class="part1">

Подробно:

Планета Земля

© Владимир Каланов,
сайт "Знания-сила".

Магнитное поле Земли

Это процессы, которые только в стадии зарождения недоступны для непосредственного наблюдения и исследования. Но когда эти процессы проявляют себя на поверхности земли, когда они, как говорится, развёртываются во всю мощь, тогда они становятся видимыми и весьма ощутимыми для всех, кто оказывается в зоне их действия.

Но на Земле действуют также невидимые процессы, которые человеком почти не ощущаются. Прежде всего - это земной магнетизм. Явление магнетизма известно людям очень давно. Своё название магнетизм получил от города Магнетия в Малой Азии, где были обнаружены залежи магнитного железняка - "камня, притя́гивающего железо". Первые письменные свидетельства о сво́йствах магнита мы находим, в частности, в поэме Тита Лукреция Ка́ра "О природе вещей", написанной в первом веке до нашей эры. Лукреций объяснял магнетизм "магнитными токами", истекающими из "камня-магнита".

Люди давно находили применение свойствам магнита. Одним из первых таких применений был компас как простейший навигационный прибор. Компас был изобретён в Китае примерно за тысячу лет до нашей эры. В Европе компас известен с XII века. Сегодня совершенно невозможно представить многие отрасли промышленности без использования магнитов и электромагнитов.

Область околозе́много пространства, в пределах которой обнаруживается земное магнитное поле, называется магнитосферой. Магнетизм является всеобъемлющим, глобальным сво́йством природы. Создание законченной теории земного и солнечного магнетизма - пока ещё дело будущего. Но уже и теперь наука во многом разобралась и даёт достаточно убедительные объяснения некоторым аспектам такого сложного явления как магнетизм. В частности, многих учёных и простых граждан волнуют возможные последствия такого явления, как постепенное ослабление магнитного поля Земли.

Действительно, со времён Карла Гаусса, который впервые замерил напряжё́нность магнитного поля Земли, т.е. на протяжении вот уже более 170 лет, магнитное поле Земли неуклонно ослабевает. А ведь магнитное поле является своеобразным щитом, прикрывающим Землю и всё живое на ней от губительного радиационного воздействия так называемого солнечного ветра, т.е. излучаемых Солнцем электронов, протонов и других частиц. Магнитосфера Земли отклоняет поток этих и других частиц, летящих из космоса, к полюса́м, лиша́я их начальной энергии. На полюсах Земли потоки этих космических частиц задерживаются в верхних слоях атмосферы, превращаясь в фантастически красивые явления полярных сияний.

Не будь солнечного ветра, магнитное поле Земли было бы симметричным относительно планеты, как на рисунке 1. На рисунке 2 изображена реальная магнитосфера Земли, деформированная солнечным ветром. Третий рисунок показывает несовпадение магнитных и географических полюсов.

Если магнитного поля не будет

Но если магнитного поля не будет, или оно станет очень слабым, то всё живое на Земле окажется под прямым воздействием солнечного и космического излучения. А это, как можно предположить, приведёт к радиационному поражению живых организмов, следствием чего будет их мутация в неопределённом направлении или гибель. К счастью, такая перспектива маловероятна. Учёным-палеомагнитологам, т.е. тем, кто занимается изучением древних магнитных полей, удалось установить с достаточной степенью достоверности, что магнитное поле Земли постоянно испытывает колебания с разными периодами. Когда сложили все кривые колебаний, то результирующая кривая получилась по форме близкой к синусоиде, имеющей период 8 тысяч лет. Отрезок этой кривой, соответствующий нашему времени (начало 2000-х годов), находится на ниспадающей ветви этой кривой. И это снижение будет продолжаться ещё примерно две тысячи лет. После этого магнитное поле вновь начнёт усиливаться. Это усиление поля будет продолжаться четыре тысячи лет, потом снова наступит спад. Предыдущий максимум пришелся на начало нашей эры. Существенным при этом является то, что амплитуда сумми́рующей синусоиды составляет менее половины средней величины напряжённости поля, т.е. эти колебания не могут свести к нулю напряженность магнитного поля Земли.

Здесь, на нашем сайте, мы не можем по условиям краткости подробно рассматривать методику исследований, которые привели к столь оптимистичным выводам. О причинах колебаний магнитного поля учёными высказываются разные суждения, но определённой теории по этой проблеме не существует. Добавим, что наукой доказано наличие такого явления, как инверсия, т.е. переодический взаимообмен магнитных полюсо́в Земли местами: северный полюс перемещается на место южного, южный - на место северного. Такие перемещения длятся от 5 до 10 тысяч лет. В истории нашей планеты такие "переско́ки" полюсо́в происходили сотни раз. Последнее такое перемещение произошло 700 тысяч лет назад. Какой-либо определённой периодичности или регулярности этого явления не выявлено. Причины этих переполюсо́вок скрываются в сложных взаимодействиях жидкой части ядра Земли с космосом. Палеомагнитологи установили, что на Земле происходили также смещения магнитных полюсо́в от географических на большие расстояния, которые заканчивались, однако, возвращением полюсо́в к своему прежнему месту.

Существуют предположения, что при переполюсовках магнитное поле Земли исчезает, и планета остаётся на какое-то время без своей невидимой защитной брони́. Но эти предположения не находят надёжного научного обоснования и остаются не более чем предположениями.

Некоторые учёные вообще считают, что резкие перемены в магнитосфере Земли не являются опасными, т.к., по их мнению, основной защитой от космических излучений служит всем живым существам всё-таки не магнитное поле, а атмосфера. Такого мнения придерживается, в частности, биолог-эволюционист профессор МГУ Б.М. Медников. Другими словами, проблема взаимодействия магнитного поля с процессами жизни на Земле пока далека от полной ясности, и для исследователей здесь ещё хватит работы.

Влияние магнитного поля на живые организмы

Давно известно, что магнитные поля отрицательно влияют на живые организмы. Опыты на животных показали, что внешнее магнитное поле задерживает их развитие, замедляет рост клеток, изменяет состав крови. Во время так называемых магнитных бурь, т.е. при резких колебаниях напряженности магнитного поля, метеозависимые, больные люди испытывают ухудшение самочувствия.

Напряженность магнитного поля измеряется в эрсте́дах (Э). Названа эта единица в честь датского физика Ганса Эрстеда (1777-1851) , открывшего связь между электрическими и магнитными явлениями.

Поскольку на производстве и в быту́ человек может подвергаться воздействию магнитных полей, были разработаны допустимые уровни напряженности магнитного поля. По разным оценкам для человека считается безопасным магнитное поле напряженностью 300-700 эрстед. Если выражаться точнее, то на производстве и в быту́ на человека воздействуют не магнитные, а электромагнитные поля. Дело в том, что при работе любого электрического или радиоустройства и магнитное, и электрическое поле могут проявляться только в виде единого целого, которое называется электромагнитным полем. Это объясняется единой природой магнитных и электрических явлений.

Нужно отметить, что физическая сторона процесса воздействия магнитного поля на человеческий организм пока не совсем ясна. Магнитное поле влияет и на растения. По результатам некоторых опытов получается, что всхожесть и рост семян зависят от того, как первоначально они были ориентированы относительно магнитного поля Земли. Изменение внешнего магнитного поля может или ускорять или угнетать развитие растений. Может быть, это явление будет как-то использоваться в практике сельского хозяйства.

Итак, вокруг нас магнитные поля, порожденные само́й природой и создаваемые источниками техногенного происхождения - от генераторов переменного тока и трансформаторов до СВЧ-печей и мобильных телефонов.

