Магнитное поле Земли

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Магнитное поле Земли или геомагнитное поле -- генерируемое внутриземными источниками магнитное поле, т.е. силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения^[1], магнитная составляющая электромагнитного поля^[2].

Специальный раздел геофизики, изучающий происхождение и природу магнитного поля Земли называется геомагнетизмом. Геомагнетизм рассматривает проблемы возникновения и эволюции основной, постоянной составляющей геомагнитного поля, природа переменной составляющей (примерно 1% от основного поля), а так же структура магнитосферы - самых верхних намагниченных плазменных слоев земной атмосферы, взаимодействующих с солнечным ветром и защищающих Землю от космического проникающего излучения. Важной задачей является изучение закономерностей вариаций геомагнитного поля, поскольку они обусловлены внешними воздействиями, связанными в первую очередь с солнечной активностью.

1. История исследований

О способности намагниченных предметов располагаться в определённом направлении было известно ещё китайцам несколько тысячелетий назад.

В 1544 году немецкий учёный Георг Гартман открыл магнитное наклонение. Магнитным наклонением называют угол, на который стрелка под действием магнитного поля Земли отклоняется от горизонтальной плоскости вниз или вверх. В полушарии севернее магнитного экватора (который не совпадает с географическим экватором) северный конец стрелки отклоняется вниз, в южном -- наоборот. На самом магнитном экваторе линии магнитного поля параллельны поверхности Земли.

Впервые предположение о наличии магнитного поля Земли, которое и вызывает такое поведение намагниченных предметов, высказал английский врач и натурфилософ Уильям Гильберт в 1600 году в своей книге «О магните» («De Magnete»), в которой описал опыт с шаром из магнитной руды и маленькой железной стрелкой. Гильберт пришел к заключению, что Земля представляет собой большой магнит, ось которого не совпадает с осью вращения Земли. Следовательно, вокруг Земли, как и около любого магнита, существует магнитное поле.

В 1635 г.английский астроном Генри Геллибранд обнаружил, что поле земного магнита не постоянно, а медленно меняется, а Эдмунд Галлей провел первую в мире магнитную съемку океанов и создал первые мировые магнитные карты (1702 г.)

У Хосе де Акосты (одного из основателей геофизики, по словам Гумбольдта) в его Истории (1590) впервые появилась теория о четырёх линиях без магнитного склонения (он описал использование компаса, угол отклонения, различия между Магнитным и Северным полюсом; хотя отклонения были известны ещё в XV веке, он описал колебание отклонений от одной точки до другой; он идентифицировал места с нулевым отклонением: например, на Азорских островах).

Угол, на который отклоняется магнитная стрелка от направления север -- юг, называют магнитным склонением. Христофор Колумб открыл, что магнитное склонение не остается постоянным, а претерпевает изменения с изменением географических координат. Открытие Колумба послужило толчком к новому изучению магнитного поля Земли: сведения о нём были нужны мореплавателям.

Русский ученый М. В. Ломоносов в 1759 г. в докладе «Рассуждение о большой точности морского пути» дал ценные советы, позволяющие увеличить точность показаний компаса. Для изучения земного магнетизма М. В. Ломоносов рекомендовал организовать сеть постоянных пунктов (обсерваторий), в которых производить систематические магнитные наблюдения; такие наблюдения необходимо широко проводить и на море. Мысль Ломоносова об организации магнитных обсерваторий была осуществлена лишь спустя 60 лет в России.

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

Карл Гаусс выдвинул теорию о происхождении магнитного поля Земли. В 1835 г. Гаусс провел сферический гармонический анализ магнитного поля Земли. Он создал первую в мире магнитную обсерваторию в Гёттингене. в 1839 году доказал, что основная его часть выходит из Земли, а причину небольших, коротких отклонений его значений необходимо искать во внешней среде.

2. Межпланетное магнитное поле

Если бы межпланетное пространство было вакуумом, то единственными магнитными полями в нем могли быть лишь поля Солнца и планет, а также поле галактического происхождения, которое простирается вдоль спиральных ветвей нашей Галактики. При этом поля Солнца и планет в межпланетном пространстве были бы крайне слабы.

На самом деле межпланетное пространство не является вакуумом, а заполнено ионизованным газом, испускаемым Солнцем (солнечным ветром Солнечный ветер - истечение плазмы солнечной короны в межпланетное пространство. На уровне орбиты Земли средняя скорость частиц солнечного ветра (протонов и электронов) около 400 км/с, число частиц - несколько десятков в 1 см³.). Концентрация этого газа 1-10 см-3, типичные величины скоростей между 300 и 800 км/с, температура близка к 105 К (напомним, что температура короны 2Ч106 К (1000000 ^оС).

Поскольку газ солнечного ветра почти полностью ионизованный, то его электропроводность очень велика. Проводники с высокой проводимостью имеют особенность сопротивляться изменению магнитного поля. Другими словами, проникновение магнитного поля в такой проводник невозможно.

Движущийся солнечный ветер будет уносить солнечное магнитное поле в межпланетное пространство. Так как поток плазмы начинается в короне Солнца (или ниже нее), то в солнечном ветре имеются магнитные поля. Величина магнитных полей на Солнце составляет от 1 до 1000 Гс.

