният полюс - с 30 m (11 km годишно).

4. Магнитосферни и радиационни пояси на Земята.Магнитното поле на Земята съществува не само близо до земната повърхност, но и върху нея дълги разстоянияот него, който беше открит с помощта на космически ракети и междупланетни космически станции. На разстояние 10–14 земни радиуса геомагнитното поле се среща с междуплотното магнитно поле и полето на така наречения слънчев вятър. Слънчевият вятър е изтичането на плазма от слънчевата корона (коронален газ, състоящ се главно от водород и хелий) в междупланетното пространство. Скоростта на частиците на слънчевия вятър (протони и електрони) е огромна - около 400 km/s, броят на частиците (корпускулите) е няколко десетки на 1 cm 3, температурата е до 1,5-2 милиона градуса. На границата на магнитното поле и магнитното поле на Земята интензитетът е около (0,4–0,5)·10-2 A/m.

Областта на действие на магнитното поле на Земята се нарича магнитосфера, а външната му граница се нарича магнитопауза (фиг. 5.3). Геомагнитното поле се влияе значително от слънчевия вятър. Магнитосферата се простира на огромни разстояния: най-малкото - към Слънцето - достига 10-14 земни радиуса, най-голямото - от нощната страна - около 16 земни радиуса. Магнитната опашка е с още по-големи размери (по данни от изкуствени спътници на Земята - стотици земни радиуси).

Фигура 5.3 – Структура на земната магнитосфера: 1 – слънчев вятър; 2 – амортисьор отпред; 3 – магнитна кухина; 4 – магнитопауза; 5 - горен лимитполярна магнитосферна междина; 6 – плазмена мантия; 7 – външен радиационен пояс или плазмосфера; 9 – неутрален слой; 10 – плазмен слой

Максимумът на вътрешния протонен пояс се намира на разстояние 3,5 земни радиуса (22 хиляди км). Вътре в плазмосферата, близо до повърхността на Земята, има втори електронен радиационен пояс. В близост до полюсите този пояс се намира на разстояние 100 км, но основната му част се намира на разстояние 4,4 - 10 хиляди км от повърхността на планетата. Електроните в него имат енергия от десетки до стотици keV. Интензитетът на електронните потоци се оценява на 109 частици на cm 2 /s, т.е. с порядък по-висок, отколкото във външния електронен пояс.

Мощността на излъчване в радиационните пояси е доста висока - няколкостотин и дори хиляди биологични еквивалента на рентгеновите лъчи на ден. Следователно космически кораби с астронавти на борда се изстрелват в орбити, разположени под тези пояси.

Ако нямаше магнитосфера, тогава потоците от слънчев и космически вятър, без да срещат съпротива, биха се втурнали към повърхността на Земята и биха имали пагубен ефект върху всички живи същества, включително хората.

5. Секуларни вариации на геомагнитното поле.Процесът на промяна на средните годишни стойности на един или друг елемент на земния магнетизъм за период от няколко десетилетия и векове се нарича вековни вариации, а промяната им от година на година се нарича светов ход.

Така нареченият ефект на „замразяване на магнитното поле в материала“ ни позволява да преценим миналото на геомагнитното поле - неговата посока и интензитет. Всяка скала, всяко вещество, съдържащо желязо или друг феромагнитен елемент, е постоянно под въздействието на магнитното поле на Земята. Елементарните магнити в този материал са склонни да се ориентират по линиите на магнитното поле.

Ако материалът се нагрее, ще настъпи момент, когато топлинното движение на частиците стане толкова енергично, че разрушава магнитния ред. След това, когато материалът се охлади, тогава, започвайки от точката на Кюри (точката на Кюри е температурата, под която скалите стават феромагнитни; за чистото желязо точката на Кюри е 769 ° C, за магнетита - 580 ° C), магнитното поле преобладава над силите на хаотичното движение . Елементарните магнити отново ще се подредят, както им каже магнитното поле, и ще останат в това положение, докато тялото се нагрее отново. По този начин геомагнитното поле изглежда „замръзнало“ в материала.

В момента магнитното поле на Земята намалява с 2,5% на 100 години и след около 4000 години, ако естеството на този спад не се промени, то трябва да намалее до нула. Палеомагнетолозите обаче твърдят, че това няма да се случи.

Ако съберем всички циклични криви с различни периоди на трептене на магнитното поле на Земята, получаваме така наречената „изгладена или осреднена крива“, която съвпада доста добре със синусоида с период от 8000 години. В момента общата стойност на колебанията на магнитното поле е в низходящия сегмент на синусоидата.

Различната продължителност на периодите на трептене на геомагнитното поле очевидно се обяснява с липсата на баланс в движещите се части на хидромагнитното динамо и различната им електропроводимост.

Инверсията е размяна на магнитни полюси на места. При обръщане северният магнитен полюс се премества на мястото на южния, а южният на мястото на северния.

Понякога, вместо за инверсия, те говорят за „скок“ на полюсите. Тази дума обаче по отношение на полюсите не е напълно подходяща, тъй като полюсите не се движат толкова бързо - според някои оценки „скокът“ продължава 5 и дори 10 хиляди години.

През последните 600 хиляди години са установени 12 епохи на обръщане на геомагнитното поле (Гьотенборг - 10-12 хиляди години, Лахами - 20-24 хиляди години и др.). Характерно е, че значителни геоложки, климатични и биологични промени на планетата съвпадат с тези епохи.

6. Аномалии на геомагнитното поле.Магнитната аномалия е отклонение на стойностите на елементите на земния магнетизъм от нормални стойности, което би се наблюдавало на дадено място при равномерно намагнитване на Земята.

Ако внезапни промени в магнитната деклинация и наклон се открият на някое място, това показва, че под земната повърхност са скрити скали, съдържащи феромагнитни минерали. Те включват магнетит, титано-магнетит, хематит и др. Магнетитът има най-голяма магнитна чувствителност, поради което значителен брой аномалии са свързани с неговото присъствие в скалите.

