class="part1">

detalji:

Planeta Zemlja

© Vladimir Kalanov,
web stranica"Znanje je moć".

Zemljino magnetno polje

To su procesi koji su samo u početnoj fazi nedostupni direktnom posmatranju i istraživanju. Ali kada se ti procesi ispolje na površini zemlje, kada se, kako kažu, odvijaju punom snagom, tada postaju vidljivi i vrlo uočljivi svima koji se nađu u zoni njihovog delovanja.

Ali na Zemlji djeluju i nevidljivi procesi koje ljudi gotovo i ne osjećaju. Prije svega, ovo je zemaljski magnetizam. Fenomen magnetizma poznat je ljudima jako dugo. Magnetizam je dobio ime po gradu Magnetia u Maloj Aziji, gdje su otkrivena nalazišta magnetne željezne rude - "kamena koji privlači željezo". Prvi pisani dokaz o svojstvima magneta nalazimo, posebno, u pesmi „O prirodi stvari” Tita Lukrecija Kara, napisanoj u prvom veku pre nove ere. Lukrecije je objasnio magnetizam “magnetnim strujama” koje teku iz “magnetnog kamena”.

Ljudi su odavno pronašli upotrebu za svojstva magneta. Jedna od prvih takvih aplikacija bio je kompas kao jednostavan navigacijski uređaj. Kompas je izumljen u Kini oko hiljadu godina prije nove ere. U Evropi je kompas poznat od 12. veka. Danas je apsolutno nemoguće zamisliti mnoge industrije bez upotrebe magneta i elektromagneta.

Područje blizu Zemlje u kojem se detektira Zemljino magnetsko polje naziva se magnetosfera. Magnetizam je sveobuhvatno, globalno svojstvo prirode. Stvaranje potpune teorije zemaljskog i solarnog magnetizma je još uvijek pitanje budućnosti. Ali nauka je već otkrila mnogo stvari i pruža prilično uvjerljiva objašnjenja za neke aspekte tako složenog fenomena kao što je magnetizam. Posebno su mnogi naučnici i obični građani zabrinuti zbog mogućih posljedica takvog fenomena kao što je postepeno slabljenje Zemljinog magnetnog polja.

Zaista, još od vremena Carla Gausa, koji je prvi izmjerio jačinu Zemljinog magnetnog polja, tj. Više od 170 godina Zemljino magnetsko polje stalno slabi. Ali magnetno polje je svojevrsni štit koji pokriva Zemlju i sav život na njoj od razornog zračenja takozvanog Sunčevog vjetra, tj. elektrona, protona i drugih čestica koje emituje Sunce. Zemljina magnetosfera odbija tok ovih i drugih čestica koje lete iz svemira prema polovima, lišavajući im početnu energiju. Na polovima Zemlje, tokovi ovih kosmičkih čestica se odlažu za gornjih slojeva atmosferu, pretvarajući se u fantastično lijepe fenomene aurore.

Da nema solarnog vjetra, Zemljino magnetsko polje bi bilo simetrično u odnosu na planetu, kao na slici 1. Slika 2 prikazuje stvarnu magnetosferu Zemlje, deformisanu sunčevim vjetrom. Treća slika pokazuje nesklad između magnetskog i geografskog pola.

Ako nema magnetnog polja

Ali ako nema magnetnog polja, ili ono postane veoma slabo, onda će sav život na Zemlji biti pod direktnim uticajem sunčevog i kosmičkog zračenja. A to će, kako se može pretpostaviti, dovesti do oštećenja živih organizama radijacijom, što će rezultirati njihovom mutacijom u neodređenom smjeru ili smrću. Na sreću, takva perspektiva je malo verovatna. Paleomagnetolozi, tj. oni koji proučavaju drevna magnetna polja bili su u stanju da s razumnim stepenom sigurnosti utvrde da Zemljino magnetsko polje stalno oscilira sa različiti periodi. Kada se saberu sve krive oscilovanja, rezultujuća kriva je oblikovana blizu sinusoide sa periodom od 8 hiljada godina. Segment ove krive koji odgovara našem vremenu (početkom 2000-ih) nalazi se na silaznoj grani ove krive. I ovaj pad će se nastaviti oko dvije hiljade godina. Nakon toga, magnetsko polje će ponovo početi da jača. Ovo jačanje polja će se nastaviti četiri hiljade godina, a zatim će ponovo doći do opadanja. Prethodni maksimum dogodio se na početku naše ere. Bitno je da amplituda sumirajuće sinusoide bude manja od polovine prosječne vrijednosti jačine polja, tj. ove fluktuacije ne mogu smanjiti snagu Zemljinog magnetnog polja na nulu.

Ovdje, na našoj web stranici, zbog uvjeta sažetosti, ne možemo detaljno razmotriti metodologiju istraživanja koja je dovela do tako optimističnih zaključaka. Naučnici su iznosili različita mišljenja o uzrocima fluktuacija magnetnog polja, ali ne postoji definitivna teorija o ovom problemu. Dodajmo da je nauka dokazala postojanje takvog fenomena kao što je inverzija, tj. periodična izmjena Zemljinih magnetnih polova na mjestima: sjeverni pol se pomiče na mjesto juga, južni - na mjesto sjevera. Takva kretanja traju od 5 do 10 hiljada godina. U istoriji naše planete, takvi "skokovi" polova dešavali su se stotine puta. Posljednji takav pokret dogodio se prije 700 hiljada godina. Nije utvrđena posebna periodičnost ili pravilnost ovog fenomena. Razlozi ovih polarnih preokreta kriju se u složenim interakcijama tekućeg dijela Zemljinog jezgra sa svemirom. Paleomagnetolozi su utvrdili da je na Zemlji bilo i pomicanja magnetnih polova sa geografskih na velike udaljenosti, koje su se, međutim, završile vraćanjem polova na prethodno mjesto.

Postoje sugestije da tokom polarnih preokreta, Zemljino magnetsko polje nestaje, a planeta ostaje neko vrijeme bez svog nevidljivog zaštitnog oklopa. Ali ove pretpostavke ne nalaze pouzdano naučno opravdanje i ostaju ništa drugo do pretpostavke.

Neki naučnici općenito vjeruju da nagle promjene u Zemljinoj magnetosferi nisu opasne, jer, po njihovom mišljenju, glavna zaštita od kosmičkog zračenja za sva živa bića nije magnetno polje, već atmosfera. Ovo mišljenje deli, posebno, evolucioni biolog profesor B.M. Mednikov. Drugim riječima, problem interakcije magnetnog polja sa procesima života na Zemlji još uvijek je daleko od potpunog razjašnjenja, a ovdje ima još dovoljno posla za istraživače.

Utjecaj magnetnog polja na žive organizme

Odavno je poznato da magnetna polja imaju negativan učinak na žive organizme. Eksperimenti na životinjama su pokazali da vanjsko magnetsko polje usporava njihov razvoj, usporava rast stanica i mijenja sastav krvi. Tokom takozvanih magnetnih oluja, tj. Sa oštrim fluktuacijama jačine magnetnog polja, vremenski zavisni, bolesni ljudi doživljavaju pogoršanje zdravlja.

Jačina magnetnog polja mjeri se u erstedima (E). Ova jedinica je dobila ime po danskom fizičaru Hansu Oerstedu (1777-1851), koji je otkrio vezu između električnih i magnetskih fenomena.

Budući da ljudi mogu biti izloženi magnetnim poljima na poslu i kod kuće, razvijeni su dozvoljeni nivoi jačine magnetnog polja. Prema različitim procjenama, magnetno polje jačine 300-700 ersted smatra se sigurnim za ljude. Tačnije, u proizvodnji iu svakodnevnom životu na osobu ne utječu magnetna, već elektromagnetna polja. Činjenica je da se tijekom rada bilo kojeg električnog ili radio uređaja, i magnetska i električna polja mogu pojaviti samo kao jedna cjelina, što se naziva elektromagnetno polje. Ovo se objašnjava zajedničkom prirodom magnetnih i električnih pojava.

Treba napomenuti da fizička strana procesa utjecaja magnetskog polja na ljudsko tijelo još nije sasvim jasna. Magnetno polje utiče i na biljke. Prema rezultatima nekih eksperimenata, pokazalo se da klijanje i rast sjemena ovise o tome kako su u početku bile orijentirane u odnosu na Zemljino magnetsko polje. Promjena vanjskog magnetskog polja može ili ubrzati ili inhibirati razvoj biljke. Možda će se ovaj fenomen nekako koristiti u poljoprivrednoj praksi.

Dakle, oko nas su magnetna polja koja stvara sama priroda i stvaraju izvori umjetnog porijekla - od generatora naizmjenične struje i transformatora do mikrovalnih pećnica i mobilnih telefona.