Поток солнечной плазмы «выметает» из внутренней части солнечной системы планетные и галактические магнитные поля. Солнечный ветер будет «гнать» галактическое поле перед собой до тех пор, пока не будет достигнуто динамическое равновесие между давлением солнечного ветра и давлением галактической среды. Это происходит на расстоянии от 10 до 100 астрономических единиц Астрономическая единица длины - единица расстояний в астрономии, равная среднему расстоянию Земли от Солнца (1а. е.=149,6 млн. км). . Следовательно, межпланетное пространство ограничено полостью в галактической среде, размеры которой дают верхнюю границу величины солнечно-межпланетного магнитного поля. Силовые линии магнитного поля солнечного ветра простираются в межпланетное пространство за орбиту Земли, при этом один их конец находится на Солнце. Характеристики солнечного ветра и межпланетных магнитных полей нерегулярны и асимметричны из-за волокнистой структуры короны, нерегулярностей магнитных полей в фотосфере и т. д.

Истечение плазмы из Солнца происходит таким образом, что плазма просто отталкивает силовые линии поля и покидает Солнце в радиальном направлении. Если бы Солнце не вращалось, то такое радиальное истечение плазмы привело бы к тому, что силовые линии магнитного поля были бы также радиальны и параллельны движению частиц.

Поскольку Солнце вращается, то магнитное поле приобретает поперечную компоненту (в плоскостях, перпендикулярных оси вращения) и силовые линии магнитного поля становятся спиральными.

Направление спирального поля можно оценить, если предположить, что один конец силовой линии закреплен на Солнце и вращается вместе с ним. Тогда частицы, которые непрерывно испускаются данной областью вращающейся короны, будут двигаться в экваториальной плоскости по спиралям Архимеда. (Это напоминает работу вращающегося поливального устройства).

Первые измерения магнитных полей за пределами магнитосферы Земли были проведены на спутнике «Пионер-1» в октябре 1958 г. Они позволили установить существование и положение области перехода от внешней части геомагнитного поля к межпланетному пространству. Эти результаты были подтверждены измерениями на других ИСЗ. Экспериментально было установлено, что имеются значительные нерегулярности, наложенные на спиральное межпланетное поле.

Спутниковые измерения межпланетного магнитного поля выявили тесную связь между величиной магнитного поля, перпендикулярного оси вращения аппарата (поперечной составляющей В^), и значением магнитного индекса К или А.

Перед началом и в период геомагнитных бурь величина В^ увеличивается на порядок и приобретает более нерегулярный характер, чем в спокойные периоды.

Это объясняется тем, что плазма из возмущенных областей на Солнце может уносить в межпланетное пространство более интенсивные и более нерегулярные поля. А это приводит к появлению нерегулярностей в спокойном межпланетном поле, что подтверждают измерения на спутниках.

Обнаружена также прямая корреляция между изменениями межпланетного поля по данным спутников и солнечной активностью. По этим данным была оценена средняя скорость распространения возмущения, равная ~1000км/с.

Вектор межпланетного магнитного поля имеет радиальную составляющую Вr, направленную или от Солнца (знак +), или к Солнцу (знак -). Межпланетное пространство разделено на чередующиеся спиральные секторы, в каждом из которых радиальная компонента направлена либо наружу, либо вовнутрь.

В пределах каждого сектора скорость солнечного ветра и плотность частиц систематически изменяются. Наблюдения с помощью ракет показывают, что оба параметра резко увеличиваются на границе сектора. В конце второго дня после прохождения границы сектора плотность очень быстро, а затем, через два или три дня, медленно начинает расти. Скорость солнечного ветра уменьшается медленно на второй или третий день после достижения пика. Секторная структура и отмеченные вариации скорости и плотности тесно связаны с магнитосферными возмущениями. Секторная структура довольно устойчива, поэтому вся структура потока вращается с Солнцем по крайней мере в течение нескольких солнечных оборотов, проходя над Землей приблизительно через каждые 27 дней.

3. Строение и характеристики магнитного поля Земли

На небольшом удалении от поверхности Земли, порядка трёх её радиусов, магнитные силовые линии имеют диполеподобное расположение. Эта область называется плазмосферой Земли.

По мере удаления от поверхности Земли усиливается воздействие солнечного ветра: со стороны Солнца геомагнитное поле сжимается, а с противоположной, ночной стороны, оно вытягивается в длинный «хвост».

В настоящее время земное магнитное поле представляет собой магнитный диполь (см. рис. 1). Истинный южный магнитный полюс (отрицательный, где силовые линии магнитного поля «входят» в планету) расположен вблизи Северного географического полюса (в Канадском секторе Арктики), истинный северный магнитный полюс (положительный, где силовые линии «выходят» из Земли) сейчас находится недалеко от Южного географического полюса (в Индийском океане вблизи Антарктиды). Однако условно магнитные полюса Земли принято называть в соответствии с их географическим положением -- южный магнитный полюс для удобства договорились считать северным, и наоборот. При этом ось магнитного диполя имеет наклон приблизительно в 11,5 градусов по отношению к земной оси вращения, а центр магнитного диполя смещен от центра Земли приблизительно на 430 км.

Схема магнитного поля Земли из статьи Н. В. Короновского

Магнитные полюса перемещаются по поверхности нашей планеты со скоростью до 40 км в год. Так, Северный магнитный полюс в 1900 году имел координаты 69° с. ш. и 97° з. д., а в 2005 году -- 83° с. ш. и 118° з. д. То есть он двигался на север и запад, приближаясь к Северному географическому полюсу. А южный магнитный полюс за этот же период сместился из точки с координатами 72° ю. ш. и 148° в. д., в точку с координатами 64° ю. ш. и 138° в. д. Т.е. он перемещался на север и запад, удаляясь от южного географического полюса.