В зависимост от размера си магнитните аномалии се делят на континентални, регионални и локални. Континенталните аномалии са следствие от наличието на мощни вихрови течения под техните центрове. Причините за регионални и локални аномалии са скали с повишени магнитни свойства. Тези скали, намирайки се в магнитното поле на Земята, се магнетизират и създават допълнително магнитно поле.

Магнитните свойства са присъщи в една или друга степен на всички скали. Когато някоя скала се постави в магнитно поле, всеки елемент от нейния обем се магнетизира. Способността на веществото да променя намагнитването си под въздействието на външно магнитно поле се нарича магнитна чувствителност. Зависи от числова стойности знака на магнитната чувствителност всички природни вещества се разделят на три групи: диамагнитни, парамагнитни, феромагнитни. Освен това за диамагнитните вещества магнитната чувствителност е отрицателна, а за парамагнитните и феромагнитните вещества е положителна.

За диамагнитните вещества (кварц, мрамор, графит, мед, злато, сребро, олово, вода и др.) намагнитването е пропорционално на силата на магнитното поле и е насочено към него. Диамагнитните вещества причиняват отслабване на магнитното поле на Земята и допринасят за образуването на отрицателни магнитни аномалии.

В парамагнитните вещества (метаморфни и магмени скали, алкални метали и др.) намагнитването също е пропорционално на силата на магнитното поле, но за разлика от диамагнитните вещества, то има същата посока като него. Във феромагнитните вещества (желязо, никел, кобалт и др.) намагнитването е много по-голямо, отколкото в диа- и парамагнитните вещества, не е пропорционално на силата на магнитното поле и силно зависи от температурата и „магнитната предистория“ на веществото .

Основен принос за създаването на аномалии на магнитното поле имат феромагнитните минерали (магнетит, титаномагнетит, илменит и др.) И горните скали, които ги съдържат. Тъй като като цяло магнитната чувствителност на скалите варира в широки граници (милиони пъти), интензитетът на аномалиите на магнитното поле също варира в широки граници.

Променливото магнитно поле на Земята.Източниците на променливи магнитни полета се намират извън земното пространство. По своя произход те са индуктивни течения, които възникват във високи слоеве на атмосферата (от сто до няколко хиляди километра). Индукционните токове се образуват от изтичането на плазма - поток от заредени частици от двата знака (корпускули), летящи от Слънцето. Прониквайки в магнитното поле на Земята, корпускулите се улавят от него и предизвикват редица сложни явления като йонизация на атмосферата, полярни сияния, образуване на радиационни пояси на Земята и др.

Променливото магнитно поле се наслагва върху основното магнитно поле на Земята и причинява неговите различни вариации във времето. Някои от тях се случват плавно и следват определен модел. Това са така наречените периодични (невъзмутени) вариации. Други имат хаотичен характер, като параметрите на геомагнитното поле (периоди, амплитуди, фази) непрекъснато и рязко променят стойността си.

Слънчево-денонощните вариации са промени в елементите на земния магнетизъм с период, равен на продължителността на слънчевия ден. Слънчево-дневните вариации на елементите на земния магнетизъм зависят от времето на годината и географската ширина, тъй като се определят от интензивността на ултравиолетовите лъчи на Слънцето и следователно от положението на Земята спрямо Слънцето. Характерно е, че фазите на колебанията както по географска ширина, така и по време на годината остават практически непроменени, като се променят главно амплитудите на колебанията.

Лунно-денонощните вариации на елементите на земния магнетизъм са свързани с положението на Луната спрямо хоризонта и се дължат на влиянието на гравитацията на Луната върху земната атмосфера. Лунно-дневните вариации в елементите на земния магнетизъм са малки - те представляват само 10–15% от слънчево-денонощните вариации.

Смутените непериодични трептения включват магнитни бури. Един от тях характерни особености- внезапна поява. На фона на сравнително спокойно магнитно поле почти в един и същи момент по цялото земно кълбо всички елементи на земния магнетизъм внезапно променят стойностите си и по-нататъшният ход на бурята претърпява много бързи и непрекъснати промени.

Въз основа на интензитета (амплитудата) магнитните бури обикновено се разделят на слаби, умерени и големи. Амплитудите на елементите на земния магнетизъм по време на много големи магнитни бури достигат няколко градуса за магнитната деклинация и –2–4 A/m или повече за вертикалните и хоризонталните компоненти. Интензивността на бурите нараства от ниски към високи геомагнитни ширини. Продължителността на бурите обикновено е няколко дни. Честотата и силата на магнитните бури зависи от слънчевата активност.

IN последните годиниУчените започнаха да извличат практически ползи от магнитните бури, като имаха възможност да „сондират“ Земята на големи дълбочини с тяхна помощ. Методът за изследване на вътрешността на Земята с помощта на магнитни смущения се нарича магнитно-телурично сондиране, тъй като той едновременно разглежда магнитните смущения и телуричните (т.е. земните) течения, причинени от тях в Земята. В резултат на магнитно-телурично сондиране е установено, че на дълбочина 300–400 км електропроводимостта на Земята рязко се увеличава. До тези дълбочини Земята е практически изолатор.

Магнитното поле на Земята е образувание, генерирано от източници вътре в планетата. Той е обект на изследване в съответния раздел на геофизиката. След това нека разгледаме по-подробно какво е магнитното поле на Земята и как се формира.

Главна информация

Недалеч от повърхността на Земята, приблизително на разстояние от три нейни радиуса, силовите линии от магнитното поле са разположени по протежение на система от „два полярни заряда“. Тук има област, наречена "плазмена сфера". С отдалечаване от повърхността на планетата се увеличава влиянието на потока йонизирани частици от слънчевата корона. Това води до компресия на магнитосферата от страната на Слънцето и, напротив, магнитното поле на Земята се разтяга от противоположната, сянка страна.