Напряженность магнитного поля Земли

Какова́ же напряженность магнитного поля Земли? Она не везде одинакова и варьирует от 0,24 Э (в Бразилии) до 0,68 Э (в Антарктиде). Считается, что в среднем напряженность геомагнитного поля равна 0,5 эрстеда. В местах, где встречаются большие залежи ферромагнитных материалов (железных руд), возникают магнитные аномалии. В России широко известна Курская магнитная аномалия, где напряженность поля равна 2 Э. Для сравнения: Напряженность магнитного поля Меркурия равна 1/500 Э , Луны - 10 -5 Э , а межзвёздной среды́ ещё меньше - 10 -8 Э . Но напряженность магнитного поля солнечных пятен огромна и равна 10 3 Э . Ещё более сильные поля имеют звёзды типа "белый карлик" - до 10 7 Э . Самые сильные магнитные поля, зарегистрированные во Вселенной, создаются нейтронными звёздами и пульсарами. Напряженность магнитного поля этих космических объектов достигает 10 12 эрстед! В лабораторных условиях удаётся достигнуть магнитной напряженности в сотни тысяч раз более слабой, да и то на время, измеряемое до́лями секунды. Специалисты предполагают, что если можно было бы в лабораторных условиях получить магнитные поля́, сравнимые по напряженности с теми, что действуют на нейтронных звездах, то с предметами, подвергшимися воздействию таких немыслимых полей, произошли бы удивительные превращения. Например, железо, плотность которого в нормальных условиях равна 7,87 г/см³, под действием таких полей превратилось бы в вещество с плотностью 2700 г/см³ . Кубик с ребром 10 см из такого вещества весил бы 2,7 тонны, и для его перемещения потребовался бы мощный подъёмный кран.

Магнитное поле Земли.

Основные вопросы, рассматриваемые на лекции:

1. Природа геомагнетизма.

2. Элементы магнитного поля Земли.

3. Структура геомагнитного поля.

4. Магнитосфера и радиационные пояса Земли.

5. Вековые вариации геомагнитного поля.

6. Аномалии геомагнитного поля.

1. Природа геомагнетизма. Земной магнетизм, или геомагнетизм, – это свойство Земли как небесного тела, обусловливающее существование вокруг нее магнитного поля. Геомагнитология – наука о земном.

Теория гидромагнитного динамо основана на установленном геофизиками факте, что на глубине 2900 км находится «жидкое» внешнее ядро Земли с хорошей электропроводностью (106– 105 См/м).

Впервые идея гидромагнитного динамо была предложена в 1919 г. Лармором в Англии для объяснения магнетизма Солнца. В земном магнетизме (1947 г) советский физик Я. И. Френкель высказал идею о том, что тепловая конвекция в земном ядре является именно той причиной, которая приводит в действие гидромагнитное динамо земного ядра.

Основные положения гипотезы гидромагнитного динамо сводятся к следующему.

1. Благодаря так называемому гиромагнитному (от греч. Гиро – вращаюсь, кружусь) эффекту и вращению Земли во время ее образования могло возникнуть очень слабое магнитное поле. Гиромагнитный эффект – это намагничивание ферромагнитных тел вследствие их вращения и вращения их при определенных условиях намагничивания. В гиромагнитном эффекте обнаруживается связь между механическим и магнитным моментами атома.

2. Наличие свободных электронов в ядре и вращение Земли в таком слабом магнитном поле привели к индуцированию в ядре вихревых электрических токов.

3. Индуцированные вихревые токи в свою очередь создают (генерируют) магнитное поле, как это происходит в динамо-машинах. Увеличение магнитного поля Земли должно привести к новому увеличению вихревых токов в ядре, а последнее – к увеличению магнитного поля.

4. Процесс, подобный регенерации, длится до тех пор, пока рассеивание энергии вследствие вязкости ядра и его электрического сопротивления не скомпенсируется добавочной энергией вихревых токов и другими причинами.

Таким образом, по Френкелю, земное ядро является своеобразным природным турбогенератором. Роль турбины в нем играют тепловые потоки: они поднимают из недр ядра вверх по радиусу большие массы расплавленного металла, обладающего свойством жидкости. Более холодные, а значит и более тяжелые частицы верхних слоев опускаются вниз. Сила Кориолиса «закручивает» их вокруг земной оси, образуя, таким образом, гигантские витки внутри «земной динамо-машины». В этих замкнутых потоках горячего металла, как и в витках проволоки на якоре обычной динамо-машины, должен был когда-то давно возникнуть индукционный ток. Он постепенно подмагничивал земное ядро. Первоначальное очень слабое магнитное поле усиливалось до тех пор, пока с течением времени не дошло до своего предельного значения. Этот предел был достигнут в далеком прошлом. И хотя земной турбогенератор продолжает работу, кинетическая энергия потоков жидкого металла тратится теперь не на подмагничивание земного ядра, а целиком превращается в теплоту.

Магнитное поле Земли существует около З млрд лет, что примерно на 1,5 млрд лет меньше ее возраста. Значит, оно не было реликтовым и при отсутствии восстанавливающего механизма не смогло бы существовать в течение всей геологической истории Земли.

2. Элементы магнитного поля Земли. В каждой точке поверхности Земли магнитное поле характеризуется полным вектором напряженности Нт, величина и направление которого определяется тремя элементами земного магнетизма; горизонтальной составляющей напряженности Н, магнитным склонением D и наклонением I. Магнитное склонение – это угол в горизонтальной плоскости между географическим и магнитным меридианами; магнитное наклонение – угол в вертикальной плоскости между горизонтальной плоскостью и направлением полного вектора Нт.

Величины Н, X, У, Z, D и I носят название элементов земного магнетизма, при этом элементы Н, X, У и Z называют силовыми компонентами земного магнитного поля, а D и I – угловыми.

Полный вектор напряженности магнитного поля Земли Hт, его силовые составляющие Н, X, У и Z имеют размерность А/м, склонение D и наклонение I – угловые градусы, минуты и секунды. Напряженность магнитного поля Земли сравнительно невелика: полный вектор Нт.изменяется от 52,5 А/м на полюсе до 26,3 А/м на экваторе.

Рис. 5.1 – Элементы земного магнетизма

Абсолютные значения величин элементов земного магнетизма малы, и поэтому для их измерения применяются высокоточные приборы – магнитометры и магнитные вариометры; имеются вариометры для измерения величин Н и величин Z. Применяются походные магнитные станции, оснащенные сложными оптико-механическими и квантовыми магнитометрами. Линии, соединяющие на карте точки с одинаковым склонением D, называются изогонами, с одинаковым наклонением I – изоклинами, с одинаковыми Н или Z – изодинами горизонтальных или вертикальных составляющих полного вектора напряженности Нт и с одинаковыми X или У – изодинами северных или восточных составляющих. Значения элементов земного магнетизма непрерывно изменяются во времени и поэтому магнитные карты обновляются каждые пять лет.

3. Структура геомагнитного поля. Магнитное поле Земли по своей структуре неоднородно. Оно слагается из двух частей: постоянного и переменного полей. Постоянное поле вызвано внутренними источниками магнетизма; источниками переменного поля являются электрические токи в верхних слоях атмосферы – ионосфере и магнитосфере. В свою очередь постоянное магнитное поле по своей природе неоднородно и состоит из нескольких частей. Поэтому в целом магнитное поле Земли состоит из следующих полей:

Нт =Но+Hм+Hа+Hв+δH, (5.1)

где Нт – напряженность магнитного поля Земли; Но – напряженность дипольного поля, создаваемая однородной намагниченностью земного шара; Нм – напряженность недипольного, или материкового, поля, создаваемая внутренними причинами, обусловленными неоднородностью глубоких слоев Земли; На – напряженность аномального поля, создаваемая различной намагниченностью верхних частей земной коры; Нв – напряженность поля, источник которого связан с внешними причинами; δH – напряженность поля магнитных вариаций, вызванных внешними причинами.

