class="part1">

Podrobnosti:

Planeta Země

© Vladimír Kalanov,
webová stránka"Vědění je moc".

Magnetické pole Země

Jedná se o procesy, které jsou nepřístupné přímému pozorování a výzkumu pouze v počáteční fázi. Ale když se tyto procesy projeví na povrchu země, když se, jak se říká, rozvinou v plné síle, pak se stanou viditelnými a velmi nápadnými pro každého, kdo se ocitne v zóně jejich působení.

Na Zemi ale fungují i ​​neviditelné procesy, které lidé téměř nepociťují. Především je to pozemský magnetismus. Fenomén magnetismu je lidem znám již velmi dlouho. Magnetismus dostal své jméno podle města Magnetia v Malé Asii, kde byla objevena ložiska magnetické železné rudy – „kamen, který přitahuje železo“. První písemný doklad o vlastnostech magnetu nacházíme zejména v básni „O povaze věcí“ od Tita Lucretia Cara, napsané v prvním století před naším letopočtem. Lucretius vysvětlil magnetismus „magnetickými proudy“ proudícími z „magnetického kamene“.

Lidé již dlouho našli využití pro vlastnosti magnetů. Jednou z prvních takových aplikací byl kompas jako jednoduché navigační zařízení. Kompas byl vynalezen v Číně asi tisíc let před naším letopočtem. V Evropě je kompas znám již od 12. století. Dnes je absolutně nemožné si představit mnoho průmyslových odvětví bez použití magnetů a elektromagnetů.

Oblast blízkozemského prostoru, ve které je detekováno magnetické pole Země, se nazývá magnetosféra. Magnetismus je komplexní, globální vlastnost přírody. Vytvoření kompletní teorie pozemského a slunečního magnetismu je stále otázkou budoucnosti. Ale věda už přišla na spoustu věcí a poskytuje docela přesvědčivá vysvětlení některých aspektů tak složitého jevu, jakým je magnetismus. Zejména mnoho vědců a běžných občanů se obává možných důsledků takového jevu, jakým je postupné slábnutí magnetického pole Země.

Už od dob Carla Gausse, který poprvé změřil sílu magnetického pole Země, tzn. Již více než 170 let magnetické pole Země neustále slábne. Magnetické pole je ale jakýsi štít, který zakrývá Zemi a veškerý život na ní před ničivými radiačními účinky tzv. slunečního větru, tzn. elektrony, protony a další částice emitované Sluncem. Zemská magnetosféra vychyluje tok těchto a dalších částic létajících z vesmíru směrem k pólům, čímž je zbavuje jejich počáteční energie. Na zemských pólech jsou toky těchto kosmických částic opožděny horní vrstvy atmosféru, přecházející do fantasticky krásných jevů polární záře.

Pokud by nebyl sluneční vítr, magnetické pole Země by bylo symetrické vzhledem k planetě, jako na obrázku 1. Obrázek 2 ukazuje skutečnou magnetosféru Země, deformovanou slunečním větrem. Třetí obrázek ukazuje nesoulad mezi magnetickým a geografickým pólem.

Pokud není magnetické pole

Pokud ale magnetické pole neexistuje nebo je velmi slabé, bude veškerý život na Zemi pod přímým vlivem slunečního a kosmického záření. A to, jak lze předpokládat, povede k radiačnímu poškození živých organismů, které bude mít za následek jejich mutaci v neurčitém směru nebo smrt. Naštěstí je taková vyhlídka nepravděpodobná. Paleomagnetologové, tzn. ti, kteří studují starověká magnetická pole, byli schopni s přiměřeným stupněm jistoty zjistit, že magnetické pole Země neustále osciluje s různá období. Po sečtení všech oscilačních křivek byla výsledná křivka tvarována blízko sinusoidy s periodou 8 tisíc let. Úsek této křivky odpovídající naší době (počátek 2000) je na sestupné větvi této křivky. A tento pokles bude pokračovat ještě asi dva tisíce let. Poté začne magnetické pole opět sílit. Toto posilování pole bude pokračovat čtyři tisíce let, pak opět dojde k poklesu. Předchozí maximum nastalo na začátku našeho letopočtu. Podstatné je, aby amplituda součtové sinusoidy byla menší než polovina průměrné hodnoty intenzity pole, tzn. tyto výkyvy nemohou snížit sílu magnetického pole Země na nulu.

Zde, na našem webu, kvůli podmínkám stručnosti nemůžeme podrobně zvážit metodologii výzkumu, která vedla k tak optimistickým závěrům. Vědci vyjádřili různé názory na příčiny kolísání magnetického pole, ale neexistuje žádná jednoznačná teorie o tomto problému. Dodejme, že věda prokázala existenci takového jevu, jako je inverze, tzn. periodická výměna magnetických pólů Země v místech: severní pól se přesune na místo jihu, jih - na místo severu. Takové pohyby trvají od 5 do 10 tisíc let. V historii naší planety se takové „skoky“ pólů vyskytly stovkykrát. K poslednímu takovému pohybu došlo před 700 tisíci lety. Nebyla zjištěna žádná konkrétní periodicita nebo pravidelnost tohoto jevu. Důvody těchto polárních zvratů se skrývají ve složitých interakcích kapalné části zemského jádra s vesmírem. Paleomagnetologové zjistili, že na Zemi docházelo také k posunům magnetických pólů od geografických na velké vzdálenosti, což však skončilo návratem pólů na původní místo.

Existují návrhy, že během polárních zvratů magnetické pole Země zmizí a planeta zůstane nějakou dobu bez svého neviditelného ochranného pancíře. Tyto předpoklady však nenacházejí spolehlivé vědecké zdůvodnění a zůstávají pouze domněnkami.

Někteří vědci se obecně domnívají, že náhlé změny v zemské magnetosféře nejsou nebezpečné, protože podle jejich názoru není hlavní ochranou před kosmickým zářením pro všechny živé bytosti magnetické pole, ale atmosféra. Tento názor sdílí zejména evoluční biolog profesor B.M. Mednikov. Jinými slovy, problém interakce magnetického pole s procesy života na Zemi není ještě zdaleka zcela jasný a pro badatele je zde stále dost práce.

Vliv magnetického pole na živé organismy

Již dlouho je známo, že magnetická pole mají negativní vliv na živé organismy. Pokusy na zvířatech ukázaly, že vnější magnetické pole zpomaluje jejich vývoj, zpomaluje růst buněk a mění složení krve. Při tzv. magnetických bouřích, tzn. S prudkými výkyvy síly magnetického pole dochází u nemocných lidí závislých na počasí ke zhoršení jejich zdraví.

Síla magnetického pole se měří v oerstedech (E). Tato jednotka je pojmenována po dánském fyzikovi Hansi Oerstedovi (1777-1851), který objevil souvislost mezi elektrickými a magnetickými jevy.

Protože lidé mohou být vystaveni magnetickým polím v práci i doma, byly vyvinuty přípustné úrovně intenzity magnetického pole. Podle různých odhadů je magnetické pole o síle 300-700 orerstedů považováno za bezpečné pro člověka. Přesněji řečeno, ve výrobě i v běžném životě na člověka nepůsobí magnetická, ale elektromagnetická pole. Faktem je, že při provozu jakéhokoli elektrického nebo rádiového zařízení se magnetické i elektrické pole mohou objevit pouze jako jeden celek, který se nazývá elektromagnetické pole. To je vysvětleno společnou povahou magnetických a elektrických jevů.

Nutno podotknout, že fyzikální stránka procesu působení magnetického pole na lidský organismus není dosud zcela jasná. Magnetické pole působí i na rostliny. Podle výsledků některých experimentů se ukazuje, že klíčení a růst semen závisí na tom, jak byla zpočátku orientována vůči magnetickému poli Země. Změna vnějšího magnetického pole může vývoj rostlin buď urychlit, nebo zpomalit. Snad se tento jev nějak využije v zemědělské praxi.

Takže kolem nás jsou magnetická pole generovaná samotnou přírodou a vytvářená zdroji umělého původu – od generátorů střídavého proudu a transformátorů až po mikrovlnné trouby a mobilní telefony.