Jačina magnetnog polja Zemlje

Kolika je jačina Zemljinog magnetnog polja? Nije svuda isti i varira od 0,24 Oe (u Brazilu) do 0,68 Oe (na Antarktiku). Smatra se da je prosječna jačina geomagnetnog polja 0,5 oersteda. Na mjestima gdje se javljaju velika ležišta feromagnetnih materijala (gvozdene rude) javljaju se magnetne anomalije. Kurska magnetna anomalija je nadaleko poznata u Rusiji, gde je jačina polja 2 Oe. Za poređenje: jačina magnetnog polja Merkura je 1/500 Oe, Meseca - 10 -5 Oe, a međuzvezdanog medija još manje - 10 -8 Oe. Ali jačina magnetnog polja sunčevih pjega je ogromna i jednaka je 10 3 Oe. Zvijezde bijelih patuljaka imaju još jača polja - do 10 7 Oe. Najjača magnetska polja zabilježena u svemiru stvaraju neutronske zvijezde i pulsari. Jačina magnetnog polja ovih svemirskih objekata dostiže 10 12 oersted! U laboratorijskim uslovima moguće je postići stotine hiljada puta slabiji magnetni intenzitet, pa čak i tada za vreme mereno delićima sekunde. Stručnjaci sugeriraju da bi bilo moguće u laboratorijskim uvjetima dobiti magnetska polja uporedive po jačini sa onima koja djeluju na neutronske zvijezde, tada bi se dogodile neverovatne transformacije sa objektima izloženim takvim nezamislivim poljima. Na primjer, željezo, čija je gustina normalnim uslovima jednak 7,87 g/cm³, pod uticajem takvih polja bi se pretvorio u supstancu gustine 2700 g/cm³. Kocka s rubom od 10 cm takve tvari bila bi teška 2,7 tona, a za pomicanje bi bila potrebna moćna dizalica.

Zemljino magnetno polje.

Glavna pitanja o kojima se govori na predavanju:

1. Priroda geomagnetizma.

2. Elementi Zemljinog magnetnog polja.

3. Struktura geomagnetnog polja.

4. Magnetosfera i radijacioni pojasevi Zemlje.

5. Sekularne varijacije geomagnetskog polja.

6. Anomalije geomagnetskog polja.

1. Priroda geomagnetizma. Terestrički magnetizam ili geomagnetizam je svojstvo Zemlje kao nebeskog tijela koje određuje postojanje magnetskog polja oko njega. Geomagnetologija je nauka o Zemlji.

Teorija hidromagnetnog dinamo se zasniva na činjenici koju su utvrdili geofizičari da se na dubini od 2900 km nalazi „tečno“ vanjsko jezgro Zemlje sa dobrom električnom provodljivošću (106–105 S/m).

Ideju o hidromagnetnom dinamu prvi je predložio Larmore u Engleskoj 1919. kako bi objasnio magnetizam Sunca. U Zemljinom magnetizmu (1947.), sovjetski fizičar Ya. I. Frenkel izrazio je ideju da je toplotna konvekcija u Zemljinom jezgru upravo razlog koji aktivira hidromagnetski dinamo Zemljinog jezgra.

Glavne odredbe hipoteze o hidromagnetnom dinamo su sljedeće.

1. Zahvaljujući takozvanom giromagnetskom (od grčkog Gyro - vrtenje, vrtenje) efektu i rotaciji Zemlje tokom njenog formiranja moglo bi nastati vrlo slabo magnetno polje. Giromagnetski efekat je magnetizacija feromagnetnih tijela zbog njihove rotacije i rotacije pod određenim uvjetima magnetizacije. Giromagnetski efekat otkriva vezu između mehaničkih i magnetnih momenata atoma.

2. Prisustvo slobodnih elektrona u jezgru i rotacija Zemlje u tako slabom magnetskom polju doveli su do indukcije vrtložnih električnih struja u jezgru.

3. Indukovane vrtložne struje zauzvrat stvaraju (generišu) magnetno polje, kao što se dešava u dinamima. Povećanje Zemljinog magnetnog polja trebalo bi da dovede do novog povećanja vrtložnih struja u jezgru, a ovo poslednje bi trebalo da dovede do povećanja magnetnog polja.

4. Proces sličan regeneraciji traje do rasipanja energije zbog viskoznosti jezgra i njegovog električni otpor nije kompenzirano dodatnom energijom vrtložnih struja i drugim razlozima.

Dakle, prema Frenkelu, Zemljino jezgro je neka vrsta prirodnog turbogeneratora. Ulogu turbine u njoj igraju toplotni tokovi: oni podižu velike mase rastopljenog metala, koji ima svojstvo tečnosti, iz dubine jezgra prema gore duž radijusa. Hladnije, a samim tim i teže čestice gornjih slojeva tonu prema dolje. Coriolisova sila ih "okreće" oko Zemljine ose, formirajući tako džinovske zavojnice unutar "zemaljskog dinamo". U ovim zatvorenim tokovima vrućeg metala, kao u zavojima žice na armaturi običnog dinamo, indukcijska struja je već odavno trebala nastati. Postepeno je magnetizirao Zemljino jezgro. Početno vrlo slabo magnetno polje se pojačavalo sve dok s vremenom nije dostiglo svoju graničnu vrijednost. Ova granica je dostignuta u dalekoj prošlosti. I iako Zemljin turbogenerator nastavlja da radi, kinetička energija tokova tekućeg metala se više ne troši na magnetiziranje Zemljinog jezgra, već se u potpunosti pretvara u toplinu.

Magnetno polje Zemlje postoji oko 3 milijarde godina, što je oko 1,5 milijardi godina mlađe od njenog uzrasta. To znači da nije bio relikt i da, u nedostatku mehanizma za obnavljanje, ne bi mogao postojati kroz cijelu geološku povijest Zemlje.

2. Elementi Zemljinog magnetnog polja. U svakoj tački na površini Zemlje, magnetsko polje karakterizira vektor ukupnog intenziteta Ht, čija veličina i smjer određuju tri elementa zemaljskog magnetizma; horizontalna komponenta napetosti H, magnetna deklinacija D i inklinacija I. Magnetna deklinacija je ugao u horizontalnoj ravni između geografskog i magnetnog meridijana; magnetni nagib je ugao u vertikalnoj ravni između horizontalne ravni i smjera punog vektora Hm.

Veličine H, X, Y, Z, D i I nazivaju se elementi zemaljskog magnetizma, dok se elementi H, X, Y i Z nazivaju komponente sile zemaljskog magnetnog polja, a D i I se nazivaju ugaoni. one.

Ukupni vektor jačine Zemljinog magnetnog polja Ht, njegove komponente sile H, X, Y i Z imaju dimenziju A/m, deklinaciju D i inklinaciju I - ugaone stepeni, minute i sekunde. Snaga Zemljinog magnetnog polja je relativno mala: ukupni vektor Ht varira od 52,5 A/m na polu do 26,3 A/m na ekvatoru.

Rice. 5.1 – Elementi zemaljskog magnetizma

Apsolutne vrijednosti elemenata zemaljskog magnetizma su male, pa se za njihovo mjerenje koriste visoko precizni instrumenti - magnetometri i magnetni variometri; Postoje variometri za mjerenje vrijednosti H i Z. Koriste se putujuće magnetne stanice opremljene složenim optičko-mehaničkim i kvantnim magnetometrima. Linije koje spajaju tačke na karti sa istom deklinacijom D nazivaju se izogoni, sa istim nagibom I - izoklinama, sa istim H ili Z - izodinama horizontalne ili vertikalne komponente vektora ukupne napetosti Ht i sa istim X ili Y - izodine sjeverne ili istočne komponente. Vrijednosti elemenata Zemljinog magnetizma se kontinuirano mijenjaju tokom vremena i stoga se magnetne karte ažuriraju svakih pet godina.

3. Struktura geomagnetnog polja. Zemljino magnetsko polje je heterogene strukture. Sastoji se iz dva dela: konstantnog i naizmeničnog polja. Konstantno polje je uzrokovano unutrašnjim izvorima magnetizma; Izvori naizmjeničnog polja su električne struje u gornjim slojevima atmosfere - jonosferi i magnetosferi. Zauzvrat, konstantno magnetsko polje je po prirodi nehomogeno i sastoji se od nekoliko dijelova. Stoga, općenito, Zemljino magnetsko polje se sastoji od sljedećih polja:

Nt =Ho+Hm+Ha+Hv+δH, (5.1)

gdje je Nt – intenzitet Zemljinog magnetnog polja; Ali da li je snaga dipolnog polja stvorena ujednačenom magnetizacijom globusa; Nm – intenzitet nedipolnog, ili kontinentalnog, polja, stvorenog unutrašnjim razlozima uzrokovanim heterogenošću dubokih slojeva Zemlje; Na je anomalna jačina polja stvorena različitim magnetizacijama gornji dijelovi zemljina kora; Nv – jačina polja čiji je izvor povezan sa vanjskim uzrocima; δH – jačina polja magnetnih varijacija uzrokovanih vanjskim uzrocima.