Плазмена сфера

Насоченото движение на заредените частици в горните слоеве на атмосферата (йоносферата) има забележим ефект върху магнитното поле на земната повърхност. Местоположението на последния е на сто километра и повече от повърхността на планетата. Магнитното поле на Земята държи плазмосферата. Въпреки това структурата му силно зависи от активността на слънчевия вятър и взаимодействието му с ограничаващия слой. А честотата на магнитните бури на нашата планета се определя от изригванията на Слънцето.

Терминология

Има понятие "магнитна ос на Земята". Това е права линия, която минава през съответните полюси на планетата. "Магнитният екватор" е голямата окръжност на равнината, перпендикулярна на тази ос. Векторът върху него има посока, близка до хоризонталната. Средната сила на магнитното поле на Земята значително зависи от географско местоположение. Той е приблизително равен на 0,5 Oe, тоест 40 A/m. На магнитния екватор този показател е приблизително 0,34 Oe, а в близост до полюсите е близо до 0,66 Oe, например в рамките на Курската аномалия, показателят е увеличен и възлиза на 2 Oe линиите на магнитосферата на Земята със сложна структура, проектирани върху нейната повърхност и събиращи се в собствените си полюси, се наричат ​​„магнитни меридиани“.

Естество на възникване. Предположения и догадки

Неотдавна предположението за връзката между възникването на земната магнитосфера и протичането на ток в ядрото от течен метал, разположено на разстояние от една четвърт до една трета от радиуса на нашата планета, придоби правото на съществуване. Учените също имат предположение за така наречените „телурични течения“, протичащи в близост до земната кора. Трябва да се каже, че с течение на времето има трансформация на формацията. Магнитното поле на Земята се е променило няколко пъти през последните сто и осемдесет години. Това е записано в океанската кора и това се доказва от изследванията на остатъчната магнетизация. Чрез сравняване на области от двете страни на океанските хребети се определя времето на разминаване на тези области.

Изместване на магнитния полюс на Земята

Местоположението на тези части на планетата не е постоянно. Фактът на тяхното разместване е регистриран от края на деветнадесети век. В южното полукълбо през това време магнитният полюс се измести с 900 км и се озова в Индийския океан. Подобни процеси протичат и в северната част. Тук полюсът се движи към магнитна аномалия в Източен Сибир. От 1973 г. до 1994 г. разстоянието, на което обектът се премества тук, е 270 км. Тези предварително изчислени данни бяха потвърдени по-късно от измервания. Според последните данни скоростта на движение на магнитния полюс на Северното полукълбо се е увеличила значително. Тя нараства от 10 км/година през 70-те години на миналия век до 60 км/година в началото на този век. В същото време силата на земното магнитно поле намалява неравномерно. Така че през последните 22 години на някои места той е намалял с 1,7%, а някъде с 10%, въпреки че има и области, където, напротив, се е увеличил. Ускоряването на изместването на магнитните полюси (с приблизително 3 км годишно) дава основание да се предположи, че наблюдаваното днес движение не е екскурзия, а друга инверсия.

Това косвено се потвърждава от увеличаването на така наречените „полярни празнини“ в южната и северната част на магнитосферата. Йонизираният материал на слънчевата корона и пространството бързо прониква в получените разширения. В резултат на това нарастващо количество енергия се събира в околополярните региони на Земята, което само по себе си е изпълнено с допълнително нагряване на полярните ледени шапки.

Координати

В науката за космическите лъчи се използват координатите на геомагнитното поле, кръстени на учения МакИлуейн. Той беше първият, който предложи използването им, тъй като те се основават на модифицирани версии на активността на заредени елементи в магнитно поле. За точка се използват две координати (L, B). Те характеризират магнитната обвивка (параметър на McIlwain) и индукцията на полето L. Последната е параметър, равен на отношението на средното разстояние на сферата от центъра на планетата към нейния радиус.

"Магнитно наклонение"

Преди няколко хиляди години китайците направиха невероятно откритие. Те откриха, че магнетизираните обекти могат да бъдат позиционирани в определена посока. И в средата на шестнадесети век немският учен Георг Картман прави друго откритие в тази област. Така се появи понятието "магнитно наклоняване". Това име се отнася до ъгъла на отклонение на стрелката нагоре или надолу от хоризонталната равнина под въздействието на магнитосферата на планетата.

Из историята на изследването

В района на северния магнитен екватор, който е различен от географския екватор, северният край се движи надолу, а в южния, напротив, нагоре. През 1600 г. английският лекар Уилям Гилбърт за първи път прави предположения за наличието на магнитно поле на Земята, което причинява определено поведение на обекти, които преди това са били намагнетизирани. В книгата си той описва експеримент с топка, оборудвана с желязна стрела. В резултат на своите изследвания той стига до извода, че Земята е голям магнит. Английският астроном Хенри Гелибрант също провежда експерименти. В резултат на своите наблюдения той стигна до извода, че магнитното поле на Земята е подложено на бавни промени.

Хосе де Акоста описва възможността за използване на компас. Той също така установи как се различават магнитният и северният полюс и в неговия известна история(1590) е обоснована теорията за линиите без магнитно отклонение. Значителен принос в изучаването на разглеждания въпрос има и Христофор Колумб. Той е отговорен за откриването на променливостта на магнитната деклинация. Трансформациите се правят в зависимост от промените в географските координати. Магнитната деклинация е ъгълът на отклонение на стрелката от посоката север-юг. Във връзка с откриването на Колумб изследванията се засилиха. Информацията за това какво е магнитното поле на Земята беше изключително необходима за навигаторите. По този проблем работи и М. В. Ломоносов. За изучаване на земния магнетизъм той препоръчва провеждането на систематични наблюдения с помощта на постоянни точки (подобно на обсерваториите). Също така според Ломоносов беше много важно да се направи това в морето. Тази идея на великия учен е реализирана в Русия шестдесет години по-късно. Откриването на магнитния полюс на канадския архипелаг принадлежи на полярния изследовател англичанин Джон Рос (1831 г.). И през 1841 г. той открива друг полюс на планетата, но в Антарктида. Хипотезата за произхода на магнитното поле на Земята е изложена от Карл Гаус. Скоро той доказа, че по-голямата част от него се захранва от източник вътре в планетата, но причината за незначителните му отклонения се крие в външна среда.