Síla magnetického pole Země

Jaká je síla magnetického pole Země? Není všude stejná a pohybuje se od 0,24 Oe (v Brazílii) do 0,68 Oe (v Antarktidě). Předpokládá se, že průměrná síla geomagnetického pole je 0,5 orerstedu. V místech výskytu velkých ložisek feromagnetických materiálů (železných rud) dochází k magnetickým anomáliím. Kurská magnetická anomálie je široce známá v Rusku, kde je síla pole 2 Oe Pro srovnání: Síla magnetického pole Merkuru je 1/500 Oe, Měsíce - 10 -5 Oe a mezihvězdného prostředí je ještě méně - 10 -8 Oe. Ale síla magnetického pole slunečních skvrn je obrovská a rovná se 10 3 Oe. Bílí trpaslíci mají pole ještě silnější – až 10 7 Oe. Nejsilnější magnetická pole zaznamenaná ve vesmíru jsou vytvářena neutronovými hvězdami a pulsary. Síla magnetického pole těchto vesmírných objektů dosahuje 10 12 orerstedů! V laboratorních podmínkách je možné dosáhnout magnetické intenzity stotisíckrát slabší, a to i po dobu měřenou ve zlomcích sekund. Odborníci naznačují, že pokud by bylo možné v laboratorních podmínkách získat magnetická pole srovnatelná v síle s těmi, na které působí neutronové hvězdy, pak by došlo k úžasným transformacím s objekty vystavenými takovým nepředstavitelným polím. Například železo, jehož hustota je normální podmínky rovna 7,87 g/cm³, vlivem takových polí by se proměnila v látku o hustotě 2700 g/cm³. Kostka o hraně 10 cm takové hmoty by vážila 2,7 tuny a k jejímu pohybu by byl potřeba silný jeřáb.

Magnetické pole Země.

Hlavní témata probíraná na přednášce:

1. Povaha geomagnetismu.

2. Prvky magnetického pole Země.

3. Struktura geomagnetického pole.

4. Magnetosféra a radiační pásy Země.

5. Sekulární variace geomagnetického pole.

6. Anomálie geomagnetického pole.

1. Povaha geomagnetismu. Zemský magnetismus nebo geomagnetismus je vlastnost Země jako nebeského tělesa, která určuje existenci magnetického pole kolem ní. Geomagnetologie je věda o Zemi.

Teorie hydromagnetického dynama je založena na faktu zjištěném geofyziky, že v hloubce 2900 km se nachází „kapalné“ vnější jádro Země s dobrou elektrickou vodivostí (106–105 S/m).

Myšlenka hydromagnetického dynama byla poprvé navržena v roce 1919 Larmorem v Anglii, aby vysvětlila magnetismus Slunce. Sovětský fyzik Ya. I. Frenkel v knize Earth's Magnetism (1947) vyjádřil myšlenku, že tepelná konvekce v zemském jádru je právě důvodem, který aktivuje hydromagnetické dynamo zemského jádra.

Hlavní ustanovení hypotézy hydromagnetického dynama jsou následující.

1. Díky tzv. gyromagnetickému (z řeckého Gyro - točení, točení) efektu a rotaci Země při jejím vzniku mohlo vzniknout velmi slabé magnetické pole. Gyromagnetický efekt je magnetizace feromagnetických těles v důsledku jejich rotace a rotace za určitých podmínek magnetizace. Gyromagnetický efekt odhaluje spojení mezi mechanickými a magnetickými momenty atomu.

2. Přítomnost volných elektronů v jádře a rotace Země v tak slabém magnetickém poli vedly k indukci vířivých elektrických proudů v jádře.

3. Indukované vířivé proudy zase vytvářejí (generují) magnetické pole, jako se to děje u dynam. Zvýšení magnetického pole Země by mělo vést k novému nárůstu vířivých proudů v jádře a to by mělo vést ke zvýšení magnetického pole.

4. Proces podobný regeneraci trvá až do disipace energie vlivem viskozity jádra a jeho elektrický odpor není kompenzován dodatečnou energií vířivých proudů a dalších důvodů.

Zemské jádro je tedy podle Frenkela jakýmsi přirozeným turbogenerátorem. Roli turbíny v něm hrají tepelné toky: zvedají velké masy roztaveného kovu, který má vlastnost kapaliny, z hlubin jádra směrem nahoru podél poloměru. Chladnější, a tedy i těžší částice horních vrstev klesají dolů. Coriolisova síla je „otáčí“ kolem zemské osy, čímž vytváří obří cívky uvnitř „zemského dynama“. V těchto uzavřených tocích horkého kovu, jako v závitech drátu na kotvě obyčejného dynama, měl už dávno vzniknout indukční proud. Postupně zmagnetizovala zemské jádro. Počáteční velmi slabé magnetické pole zesilovalo, až postupem času dosáhlo své limitní hodnoty. Tato hranice byla dosažena v dávné minulosti. A ačkoli zemský turbogenerátor pokračuje v provozu, kinetická energie proudů tekutého kovu se již nevynakládá na magnetizaci zemského jádra, ale je zcela přeměněna na teplo.

Magnetické pole Země existuje asi 3 miliardy let, což je asi o 1,5 miliardy let mladší než její stáří. To znamená, že nebyl relikt a při absenci obnovovacího mechanismu by nemohl existovat po celou geologickou historii Země.

2. Prvky magnetického pole Země. V každém bodě zemského povrchu je magnetické pole charakterizováno vektorem celkové intenzity Ht, jehož velikost a směr určují tři prvky zemského magnetismu; horizontální složka napětí H, magnetická deklinace D a inklinace I. Magnetická deklinace je úhel ve vodorovné rovině mezi geografickým a magnetickým poledníkem; magnetická inklinace je úhel ve vertikální rovině mezi horizontální rovinou a směrem plného vektoru Hm.

Veličiny H, X, Y, Z, D a I se nazývají prvky zemského magnetismu, zatímco prvky H, X, Y a Z se nazývají silové složky zemského magnetického pole a D a I se nazývají úhlové. jedničky.

Celkový vektor síly magnetického pole Země Ht, jeho silové složky H, X, Y a Z mají rozměr A/m, deklinaci D a sklon I - úhlové stupně, minuty a sekundy. Síla magnetického pole Země je relativně nízká: celkový vektor Ht se pohybuje od 52,5 A/m na pólu do 26,3 A/m na rovníku.

Rýže. 5.1 – Prvky zemského magnetismu

Absolutní hodnoty prvků zemského magnetismu jsou malé, a proto se k jejich měření používají vysoce přesné přístroje - magnetometry a magnetické variometry; Existují variometry pro měření hodnot H a Z. Používají se pojezdové magnetické stanice vybavené složitými opticko-mechanickými a kvantovými magnetometry. Linie spojující body na mapě se stejnou deklinací D se nazývají izogony, se stejným sklonem I - izokliny, se stejnou H nebo Z - izodynou horizontálních nebo vertikálních složek celkového vektoru napětí Ht a se stejnou X nebo Y - izodyny severní nebo východní složky. Hodnoty prvků zemského magnetismu se v čase neustále mění, a proto jsou magnetické mapy aktualizovány každých pět let.

3. Struktura geomagnetického pole. Magnetické pole Země má heterogenní strukturu. Skládá se ze dvou částí: konstantního a střídavého pole. Konstantní pole je způsobeno vnitřními zdroji magnetismu; Zdrojem střídavého pole jsou elektrické proudy ve vyšších vrstvách atmosféry – ionosféře a magnetosféře. Konstantní magnetické pole má zase nehomogenní povahu a skládá se z několika částí. Proto se obecně magnetické pole Země skládá z následujících polí:

Нт =Ho+Hm+Ha+Hв+δH, (5.1)

kde Нт – intenzita magnetického pole Země; Ale je síla dipólového pole vytvořená rovnoměrnou magnetizací zeměkoule; Nm – intenzita nedipólového neboli kontinentálního pole, vzniklého z vnitřních důvodů v důsledku heterogenity hlubokých vrstev Země; Na je anomální síla pole vytvořená různými magnetizacemi horní části zemská kůra; Нв – intenzita pole, jejíž zdroj je spojen s vnějšími příčinami; δH – intenzita magnetického pole způsobená vnějšími příčinami.

