Реферат на тему: Магнитное поле земли

Оглавление:

У вас нет времени на реферат или вам не удаётся написать реферат? Напишите мне в whatsapp — согласуем сроки и я вам помогу!

В статье «Как научиться правильно писать реферат», я написала о правилах и советах написания лучших рефератов, прочитайте пожалуйста.

Собрала для вас похожие темы рефератов, посмотрите, почитайте:

Введение

Магнитное поле Земли — это магнитное поле, создаваемое внутренними источниками, т.е. силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела с магнитным моментом, независимо от состояния их движения, магнитной составляющей электромагнитного поля.

Специальный раздел в геофизике, исследующий происхождение и природу магнитного поля Земли, называется геомагнетизмом. В геомагнетизме рассматриваются проблемы зарождения и эволюции постоянной основной составляющей геомагнитного поля, природы переменной составляющей (около 1% основного поля), а также структуры магнитосферы — высших намагниченных плазменных слоев в атмосфере Земли, взаимодействующих с солнечным ветром и защищающих Землю от космических лучей. Важной задачей является изучение вариационных закономерностей в геомагнитном поле, так как они вызваны внешними воздействиями, в основном связанными с солнечной активностью.

История изучения

Способность намагниченных объектов располагаться в определенном направлении была известна китайцам уже несколько тысяч лет назад.

В 1544 году немецкий ученый Георг Хартманн открыл наклон магнитного поля. Наименование угла магнитного наклона, в котором стрелка отклоняется от горизонтальной плоскости вниз или вверх под действием магнитного поля земли. В полусфере к северу от магнитного экватора (что не совпадает с географическим экватором) северный конец стрелки отклоняется вниз, на юге — наоборот. Линии магнитного экватора магнитного поля максимально параллельны поверхностям земли.

Первое предположение о наличии магнитного поля Земли, вызывающего такое поведение намагниченных объектов, было высказано английским врачом и естествоиспытателем Уильямом Гилбертом в 1600 году в его книге «На магните» («Де Магнит»), в которой он описал опыт шарика магнитной руды и маленькой железной стрелки. Гильберт пришел к выводу, что земля — это большой магнит, ось которого не совпадает с осью вращения земли. Следовательно, вокруг земли есть магнитное поле, как и у любого магнита.

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

Хосе де Акоста (согласно Гумбольдту, одному из основателей геофизики) впервые в своей истории (1590 г.) разработал теорию четырех линий без магнитного склонения (он описал использование компаса, угол отклонения, различия между магнитным и северным полюсом; хотя отклонения были известны уже в 15 веке, он описал флуктуацию отклонения от одной точки к другой; он определил места с нулевым отклонением: например, Азорские острова).

Угол, при котором магнитная стрелка отклоняется от направления север-юг, называется магнитным склонением. Христофор Колумб открыл, что магнитное склонение не остается постоянным и изменяется с изменением географических координат. Открытие Колумба послужило толчком для новых исследований магнитного поля Земли: данные о нем были необходимы навигаторам.

В 1759 году русский ученый М.В. Ломоносов дал ценные советы о том, как повысить точность показаний компаса в своем докладе «Обсуждение большой точности морского пути». Для изучения магнетизма Земли М.В. Ломоносов рекомендовал организовать сеть постоянных пунктов (обсерваторий), в которых должны проводиться систематические магнитные наблюдения, причем такие наблюдения должны проводиться в море в больших масштабах. Идея Ломоносова об организации магнитных обсерваторий была реализована в России только 60 лет спустя.

В 1831 году британский полярник Джон Росс обнаружил на Канадском архипелаге магнитный полюс — область, где магнитная стрелка занимает вертикальное положение, т.е. наклон 90°. В 1841 году Джеймс Росс (племянник Джона Росса) достиг другого магнитного полюса Земли, расположенного в Антарктиде.

Карл Гаусс выдвинул теорию о происхождении магнитного поля Земли. В 1835 году Гаусс провел сферический гармонический анализ магнитного поля Земли. Он создал первую в мире магнитную обсерваторию в Геттингене. В 1839 году он доказал, что большая часть его исходит из земли и что причину малых, кратковременных отклонений в его значениях необходимо искать во внешней среде.