4. Плазмосфера

Заметное влияние на магнитное поле на поверхности Земли оказывают токи в ионосфере. Это область верхней атмосферы, простирающаяся от высот порядка 100 км и выше. Содержит большое количество ионов. Плазма удерживается магнитным полем Земли, но её состояние определяется взаимодействием магнитного поля Земли с солнечным ветром, чем и объясняется связь магнитных бурь на Земле с солнечными вспышками.

5. Параметры поля

Точки Земли, в которых напряжённость магнитного поля имеет вертикальное направление, называют магнитными полюсами. Таких точек на Земле две: северный магнитный полюс и южный магнитный полюс.

Прямая, проходящая через магнитные полюсы, называется магнитной осью Земли. Окружность большого круга в плоскости, которая перпендикулярна к магнитной оси, называется магнитным экватором. Вектор магнитного поля в точках магнитного экватора имеет приблизительно горизонтальное направление.

Средняя напряжённость поля на поверхности Земли составляет около 0,5 Э (40 А/м) и сильно зависит от географического положения. Напряжённость магнитного поля на магнитном экваторе около 0,34 Э (Эрстед), у магнитных полюсов около 0,66 Э. В некоторых районах (в так называемых районах магнитных аномалий) напряжённость резко возрастает. В районе Курской магнитной аномалии она достигает 2 Э.

Дипольный магнитный момент Земли на 1995 год составлял 7,812·10²⁵ Гс·смі (или 7,812·10²² А·мІ), уменьшаясь в среднем за последние десятилетия на 0,004·10²⁵ Гс·смі или на 1/4000 в год.

Для магнитного поля Земли характерны возмущения, называемые геомагнитными пульсациями вследствие возбуждения гидромагнитных волн в магнитосфере Земли; частотный диапазон пульсаций простирается от миллигерц до одного килогерца

Большинство планет Солнечной системы в той или иной степени обладают магнитными полями. По убыванию дипольного магнитного момента на первом месте Юпитер и Сатурн, а за ними следуют Земля, Меркурий и Марс, причем по отношению к магнитному моменту Земли значение их моментов составляет 20 000, 500, 1, 3/5000 3/10000. Дипольный магнитный момент Земли на 1970 составлял 7,98·10²⁵ Гс/см³ (или 8,3·10²² А.м²), уменьшаясь за десятилетие на 0,04·10²⁵ Гс/см³. Средняя напряженность поля на поверхности составляет около 0,5 Э (5·10-⁵ Тл). По форме основное магнитное поле Земли до расстояний менее трех радиусов близко к полю эквивалентного магнитного диполя. Его центр смещен относительно центра Земли в направлении на 18° с.ш. и 147,8° в. д. Ось этого диполя наклонена к оси вращения Земли на 11,5°. На такой же угол геомагнитные полюса отстоят от соответствующих географических полюсов.

При этом южный геомагнитный полюс находится в северном полушарии. В настоящее время он расположен недалеко от северного географического полюса Земли в Северной Гренландии. Его координаты ? = 78,6 + 0,04° Т с.ш., ? = 70,1 + 0,07° T з.д., где Т - число десятилетий от 1970. У cеверного магнитного полюса ? = 75? ю.ш., ? = 120,4? в.д. (в Антарктиде). Реальные магнитные силовые линии магнитного поля Земли в среднем близки к силовым линиям этого диполя, отличаясь от них местными нерегулярностями, связанными с наличием намагниченных пород в коре. В результате вековых вариаций геомагнитный полюс прецессирует относительно географического полюса с периодом около 1200 лет. На больших расстояниях магнитное поле Земли несимметрично. Под действием исходящего от Солнца потока плазмы (солнечного ветра) магнитное поле Земли искажается и приобретает «шлейф» в направлении от Солнца, который простирается на сотни тысяч километров, выходя за орбиту Луны

6. Магнитный меридиан

Магнитными меридианами называются проекции силовых линий магнитного поля Земли на её поверхность; сложные кривые, сходящиеся в северном и южном магнитных полюсах Земли.

7. Составляющие геомагнитного поля

Собственное магнитное поле Земли (геомагнитное поле) можно разделить на cледующие три основные части.

1. Основное магнитное поле Земли, испытывающее медленные изменения во времени (вековые вариации) с периодами от 10 до 10 000 лет, сосредоточенными в интервалах 10-20, 60-100, 600-1200 и 8000 лет. Последний связан с изменением дипольного магнитного момента в 1,5-2 раза.

2. Мировые аномалии - отклонения от эквивалентного диполя до 20% напряженности отдельных областей с характерными размерами до10 000 км. Эти аномальные поля испытывают вековые вариации, приводящие к изменениям со временем в течение многих лет и столетий. Примеры аномалий: Бразильская, Канадская, Сибирская, Курская. В ходе вековых вариаций мировые аномалии смещаются, распадаются и возникают вновь. На низких широтах имеется западный дрейф по долготе со скоростью 0,2° в год.

3. Магнитные поля локальных областей внешних оболочек с протяженностью от нескольких до сотен км. Они обусловлены намагниченностью горных пород в верхнем слое Земли, слагающих земную кору и расположенных близко к поверхности. Одна из наиболее мощных - Курская магнитная аномалия.

4. Переменное магнитное поле Земли (так же называемое внешним) определяется источниками в виде токовых систем, находящимися за пределами земной поверхности и в ее атмосфере. Основными источниками таких полей и их изменений являются корпускулярные потоки замагниченной плазмы, приходящие от Солнца вместе с солнечным ветром, и формирующие структуру и форму земной магнитосферы.