Součet polí Ho+Hm=NG tvoří hlavní magnetické pole Země. Anomální pole se skládá ze dvou částí: pole regionálního charakteru Нр a pole místního (lokálního) charakteru Нл. Lokální anomálie může být superponována na regionální anomálii a pak Ha = Нр+Нл.

Součet polí Ho+Hm+Hb se obvykle nazývá normální pole. Pole Hb však přispívá k celkovému geomagnetickému poli Hb velmi málo. Systematické studium geomagnetického pole podle magnetických observatoří a magnetických průzkumů ukazuje, že vnější pole ve vztahu k vnitřnímu poli je menší než 1 %, a proto jej lze zanedbat. V tomto případě se normální pole shoduje s hlavním magnetickým polem Země.

Geomagnetické póly se nacházejí tam, kde zemská magnetická osa protíná zemský povrch. Přestože se severní magnetický pól nachází na jižní polokouli a jižní pól na severní polokouli, v každodenním životě se nazývají analogicky s geografickými póly.

V průběhu času magnetické póly mění svou polohu. Severní magnetický pól se tak posune po povrchu Země o 20,5 m (7,5 km za rok) za den a jižní pól o 30 m (11 km za rok).

4. Magnetosféra a radiační pásy Země. Magnetické pole Země existuje nejen v blízkosti zemského povrchu, ale také na něm dlouhé vzdálenosti z něj, který byl objeven pomocí kosmických raket a meziplanetárních vesmírných stanic. Ve vzdálenosti 10–14 poloměrů Země se geomagnetické pole setkává s mezideskovým magnetickým polem a polem tzv. slunečního větru. Sluneční vítr je výron plazmatu ze sluneční koróny (koronálního plynu skládajícího se převážně z vodíku a helia) do meziplanetárního prostoru. Rychlost částic slunečního větru (protonů a elektronů) je obrovská - asi 400 km/s, počet částic (částic) je několik desítek na 1 cm 3, teplota do 1,5–2 milionů stupňů. Na rozhraní magnetického pole a magnetického pole Země je intenzita asi (0,4–0,5)·10-2 A/m.

Oblast působení magnetického pole Země se nazývá magnetosféra a její vnější hranice se nazývá magnetopauza (obr. 5.3). Geomagnetické pole je výrazně ovlivněno slunečním větrem. Magnetosféra se rozprostírá na obrovské vzdálenosti: nejmenší - směrem ke Slunci - dosahuje 10-14 poloměrů Země, největší - na noční straně - asi 16 poloměrů Země. Magnetický ohon má ještě větší rozměry (podle údajů z umělých družic Země – stovky poloměrů Země).

Obrázek 5.3 – Struktura zemské magnetosféry: 1 – sluneční vítr; 2 – přední tlumič; 3 – magnetická dutina; 4 – magnetopauza; 5 - horní limit polární magnetosférická mezera; 6 – plazmový plášť; 7 – vnější radiační pás nebo plazmová sféra; 9 – neutrální vrstva; 10 – plazmová vrstva

Maximum vnitřního protonového pásu se nachází ve vzdálenosti 3,5 poloměru Země (22 tisíc km). Uvnitř plazmosféry, blízko zemského povrchu, se nachází druhý pás elektronového záření. V blízkosti pólů se tento pás nachází ve vzdálenosti 100 km, ale jeho hlavní část se nachází ve vzdálenosti 4,4 - 10 tisíc km od povrchu planety. Elektrony v něm mají energii desítek až stovek keV. Intenzita toků elektronů se odhaduje na 109 částic na cm 2 /s, tedy řádově vyšší než ve vnějším elektronovém pásu.

Síla záření v radiačních pásech je poměrně vysoká - několik set a dokonce tisíce biologických ekvivalentů rentgenového záření za den. Na oběžnou dráhu umístěnou pod těmito pásy jsou proto vypouštěny vesmírné lodě s astronauty na palubě.

Pokud by neexistovala magnetosféra, proudy slunečního a kosmického větru, které by se nesetkávaly s odporem, by se vrhly na povrch Země a měly by škodlivý účinek na všechny živé bytosti, včetně lidí.

5. Sekulární variace geomagnetického pole. Proces změny průměrných ročních hodnot jednoho nebo druhého prvku zemského magnetismu po dobu několika desetiletí a staletí se nazývá sekulární variace a jejich změna z roku na rok se nazývá sekulární průběh.

Takzvaný efekt „zamrznutí magnetického pole do materiálu“ nám umožňuje posoudit minulost geomagnetického pole – jeho směr a intenzitu. Jakákoli hornina, jakákoli látka obsahující železo nebo jiný feromagnetický prvek je neustále pod vlivem magnetického pole Země. Elementární magnety v tomto materiálu mají tendenci se orientovat podél magnetických siločar.

Pokud se materiál zahřeje, dojde k bodu, kdy se tepelný pohyb částic stane tak energickým, že zničí magnetický řád. Poté, když se materiál ochladí, pak, počínaje Curieovým bodem (Curiieho bod je teplota, pod kterou se horniny stávají feromagnetickými; pro čisté železo je Curieův bod 769 ° C, pro magnetit - 580 ° C), převládne magnetické pole nad silami chaotického pohybu . Elementární magnety se opět seřadí, jak jim to magnetické pole řekne, a zůstanou v této poloze, dokud se tělo znovu nezahřeje. Zdá se tedy, že geomagnetické pole je „zamrzlé“ v materiálu.

V současné době se magnetické pole Země snižuje o 2,5 % za 100 let a zhruba za 4000 let, pokud se nezmění charakter tohoto poklesu, by mělo klesnout na nulu. Paleomagnetologové však tvrdí, že se tak nestane.

Sečteme-li všechny cyklické křivky s různými periodami oscilace magnetického pole Země, dostaneme takzvanou „vyhlazenou neboli zprůměrovanou křivku“, která se docela dobře shoduje se sinusoidou s periodou 8000 let. V současné době je celková hodnota oscilací magnetického pole na sestupném segmentu sinusoidy.

Různá trvání period oscilací geomagnetického pole jsou zřejmě vysvětlována nedostatkem rovnováhy v pohyblivých částech hydromagnetického dynama a jejich rozdílnou elektrickou vodivostí.

Inverze je výměna magnetických pólů v místech. Při zvratech se severní magnetický pól přesune na místo jihu a jižní na místo severu.

Někdy místo inverze mluví o „skoku“ pólů. Toto slovo ve vztahu k pólům však není zcela vhodné, protože póly se nepohybují tak rychle - podle některých odhadů trvá „skok“ 5 a dokonce 10 tisíc let.

Za posledních 600 tisíc let bylo stanoveno 12 epoch zvratu geomagnetického pole (Gottenborg - 10-12 tisíc let, Lachami - 20-24 tisíc let atd.). Je charakteristické, že s těmito epochami se kryjí významné geologické, klimatické a biologické změny na planetě.

6. Anomálie geomagnetického pole. Magnetická anomálie je odchylka hodnot prvků zemského magnetismu od normální hodnoty, který by byl v daném místě pozorován v případě rovnoměrné magnetizace Země.

Pokud jsou na jakémkoli místě zjištěny náhlé změny magnetické deklinace a sklonu, svědčí to o tom, že pod zemským povrchem jsou ukryty horniny obsahující feromagnetické minerály. Patří sem magnetit, titanomagnetit, hematit aj. Magnetit má největší magnetickou susceptibilitu, proto je s jeho přítomností v horninách spojeno značné množství anomálií.

Podle velikosti se magnetické anomálie dělí na kontinentální, regionální a lokální. Kontinentální anomálie jsou důsledkem přítomnosti silných vířivých proudů pod jejich středy. Příčinou regionálních a lokálních anomálií jsou horniny se zvýšenými magnetickými vlastnostmi. Tyto horniny, které jsou v magnetickém poli Země, se zmagnetizují a vytvářejí další magnetické pole.

Magnetické vlastnosti jsou v té či oné míře vlastní všem horninám. Když je jakýkoli kámen umístěn do magnetického pole, každý prvek jeho objemu se zmagnetizuje. Schopnost látky měnit svou magnetizaci vlivem vnějšího magnetického pole se nazývá magnetická susceptibilita. Záleží na číselná hodnota a znakem magnetické susceptibility se všechny přírodní látky dělí do tří skupin: diamagnetické, paramagnetické, feromagnetické. Navíc pro diamagnetické látky je magnetická susceptibilita negativní a pro paramagnetické a feromagnetické látky je pozitivní.