Сумма полей Но+Hм=НГ образует главное магнитное поле Земли. Аномальное поле складывается из двух частей: поля регионального характера Нр и поля местного (локального) характера Нл. На региональную аномалию может накладываться локальная, и тогда Hа = Нр+Нл.

Сумму полей Но+Hм+Hв обычно называют нормальным полем. Однако поле Hв вносит очень небольшой вклад в общее геомагнитное поле Нт. Систематическое изучение геомагнитного поля, по данным магнитных обсерваторий и магнитных съемок, показывает, что внешнее поле по отношению к внутреннему составляет менее 1% и поэтому им можно пренебречь. В этом случае нормальное поле совпадает с главным магнитным полем Земли.

Геомагнитные полюсы располагаются в том месте, где земная магнитная ось пересекает поверхность Земли. Хотя северный магнитный полюс находится в Южном полушарии, а Южный – в Северном, в обиходе их называют по аналогии с географическими полюсами.

Со временем магнитные полюсы меняют свое положение. Так, северный магнитный полюс за сутки перемещается по поверхности Земли на 20,5 м (7,5 км в год), а южный – на 30 м (11 км в год).

4. Магнитосфера и радиационные пояса Земли. Магнитное поле Земли существует не только вблизи земной поверхности, но и на больших расстояниях от нее, что обнаружено с помощью космических ракет и межпланетных космических станций. На расстоянии 10–14 земных радиусов геомагнитное поле встречается с межплатным магнитным полем и с полем так называемого солнечного ветра. Солнечный ветер представляет собой истечение плазмы солнечной короны (коронального газа, состоящего главным образом из водорода и гелия) в межпланетное пространство. Скорость частиц солнечного ветра (протонов и электронов) огромна – около 400км/с, число частиц (корпускул) – несколько десятков в 1см 3 , температура – до 1,5–2 млн градусов. На границе магнитного поля и магнитного поля Земли напряженность составляет около (0,4–0,5)·10-2 А/м.

Область действия магнитного поля Земли называется магнитосферой, а ее внешняя граница – магнитопаузой (рис. 5.3). На геомагнитное поле существенно влияет солнечный ветер. Простирается магнитосфера, на огромные расстояния: наименьшее – в сторону Солнца – достигает 10–14 земных радиусов, наибольшее – с ночной стороны – около 16 радиусов Земли. Магнитный хвост имеет еще большие размеры (по данным искусственных спутников Земли – в сотни земных радиусов).

Рисунок 5.3 – Строение магнитосферы Земли: 1 – солнечный ветер; 2 – ударный фронт; 3 – магнитная полость; 4 – магнитопауза; 5 – верхняя граница полярной магнитосферной щели; 6 – плазменная мантия; 7 – внешний радиационный пояс или плазмосфера; 9 – нейтральный слой; 10 – плазменный слой

Максимум внутреннего протонного пояса располагается па расстоянии 3,5 радиуса Земли (22 тыс. км). Внутри плазмосферы, вблизи поверхности Земли, существует второй электронный радиационный пояс. Вблизи полюсов этот пояс располагается на расстоянии 100 км, однако основная его часть находится на расстоянии 4,4 – 10 тыс. км от поверхности планеты. Электроны в нем имеют энергию десятка – сотни кэВ. Интенсивность потоков электронов оценивается в 109 частиц на см 2 /с, т. е. на порядок выше, чем во внешнем электронном поясе.

Мощность радиации в радиационных поясах достаточно высокая – несколько сотен и даже тысяч биологических эквивалентов рентгена в сутки. Поэтому космические корабли с космонавтами на борту запускают на орбиты, располагающиеся ниже этих поясов.

Если бы магнитосфера отсутствовала, то потоки солнечного и космического ветра, не встречая сопротивления, устремлялись бы к поверхности Земли и оказывали губительное воздействие на все живые существа, включая человека.

5. Вековые вариации геомагнитного поля. Процесс изменения среднегодовых значений того или иного элемента земного магнетизма за период в несколько десятилетий и столетий носит название вековых вариаций, а их изменение от года к году называется вековым ходом.

Судить о прошлом геомагнитного поля – его направлении и напряженности – позволяет так называемый эффект «вмораживания магнитного поля в материал». Любая горная порода, любое вещество, содержащее железо или другой ферромагнитный элемент, постоянно находятся под воздействием магнитного поля Земли. Элементарные магнитики в этом материале стремятся ориентироваться вдоль магнитных силовых линий.

Если материал нагревать, то наступит момент, когда тепловое движение частиц станет столь энергичным, что разрушит магнитную упорядоченность. Затем, когда материал будет остывать, то, начиная с точки Кюри (точкой Кюри называется температура, ниже которой породы становятся ферромагнитными; для чистого железа точка Кюри 769°С, для магнетита – 580°С), магнитное поле одерживает верх над силами хаотического движения. Элементарные магнитики снова выстроятся так, как велит им магнитное поле, и останутся в этом положении до тех пор, пока тело не будет снова нагрето. Таким образом, геомагнитное поле оказывается как бы «вмороженным» в материал.

В настоящее время магнитное поле Земли убывает на 2,5 % за 100 лет, и примерно за 4000 лет, если не изменится характер этого спада, оно должно уменьшиться до нулевого значения. Однако палеомагнитологи утверждают, что этого не произойдет.

Если сложить все циклические кривые с разными периодами колебания магнитного поля Земли, то получим так называемую «сглаженную, или осредненную, кривую», которая достаточно хорошо совпадает с синусоидой, имеющей период 8000 лет. В настоящее время суммарное значение колебаний магнитного поля находится на нисходящем отрезке синусоиды.

Различная продолжительность периодов колебания геомагнитного поля объясняется, по-видимому, отсутствием сбалансированности движущихся частей гидромагнитного динамо и различной их электропроводностью.

Инверсия – это взаимообмен магнитных полюсов местами. При инверсиях Северный магнитный полюс перемещается на место Южного, а Южный – на место Северного.

Иногда вместо инверсии говорят о «перескоке» полюсов. Однако это слово по отношению к полюсам не совсем подходит, поскольку перемещаются полюсы не так уж и быстро – по некоторым оценкам «перескок» длится 5 и даже 10 тыс. лет.

За последние 600 тыс. лет установлено 12 эпох инверсии геомагнитного поля (Готтенборга – 10–12 тыс. лет, Лашами – 20 – 24 тыс. лет и т. д.). Характерно, что с этими эпохами совпадают существенные геологические, климатические и биологические изменения на планете.

6. Аномалии геомагнитного поля. Магнитная аномалия – это отклонения величин элементов земного магнетизма от нормальных значений, которые наблюдались бы в данном месте в случае однородного намагничивания Земли.

Если в каком-либо месте обнаруживаются резкие изменения магнитного склонения и наклонения, то это указывает, что под земной поверхностью скрыты горные породы, содержащие ферромагнитные минералы. К ним относятся магнетит, титано-магнетит, гематит и др. Наибольшей магнитной восприимчивостью обладает магнетит, поэтому значительное число аномалий связано с его наличием в горных породах.

В зависимости от размеров магнитные аномалии делят на материковые, региональные и локальные. Материковые аномалии являются следствием нахождения под их центрами мощных вихревых токов. Причины региональных и локальных аномалий – горные породы, обладающие повышенными магнитными свойствами. Эти породы, находясь в магнитном поле Земли, намагничиваются и создают добавочное магнитное поле.

Магнитные свойства в той или иной степени присущи всем горным породам. При помещении какой-либо породы в магнитное поле каждый элемент ее объема приобретает намагниченность. Способность вещества менять свою намагниченность под воздействием внешнего магнитного поля называется магнитной восприимчивостью. В зависимости от числового значения и знака магнитной восприимчивости все природные вещества делятся на три группы: диамагнитные, парамагнитные, ферромагнитные. При этом для диамагнитных веществ магнитная восприимчивость отрицательная, а для парамагнитных и ферромагнитных – положительная.