8. Структура магнитного поля земной атмосферы

Земное магнитное поле находится под воздействием потока намагниченной солнечной плазмы. В результате взаимодействия с полем Земли образуется внешняя граница околоземного магнитного поля, называемая магнитопаузой. Она ограничивает земную магнитосферу. Из-за воздействия солнечных корпускулярных потоков размеры и форма магнитосферы постоянно меняются, и возникает переменное магнитное поле, определяемое внешними источниками. Его переменность обязана своим происхождением токовым системам, развивающимся на различных высотах от нижних слоев ионосферы до магнитопаузы. Изменения магнитного поля Земли во времени, вызванные различными причинами, называются геомагнитными вариациями, которые различаются как по своей длительности, так и по локализации на Земле и в ее атмосфере.

Магнитосфера - область околоземного космического пространства, контролируемая магнитным полем Земли. Магнитосфера формируется в результате взаимодействия солнечного ветра с плазмой верхних слоев атмосферы и магнитным полем Земли. По форме магнитосфера представляет собой каверну и длинный хвост, которые повторяют форму магнитных силовых линий. Подсолнечная точка в среднем находится на расстоянии 10 земных радиусов, а хвост магнитосферы простирается за орбиту Луны. Топология магнитосферы определяется областями вторжения солнечной плазмы внутрь магнитосферы и характером токовых систем.

Хвост магнитосферы образован силовыми линиями магнитного поля Земли, выходящими из полярных областей и вытянутых под действием солнечного ветра на сотни земных радиусов от Солнца в ночную сторону Земли. В итоге плазма солнечного ветра и солнечных корпускулярных потоков как бы обтекают земную магнитосферу, придавая ей своеобразную хвостатую форму. В хвосте магнитосферы, на больших расстояниях от Земли, напряженность магнитного поля Земли, а следовательно и их защитные свойства, ослабляются, и некоторые частицы солнечной плазмы получают возможность проникнуть и попасть во внутрь земной магнитосферы и магнитных ловушек радиационных поясов. Проникая в головную часть магнитосферы в область овалов полярных сияний под действием изменяющегося давления солнечного ветра и межпланетного поля, хвост служит местом формирования потоков высыпающихся частиц, вызывающих полярные сияния и авроральные токи. Магнитосфера отделена от межпланетного пространства магнитопаузой. Вдоль магнитопаузы частицы корпускулярных потоков обтекают магнитосферу. Влияние солнечного ветра на земное магнитное поле иногда бывает очень сильным. Магнитопауза - внешняя граница магнитосферы Земли (или планеты), на которой динамическое давление солнечного ветра уравновешивается давлением собственного магнитного поля. При типичных параметрах солнечного ветра подсолнечная точка удалена от центра Земли на 9-11 земных радиусов. В период магнитных возмущений на Земле магнитопауза может заходить за геостационарную орбиту (6,6 радиусов Земли). При слабом солнечном ветре подсолнечная точка находится на расстоянии 15-20 радиусов Земли.

9. Радиационные пояса и космические лучи

Радиационные пояса Земли - две области ближайшего околоземного космического пространства, которые в виде замкнутых магнитных ловушек окружают Землю.

В них сосредоточены огромные потоки протонов и электронов, захваченных дипольным магнитным полем Земли. Магнитное поле Земли оказывает сильное влияние на электрически заряженные частицы, движущиеся в околоземном космическом пространстве. Есть два основных источника возникновения этих частиц: космические лучи, т.е. энергичные (от 1 до12 ГэВ) электроны, протоны и ядра тяжелых элементов, приходящие с почти световыми скоростями, главным образом, из других частей Галактики. И корпускулярные потоки менее энергичных заряженных частиц (10⁵-10⁶ эВ), выброшенных Солнцем. В магнитном поле электрические частицы движутся по спирали; траектория частицы как бы навивается на цилиндр, по оси которого проходит силовая линия. Радиус этого воображаемого цилиндра зависит от напряженности поля и энергии частицы. Чем больше энергия частицы, тем при данной напряженности поля радиус (он называется ларморовским) больше. Если ларморовский радиус много меньше, чем радиус Земли, частица не достигает ее поверхности, а захватывается магнитным полем Земли. Если ларморовский радиус много больше, чем радиус Земли, частица движется так, как будто бы магнитного поля нет, частицы проникают сквозь магнитное поле Земли в экваториальных районах, если их энергия больше 10⁹ эв. Такие частицы вторгаются в атмосферу и вызывают при столкновении с ее атомами ядерные превращения, которые дают определенные количества вторичных космических лучей. Эти вторичные космические лучи уже регистрируются на поверхности Земли. Для исследования космических лучей в их первоначальной форме (первичных космических лучей) аппаратуру поднимают на ракетах и искусственных спутниках Земли. Примерно 99% энергичных частиц, «пробивающих» магнитный экран Земли, являются космическими лучами галактического происхождения и лишь около 1% образуется на Солнце. Магнитное поле Земли удерживает огромное число энергичных частиц, как электронов, так и протонов. Их энергия и концентрация зависят от расстояния до Земли и геомагнитной широты. Частицы заполняют как бы огромные кольца или пояса, охватывающие Землю вокруг геомагнитного экватора.

магнитный поле земля полюс

10. Гипотезы о природе магнитного поля Земли

В последнее время получила развитие гипотеза, связывающая возникновение магнитного поля Земли с протеканием токов в жидком металлическом ядре. Подсчитано, что зона, в которой действует механизм «магнитное динамо», находится на расстоянии 0,25--0,3 радиуса Земли. Аналогичный механизм генерации поля может иметь место и на других планетах, в частности, в ядрах Юпитера и Сатурна (по некоторым предположениям, состоящих из жидкого металлического водорода).