U diamagnetických látek (křemen, mramor, grafit, měď, zlato, stříbro, olovo, voda atd.) je magnetizace úměrná intenzitě magnetického pole a směřuje k němu. Diamagnetické látky způsobují zeslabování magnetického pole Země a přispívají ke vzniku negativních magnetických anomálií.

V paramagnetických látkách (metamorfované a vyvřelé horniny, alkalické kovy atd.) je magnetizace také úměrná intenzitě magnetického pole, ale na rozdíl od diamagnetických látek má stejný směr jako ona. Ve feromagnetických látkách (železo, nikl, kobalt atd.) je magnetizace mnohem větší než u dia- a paramagnetických látek, není úměrná intenzitě magnetického pole a silně závisí na teplotě a „magnetické prehistorii“ látky. .

Hlavní podíl na vzniku anomálií magnetického pole mají feromagnetické minerály (magnetit, titanomagnetit, ilmenit aj.) a horniny, které je obsahují. Protože se magnetická susceptibilita hornin obecně pohybuje v širokých mezích (milionkrát), intenzita anomálií magnetického pole se také pohybuje v širokých mezích.

Střídavé magnetické pole Země. Zdroje střídavých magnetických polí se nacházejí mimo zemský prostor. Svým původem jsou to indukční proudy, které vznikají ve vysokých vrstvách atmosféry (od sta do několika tisíc kilometrů). Indukční proudy vznikají výronem plazmatu - proudem nabitých částic obou znamení (korpuskul) letící od Slunce. Při pronikání do magnetického pole Země se jím zachycují tělíska a způsobují řadu složitých jevů, jako je ionizace atmosféry, polární záře, vznik radiačních pásů Země atd.

Střídavé magnetické pole se superponuje na hlavní magnetické pole Země a způsobuje jeho různé variace v čase. Některé z nich se vyskytují plynule a sledují určitý vzorec. Jedná se o tzv. periodické (nerušené) variace. Jiné jsou chaotické povahy, parametry geomagnetického pole (periody, amplitudy, fáze) průběžně a prudce mění svou hodnotu.

Slunečně-denní variace jsou změny prvků zemského magnetismu s periodou rovnou délce slunečního dne. Slunečně-denní variace prvků zemského magnetismu závisí na roční době a zeměpisné šířce, protože jsou určeny intenzitou ultrafialových paprsků Slunce, a tedy polohou Země vůči Slunci. Je charakteristické, že fáze kmitů jak v zeměpisné šířce, tak v roční době se prakticky nemění, mění se především amplitudy kmitů.

Měsíčně-denní variace prvků zemského magnetismu jsou spojeny s polohou Měsíce vůči obzoru a jsou způsobeny vlivem gravitace Měsíce na zemskou atmosféru. Měsíčně-denní variace v prvcích zemského magnetismu jsou malé – tvoří pouze 10–15 % slunečních-denních variací.

Mezi rušené neperiodické oscilace patří magnetické bouře. Jedním z jejich charakteristických rysů je náhlost jejich vzhledu. Na pozadí vcelku klidného magnetického pole téměř ve stejný okamžik po celé zeměkouli všechny prvky zemského magnetismu náhle mění své hodnoty a další průběh bouře prochází velmi rychlými a nepřetržitými změnami.

Podle intenzity (amplitudy) se magnetické bouře obvykle dělí na slabé, střední a velké. Amplitudy prvků zemského magnetismu během velmi velkých magnetických bouří dosahují několika stupňů pro magnetickou deklinaci a –2–4 A/m nebo více pro vertikální a horizontální složku. Intenzita bouří se zvyšuje od nízkých do vysokých geomagnetických šířek. Doba trvání bouřek je obvykle několik dní. Frekvence a síla magnetických bouří závisí na sluneční aktivitě.

V posledních letech začali vědci získávat praktické výhody z magnetických bouří, protože je dokázali použít k „sondování“ Země do velkých hloubek. Metoda studia nitra Země pomocí magnetických poruch se nazývá magneticko-telurické sondování, protože současně uvažuje magnetické poruchy a tellurické (tj. pozemské) proudy jimi způsobené v Zemi. V důsledku magneticko-telurického sondování bylo zjištěno, že v hloubce 300–400 km se elektrická vodivost Země prudce zvyšuje. Až do těchto hloubek je Země prakticky izolant.

Magnetické pole Země je útvar generovaný zdroji uvnitř planety. Je předmětem studia v odpovídající sekci geofyziky. Dále se blíže podíváme na to, co je magnetické pole Země a jak vzniká.

obecná informace

Nedaleko od zemského povrchu, přibližně ve vzdálenosti tří jejích poloměrů, jsou siločáry magnetického pole umístěny podél systému „dvou polárních nábojů“. Je zde oblast zvaná „plazmová koule“. Se vzdáleností od povrchu planety se zvyšuje vliv proudění ionizovaných částic ze sluneční koróny. To vede ke stlačení magnetosféry ze strany Slunce a naopak magnetické pole Země se natáhne z opačné, stínové strany.

Plazmová koule

Směrový pohyb nabitých částic ve vyšších vrstvách atmosféry (ionosféra) má znatelný vliv na povrchové magnetické pole Země. Poloha posledně jmenovaného je sto kilometrů a výše od povrchu planety. Magnetické pole Země drží plazmovou sféru. Jeho struktura však silně závisí na aktivitě slunečního větru a jeho interakci s omezující vrstvou. A frekvenci magnetických bouří na naší planetě určují erupce na Slunci.

Terminologie

Existuje pojem „magnetická osa Země“. Toto je přímka, která prochází odpovídajícími póly planety. "Magnetický rovník" je velký kruh roviny kolmý k této ose. Vektor na něm má směr blízký horizontále. Průměrná síla magnetického pole Země je výrazně závislá na geografická poloha. Přibližně se rovná 0,5 Oe, tedy 40 A/m. Na magnetickém rovníku je tento stejný indikátor přibližně 0,34 Oe a v blízkosti pólů se blíží 0,66 Oe.V některých anomáliích planety, například v rámci Kurské anomálie, je indikátor zvýšený a činí 2 Oe. čáry zemské magnetosféry se složitou strukturou, promítnuté na její povrch a sbíhající se na jejích vlastních pólech, se nazývají „magnetické meridiány“.

Povaha výskytu. Domněnky a dohady

Není tomu tak dávno, co předpoklad o souvislosti mezi vznikem zemské magnetosféry a tokem proudu v jádru tekutého kovu, který se nachází ve vzdálenosti čtvrtiny až třetiny poloměru naší planety, získal právo na existenci. Vědci mají také předpoklad o takzvaných „telurických proudech“ proudících v blízkosti zemské kůry. Je třeba říci, že v průběhu času dochází k transformaci formace. Magnetické pole Země se za posledních sto osmdesát let několikrát změnilo. To je zaznamenáno v oceánské kůře a dokládají to studie remanentní magnetizace. Porovnáním oblastí na obou stranách oceánských hřbetů se určí doba divergence těchto oblastí.

Posun magnetického pólu Země

Umístění těchto částí planety není konstantní. Skutečnost jejich vysídlení je zaznamenána od konce devatenáctého století. Na jižní polokouli se během této doby magnetický pól posunul o 900 km a skončil v Indickém oceánu. Podobné procesy probíhají v severní části. Zde se pól pohybuje směrem k magnetické anomálii ve východní Sibiři. Od roku 1973 do roku 1994 byla vzdálenost, o kterou se sem lokalita přesunula, 270 km. Tyto předem vypočítané údaje byly později potvrzeny měřeními. Podle posledních údajů se rychlost pohybu magnetického pólu severní polokoule výrazně zvýšila. Rostla z 10 km/rok v sedmdesátých letech minulého století na 60 km/rok na začátku století tohoto. Zároveň nerovnoměrně klesá síla zemského magnetického pole. Za posledních 22 let se tedy někde snížil o 1,7 %, někde o 10 %, i když jsou i oblasti, kde naopak vzrostl. Zrychlení posunu magnetických pólů (přibližně o 3 km za rok) dává důvod předpokládat, že jejich dnes pozorovaný pohyb není exkurzí, ale další inverzí.