Межпланетное магнитное поле

Если бы межпланетное пространство было вакуумом, то только поля Солнца и планет могли бы быть уникальными магнитными полями в нем, а также полем галактического происхождения, простирающимся вдоль спиральных ветвей нашей Галактики. Это сделает поля Солнца и планет в межпланетном пространстве крайне слабыми.

На самом деле межпланетное пространство не является вакуумом, а заполнено ионизированным газом, излучаемым Солнцем (солнечный ветер). Концентрация этого газа — 1-10 см-3, типичные значения скорости — от 300 до 800 км/с, температура близка к 105 К (напомним, что температура короны — 2×106 К (1000000 оС).

Поскольку газ солнечного ветра практически полностью ионизирован, его электропроводность очень высока. Провода с высокой проводимостью обладают свойством противостоять изменениям магнитного поля. Другими словами, магнитное поле не может проникнуть в такой проводник.

Движущийся солнечный ветер перенесет солнечное магнитное поле в межпланетное пространство. Поскольку плазменный поток начинается в короне Солнца (или ниже), в солнечном ветре возникают магнитные поля. Размер магнитных полей на Солнце составляет от 1 до 1000 Гс.

Поток солнечной плазмы «вытесняет» планетарные и галактические магнитные поля из внутренней Солнечной системы. Солнечный ветер «движет» галактическим полем перед ним до тех пор, пока не будет достигнут динамический баланс между давлением солнечного ветра и давлением галактической среды. Это происходит на расстоянии от 10 до 100 астрономических единиц. Следовательно, межпланетное пространство ограничено полостью в галактической среде, размеры которой представляют собой верхнюю границу межпланетного солнечного магнитного поля. Линии магнитного поля солнечного ветра простираются в межпланетное пространство за пределами орбиты Земли, с одним концом магнитного поля на Солнце. Свойства солнечного ветра и межпланетных магнитных полей нерегулярны и асимметричны из-за волокнистой структуры короны, нерегулярности магнитных полей в фотосфере и др.

Плазма вытекает из солнца таким образом, что она просто отталкивает линии поля и покидает солнце в радиальном направлении. Если бы Солнце не вращалось, этот радиальный поток плазмы привел бы к тому, что линии магнитного поля были бы радиальными и параллельными движению частиц.

По мере вращения Солнца магнитное поле имеет поперечную составляющую (в плоскостях, перпендикулярных оси вращения), а линии магнитного поля становятся спиральными.

Направление спирального поля можно оценить, предположив, что один из концов линии электропередач прочно соединен с солнцем и вращается вместе с ним. Затем частицы, которые непрерывно выбрасываются из этой области вращающейся короны, движутся в экваториальной плоскости по спиралям Архимеда. (Это похоже на работу вращающегося оросительного устройства).

Первые измерения магнитных полей за пределами магнитосферы Земли были проведены на спутнике «Пионер-1» в октябре 1958 года и позволили определить существование и положение области перехода из внешней части геомагнитного поля в межпланетное пространство. Эти результаты были подтверждены измерениями на других СВИС. Экспериментально установлено, что на спиральное межпланетное поле накладываются значительные неровности.

Спутниковые измерения межпланетного магнитного поля показали тесную связь между значением магнитного поля, перпендикулярным оси вращения аппарата (поперечная составляющая B^), и значением магнитного индекса K или A.

До и во время геомагнитных бурь B^ увеличивается на порядок и становится более неравномерным, чем в периоды затишья.

Это происходит потому, что плазма из нарушенных областей на Солнце может переносить более интенсивные и нерегулярные поля в межпланетное пространство. Это приводит к неровностям в тихом межпланетном поле, что подтверждается спутниковыми измерениями.

Была также обнаружена прямая корреляция между изменениями в межпланетном поле по спутниковым данным и солнечной активностью. Согласно этим данным, средняя скорость распространения возмущения была оценена в ~1000 км/с.