Наблюдаемые свойства магнитного поля Земли согласуются с представлением о его возникновении благодаря механизму гидромагнитного динамо. В этом процессе первоначальное магнитное поле усиливается в результате движений (обычно конвективных или турбулентных) электропроводящего вещества в жидком ядре планеты или в плазме звезды. При температуре вещества в несколько тысяч К его проводимость достаточно высока, чтобы конвективные движения, происходящие даже в слабо намагниченной среде, могли возбуждать изменяющиеся электрические токи, способные, в соответствии с законами электромагнитной индукции, создавать новые магнитные поля. Затухание этих полей либо создает тепловую энергию (по закону Джоуля), либо приводит к возникновению новых магнитных полей. В зависимости от характера движений эти поля могут либо ослаблять, либо усиливать исходные поля. Для усиления поля достаточно определенной асимметрии движений. Таким образом, необходимым условием гидромагнитного динамо является само наличие движений в проводящей среде, а достаточным - наличие определенной асимметрии (спиральности) внутренних потоков среды. При выполнении этих условий процесс усиления продолжается до тех пор, пока растущие с увеличением силы токов потери на джоулево тепло не уравновесят приток энергии, поступающей за счет гидродинамических движений.

Динамо-эффект - самовозбуждение и поддержание в стационарном состоянии магнитных полей вследствие движения проводящей жидкости или газовой плазмы. Его механизм подобен генерации электрического тока и магнитного поля в динамо-машине с самовозбуждением. С динамо-эффектом связывают происхождение собственных магнитных полей Солнца Земли и планет, а также их локальные поля, например, поля пятен и активных областей.

Некоторые ученые пытаются объяснить возникновение магнитного поля Земли не конвективными токами магмы, а процессами, протекающими в атмосфере при испарении воды под влиянием Солнца, в первую очередь с поверхности океанов.

Электрону энергетически намного выгоднее находиться в любом веществе, в том числе в воде, чем в воздухе. Поэтому существует некоторая вероятность, что при испарении, оторвавшаяся от поверхности воды молекула оставит в ней свой электрон. В результате атмосфера получит положительный заряд, а океан отрицательный. Диффузия положительно заряженных молекул воды приводит к тому, что они равномерно распределяются в толще атмосферы. Вращение Земли вместе с положительно заряженной атмосферой и отрицательно заряженными океанами и сушей, приводит к возникновению двух пространственно разнесённых круговых токов противоположного знака, которые генерируют магнитное поле Земли. Взаимное отталкивание токов противоположных знаков создаёт дополнительную силу, оттесняющую положительно заряженные молекулы в верхние слои атмосферы. Величина и направление наблюдаемого магнитного поля Земли соответствует величине и знаку электрического заряда атмосферы, вычисленному по создаваемому им электрическому полю, направлению и скорости вращения Земли.

Но на фоне накопленного в атмосфере электрического заряда наблюдаются местные суточные и сезонные вариации магнитного поля Земли под действием солнечного света и тепла (некоторое увеличение магнитного поля днём и летом и снижение ночью и зимой).

Высокая в сравнении с воздухом электропроводность вод океанов, суши и недр передаёт полученный ими в экваториальной области отрицательный потенциал к полюсам быстро и с небольшими потерями. Это приводит к большой разности потенциалов между экватором и полюсами в атмосфере и вызывает наблюдающийся в верхних слоях атмосферы поток положительно заряженных частиц от экватора к полюсам. А в толще земли и океанов наблюдается электрический ток противоположного знака. Электрические токи между экваториальной и полярными зонами создают дополнительное магнитное поле перпендикулярное основному, что приводит к смещению магнитных полюсов Земли относительно географических.

Предлагаемый механизм образования магнитного поля Земли позволяет также объяснить долговременные изменения его величины и направления. Воздух в верхних слоях атмосферы под действием солнечного излучения ионизируется, а молекулы воды распадаются на водород и кислород, в результате чего образуется озоновый слой. Положительные ионы смещаются к полюсам, отрицательные -- к экваториальной зоне и остаются в атмосфере. Положительные ионы, вышедшие за пределы плотной атмосферы, разгоняются электрическим полем между экватором и полюсами до больших скоростей и выбрасываются в космос над полюсами. А выходу в космос отрицательных ионов в экваториальной зоне препятствует их направление движения и магнитное поле меридионального направления.

Выброс в космос части положительных ионов приводит к тому, что атмосфера постепенно теряет положительный заряд и приобретает отрицательный. В результате магнитное поле Земли вначале уменьшается, а затем меняет знак. Следует отметить, что ход этого процесса не может быть чисто периодическим, так как он зависит от интенсивности солнечного излучения и прозрачности атмосферы, которые определяются различными факторами. В частности, после вспышек на Солнце скачкообразно возрастает количество ионов в верхних слоях атмосферы. Соответственно увеличивается поток положительных ионов, направляющихся к отрицательно заряженным полюсам Земли. Они ионизируют газы атмосферы над полюсами и вызывают их свечение, которые называют полярными сияниями.

Предлагается также новая гипотеза о механизме возникновения магнитного поля Земли.

Рис. Схема взаимодействия Солнце-Земля:

(-) - поток заряженных частиц;

Ic - ток Солнца;

Iз - круговой ток Земли;

Мв - момент вращения Земли;

щ - угловая скорость Земли;

Фз - магниный поток, создаваемый полем Земли;

Фс - магнитный поток, создаваемый током солнечного ветра.

