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Planeta Tierra

© Vladímir Kalanov,
sitio web"El conocimiento es poder".

El campo magnético de la Tierra

Estos son procesos que son inaccesibles a la observación directa y la investigación sólo en la etapa inicial. Pero cuando estos procesos se manifiestan en la superficie de la tierra, cuando, como dicen, se desarrollan con toda su fuerza, se vuelven visibles y muy perceptibles para todos los que se encuentran en la zona de su acción.

Pero también hay procesos invisibles en funcionamiento en la Tierra que los humanos casi no sienten. En primer lugar, esto es magnetismo terrestre. El fenómeno del magnetismo es conocido por la gente desde hace mucho tiempo. El magnetismo debe su nombre a la ciudad de Magnetia en Asia Menor, donde se descubrieron depósitos de mineral de hierro magnético, "una piedra que atrae el hierro". La primera evidencia escrita de las propiedades de un imán la encontramos, en particular, en el poema “Sobre la naturaleza de las cosas” de Tito Lucrecio Cara, escrito en el siglo I a.C. Lucrecio explicó el magnetismo mediante "corrientes magnéticas" que fluyen desde la "piedra magnética".

La gente ha encontrado desde hace mucho tiempo usos para las propiedades de los imanes. Una de las primeras aplicaciones de este tipo fue la brújula como simple dispositivo de navegación. La brújula se inventó en China alrededor de mil años antes de Cristo. En Europa, la brújula se conoce desde el siglo XII. Hoy en día es absolutamente imposible imaginar muchas industrias sin el uso de imanes y electroimanes.

La región del espacio cercano a la Tierra dentro de la cual se detecta el campo magnético de la Tierra se llama magnetosfera. El magnetismo es una propiedad integral y global de la naturaleza. La creación de una teoría completa del magnetismo terrestre y solar es todavía una cuestión de futuro. Pero la ciencia ya ha descubierto muchas cosas y proporciona explicaciones bastante convincentes para algunos aspectos de un fenómeno tan complejo como el magnetismo. En particular, muchos científicos y ciudadanos comunes están preocupados posibles consecuencias un fenómeno como un debilitamiento gradual campo magnético Tierra.

De hecho, desde la época de Carl Gauss, quien midió por primera vez la fuerza del campo magnético de la Tierra, es decir Durante más de 170 años, el campo magnético de la Tierra se ha ido debilitando constantemente. Pero el campo magnético es una especie de escudo que cubre la Tierra y toda la vida que hay en ella de los efectos destructivos de la radiación del llamado viento solar, es decir, electrones, protones y otras partículas emitidas por el Sol. La magnetosfera terrestre desvía el flujo de estas y otras partículas que vuelan desde el espacio hacia los polos, privándolas de su energía inicial. En los polos de la Tierra, los flujos de estas partículas cósmicas se retrasan durante capas superiores atmósfera, convirtiéndose en fenómenos de aurora fantásticamente hermosos.

Si no hubiera viento solar, el campo magnético de la Tierra sería simétrico con respecto al planeta, como se muestra en la Figura 1. La Figura 2 muestra la magnetosfera real de la Tierra, deformada por el viento solar. La tercera imagen muestra la discrepancia entre los polos magnético y geográfico.

Si no hay campo magnético

Pero si no hay campo magnético, o si se vuelve muy débil, entonces toda la vida en la Tierra estará bajo la influencia directa de la radiación solar y cósmica. Y esto, como se puede suponer, provocará daños por radiación a los organismos vivos, lo que provocará su mutación en una dirección indefinida o la muerte. Afortunadamente, tal perspectiva es poco probable. Paleomagnetólogos, es decir. Quienes estudian los campos magnéticos antiguos han podido establecer con un grado razonable de certeza que el campo magnético de la Tierra oscila constantemente con diferentes periodos. Cuando se sumaron todas las curvas de oscilación, la curva resultante tenía una forma cercana a una sinusoide con un período de 8 mil años. El segmento de esta curva correspondiente a nuestro tiempo (principios de la década de 2000) se encuentra en la rama descendente de esta curva. Y este declive continuará durante unos dos mil años. Después de esto, el campo magnético comenzará a fortalecerse nuevamente. Este fortalecimiento del campo continuará durante cuatro mil años, luego se producirá nuevamente un declive. El máximo anterior se produjo a principios de nuestra era. Es esencial que la amplitud de la sinusoide sumadora sea inferior a la mitad del valor medio de la intensidad del campo, es decir estas fluctuaciones no pueden reducir a cero la fuerza del campo magnético de la Tierra.

Aquí, en nuestro sitio web, por razones de brevedad, no podemos considerar en detalle la metodología de investigación que llevó a conclusiones tan optimistas. Los científicos han expresado diferentes opiniones sobre las causas de las fluctuaciones del campo magnético, pero no existe una teoría definitiva sobre este problema. Agreguemos que la ciencia ha demostrado la existencia de un fenómeno como la inversión, es decir Intercambio periódico de los polos magnéticos de la Tierra en algunos lugares: el polo norte se mueve hacia el lugar del sur, el sur, hacia el lugar del norte. Estos movimientos duran de 5 a 10 mil años. En la historia de nuestro planeta, tales "saltos" de los polos se han producido cientos de veces. El último movimiento de este tipo ocurrió hace 700 mil años. No se ha identificado ninguna periodicidad o regularidad específica de este fenómeno. Las razones de estas inversiones polares están ocultas en las complejas interacciones de la parte líquida del núcleo de la Tierra con el espacio. Los paleomagnetólogos han descubierto que en la Tierra también se produjeron desplazamientos de los polos magnéticos respecto de los geográficos a largas distancias, que terminaron, sin embargo, con el regreso de los polos a su lugar anterior.

Hay sugerencias de que durante las inversiones polares, el campo magnético de la Tierra desaparece y el planeta permanece durante algún tiempo sin su armadura protectora invisible. Pero estas suposiciones no encuentran una justificación científica confiable y no son más que suposiciones.

Algunos científicos generalmente creen que los cambios repentinos en la magnetosfera de la Tierra no son peligrosos porque, en su opinión, la principal protección contra la radiación cósmica para todos los seres vivos no es el campo magnético, sino la atmósfera. Esta opinión la comparte, en particular, el biólogo evolutivo profesor B.M. Médnikov. En otras palabras, el problema de la interacción del campo magnético con los procesos de la vida en la Tierra aún está lejos de estar completamente claro y todavía hay suficiente trabajo por hacer para los investigadores.

La influencia de un campo magnético en los organismos vivos.

Se sabe desde hace mucho tiempo que los campos magnéticos tienen un efecto negativo en los organismos vivos. Los experimentos con animales han demostrado que un campo magnético externo retrasa su desarrollo, ralentiza el crecimiento celular y cambia la composición de la sangre. Durante las llamadas tormentas magnéticas, es decir En caso de fuertes fluctuaciones en la intensidad del campo magnético, las personas enfermas que dependen del clima experimentan un deterioro de su salud.

La intensidad del campo magnético se mide en oersteds (E). Esta unidad lleva el nombre del físico danés Hans Oersted (1777-1851), quien descubrió la conexión entre los fenómenos eléctricos y magnéticos.

Dado que las personas pueden estar expuestas a campos magnéticos en el trabajo y en casa, se han desarrollado niveles permisibles de intensidad de campo magnético. Según diversas estimaciones, un campo magnético con una intensidad de 300 a 700 grados se considera seguro para los humanos. Para ser más precisos, en la producción y en la vida cotidiana, una persona no se ve afectada por campos magnéticos, sino electromagnéticos. El hecho es que durante el funcionamiento de cualquier dispositivo eléctrico o de radio, tanto los campos magnéticos como los eléctricos solo pueden aparecer como un todo, lo que se denomina campo electromagnético. Esto se explica por la naturaleza común de los fenómenos magnéticos y eléctricos.

Cabe señalar que el lado físico del proceso de influencia de un campo magnético en cuerpo humano Aún no está del todo claro. El campo magnético también afecta a las plantas. Según los resultados de algunos experimentos, resulta que la germinación y el crecimiento de las semillas dependen de cómo se orientaron inicialmente en relación con el campo magnético de la Tierra. Cambiar el campo magnético externo puede acelerar o inhibir el desarrollo de las plantas. Quizás este fenómeno se utilice de alguna manera en la práctica agrícola.

Entonces, a nuestro alrededor hay campos magnéticos generados por la propia naturaleza y creados por fuentes de origen artificial, desde generadores y transformadores de corriente alterna hasta hornos microondas y teléfonos móviles.