Вектор межпланетного магнитного поля имеет радиальную составляющую Bg, которая направлена либо от Солнца (знак +), либо в сторону Солнца (знак -). Межпланетное пространство разделено на переменные спиральные сектора, в которых радиальная составляющая направлена либо наружу, либо внутрь.

В каждом секторе систематически изменяются скорость солнечного ветра и плотность частиц. Наблюдения с ракетами показывают, что оба параметра сильно возрастают на границе сектора. В конце второго дня после прохождения границы сектора плотность начинает расти очень быстро, а затем, через два-три дня, медленно. Скорость солнечного ветра медленно снижается на второй или третий день после достижения пика. Структура сектора и сильные колебания скорости и плотности тесно связаны с магнитосферными возмущениями. Структура сектора достаточно стабильна, так что вся структура потока вращается вместе с Солнцем, по крайней мере, в течение нескольких солнечных вращений и проходит над Землей примерно каждые 27 дней.

Структура и свойства магнитного поля Земли

На небольшом расстоянии от поверхности земли, около трех ее радиусов, магнитные силовые линии имеют дипольное расположение. Эта область известна как плазменная атмосфера Земли.

Чем дальше от нее удаляется земная поверхность, тем сильнее становится влияние солнечного ветра: На солнечной стороне магнитное поле Земли сжимается, а на противоположной стороне, ночью, его вытягивают в длинный «хвост».

В настоящее время магнитное поле Земли является магнитным диполем. Истинный южный магнитный полюс (отрицательный, где линии магнитного поля «входят» в планету) находится вблизи географического северного полюса (в канадском секторе Арктики), истинный северный магнитный полюс (положительный, где линии магнитного поля «выходят» из Земли) сейчас находится вблизи географического южного полюса (в Индийском океане вблизи Антарктиды). Условно магнитные полюса Земли, однако, обозначаются в соответствии с их географическим расположением — Южный магнитный полюс называют Северным полюсом ради простоты и наоборот. Например, ось магнитного диполя имеет наклон около 11.5 градусов относительно земной оси вращения, а центр магнитного диполя смещен примерно на 430 км относительно центра Земли.

Магнитные полюса движутся по поверхности нашей планеты со скоростью до 40 км в год. Например, в 1900 году магнитный северный полюс имел координаты 69°с.ш. и 97°з.д., а в 2005 году — 83°с.ш. и 118°з.д. Это означает, что он двинулся на север и запад и приблизился к Северному полюсу. За тот же период Южный полюс сместился с 72° ю.ш. и 148° в.д. на 64° ю.ш. и 138° в.д. То есть, он двинулся на север и запад и отошел от Южного полюса.

Плазменная атмосфера

На магнитное поле на поверхности Земли заметно влияют ионосферные токи. Это область верхних слоев атмосферы, которая простирается с высоты около 100 км и более. Он содержит большое количество ионов. Плазма удерживается магнитным полем Земли, но ее состояние определяется взаимодействием магнитного поля Земли с солнечным ветром, что объясняет связь между магнитными бурями на Земле и солнечными вспышками.

Точки на земле, где интенсивность магнитного поля имеет вертикальное направление, называются магнитными полюсами. На земле есть две такие точки: магнитный северный полюс и магнитный южный полюс.

Прямая линия, проходящая через магнитные полюса, называется магнитной осью земли. Окружность большой окружности в плоскости, перпендикулярной магнитной оси, называется магнитным экватором. Вектор магнитного поля в точках магнитного экватора приблизительно горизонтален.

Средняя напряженность поля на поверхности земли составляет около 0,5 Е (40 А/м) и сильно зависит от географического положения. Напряженность магнитного поля составляет около 0.34 E (Эрстед) на магнитном экваторе и около 0.66 E на магнитных полюсах. В некоторых областях (так называемых областях с магнитными аномалиями) интенсивность сильно возрастает. В области магнитной аномалии Курска она достигает 2 Е.

Момент магнитного диполя Земли составил 7.812-1025 Гсм³ (или 7.812-1022 A-m²) в 1995 году и за последние десятилетия снизился в среднем на 0.004-1025 Гсм³ или 1/4000 в год.