У диамагнитных веществ (кварц, мрамор, графит, медь, золото, серебро, свинец, вода и др.) намагниченность пропорциональна напряженности магнитного поля и направлена навстречу ему. Диамагнитные вещества вызывают ослабление магнитного поля Земли и способствуют образованию отрицательных магнитных аномалий.

У парамагнитных веществ (метаморфические и изверженные породы, щелочные металлы и др.) намагниченность также пропорциональна напряженности магнитного поля, но в отличие от диамагнитных имеет одинаковое с ним направление. У ферромагнитных веществ (железо, никель, кобальт и др.) намагниченность значительно больше, чем у диа- и парамагнитных веществ, не пропорциональна напряженности магнитного толя, сильно зависит от температуры и «магнитной предыстории» вещества.

Основной вклад в создание аномалий магнитного поля вносят ферромагнитные.минералы (магнетит, титаномагнетит, ильменит и др.) и содержащие их гордые породы. поскольку в целом магнитная восприимчивость горных пород изменяется в больших пределах (.в миллионы раз), то интенсивность аномалий магнитного поля варьирует также в широких пределах.

Переменное магнитное поле Земли. Источники переменного магнитного поля находятся за пределами земного пространства. По своему происхождению они представляют собой токи индукционного характера, возникающие в высоких слоях атмосферы (от ста до нескольких тысяч километров). Образуются индукционные токи истечением плазмы – потоком заряженных частиц обоего знака (корпускул), летящих от Солнца. Проникая в магнитное поле Земли, корпускулы захватываются им и вызывают ряд сложных явлений, таких, как ионизация атмосферы, полярные сияния, образование радиационных поясов Земли и др.

Переменное магнитное поле накладывается на главное магнитное поле Земли и обусловливает различные его вариации во времени. Одни из них происходят плавно, подчиняются определенной закономерности. Это так называемые периодические (невозмущенные) вариации. Другие имеют беспорядочный характер, параметры геомагнитного поля (периоды, амплитуды, фазы) непрерывно и резко меняют свое значение.

Солнечно-суточные вариации представляют собой изменения элементов земного магнетизма с периодом, равным продолжительности солнечных суток. Солнечно-суточные вариации элементов земного магнетизма зависят от времени года и географической широты, поскольку они определяются интенсивностью ультрафиолетовых лучей Солнца и, следовательно, положением Земли по отношению к Солнцу. При этом характерно, что фазы колебаний и по широте, и по времени года остаются практически неизменными, меняются в основном амплитуды колебания.

Лунно-суточные вариации элементов земного магнетизма связаны с положением Луны по отношению к горизонту и обусловлены воздействием силы тяжести Луны на земную атмосферу. Лунно-суточные вариации элементов земного магнетизма небольшие – составляют всего 10–15 % солнечно-суточных вариаций.

К возмущенным непериодическим колебаниям относится магнитные бури. Одна из их характерных особенностей – внезапность появления. На фоне довольно спокойного магнитного поля, почти в один и тот же момент на всем земном шаре, все элементы земного магнетизма внезапно меняют свои значения, и дальнейший ход бури претерпевает очень быстрые и непрерывные изменения.

По интенсивности (по величине амплитуды) магнитные бури принято делить на слабые, умеренные и большие. Амплитуды элементов земного магнетизма во время очень больших магнитных бурь достигают для магнитного склонения нескольких градусов, для вертикальной и горизонтальной составляющих –2 –4 А/м и более. Интенсивность бурь возрастает от низких геомагнитных широт к высоким. Продолжительность бурь обычно составляет несколько суток. Частота и сила магнитных бурь зависит от солнечной активности.

В последние годы ученые стали извлекать практическую пользу из магнитных бурь, получив возможность с их помощью «прощупывать» Землю до больших глубин. Способ исследования недр Земли с использованием магнитных возмущений называется магнитно-теллурическим зондированием, так как здесь одновременно рассматриваются магнитные возмущения и теллурические (т. е. земные) токи, вызванные ими в Земле. В результате магнитно-теллурического зондирования установлено, что па глубине 300–400 км электропроводность Земли резко увеличивается. До этих глубин Земля практически является изолятором.

Магнитное поле Земли - это образование, порождаемое источниками внутри планеты. Оно является объектом исследования соответствующего раздела геофизики. Далее рассмотрим подробнее, что собой представляет магнитное поле Земли, как оно образуется.

Общая информация

Недалеко от поверхности Земли, примерно на расстоянии трёх её радиусов, силовые линии от магнитного поля располагаются по системе "двух полярных зарядов". Здесь располагается область, называемая "плазменной сферой". С удалением от поверхности планеты нарастает влияние потока ионизированных частиц из солнечной короны. Это ведёт к сжатию магнитосферы со стороны Солнца, и напротив, магнитное поле Земли вытягивается с обратной, теневой стороны.

Плазменная сфера

Ощутимое воздействие на поверхностное магнитное поле Земли оказывает направленное движение заряженных частиц в верхних слоях атмосферы (ионосферы). Месторасположение последней - от ста километров и выше от поверхности планеты. Магнитное поле Земли удерживает плазмосферу. Однако её структура сильно зависит от активности солнечного ветра и взаимодействия его с удерживающим слоем. И частота магнитных бурь на нашей планете обусловлена вспышками на Солнце.

Терминология

Существует понятие "магнитная ось Земли". Это прямая, которая проходит через соответствующие полюсы планеты. "Магнитным экватором" называется большая окружность плоскости, перпендикулярная этой оси. Вектор на ней имеет приближенное к горизонтальному направление. Усреднённая напряжённость магнитного поля Земли значительно зависима от географического положения. Приблизительно она равна 0,5 Э, то есть 40 А/м. На магнитном экваторе этот же показатель равен примерно 0,34 Э, а вблизи полюсов он близок к 0,66 Э. В некоторых аномалиях планеты, например, в пределах Курской аномалии, показатель увеличен и составляет 2 Э. Силовые линии магнитосферы Земли со сложным строением, спроецированные на её поверхность и сходящиеся на её же полюсах, носят название "магнитных меридианов".

Природа возникновения. Предположения и догадки

Не так давно получило право на существование предположение о связи возникновения магнитосферы Земли с течением тока в жидкометаллическом ядре, находящемся на расстоянии четверти-трети радиуса нашей планеты. У учёных есть предположение и о так называемых "теллурических токах", протекающих вблизи земной коры. Следует сказать, что с течением времени происходит трансформация формирования. Магнитное поле Земли неоднократно изменялось в последние сто восемьдесят лет. Это зафиксировано в океанической коре, и об этом свидетельствуют исследования остаточной намагниченности. Путём сопоставления участков по обе стороны хребтов океана определяют время расхождения этих участков.

Сдвиг магнитных полюсов Земли

Местоположение этих участков планеты непостоянно. Регистрируется факт их смещений уже с конца девятнадцатого века. В Южном полушарии магнитный полюс сместился за это время на 900 км и оказался в акватории Индийского океана. В Северной части происходят аналогичные процессы. Здесь полюс смещается по направлению к магнитной аномалии в Восточной Сибири. С 1973 по 1994 годы расстояние, на которое сдвинулся здесь участок, составило 270 км. Эти предварительно рассчитанные данные подтвердились позже замерами. По последним данным, скорость движения магнитного полюса Северного полушария значительно увеличилась. Она выросла с 10 км/год в семидесятых годах прошлого века до 60 км/год в начале нынешнего. При этом напряжённость у земного магнитного поля неравномерно уменьшается. Так, за последние 22 года она в отдельных местах снизилась на 1.7%, а где-то на 10%, хотя есть и участки, где она, напротив, возросла. Ускорение в смещении магнитных полюсов (приблизительно на 3 км в год) даёт повод предположить, что наблюдаемое сегодня их перемещение не есть экскурс, это очередная инверсия.