La intensidad del campo magnético de la Tierra

¿Cuál es la fuerza del campo magnético de la Tierra? No es igual en todas partes y varía de 0,24 Oe (en Brasil) a 0,68 Oe (en la Antártida). Se cree que la intensidad media del campo geomagnético es de 0,5 oersted. En lugares donde se encuentran grandes depósitos de materiales ferromagnéticos (minerales de hierro), se producen anomalías magnéticas. La anomalía magnética de Kursk es ampliamente conocida en Rusia, donde la intensidad del campo es 2 Oe. A modo de comparación: la intensidad del campo magnético de Mercurio es 1/500 Oe, la Luna - 10 -5 Oe y el medio interestelar es incluso menor: 10. -8 Oe. Pero la intensidad del campo magnético de las manchas solares es enorme y equivale a 10 3 Oe. Las estrellas enanas blancas tienen campos aún más fuertes: hasta 10 7 Oe. Los campos magnéticos más fuertes registrados en el Universo son creados por estrellas de neutrones y púlsares. ¡La intensidad del campo magnético de estos objetos espaciales alcanza los 10 12 oersted! En condiciones de laboratorio, es posible alcanzar una intensidad magnética cientos de miles de veces más débil, e incluso así durante un tiempo medido en fracciones de segundo. Los expertos sugieren que si fuera posible en condiciones de laboratorio obtener campos magnéticos comparables en intensidad a los que actúan sobre estrellas de neutrones, entonces se producirían transformaciones asombrosas con objetos expuestos a campos tan inimaginables. Por ejemplo, el hierro, cuya densidad es condiciones normales igual a 7,87 g/cm³, bajo la influencia de tales campos se convertiría en una sustancia con una densidad de 2700 g/cm³. Un cubo con una arista de 10 cm de dicha sustancia pesaría 2,7 toneladas y para moverlo se necesitaría una potente grúa.

El campo magnético de la Tierra.

Principales temas discutidos en la conferencia:

1. La naturaleza del geomagnetismo.

2. Elementos del campo magnético terrestre.

3. Estructura del campo geomagnético.

4. Magnetosfera y cinturones de radiación de la Tierra.

5. Variaciones seculares del campo geomagnético.

6. Anomalías del campo geomagnético.

1. La naturaleza del geomagnetismo. El magnetismo terrestre, o geomagnetismo, es una propiedad de la Tierra como cuerpo celeste que determina la existencia de un campo magnético a su alrededor. La geomagnetología es la ciencia de la tierra.

La teoría de la dinamo hidromagnética se basa en el hecho establecido por los geofísicos de que a una profundidad de 2900 km se encuentra un núcleo exterior de la Tierra "líquido" con buena conductividad eléctrica (106-105 S/m).

La idea de una dinamo hidromagnética fue propuesta por primera vez en 1919 por Larmore en Inglaterra para explicar el magnetismo del Sol. En El magnetismo de la Tierra (1947), el físico soviético Ya. I. Frenkel expresó la idea de que la convección térmica en el núcleo de la Tierra es precisamente la razón que activa la dinamo hidromagnética del núcleo de la Tierra.

Las principales disposiciones de la hipótesis de la dinamo hidromagnética son las siguientes.

1. Gracias al llamado efecto giromagnético (del griego Gyro - giro, giro) y a la rotación de la Tierra durante su formación, podría surgir un campo magnético muy débil. El efecto giromagnético es la magnetización de cuerpos ferromagnéticos debido a su rotación y rotación bajo determinadas condiciones de magnetización. El efecto giromagnético revela una conexión entre los momentos mecánicos y magnéticos de un átomo.

2. La presencia de electrones libres en el núcleo y la rotación de la Tierra en un campo magnético tan débil llevaron a la inducción de corrientes eléctricas parásitas en el núcleo.

3. Las corrientes parásitas inducidas a su vez crean (generan) un campo magnético, como ocurre en las dinamos. Un aumento del campo magnético de la Tierra debería provocar un nuevo aumento de las corrientes parásitas en el núcleo, y estas últimas deberían provocar un aumento del campo magnético.

4. Un proceso similar a la regeneración dura hasta la disipación de energía debido a la viscosidad del núcleo y su resistencia eléctrica no se compensa con la energía adicional de las corrientes parásitas y otras razones.

Así, según Frenkel, el núcleo de la Tierra es una especie de turbogenerador natural. El papel de una turbina en él lo desempeñan los flujos de calor: levantan grandes masas de metal fundido, que tiene la propiedad de un líquido, desde las profundidades del núcleo hacia arriba a lo largo del radio. Las partículas más frías y, por tanto, más pesadas de las capas superiores se hunden. La fuerza de Coriolis los "hace girar" eje de la tierra, formando así bobinas gigantes dentro de la “dinamo terrestre”. En estos flujos cerrados de metal caliente, como en las espiras de alambre de la armadura de una dinamo ordinaria, hace tiempo que debería haber surgido una corriente de inducción. Gradualmente magnetizó el núcleo de la Tierra. El campo magnético inicial, muy débil, se fue intensificando hasta que, con el tiempo, alcanzó su valor límite. Este límite se alcanzó en un pasado lejano. Y aunque el turbogenerador terrestre sigue funcionando, la energía cinética de los flujos de metal líquido ya no se gasta en magnetizar el núcleo terrestre, sino que se convierte enteramente en calor.

El campo magnético de la Tierra existe desde hace unos 3.000 millones de años, aproximadamente 1.500 millones de años más joven que su edad. Esto significa que no era relicto y, en ausencia de un mecanismo de restauración, no podría haber existido durante toda la historia geológica de la Tierra.

2. Elementos del campo magnético terrestre. En cada punto de la superficie terrestre, el campo magnético se caracteriza por un vector de intensidad total Ht, cuya magnitud y dirección están determinadas por los tres elementos del magnetismo terrestre; componente horizontal de la tensión H, declinación magnética D e inclinación I. La declinación magnética es el ángulo en el plano horizontal entre los meridianos geográfico y magnético; La inclinación magnética es el ángulo en el plano vertical entre el plano horizontal y la dirección del vector completo Hm.

Las cantidades H, X, Y, Z, D e I se denominan elementos del magnetismo terrestre, mientras que los elementos H, X, Y y Z se denominan componentes de fuerza del campo magnético terrestre, y D e I se denominan componentes de fuerza del campo magnético terrestre, y D e I se denominan componentes de fuerza del campo magnético terrestre. unos.

El vector total de la intensidad del campo magnético terrestre Ht, sus componentes de fuerza H, X, Y y Z tienen la dimensión A/m, la declinación D y la inclinación I: grados angulares, minutos y segundos. La intensidad del campo magnético de la Tierra es relativamente baja: el vector total Ht varía de 52,5 A/m en el polo a 26,3 A/m en el ecuador.

Arroz. 5.1 – Elementos del magnetismo terrestre

Valores absolutos los valores de los elementos del magnetismo terrestre son pequeños y, por lo tanto, se utilizan instrumentos de alta precisión para medirlos: magnetómetros y variómetros magnéticos; Existen variómetros para medir los valores H y Z. Se utilizan estaciones magnéticas móviles equipadas con complejos magnetómetros óptico-mecánicos y cuánticos. Las líneas que conectan puntos en el mapa con la misma declinación D se llaman isógonos, con la misma inclinación I - isoclinas, con la misma H o Z - isodinas de las componentes horizontales o verticales del vector de tensión total Ht y con la misma X o Y - isodinas de los componentes norte u este. Los valores de los elementos del magnetismo terrestre cambian continuamente con el tiempo y por ello los mapas magnéticos se actualizan cada cinco años.

3. Estructura del campo geomagnético. El campo magnético de la Tierra tiene una estructura heterogénea. Consta de dos partes: campos constantes y alternos. El campo constante es causado por fuentes internas de magnetismo; Las fuentes del campo alterno son las corrientes eléctricas en las capas superiores de la atmósfera: la ionosfera y la magnetosfera. A su vez, un campo magnético constante es de naturaleza no homogénea y consta de varias partes. Por tanto, en general, el campo magnético de la Tierra está formado por los siguientes campos:

Нт =Ho+Hm+Ha+Hв+δH, (5.1)

donde Нт – intensidad del campo magnético de la Tierra; Pero, ¿es la intensidad del campo dipolar creada por la magnetización uniforme del globo? Nm es la fuerza del campo no dipolar o continental creado razones internas, provocada por la heterogeneidad de las capas profundas de la Tierra; Na es la intensidad del campo anómalo creado por diferentes magnetizaciones. partes superiores la corteza terrestre; Нв – intensidad de campo, cuya fuente está asociada a causas externas; δH – intensidad de campo de las variaciones magnéticas causadas por causas externas.