Zbir polja Ho+Hm=NG čini glavno magnetsko polje Zemlje. Anomalno polje se sastoji iz dva dela: polja regionalne prirode Nr i polja lokalne (lokalne) prirode Nl. Lokalna anomalija se može superponirati na regionalnu anomaliju i tada Ha = Nr+Nl.

Zbir polja Ho+Hm+Hb se obično naziva normalnim poljem. Međutim, polje Hb daje vrlo mali doprinos ukupnom geomagnetskom polju Hb. Sistematsko proučavanje geomagnetnog polja, prema magnetskim opservatorijama i magnetskim istraživanjima, pokazuje da je spoljašnje polje u odnosu na unutrašnje polje manje od 1% i stoga se može zanemariti. U ovom slučaju, normalno polje se poklapa sa glavnim magnetnim poljem Zemlje.

Geomagnetski polovi se nalaze na mjestu gdje Zemljina magnetska osa seče površinu Zemlje. Iako se sjeverni magnetni pol nalazi na južnoj hemisferi, a južni na sjevernoj hemisferi, u svakodnevnom životu nazivaju se po analogiji s geografskim polovima.

Vremenom, magnetni polovi menjaju svoj položaj. Tako se sjeverni magnetni pol pomiče po površini Zemlje za 20,5 m (7,5 km godišnje) dnevno, a južni za 30 m (11 km godišnje).

4. Magnetosfera i radijacioni pojasevi Zemlje. Zemljino magnetsko polje postoji ne samo blizu površine zemlje, već i na njoj velike udaljenosti iz njega, koji je otkriven pomoću svemirskih raketa i međuplanetarnih svemirskih stanica. Na udaljenosti od 10-14 Zemljinih radijusa, geomagnetno polje se susreće sa magnetnim poljem među pločama i poljem takozvanog solarnog vjetra. Sunčev vetar je odliv plazme iz solarne korone (koronalni gas koji se sastoji uglavnom od vodonika i helijuma) u međuplanetarni prostor. Brzina čestica solarnog vjetra (protona i elektrona) je ogromna - oko 400 km/s, broj čestica (korpukula) je nekoliko desetina po 1 cm 3, temperatura je do 1,5-2 miliona stepeni. Na granici magnetnog polja i magnetnog polja Zemlje, intenzitet je oko (0,4–0,5)·10-2 A/m.

Područje djelovanja Zemljinog magnetskog polja naziva se magnetosfera, a njegova vanjska granica se naziva magnetopauza (slika 5.3). Na geomagnetno polje značajno utiče solarni vetar. Magnetosfera se proteže na ogromne udaljenosti: najmanja - prema Suncu - doseže 10-14 Zemljinih radijusa, najveća - na noćnoj strani - oko 16 Zemljinih radijusa. Magnetski rep ima još veće dimenzije (prema podacima sa veštačkih Zemljinih satelita - stotine Zemljinih radijusa).

Slika 5.3 – Struktura Zemljine magnetosfere: 1 – Sunčev vetar; 2 – prednji udar; 3 – magnetna šupljina; 4 – magnetopauza; 5 - gornja granica polarni magnetosferski jaz; 6 – plazma plašt; 7 – spoljašnji radijacioni pojas ili plazmasfera; 9 – neutralni sloj; 10 – plazma sloj

Maksimum unutrašnjeg protonskog pojasa nalazi se na udaljenosti od 3,5 polumjera Zemlje (22 hiljade km). Unutar plazmasfere, blizu površine Zemlje, nalazi se drugi pojas elektronskog zračenja. U blizini polova, ovaj pojas se nalazi na udaljenosti od 100 km, ali se njegov glavni dio nalazi na udaljenosti od 4,4 - 10 hiljada km od površine planete. Elektroni u njemu imaju energiju od desetina do stotina keV. Intenzitet protoka elektrona procjenjuje se na 109 čestica po cm 2 /s, odnosno red veličine više nego u vanjskom elektronskom pojasu.

Snaga zračenja u radijacijskim pojasevima je prilično visoka - nekoliko stotina, pa čak i hiljada bioloških ekvivalenata rendgenskih zraka dnevno. Stoga se svemirski brodovi s astronautima na brodu lansiraju u orbite koje se nalaze ispod ovih pojaseva.

Kad ne bi bilo magnetosfere, tada bi tokovi sunčevog i kosmičkog vjetra, ne nailazeći na otpor, jurili na površinu Zemlje i štetno djelovali na sva živa bića, uključujući i ljude.

5. Sekularne varijacije geomagnetskog polja. Proces promjene prosječnih godišnjih vrijednosti jednog ili drugog elementa zemaljskog magnetizma u periodu od nekoliko desetljeća i stoljeća naziva se sekularne varijacije, a njihova promjena iz godine u godinu naziva se sekularni tok.

Takozvani efekat "zamrzavanja magnetnog polja u materijal" omogućava nam da procijenimo prošlost geomagnetnog polja - njegov smjer i intenzitet. Bilo koja stijena, bilo koja tvar koja sadrži željezo ili drugi feromagnetni element je stalno pod utjecajem Zemljinog magnetskog polja. Elementarni magneti u ovom materijalu imaju tendenciju da se orijentišu duž linija magnetnog polja.

Ako se materijal zagrije, doći će do točke kada toplinsko kretanje čestica postane toliko energično da uništava magnetni red. Zatim, kada se materijal ohladi, tada, počevši od Curie tačke (Kurijeva tačka je temperatura ispod koje stene postaju feromagnetne; za čisto gvožđe Curie tačka je 769 ° C, za magnetit - 580 ° C), prevladava magnetno polje nad silama haotičnog kretanja. Elementarni magneti će se ponovo poravnati kako im magnetsko polje kaže i ostaće u tom položaju sve dok se telo ponovo ne zagreje. Stoga se čini da je geomagnetno polje "zamrznuto" u materijal.

Trenutno se Zemljino magnetsko polje smanjuje za 2,5% na 100 godina, a za oko 4000 godina, ako se priroda ovog opadanja ne promijeni, trebalo bi da se smanji na nulu. Međutim, paleomagnetolozi tvrde da se to neće dogoditi.

Ako saberemo sve ciklične krivulje sa različitim periodima oscilovanja Zemljinog magnetnog polja, dobijamo takozvanu „izglađenu, ili usrednjenu krivulju“, koja se prilično dobro poklapa sa sinusoidom koja ima period od 8000 godina. Trenutno je ukupna vrijednost oscilacija magnetnog polja na silaznom segmentu sinusoida.

Različita trajanja perioda oscilovanja geomagnetskog polja očito se objašnjavaju nedostatkom ravnoteže u pokretnim dijelovima hidromagnetnog dinamo i njihovom različitom električnom provodljivošću.

Inverzija je izmjena magnetnih polova na mjestima. Prilikom preokreta, sjeverni magnetni pol se pomiče na mjesto juga, a južni na mjesto sjevera.

Ponekad se umjesto inverzije govori o “skoku” motki. Međutim, ova riječ u odnosu na polove nije sasvim prikladna, jer se stupovi ne kreću tako brzo - prema nekim procjenama, "skok" traje 5, pa čak i 10 hiljada godina.

U proteklih 600 hiljada godina ustanovljeno je 12 epoha preokreta geomagnetnog polja (Gottenborg - 10-12 hiljada godina, Lachami - 20-24 hiljade godina, itd.). Karakteristično je da se značajne geološke, klimatske i biološke promjene na planeti poklapaju sa ovim epohama.

6. Anomalije geomagnetskog polja. Magnetna anomalija je odstupanje vrijednosti elemenata zemaljskog magnetizma od normalne vrednosti, koji bi se uočavao na datom mjestu u slučaju ujednačene magnetizacije Zemlje.

Ako se na bilo kojem mjestu otkriju nagle promjene magnetske deklinacije i inklinacije, to ukazuje da su stijene koje sadrže feromagnetne minerale skrivene ispod površine zemlje. To uključuje magnetit, titano-magnetit, hematit, itd. Magnetit ima najveću magnetsku osjetljivost, pa je značajan broj anomalija povezan s njegovim prisustvom u stijenama.

U zavisnosti od veličine, magnetne anomalije se dijele na kontinentalne, regionalne i lokalne. Kontinentalne anomalije su posljedica prisustva snažnih vrtložnih struja ispod njihovih centara. Uzroci regionalnih i lokalnih anomalija su stijene sa povećanim magnetskim svojstvima. Ove stijene, nalazeći se u magnetskom polju Zemlje, postaju magnetizirane i stvaraju dodatno magnetsko polje.

Magnetna svojstva su inherentna u jednom ili drugom stepenu svim stenama. Kada se bilo koja stijena stavi u magnetsko polje, svaki element njenog volumena postaje magnetiziran. Sposobnost tvari da mijenja svoju magnetizaciju pod utjecajem vanjskog magnetskog polja naziva se magnetska osjetljivost. U zavisnosti od numerička vrijednost i znakom magnetske podložnosti, sve prirodne supstance se dele u tri grupe: dijamagnetne, paramagnetne, feromagnetne. Štoviše, za dijamagnetne tvari magnetska susceptibilnost je negativna, a za paramagnetne i feromagnetne tvari pozitivna.