Это косвенно подтверждается и увеличением так называемых "полярных щелей" на юге и севере магнитосферы. В образовавшиеся расширения стремительно проникает ионизированный материал солнечной короны и космоса. От этого в приполярных областях Земли собирается всё большее количество энергии, что само по себе чревато дополнительным разогревом полярных ледяных шапок.

Координаты

В науке, изучающей космические лучи, используют координаты геомагнитного поля, названные в честь учёного Мак-Илвайна. Он первым предложил использовать их, поскольку они основаны на изменённых вариантах активности заряженных элементов в магнитном поле. Для точки используются две координаты (L, B). Они характеризуют магнитную оболочку (параметр Мак-Илвайна) и индукцию поля L. Последний - параметр, равный соотношению среднего удаления сферы от центра планеты к его радиусу.

"Магнитное наклонение"

Несколько тысячелетий назад китайцы сделали удивительное открытие. Они выяснили, что намагниченные предметы способны располагаться в определённом направлении. А в середине шестнадцатого века Георг Картманн - немецкий учёный - сделал очередное открытие в этой области. Так появилось понятие "магнитное наклонение". Под этим названием подразумевается угол отклонения стрелки вверх либо вниз от горизонтальной плоскости под влиянием магнитосферы планеты.

Из истории исследований

В области северного магнитного экватора, отличного от географического, северный конец отходит вниз, а в южном, наоборот, - вверх. В 1600 году английским врачом Уильямом Гильбертом впервые были сделаны предположения о наличии магнитного поля Земли, вызывающего определённое поведение предметов, предварительно намагниченных. В своей книге он описал опыт с шаром, снабжённым железной стрелкой. В результате исследований он пришёл к выводу о том, что Земля представляет собой большой магнит. Эксперименты проводил и английский астроном Генри Геллибрант. В результате своих наблюдений он пришёл к выводу о том, что магнитное поле Земли подвержено медленным изменениям.

Хосе де Акоста описал возможность использования компаса. Он также установил, чем отличаются Магнитный и Северный полюсы, а в его знаменитой Истории (1590) была обоснована теория о линиях без магнитного отклонения. Значительный вклад в изучение рассматриваемого вопроса внес и Христофор Колумб. Ему принадлежит открытие непостоянства магнитного склонения. Трансформации поставлены в зависимость от изменения географических координат. Магнитное склонение - это угол отклонения стрелки от направления Север-Юг. В связи с открытием Колумба активизировалось исследование. Сведения о том, что собой представляет магнитное поле Земли, крайне необходимы были мореплавателям. Работал над этой проблемой и М. В. Ломоносов. Он для изучения земного магнетизма рекомендовал вести системные наблюдения, используя для этого постоянные пункты (подобие обсерваторий). Также очень важно было, по мнению Ломоносова, это осуществлять и на море. Эта мысль великого учёного была реализована в России спустя шестьдесят лет. Открытие Магнитного полюса на Канадском архипелаге принадлежит полярному исследователю англичанину Джону Россу (1831 год). А в 1841 он же открыл другой полюс планеты, но уже в Антарктиде. Гипотезу о происхождении магнитного поля Земли выдвинул Карл Гаусс. Вскоре он же доказал, что большая часть его питается из источника внутри планеты, но причина его незначительных отклонений находится во внешней среде.

Согласно современным представлениям, образовалась примерно 4,5 млрд лет назад, и с этого момента нашу планету окружает магнитное поле. Все, что находится на Земле, в том числе люди, животные и растения, подвергаются его воздействию.

Магнитное поле простирается до высоты около 100 000 км (рис. 1). Оно отклоняет или захватывает частицы солнечного ветра, губительные для всех живых организмов. Эти заряженные частицы образуют радиационный пояс Земли, а вся область околоземного пространства, в которой они находятся, называют магнитосферой (рис. 2). С освещенной Солнцем стороны Земли магнитосфера ограничена сферической поверхностью с радиусом примерно 10-15 радиусов Земли, а с противоположной стороны она вытянута подобно кометному хвосту на расстояние вплоть до нескольких тысяч радиусов Земли, образуя геомагнитный хвост. Магнитосфера отделена от межпланетного поля переходной областью.

Магнитные полюса Земли

Ось земного магнита наклонена по отношению к оси вращения Земли на 12°. Она располагается примерно на 400 км в стороне от центра Земли. Точки, в которых эта ось пересекает поверхность планеты, - магнитные полюса. Магнитные полюсаЗемли не совпадают с истинными географическими полюсами. В настоящее время координаты магнитных полюсов следующие: северный — 77° с.ш. и 102° з.д.; южный — (65° ю.ш. и 139° в.д.).

Рис. 1. Строение магнитного поля Земли

Рис. 2. Строение магнитосферы

Силовые линии, идущие от одного магнитного полюса к другому, называются магнитными меридианами . Между магнитным и географическим меридианом образуется угол, называемый магнитным склонением . Каждое место на Земле имеет свой угол склонения. В районе Москвы угол склонения равен 7° к востоку, а в Якутске — около 17° к западу. Это значит, что северный конец стрелки компаса в Москве отклоняется на Т вправо от географического меридиана, проходящего через Москву, а в Якутске — на 17° влево от соответствующего меридиана.

Свободно подвешенная магнитная стрелка располагается горизонтально только на линии магнитного экватора, который не совпадает с географическим. Если двигаться к северу от магнитного экватора, то северный конец стрелки будет постепенно опускаться. Угол, образованный магнитной стрелкой и горизонтальной плоскостью, называют магнитным наклонением . На Северном и Южном магнитных полюсах магнитное наклонение наибольшее. Оно равно 90°. На Северном магнитном полюсе свободно подвешенная магнитная стрелка установится вертикально северным концом вниз, а на Южном магнитном полюсе ее южный конец опустится вниз. Таким образом, магнитная стрелка показывает направление силовых линий магнитного ноля над земной поверхностью.

С течением времени положение магнитных полюсов относительно по земной поверхности меняется.

Магнитный полюс был открыт исследователем Джеймсом К. Россом в 1831 г. в сотнях километров от его нынешнего местонахождения. В среднем за один год он перемещается на 15 км. В последние годы скорость перемещения магнитных полюсов резко возросла. Например, Северный магнитный полюс сейчас перемещается со скоростью около 40 км в год.

Смена магнитных полюсов Земли называется инверсией магнитного поля .

На протяжении геологической истории нашей планеты земное магнитное поле изменяло свою полярность более 100 раз.

Магнитное поле характеризуется напряженностью. В некоторых местах Земли магнитные силовые линии отклоняются от нормального поля, образуя аномалии. Например, в районе Курской магнитной аномалии (КМА) напряженность поля в четыре раза выше нормы.

Существуют суточные изменения магнитного поля Земли. Причина этих изменений магнитного поля Земли — электриче- с кие токи, текущие в атмосфере на большой высоте. Вызваны они солнечным излучением. Пол действием солнечного ветра магнитное поле Земли искажается и приобретает «шлейф» в направлении от Солнца, который простирается на сотни тысяч километров. Основной же причиной возникновения солнечного ветра, как мы уже знаем, являются грандиозные выбросы вещества из короны Солнца. При движении к Земле они превращаются в магнитные облака и приводят к сильным, иногда экстремальным возмущениям на Земле. Особенно сильные возмущения магнитного поля Земли - магнитные бури. Некоторые магнитные бури начинаются неожиданно и почти одновременно по всей Земле, а другие развиваются постепенно. Они могут продолжаться несколько часов и даже суток. Часто магнитные бури происходят через 1-2 дня после солнечной вспышки из-за прохождения Земли через поток частиц, выброшенных Солнцем. Исходя из времени запаздывания скорость такого корпускулярного потока оценивают в несколько миллионов км/ч.