На рис. изображена схема Солнце-Земля. Земля (З) вращается вокруг своей оси N-S с угловой скоростью щ. Земля имеет магнитное поле, северный полюс которого находится на южном географическом полюсе. Чтобы получить магнитное поле такого направления, вокруг земного шара, в плоскости перпендикулярной оси вращения Земли, должен существовать устойчивый токовый слой с током I_З. Назовем его током Земли. Следовательно, над поверхностью Земли должен существовать проводящий слой, по которому должен замыкаться ток I_З. Такой слой существует - это ионосфера.

Рассмотрим каким образом может возникануть направленный ток I_З в ионосфере. Солнце, в результате ядерных реакций протекающих в нем, излучает в окружающее пространство огромное количество заряженных частиц больших энергий (энергия частиц солнечного ветра ?10²⁷...10²⁹ эрг/с) - так называемый солнечный ветер. По составу солнечный ветер содержит, главным образом, протоны, электроны, немного ядер гелия, ионов кислорода, кремния, серы, железа [1]. Частицы образующие солнечный ветер, обладающие массой и зарядом, увлекаются верхними слоями атмосферы в сторону вращения Земли. Таким образом, вокруг Земли образуется направленный поток электронов, движущихся в сторону вращения Земли. Электрон - это заряженная частица, а направленное движение заряженных частиц есть не что иное, как электрический ток. За направление тока принято направление противоположное движению электронов, которое совпадает с направлением тока I_З. Таким образом, существует ток I_З, вызванный направленным круговым движением частиц солнечного ветра, увлекаемых круговым движением Земли. В результате наличия тока I_З возбуждается магнитное поле Земли Ф_З.

Относительно Земли солнечный ветер представляет собой поток заряженных частиц постоянного направления, а это не что иное, как электрический ток. Назовем его током Солнца I_С. Согласно определению направления тока он направлен в сторону, противоположную движению отрицательно заряженных частиц, т.е. от Земли к Солнцу.

Рассмотрим взаимодействие тока Солнца I_С с возбужденным магнитным полем земли. В результате такого взаимодействия на Землю действует вращающий момент М_З, направленный в сторону вращения Земли. Таким образом, Земля относительно солнечного ветра (I_С) проявляет себя аналогично двигателю постоянного тока с самовозбуждением. Источником энергии (генератором) в данном случае является Солнце.

Следует отметить дополнительно, что магнитный поток, вызванный током солнечного ветра I_С, пронизывает вращающийся вместе с Землей поток раскаленной лавы внутри нее. В результате взаимодействия поля I_С и потока раскаленной лавы в ней наводится электродвижущая сила, под действием которой течет ток, который так же создает магнитное поле. Вследствие этого магнитное поле Земли является результирующим полем от взаимодействия тока I_С и тока лавы.

Поскольку и магнитное поле, и вращающий момент, действующий на землю, зависят от тока Солнца, а последний от степени солнечной активности, то при увеличении солнечной активности должен увеличиваться вращающий момент, действующий на Землю и увеличиваться скорость ее вращения.

Реально существующая картина магнитного поля Земли зависит не только от конфигурации токового слоя, но и от магнитных свойств земной коры, а так же от относительного расположения магнитных аномалий. Здесь можно провести аналогию с контуром с током при наличии ферромагнитного сердечника и без него. Известно, что ферромагнитный сердечник не только меняет конфигурацию магнитного поля, но и значительно усиливает его.

Токовый слой Земли постоянно подпитывается электронами солнечного ветра. Таким образом, в результате наличия свободного токового слоя, обусловленного электронами солнечного ветра, земной шар вместе с атмосферой и ионосферой, в настоящее время должен иметь отрицательный некомпенсированный заряд.

Токовый слой Земли, в значительной степени, определяет протекание электрических процессов в атмосфере (грозы, полярные сияния, огни «святого Эльма»). Замечено, что при извержении вулканов значительно активизируются электрические процессы в атмосфере. Данное явление можно объяснить следующим. При извержении вулкана выбрасывается столб раскаленных газов (плазмы). Конвективное движение раскаленных газов замыкает токовый слой ионосферы с поверхностью Земли. Таким образом, появляется ток утечки, который активизирует электрические процессы при извержениях.

Существует ряд гипотез, объясняющих возникновение магнитного поля Земли. В последнее время получила развитие теория, связывающая возникновение магнитного поля Земли с протеканием токов в жидком металлическом ядре.

Следует заметить, что гипотезы, объясняющие механизм возникновения магнитного поля планет, довольно противоречивы и до настоящего времени экспериментально не подтверждены.

11. Изменения магнитного поля Земли

Магнитная буря

Локальные характеристики магнитного поля изменяются и колеблются иногда в течение многих часов, а потом восстанавливаются до прежнего уровня. Это явление называется магнитной бурей. Магнитные бури часто начинаются внезапно и одновременно по всему земному шару.

Геомагнитные вариации

Cуточные вариации. Cуточные вариации геомагнитного поля возникают регулярно в основном за счет токов в ионосфере Земли, вызванных изменениями освещенности земной ионосферы Солнцем в течение суток.

Нерегулярные вариации. Нерегулярные вариации магнитного поля возникают вследствие воздействия потока солнечной плазмы (солнечного ветра) на магнитосферу Земли, а так же изменений внутри магнитосферы и взаимодействия магнитосферы с ионосферой.

27-дневные вариации. 27-дневные вариации существуют как тенденция к повторению увеличения геомагнитной активности через каждые 27 дней, соответствующих периоду вращения Солнца относительно земного наблюдателя. Эта закономерность связана с существованием долгоживущих активных областей на Солнце, наблюдаемых в течении нескольких оборотов Солнца. Эта закономерность проявляется в виде 27-дневной повторяемости магнитной активности и магнитных бурь.