Za dijamagnetne supstance (kvarc, mermer, grafit, bakar, zlato, srebro, olovo, voda itd.), magnetizacija je proporcionalna jačini magnetnog polja i usmerena je prema njoj. Dijamagnetne supstance uzrokuju slabljenje magnetskog polja Zemlje i doprinose stvaranju negativnih magnetnih anomalija.

U paramagnetnim supstancama (metamorfne i magmatske stijene, alkalni metali itd.), magnetizacija je također proporcionalna jačini magnetskog polja, ali za razliku od dijamagnetskih tvari, ima isti smjer kao i ona. U feromagnetnim supstancama (gvožđe, nikl, kobalt, itd.) magnetizacija je mnogo veća nego u dija- i paramagnetnim supstancama, nije proporcionalna jačini magnetnog polja i jako zavisi od temperature i „magnetne praistorije“ supstance. .

Glavni doprinos stvaranju anomalija magnetnog polja daju feromagnetni minerali (magnetit, titanomagnetit, ilmenit itd.) i gorde stijene koje ih sadrže. Budući da općenito magnetska osjetljivost stijena varira u širokim granicama (milioni puta), intenzitet anomalija magnetnog polja također varira u širokim granicama.

Zemljino naizmjenično magnetno polje. Izvori naizmjeničnih magnetnih polja nalaze se izvan zemljinog prostora. Po svom nastanku su induktivne struje koje nastaju u visokim slojevima atmosfere (od sto do nekoliko hiljada kilometara). Indukcijske struje nastaju izlivanjem plazme - protokom nabijenih čestica oba znaka (telešca) koje lete sa Sunca. Prodirući u Zemljino magnetsko polje, zrna se njime hvataju i izazivaju niz složenih pojava, kao što su jonizacija atmosfere, aurore, formiranje Zemljinih radijacijskih pojaseva itd.

Promjenjivo magnetsko polje je superponirano na glavno magnetsko polje Zemlje i uzrokuje njegove različite varijacije tokom vremena. Neki od njih se odvijaju glatko i prate određeni obrazac. To su takozvane periodične (neporemećene) varijacije. Drugi su haotične prirode, parametri geomagnetskog polja (periodi, amplitude, faze) kontinuirano i oštro mijenjaju svoju vrijednost.

Sunčeve dnevne varijacije su promjene elemenata zemaljskog magnetizma s periodom jednakim dužini sunčevog dana. Sunčevo-dnevne varijacije elemenata zemaljskog magnetizma zavise od doba godine i geografske širine, budući da su određene intenzitetom ultraljubičastih zraka Sunca, a samim tim i položajem Zemlje u odnosu na Sunce. Karakteristično je da faze oscilacija kako u geografskoj širini tako iu dobu godine ostaju praktično nepromijenjene, uglavnom se mijenjaju amplitude oscilacija.

Lunarno-dnevne varijacije u elementima Zemljinog magnetizma povezane su sa položajem Mjeseca u odnosu na horizont i uzrokovane su djelovanjem gravitacije Mjeseca na Zemljinu atmosferu. Lunarno-dnevne varijacije u elementima zemaljskog magnetizma su male - čine samo 10-15% sunčevo-dnevnih varijacija.

Poremećene neperiodične oscilacije uključuju magnetne oluje. Jedna od njihovih karakterističnih osobina je iznenadnost pojave. Na pozadini prilično mirnog magnetnog polja, gotovo u istom trenutku na cijeloj Zemljinoj kugli, svi elementi zemaljskog magnetizma naglo mijenjaju svoje vrijednosti, a daljnji tok oluje doživljava vrlo brze i kontinuirane promjene.

Na osnovu intenziteta (amplitude), magnetne oluje se obično dijele na slabe, umjerene i velike. Amplitude elemenata zemaljskog magnetizma tokom veoma velikih magnetnih oluja dostižu nekoliko stepeni za magnetnu deklinaciju, i –2–4 A/m ili više za vertikalnu i horizontalnu komponentu. Intenzitet oluja raste od niskih do visokih geomagnetskih širina. Trajanje nevremena je obično nekoliko dana. Učestalost i jačina magnetnih oluja zavise od sunčeve aktivnosti.

Poslednjih godina, naučnici su počeli da izvlače praktične koristi od magnetnih oluja, budući da su bili u mogućnosti da ih koriste da „sondiraju“ Zemlju do velikih dubina. Metoda proučavanja unutrašnjosti Zemlje pomoću magnetnih poremećaja naziva se magnetsko-telursko sondiranje, jer istovremeno razmatra magnetne poremećaje i telurske (tj. zemaljske) struje koje oni izazivaju u Zemlji. Kao rezultat magnetsko-telurskog sondiranja, ustanovljeno je da se na dubini od 300-400 km električna provodljivost Zemlje naglo povećava. Do ovih dubina, Zemlja je praktično izolator.

Zemljino magnetsko polje je formacija koju stvaraju izvori unutar planete. To je predmet proučavanja u odgovarajućem dijelu geofizike. Zatim, pogledajmo pobliže šta je Zemljino magnetsko polje i kako se formira.

opće informacije

Nedaleko od površine Zemlje, otprilike na udaljenosti od tri njena poluprečnika, linije sile iz magnetnog polja nalaze se duž sistema „dva polarna naboja“. Ovdje postoji područje koje se zove "plazma sfera". Sa udaljavanjem od površine planete, povećava se uticaj protoka jonizovanih čestica iz solarne korone. To dovodi do kompresije magnetosfere sa strane Sunca, a naprotiv, Zemljino magnetsko polje se proteže sa suprotne, sjenovite strane.

Plazma sfera

Smjerno kretanje nabijenih čestica u gornjim slojevima atmosfere (jonosfera) ima primjetan utjecaj na magnetsko polje Zemljine površine. Lokacija potonjeg je stotinu kilometara i više od površine planete. Zemljino magnetsko polje drži plazmasferu. Međutim, njegova struktura snažno ovisi o aktivnosti solarnog vjetra i njegovoj interakciji sa zatvarajućim slojem. A učestalost magnetnih oluja na našoj planeti određena je bakljima na Suncu.

Terminologija

Postoji koncept "magnetne ose Zemlje". Ovo je prava linija koja prolazi kroz odgovarajuće polove planete. "Magnetski ekvator" je veliki krug ravni okomit na ovu osu. Vektor na njemu ima smjer blizak horizontalnom. Prosječna jačina Zemljinog magnetnog polja značajno zavisi od geografska lokacija. To je otprilike jednako 0,5 Oe, odnosno 40 A/m. Na magnetskom ekvatoru ovaj isti indikator iznosi približno 0,34 Oe, a blizu polova blizu 0,66 Oe. U nekim anomalijama planete, na primjer, unutar Kurske anomalije, indikator je povećan i iznosi 2 Oe. linije Zemljine magnetosfere sa složenom strukturom, projektovane na njenu površinu i konvergirane na sopstvenim polovima, nazivaju se „magnetnim meridijanima“.

Priroda pojave. Pretpostavke i nagađanja

Ne tako davno, pretpostavka o povezanosti nastanka Zemljine magnetosfere i toka struje u jezgri od tekućeg metala, koja se nalazi na udaljenosti od četvrtine do trećine polumjera naše planete, dobila je pravo na postojanje. Naučnici takođe imaju pretpostavku o takozvanim "telurskim strujama" koje teku u blizini zemljine kore. Treba reći da vremenom dolazi do transformacije formacije. Zemljino magnetsko polje se promijenilo nekoliko puta u proteklih sto osamdeset godina. To je zabilježeno u okeanskoj kori, a o tome svjedoče studije remanentne magnetizacije. Poređenjem područja s obje strane okeanskih grebena, utvrđuje se vrijeme divergencije ovih područja.

Zemljin magnetski pomak

Položaj ovih dijelova planete nije konstantan. Činjenica njihovog raseljavanja bilježi se još od kraja devetnaestog vijeka. Na južnoj hemisferi, magnetni pol se za to vreme pomerio za 900 km i završio u Indijskom okeanu. Slični procesi se odvijaju i u sjevernom dijelu. Ovdje se pol pomiče prema magnetskoj anomaliji u istočnom Sibiru. Od 1973. do 1994. godine, udaljenost na kojoj se nalazište kretalo ovdje je iznosilo 270 km. Ovi unaprijed izračunati podaci su kasnije potvrđeni mjerenjima. Prema najnovijim podacima, brzina kretanja magnetnog pola sjeverne hemisfere značajno je porasla. Porastao je sa 10 km/godišnje sedamdesetih godina prošlog stoljeća na 60 km/godišnje početkom ovog stoljeća. Istovremeno, jačina Zemljinog magnetnog polja opada neravnomjerno. Dakle, u protekle 22 godine ponegdje je smanjen za 1,7%, a negdje za 10%, mada ima i područja gdje je, naprotiv, povećan. Ubrzanje u pomaku magnetnih polova (za otprilike 3 km godišnje) daje razlog za pretpostavku da njihovo kretanje danas uočeno nije ekskurzija, već još jedna inverzija.