To nepřímo potvrzuje nárůst takzvaných „polárních mezer“ na jihu a severu magnetosféry. Ionizovaný materiál sluneční koróny a vesmíru rychle proniká do výsledných expanzí. V důsledku toho se v cirkumpolárních oblastech Země shromažďuje stále větší množství energie, což je samo o sobě plné dodatečného zahřívání polárních ledových čepiček.

Souřadnice

Ve vědě o kosmickém záření se používají souřadnice geomagnetického pole, pojmenované po vědci McIlwainovi. Byl první, kdo navrhl jejich použití, protože jsou založeny na upravených verzích aktivity nabitých prvků v magnetickém poli. Pro bod se používají dvě souřadnice (L, B). Charakterizují magnetický obal (McIlwainův parametr) a indukci pole L. Posledně jmenovaný je parametr rovný poměru průměrné vzdálenosti koule od středu planety k jejímu poloměru.

"Magnetický sklon"

Před několika tisíci lety Číňané učinili úžasný objev. Zjistili, že zmagnetizované předměty lze umístit v určitém směru. A v polovině šestnáctého století učinil Georg Cartmann, německý vědec, další objev v této oblasti. Tak se objevil pojem „magnetický sklon“. Tento název označuje úhel odchylky šipky nahoru nebo dolů od vodorovné roviny pod vlivem magnetosféry planety.

Z historie bádání

V oblasti severního magnetického rovníku, který je odlišný od rovníku geografického, se severní konec pohybuje směrem dolů a na jižním naopak nahoru. V roce 1600 anglický lékař William Gilbert poprvé vyslovil předpoklady o přítomnosti magnetického pole Země, které způsobuje určité chování předmětů, které byly dříve magnetizovány. Ve své knize popsal pokus s míčem vybaveným železným šípem. V důsledku svého výzkumu dospěl k závěru, že Země je velký magnet. Experimenty prováděl i anglický astronom Henry Gellibrant. V důsledku svých pozorování dospěl k závěru, že magnetické pole Země podléhá pomalým změnám.

José de Acosta popsal možnost použití kompasu. Zjistil také, jak se magnetický a severní pól liší, a v jeho slavná historie(1590) byla doložena teorie čar bez magnetického vychylování. Ke studiu uvažované problematiky významně přispěl i Kryštof Kolumbus. Zasloužil se o objev proměnlivosti magnetické deklinace. Transformace se provádějí v závislosti na změnách zeměpisných souřadnic. Magnetická deklinace je úhel odchylky jehly od směru sever-jih. V souvislosti s objevem Kolumba se výzkum zintenzivnil. Informace o tom, jaké je magnetické pole Země, byly pro navigátory nesmírně potřebné. Na tomto problému pracoval i M.V.Lomonosov. Ke studiu zemského magnetismu doporučoval provádět systematická pozorování pomocí stálých bodů (podobně jako na observatořích). Bylo také velmi důležité, podle Lomonosova, udělat to na moři. Tato myšlenka velkého vědce byla realizována v Rusku o šedesát let později. Objev magnetického pólu na kanadském souostroví patří polárnímu badateli Angličanovi Johnu Rossovi (1831). A v roce 1841 objevil další pól planety, ale v Antarktidě. Hypotézu o původu magnetického pole Země předložil Carl Gauss. Brzy dokázal, že většina je napájena ze zdroje uvnitř planety, ale důvod jeho drobných odchylek je ve vnějším prostředí.

Podle moderních představ vznikla přibližně před 4,5 miliardami let a od té chvíle je naše planeta obklopena magnetickým polem. Vše na Zemi, včetně lidí, zvířat a rostlin, je jím ovlivněno.

Magnetické pole sahá do výšky asi 100 000 km (obr. 1). Vychyluje nebo zachycuje částice slunečního větru, které jsou škodlivé pro všechny živé organismy. Tyto nabité částice tvoří radiační pás Země a celá oblast blízkozemského prostoru, ve které se nacházejí, se nazývá magnetosféra(obr. 2). Na straně Země osvětlené Sluncem je magnetosféra omezena kulovou plochou o poloměru přibližně 10-15 pozemských poloměrů a na opačné straně je rozšířena jako ohon komety na vzdálenost až několika tisíc Zemské poloměry, tvořící geomagnetický ohon. Magnetosféra je oddělena od meziplanetárního pole přechodovou oblastí.

Magnetické póly Země

Osa zemského magnetu je vůči rotační ose Země nakloněna o 12°. Nachází se přibližně 400 km od středu Země. Body, ve kterých tato osa protíná povrch planety, jsou magnetické póly. Magnetické póly Země se neshodují se skutečnými geografickými póly. V současné době jsou souřadnice magnetických pólů následující: sever - 77° severní šířky. a 102°W; jižní - (65° jižní šířky a 139° východní délky).

Rýže. 1. Struktura magnetického pole Země

Rýže. 2. Struktura magnetosféry

Nazývají se siločáry probíhající od jednoho magnetického pólu k druhému magnetické meridiány. Mezi magnetickým a geografickým poledníkem vzniká úhel, tzv magnetická deklinace. Každé místo na Zemi má svůj vlastní úhel sklonu. V Moskevské oblasti je úhel deklinace 7° na východ a v Jakutsku je to asi 17° na západ. To znamená, že severní konec střelky kompasu v Moskvě se odchyluje o T vpravo od geografického poledníku procházejícího Moskvou a v Jakutsku - o 17° vlevo od odpovídajícího poledníku.

Volně zavěšená magnetická střelka je umístěna vodorovně pouze na linii magnetického rovníku, která se neshoduje s geografickou. Pokud se přesunete na sever od magnetického rovníku, severní konec jehly bude postupně klesat. Úhel, který svírají magnetická střelka a vodorovná rovina, se nazývá magnetický sklon. Na severním a jižním magnetickém pólu je magnetický sklon největší. Je roven 90°. Na severním magnetickém pólu bude volně zavěšená magnetická střelka instalována vertikálně severním koncem dolů a na jižním magnetickém pólu bude její jižní konec směřovat dolů. Magnetická střelka tedy ukazuje směr magnetických siločar nad zemským povrchem.

V průběhu času se poloha magnetických pólů vůči zemskému povrchu mění.

Magnetický pól objevil průzkumník James C. Ross v roce 1831, stovky kilometrů od jeho současné polohy. V průměru se za rok urazí 15 km. V posledních letech se rychlost pohybu magnetických pólů prudce zvýšila. Například severní magnetický pól se v současnosti pohybuje rychlostí asi 40 km za rok.

Převrácení magnetických pólů Země se nazývá inverze magnetického pole.

Během geologické historie naší planety změnilo magnetické pole Země svou polaritu více než 100krát.

Magnetické pole je charakterizováno intenzitou. Na některých místech na Zemi se magnetické siločáry odchylují od normálního pole a vytvářejí anomálie. Například v oblasti Kurské magnetické anomálie (KMA) je intenzita pole čtyřikrát vyšší než normálně.

Magnetické pole Země se denně mění. Důvodem těchto změn magnetického pole Země jsou elektrické proudy proudící v atmosféře ve vysokých nadmořských výškách. Jsou způsobeny slunečním zářením. Vlivem slunečního větru se magnetické pole Země deformuje a získává „stopu“ ve směru od Slunce, která se táhne v délce stovek tisíc kilometrů. Hlavní příčinou slunečního větru, jak již víme, jsou obrovské výrony hmoty ze sluneční koróny. Jak se pohybují směrem k Zemi, mění se v magnetické mraky a vedou k silným, někdy extrémním poruchám na Zemi. Zvláště silné poruchy zemského magnetického pole - magnetické bouře. Některé magnetické bouře začínají náhle a téměř současně po celé Zemi, zatímco jiné se rozvíjejí postupně. Mohou trvat několik hodin nebo dokonce dní. Magnetické bouře se často objevují 1-2 dny po sluneční erupci v důsledku průchodu Země proudem částic vyvržených Sluncem. Na základě doby zpoždění se rychlost takového korpuskulárního proudění odhaduje na několik milionů km/h.