Магнитное поле Земли характеризуется возмущениями, известными как геомагнитные пульсации, которые обусловлены возбуждением гидромагнитных волн в магнитосфере Земли; частотный диапазон пульсаций простирается от миллигерца до одного килогерца.

Большинство планет Солнечной системы имеют магнитные поля различной степени. По уменьшению магнитного дипольного момента в первую очередь Юпитер и Сатурн, за ними следуют Земля, Меркурий и Марс, а по магнитному моменту Земли величина их моментов составляет 20 000, 500, 1, 3/5000 3/10000. Магнитный дипольный момент Земли в 1970 г. составлял 7.98-1025 Гс/см3 (или 8.3-1022 А.м2) и за десятилетие снизился до 0.04-1025 Гс/см3. Средняя напряженность поля на поверхности составляет около 0,5 Е (5-10-5 Тел.). С точки зрения формы, основное магнитное поле Земли близко к полю эквивалентного магнитного диполя на расстоянии менее трех радиусов. Его центр смещен относительно центра Земли в направлении 18°с.ш. и 147,8°в.д. Ось этого диполя наклонена на 11,5° относительно оси вращения Земли. Под тем же углом геомагнитные полюса будут защищаться от соответствующих географических полюсов.

В этом случае южный геомагнитный полюс лежит в северном полушарии. В настоящее время он расположен вблизи геомагнитного Северного полюса Земли в Северной Гренландии. Его координаты = 78,6 + 0,04° T с.ш., = 70,1 + 0,07° T з.д., где T — число декад с 1970 года. На северном магнитном полюсе = 75 S, = 120,4 E. (в Антарктике). Фактические силовые линии магнитного поля Земли в среднем близки к силовым линиям этого диполя и отличаются от них локальными неровностями, связанными с наличием в коре намагниченной породы. В результате многовековых вариаций геомагнитный полюс по отношению к географическому полюсу имеет период около 1200 лет. На больших расстояниях магнитное поле Земли асимметрично. Под действием плазменного тока (солнечного ветра), исходящего от Солнца, магнитное поле Земли искажается и получает «петлю» в направлении Солнца, простирающуюся на сотни тысяч километров и покидающую орбиту Луны.

Магнитный меридиан

Магнитные меридианы — это проекции потоков магнитного поля Земли на ее поверхность; сложные кривые сходятся на северном и южном магнитных полюсах Земли.

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

Основное магнитное поле Земли, которое претерпевает медленные временные изменения (вековые вариации) с периодами от 10 до 10 000 лет, сосредоточено в интервалах 10-20, 60-100, 600-1200 и 8000 лет. Последнее связано с изменением магнитного дипольного момента в 1.5-2 раза.

2. глобальные аномалии — отклонения от эквивалентного диполя до 20% интенсивности отдельных участков с характерными размерами до 10 000 км. Эти аномальные поля подвержены колебаниям на протяжении веков, которые приводят к изменениям на протяжении многих лет и веков. Примеры аномалий: бразильский, канадский, сибирский, курский. Во время многовековых колебаний аномалии мира смещаются, растворяются и вновь появляются. На низких широтах наблюдается сдвиг западной долготы со скоростью 0.2° в год.

Магнитные поля локальных участков внешних оболочек длиной от нескольких до сотен километров. Они вызваны намагничиванием пород в верхнем слое Земли, составляющих земную кору и расположенных вблизи поверхности. Одна из самых сильных — магнитная аномалия Курска.

Переменное магнитное поле Земли (известное также как внешнее магнитное поле) определяется источниками в виде токовых систем, расположенных вне поверхности Земли и в атмосфере Земли. Основными источниками таких полей и их изменений являются корпускулярные потоки намагниченной плазмы, которые вместе с солнечным ветром исходят от Солнца и формируют структуру и форму магнитосферы Земли.