To indirektno potvrđuje povećanje takozvanih “polarnih praznina” na jugu i sjeveru magnetosfere. Jonizirani materijal solarne korone i svemira brzo prodire u rezultirajuće ekspanzije. Kao rezultat toga, sve veća količina energije skuplja se u cirkumpolarnim područjima Zemlje, što je samo po sebi ispunjeno dodatnim zagrijavanjem polarnih ledenih kapa.

Koordinate

U nauci o kosmičkim zracima koriste se koordinate geomagnetnog polja, nazvane po naučniku McIlwainu. On je bio prvi koji je predložio njihovu upotrebu, jer se zasnivaju na modifikovanim verzijama aktivnosti naelektrisanih elemenata u magnetskom polju. Za tačku se koriste dvije koordinate (L, B). Oni karakterišu magnetnu ljusku (McIlwain parametar) i indukciju polja L. Potonji je parametar jednak omjeru prosječne udaljenosti sfere od centra planete do njenog polumjera.

"magnetna inklinacija"

Prije nekoliko hiljada godina, Kinezi su došli do nevjerovatnog otkrića. Otkrili su da se magnetizirani objekti mogu postaviti u određenom smjeru. A sredinom šesnaestog veka, Georg Kartman, nemački naučnik, napravio je još jedno otkriće u ovoj oblasti. Tako se pojavio koncept "magnetne inklinacije". Ovaj naziv se odnosi na ugao odstupanja strelice gore ili dole od horizontalne ravni pod uticajem magnetosfere planete.

Iz istorije istraživanja

U području sjevernog magnetskog ekvatora, koji se razlikuje od geografskog ekvatora, sjeverni kraj se pomiče prema dolje, a u južnom, naprotiv, prema gore. Godine 1600. engleski liječnik William Gilbert prvi je iznio pretpostavke o prisutnosti Zemljinog magnetnog polja, koje uzrokuje određeno ponašanje objekata koji su prethodno bili magnetizirani. U svojoj knjizi opisao je eksperiment s loptom opremljenom željeznom strijelom. Kao rezultat svog istraživanja došao je do zaključka da je Zemlja veliki magnet. Engleski astronom Henry Gellibrant je također vodio eksperimente. Kao rezultat svojih zapažanja, došao je do zaključka da je magnetsko polje Zemlje podložno sporim promjenama.

José de Acosta opisao je mogućnost korištenja kompasa. Takođe je ustanovio kako se magnetski i severni pol razlikuju, iu njegovom čuvena istorija(1590) utemeljena je teorija linija bez magnetskog otklona. Kristofor Kolumbo je također dao značajan doprinos proučavanju problematike koja se razmatra. Bio je odgovoran za otkriće varijabilnosti magnetne deklinacije. Transformacije se vrše ovisno o promjenama geografskih koordinata. Magnetna deklinacija je ugao odstupanja igle od pravca sjever-jug. U vezi s otkrićem Kolumba, istraživanja su se intenzivirala. Informacije o tome šta je Zemljino magnetsko polje bile su izuzetno neophodne za navigatore. M.V. Lomonosov je takođe radio na ovom problemu. Za proučavanje zemaljskog magnetizma, preporučio je izvođenje sistematskih posmatranja pomoću stalnih tačaka (slično opservatorijama). Takođe je bilo veoma važno, prema Lomonosovu, to učiniti na moru. Ova ideja velikog naučnika ostvarena je u Rusiji šezdeset godina kasnije. Otkriće magnetnog pola na kanadskom arhipelagu pripada polarnom istraživaču Englezu Džonu Rosu (1831). A 1841. otkrio je još jedan pol planete, ali na Antarktiku. Hipotezu o porijeklu Zemljinog magnetnog polja iznio je Carl Gauss. Ubrzo je dokazao da se najvećim dijelom napaja iz izvora unutar planete, ali razlog za njegova manja odstupanja je u vanjskom okruženju.

Prema modernim idejama, formiran je prije otprilike 4,5 milijardi godina i od tog trenutka je naša planeta okružena magnetnim poljem. Sve na Zemlji, uključujući ljude, životinje i biljke, je pogođeno njime.

Magnetno polje se proteže do visine od oko 100.000 km (slika 1). On odbija ili hvata čestice solarnog vjetra koje su štetne za sve žive organizme. Ove nabijene čestice formiraju Zemljin radijacijski pojas, a čitava oblast svemirskog prostora u kojoj se nalaze se naziva magnetosfera(Sl. 2). Na strani Zemlje obasjane Suncem, magnetosfera je ograničena sferičnom površinom poluprečnika približno 10-15 Zemljinih radijusa, a na suprotnoj strani je kao rep komete produžena na udaljenosti do nekoliko hiljada Zemljini radijusi, koji formiraju geomagnetski rep. Magnetosfera je odvojena od međuplanetarnog polja prelaznim područjem.

Zemljini magnetni polovi

Osa Zemljinog magneta je nagnuta u odnosu na Zemljinu os rotacije za 12°. Nalazi se oko 400 km od centra Zemlje. Tačke u kojima ova osa seče površinu planete su magnetni polovi. Zemljini magnetski polovi se ne poklapaju sa pravim geografskim polovima. Trenutno su koordinate magnetnih polova sljedeće: sjever - 77° sjeverne geografske širine. i 102°W; južni - (65° S i 139° E).

Rice. 1. Struktura Zemljinog magnetnog polja

Rice. 2. Struktura magnetosfere

Zovu se linije sile koje idu od jednog do drugog magnetnog pola magnetni meridijani. Između magnetskog i geografskog meridijana formira se ugao tzv magnetna deklinacija. Svako mjesto na Zemlji ima svoj ugao deklinacije. U Moskovskoj oblasti ugao deklinacije je 7° na istok, au Jakutsku oko 17° na zapad. To znači da sjeverni kraj igle kompasa u Moskvi odstupa za T udesno od geografskog meridijana koji prolazi kroz Moskvu, au Jakutsku - za 17° lijevo od odgovarajućeg meridijana.

Slobodno viseća magnetna igla nalazi se vodoravno samo na liniji magnetskog ekvatora, koja se ne poklapa s geografskom. Ako se krećete sjeverno od magnetskog ekvatora, sjeverni kraj igle će se postepeno spuštati. Ugao koji formiraju magnetska igla i horizontalna ravan naziva se magnetni nagib. Na sjevernom i južnom magnetnom polu magnetska inklinacija je najveća. To je jednako 90°. Na sjevernom magnetnom polu slobodno viseća magnetna igla će biti postavljena okomito sa sjevernim krajem prema dolje, a na južnom magnetnom polu će se njen južni kraj spustiti nadolje. Dakle, magnetna igla pokazuje smjer linija magnetnog polja iznad površine zemlje.

Vremenom se menja položaj magnetnih polova u odnosu na površinu zemlje.

Magnetski pol otkrio je istraživač James C. Ross 1831. godine, stotinama kilometara od njegove trenutne lokacije. U prosjeku se pomjeri 15 km u jednoj godini. Poslednjih godina brzina kretanja magnetnih polova naglo je porasla. Na primjer, Sjeverni magnetni pol trenutno se kreće brzinom od oko 40 km godišnje.

Preokret Zemljinih magnetnih polova se naziva inverzija magnetnog polja.

Tokom geološke istorije naše planete, Zemljino magnetno polje je promenilo svoj polaritet više od 100 puta.

Magnetno polje karakteriše intenzitet. Na nekim mjestima na Zemlji, linije magnetnog polja odstupaju od normalnog polja, stvarajući anomalije. Na primjer, u području Kurske magnetske anomalije (KMA), jačina polja je četiri puta veća od normalne.

Postoje dnevne varijacije u Zemljinom magnetnom polju. Razlog za ove promjene magnetnog polja Zemlje su električne struje koje teku u atmosferi na velikim visinama. Oni su uzrokovani sunčevim zračenjem. Pod uticajem sunčevog vetra, Zemljino magnetno polje se iskrivljuje i dobija „trag“ u pravcu od Sunca, koji se proteže stotinama hiljada kilometara. Glavni uzrok solarnog vjetra, kao što već znamo, je ogromna izbacivanja materije iz solarne korone. Kako se kreću prema Zemlji, pretvaraju se u magnetne oblake i dovode do jakih, ponekad ekstremnih poremećaja na Zemlji. Posebno jaki poremećaji Zemljinog magnetnog polja - magnetne oluje. Neke magnetne oluje počinju iznenada i gotovo istovremeno na cijeloj Zemlji, dok se druge razvijaju postepeno. Mogu trajati nekoliko sati ili čak dana. Magnetne oluje se često javljaju 1-2 dana nakon sunčeve baklje zbog prolaska Zemlje kroz mlaz čestica koje je izbacilo Sunce. Na osnovu vremena kašnjenja, brzina takvog korpuskularnog toka se procjenjuje na nekoliko miliona km/h.