Според съвременните представи тя се е формирала преди приблизително 4,5 милиарда години и от този момент нашата планета е заобиколена от магнитно поле. Всичко на Земята, включително хора, животни и растения, е засегнато от него.

Магнитното поле се простира до надморска височина от около 100 000 km (фиг. 1). Той отклонява или улавя частици от слънчевия вятър, които са вредни за всички живи организми. Тези заредени частици образуват радиационния пояс на Земята и цялата област от околоземното пространство, в която се намират, се нарича магнитосфера(фиг. 2). От страната на Земята, осветена от Слънцето, магнитосферата е ограничена от сферична повърхност с радиус приблизително 10-15 земни радиуса, а от противоположната страна е разтеглена като опашка на комета на разстояние до няколко хиляди Земни радиуси, образуващи геомагнитна опашка. Магнитосферата е отделена от междупланетното поле с преходна област.

Магнитните полюси на Земята

Оста на земния магнит е наклонена спрямо оста на въртене на Земята с 12°. Намира се на около 400 км от центъра на Земята. Точките, в които тази ос пресича повърхността на планетата, са магнитни полюси.Магнитните полюси на Земята не съвпадат с истинските географски полюси. В момента координатите на магнитните полюси са следните: север - 77° северна ширина. и 102°W; южен - (65° S и 139° E).

Ориз. 1. Структурата на магнитното поле на Земята

Ориз. 2. Структура на магнитосферата

Наричат ​​се силови линии, преминаващи от един магнитен полюс към друг магнитни меридиани. Между магнитния и географския меридиан се образува ъгъл, наречен магнитна деклинация. Всяко място на Земята има свой собствен ъгъл на деклинация. В Московска област ъгълът на деклинация е 7° на изток, а в Якутск е около 17° на запад. Това означава, че северният край на стрелката на компаса в Москва се отклонява с Т вдясно от географския меридиан, минаващ през Москва, а в Якутск - на 17° вляво от съответния меридиан.

Свободно окачена магнитна стрелка е разположена хоризонтално само на линията на магнитния екватор, който не съвпада с географския. Ако се движите на север от магнитния екватор, северният край на иглата постепенно ще се спусне. Ъгълът, образуван от магнитна стрелка и хоризонтална равнина, се нарича магнитен наклон. На северния и южния магнитен полюс магнитното наклонение е най-голямо. Той е равен на 90°. На Северния магнитен полюс свободно окачена магнитна стрелка ще бъде монтирана вертикално със северния й край надолу, а на Южния магнитен полюс южният й край ще се спусне надолу. Така магнитната стрелка показва посоката на линиите на магнитното поле над земната повърхност.

С течение на времето положението на магнитните полюси спрямо земната повърхност се променя.

Магнитният полюс е открит от изследователя Джеймс С. Рос през 1831 г., на стотици километри от сегашното му местоположение. Средно за една година изминава 15 км. През последните години скоростта на движение на магнитните полюси рязко се увеличи. Например Северният магнитен полюс в момента се движи със скорост около 40 км годишно.

Обръщането на магнитните полюси на Земята се нарича инверсия на магнитното поле.

През цялата геоложка история на нашата планета магнитното поле на Земята е променило своята полярност повече от 100 пъти.

Магнитното поле се характеризира с интензитет. На някои места на Земята линиите на магнитното поле се отклоняват от нормалното поле, образувайки аномалии. Например в района на Курската магнитна аномалия (KMA) силата на полето е четири пъти по-висока от нормалната.

Има ежедневни вариации в магнитното поле на Земята. Причината за тези промени в магнитното поле на Земята са електрическите токове, протичащи в атмосферата при голяма надморска височина. Те се причиняват от слънчева радиация. Под въздействието на слънчевия вятър магнитното поле на Земята се изкривява и придобива „следа“ в посока от Слънцето, която се простира на стотици хиляди километри. Основната причина за слънчевия вятър, както вече знаем, са огромните изхвърляния на материя от слънчевата корона. Докато се придвижват към Земята, те се превръщат в магнитни облаци и водят до силни, понякога екстремни смущения на Земята. Особено силни смущения на магнитното поле на Земята - магнитни бури.Някои магнитни бури започват внезапно и почти едновременно по цялата Земя, докато други се развиват постепенно. Те могат да продължат няколко часа или дори дни. Магнитните бури често възникват 1-2 дни след слънчево изригване поради преминаването на Земята през поток от частици, изхвърлени от Слънцето. Въз основа на времето на забавяне скоростта на такъв корпускуларен поток се оценява на няколко милиона km/h.

При силни магнитни бури се нарушава нормалната работа на телеграфа, телефона и радиото.

Магнитните бури често се наблюдават на ширина 66-67° (в зоната на полярното сияние) и възникват едновременно с полярните сияния.

Структурата на магнитното поле на Земята варира в зависимост от географската ширина на района. Пропускливостта на магнитното поле се увеличава към полюсите. Над полярните региони линиите на магнитното поле са повече или по-малко перпендикулярни на земната повърхност и имат фуниевидна конфигурация. Чрез тях част от слънчевия вятър от дневната страна прониква в магнитосферата и след това в горните слоеве на атмосферата. По време на магнитни бури тук се втурват частици от опашката на магнитосферата, достигайки границите на горната атмосфера във високите географски ширини на Северното и Южното полукълбо. Именно тези заредени частици причиняват полярните сияния тук.