La suma de los campos Ho+Hm=NG forma el campo magnético principal de la Tierra. El campo anómalo consta de dos partes: un campo de carácter regional Нр y un campo de carácter local (local) Нл. Una anomalía local se puede superponer a una anomalía regional, y luego Ha = Нр+Нл.

La suma de los campos Ho+Hm+Hb suele denominarse campo normal. Sin embargo, el campo de Hb hace una contribución muy pequeña al campo geomagnético general Hb. Un estudio sistemático del campo geomagnético, según observatorios magnéticos y estudios magnéticos, muestra que el campo externo en relación con el campo interno es inferior al 1% y, por lo tanto, puede despreciarse. En este caso, el campo normal coincide con el campo magnético principal de la Tierra.

Los polos geomagnéticos están ubicados donde el eje magnético de la Tierra se cruza con la superficie de la Tierra. Aunque el polo norte magnético se encuentra en el hemisferio sur y el polo sur en el hemisferio norte, en la vida cotidiana se les llama por analogía con los polos geográficos.

Con el tiempo, los polos magnéticos cambian de posición. Así, el polo norte magnético se mueve a través de la superficie de la Tierra a 20,5 m (7,5 km por año) por día, y el polo sur a 30 m (11 km por año).

4. Magnetosfera y cinturones de radiación de la Tierra. El campo magnético de la Tierra existe no sólo cerca de la superficie terrestre, sino también en largas distancias de él, que fue descubierto utilizando cohetes espaciales y estaciones espaciales interplanetarias. A una distancia de 10 a 14 radios terrestres, el campo geomagnético se encuentra con el campo magnético entre placas y el campo del llamado viento solar. El viento solar es la salida de plasma de la corona solar (gas coronario compuesto principalmente de hidrógeno y helio) hacia el espacio interplanetario. La velocidad de las partículas del viento solar (protones y electrones) es enorme: unos 400 km/s, el número de partículas (corpúsculos) es de varias decenas por 1 cm 3 y la temperatura alcanza entre 1,5 y 2 millones de grados. En el límite del campo magnético y el campo magnético de la Tierra, la intensidad es de aproximadamente (0,4–0,5)·10-2 A/m.

El área de acción del campo magnético de la Tierra se llama magnetosfera y su límite exterior se llama magnetopausa (fig. 5.3). El campo geomagnético está significativamente influenciado por el viento solar. La magnetosfera se extiende a distancias enormes: la más pequeña, hacia el Sol, alcanza entre 10 y 14 radios terrestres, la más grande, en el lado nocturno, alrededor de 16 radios terrestres. La cola magnética tiene dimensiones aún mayores (según datos de satélites terrestres artificiales: cientos de radios terrestres).

Figura 5.3 – Estructura de la magnetosfera de la Tierra: 1 – viento solar; 2 – frente de choque; 3 – cavidad magnética; 4 – magnetopausa; 5 - limite superior brecha magnetosférica polar; 6 – manto de plasma; 7 – cinturón de radiación exterior o plasmasfera; 9 – capa neutra; 10 – capa de plasma

El máximo del cinturón interior de protones se encuentra a una distancia de 3,5 radios terrestres (22 mil km). Dentro de la plasmasfera, cerca de la superficie de la Tierra, hay un segundo cinturón de radiación de electrones. Cerca de los polos, este cinturón se encuentra a una distancia de 100 km, pero su parte principal se encuentra a una distancia de 4,4 a 10 mil km de la superficie del planeta. Los electrones que contiene tienen una energía de decenas a cientos de keV. La intensidad de los flujos de electrones se estima en 109 partículas por cm 2 /s, es decir, un orden de magnitud mayor que en el cinturón de electrones exterior.

La potencia de radiación en los cinturones de radiación es bastante alta: varios cientos e incluso miles de equivalentes biológicos de rayos X por día. Por lo tanto, las naves espaciales con astronautas a bordo se lanzan a órbitas ubicadas debajo de estos cinturones.

Si no hubiera magnetosfera, las corrientes de viento solar y cósmico, al no encontrar resistencia, se precipitarían a la superficie de la Tierra y tendrían un efecto perjudicial sobre todos los seres vivos, incluidos los humanos.

5. Variaciones seculares del campo geomagnético. El proceso de cambiar los valores medios anuales de uno u otro elemento del magnetismo terrestre durante un período de varias décadas y siglos se denomina variaciones seculares, y su cambio de un año a otro se denomina curso secular.

El llamado efecto de "congelar el campo magnético en el material" nos permite juzgar el pasado del campo geomagnético: su dirección e intensidad. Cualquier roca, cualquier sustancia que contenga hierro u otro elemento ferromagnético está constantemente bajo la influencia del campo magnético terrestre. Los imanes elementales de este material tienden a orientarse a lo largo de líneas de campo magnético.

Si el material se calienta, llegará un punto en el que el movimiento térmico de las partículas se volverá tan energético que destruirá el orden magnético. Luego, cuando el material se enfría, a partir del punto Curie (el punto Curie es la temperatura por debajo de la cual las rocas se vuelven ferromagnéticas; para el hierro puro el punto Curie es 769 ° C, para la magnetita - 580 ° C), prevalece el campo magnético. sobre las fuerzas del movimiento caótico. Los imanes elementales se alinearán nuevamente según lo indique el campo magnético y permanecerán en esta posición hasta que el cuerpo se caliente nuevamente. Por tanto, el campo geomagnético parece estar “congelado” en el material.

Actualmente, el campo magnético de la Tierra disminuye un 2,5% cada 100 años, y en unos 4.000 años, si la naturaleza de esta disminución no cambia, debería disminuir a cero. Sin embargo, los paleomagnetólogos sostienen que esto no sucederá.

Si sumamos todas las curvas cíclicas con diferentes períodos de oscilación del campo magnético de la Tierra, obtenemos la llamada "curva suavizada o promediada", que coincide bastante bien con una sinusoide que tiene un período de 8.000 años. Actualmente, el valor total de las oscilaciones del campo magnético se encuentra en el segmento descendente de la sinusoide.

Las diferentes duraciones de los períodos de oscilación del campo geomagnético aparentemente se explican por el desequilibrio de las partes móviles de la dinamo hidromagnética y sus diferentes conductividades eléctricas.

La inversión es el intercambio de polos magnéticos en algunos lugares. Durante las inversiones, el polo norte magnético se mueve hacia el lugar del sur y el sur hacia el lugar del norte.

A veces, en lugar de inversión, se habla de un “salto” de los polos. Sin embargo, esta palabra en relación con los polos no es del todo adecuada, ya que los polos no se mueven tan rápido; según algunas estimaciones, el "salto" dura 5 o incluso 10 mil años.

Durante los últimos 600 mil años, se han establecido 12 épocas de inversión del campo geomagnético (Gottenborg - 10-12 mil años, Lachami - 20-24 mil años, etc.). Es característico que con estas épocas coincidan importantes cambios geológicos, climáticos y biológicos en el planeta.

6. Anomalías del campo geomagnético. La anomalía magnética es una desviación de los valores de los elementos del magnetismo terrestre de valores normales, que se observaría en un lugar determinado en el caso de una magnetización uniforme de la Tierra.

Si se detectan cambios bruscos en la declinación e inclinación magnética en algún lugar, esto indica que debajo de la superficie terrestre se esconden rocas que contienen minerales ferromagnéticos. Estos incluyen magnetita, titanomagnetita, hematita, etc. La magnetita tiene la mayor susceptibilidad magnética, por lo que un número significativo de anomalías están asociadas con su presencia en las rocas.

Según su tamaño, las anomalías magnéticas se dividen en continentales, regionales y locales. Las anomalías continentales son consecuencia de la presencia de poderosas corrientes parásitas debajo de sus centros. Las causas de las anomalías regionales y locales son rocas con propiedades magnéticas aumentadas. Estas rocas, al estar en el campo magnético de la Tierra, se magnetizan y crean un campo magnético adicional.

Las propiedades magnéticas son inherentes en un grado u otro a todas las rocas. Cuando se coloca una roca en un campo magnético, cada elemento de su volumen se magnetiza. La capacidad de una sustancia para cambiar su magnetización bajo la influencia de un campo magnético externo se llama susceptibilidad magnética. Dependiendo de valor numérico y el signo de la susceptibilidad magnética, todas las sustancias naturales se dividen en tres grupos: diamagnéticas, paramagnéticas y ferromagnéticas. Además, para las sustancias diamagnéticas la susceptibilidad magnética es negativa y para las sustancias paramagnéticas y ferromagnéticas es positiva.