Tokom jakih magnetnih oluja, normalan rad telegrafa, telefona i radija je poremećen.

Magnetne oluje se često primećuju na geografskoj širini 66-67° (u zoni aurore) i javljaju se istovremeno sa aurorama.

Struktura Zemljinog magnetnog polja varira u zavisnosti od geografske širine područja. Permeabilnost magnetnog polja se povećava prema polovima. Preko polarnih područja, linije magnetnog polja su manje-više okomite na površinu zemlje i imaju konfiguraciju u obliku lijevka. Preko njih dio sunčevog vjetra sa dnevne strane prodire u magnetosferu, a zatim u gornju atmosferu. Tokom magnetnih oluja, čestice iz repa magnetosfere jure ovamo, dostižući granice gornje atmosfere u visokim geografskim širinama sjeverne i južne hemisfere. Upravo te nabijene čestice uzrokuju aurore ovdje.

Dakle, magnetne oluje i dnevne promjene magnetnog polja objašnjavaju se, kao što smo već saznali, sunčevim zračenjem. Ali koji je glavni razlog koji stvara trajni magnetizam Zemlje? Teoretski, bilo je moguće dokazati da je 99% Zemljinog magnetnog polja uzrokovano izvorima skrivenim unutar planete. Glavno magnetsko polje uzrokuju izvori koji se nalaze u dubinama Zemlje. Oni se mogu grubo podijeliti u dvije grupe. Najveći dio njih vezan je za procese u jezgru Zemlje, gdje se kontinuiranim i pravilnim kretanjem elektroprovodljivih materija stvara sistem električnih struja. Drugi je zbog činjenice da stene zemljine kore, kada su magnetizovane glavnim električnim poljem (poljom jezgra), stvaraju sopstveno magnetno polje koje se zbraja sa magnetnim poljem jezgra.

Pored magnetnog polja oko Zemlje, postoje i druga polja: a) gravitaciona; b) električni; c) termičke.

Gravitaciono polje Zemlja se zove gravitaciono polje. Usmjeren je duž viska okomito na površinu geoida. Kada bi Zemlja imala oblik elipsoida okretanja i da su mase u njoj ravnomjerno raspoređene, tada bi imala normalno gravitacijsko polje. Razlika između intenziteta realnog gravitacionog polja i teoretskog je gravitaciona anomalija. Različiti materijalni sastav i gustina stijena uzrokuju ove anomalije. Ali mogući su i drugi razlozi. Mogu se objasniti sljedeći proces- balansiranje čvrste i relativno lagane zemljine kore na težem gornjem plaštu, gdje se izjednačava pritisak gornjih slojeva. Ove struje uzrokuju tektonske deformacije, pomicanje litosfernih ploča i na taj način stvaraju makroreljef Zemlje. Gravitacija drži atmosferu, hidrosferu, ljude, životinje na Zemlji. Gravitacija se mora uzeti u obzir prilikom proučavanja procesa u geografskom omotaču. Pojam " geotropizam“ su kretanja rasta biljnih organa, koji pod uticajem sile gravitacije uvijek osiguravaju vertikalni smjer rasta primarnog korijena okomito na površinu Zemlje. Biologija gravitacije koristi biljke kao eksperimentalne subjekte.

Ako se ne uzme u obzir gravitacija, nemoguće je izračunati početne podatke za lansiranje raketa i svemirskih letjelica, izvršiti gravimetrijska istraživanja rudnih ležišta i, konačno, nemoguć je dalji razvoj astronomije, fizike i drugih nauka.

Ovi globalni modeli - poput Međunarodnog geomagnetskog referentnog polja (IGRF) i Svjetski magnetni model (WMM)- kreiraju različite međunarodne geofizičke organizacije, a svakih 5 godina se odobravaju i objavljuju ažurirani setovi Gaussovih koeficijenata koji određuju sve podatke o stanju geomagnetnog polja i njegovim parametrima. Dakle, prema modelu WMM2015, sjeverni geomagnetski pol (u suštini ovaj Južni pol magnet) ima koordinate 80,37° N. w. i 72,62° W. d., južni geomagnetski pol - 80,37° južno. geografska širina, 107,38° istočno. d., nagib ose dipola u odnosu na Zemljinu os rotacije je 9,63°.

Polja svjetskih anomalija

Stvarne linije magnetnog polja Zemlje, iako su u prosjeku bliske dipolnim linijama polja, razlikuju se od njih po lokalnim nepravilnostima povezanim s prisustvom magnetiziranih stijena u kori koja se nalazi blizu površine. Zbog toga se na nekim mjestima na površini zemlje parametri polja uvelike razlikuju od vrijednosti u obližnjim područjima, formirajući takozvane magnetne anomalije. Mogu se preklapati jedno s drugim ako magnetizirana tijela koja ih uzrokuju leže na različitim dubinama.

Postojanje magnetnih polja proširenih lokalnih područja vanjskih ljuski dovodi do toga da pravi magnetni polovi- bodovi (ili bolje rečeno, male površine), u kojima su linije magnetskog polja apsolutno vertikalne, ne poklapaju se sa geomagnetskim i ne leže na površini same Zemlje, već ispod nje. U okviru okvira se također izračunavaju koordinate magnetnih polova u datom trenutku razni modeli geomagnetnog polja pronalaženjem svih koeficijenata u Gaussovom nizu korištenjem iterativne metode. Dakle, prema trenutnom modelu WMM, 2015. godine sjeverni magnetni pol se nalazio na 86° N. geografska širina, 159°w. dužine, a južni - 64° J. geografska širina, 137° istočno. Vrijednosti trenutnog modela IGRF12 su malo drugačije: 86,3° N. geografska širina, 160°w. dužine, za sjeverni pol, 64,3° južno. geografska širina, 136,6° E za južni .

odnosno magnetna osa- prava linija koja prolazi kroz magnetne polove ne prolazi kroz centar Zemlje i nije njen prečnik.

Položaji svih polova se stalno pomiču – geomagnetski pol precesira u odnosu na geografski pol sa periodom od oko 1200 godina.

Eksterno magnetno polje

Određuju ga izvori u obliku strujnih sistema koji se nalaze izvan zemljine površine u njenoj atmosferi. U gornjem dijelu atmosfere (100 km i više) - jonosferi - njegovi molekuli se joniziraju, formirajući plazmu, pa se ovaj dio Zemljine magnetosfere, koji se proteže na udaljenosti do tri njena poluprečnika, naziva plazmasfera. Plazmu drži Zemljino magnetsko polje, ali njeno stanje je određeno njenom interakcijom sa solarnim vjetrom – protokom plazme solarne korone.

Dakle, na većoj udaljenosti od Zemljine površine, magnetno polje je asimetrično, jer se izobličuje pod uticajem Sunčevog vetra: sa strane Sunca se sabija, a u pravcu od Sunca dobija „ staza” koja se proteže stotinama hiljada kilometara, nadilazeći putanju Mjeseca. Ovaj neobičan oblik „repa“ nastaje kada plazma solarnog vjetra i solarnih korpuskularnih tokova teku oko površine zemlje. magnetosfera- područje blizu Zemlje, koje još uvijek kontrolira magnetno polje Zemlje, a ne Sunce i drugi međuplanetarni izvori; odvojen je od međuplanetarnog prostora magnetopauza, gdje je dinamički pritisak solarnog vjetra uravnotežen pritiskom vlastitog magnetnog polja. Podsolarna tačka magnetosfere je u prosjeku na udaljenosti od 10 zemaljski radijusi * R⊕ ; sa slabim solarnim vetrom ova udaljenost dostiže 15-20 R⊕, a tokom perioda magnetnih poremećaja na Zemlji, magnetopauza može ići izvan geostacionarne orbite (6,6 R⊕). Izduženi rep na noćnoj strani ima prečnik od oko 40 R⊕ i dužinu veću od 900 R⊕; počevši od udaljenosti od približno 8 R⊕, podijeljen je na dijelove ravnim neutralnim slojem u kojem je indukcija polja blizu nule.

Zbog specifične konfiguracije indukcijskih linija, geomagnetno polje stvara magnetnu zamku za nabijene čestice - protone i elektrone. Ona ih hvata i drži ogroman broj, pa je magnetosfera svojevrsni rezervoar nabijenih čestica. Njihova ukupna masa, prema različitim procjenama, kreće se od 1 kg do 10 kg. Oni formiraju tzv radijacijski pojas, pokrivajući Zemlju sa svih strana, osim polarnih područja. Konvencionalno se dijeli na dva - unutrašnja i vanjska. Donja granica unutrašnjeg pojasa je na nadmorskoj visini od oko 500 km, njegova debljina je nekoliko hiljada kilometara. Vanjski pojas se nalazi na nadmorskoj visini od 10-15 hiljada km. Čestice radijacionog pojasa, pod uticajem Lorentzove sile, vrše složena periodična kretanja od severne hemisfere do južne hemisfere i nazad, dok se istovremeno polako kreću oko Zemlje po azimutu. Ovisno o energiji, oni naprave potpunu revoluciju oko Zemlje u vremenu od nekoliko minuta do jednog dana.