Při silných magnetických bouřích je narušen běžný provoz telegrafu, telefonu a rozhlasu.

Magnetické bouře jsou často pozorovány na zeměpisné šířce 66-67° (v zóně polární záře) a vyskytují se současně s polárními zářemi.

Struktura magnetického pole Země se mění v závislosti na zeměpisné šířce oblasti. Propustnost magnetického pole se směrem k pólům zvyšuje. Přes polární oblasti jsou magnetické siločáry víceméně kolmé k zemskému povrchu a mají trychtýřovitý tvar. Jejich prostřednictvím proniká část slunečního větru z denní strany do magnetosféry a následně do horních vrstev atmosféry. Během magnetických bouří se sem řítí částice z ohonu magnetosféry, které dosahují hranic horní atmosféry ve vysokých zeměpisných šířkách severní a jižní polokoule. Právě tyto nabité částice zde způsobují polární záře.

Takže magnetické bouře a denní změny magnetického pole jsou vysvětleny, jak jsme již zjistili, slunečním zářením. Co je ale hlavním důvodem, který vytváří permanentní magnetismus Země? Teoreticky bylo možné prokázat, že 99 % magnetického pole Země je způsobeno zdroji skrytými uvnitř planety. Hlavní magnetické pole je způsobeno zdroji umístěnými v hlubinách Země. Lze je zhruba rozdělit do dvou skupin. Jejich hlavní část je spojena s procesy v zemském jádru, kde v důsledku nepřetržitých a pravidelných pohybů elektricky vodivé hmoty vzniká systém elektrických proudů. Druhá je způsobena skutečností, že horniny zemské kůry, když jsou zmagnetizovány hlavním elektrickým polem (polem jádra), vytvářejí své vlastní magnetické pole, které se sčítá s magnetickým polem jádra.

Kromě magnetického pole kolem Země existují ještě další pole: a) gravitační; b) elektrické; c) tepelné.

Gravitační pole Země se nazývá gravitační pole. Je nasměrován podél olovnice kolmé k povrchu geoidu. Pokud by Země měla tvar rotačního elipsoidu a hmoty by v ní byly rovnoměrně rozloženy, pak by měla normální gravitační pole. Rozdíl mezi intenzitou skutečného gravitačního pole a teoretickou je gravitační anomálie. Různé materiálové složení a hustota hornin způsobují tyto anomálie. Ale jsou možné i jiné důvody. Lze je vysvětlit další proces- vyrovnávání pevné a relativně lehké zemské kůry na těžším svrchním plášti, kde dochází k vyrovnání tlaku nadložních vrstev. Tyto proudy způsobují tektonické deformace, pohyb litosférických desek a tím vytvářejí makroreliéf Země. Gravitace drží atmosféru, hydrosféru, lidi, zvířata na Zemi. Při studiu procesů v geografické obálce je třeba vzít v úvahu gravitaci. Termín " geotropismus“ jsou růstové pohyby rostlinných orgánů, které pod vlivem gravitační síly vždy zajišťují vertikální směr růstu primárního kořene kolmo k povrchu Země. Gravitační biologie využívá rostliny jako experimentální subjekty.

Pokud se nebere v úvahu gravitace, není možné vypočítat výchozí data pro vypouštění raket a kosmických lodí, provádět gravimetrický průzkum rudných ložisek a nakonec je nemožný další rozvoj astronomie, fyziky a dalších věd.

Tyto globální modely – např. Mezinárodní geomagnetické referenční pole (IGRF) a Světový magnetický model (WMM)- jsou vytvářeny různými mezinárodními geofyzikálními organizacemi a každých 5 let jsou schvalovány a publikovány aktualizované sady Gaussových koeficientů, které určují veškeré údaje o stavu geomagnetického pole a jeho parametrech. Takže podle modelu WMM2015 severní geomagnetický pól (v podstatě toto Jižní pól magnet) má souřadnice 80,37° severní šířky. w. a 72,62° zd. d., jižní geomagnetický pól - 80,37° jih. zeměpisná šířka, 107,38° východní délky. d., sklon osy dipólu vzhledem k ose rotace Země je 9,63°.

Pole světových anomálií

Skutečné siločáry magnetického pole Země, i když jsou v průměru blízké siločarám dipólu, se od nich liší místními nepravidelnostmi spojenými s přítomností zmagnetizovaných hornin v kůře umístěné blízko povrchu. Z tohoto důvodu se na některých místech na zemském povrchu parametry pole značně liší od hodnot v blízkých oblastech a tvoří takzvané magnetické anomálie. Mohou se navzájem překrývat, pokud zmagnetizovaná tělesa, která je způsobují, leží v různých hloubkách.

Existence magnetických polí rozšířených lokálních oblastí vnějších obalů vede k tomu, že skutečné magnetické póly- body (nebo spíše malé oblasti), ve kterých jsou siločáry magnetického pole absolutně svislé, nesplývají s geomagnetickými a neleží na samotném povrchu Země, ale pod ním. V rámci jsou také vypočteny souřadnice magnetických pólů v daném čase různé modely geomagnetické pole nalezením všech koeficientů v Gaussově řadě pomocí iterační metody. Podle současného modelu WMM se tedy v roce 2015 severní magnetický pól nacházel na 86° severní šířky. zeměpisná šířka, 159°w. dél., a jižní - 64° j.š. zeměpisná šířka, 137° východní délky. Hodnoty aktuálního modelu IGRF12 jsou mírně odlišné: 86,3° N. zeměpisná šířka, 160°w. dl., pro severní pól, 64,3° jih. zeměpisná šířka, 136,6° E pro jižní .

resp. magnetická osa- přímka procházející magnetickými póly neprochází středem Země a není jejím průměrem.

Polohy všech pólů se neustále posouvají - geomagnetický pól precesy vůči geografickému pólu s periodou asi 1200 let.

Vnější magnetické pole

Je určena zdroji v podobě proudových systémů umístěných mimo zemský povrch v její atmosféře. V horní části atmosféry (100 km a výše) - ionosféře - dochází k ionizaci jejích molekul, které tvoří plazma, proto se tato část zemské magnetosféry, zasahující do vzdálenosti až tří jejích poloměrů, nazývá tzv. plasmasféra. Plazma je drženo magnetickým polem Země, ale jeho stav je dán jeho interakcí se slunečním větrem – plazmovým tokem sluneční koróny.

Ve větší vzdálenosti od zemského povrchu je tedy magnetické pole asymetrické, neboť se vlivem slunečního větru deformuje: ze strany Slunce je stlačováno a ve směru od Slunce získává „ stezka“, která se táhne stovky tisíc kilometrů za oběžnou dráhu Měsíce. Tento zvláštní „ocasatý“ tvar nastává, když plazma slunečního větru a slunečních korpuskulárních toků proudí kolem zemského povrchu. magnetosféra- oblast blízkozemského prostoru, stále řízená magnetickým polem Země, a nikoli Sluncem a jinými meziplanetárními zdroji; je oddělena od meziplanetárního prostoru magnetopauza, kde je dynamický tlak slunečního větru vyrovnáván tlakem jeho vlastního magnetického pole. Subsolární bod magnetosféry je v průměru ve vzdálenosti 10 zemské poloměry * R⊕; při slabém slunečním větru tato vzdálenost dosahuje 15-20 R⊕ a během období magnetických poruch na Zemi může magnetopauza přesáhnout geostacionární dráhu (6,6 R⊕). Protáhlý ocas na noční straně má průměr asi 40 R⊕ a délku více než 900 R⊕; počínaje vzdáleností asi 8 R⊕ je rozdělena na části plochou neutrální vrstvou, ve které je indukce pole blízká nule.