Структура магнитного поля земли

На магнитное поле Земли воздействует поток намагниченной солнечной плазмы. В результате взаимодействия с земным полем образуется внешний предел околоземного магнитного поля, так называемая магнитопауза. Это ограничивает магнитосферу Земли. Благодаря влиянию солнечных корпускулярных потоков размер и форма магнитосферы постоянно меняются, создается переменное магнитное поле, определяемое внешними источниками. Своей изменчивостью она обязана существующим системам тока, которые развиваются на разных высотах от нижних слоев ионосферы до магнитопауз. Изменения магнитного поля Земли с течением времени, вызванные различными источниками, были названы геомагнитными колебаниями, которые варьировались как продолжительность и положение на Земле и в ее атмосфере.

Магнитосфера — область околоземного пространства, контролируемая магнитным полем Земли. Магнитосфера образуется в результате взаимодействия солнечного ветра с плазмой верхней атмосферы и магнитным полем Земли. С точки зрения формы магнитосфера представляет собой пещеру и длинный хвост, повторяющий форму магнитных линий силы. Точка Солнца в среднем имеет 10 радиусов Земли, а хвост магнитосферы простирается за пределы орбиты Луны. Топология магнитосферы определяется областями поступления солнечной плазмы в магнитосферу и природой существующих систем.

Хвост магнитосферы образован линиями силы магнитного поля Земли, которые выходят из полярных областей и расширяются под воздействием солнечного ветра до сотен земных радиусов от Солнца в ночной части Земли. В результате плазма солнечного ветра и корпускулярные течения Солнца, кажется, обтекают магнитосферу Земли, придавая ей своеобразную форму хвоста. В тыльной части магнитосферы, на большом удалении от Земли, интенсивность магнитного поля Земли, а значит, и его защитные свойства, ослабляются, и некоторые частицы плазмы Солнца могут проникать в магнитосферу Земли и попадать в радиационные пояса магнитосферы и магнитные ловушки.

При проникновении в головную часть магнитосферы в область овалов аврор под влиянием изменяющегося давления солнечного ветра и межпланетного поля хвост служит местом формирования потоков извергающихся частиц, вызывающих авроры и авроры. Магнитосфера отделена от межпланетного пространства магнитопаузой. Вдоль магнитопаузы частицы корпускулярных потоков проходят через магнитосферу. Влияние солнечного ветра на магнитное поле Земли иногда очень сильно. Магнитопауза — это внешний предел магнитосферы Земли (или планеты), где динамическое давление солнечного ветра уравновешивается давлением собственного магнитного поля. Для типичных параметров солнечного ветра точка подсолнечника находится в 9-11 радиусах от центра Земли. В период магнитных возмущений на Земле магнитопауза может выходить за пределы геостационарной орбиты (6,6 радиуса Земли). При слабых солнечных ветрах солнечная точка находится на расстоянии 15-20 земных радиусов.

Радиационные пояса и космическая радиация

Радиационные пояса Земли — это две области околоземного пространства, которые окружают Землю в виде закрытых магнитных ловушек.

Они содержат огромные потоки протонов и электронов, которые захватываются дипольным магнитным полем Земли. Магнитное поле Земли оказывает сильное влияние на электрически заряженные частицы, которые движутся в космосе вблизи Земли. Существуют два основных источника этих частиц: космические лучи, т.е. высокоэнергетические (от 1 до 12 ГэВ) электроны, протоны и ядра тяжелых элементов, которые поступают в основном из других частей Галактики почти со скоростью света. И корпускулярные потоки менее энергичных заряженных частиц (105-106 эВ), излучаемых Солнцем. В магнитном поле электрические частицы движутся по спирали; траектория частицы подобна траектории цилиндра с силовой линией, вращающейся вдоль его оси. Радиус этого воображаемого цилиндра зависит от напряженности поля и энергии частицы. Чем больше энергии имеет частица, тем больше радиус (называемый Лармором) при заданной напряженности поля.