Magnetosfera ne dozvoljava strujama kosmičkih čestica da se približe zemlji. Međutim, u njegovom repu, na velikim udaljenostima od Zemlje, intenzitet geomagnetskog polja, a samim tim i njegova zaštitna svojstva, su oslabljeni, a neke čestice solarne plazme mogu ući u magnetosferu i magnetne zamke radijacijskih pojaseva. Rep tako služi kao mjesto za formiranje tokova taložnih čestica, uzrokujući aurore i auroralne struje. U polarnim područjima, dio toka solarne plazme zadire u gornje slojeve atmosfere iz pojasa zračenja Zemlje i, sudarajući se s molekulama kisika i dušika, pobuđuje ih ili ionizira, a kada se vrate u nepobuđeno stanje, atomi kisika emituju fotone sa λ = 0,56 μm i λ = 0,63 µm, dok jonizovani molekuli azota pri rekombinovanju ističu plavu i ljubičastu traku spektra. Istovremeno se uočavaju aurore, posebno dinamične i sjajne tokom magnetnih oluja. Nastaju prilikom poremećaja u magnetosferi uzrokovanih povećanjem gustine i brzine sunčevog vjetra uz povećanu sunčevu aktivnost.

Opcije polja

Vizualni prikaz položaja linija magnetne indukcije Zemljinog polja daje magnetska igla, fiksirana na takav način da se može slobodno rotirati oko vertikalne i horizontalne ose (na primjer, u kardanskom ovjesu) - u svakoj tački blizu Zemljine površine postavljen je na određeni način duž ovih linija.

Budući da se magnetski i geografski pol ne poklapaju, magnetska igla samo približno pokazuje smjer od sjevera prema jugu. Vertikalna ravan u kojoj je postavljena magnetna igla naziva se ravan magnetnog meridijana datog mesta, a linija duž koje ta ravan seče površinu Zemlje naziva se magnetni meridijan. Dakle, magnetni meridijani su projekcije linija magnetskog polja Zemlje na njenu površinu, koje se konvergiraju na sjevernom i južnom magnetnom polu. Ugao između smjera magnetskog i geografskog meridijana naziva se magnetna deklinacija. Može biti zapadni (često označen sa "-") ili istočni (označen sa "+"), u zavisnosti od toga da li severni pol magnetne igle odstupa na zapad ili istok od vertikalne ravni geografskog meridijana.

Nadalje, Zemljine linije magnetskog polja, općenito govoreći, nisu paralelne s njenom površinom. To znači da magnetna indukcija Zemljinog polja ne leži u ravni horizonta datog mjesta, već formira određeni ugao sa ovom ravninom - to se naziva magnetni nagib. Samo u tačkama je blizu nule magnetni ekvator- krugovi veliki krug u ravni koja je okomita na magnetsku osu.

Magnetna deklinacija i magnetna inklinacija određuju smjer magnetske indukcije Zemljinog polja na svakoj određenoj lokaciji. A numerička vrijednost ove veličine može se naći poznavanjem nagiba i jedne od projekcija vektora magnetske indukcije B (\displaystyle \mathbf (B) )- na vertikalni ili horizontalna osa(potonje se ispostavilo da je zgodnije u praksi). Dakle, ova tri parametra su magnetna deklinacija, inklinacija i veličina vektora magnetske indukcije B (ili vektor jačine magnetnog polja H (\displaystyle \mathbf (H) )) - u potpunosti karakterizira geomagnetno polje na datoj lokaciji. Njihovo tačno znanje o najvećem mogućem broju tačaka na Zemlji je izuzetno bitan. Izrađuju se posebne magnetne kartice na kojima se izogoni(linije iste deklinacije) i izoklinama(linije jednakog nagiba) neophodne za orijentaciju pomoću kompasa.

U proseku, intenzitet Zemljinog magnetnog polja kreće se od 25.000 do 65.000 nT (0,25 - 0,65 G) i veoma je ovisan o geografskoj lokaciji. Ovo odgovara prosječnoj jačini polja od oko 0,5 (40 /). Na magnetskom ekvatoru njegova vrijednost je oko 0,34, na magnetnim polovima - oko 0,66 Oe. U nekim područjima (magnetne anomalije) intenzitet naglo raste: u području Kurske magnetske anomalije dostiže 2 Oe.

Priroda Zemljinog magnetnog polja

J. Larmore je prvi put pokušao da objasni postojanje magnetnih polja Zemlje i Sunca 1919. godine, predlažući koncept dinama, prema kojem se održavanje magnetnog polja nebeskog tela odvija pod uticajem hidrodinamičkog kretanja električno provodljivog medija. Međutim, 1934 T. Cowling dokazao teoremu o nemogućnosti održavanja osnosimetričnog magnetnog polja kroz hidrodinamički dinamo mehanizam. I pošto većina onih koji su studirali nebeska tela(a posebno Zemlja) smatrani su aksijalno simetričnimi, na osnovu toga je bilo moguće napraviti pretpostavku da će i njihovo polje biti aksijalno simetrično, a onda bi njegovo generisanje po ovom principu bilo nemoguće prema ovoj teoremi. Kasnije se pokazalo da neće sve jednadžbe s aksijalnom simetrijom koje opisuju proces generiranja magnetskog polja imati osno simetrično rješenje, a 1950-ih godina. pronađena su asimetrična rješenja.

Od tada se teorija dinamo uspješno razvija, a danas je općeprihvaćeno najvjerovatnije objašnjenje nastanka magnetskog polja Zemlje i drugih planeta samouzbudni dinamo mehanizam zasnovan na stvaranju električne struje u provodniku. dok se kreće u magnetskom polju koje stvaraju i pojačavaju same te struje. Potrebni uslovi se stvaraju u Zemljinom jezgru: u tekućem vanjskom jezgru, koje se sastoji uglavnom od gvožđa na temperaturi od oko 4-6 hiljada kelvina, koje savršeno provodi struju, stvaraju se konvektivni tokovi koji uklanjaju toplotu iz čvrstog unutrašnjeg jezgra (generisanu usled raspad radioaktivnih elemenata ili oslobađanje latentne toplote tokom skrućivanja materije na granici između unutrašnjeg i spoljašnjeg jezgra kako se planeta postepeno hladi). Coriolisove sile uvijaju ove tokove u karakteristične spirale, formirajući tzv Taylor stubovi. Zahvaljujući trenju slojeva, oni dobijaju električni naboj, formirajući struje petlje. Tako se stvara sistem struja koje kruže duž provodnog kola u provodnicima koji se kreću u (u početku prisutnom, iako vrlo slabom) magnetnom polju, kao u Faradejevom disku. Stvara magnetno polje, koje, uz povoljnu geometriju toka, pojačava početno polje, a ovo, zauzvrat, pojačava struju, a proces pojačanja se nastavlja sve dok džulovi gubici toplote, rastući sa povećanjem struje, ne uravnoteže priliv energije. proizilaze iz hidrodinamičkih kretanja.

Ovaj proces je matematički opisan diferencijalna jednadžba

∂ 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))),

Gdje u- brzina protoka tečnosti, B- magnetna indukcija, η = 1/μσ - magnetni viskozitet, σ je električna provodljivost tečnosti, a μ je magnetna permeabilnost, koja se praktički ne razlikuje pri takvim visoke temperature jezgre od μ 0 - propusnost vakuuma.

Međutim, za potpuni opis potrebno je zapisati sistem magnetohidrodinamičkih jednačina. U Boussinesq aproksimaciji (unutar koje se pretpostavlja da su sve fizičke karakteristike tekućine konstantne, osim Arhimedove sile, čiji proračun uzima u obzir promjene gustine zbog temperaturnih razlika) ovo je:

• Navier-Stokesova jednačina, koja sadrži članove koji izražavaju kombinovani efekat rotacije i magnetnog polja:

ρ 0 (∂ u ∂ t + u ⋅ ∇ u) = − ∇ P + ρ 0 ν ∇ 2 u + ρ g ¯ − 2 ρ 0 Ω × u + J × B (\displaystyle \rho _(0)\lijevo ((\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 (\ Omega ) \times \mathbf (u) +\mathbf (J) \times \mathbf (B) ).

• Jednačina toplinske provodljivosti koja izražava zakon održanja energije:

∂ 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 ),

Proboj u tom pogledu su 1995. godine postigle grupe iz Japana i Sjedinjenih Država. Počevši od ovog trenutka, rezultati brojnih radova numeričkog modeliranja na zadovoljavajući način reproduciraju kvalitativne karakteristike geomagnetskog polja u dinamici, uključujući inverzije.