Díky specifické konfiguraci indukčních čar vytváří geomagnetické pole magnetickou past pro nabité částice - protony a elektrony. Zachycuje a drží jich obrovské množství, takže magnetosféra je jakousi zásobárnou nabitých částic. Jejich celková hmotnost se podle různých odhadů pohybuje od 1 kg do 10 kg. Tvoří tzv radiační pás, pokrývající Zemi ze všech stran, kromě polárních oblastí. Konvenčně se dělí na dvě – vnitřní a vnější. Spodní hranice vnitřního pásu je v nadmořské výšce asi 500 km, jeho tloušťka je několik tisíc kilometrů. Vnější pás se nachází v nadmořské výšce 10-15 tisíc km. Částice radiačního pásu pod vlivem Lorentzovy síly provádějí složité periodické pohyby ze severní polokoule na jižní polokouli a zpět, přičemž se současně pomalu pohybují kolem Země v azimutu. V závislosti na energii udělají úplnou revoluci kolem Země za dobu od několika minut do dne.

Magnetosféra neumožňuje proudům kosmických částic přiblížit se k Zemi. V jejím ohonu se však ve velkých vzdálenostech od Země oslabuje intenzita geomagnetického pole, a tedy i jeho ochranné vlastnosti, a některé částice sluneční plazmy se dokážou dostat dovnitř magnetosféry a magnetických pastí radiačních pásů. Ohon tak slouží jako místo pro tvorbu proudů srážejících se částic, způsobujících polární záře a polární proudy. V polárních oblastech část proudu sluneční plazmy proniká z radiačního pásu Země do horních vrstev atmosféry a srážkou s molekulami kyslíku a dusíku je excituje nebo ionizuje, a když se vrátí do nevybuzeného stavu, atomy kyslíku emitují fotony. s λ = 0,56 μm a λ = 0,63 μm, zatímco molekuly ionizovaného dusíku při rekombinaci zvýrazňují modrý a fialový pás spektra. Zároveň jsou pozorovány polární záře, zvláště dynamické a jasné během magnetických bouří. Vznikají při poruchách v magnetosféře způsobených zvýšením hustoty a rychlosti slunečního větru se zvýšenou sluneční aktivitou.

Možnosti pole

Vizuální znázornění polohy čar magnetické indukce zemského pole je dáno magnetickou střelkou, upevněnou tak, že se může volně otáčet kolem svislé i vodorovné osy (například v závěsu kardanu) - v každém bodě blízko zemského povrchu je instalován určitým způsobem podél těchto linií.

Protože se magnetický a geografický pól neshodují, ukazuje magnetická střelka směr od severu k jihu jen přibližně. Vertikální rovina, ve které je magnetická střelka instalována, se nazývá rovina magnetického poledníku daného místa a přímka, podél které tato rovina protíná povrch Země, se nazývá magnetický poledník. Magnetické meridiány jsou tedy projekce magnetických siločar Země na její povrch, které se sbíhají na severním a jižním magnetickém pólu. Úhel mezi směry magnetického a geografického poledníku se nazývá magnetická deklinace. Může být západní (často označen „-“) nebo východní (označený „+“) v závislosti na tom, zda se severní pól magnetické střelky odchyluje na západ nebo na východ od svislé roviny geografického poledníku.

Kromě toho magnetické siločáry Země nejsou, obecně řečeno, rovnoběžné s jejím povrchem. To znamená, že magnetická indukce zemského pole neleží v rovině horizontu daného místa, ale svírá s touto rovinou určitý úhel – tzv. magnetický sklon. Pouze bodově se blíží nule magnetický rovník- kruhy velký kruh v rovině, která je kolmá k magnetické ose.

Magnetická deklinace a magnetická inklinace určují směr magnetické indukce zemského pole v každém konkrétním místě. A číselnou hodnotu této veličiny lze zjistit pomocí znalosti sklonu a jednoho z průmětů vektoru magnetické indukce B (\displaystyle \mathbf (B) )- do svislé popř horizontální osa(to druhé se v praxi ukazuje jako pohodlnější). Těmito třemi parametry jsou tedy magnetická deklinace, sklon a velikost vektoru magnetické indukce B (nebo vektoru síly magnetického pole H (\displaystyle \mathbf (H) )) - kompletně charakterizují geomagnetické pole v daném místě. Jejich přesné znalosti pro co největší počet bodů na Zemi jsou extrémně Důležité. Jsou vypracovány speciální magnetické karty, na kterých izogony(čáry stejné deklinace) a izokliny(čáry stejného sklonu) nutné pro orientaci pomocí kompasu.

V průměru se intenzita magnetického pole Země pohybuje od 25 000 do 65 000 nT (0,25 - 0,65 G) a je velmi závislá na geografické poloze. To odpovídá průměrné intenzitě pole asi 0,5 (40 /) . Na magnetickém rovníku je jeho hodnota asi 0,34, na magnetických pólech - asi 0,66 Oe. V některých oblastech (magnetické anomálie) se intenzita prudce zvyšuje: v oblasti magnetické anomálie Kursk dosahuje 2 Oe.

Povaha magnetického pole Země

Existenci magnetických polí Země a Slunce se poprvé pokusil vysvětlit J. Larmore v roce 1919, když navrhl koncept dynama, podle kterého k udržení magnetického pole nebeského tělesa dochází pod vlivem hydrodynamického pohybu elektricky vodivého média. Nicméně v roce 1934 T. Cowling dokázal větu o nemožnosti udržet osově symetrické magnetické pole pomocí hydrodynamického dynamo mechanismu. A protože většina z nich studovala nebeská těla(a zejména Země) byly považovány za osově symetrické, na základě toho bylo možné vyslovit předpoklad, že jejich pole bude také osově symetrické a pak by jeho generování podle tohoto principu bylo podle této věty nemožné. Později se ukázalo, že ne všechny rovnice s osovou symetrií, které popisují proces generování magnetického pole, budou mít osově symetrické řešení a v 50. letech 20. století. byla nalezena asymetrická řešení.

Od té doby se teorie dynama úspěšně rozvíjí a dnes je obecně přijímaným nejpravděpodobnějším vysvětlením vzniku magnetického pole Země a dalších planet samobuzení dynamo mechanismus založený na generování elektrického proudu ve vodiči. jak se pohybuje v magnetickém poli generovaném a zesilovaném těmito samotnými proudy. Nezbytné podmínky vznikají v zemském jádru: v kapalném vnějším jádru, tvořeném převážně železem o teplotě asi 4-6 tisíc kelvinů, které dokonale vede proud, vznikají konvektivní toky, které odvádějí teplo z pevného vnitřního jádra (vznikající vlivem tzv. rozpad radioaktivních prvků nebo uvolňování latentního tepla při tuhnutí hmoty na hranici mezi vnitřním a vnějším jádrem při postupném ochlazování planety). Coriolisovy síly stáčí tyto toky do charakteristických spirál, tvořících tzv Taylorovy sloupy. Díky tření vrstev získávají elektrický náboj, tvořící smyčkové proudy. Vzniká tak soustava proudů cirkulujících po vodivém obvodu ve vodičích pohybujících se v (zpočátku přítomném, i když velmi slabém) magnetickém poli jako ve Faradayově disku. Vytváří magnetické pole, které při příznivé geometrii proudění zesiluje počáteční pole, a to zase zesiluje proud a proces zesilování pokračuje, dokud tepelné ztráty Joule, rostoucí s rostoucím proudem, nevyrovnají příliv energie. pocházející z hydrodynamických pohybů.

Tento proces je popsán matematicky diferenciální rovnice

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

Kde u- rychlost proudění tekutiny, B- magnetická indukce, η = 1/μσ - magnetická viskozita, σ je elektrická vodivost kapaliny a μ je magnetická permeabilita, která se prakticky neliší. vysoká teplota jádra od μ 0 - propustnost vakua.

Pro úplný popis je však nutné sepsat soustavu magnetohydrodynamických rovnic. V Boussinesqově aproximaci (v rámci které se předpokládá, že všechny fyzikální vlastnosti kapaliny jsou konstantní, kromě Archimedovy síly, jejíž výpočet bere v úvahu změny hustoty v důsledku teplotních rozdílů) je to:

• Navier-Stokesova rovnice obsahující pojmy vyjadřující kombinovaný účinek rotace a magnetického pole:

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) ).

• Rovnice tepelné vodivosti vyjadřující zákon zachování energie:

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

Průlom v tomto ohledu dosáhly v roce 1995 skupiny z Japonska a Spojených států. Počínaje tímto okamžikem výsledky řady numerických modelovacích prací uspokojivě reprodukují kvalitativní charakteristiky geomagnetického pole v dynamice, včetně inverzí.