Если радиус Лармора намного меньше радиуса Земли, то частица не достигает своей поверхности, а захватывается магнитным полем Земли. Если радиус Лармора намного больше радиуса Земли, частица движется так, как если бы не было магнитного поля, то частицы проникают в магнитное поле Земли в экваториальных регионах, если их энергия больше 109 эвр. Такие частицы проникают в атмосферу и при столкновении с их атомами вызывают ядерные превращения, которые вызывают определенное количество вторичных космических лучей. Это вторичное космическое излучение уже обнаружено на поверхности Земли. Для изучения космических лучей в их первоначальном виде (первичные космические лучи) аппараты поднимаются на ракеты и искусственные спутники Земли. Около 99% энергетически богатых частиц, «проникающих» в магнитный щит Земли, являются космическими лучами галактического происхождения, и только около 1% образуются на Солнце. Магнитное поле Земли содержит большое количество высокоэнергетических частиц, как электронов, так и протонов. Их энергия и концентрация зависят от их удаленности от Земли и от их геомагнитной ширины. Частицы заполняются, как будто огромные кольца или пояса покрывают землю вокруг геомагнитного экватора.

Полюс заземления с магнитным полем

Гипотезы о природе магнитного поля Земли…

Недавно была разработана гипотеза, связывающая возникновение геомагнитного поля с протекающими в жидком металлическом сердечнике течениями. Рассчитано, что зона, в которой работает механизм «магнитного динамо», находится на расстоянии 0.25-0.3 радиуса от Земли. Подобный механизм генерации поля может происходить и на других планетах, особенно в ядрах Юпитера и Сатурна (по некоторым предположениям, состоящих из жидкого металлического водорода).

Наблюдаемые свойства магнитного поля Земли согласуются с идеей о том, что это происходит за счет механизма гидромагнитного динамо. В этом процессе исходное магнитное поле усиливается движением (обычно конвективным или турбулентным) электропроводящего вещества в жидком ядре планеты или в звездной плазме. При температуре в несколько тысяч К проводимость вещества достаточно высока, чтобы конвективные движения могли возбуждать переменные электрические токи даже в слабо намагниченной среде, способной генерировать новые магнитные поля по законам электромагнитной индукции. Ослабление этих полей либо генерирует тепловую энергию (по закону Жоуля), либо приводит к созданию новых магнитных полей. В зависимости от типа движения, эти поля могут либо ослаблять, либо усиливать исходные поля. Для усиления поля достаточно определенной асимметрии движений. Таким образом, необходимым условием гидромагнитного динамо-машины является наличие движений в самой проводящей среде, при этом достаточно определенной асимметрии (спирали) внутренних потоков среды. При соблюдении этих условий процесс затвердевания продолжается до тех пор, пока течения потерь, которые возрастают с увеличением силы на жаровне, больше не смогут компенсировать приток энергии от гидродинамических движений.

Динамо-эффект — самовозбуждение и стационарное поддержание магнитных полей движением проводящей жидкости или газовой плазмы. Его механизм похож на генерацию электрического тока и магнитного поля в динамо-машине с самовозбуждением. Динамо-эффект связан с происхождением собственных магнитных полей Земли и планет и их локальных полей, таких как поля пятен и активных областей.

Некоторые ученые пытаются объяснить формирование магнитного поля Земли не конвективными магматическими течениями, а процессами, происходящими в атмосфере, когда вода испаряется под воздействием Солнца, особенно с поверхности океанов.

Намного выгоднее, чтобы электрон содержался в любом веществе, в том числе в воде, чем в воздухе. Поэтому существует определенная вероятность того, что во время испарения молекула, отделившаяся от поверхности воды, оставит в ней свой электрон. В результате атмосфера получает положительный заряд, а океан — отрицательный. В результате диффузии положительно заряженных молекул воды они равномерно распределяются в атмосферном столбе. Вращение Земли вместе с положительно заряженной атмосферой и отрицательно заряженными океанами и сушей приводит к возникновению двух пространственно разделенных круговых течений противоположного знака, которые создают магнитное поле Земли. Взаимное отталкивание токов противоположных знаков создает дополнительную силу, толкающую положительно заряженные молекулы в верхние слои атмосферы. Величина и направление наблюдаемого магнитного поля Земли соответствуют величине и знаку электрического заряда атмосферы, вычисленного из создаваемого ею электрического поля, направлению и скорости вращения Земли.

Но на фоне накопленного в атмосфере электрического заряда наблюдаются локальные суточные и сезонные колебания магнитного поля Земли под воздействием солнечного света и тепла (некоторое увеличение магнитного поля днем и летом и снижение ночью и зимой).