И така, магнитните бури и ежедневните промени в магнитното поле се обясняват, както вече разбрахме, със слънчевата радиация. Но коя е основната причина, която създава постоянния магнетизъм на Земята? Теоретично беше възможно да се докаже, че 99% от магнитното поле на Земята се причинява от източници, скрити вътре в планетата. Основното магнитно поле се причинява от източници, разположени в дълбините на Земята. Те могат грубо да се разделят на две групи. Основната част от тях е свързана с процеси в земното ядро, където поради непрекъснати и закономерни движения на електропроводимата материя се създава система от електрически токове. Другото се дължи на факта, че скалите на земната кора са магнетизирани от основното електрическо поле(поле на сърцевината), създават собствено магнитно поле, което се сумира с магнитното поле на сърцевината.

Освен магнитното поле около Земята съществуват и други полета: а) гравитационно; б) електрически; в) топлинна.

Гравитационно полеЗемята се нарича гравитационно поле. Тя е насочена по отвес, перпендикулярен на повърхността на геоида. Ако Земята имаше формата на елипсоид на въртене и масите бяха равномерно разпределени в нея, тогава тя щеше да има нормално гравитационно поле. Разликата между интензитета на реалното гравитационно поле и теоретичното е гравитационна аномалия. Различният материален състав и плътност на скалите причиняват тези аномалии. Но са възможни и други причини. Те могат да бъдат обяснени следващ процес- уравновесяване на твърдата и относително лека земна кора върху по-тежката горна мантия, където се изравнява налягането на горните слоеве. Тези течения причиняват тектонични деформации, движението на литосферните плочи и по този начин създават макрорелефа на Земята. Гравитацията държи атмосферата, хидросферата, хората, животните на Земята. При изучаването на процесите в географската обвивка трябва да се вземе предвид гравитацията. Терминът " геотропизъм" са растежни движения на растителни органи, които под въздействието на силата на гравитацията винаги осигуряват вертикалната посока на растеж на първичния корен, перпендикулярна на повърхността на Земята. Гравитационната биология използва растения като експериментални обекти.

Ако не се вземе предвид гравитацията, е невъзможно да се изчислят първоначалните данни за изстрелване на ракети и Космически кораби, правят гравиметричното изследване на рудните полезни изкопаеми и накрая невъзможно по-нататъчно развитиеастрономия, физика и други науки.

Тези глобални модели - като Международното геомагнитно референтно поле (IGRF) и Световен магнитен модел (WMM)- създават се от различни международни геофизични организации, като на всеки 5 години се одобряват и публикуват актуализирани набори от коефициенти на Гаус, които определят всички данни за състоянието на геомагнитното поле и неговите параметри. И така, според модела WMM2015, северният геомагнитен полюс (по същество това Южен полюсмагнит) има координати 80,37° с.ш. w. и 72,62° з.д. д., южен геомагнитен полюс - 80,37° ю. ширина, 107.38° изток. d., наклонът на оста на дипола спрямо оста на въртене на Земята е 9,63°.

Световни аномални полета

Действителните силови линии на магнитното поле на Земята, макар и средно близки до диполните силови линии, се различават от тях по локални неравности, свързани с наличието на намагнетизирани скали в кората, разположени близо до повърхността. Поради това на някои места на земната повърхност параметрите на полето се различават значително от стойностите в близките райони, образувайки така наречените магнитни аномалии. Те могат да се припокриват, ако намагнитизираните тела, които ги причиняват, лежат на различни дълбочини.

Наличието на магнитни полета на разширени локални области на външните обвивки води до факта, че истински магнитни полюси- точки (или по-скоро, малки площи), при които линиите на магнитното поле са абсолютно вертикални, не съвпадат с геомагнитните и не лежат на самата повърхност на Земята, а под нея. В рамката се изчисляват и координатите на магнитните полюси в даден момент различни моделигеомагнитно поле чрез намиране на всички коефициенти в редовете на Гаус с помощта на итеративен метод. Така, според настоящия модел на WMM, през 2015 г. северният магнитен полюс се намираше на 86° с.ш. ширина, 159° з.д. дълг., а южната - 64° ю.ш. ширина, 137° изток. Стойностите на текущия модел IGRF12 са малко по-различни: 86,3° N. ширина, 160° з.д. дълг., за северния полюс, 64,3° южн. ширина, 136,6° E за южната .

съответно магнитна ос- права линия, минаваща през магнитните полюси, не минава през центъра на Земята и не е нейният диаметър.

Позициите на всички полюси непрекъснато се изместват - геомагнитният полюс прецесира спрямо географския с период от около 1200 години.

Външно магнитно поле

Определя се от източници под формата на токови системи, разположени извън земната повърхност в нейната атмосфера. В горната част на атмосферата (100 km и повече) - йоносферата - нейните молекули се йонизират, образувайки плазма, поради което тази част от магнитосферата на Земята, простираща се на разстояние до три нейни радиуса, се нарича плазмосфера. Плазмата се задържа от магнитното поле на Земята, но нейното състояние се определя от взаимодействието й със слънчевия вятър – плазмения поток на слънчевата корона.

По този начин, на по-голямо разстояние от повърхността на Земята, магнитното поле е асиметрично, тъй като се изкривява под въздействието на слънчевия вятър: от страната на Слънцето се компресира, а в посока от Слънцето придобива " следа”, която се простира на стотици хиляди километри, надхвърляйки орбитата на Луната. Тази особена „опашата“ форма възниква, когато плазмата на слънчевия вятър и слънчевите корпускулярни потоци текат около земната повърхност. магнитосфера- област от околоземното пространство, все още контролирана от магнитното поле на Земята, а не от Слънцето и други междупланетни източници; той е отделен от междупланетното пространство магнитопауза, където динамичното налягане на слънчевия вятър се балансира от налягането на собственото му магнитно поле. Подслънчевата точка на магнитосферата е средно на разстояние 10 земни радиуси * R⊕ ; при слаб слънчев вятър това разстояние достига 15-20 R⊕, а по време на периоди на магнитни смущения на Земята магнитопаузата може да излезе извън геостационарната орбита (6,6 R⊕). Удължената опашка от нощната страна има диаметър около 40 R⊕ и дължина над 900 R⊕; започвайки от разстояние приблизително 8 R⊕, той е разделен на части от плосък неутрален слой, в който индукцията на полето е близка до нула.