Para las sustancias diamagnéticas (cuarzo, mármol, grafito, cobre, oro, plata, plomo, agua, etc.), la magnetización es proporcional a la intensidad del campo magnético y está dirigida hacia él. Las sustancias diamagnéticas provocan un debilitamiento del campo magnético terrestre y contribuyen a la formación de anomalías magnéticas negativas.

En sustancias paramagnéticas (rocas metamórficas e ígneas, metales alcalinos, etc.), la magnetización también es proporcional a la intensidad del campo magnético, pero a diferencia de las sustancias diamagnéticas, tiene la misma dirección que éste. En sustancias ferromagnéticas (hierro, níquel, cobalto, etc.), la magnetización es mucho mayor que en sustancias diamagnéticas y paramagnéticas, no es proporcional a la intensidad del campo magnético y depende en gran medida de la temperatura y la "prehistoria magnética" de la sustancia. .

La principal contribución a la creación de anomalías en los campos magnéticos la hacen los minerales ferromagnéticos (magnetita, titanomagnetita, ilmenita, etc.) y las rocas orgullosas que los contienen. Dado que, en general, la susceptibilidad magnética de las rocas varía dentro de amplios límites (millones de veces), la intensidad de las anomalías del campo magnético también varía dentro de amplios límites.

El campo magnético alterno de la Tierra. Las fuentes de campos magnéticos alternos se encuentran fuera del espacio de la Tierra. Por su origen, son corrientes inductivas que surgen en capas altas de la atmósfera (desde cien hasta varios miles de kilómetros). Las corrientes de inducción se forman por la salida de plasma, una corriente de partículas cargadas de ambos signos (corpúsculos) que vuelan desde el Sol. Al penetrar en el campo magnético de la Tierra, los corpúsculos son capturados por él y provocan una serie de fenómenos complejos, como la ionización de la atmósfera, las auroras, la formación de los cinturones de radiación de la Tierra, etc.

El campo magnético alterno se superpone al campo magnético principal de la Tierra y provoca sus diversas variaciones en el tiempo. Algunos de ellos ocurren sin problemas y siguen un patrón determinado. Éstas son las llamadas variaciones periódicas (imperturbadas). Otros son de naturaleza caótica, los parámetros del campo geomagnético (períodos, amplitudes, fases) cambian de valor de forma continua y brusca.

Las variaciones solares-diurnas son cambios en los elementos del magnetismo terrestre con un período igual a la duración del día solar. Las variaciones solar-diurnas de los elementos del magnetismo terrestre dependen de la época del año y de la latitud geográfica, ya que están determinadas por la intensidad de los rayos ultravioleta del Sol y, por tanto, por la posición de la Tierra con respecto al Sol. Es característico que las fases de las oscilaciones tanto en latitud como en época del año permanezcan prácticamente sin cambios; lo que cambia principalmente son las amplitudes de las oscilaciones;

Las variaciones diurnas lunares en los elementos del magnetismo terrestre están asociadas con la posición de la Luna con respecto al horizonte y son causadas por el efecto de la gravedad de la Luna sobre la atmósfera terrestre. Las variaciones diurnas lunares en los elementos del magnetismo terrestre son pequeñas: representan sólo del 10 al 15% de las variaciones diurnas solares.

Las oscilaciones no periódicas perturbadas incluyen tormentas magnéticas. Uno de ellos rasgos característicos- aparición repentina. En el contexto de un campo magnético bastante tranquilo, casi al mismo tiempo en todo el mundo, todos los elementos del magnetismo terrestre cambian repentinamente de valor y el curso posterior de la tormenta sufre cambios muy rápidos y continuos.

Según su intensidad (amplitud), las tormentas magnéticas suelen dividirse en débiles, moderadas y grandes. Las amplitudes de los elementos del magnetismo terrestre durante tormentas magnéticas muy grandes alcanzan varios grados para la declinación magnética y –2–4 A/m o más para las componentes vertical y horizontal. La intensidad de las tormentas aumenta desde latitudes geomagnéticas bajas a altas. La duración de las tormentas suele ser de varios días. La frecuencia y fuerza de las tormentas magnéticas depende de la actividad solar.

EN últimos años Los científicos comenzaron a obtener beneficios prácticos de las tormentas magnéticas y tuvieron la oportunidad de "sondear" la Tierra a grandes profundidades con su ayuda. El método de estudio del interior de la Tierra mediante perturbaciones magnéticas se denomina sondeo magnético-telúrico, ya que considera simultáneamente las perturbaciones magnéticas y las corrientes telúricas (es decir, terrestres) provocadas por ellas en la Tierra. Como resultado del sondeo magnético-telúrico, se estableció que a una profundidad de 300 a 400 km la conductividad eléctrica de la Tierra aumenta considerablemente. Hasta estas profundidades, la Tierra es prácticamente un aislante.

El campo magnético de la Tierra es una formación generada por fuentes en el interior del planeta. Es objeto de estudio en el apartado correspondiente de geofísica. A continuación, veamos más de cerca qué es el campo magnético de la Tierra y cómo se forma.

información general

No muy lejos de la superficie de la Tierra, aproximadamente a una distancia de tres de sus radios, las líneas de fuerza del campo magnético se encuentran a lo largo de un sistema de "dos cargas polares". Aquí hay un área llamada "esfera de plasma". A medida que se aleja de la superficie del planeta, aumenta la influencia del flujo de partículas ionizadas de la corona solar. Esto conduce a la compresión de la magnetosfera desde el lado del Sol y, por el contrario, el campo magnético de la Tierra se estira desde el lado opuesto, el de sombra.

Esfera de plasma

El movimiento direccional de partículas cargadas en las capas superiores de la atmósfera (ionosfera) tiene un efecto notable en el campo magnético de la superficie de la Tierra. La ubicación de este último está a cien kilómetros o más de la superficie del planeta. El campo magnético de la Tierra sostiene la plasmasfera. Sin embargo, su estructura depende en gran medida de la actividad del viento solar y de su interacción con la capa confinante. Y la frecuencia de las tormentas magnéticas en nuestro planeta está determinada por las llamaradas del Sol.

Terminología

Existe el concepto de "eje magnético de la Tierra". Esta es una línea recta que pasa por los polos correspondientes del planeta. El "ecuador magnético" es el gran círculo del plano perpendicular a este eje. El vector que aparece tiene una dirección cercana a la horizontal. La fuerza promedio del campo magnético de la Tierra depende significativamente de localización geográfica. Es aproximadamente igual a 0,5 Oe, es decir, 40 A/m. En el ecuador magnético, este mismo indicador es de aproximadamente 0,34 Oe, y cerca de los polos se acerca a 0,66 Oe. En algunas anomalías del planeta, por ejemplo, dentro de la anomalía de Kursk, el indicador aumenta y asciende a 2 Oe. Las líneas de la magnetosfera terrestre de estructura compleja, proyectadas sobre su superficie y convergentes en sus propios polos, se denominan “meridianos magnéticos”.

Naturaleza del suceso. Suposiciones y conjeturas

No hace mucho, la suposición sobre la conexión entre la aparición de la magnetosfera de la Tierra y el flujo de corriente en el núcleo de metal líquido, ubicado a una distancia de un cuarto a un tercio del radio de nuestro planeta, ganó derecho a existir. Los científicos también tienen suposiciones sobre las llamadas "corrientes telúricas" que fluyen cerca de la corteza terrestre. Hay que decir que con el tiempo se produce una transformación de la formación. El campo magnético de la Tierra ha cambiado repetidamente durante los últimos ciento ochenta años. Esto se registra en la corteza oceánica y lo demuestran los estudios de magnetización remanente. Comparando áreas a ambos lados de las dorsales oceánicas, se determina el momento de divergencia de estas áreas.

El cambio de polos magnéticos de la Tierra

La ubicación de estas partes del planeta no es constante. El hecho de sus desplazamientos está registrado desde finales del siglo XIX. En el hemisferio sur, el polo magnético se desplazó 900 km durante este tiempo y acabó en el Océano Índico. En la parte norte se están produciendo procesos similares. Aquí el polo se mueve hacia una anomalía magnética en el este de Siberia. De 1973 a 1994, la distancia que recorrió el sitio hasta aquí fue de 270 km. Estos datos previamente calculados fueron confirmados posteriormente mediante mediciones. Según los últimos datos, la velocidad de movimiento del polo magnético del hemisferio norte ha aumentado significativamente. Creció de 10 km/año en los años setenta del siglo pasado a 60 km/año a principios de este siglo. Al mismo tiempo, la fuerza del campo magnético terrestre disminuye de manera desigual. Así, en los últimos 22 años, en algunos lugares ha disminuido un 1,7% y en otros un 10%, aunque también hay zonas donde, por el contrario, ha aumentado. La aceleración del desplazamiento de los polos magnéticos (aproximadamente 3 km por año) permite suponer que su movimiento observado hoy no es una excursión, sino otra inversión.