Во время сильных магнитных бурь нарушается нормальная работа телеграфа, телефона и радио.

Магнитные бури часто наблюдаются на широте 66-67° (в зоне полярных сияний) и возникают одновременно с полярными сияниями.

Строение магнитного поля Земли меняется в зависимости от широты местности. Проницаемость магнитного поля увеличивается в сторону полюсов. Над полярными областями силовые линии магнитного поля более или менее перпендикулярны земной поверхности и имеют воронкообразную конфигурацию. Через них часть солнечного ветра с дневной стороны проникает в магнитосферу, а затем и в верхнюю атмосферу. Сюда же в период магнитных бурь устремляются частицы из хвостовой части магнитосферы, достигая границ верхней атмосферы в высоких широтах Северного и Южного полушарий. Именно эти заряженные частицы вызывают здесь полярные сияния.

Итак, магнитные бури и суточные изменения магнитного ноля объясняются, как мы уже выяснили, солнечным излучением. Но какова основная причина, создающая постоянный магнетизм Земли? Теоретически удалось доказать, что на 99 % магнитное поле Земли вызывают источники, скрытые внутри планеты. Главное магнитное поле обусловлено источниками, расположенными в глубинах Земли. Их можно условно разделить на две группы. Основная их часть связана с процессами в земном ядре, где вследствие непрерывных и регулярных перемещений электропроводящего вещества создается система электрических токов. Другая — связана с тем, что горные породы земной коры, намагничиваясь главным электрическим полем (полем ядра), создают собственное магнитное поле, которое суммируется с магнитным полем ядра.

Кроме магнитного поля вокруг Земли существуют и другие поля: а) гравитационное; б) электрическое; в) тепловое.

Гравитационным полем Земли называют поле силы тяжести. Она направлена по отвесу перпендикулярно к поверхности геоида. Если бы у Земли была фигура эллипсоида вращения и в нем равномерно распределялись бы массы, то у нее было нормальное гравитационное поле. Разница между напряженностью реального гравитационного поля и теоретического — аномалия тяжести. Различный вещественный состав, плотность горных пород вызывают эти аномалии. Но возможны и другие причины. Их можно объяснить следующим процессом — уравновешение твердой и относительно легкой земной коры на более тяжелой верхней мантии, где и происходит выравнивание давления вышележащих слоев. Эти течения вызывают тектонические деформации, движение литосферных плит и тем самым создают макрорельеф Земли. Сила тяжести удерживает атмосферу, гидросферу, людей, животных на Земле. Силу тяжести нужно обязательно учитывать при изучении процессов в географической оболочке. Термином «геотропизм » называют ростовые движения органов растений, которые под влиянием силы земного тяготения всегда обеспечивают вертикальное направление роста первичного корня перпендикулярно поверхности Земли. Гравитационная биология использует растения в качестве экспериментальных объектов.

Если не учитывать силу тяжести, невозможно рассчитать исходные данные для запуска ракет и космических кораблей, сделать гравиметрическую разведку рудных ископаемых и, наконец, невозможно дальнейшее развитие астрономии, физики и других наук.

Эти глобальные модели - такие как Международное геомагнитное аналитическое поле (International Geomagnetic Reference Field, IGRF) и Всемирная магнитная модель (World Magnetic Model, WMM) - создаются различными международными геофизическими организациями, и каждые 5 лет утверждаются и публикуются обновлённые наборы коэффициентов Гаусса, определяющих все данные о состоянии геомагнитного поля и его параметрах . Так, согласно модели WMM2015, северный геомагнитный полюс (по сути это южный полюс магнита) имеет координаты 80,37° с. ш. и 72,62° з. д., южный геомагнитный полюс - 80,37° ю. ш., 107,38° в. д., наклон оси диполя относительно оси вращения Земли - 9,63° .

Поля мировых аномалий

Реальные силовые линии магнитного поля Земли, хотя в среднем и близки к силовым линиям диполя, отличаются от них местными нерегулярностями, связанными с наличием намагниченных пород в коре , расположенных близко к поверхности. Из-за этого в некоторых местах на земной поверхности параметры поля сильно отличаются от значений в близлежащих районах, образуя так называемые магнитные аномалии . Они могут накладываться одна на другую, если вызывающие их намагниченные тела залегают на разных глубинах .

Существование магнитных полей протяжённых локальных областей внешних оболочек приводит к тому, что истинные магнитные полюса - точки (вернее, небольшие области), в которых силовые линии магнитного поля абсолютно вертикальны, - не совпадают с геомагнитными, при этом они лежат не на самой поверхности Земли, а под ней . Координаты магнитных полюсов на тот или иной момент времени также вычисляются в рамках различных моделей геомагнитного поля путём нахождения итеративным методом всех коэффициентов в ряду Гаусса. Так, согласно актуальной модели WMM, в 2015 г. северный магнитный полюс находился в точке 86° с. ш., 159° з. д., а южный - 64° ю. ш., 137° в.д . Значения актуальной модели IGRF12 немного отличаются: 86,3° с. ш., 160° з. д., для северного полюса, 64,3° ю. ш., 136,6° в.д для южного .

Соответственно, магнитная ось - прямая, проходящая через магнитные полюса, - не проходит через центр Земли и не является её диаметром .

Положения всех полюсов постоянно смещаются - геомагнитный полюс прецессирует относительно географического с периодом около 1200 лет .

Внешнее магнитное поле

Оно определяется источниками в виде токовых систем, находящимися за пределами земной поверхности в её атмосфере . В верхней части атмосферы (100 км и выше) - ионосфере - её молекулы ионизируются, формируя плазму , поэтому эта часть магнитосферы Земли, простирающаяся на расстояние до трёх её радиусов, называется плазмосферой . Плазма удерживается магнитным полем Земли, но её состояние определяется его взаимодействием с солнечным ветром - потоком плазмы солнечной короны .

Таким образом, на большем удалении от поверхности Земли магнитное поле несимметрично, так как искажается под действием солнечного ветра: со стороны Солнца оно сжимается, а в направлении от Солнца приобретает «шлейф», который простирается на сотни тысяч километров, выходя за орбиту Луны . Эта своеобразная «хвостатая» форма возникает, когда плазма солнечного ветра и солнечных корпускулярных потоков как бы обтекают земную магнитосферу - область околоземного космического пространства, ещё контролируемая магнитным полем Земли, а не Солнца и других межпланетных источников ; она отделяется от межпланетного пространства магнитопаузой , где динамическое давление солнечного ветра уравновешивается давлением собственного магнитного поля. Подсолнечная точка магнитосферы в среднем находится на расстоянии 10 земных радиусов * R ⊕ ; при слабом солнечном ветре это расстояние достигает 15-20 R ⊕ , а в период магнитных возмущений на Земле магнитопауза может заходить за геостационарную орбиту (6,6 R ⊕) . Вытянутый хвост на ночной стороне имеет диаметр около 40 R ⊕ и длину более 900 R ⊕ ; начиная с расстояния примерно 8 R ⊕ , он разделен на части плоским нейтральным слоем, в котором индукция поля близка к нулю .