Promjene u magnetskom polju Zemlje

To potvrđuje i trenutni porast ugla otvaranja kvržica (polarnih praznina u magnetosferi na sjeveru i jugu), koji je do sredine 1990-ih dostigao 45°. Radijacijski materijal iz sunčevog vjetra, međuplanetarnog prostora i kosmičkih zraka jurnuo je u proširene praznine, uslijed čega više materije i energije ulazi u polarne regije, što može dovesti do dodatnog zagrijavanja polarnih kapa [ ] .

Geomagnetske koordinate (McIlwain koordinate)

Fizika kosmičkih zraka naširoko koristi specifične koordinate u geomagnetskom polju, nazvane po naučniku Carlu McIlwainu ( Carl McIlwain), koji je prvi predložio njihovu upotrebu, budući da se zasnivaju na invarijantama kretanja čestica u magnetskom polju. Tačku u dipolnom polju karakteriziraju dvije koordinate (L, B), gdje je L takozvana magnetna ljuska, ili McIlwain parametar. L-ljuska, L-vrijednost, McIlwain L-parametar), B - indukcija magnetnog polja (obično u G). Za parametar magnetne ljuske obično se uzima vrijednost L, jednaka omjeru prosječne udaljenosti stvarne magnetne ljuske od centra Zemlje u ravni geomagnetnog ekvatora i radijusa Zemlje. .

Istorija istraživanja

Prije nekoliko hiljada godina u Ancient China bilo je poznato da se magnetizirani objekti nalaze u određenom smjeru, posebno, igla kompasa uvijek zauzima određenu poziciju u prostoru. Zahvaljujući tome, čovječanstvo je dugo moglo koristiti takvu strelicu (kompas) za navigaciju otvorenim morem daleko od obala. Međutim, prije Kolumbovog putovanja iz Evrope u Ameriku (1492.), niko nije obraćao posebnu pažnju na proučavanje ovog fenomena, jer su tadašnji naučnici vjerovali da nastaje kao rezultat privlačenja igle od strane Sjevernjače. U Evropi i morima koja ga peru, kompas je u to vrijeme bio postavljen gotovo duž geografskog meridijana. Dok je prelazio Atlantski okean, Kolumbo je primetio da je otprilike na pola puta između Evrope i Amerike igla kompasa skrenula za skoro 12° prema zapadu. Ova činjenica je odmah izazvala sumnju u ispravnost prethodne hipoteze o privlačenju igle od strane Sjevernjače i dala poticaj za ponovno ozbiljno proučavanje otvoreni fenomen: informacije o magnetnom polju Zemlje bile su potrebne mornarima. Od ovog trenutka počela je nauka o zemaljskom magnetizmu, počela su široko rasprostranjena mjerenja magnetne deklinacije, odnosno ugla između geografskog meridijana i ose magnetne igle, odnosno magnetskog meridijana. 1544. godine, njemački naučnik Georg Hartmann otkrio novi fenomen: magnetna igla ne samo da odstupa od geografskog meridijana, već, budući da je okačena iz centra gravitacije, teži da stoji pod određenim uglom u odnosu na horizontalnu ravninu, što se naziva magnetna inklinacija.

Od tog trenutka, uz proučavanje fenomena skretanja, naučnici su počeli proučavati i nagib magnetne igle. José de Acosta (jedan od osnivači geofizike, prema Humboldtu) u njegovom Priče(1590) prvi put se pojavila teorija četiri linije bez magnetne deklinacije. On je opisao upotrebu kompasa, ugao skretanja, razlike između magnetnog pola i sjevernog pola, te varijacije otklona od jedne do druge točke, identificirajući mjesta s nultim otklonom, kao što su Azori.

Kao rezultat promatranja, utvrđeno je da i deklinacija i inklinacija imaju različite vrijednosti u različitim točkama na površini zemlje. Štaviše, njihove promjene od tačke do tačke podliježu nekom složenom obrascu. Njeno istraživanje omogućilo je dvorskom liječniku engleske kraljice Elizabete i prirodnom filozofu Williamu Gilbertu da 1600. godine u svojoj knjizi “De Magnete” iznese hipotezu da je Zemlja magnet čiji se polovi poklapaju sa geografskim polovima. Drugim riječima, W. Gilbert je vjerovao da je Zemljino polje slično polju magnetizirane sfere. W. Gilbert je svoju izjavu zasnovao na eksperimentu s modelom naše planete, koji je magnetizirana željezna lopta i mala željezna strijela. Gilbert je vjerovao da je glavni argument u prilog njegovoj hipotezi to što se pokazalo da je magnetska inklinacija mjerena na takvom modelu gotovo ista kao nagib uočen na zemljinoj površini. Gilbert je objasnio nesklad između Zemljine deklinacije i deklinacije modela skretanjem kontinenata na magnetnu iglu. Iako se mnoge kasnije utvrđene činjenice nisu poklapale sa Hilbertovom hipotezom, ona do danas ne gubi na značaju. Gilbertova glavna ideja da uzrok zemaljskog magnetizma treba tražiti unutar Zemlje pokazala se tačnom, kao i činjenica da je, u prvoj aproksimaciji, Zemlja zaista veliki magnet, koji je jednoliko magnetizirana lopta.

Godine 1634, engleski astronom Henry Gellibrand?! otkrili da se magnetna deklinacija u Londonu mijenja tokom vremena. Ovo je bio prvi zabilježeni dokaz sekularnih varijacija - redovitih (iz godine u godinu) promjena prosječnih godišnjih vrijednosti komponenti geomagnetnog polja.

Uglovi deklinacije i inklinacije određuju smjer u prostoru jačine Zemljinog magnetskog polja, ali ne mogu dati njegovu brojčanu vrijednost. Sve do kraja 18. vijeka. mjerenja intenziteta nisu vršena iz razloga što nisu bili poznati zakoni interakcije između magnetnog polja i magnetiziranih tijela. Tek nakon 1785-1789. Francuski fizičar Charles Coulomb uspostavio je zakon nazvan po njemu i mogućnost takvih mjerenja postala je moguća. Od kraja 18. veka, uz posmatranje deklinacije i inklinacije, započinju rasprostranjena posmatranja horizontalne komponente, koja je projekcija vektora jačine magnetnog polja na horizontalnu ravan (znajući deklinaciju i inklinaciju, moguće je izračunati vrijednost vektora ukupne jačine magnetnog polja).

Prvi teorijski rad o tome šta je Zemljino magnetno polje, odnosno kolika je veličina i pravac njegovog intenziteta u svakoj tački zemljine površine, pripada nemačkom matematičaru Karlu Gausu. Godine 1834. dao je matematički izraz za komponente napetosti u funkciji koordinata - geografske širine i dužine mjesta posmatranja. Koristeći ovaj izraz, moguće je za svaku tačku na zemljinoj površini pronaći vrijednosti bilo koje komponente, koje se nazivaju elementi Zemljinog magnetizma. Ovaj i drugi Gaussovi radovi postali su temelj na kojem je izgrađena zgrada moderna nauka o zemaljskom magnetizmu. Konkretno, 1839. dokazao je da glavni dio magnetskog polja izlazi iz Zemlje, a uzrok malih, kratkih odstupanja njegovih vrijednosti treba tražiti u vanjskom okruženju.

Godine 1831. engleski polarni istraživač John Ross otkrio je sjeverni magnetni pol u kanadskom arhipelagu - područje gdje se nalazi magnetna igla vertikalni položaj, odnosno nagib je 90°. A 1841. James Ross (nećak Johna Rossa) stigao je do drugog magnetnog pola Zemlje, koji se nalazi na Antarktiku.

vidi takođe

• Intermagnet (engleski)

Bilješke

1. Naučnici u SAD-u otkrili su da je Zemljino magnetsko polje 700 miliona godina starije nego što se mislilo
2. Edward Kononovich. Zemljino magnetno polje (nedefinirano) . http://www.krugosvet.ru/. Enciklopedija oko svijeta: Univerzalna online popularna naučna enciklopedija. Pristupljeno 26.04.2017.
3. Geomagnetizam Često postavljana pitanja(engleski) . https://www.ngdc.noaa.gov/ngdc.html. Nacionalni centri za informacije o životnoj sredini (NCEI). Pristupljeno 23. aprila 2017.
4. A. I. Dyachenko. Magnetni polovi Zemlje. - Moskva: Izdavačka kuća Moskovskog centra za kontinuirano matematičko obrazovanje, 2003. - 48 str. - ISBN 5-94057-080-1.
5. A. V. Vikulin. VII. Geomagnetno polje i elektromagnetizam Zemlje// Uvod u fiziku Zemlje. Udžbenik za geofizičke specijalnosti na univerzitetima.. - Državna izdavačka kuća Kamčatka pedagoški univerzitet, 2004. - 240 str. - ISBN 5-7968-0166-X.