Esto lo confirma indirectamente el aumento de las llamadas “brechas polares” en el sur y el norte de la magnetosfera. El material ionizado de la corona solar y del espacio penetra rápidamente en las expansiones resultantes. Como resultado, se acumula una cantidad cada vez mayor de energía en las regiones circumpolares de la Tierra, lo que en sí mismo conlleva un calentamiento adicional de los casquetes polares.

Coordenadas

En la ciencia de los rayos cósmicos se utilizan las coordenadas del campo geomagnético, que lleva el nombre del científico McIlwain. Fue el primero en proponer su uso, ya que se basan en versiones modificadas de la actividad de elementos cargados en un campo magnético. Para un punto se utilizan dos coordenadas (L, B). Caracterizan la capa magnética (parámetro de McIlwain) y la inducción de campo L. Este último es un parámetro igual a la relación entre la distancia promedio de la esfera desde el centro del planeta a su radio.

"Inclinación magnética"

Hace varios miles de años, los chinos hicieron un descubrimiento sorprendente. Descubrieron que los objetos magnetizados se pueden colocar en una dirección determinada. Y a mediados del siglo XVI, Georg Cartmann, un científico alemán, hizo otro descubrimiento en este ámbito. Así surgió el concepto de “inclinación magnética”. Este nombre se refiere al ángulo de desviación de la flecha hacia arriba o hacia abajo desde el plano horizontal bajo la influencia de la magnetosfera del planeta.

De la historia de la investigación.

En la región del ecuador magnético norte, que es diferente del ecuador geográfico, el extremo norte se mueve hacia abajo y en el sur, por el contrario, hacia arriba. En 1600, el médico inglés William Gilbert formuló por primera vez suposiciones sobre la presencia del campo magnético terrestre, que provoca un determinado comportamiento de los objetos que antes estaban magnetizados. En su libro describió un experimento con una pelota equipada con una flecha de hierro. Como resultado de su investigación, llegó a la conclusión de que la Tierra es un gran imán. El astrónomo inglés Henry Gellibrant también realizó experimentos. Como resultado de sus observaciones, llegó a la conclusión de que el campo magnético de la Tierra está sujeto a cambios lentos.

José de Acosta describió la posibilidad de utilizar una brújula. También estableció en qué se diferencian los polos magnético y norte, y en su historia famosa(1590) se fundamentó la teoría de las líneas sin desviación magnética. Cristóbal Colón también hizo una contribución significativa al estudio del tema en consideración. Fue responsable del descubrimiento de la variabilidad de la declinación magnética. Las transformaciones dependen de cambios en las coordenadas geográficas. La declinación magnética es el ángulo de desviación de la aguja desde la dirección Norte-Sur. En relación con el descubrimiento de Colón, la investigación se intensificó. La información sobre cuál es el campo magnético de la Tierra era extremadamente necesaria para los navegantes. M.V. Lomonosov también trabajó en este problema. Para estudiar el magnetismo terrestre, recomendó realizar observaciones sistemáticas utilizando puntos permanentes (similares a los observatorios). Según Lomonósov, también era muy importante hacerlo en el mar. Esta idea del gran científico se hizo realidad en Rusia sesenta años después. El descubrimiento del polo magnético en el archipiélago canadiense pertenece al explorador polar inglés John Ross (1831). Y en 1841 descubrió otro polo del planeta, pero en la Antártida. La hipótesis sobre el origen del campo magnético terrestre fue propuesta por Carl Gauss. Pronto demostró que la mayor parte se alimenta de una fuente dentro del planeta, pero la razón de sus pequeñas desviaciones radica en ambiente externo.

Según las ideas modernas, se formó hace aproximadamente 4,5 mil millones de años, y desde ese momento nuestro planeta ha estado rodeado por un campo magnético. Todo lo que existe en la Tierra, incluidas las personas, los animales y las plantas, se ve afectado por él.

El campo magnético se extiende hasta una altitud de unos 100.000 km (Fig. 1). Desvía o captura partículas del viento solar que son dañinas para todos los organismos vivos. Estas partículas cargadas forman el cinturón de radiación de la Tierra, y toda la región del espacio cercano a la Tierra en la que se encuentran se llama magnetosfera(Figura 2). En el lado de la Tierra iluminado por el Sol, la magnetosfera está limitada por una superficie esférica con un radio de aproximadamente 10-15 radios terrestres, y en el lado opuesto se extiende como la cola de un cometa a una distancia de hasta varios miles. Radios terrestres, formando una cola geomagnética. La magnetosfera está separada del campo interplanetario por una región de transición.

Los polos magnéticos de la Tierra.

El eje del imán terrestre está inclinado 12° con respecto al eje de rotación de la Tierra. Se encuentra aproximadamente a 400 km del centro de la Tierra. Los puntos en los que este eje corta la superficie del planeta son polos magnéticos. Los polos magnéticos de la Tierra no coinciden con los verdaderos polos geográficos. Actualmente, las coordenadas de los polos magnéticos son las siguientes: norte - 77° de latitud norte. y 102°O; sur - (65° S y 139° E).

Arroz. 1. La estructura del campo magnético de la Tierra.

Arroz. 2. Estructura de la magnetosfera

Las líneas de fuerza que van de un polo magnético a otro se llaman meridianos magnéticos. Se forma un ángulo entre los meridianos magnético y geográfico, llamado declinación magnética. Cada lugar de la Tierra tiene su propio ángulo de declinación. En la región de Moscú el ángulo de declinación es de 7° hacia el este, y en Yakutsk es de unos 17° hacia el oeste. Esto significa que el extremo norte de la aguja de la brújula en Moscú se desvía T a la derecha del meridiano geográfico que pasa por Moscú, y en Yakutsk, 17° a la izquierda del meridiano correspondiente.

Una aguja magnética suspendida libremente se encuentra horizontalmente solo en la línea del ecuador magnético, que no coincide con la geográfica. Si se mueve al norte del ecuador magnético, el extremo norte de la aguja descenderá gradualmente. El ángulo formado por una aguja magnética y un plano horizontal se llama inclinación magnética. En los polos magnéticos norte y sur, la inclinación magnética es mayor. Es igual a 90°. En el Polo Norte Magnético, se instalará verticalmente una aguja magnética suspendida libremente con su extremo norte hacia abajo, y en el Polo Sur Magnético su extremo sur bajará. Así, la aguja magnética muestra la dirección de las líneas del campo magnético sobre la superficie terrestre.

Con el tiempo, la posición de los polos magnéticos en relación con la superficie terrestre cambia.

El polo magnético fue descubierto por el explorador James C. Ross en 1831, a cientos de kilómetros de su ubicación actual. En promedio, recorre 15 kilómetros en un año. En los últimos años, la velocidad de movimiento de los polos magnéticos ha aumentado considerablemente. Por ejemplo, el Polo Norte Magnético se mueve actualmente a una velocidad de unos 40 km por año.

La inversión de los polos magnéticos de la Tierra se llama inversión del campo magnético.

A lo largo de la historia geológica de nuestro planeta, el campo magnético terrestre ha cambiado su polaridad más de 100 veces.

El campo magnético se caracteriza por la intensidad. En algunos lugares de la Tierra, las líneas del campo magnético se desvían del campo normal, formando anomalías. Por ejemplo, en la zona de la anomalía magnética de Kursk (KMA), la intensidad del campo es cuatro veces mayor de lo normal.

Hay variaciones diarias en el campo magnético de la Tierra. La razón de estos cambios en el campo magnético de la Tierra son las corrientes eléctricas que fluyen en la atmósfera a alta altitud. Son causadas por la radiación solar. Bajo la influencia del viento solar, el campo magnético de la Tierra se distorsiona y adquiere un "rastro" en dirección al Sol, que se extiende a lo largo de cientos de miles de kilómetros. La principal causa del viento solar, como ya sabemos, son las enormes eyecciones de materia de la corona solar. A medida que avanzan hacia la Tierra, se convierten en nubes magnéticas y provocan perturbaciones fuertes, a veces extremas, en la Tierra. Perturbaciones particularmente fuertes del campo magnético terrestre - tormentas magnéticas. Algunas tormentas magnéticas comienzan repentina y casi simultáneamente en toda la Tierra, mientras que otras se desarrollan gradualmente. Pueden durar varias horas o incluso días. Las tormentas magnéticas suelen ocurrir 1 o 2 días después de una erupción solar debido a que la Tierra pasa a través de una corriente de partículas expulsadas por el Sol. Teniendo en cuenta el tiempo de retardo, la velocidad de un flujo corpuscular de este tipo se estima en varios millones de kilómetros por hora.