Поради специфичната конфигурация на индукционните линии, геомагнитното поле създава магнитен капан за заредени частици - протони и електрони. Тя улавя и задържа огромен брой от тях, така че магнитосферата е един вид резервоар на заредени частици. Общата им маса, съгл различни оценки, варира от 1 кг до 10 кг. Те образуват т.нар радиационен пояс, покриваща Земята от всички страни, с изключение на полярните региони. Условно се разделя на две - вътрешна и външна. Долната граница на вътрешния пояс е на надморска височина около 500 км, дебелината му е няколко хиляди километра. Външният пояс се намира на надморска височина от 10-15 хиляди км. Частиците на радиационния пояс под въздействието на силата на Лоренц извършват сложни периодични движения от северното полукълбо към южното полукълбо и обратно, като същевременно се движат бавно около Земята по азимут. В зависимост от енергията те правят пълна обиколка около Земята за време от няколко минути до един ден.

Магнитосферата не позволява на потоци от космически частици да се доближат до земята. Въпреки това, в опашката му, на големи разстояния от Земята, интензивността на геомагнитното поле и следователно неговите защитни свойства са отслабени и някои частици от слънчевата плазма могат да попаднат в магнитосферата и магнитните капани на радиационните пояси. По този начин опашката служи като място за образуване на потоци от утаяващи се частици, причиняващи полярни сияния и аврорални потоци. В полярните региони част от слънчевия плазмен поток нахлува в горните слоеве на атмосферата от радиационния пояс на Земята и, сблъсквайки се с молекулите на кислорода и азота, ги възбужда или йонизира, а когато се върнат в невъзбудено състояние, кислородните атоми излъчват фотони с λ = 0,56 µm и λ = 0,63 µm, докато йонизираните азотни молекули, когато се рекомбинират, подчертават сините и виолетовите ленти на спектъра. В същото време се наблюдават полярни сияния, особено динамични и ярки по време на магнитни бури. Те възникват при смущения в магнитосферата, причинени от увеличаване на плътността и скоростта на слънчевия вятър с повишена слънчева активност.

Опции на полето

Визуално представяне на положението на линиите на магнитна индукция на полето на Земята се дава от магнитна стрелка, фиксирана по такъв начин, че да може да се върти свободно както около вертикалната, така и около хоризонталната ос (например в карданно окачване) - във всяка точка близо до повърхността на Земята той е инсталиран по определен начин по тези линии.

Тъй като магнитните и географските полюси не съвпадат, магнитната стрелка показва посоката от север на юг само приблизително. Вертикалната равнина, в която е монтирана магнитната стрелка, се нарича равнина на магнитния меридиан на дадено място, а линията, по която тази равнина пресича повърхността на Земята, се нарича магнитен меридиан. По този начин магнитните меридиани са проекции на линиите на магнитното поле на Земята върху нейната повърхност, събиращи се в северния и южния магнитни полюси. Ъгълът между посоките на магнитния и географския меридиан се нарича магнитна деклинация. Тя може да бъде западна (често обозначена с „-“) или източна (обозначена с „+“), в зависимост от това дали северният полюс на магнитната стрелка се отклонява на запад или на изток от вертикалната равнина на географския меридиан.

Освен това линиите на магнитното поле на Земята, най-общо казано, не са успоредни на нейната повърхност. Това означава, че магнитната индукция на земното поле не лежи в равнината на хоризонта на дадено място, а образува определен ъгъл с тази равнина - т.нар. магнитен наклон. Близо е до нула само в точки магнитен екватор- кръгове голям кръгв равнина, която е перпендикулярна на магнитната ос.

Магнитната деклинация и магнитната инклинация определят посоката на магнитната индукция на земното поле във всяко конкретно място. И числената стойност на това количество може да се намери, като се знае наклонът и една от проекциите на вектора на магнитната индукция B (\displaystyle \mathbf (B) )- към вертикална или хоризонтална ос(последното на практика се оказва по-удобно). По този начин тези три параметъра са магнитна деклинация, наклон и големината на вектора на магнитната индукция B (или вектора на силата на магнитното поле H (\displaystyle \mathbf (H) )) - напълно характеризират геомагнитното поле в дадено местоположение. Точните им познания за възможно най-голям брой точки на Земята са изключително важно. Изготвят се специални магнитни карти, на които изогони(линии със същата деклинация) и изоклини(линии с еднакъв наклон), необходими за ориентиране с помощта на компас.

Средно интензитетът на магнитното поле на Земята варира от 25 000 до 65 000 nT (0,25 - 0,65 G) и силно зависи от географското местоположение. Това съответства на средна сила на полето от около 0,5 (40 /) . На магнитния екватор стойността му е около 0,34, на магнитните полюси - около 0,66 Oe. В някои области (магнитни аномалии) интензитетът рязко се увеличава: в областта на Курската магнитна аномалия достига 2 Oe.

Природата на магнитното поле на Земята

За първи път Дж. Лармор се опитва да обясни съществуването на магнитните полета на Земята и Слънцето през 1919 г., предлагайки концепцията за динамо, според която поддържането на магнитното поле на небесното тяло става под въздействието на на хидродинамичното движение на електропроводима среда. Въпреки това през 1934г Т. Каулингдоказа теоремата за невъзможността да се поддържа осесиметрично магнитно поле чрез хидродинамичен динамо механизъм. И тъй като повечето от проучените небесни тела(и особено Земята) се считаха за аксиално симетрични, въз основа на това беше възможно да се направи предположението, че тяхното поле също ще бъде аксиално симетрично и тогава генерирането му според този принцип би било невъзможно според тази теорема. По-късно беше показано, че не всички уравнения с аксиална симетрия, които описват процеса на генериране на магнитно поле, ще имат аксиално симетрично решение, а през 1950г. Намерени са асиметрични решения.