Высокая электропроводность океанов, суши и недр по сравнению с воздухом быстро и с малыми потерями переносит на полюса отрицательный потенциал, полученный в экваториальном регионе. Это приводит к большой разнице потенциалов между экватором и полюсами в атмосфере и вызывает поток положительно заряженных частиц, который наблюдается в верхних слоях атмосферы от экватора к полюсам. А в толще земли и океанов наблюдается электрический ток с противоположным знаком. Электрические токи между экваториальной и полярной зонами создают дополнительное магнитное поле, перпендикулярное основанию, что вызывает географический сдвиг в магнитных полюсах Земли.

Предлагаемый механизм формирования магнитного поля Земли может также объяснить долгосрочные изменения его величины и направления. Воздух в верхних слоях атмосферы ионизируется солнечным излучением, а молекулы воды разлагаются на водород и кислород, что приводит к образованию озонового слоя. Положительные ионы движутся в сторону полюсов, отрицательные — в сторону экваториальной зоны и остаются в атмосфере. Положительные ионы, выходящие за пределы плотной атмосферы, ускоряются электрическим полем между экватором и полюсами до высоких скоростей и выбрасываются в пространство над полюсами. А выделение отрицательных ионов в экваториальной зоне в космос предотвращается направлением их движения и магнитным полем меридионального направления.

Выделение некоторых положительных ионов в космос приводит к тому, что атмосфера постепенно теряет свой положительный заряд и становится отрицательной. В результате магнитное поле Земли сначала уменьшается, а затем меняет свой 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. Особенно после солнечных вспышек количество ионов в верхних слоях атмосферы быстро увеличивается. Соответственно, увеличивается поток положительных ионов к отрицательно заряженным полюсам Земли. Они ионизируют атмосферные газы над полюсами и заставляют их светиться, так называемые авроры.

Предлагается также новая гипотеза о механизме формирования магнитного поля Земли.

На рисунке показана диаграмма солнца-земли. Земля (Z) вращается вокруг своей оси N-S с угловой скоростью ω. Земля имеет магнитное поле с северным полюсом на географическом южном полюсе. Для получения магнитного поля такого направления вокруг Земли в плоскости, перпендикулярной оси вращения Земли, необходимо наличие стабильного слоя тока с током IZ. Давайте назовем это течением земли. Следовательно, над поверхностью земли должен быть проводящий слой, вдоль которого должен замыкаться ток IZ. Такой слой существует — это ионосфера.

Рассмотрим, как направленный IZ ток может происходить в ионосфере. В результате ядерных реакций, протекающих на Солнце, большое количество заряженных частиц высоких энергий (энергия частиц солнечного ветра ≈ 1027…1029 эрг/с) — так называемого солнечного ветра — излучается в окружающее пространство. По составу солнечный ветер в основном содержит протоны, электроны, некоторые ядра гелия, ионы кислорода, кремний, серу и железо. Частицы, образующие солнечный ветер, имеющие массу и заряд, уносятся верхними слоями атмосферы в направлении вращения Земли. Таким образом, вокруг Земли создается направленный поток электронов, движущихся в направлении вращения Земли. Электрон — это заряженная частица, а направленное движение заряженных частиц — это не более чем электрический ток. Направление тока понимается как противоположное движению электронов, которое совпадает с направлением тока IZ. Таким образом, существует ток IZ, который вызван направленным круговым движением частиц солнечного ветра, уносимых круговым движением земли. В результате тока IZ возбуждается магнитное поле Земли-ФЗ.

Что касается Земли, то солнечный ветер — это поток заряженных частиц в постоянном направлении, а это не более чем электрический ток. Давайте назовем это солнечным течением. Согласно определению направления тока, оно противоположно движению отрицательно заряженных частиц, то есть от Земли к Солнцу.

Рассмотрим взаимодействие солнечного тока IС с возбужденным магнитным полем Земли. В результате такого взаимодействия на Землю действует крутящий момент МЗ, направленный на вращение Земли. Таким образом, земля появляется относительно солнечного ветра (ES) похожего на двигатель постоянного тока с самовозбуждением. Источником энергии (генератором) в данном случае является солнце.