Durante fuertes tormentas magnéticas, se altera el funcionamiento normal del telégrafo, el teléfono y la radio.

Las tormentas magnéticas se observan a menudo en la latitud 66-67° (en la zona de las auroras) y ocurren simultáneamente con las auroras.

La estructura del campo magnético terrestre varía según la latitud de la zona. La permeabilidad del campo magnético aumenta hacia los polos. En las regiones polares, las líneas del campo magnético son más o menos perpendiculares a la superficie terrestre y tienen una configuración en forma de embudo. A través de ellos, parte del viento solar del lado diurno penetra en la magnetosfera y luego en la atmósfera superior. Durante las tormentas magnéticas, las partículas de la cola de la magnetosfera se precipitan aquí y alcanzan los límites de la atmósfera superior en las altas latitudes de los hemisferios norte y sur. Son estas partículas cargadas las que provocan las auroras aquí.

Así, las tormentas magnéticas y los cambios diarios en el campo magnético se explican, como ya hemos descubierto, por la radiación solar. Pero ¿cuál es la razón principal que crea el magnetismo permanente de la Tierra? Teóricamente, se pudo demostrar que el 99% del campo magnético de la Tierra es causado por fuentes ocultas en el interior del planeta. El campo magnético principal es causado por fuentes ubicadas en las profundidades de la Tierra. Se pueden dividir aproximadamente en dos grupos. La mayor parte de ellos está asociada a procesos en el núcleo terrestre, donde, debido a los movimientos continuos y regulares de materia eléctricamente conductora, se crea un sistema de corrientes eléctricas. La otra se debe a que las rocas de la corteza terrestre, al estar magnetizadas por la principal campo eléctrico(campo del núcleo), crean su propio campo magnético, que se suma al campo magnético del núcleo.

Además del campo magnético alrededor de la Tierra, existen otros campos: a) gravitacional; b) eléctrico; c) térmica.

Campo gravitacional La tierra se llama campo de gravedad. Se dirige a lo largo de una plomada perpendicular a la superficie del geoide. Si la Tierra tuviera la forma de un elipsoide de revolución y las masas estuvieran distribuidas uniformemente en él, entonces tendría un campo gravitacional normal. La diferencia entre la intensidad del campo gravitacional real y el teórico es una anomalía de la gravedad. La diferente composición del material y densidad de las rocas causan estas anomalías. Pero también son posibles otras razones. se pueden explicar siguiente proceso- equilibrio de la corteza terrestre sólida y relativamente ligera sobre el manto superior, más pesado, donde se iguala la presión de las capas suprayacentes. Estas corrientes provocan deformaciones tectónicas, el movimiento de las placas litosféricas y crean así el macrorrelieve de la Tierra. La gravedad sostiene la atmósfera, la hidrosfera, las personas y los animales en la Tierra. La gravedad debe tenerse en cuenta al estudiar procesos en la envoltura geográfica. El término " geotropismo" son los movimientos de crecimiento de los órganos vegetales que, bajo la influencia de la fuerza de gravedad, aseguran siempre la dirección vertical de crecimiento de la raíz primaria perpendicular a la superficie de la Tierra. La biología de la gravedad utiliza plantas como sujetos experimentales.

Si no se tiene en cuenta la gravedad, es imposible calcular los datos iniciales para el lanzamiento de cohetes y naves espaciales, hacen que la exploración gravimétrica de minerales y, finalmente, sea imposible mayor desarrollo astronomía, física y otras ciencias.

Estos modelos globales son el Campo Internacional de Referencia Geomagnética y el IGRF. Modelo Magnético Mundial (WMM)- son creados por varias organizaciones geofísicas internacionales, y cada 5 años se aprueban y publican conjuntos actualizados de coeficientes de Gauss, que determinan todos los datos sobre el estado del campo geomagnético y sus parámetros. Entonces, según el modelo WMM2015, el polo norte geomagnético (esencialmente este Polo Sur imán) tiene coordenadas 80,37° N. w. y 72,62° O. d., polo geomagnético sur - 80,37° sur. latitud, 107,38° este. d., la inclinación del eje dipolo con respecto al eje de rotación de la Tierra es de 9,63°.

Campos de anomalía mundial

Las líneas reales del campo magnético de la Tierra, aunque en promedio cercanas a las líneas del campo dipolar, se diferencian de ellas en irregularidades locales asociadas con la presencia de rocas magnetizadas en la corteza ubicada cerca de la superficie. Debido a esto, en algunos lugares de la superficie terrestre, los parámetros del campo difieren mucho de los valores en áreas cercanas, formando las llamadas anomalías magnéticas. Pueden superponerse entre sí si los cuerpos magnetizados que las provocan se encuentran a diferentes profundidades.

La existencia de campos magnéticos de regiones locales extendidas de las capas exteriores lleva al hecho de que verdaderos polos magnéticos- puntos (o mejor dicho, áreas pequeñas), en el que las líneas del campo magnético son absolutamente verticales, no coinciden con las geomagnéticas y no se encuentran en la superficie de la Tierra misma, sino debajo de ella. Las coordenadas de los polos magnéticos en un momento dado también se calculan dentro del marco varios modelos campo geomagnético encontrando todos los coeficientes en la serie gaussiana usando un método iterativo. Así, según el actual modelo WMM, en 2015 el polo norte magnético se ubicaba en 86° N. latitud, 159°o. de largo., y el sur - 64° S. latitud, 137° este. Los valores del modelo IGRF12 actual son ligeramente diferentes: 86,3° N. latitud, 160°o. de largo., para el polo norte, 64,3° sur. latitud, 136,6° E para el sur.

Respectivamente, eje magnético- una línea recta que pasa por los polos magnéticos no pasa por el centro de la Tierra y no es su diámetro.

Las posiciones de todos los polos cambian constantemente: el polo geomagnético sufre una precesión con respecto al polo geográfico con un período de aproximadamente 1200 años.

Campo magnético externo

Está determinado por fuentes en forma de sistemas de corriente ubicados fuera de la superficie terrestre en su atmósfera. En la parte superior de la atmósfera (a 100 km y más), la ionosfera, sus moléculas se ionizan formando plasma, por lo que esta parte de la magnetosfera de la Tierra, que se extiende a una distancia de hasta tres de sus radios, se llama plasmasfera. El plasma está retenido por el campo magnético de la Tierra, pero su estado está determinado por su interacción con el viento solar: el flujo de plasma de la corona solar.

Así, a mayor distancia de la superficie de la Tierra, el campo magnético es asimétrico, ya que se distorsiona bajo la influencia del viento solar: desde el lado del Sol se comprime, y en la dirección del Sol adquiere un " rastro” que se extiende por cientos de miles de kilómetros, yendo más allá de la órbita de la Luna. Esta peculiar forma de “cola” se produce cuando el plasma del viento solar y los flujos corpusculares solares fluyen alrededor de la superficie terrestre. magnetosfera- una región del espacio cercano a la Tierra, todavía controlada por el campo magnético de la Tierra, y no por el Sol y otras fuentes interplanetarias; está separado del espacio interplanetario magnetopausa, donde la presión dinámica del viento solar se equilibra con la presión de su propio campo magnético. El punto subsolar de la magnetosfera se encuentra en promedio a una distancia de 10 radios terrestres * R⊕; con un viento solar débil, esta distancia alcanza los 15-20 R⊕, y durante los períodos de perturbaciones magnéticas en la Tierra, la magnetopausa puede ir más allá de la órbita geoestacionaria (6,6 R⊕). La cola alargada del lado nocturno tiene un diámetro de aproximadamente 40 R⊕ y una longitud de más de 900 R⊕; a partir de una distancia de aproximadamente 8 R⊕, se divide en partes por una capa neutra plana en la que la inducción del campo es cercana a cero.