Оттогава теорията на динамото се развива успешно и днес общоприетото най-вероятно обяснение за произхода на магнитното поле на Земята и другите планети е самовъзбуждащ се динамо механизъм, базиран на генерирането на електрически ток в проводник докато се движи в магнитно поле, генерирано и усилено от самите тези токове. Необходимите условиясе създават в ядрото на Земята: в течното външно ядро, състоящо се главно от желязо при температура около 4-6 хиляди келвина, което перфектно провежда ток, се създават конвективни потоци, които отнемат топлината от твърдото вътрешно ядро ​​(генерирано поради разпад на радиоактивни елементи или освобождаване на латентна топлина по време на втвърдяване на материята на границата между вътрешното и външното ядро, докато планетата постепенно се охлажда). Кориолисовите сили усукват тези потоци в характерни спирали, образувайки т.нар Тейлър стълбове. Поради триенето на слоевете те придобиват електрически заряд, образувайки контурни токове. По този начин се създава система от токове, циркулиращи по протежение на проводяща верига в проводници, движещи се в (първоначално присъстващо, макар и много слабо) магнитно поле, като в диска на Фарадей. Създава магнитно поле, което при благоприятна геометрия на потока усилва първоначалното поле, а това от своя страна усилва тока и процесът на усилване продължава, докато топлинните загуби на Джаул, нарастващи с увеличаване на тока, балансират притока на енергия идващи от хидродинамични движения.

Този процес е описан математически диференциално уравнение

∂ B ∂ t = η ∇ 2 B + ∇ × (u × B) (\displaystyle (\frac (\partial \mathbf (B) )(\partial t))=\eta \mathbf (\nabla ) ^(2 )\mathbf (B) +\mathbf (\nabla ) \times (\mathbf (u) \times \mathbf (B))),

Където u- скорост на потока на течността, б- магнитна индукция, η = 1/μσ - магнитен вискозитет, σ е електропроводимостта на течността, а μ е магнитната проницаемост, която практически не се различава при такива висока температурасърцевини от μ 0 - пропускливост на вакуум.

Въпреки това, за пълно описание е необходимо да се напише система от магнитохидродинамични уравнения. В приближението на Boussinesq (в рамките на което всички физически характеристики на течността се приемат за постоянни, с изключение на силата на Архимед, чието изчисляване взема предвид промените в плътността, дължащи се на температурни разлики) това е:

• Уравнение на Навие-Стокс, съдържащо членове, изразяващи комбинирания ефект на въртене и магнитно поле:

ρ 0 (∂ u ∂ t + u ⋅ ∇ u) = − ∇ P + ρ 0 ν ∇ 2 u + ρ g ¯ − 2 ρ 0 Ω × u + J × B (\displaystyle \rho _(0)\left ((\frac (\partial \mathbf (u) )(\partial t))+\mathbf (u) \cdot \mathbf (\nabla ) \mathbf (u) \right)=-\nabla \mathbf (P) +\rho _(0)\nu \mathbf (\nabla ) ^(2)\mathbf (u) +\rho (\bar (\mathbf (g) ))-2\rho _(0)\mathbf (\ Омега ) \times \mathbf (u) +\mathbf (J) \times \mathbf (B) ).

• Уравнение за топлопроводимост, изразяващо закона за запазване на енергията:

∂ T ∂ t + u ⋅ ∇ T = κ ∇ 2 T + ϵ (\displaystyle (\frac (\partial T)(\partial t))+\mathbf (u) \cdot \mathbf (\nabla ) T=\ kappa \mathbf (\nabla ) ^(2)T+\epsilon ),

Пробив в това отношение е постигнат през 1995 г. от групи от Япония и САЩ. Започвайки от този момент, резултатите от редица числени моделни работи задоволително възпроизвеждат качествените характеристики на геомагнитното поле в динамика, включително инверсии.

Промени в магнитното поле на Земята

Това се потвърждава от сегашното увеличение на ъгъла на отваряне на куспидите (полярните празнини в магнитосферата на север и юг), които достигнаха 45° до средата на 90-те години. Радиационен материал от слънчевия вятър, междупланетното пространство и космическите лъчи се втурнаха в разширените пролуки, в резултат на което повече материя и енергия навлизат в полярните региони, което може да доведе до допълнително нагряване на полярните шапки [ ] .

Геомагнитни координати (координати МакИлуейн)

Физиката на космическите лъчи широко използва специфични координати в геомагнитното поле, наречено на учения Карл МакИлуейн ( Карл МакИлуейн), който пръв предложи тяхното използване, тъй като те се основават на инвариантите на движението на частиците в магнитно поле. Точка в диполно поле се характеризира с две координати (L, B), където L е така наречената магнитна обвивка или параметърът на McIlwain. L-обвивка, L-стойност, L-параметър на McIlwain), B - индукция на магнитно поле (обикновено в G). За параметър на магнитната обвивка обикновено се приема стойността L, равна на отношението на средното разстояние на реалната магнитна обвивка от центъра на Земята в равнината на геомагнитния екватор към радиуса на Земята. .