Геомагнитное поле вследствие специфической конфигурации линий индукции создает для заряженных частиц - протонов и электронов - магнитную ловушку. Оно захватывает и удерживает огромное их количество, так что магнитосфера является своеобразным резервуаром заряженных частиц. Общая их масса, по различным оценкам, составляет от 1 кг до 10 кг. Они формируют так называемый радиационный пояс , охватывающий Землю со всех сторон, кроме приполярных областей. Его условно разделяют на два - внутренний и внешний. Нижняя граница внутреннего пояса находится на высоте около 500 км, его толщина - несколько тысяч километров. Внешний пояс находится на высоте 10-15 тыс. км. Частицы радиационного пояса под действием силы Лоренца совершают сложные периодические движения из Северного полушария в Южное и обратно, одновременно медленно перемещаясь вокруг Земли по азимуту. В зависимости от энергии они совершают полный оборот вокруг Земли за время от нескольких минут до суток .

Магнитосфера не подпускает к земле потоки космических частиц . Однако в её хвосте, на больших расстояниях от Земли напряженность геомагнитного поля, а следовательно, и его защитные свойства, ослабляются, и некоторые частицы солнечной плазмы получают возможность попасть вовнутрь магнитосферы и магнитных ловушек радиационных поясов. Хвост таким образом служит местом формирования потоков высыпающихся частиц, вызывающих полярные сияния и авроральные токи . В полярных областях часть потока солнечной плазмы вторгается в верхние слои атмосферы из радиационного пояса Земли и, сталкиваясь с молекулами кислорода и азота, возбуждает их или ионизирует, а при обратном переходе в невозбужденное состояние атомы кислорода излучают фотоны с λ = 0,56 мкм и λ = 0,63 мкм, ионизированные же молекулы азота при рекомбинации высвечивают синие и фиолетовые полосы спектра. При этом наблюдаются полярные сияния, особенно динамичные и яркие во время магнитных бурь . Они происходят при возмущениях в магнитосфере, вызванных увеличением плотности и скорости солнечного ветра при усилении солнечной активности .

Параметры поля

Наглядное представление о положении линий магнитной индукции поля Земли даёт магнитная стрелка, закреплённая таким образом, что может свободно вращаться и вокруг вертикальной, и вокруг горизонтальной оси (например, в кардановом подвесе), - в каждой точке вблизи поверхности Земли она устанавливается определённым образом вдоль этих линий.

Поскольку магнитные и географические полюса не совпадают, магнитная стрелка указывает направление с севера на юг только приблизительно. Вертикальную плоскость, в которой устанавливается магнитная стрелка, называют плоскостью магнитного меридиана данного места, а линию, по которой эта плоскость пересекается с поверхностью Земли, - магнитным меридианом . Таким образом, магнитные меридианы - это проекции силовых линий магнитного поля Земли на её поверхность, сходящиеся в северном и южном магнитных полюсах . Угол между направлениями магнитного и географического меридианов называют магнитным склонением . Оно может быть западным (часто обозначается знаком «-») или восточным (обозначается знаком «+»), в зависимости от того, к западу или востоку отклоняется северный полюс магнитной стрелки от вертикальной плоскости географического меридиана .

Далее, линии магнитного поля Земли, вообще говоря, не параллельны её поверхности. Это означает, что магнитная индукция поля Земли не лежит в плоскости горизонта данного места, а образует с этой плоскостью некий угол - он называется магнитным наклонением . Оно близко к нулю лишь в точках магнитного экватора - окружности большого круга в плоскости, которая перпендикулярна к магнитной оси .

Магнитное склонение и магнитное наклонение определяют направление магнитной индукции поля Земли в каждом конкретном месте. А численное значение этой величины можно найти, зная наклонение и одну из проекций вектора магнитной индукции B {\displaystyle \mathbf {B} } - на вертикальную или горизонтальную ось (последнее оказывается более удобным на практике). Таким образом, три этих параметра - магнитное склонение, наклонение и модуль вектора магнитной индукции B (либо вектора напряжённости магнитного поля H {\displaystyle \mathbf {H} } ) - полностью характеризуют геомагнитное поле в данном месте. Их точное знание для максимально большого числа пунктов на Земле имеет чрезвычайно важное значение . Составляются специальные магнитные карты, на которых нанесены изогоны (линии одинакового склонения) и изоклины (линии одинакового наклонения), необходимые для ориентации с помощью компаса .

В среднем интенсивность магнитного поля Земли колеблется от 25,000 до 65,000 нТл (0,25 - 0,65 Гс) и сильно зависит от географического положения . Это соответствует средней напряжённости поля около 0,5 (40 /) . На магнитном экваторе её величина - около 0,34 , у магнитных полюсов - около 0,66 Э. В некоторых районах (магнитных аномалий) напряжённость резко возрастает: в районе Курской магнитной аномалии она достигает 2 Э .

Природа магнитного поля Земли

Впервые объяснить существование магнитных полей Земли и Солнца попытался Дж. Лармор в 1919 году , предложив концепцию динамо , согласно которой поддержание магнитного поля небесного тела происходит под действием гидродинамического движения электропроводящей среды. Однако в 1934 году Т. Каулинг доказал теорему о невозможности поддержания осесимметричного магнитного поля посредством гидродинамического динамо-механизма. А поскольку большинство изучаемых небесных тел (и тем более Земля) считались аксиально-симметричными, на основании этого можно было сделать предположение, что их поле тоже будет аксиально-симметричным, и тогда его генерация по такому принципу будет невозможна согласно этой теореме. Позже было показано, что не у всех уравнений с аксиальной симметрией, описывающих процесс генерации магнитного поля, решение будет аксиально-симметричным, и в 1950-х гг. несимметричные решения были найдены .

С тех пор теория динамо успешно развивается, и на сегодняшний день общепринятым наиболее вероятным объяснением происхождения магнитного поля Земли и других планет является самовозбуждающийся динамо-механизм, основанный на генерации электрического тока в проводнике при его движении в магнитном поле, порождаемом и усиливаемом самими этими токами. Необходимые условия создаются в ядре Земли : в жидком внешнем ядре , состоящем в основном из железа при температуре порядка 4-6 тысяч кельвин, которое отлично проводит ток, создаются конвективные потоки, отводящие тепло от твёрдого внутреннего ядра (генерируемого благодаря распаду радиоактивных элементов либо освобождению скрытой теплоты при затвердевании вещества на границе между внутренним и внешним ядром по мере постепенного остывания планеты). Силы Кориолиса закручивают эти потоки в характерные спирали, образующие так называемые столбы Тейлора . Благодаря трению слоёв они приобретают электрический заряд, формируя контурные токи. Таким образом, создаётся система токов, циркулирующих по проводящему контуру в движущихся в (изначально присутствующем, пусть и очень слабом) магнитном поле проводниках, как в диске Фарадея . Она создает магнитное поле, которое при благоприятной геометрии течений усиливает начальное поле, а это, в свою очередь, усиливает ток, и процесс усиления продолжается до тех пор, пока растущие с увеличением тока потери на джоулево тепло не уравновесят притоки энергии, поступающей за счет гидродинамических движений .

Математически этот процесс описывается дифференциальным уравнением

∂ 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})} ,

где u - скорость потока жидкости, B - магнитная индукция , η = 1/μσ - магнитная вязкость , σ - электропроводность жидкости, а μ - магнитная проницаемость , практически не отличающаяся при такой высокой температуре ядра от μ 0 - проницаемости вакуума.

Однако для полного описания необходимо записать систему магнитогидродинамических уравнений. В приближении Буссинеска (в рамках которого все физические характеристики жидкости полагаются постоянными, кроме силы Архимеда , при расчёте которой учитываются изменения плотности вследствие разности температур) это :

• Уравнение Навье - Стокса , содержащее члены, выражающие совокупное действие вращения и магнитного поля:

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 {\Omega } \times \mathbf {u} +\mathbf {J} \times \mathbf {B} } .