Сезонные вариации. Сезонные вариации магнитной активности уверенно выявляются на основании среднемесячных данных о магнитной активности, полученных путем обработки наблюдений за несколько лет. Их амплитуда увеличивается с ростом общей магнитной активности. Найдено, что сезонные вариации магнитной активности имеют два максимума, соответствующие периодам равноденствий, и два минимума, соответствующие периодам солнцестояний. Причиной этих вариаций является образование активных областей на Солнце, которые группируются в зонах от 10 до 30° северной и южной гелиографических широт. Поэтому в периоды равноденствий, когда плоскости земного и солнечного экваторов совпадают, Земля наиболее подвержена действию активных областей на Солнце.

11-летние вариации. Наиболее ярко связь между солнечной активностью и магнитной активностью проявляется при сопоставлении длинных рядов наблюдений, кратных 11 летним периодам солнечной активности. Наиболее известной мерой солнечной активности является число солнечных пятен. Найдено, что в годы максимального количества солнечных пятен магнитная активность также достигает наибольшей величины, однако возрастание магнитной активности несколько запаздывает по отношению к росту солнечной, так что в среднем это запаздывание составляет один год.

Вековые вариации - медленные вариации элементов земного магнетизма с периодами от нескольких лет и более. В отличии от суточных, сезонных, и других вариаций внешнего происхождения, вековые вариации связаны с источниками, лежащими внутри земного ядра. Амплитуда вековых вариаций достигает десятков нТл/год, изменения среднегодовых значений таких элементов, названы вековым ходом. Изолинии вековых вариаций концентрируются вокруг нескольких точек - центры или фокусы векового хода, в этих центрах величина векового хода достигает максимальных значений.

12. Смещение магнитных полюсов Земли

Схематическое представление о внутреннем строении Земли и перемещении Северного магнитного полюса в период с 1900 по 1996 годы. Внешнее ядро является источником геомагнитного поля. Автор графической иллюстрации: Dixon Rohr (Диксон Рор).

Полярность магнитного поля Земли не является постоянной. В отличие от классического стержневого магнита или декоративных магнитов на вашем холодильнике вещество, управляющее магнитным полем Земли (или геомагнитным полем), перемещается. Геофизики почти уверены, что причина того, что Земля обладает собственным магнитным полем, заключается в том, что её твердое железное ядро окружено жидкой массой горячего расплавленного металла. Этот процесс можно также смоделировать с помощью суперкомпьютеров. Наша планета, без преувеличения, является динамической планетой.

Исследования остаточной намагниченности, приобретённой изверженными горными породами при остывании их ниже точки Кюри, свидетельствуют о неоднократных инверсиях магнитного поля Земли, зафиксированных в полосовых магнитных аномалиях океанической коры, параллельные осям срединных океанических хребтов. В океанической коре, таким образом записаны все изменения магнитного поля Земли за последние 180 млн лет. Сопоставляя участки с одинаковой намагниченностью по разные стороны океанических хребтов, можно определить, когда эти участки начали расходиться.

Смещение магнитных полюсов регистрируется с 1885 года. За последние 100 лет магнитный полюс в южном полушарии переместился почти на 900 км и вышел в Индийский океан.

Новейшие данные по состоянию арктического магнитного полюса (движущегося по направлению к Восточно-Сибирской мировой магнитной аномалии через Ледовитый океан) показали, что с 1973 по 1984 год его пробег составил 120 км, с 1984 по 1994 год -- более 150 км. Хотя эти данные расчётные, они подтверждены замерами северного магнитного полюса. По данным на начало 2007 года, скорость дрейфа северного магнитного полюса увеличилась с 10 км/год в 1970-х годах до 60 км/год в 2004 году.

Схематичное изображение магнитного поля Земли. Автор: Peter Reid, The University of Edinburgh

Напряжённость земного магнитного поля падает, причём неравномерно. За последние 22 года она уменьшилась в среднем на 1,7 %, а в некоторых регионах -- например, в южной части Атлантического океана, -- на 10 %. В некоторых местах напряжённость магнитного поля, вопреки общей тенденции, даже возросла.

Ускорение движения полюсов (в среднем на 3 км/год) и движение их по коридорам инверсии магнитных полюсов (более 400 палеоинверсий позволили выявить эти коридоры), позволяет предположить, что в данном перемещении полюсов следует усматривать не экскурс, а очередную инверсию магнитного поля Земли.

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

Согласно общепринятой теории, поток расплавленного железа в ядре Земли создает электрические токи, которые, в свою очередь, продуцируют магнитное поле. Таким образом, хотя края внешнего ядра Земли находятся слишком глубоко, чтобы ученые смогли провести прямые измерения, мы можем представить движение в ядре, наблюдая за изменениями магнитного поля. Северный магнитный полюс медленно сползает к северу - более, чем на 600 миль (1,100 км) - с начала 19 столетия, когда исследователи впервые зафиксировали его точное положение. Сейчас он перемещается быстрее, фактически, по оценкам ученых, полюс мигрирует на север со скоростью около 40 миль в год, по сравнению со скоростью около 10 миль в год в начале 20-го века.

Многие сторонники теории “конца света” ухватились за это подходящее для их теории геологическое явление и высказали гипотезу о том, что оно могло привести к гибели жизни на Земле. Но могло бы это привести к таким драматическим последствиям? Ответ, по-видимому, будет “нет”, если учитывать известные нам геологические и палеонтологические летописи, свидетельствующие о сотнях прошлых инверсий геомагнитного поля.