История на изследването

Преди няколко хиляди години в Древен Китайизвестно е, че магнетизираните обекти са разположени в определена посока, по-специално иглата на компаса винаги заема определена позиция в пространството. Благодарение на това човечеството отдавна може да използва такава стрелка (компас), за да се ориентира в открито море далеч от бреговете. Въпреки това, преди пътуването на Колумб от Европа до Америка (1492 г.), никой не обърна специално внимание на изследването на това явление, тъй като учените от онова време смятаха, че това се случва в резултат на привличането на иглата от Полярната звезда. В Европа и моретата, които я измиват, компасът по това време е инсталиран почти по дължината на географския меридиан. Докато пресича Атлантическия океан, Колумб забелязва, че приблизително по средата между Европа и Америка стрелката на компаса се отклонява почти 12° на запад. Този факт веднага породи съмнения относно правилността на предишната хипотеза за привличането на иглата от Полярната звезда и отново даде тласък на сериозно изследване открит феномен: информация за магнитното поле на Земята беше необходима на моряците. От този момент започва науката за земния магнетизъм, започват широко разпространени измервания на магнитната деклинация, тоест ъгълът между географския меридиан и оста на магнитната стрелка, тоест магнитния меридиан. През 1544 г. немски учен Георг Хартманоткри нов феномен: магнитната стрелка не само се отклонява от географския меридиан, но, като е окачена от центъра на тежестта, се стреми да застане под определен ъгъл спрямо хоризонталната равнина, наречен магнитен наклон.

От този момент нататък, наред с изучаването на явлението отклонение, учените започват да изучават и наклона на магнитната стрелка. Хосе де Акоста (един от основоположници на геофизиката, според Хумболт) в неговия Истории(1590) за първи път се появява теорията за четирите линии без магнитна деклинация. Той описва използването на компаса, ъгъла на отклонение, разликите между магнитния полюс и северния полюс и вариацията на отклоненията от една точка към друга, като идентифицира места с нулево отклонение, като Азорските острови.

В резултат на наблюденията беше установено, че деклинацията и наклонът имат различни стойности в различни точки на земната повърхност. Нещо повече, техните промени от точка на точка са обект на някакъв сложен модел. Нейните изследвания позволиха на придворния лекар на английската кралица Елизабет и натурфилософа Уилям Гилбърт да изложи през 1600 г. в книгата си „De Magnete” хипотезата, че Земята е магнит, чиито полюси съвпадат с географските полюси. С други думи, У. Гилбърт смята, че полето на Земята е подобно на полето на намагнитизирана сфера. У. Гилбърт основава твърдението си на експеримент с модел на нашата планета, който представлява магнетизирана желязна топка и малка желязна стрела. Гилбърт смята, че основният аргумент в полза на неговата хипотеза е, че магнитният наклон, измерен на такъв модел, се оказва почти същият като наклона, наблюдаван на земната повърхност. Гилбърт обяснява несъответствието между земната деклинация и деклинацията на модела с отклоняващия ефект на континентите върху магнитната стрелка. Въпреки че много факти, установени по-късно, не съвпадат с хипотезата на Хилберт, тя не губи своето значение и до днес. Основната идея на Гилбърт, че причината за земния магнетизъм трябва да се търси вътре в Земята, се оказва вярна, както и фактът, че в първо приближение Земята наистина е голям магнит, който представлява равномерно намагнетизирана топка.

През 1634 г. английски астроном Хенри Гелибранд?!установи, че магнитната деклинация в Лондон се променя с времето. Това беше първото регистрирано доказателство за вековни вариации - редовни (от година на година) промени в средните годишни стойности на компонентите на геомагнитното поле.

Ъглите на деклинация и наклон определят посоката в пространството на силата на магнитното поле на Земята, но не могат да дадат числената му стойност. До края на 18в. измервания на интензитета не са правени поради неизвестност на законите на взаимодействие между магнитното поле и намагнитизираните тела. Едва след като през 1785-1789г. Френският физик Шарл Кулон установи закон, кръстен на него, и възможността за такива измервания стана възможна. От края на 18 век, заедно с наблюдението на деклинацията и наклона, започват широко разпространени наблюдения на хоризонталния компонент, който е проекция на вектора на силата на магнитното поле върху хоризонталната равнина (познавайки деклинацията и наклона, е възможно да се изчислете стойността на вектора на пълната напрегнатост на магнитното поле).

Първо теоретична работаза това какво е магнитното поле на Земята, тоест каква е величината и посоката на неговия интензитет във всяка точка на земната повърхност, принадлежи на немския математик Карл Гаус. През 1834 г. той дава математически израз за компонентите на напрежението като функция на координатите - географска ширина и дължина на мястото на наблюдение. Използвайки този израз, е възможно за всяка точка от земната повърхност да се намерят стойностите на всеки от компонентите, които се наричат ​​елементи на земния магнетизъм. Това и други произведения на Гаус стават основата, върху която е построена сградата съвременна науказа земния магнетизъм. По-специално, през 1839 г. той доказва, че основната част от магнитното поле излиза от Земята и причината за малки, кратки отклонения в стойностите му трябва да се търси във външната среда.

През 1831 г. английският полярен изследовател Джон Рос открива северния магнитен полюс в Канадския архипелаг - зоната, където заема магнитната стрелка вертикално положение, тоест наклонът е 90°. И през 1841 г. Джеймс Рос (племенник на Джон Рос) достига другия магнитен полюс на Земята, разположен в Антарктида.

Вижте също

• Интермагнит (Английски)

Бележки

1. Учени от САЩ установиха, че магнитното поле на Земята е със 700 милиона години по-старо, отколкото се смяташе досега
2. Едуард Кононович. Земното магнитно поле (недефиниран) . http://www.krugosvet.ru/. Енциклопедия по света: Универсална онлайн научно-популярна енциклопедия. Посетен на 26 април 2017 г.
3. Геомагнетизъм Често задавани въпроси(Английски) . https://www.ngdc.noaa.gov/ngdc.html. Национални центрове за информация за околната среда (NCEI). Посетен на 23 април 2017.
4. А. И. Дяченко.Магнитни полюси на Земята. - Москва: Издателство на Московския център за продължаващо математическо образование, 2003. - 48 с. - ISBN 5-94057-080-1.
5. А. В. Викулин. VII. Геомагнитно поле и електромагнетизъм на Земята// Въведение във физиката на Земята. Урокза геофизични специалности на университети.. - Камчатско държавно издателство педагогически университет, 2004. - 240 с. - ISBN 5-7968-0166-X.