• Уравнение теплопроводности , выражающее закон сохранения энергии :

∂ 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 } ,

Прорыв в этом отношении был достигнут в 1995 году в работах групп из Японии и Соединённых Штатов . Начиная с этого момента, результаты ряда работ численного моделирования удовлетворительно воспроизводят качественные характеристики геомагнитного поля в динамике, в том числе инверсии .

Изменения магнитного поля Земли

Это подтверждается и текущим возрастанием угла раствора каспов (полярных щелей в магнитосфере на севере и юге), который к середине 1990-х годов достиг 45°. В расширившиеся щели устремился радиационный материал солнечного ветра, межпланетного пространства и космических лучей, вследствие чего в полярные области поступает большее количество вещества и энергии, что может привести к дополнительному разогреву полярных шапок [ ] .

Геомагнитные координаты (координаты Мак-Илвайна)

В физике космических лучей широко используются специфические координаты в геомагнитном поле, названные в честь учёного Карла Мак-Илвайна (Carl McIlwain ), первым предложившего их использование , так как они основаны на инвариантах движения частиц в магнитном поле. Точка в дипольном поле характеризуется двумя координатами (L, B), где L - так называемая магнитная оболочка, или параметр Мак-Илвайна (англ. L-shell, L-value, McIlwain L-parameter ), B - магнитная индукция поля (обычно в Гс). За параметр магнитной оболочки обычно принимается величина L, равная отношению среднего удаления реальной магнитной оболочки от центра Земли в плоскости геомагнитного экватора, к радиусу Земли. .

История исследований

Ещё несколько тысячелетий назад в Древнем Китае было известно, что намагниченные предметы располагаются в определённом направлении, в частности стрелка компаса всегда занимает определённое положение в пространстве. Благодаря этому человечество с давних пор получило возможность при помощи такой стрелки (компаса) ориентироваться в открытом море вдали от берегов. Однако до плавания Колумба из Европы в Америку (1492 г.) особого внимания к исследованию такого явления никто не проявлял, так как ученые того времени полагали, что оно происходит в результате притяжения стрелки Полярной звездой . В Европе и омывающих её морях компас в то время устанавливался почти по географическому меридиану. При пересечении же Атлантического океана Колумб заметил, что примерно на полпути между Европой и Америкой стрелка компаса отклонилась почти на 12° к западу. Этот факт сразу же породил сомнение в правильности прежней гипотезы о притяжении стрелки Полярной звездой, дал толчок к серьезному изучению вновь открытого явления: сведения о магнитном поле Земли были нужны мореплавателям. С этого момента и получила свое начало наука о земном магнетизме, начались повсеместные измерения магнитного склонения , то есть угла между географическим меридианом и осью магнитной стрелки, то есть магнитным меридианом. В 1544 году немецкий учёный Георг Хартман открыл новое явление: магнитная стрелка не только отклоняется от географического меридиана, но, будучи подвешена за центр тяжести, стремится встать под некоторым углом к горизонтальной плоскости, названным магнитным наклонением .

С этого момента наряду с изучением явления отклонения ученые начали также исследовать и наклонение магнитной стрелки. У Хосе де Акосты (одного из основателей геофизики , по словам Гумбольдта) в его Истории (1590) впервые появилась теория о четырёх линиях без магнитного склонения. Он описал использование компаса, угол отклонения, различия между Магнитным и Северным полюсом, а также колебание отклонений от одной точки до другой, идентифицировал места с нулевым отклонением, например, на Азорских островах .

В результате наблюдений было установлено, что как склонение, так и наклонение имеют различные значения в разных точках земной поверхности. При этом их изменения от точки к точке подчиняются некоторой сложной закономерности. Её исследование позволило придворному врачу английской королевы Елизаветы и натурфилософу Уильяму Гильберту выдвинуть в 1600 году в своей книге «О магните» («De Magnete») гипотезу о том, что Земля представляет собой магнит, полюсы которого совпадают с географическими полюсами. Другими словами, У. Гильберт полагал, что поле Земли подобно полю намагниченной сферы. Свое утверждение У. Гильберт основывал на опыте с моделью нашей планеты, представляющей собой намагниченный железный шар, и маленькой железной стрелкой. Главным аргументом в пользу своей гипотезы Гильберт считал, что магнитное наклонение, измеренное на такой модели, оказалось почти одинаковым с наклонением, наблюдавшимся на земной поверхности. Несоответствие же земного склонения со склонением на модель Гильберт объяснял отклоняющим действием материков на магнитную стрелку. Хотя многие факты, установленные позднее, не совпадали с гипотезой Гильберта, она не теряет своего значения и до сих пор. Основная мысль Гильберта о том, что причину земного магнетизма следует искать внутри Земли, оказалась правильной, равно как и то, что в первом приближении Земля действительно является большим магнитом, представляющим собой однородно намагниченный шар .

В 1634 году английский астроном Генри Геллибранд ?! установил, что магнитное склонение в Лондоне меняется со временем. Это стало первым зафиксированным свидетельством вековых вариаций - регулярных (от года к году) изменений средних годовых значений компонентов геомагнитного поля .

Углы склонения и наклонения определяют направление в пространстве напряженности магнитного поля Земли, но не могут дать её численного значения. До конца XVIII в. измерения величины напряженности не производились по той причине, что не были известны законы взаимодействия между магнитным полем и намагниченными телами. Лишь после того, как в 1785-1789 гг. французским физиком Шарлем Кулоном был установлен закон, названный его именем , появилась возможность таких измерений. С конца XVIII в., наряду с наблюдением склонения и наклонения, начались повсеместные наблюдения горизонтальной составляющей, представляющей собой проекцию вектора напряженности магнитного поля на горизонтальную плоскость (зная же склонение и наклонение, можно рассчитать и величину полного вектора напряженности магнитного поля) .

Первая теоретическая работа о том, что представляет собой магнитное поле Земли, то есть каковы величина и направление его напряженности в каждой точке земной поверхности, принадлежит немецкому математику Карлу Гауссу . В 1834 г. он дал математическое выражение для составляющих напряженности как функции координат - широты и долготы места наблюдения. Пользуясь этим выражением, можно для каждой точки земной поверхности найти значения любой из составляющих, которые носят названия элементов земного магнетизма. Эта и другие работы Гаусса стали фундаментом, на котором построено здание современной науки о земном магнетизме . В частности, в 1839 году он доказал, что основная часть магнитного поля выходит из Земли, а причину небольших, коротких отклонений его значений необходимо искать во внешней среде .

В 1831 году английским полярным исследователем Джоном Россом в Канадском архипелаге был открыт северный магнитный полюс - область, где магнитная стрелка занимает вертикальное положение, то есть наклонение равно 90°. А в 1841 г. Джеймс Росс (племянник Джона Росса) достиг другого магнитного полюса Земли , находящегося в Антарктиде .

См. также

• Intermagnet (англ. )

Примечания

1. Ученые в США выяснили, что магнитное поле Земли на 700 млн лет старше, чем считалось
2. Эдвард Кононович. Магнитное поле Земли (неопр.) . http://www.krugosvet.ru/ . Энциклопедия Кругосвет: Универсальная научно-популярная онлайн-энциклопедия. Проверено 2017-04-26 .
3. Geomagnetism Frequently Asked Questions (англ.) . https://www.ngdc.noaa.gov/ngdc.html . National Centers for Environmental Information (NCEI). Проверено 23 апреля 2017.
4. А. И. Дьяченко. Магнитные полюса Земли . - Москва: Издательство Московского центра непрерывного математического образования, 2003. - 48 с. - ISBN 5-94057-080-1 .
5. А. В. Викулин. VII. Геомагнитное поле и электромагнетизм Земли // Введение в физику Земли. Учебное пособие для геофизических специальностей вузов.. - Издательство Камчатского государственного педагогического университета, 2004. - 240 с. - ISBN 5-7968-0166-X .