Změny magnetického pole Země

Potvrzuje to současný nárůst úhlu otevření cusps (polárních mezer v magnetosféře na severu a jihu), který do poloviny 90. let dosáhl 45°. Radiační materiál ze slunečního větru, meziplanetárního prostoru a kosmického záření se hnal do rozšířených mezer, v důsledku čehož se do polárních oblastí dostává více hmoty a energie, což může vést k dodatečnému zahřívání polárních čepiček [ ] .

Geomagnetické souřadnice (McIlwainovy ​​souřadnice)

Fyzika kosmického záření široce využívá specifické souřadnice v geomagnetickém poli, pojmenované po vědci Carlu McIlwainovi ( Carl McIlwain), který jako první navrhl jejich použití, protože jsou založeny na invariantech pohybu částic v magnetickém poli. Bod v dipólovém poli je charakterizován dvěma souřadnicemi (L, B), kde L je tzv. magnetická slupka, neboli McIlwainův parametr. L-shell, L-value, McIlwain L-parametr), B - indukce magnetického pole (obvykle v G). Za parametr magnetického obalu se obvykle považuje hodnota L, rovna poměru průměrné vzdálenosti skutečného magnetického obalu od středu Země v rovině geomagnetického rovníku k poloměru Země. .

Historie výzkumu

Před několika tisíci lety Starověká Čína bylo známo, že magnetizované objekty jsou umístěny v určitém směru, zejména střelka kompasu vždy zaujímá určitou pozici v prostoru. Díky tomu mohlo lidstvo odedávna používat takový šíp (kompas) k plavbě na otevřeném moři daleko od břehů. Před Kolumbovou cestou z Evropy do Ameriky (1492) však nikdo nevěnoval zvláštní pozornost studiu tohoto jevu, protože vědci té doby věřili, že k němu dochází v důsledku přitahování jehly severní hvězdou. V Evropě a mořích, které ji omývají, byl tehdejší kompas instalován téměř podél geografického poledníku. Při překračování Atlantského oceánu si Kolumbus všiml, že přibližně v polovině cesty mezi Evropou a Amerikou se střelka kompasu odchýlila téměř o 12° na západ. Tato skutečnost okamžitě vyvolala pochybnosti o správnosti předchozí hypotézy o přitahování jehly Polárkou a dala podnět k dalšímu serióznímu studiu otevřený fenomén: námořníci potřebovali informace o magnetickém poli Země. Od tohoto okamžiku začala nauka o pozemském magnetismu, začalo se plošné měření magnetické deklinace, tedy úhlu mezi geografickým poledníkem a osou magnetické střelky, tedy magnetickým poledníkem. V roce 1544 německý vědec Georg Hartmann objevil nový jev: magnetická střelka se nejen odchyluje od geografického poledníku, ale protože je zavěšena na těžišti, má tendenci stát v určitém úhlu k vodorovné rovině, který se nazývá magnetický sklon.

Od té chvíle spolu se studiem fenoménu vychylování začali vědci zkoumat také sklon magnetické střelky. José de Acosta (jeden z zakladatelé geofyziky, podle Humboldta) v jeho Příběhy(1590) se poprvé objevila teorie čtyř čar bez magnetické deklinace. Popsal použití kompasu, úhel vychýlení, rozdíly mezi magnetickým pólem a severním pólem a variace výchylek z jednoho bodu do druhého, přičemž identifikoval místa s nulovou výchylkou, jako jsou Azory.

V důsledku pozorování bylo zjištěno, že jak deklinace, tak sklon mají různé hodnoty v různých bodech zemského povrchu. Navíc jejich změny z bodu do bodu podléhají nějakému složitému vzoru. Její výzkum umožnil dvornímu lékaři anglické královny Alžběty a přírodnímu filozofovi Williamu Gilbertovi předložit v roce 1600 ve své knize „De Magnete“ hypotézu, že Země je magnet, jehož póly se shodují s geografickými póly. Jinými slovy, W. Gilbert věřil, že pole Země je podobné poli zmagnetizované koule. W. Gilbert své tvrzení opřel o experiment s modelem naší planety, kterým je zmagnetizovaná železná koule a malý železný šíp. Gilbert věřil, že hlavním argumentem ve prospěch jeho hypotézy bylo, že magnetický sklon naměřený na takovém modelu se ukázal být téměř stejný jako sklon pozorovaný na zemském povrchu. Gilbert vysvětlil nesoulad mezi zemskou deklinací a deklinací modelu vychylovacím účinkem kontinentů na magnetickou střelku. Přestože se mnohá později zjištěná fakta s Hilbertovou hypotézou neshodovala, neztrácí na významu dodnes. Gilbertova hlavní myšlenka, že příčina pozemského magnetismu by měla být hledána uvnitř Země, se ukázala jako správná, stejně jako skutečnost, že k prvnímu přiblížení je Země skutečně velkým magnetem, což je rovnoměrně zmagnetizovaná koule.

V roce 1634 anglický astronom Henry Gellibrand?! zjistili, že magnetická deklinace v Londýně se v průběhu času mění. Jednalo se o první zaznamenaný důkaz sekulárních variací - pravidelných (z roku na rok) změn průměrných ročních hodnot složek geomagnetického pole.

Úhly sklonu a sklonu určují směr v prostoru síly magnetického pole Země, ale nemohou poskytnout jeho číselnou hodnotu. Do konce 18. stol. měření intenzity nebyla provedena z toho důvodu, že nebyly známy zákony interakce mezi magnetickým polem a zmagnetizovanými tělesy. Teprve poté v letech 1785-1789. Francouzský fyzik Charles Coulomb zavedl zákon pojmenovaný po něm a možnost takových měření se stala možnou. Od konce 18. století se spolu s pozorováním deklinace a inklinace začala rozšiřovat pozorování horizontální složky, což je projekce vektoru síly magnetického pole na vodorovnou rovinu (při znalosti deklinace a inklinace je možné vypočítat hodnotu celkového vektoru síly magnetického pole).

První teoretická práce o tom, co je magnetické pole Země, tedy jaká je velikost a směr jeho intenzity v každém bodě zemského povrchu, patří německému matematikovi Carlu Gaussovi. V roce 1834 dal matematický výraz pro složky napětí jako funkci souřadnic – zeměpisné šířky a délky místa pozorování. Pomocí tohoto výrazu je možné pro každý bod na zemském povrchu najít hodnoty kterékoli ze složek, které se nazývají prvky zemského magnetismu. Toto a další Gaussovy práce se staly základem, na kterém byla budova postavena moderní věda o zemském magnetismu. Zejména v roce 1839 dokázal, že hlavní část magnetického pole vychází ze Země a příčinu malých, krátkých odchylek v jeho hodnotách je třeba hledat ve vnějším prostředí.

V roce 1831 anglický polární badatel John Ross objevil magnetický severní pól v kanadském souostroví - oblast, kde magnetická střelka zabírá vertikální poloze, to znamená, že sklon je 90°. A v roce 1841 James Ross (synovec Johna Rosse) dosáhl druhého magnetického pólu Země, který se nachází v Antarktidě.

viz také

• Intermagnet (Angličtina)

Poznámky

1. Vědci v USA zjistili, že magnetické pole Země je o 700 milionů let starší, než se dříve myslelo
2. Edward Kononovič. Magnetické pole Země (nedefinováno) . http://www.krugosvet.ru/. Encyklopedie kolem světa: Univerzální online populárně naučná encyklopedie. Staženo 26. 4. 2017.
3. Geomagnetismus Často Kladené Otázky(Angličtina) . https://www.ngdc.noaa.gov/ngdc.html. Národní centra pro informace o životním prostředí (NCEI). Staženo 23. dubna 2017.
4. A. I. Djačenko. Magnetické póly Země. - Moskva: Nakladatelství Moskevského centra pro další matematické vzdělávání, 2003. - 48 s. - ISBN 5-94057-080-1.
5. A. V. Vikulín. VII. Geomagnetické pole a elektromagnetismus Země// Úvod do fyziky Země. Učebnice pro geofyzikální obory na vysokých školách.. - Státní nakladatelství Kamčatka pedagogickou univerzitu, 2004. - 240 s. - ISBN 5-7968-0166-X.