Debido a la configuración específica de las líneas de inducción, el campo geomagnético crea una trampa magnética para partículas cargadas: protones y electrones. Captura y retiene una gran cantidad de ellos, por lo que la magnetosfera es una especie de depósito de partículas cargadas. Su masa total, según varias estimaciones, oscila entre 1 kg y 10 kg. Forman los llamados cinturón de radiación, cubriendo la Tierra por todos lados, excepto las regiones polares. Se divide convencionalmente en dos: interno y externo. El límite inferior del cinturón interior se encuentra a una altitud de unos 500 km y su espesor es de varios miles de kilómetros. El cinturón exterior se encuentra a una altitud de 10 a 15 mil km. Las partículas del cinturón de radiación, bajo la influencia de la fuerza de Lorentz, realizan movimientos periódicos complejos desde el hemisferio norte al hemisferio sur y viceversa, mientras simultáneamente se mueven lentamente alrededor de la Tierra en azimut. Dependiendo de la energía, dan una vuelta completa alrededor de la Tierra en un tiempo que va desde unos minutos hasta un día.

La magnetosfera no permite que corrientes de partículas cósmicas se acerquen a la Tierra. Sin embargo, en su cola, a grandes distancias de la Tierra, la intensidad del campo geomagnético y, por tanto, sus propiedades protectoras se debilitan, y algunas partículas de plasma solar consiguen penetrar en la magnetosfera y en las trampas magnéticas de los cinturones de radiación. La cola sirve así como lugar para la formación de corrientes de partículas precipitadas, que provocan auroras y corrientes aurorales. En las regiones polares, parte del flujo de plasma solar invade las capas superiores de la atmósfera desde el cinturón de radiación de la Tierra y, al chocar con las moléculas de oxígeno y nitrógeno, las excita o ioniza, y cuando regresan a un estado no excitado, los átomos de oxígeno emiten fotones. con λ = 0,56 µm y λ = 0,63 µm, mientras que las moléculas de nitrógeno ionizado, al recombinarse, resaltan las bandas azul y violeta del espectro. Al mismo tiempo, se observan auroras, especialmente dinámicas y brillantes durante las tormentas magnéticas. Ocurren durante perturbaciones en la magnetosfera causadas por un aumento en la densidad y velocidad del viento solar con una mayor actividad solar.

Opciones de campo

Una representación visual de la posición de las líneas de inducción magnética del campo terrestre la proporciona una aguja magnética, fijada de tal manera que puede girar libremente alrededor del eje vertical y horizontal (por ejemplo, en una suspensión de cardán). en cada punto cercano a la superficie de la Tierra se instala de cierta manera siguiendo estas líneas.

Dado que los polos magnético y geográfico no coinciden, la aguja magnética indica la dirección de norte a sur sólo de forma aproximada. El plano vertical en el que está instalada la aguja magnética se llama plano del meridiano magnético de un lugar determinado, y la línea a lo largo de la cual este plano cruza la superficie de la Tierra se llama meridiano magnético. Por tanto, los meridianos magnéticos son proyecciones de las líneas del campo magnético de la Tierra sobre su superficie, que convergen en los polos magnéticos norte y sur. El ángulo entre las direcciones de los meridianos magnético y geográfico se llama declinación magnética. Puede ser occidental (a menudo indicado con un “-”) u oriental (indicado con un “+”), dependiendo de si el polo norte de la aguja magnética se desvía hacia el oeste o hacia el este del plano vertical del meridiano geográfico.

Además, las líneas del campo magnético de la Tierra, en términos generales, no son paralelas a su superficie. Esto significa que la inducción magnética del campo terrestre no se encuentra en el plano del horizonte de un lugar determinado, sino que forma un cierto ángulo con este plano; se llama inclinación magnética. Es cercano a cero sólo en puntos ecuador magnético- círculos gran circulo en un plano perpendicular al eje magnético.

La declinación magnética y la inclinación magnética determinan la dirección de la inducción magnética del campo terrestre en cada lugar específico. Y el valor numérico de esta cantidad se puede encontrar conociendo la inclinación y una de las proyecciones del vector de inducción magnética. B (\displaystyle \mathbf (B) )- a vertical o eje horizontal(esto último resulta más conveniente en la práctica). Por tanto, estos tres parámetros son la declinación magnética, la inclinación y la magnitud del vector de inducción magnética B (o el vector de intensidad del campo magnético H (\displaystyle \mathbf (H))) - caracterizar completamente el campo geomagnético en un lugar determinado. Su conocimiento exacto del mayor número posible de puntos de la Tierra es extremadamente importante. Se elaboran tarjetas magnéticas especiales, en las que isógonos(líneas de la misma declinación) y isoclinas(líneas de igual inclinación) necesarias para la orientación mediante brújula.

En promedio, la intensidad del campo magnético de la Tierra oscila entre 25.000 y 65.000 nT (0,25 - 0,65 G) y depende en gran medida de la ubicación geográfica. Esto corresponde a una intensidad de campo media de aproximadamente 0,5 (40 /). En el ecuador magnético su valor es de aproximadamente 0,34, en los polos magnéticos, de aproximadamente 0,66 Oe. En algunas áreas (anomalías magnéticas), la intensidad aumenta bruscamente: en el área de la anomalía magnética de Kursk alcanza 2 Oe.

La naturaleza del campo magnético de la Tierra.

Por primera vez, J. Larmore intentó explicar la existencia de los campos magnéticos de la Tierra y el Sol en 1919, proponiendo el concepto de dinamo, según el cual el mantenimiento del campo magnético de un cuerpo celeste se produce bajo la influencia. del movimiento hidrodinámico de un medio eléctricamente conductor. Sin embargo, en 1934 T. capota demostró el teorema sobre la imposibilidad de mantener un campo magnético axisimétrico mediante un mecanismo de dinamo hidrodinámico. Y dado que la mayoría de los estudiados cuerpos celestiales(y especialmente la Tierra) se consideraban axialmente simétricos, en base a esto se podía suponer que su campo también sería axialmente simétrico, y luego su generación según este principio sería imposible según este teorema. Posteriormente se demostró que no todas las ecuaciones con simetría axial que describen el proceso de generación de un campo magnético tendrán una solución axialmente simétrica, y en la década de 1950. Se han encontrado soluciones asimétricas.

Desde entonces, la teoría de la dinamo se ha desarrollado con éxito y hoy en día la explicación más probable generalmente aceptada para el origen del campo magnético de la Tierra y otros planetas es un mecanismo de dinamo autoexcitante basado en la generación de una corriente eléctrica en un conductor. mientras se mueve en un campo magnético generado y amplificado por estas propias corrientes. Las condiciones necesarias se crean en el núcleo de la Tierra: en el núcleo externo líquido, compuesto principalmente de hierro a una temperatura de aproximadamente 4-6 mil Kelvin, que conduce perfectamente la corriente, se crean flujos convectivos que eliminan el calor del núcleo interno sólido (generado debido a la desintegración de elementos radiactivos o liberación de calor latente durante la solidificación de la materia en el límite entre el núcleo interior y exterior a medida que el planeta se enfría gradualmente). Las fuerzas de Coriolis tuercen estos flujos en espirales características, formando los llamados Pilares de Taylor. Debido a la fricción de las capas, adquieren una carga eléctrica, formando corrientes en bucle. Así, se crea un sistema de corrientes que circulan a lo largo de un circuito conductor en conductores que se mueven en el (inicialmente presente, aunque muy débil) campo magnético, como en un disco de Faraday. Crea un campo magnético que, con una geometría de flujo favorable, amplifica el campo inicial, y este, a su vez, amplifica la corriente, y el proceso de amplificación continúa hasta que las pérdidas de calor Joule, que aumentan con el aumento de la corriente, equilibran el flujo de energía. provenientes de movimientos hidrodinámicos.

Este proceso se describe matemáticamente. ecuación diferencial

∂ 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))),

Dónde tu- velocidad del flujo de fluido, B- inducción magnética, η = 1/μσ - viscosidad magnética, σ es la conductividad eléctrica del líquido y μ es la permeabilidad magnética, que prácticamente no difiere en tales alta temperatura núcleos de μ 0 - permeabilidad al vacío.

Sin embargo, para una descripción completa es necesario escribir un sistema de ecuaciones magnetohidrodinámicas. En la aproximación de Boussinesq (dentro de la cual se supone que todas las características físicas del líquido son constantes, excepto la fuerza de Arquímedes, cuyo cálculo tiene en cuenta los cambios de densidad debidos a las diferencias de temperatura), esto es:

• Ecuación de Navier-Stokes, que contiene términos que expresan el efecto combinado de la rotación y el campo magnético:

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) ).