Смена магнитных полюсов Земли - это правило, а не исключение. За последние 20 миллионов лет жизнь на Земле вошла в свое размеренное установившееся состояние с периодической сменой магнитных полюсов, примерно один раз каждые 200,000 - 300,000 лет, хотя с момента последней смены полюсов прошло уже более, чем в два раза больше времени. Смена магнитных полюсов (перемагничивание) происходит постепенно в течение сотен или даже тысяч лет, а не является полным `переворотом' (опрокидыванием полюсов) в буквальном смысле. Магнитные поля трансформируются, сжимаются и вытягиваются, воздействуя друг на друга, при этом на протяжении этого процесса на случайных широтах возникают кратные полюса. По оценкам ученых, смена полюсов происходила, как минимум, сотни раз за последние три миллиарда лет. И хотя смены полюсов (инверсии) происходили часто в "последние" годы, когда по Земле гуляли динозавры, более вероятно, что это случалось примерно только раз в миллион лет.

Пробы донных отложений, взятые со дна глубоководных частей океана, могут рассказать ученым об изменениях магнитной полярности, наглядно демонстрируя прямую связь между активностью магнитного поля и палеонтологической летописью. Магнитное поле Земли определяет намагничивание вулканической породы (лавы), отложившейся в неизменном виде на дне океана с двух сторон Среднеатлантического Разлома, по которому расходятся литосферные плиты, разделяя Северную Америку и Европу. Застывая, лава фиксирует направление магнитных полей в прошлом, подобно тому, как происходит запись звука на магнитофон.

Последняя смена полюсов Земли в процессе грандиозного перемагничивания (“опрокидывания” полюсов) состоялась около 780,000 лет назад, на границе эпох, которую ученые называют инверсия Брюнес-Матуяма. Палеонтологическая летопись не отмечает каких-либо резких перемен в жизни растений или животных. Исследование глубоководных океанических залежей, основанное на изучении количества изотопов кислорода в залежах этого периода, также не показало изменений в активности ледников. Это явилось дополнительным доказательством того, что смена полярности магнитного поля Земли не оказывает влияния на ось вращения Земли, поскольку наклон оси вращения нашей планеты существенно сказывается на климате и оледенении, и любое изменение было бы зафиксировано в «ледниковой летописи».

Другая гипотеза конца света в результате геомагнитного “опрокидывания” использует страхи по поводу наступающей солнечной активности. Это предположение ошибочно допускает, что процесс перемагничивания полюсов (инверсия) приведет к мгновенному состоянию, когда Земля окажется без магнитного поля, которое защищает нас от действия солнечных вспышек и выбросов коронального вещества из недр Солнца. Правда, хотя магнитное поле Земли, на самом деле, может со временем ослабевать и усиливаться, нет ни малейшего признака того, что оно когда-либо исчезало полностью. Ослабление магнитного поля Земли, безусловно, приведет к незначительному повышению солнечной радиации на Земле - а заодно и к возможности полюбоваться прекрасным зрелищем полярного сияния на низких широтах - как видите, ничего смертельного. Более того, даже при слабом магнитном поле толстые слои атмосферы Земли могут обеспечить защиту от влетающих в земную атмосферу солнечных частиц.

Наука доказывает, что инверсия магнитных полюсов - это, в пределах шкалы геологического времени, обычное явление, которое случается постепенно в течение тысячелетий. И хотя условия, которые приводят к инверсии геомагнитных полюсов, не совсем прогнозируемые, - перемещение Северного магнитного полюса могло, например, незаметно изменить направление, - не было замечено ничего такого за многие миллионы лет геологической летописи, что позволило бы какой-либо из сценариев конца света 2012 года, связанный с инверсией геомагнитных полюсов, принять всерьез. Однако, инверсия могла бы стать выгодным бизнесом для производителей магнитных компасов.

Источники

1. Кононович Э. Магнитное поле Земли, Энциклопедия Кругосвет - Универсальная научно-популярная онлайн-энциклопедия http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/MAGNITNOE_POLE_ZEMLI.html?page=0,1

2. Пудовкин М.И. Основы физики Солнца. СПб, 2001

3. Солнечно-земная физика. Выпуск 4. - Сборник научных трудов. Издательство Сибирского отделения РАН, 2004

4. Амиантов А.С., Зайцев А.Н., Одинцов В.И., Петров В.Г. Вариации магнитного поля Земли. Москва, 2001

5. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. -- М.: Наука, 1976.

6. Александров Н.Л. Полярные сияния. СОЖ, Науки о Земле, Процессы на поверхности Земли, 2001. http://www.issep.rssi.ru/sej_str/ST1231.htm

7. Материалы с сайта Национального агентства по аэронавтике и исследованию космического пространства http://heasarc.gsfc.nasa.gov/

8. Материалы с сайта ASTROgorizont - Астрономические новости NASA на русском языке. Новости космоса. http://www.astrogorizont.com/content/read-Cmena_polyucov

9. Солнечно-земная физика. Выпуск 4. - Сборник научных трудов. Издательство Сибирского отделения РАН, 2004

10. Материалы с сайта Новая Теория - научный форум для публикаций работ и статей описывающих новые теории, идеи и гипотезы./Научный форум «Астрономия» http://www.newtheory.ru/astronomy/o-proishojdenii-magnitnogo-polya-zemli-t511.html

11. Короновский Н.В. Магнитное поле геологического прошлого Земли // Соросовский образовательный журнал, 1996, №6, с. 65-73. http://window.edu.ru/resource/829/20829/files/9606_065.pdf

Размещено на Allbest.ru