• Ecuación de conductividad térmica que expresa la ley de conservación de la energía:

∂ 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 ),

En 1995 grupos de Japón y Estados Unidos lograron un gran avance en este sentido. A partir de este momento, los resultados de una serie de trabajos de modelización numérica reproducen satisfactoriamente las características cualitativas del campo geomagnético en dinámica, incluidas las inversiones.

Cambios en el campo magnético de la Tierra.

Esto lo confirma el actual aumento del ángulo de apertura de las cúspides (huecos polares en la magnetosfera en el norte y en el sur), que alcanzó los 45° a mediados de los años 1990. El material de radiación del viento solar, el espacio interplanetario y los rayos cósmicos se precipita hacia los espacios ensanchados, como resultado de lo cual ingresa más materia y energía a las regiones polares, lo que puede conducir a un calentamiento adicional de los casquetes polares [ ] .

Coordenadas geomagnéticas (coordenadas McIlwain)

La física de los rayos cósmicos utiliza ampliamente coordenadas específicas en el campo geomagnético, que lleva el nombre del científico Carl McIlwain ( Carl McIlwain), quien fue el primero en proponer su uso, ya que se basan en las invariantes del movimiento de partículas en un campo magnético. Un punto en un campo dipolar se caracteriza por dos coordenadas (L, B), donde L es la llamada capa magnética o parámetro de McIlwain. L-shell, valor L, parámetro L de McIlwain), B - inducción de campo magnético (generalmente en G). El parámetro de la capa magnética generalmente se toma como el valor L, igual a la relación entre la distancia promedio de la capa magnética real desde el centro de la Tierra en el plano del ecuador geomagnético al radio de la Tierra. .

Historia de la investigación

Hace unos miles de años en China antigua Se sabía que los objetos magnetizados se encuentran en una determinada dirección, en particular, la aguja de la brújula siempre ocupa una determinada posición en el espacio. Gracias a esto, la humanidad ha podido durante mucho tiempo utilizar dicha flecha (brújula) para navegar en mar abierto lejos de las costas. Sin embargo, antes del viaje de Colón de Europa a América (1492), nadie prestó especial atención al estudio de este fenómeno, ya que los científicos de la época creían que se producía como resultado de la atracción de la aguja por la Estrella Polar. En Europa y los mares que la bañaban, la brújula en ese momento estaba instalada casi a lo largo del meridiano geográfico. Mientras cruzaba el Océano Atlántico, Colón notó que aproximadamente a mitad de camino entre Europa y América, la aguja de la brújula se desviaba casi 12° hacia el oeste. Este hecho inmediatamente generó dudas sobre la exactitud de la hipótesis anterior sobre la atracción de la aguja por la Estrella Polar y dio impulso a un estudio serio nuevamente. fenómeno abierto: Los marineros necesitaban información sobre el campo magnético de la Tierra. A partir de este momento comenzó la ciencia del magnetismo terrestre, se comenzaron a realizar mediciones generalizadas de la declinación magnética, es decir, el ángulo entre el meridiano geográfico y el eje de la aguja magnética, es decir, el meridiano magnético. En 1544, un científico alemán Georg Hartman Descubrió un nuevo fenómeno: la aguja magnética no sólo se desvía del meridiano geográfico, sino que, al estar suspendida del centro de gravedad, tiende a situarse en un cierto ángulo con respecto al plano horizontal, llamado inclinación magnética.

A partir de ese momento, además de estudiar el fenómeno de la desviación, los científicos comenzaron a estudiar la inclinación de la aguja magnética. José de Acosta (uno de fundadores de la geofísica, según Humboldt) en su Cuentos(1590) apareció por primera vez la teoría de las cuatro líneas sin declinación magnética. Describió el uso de la brújula, el ángulo de desviación, las diferencias entre el Polo Magnético y el Polo Norte, y la variación de las desviaciones de un punto a otro, identificando lugares con deflexión nula, como las Azores.

Como resultado de las observaciones, se encontró que tanto la declinación como la inclinación tienen valores diferentes en diferentes puntos de la superficie terrestre. Además, sus cambios de un punto a otro están sujetos a algún patrón complejo. Sus investigaciones permitieron al médico de la corte de la reina Isabel de Inglaterra y al filósofo natural William Gilbert plantear en 1600 en su libro "De Magnete" la hipótesis de que la Tierra es un imán cuyos polos coinciden con los polos geográficos. En otras palabras, W. Gilbert creía que el campo de la Tierra es similar al campo de una esfera magnetizada. W. Gilbert basó su afirmación en un experimento con un modelo de nuestro planeta, que es una bola de hierro magnetizada y una pequeña flecha de hierro. Gilbert creía que el argumento principal a favor de su hipótesis era que la inclinación magnética medida en tal modelo era casi la misma que la inclinación observada en la superficie terrestre. Gilbert explicó la discrepancia entre la declinación de la Tierra y la del modelo por el efecto de desviación de los continentes sobre la aguja magnética. Aunque muchos hechos establecidos posteriormente no coincidieron con la hipótesis de Hilbert, ésta no pierde su importancia hasta el día de hoy. La idea principal de Gilbert de que la causa del magnetismo terrestre debía buscarse en el interior de la Tierra resultó ser correcta, así como el hecho de que, en una primera aproximación, la Tierra es en realidad un gran imán, que es una bola uniformemente magnetizada.

En 1634, un astrónomo inglés ¿Henry Gellibrand? Descubrió que la declinación magnética en Londres cambia con el tiempo. Esta fue la primera evidencia registrada de variaciones seculares: cambios regulares (de año en año) en los valores promedio anuales de los componentes del campo geomagnético.

Los ángulos de declinación e inclinación determinan la dirección en el espacio de la intensidad del campo magnético de la Tierra, pero no pueden dar su valor numérico. Hasta finales del siglo XVIII. No se realizaron mediciones de la intensidad porque no se conocían las leyes de interacción entre el campo magnético y los cuerpos magnetizados. Sólo después, en 1785-1789. El físico francés Charles Coulomb estableció una ley que lleva su nombre y la posibilidad de realizar tales mediciones se hizo posible. Desde finales del siglo XVIII, junto con la observación de la declinación y la inclinación, comenzaron las observaciones generalizadas de la componente horizontal, que es una proyección del vector de intensidad del campo magnético en el plano horizontal (conociendo la declinación y la inclinación, es posible calcular el valor del vector de intensidad del campo magnético total).

Primero trabajo teórico sobre qué es el campo magnético terrestre, es decir, cuál es la magnitud y dirección de su intensidad en cada punto de la superficie terrestre, pertenece al matemático alemán Carl Gauss. En 1834, dio una expresión matemática para los componentes de la tensión en función de las coordenadas: latitud y longitud del sitio de observación. Usando esta expresión, es posible para cada punto de la superficie terrestre encontrar los valores de cualquiera de los componentes, que se denominan elementos del magnetismo terrestre. Esta y otras obras de Gauss se convirtieron en la base sobre la que se construyó el edificio. ciencia moderna sobre el magnetismo terrestre. En particular, en 1839 demostró que la mayor parte del campo magnético sale de la Tierra y que la causa de las pequeñas y breves desviaciones de sus valores debe buscarse en el entorno externo.

En 1831, el explorador polar inglés John Ross descubrió el polo norte magnético en el archipiélago canadiense, el área donde ocupa la aguja magnética. posición vertical, es decir, la inclinación es de 90°. Y en 1841, James Ross (sobrino de John Ross) alcanzó el otro polo magnético de la Tierra, situado en la Antártida.

ver también

• Interimán (Inglés)

Notas

1. Científicos estadounidenses han descubierto que el campo magnético de la Tierra es 700 millones de años más antiguo de lo que se pensaba
2. Eduard Kononovich. El campo magnético de la Tierra (indefinido) . http://www.krugosvet.ru/. Enciclopedia alrededor del mundo: enciclopedia universal de divulgación científica en línea. Consultado el 26 de abril de 2017.
3. Preguntas frecuentes sobre geomagnetismo(Inglés) . https://www.ngdc.noaa.gov/ngdc.html. Centros Nacionales de Información Ambiental (NCEI). Consultado el 23 de abril de 2017.
4. A. I. Dyachenko. Polos magnéticos de la Tierra. - Moscú: Editorial del Centro de Educación Matemática Continua de Moscú, 2003. - 48 p. - ISBN 5-94057-080-1.
5. A. V. Vikulin. VII. Campo geomagnético y electromagnetismo de la Tierra.// Introducción a la física de la Tierra. Tutorial para las especialidades geofísicas de las universidades.. - Editorial Estatal de Kamchatka universidad pedagógica, 2004. - 240 p. - ISBN 5-7968-0166-X.