Следует также отметить, что магнитный поток, вызванный потоком солнечного ветра IAS, проникает в поток горячей лавы, которая вращается вместе с Землей внутри него. Взаимодействие поля IAS и потока горячей лавы внутри него индуцирует электродвижущую силу, под действием которой протекает ток, который также генерирует магнитное поле. В результате магнитное поле Земли является результатом взаимодействия между током МСУ и потоком лавы.

Поскольку и магнитное поле, и крутящий момент, действующий на Землю, зависят от солнечного тока, а последний — от степени солнечной активности, то с увеличением солнечной активности следует увеличивать крутящий момент, действующий на Землю, и скорость вращения Земли.

Реальная картина магнитного поля Земли зависит не только от конфигурации текущего слоя, но и от магнитных свойств земной коры и относительного положения магнитных аномалий. Здесь можно провести аналогию с контуром с током при наличии ферромагнитного ядра и без него. Известно, что ферромагнитное ядро не только изменяет конфигурацию магнитного поля, но и значительно усиливает его.

Текущий слой земли постоянно питается электронами солнечного ветра. В результате слоя свободного тока, вызванного электронами солнечного ветра, земной шар вместе с атмосферой и ионосферой должны теперь иметь отрицательный, некомпенсируемый заряд.

Текущий слой земли во многом определяет ход электрических процессов в атмосфере (грозы, аврора бореалис, светильники «Святой Эльмы»). Установлено, что вулканические извержения существенно активизируют электрические процессы в атмосфере. Это явление можно объяснить следующим образом. При извержении вулкана выбрасывается колонна горячих газов (плазма). Из-за конвективного движения светящихся газов текущий слой ионосферы закрывается с поверхностью Земли. Это создает ток утечки, который запускает электрические процессы во время извержения.

Существует ряд гипотез, объясняющих происхождение магнитного поля Земли. Недавно была разработана теория, связывающая возникновение магнитного поля Земли с протекающими в жидком металлическом сердечнике токами.

Следует отметить, что гипотезы, объясняющие механизм возникновения магнитного поля планет, весьма противоречивы и до сих пор не подтверждены экспериментально.

Изменения магнитного поля Земли

Локальные свойства магнитного поля меняются и иногда колеблются в течение многих часов, а затем возвращаются на прежний уровень. Это явление называется магнитной бурей. Магнитные бури часто происходят внезапно и одновременно по всему миру.

Временные изменения магнитного поля Земли из-за различных факторов называются геомагнитными колебаниями. Разница между наблюдаемой напряженностью магнитного поля и его средним значением за длительный период времени, например, месяц или год, называется геомагнитной вариацией. Наблюдаются непрерывные изменения геомагнитных колебаний во времени, и такие изменения часто носят периодический характер.

Дневные колебания. Ежедневные изменения геомагнитного поля происходят регулярно, главным образом из-за токов в ионосфере Земли, вызванных изменениями в освещении ионосферы Земли в течение дня.

Нерегулярные отклонения. Нерегулярные изменения магнитного поля обусловлены влиянием потока солнечной плазмы (солнечного ветра) на магнитосферу Земли, а также изменениями в магнитосфере и взаимодействием магнитосферы с ионосферой.

27-дневные варианты. Эти 27-дневные колебания существуют как тенденция к повторению увеличения геомагнитной активности каждые 27 дней, что соответствует периоду вращения Солнца относительно земного наблюдателя. Эта закономерность связана с существованием на Солнце долгоживущих активных областей, которые наблюдались во время нескольких вращений Солнца. Эта закономерность проявляется в 27-дневной повторяемости магнитной активности и магнитных бурь.

Сезонные колебания. Сезонные изменения магнитной активности достоверно выявляются на основе среднемесячных данных о магнитной активности, полученных в результате обработки наблюдений за несколько лет. Их амплитуда увеличивается с увеличением общей магнитной активности. Установлено, что сезонные колебания магнитной активности имеют два максимума, соответствующие периодам равноденствий, и два минимума, соответствующие решеткам. Причиной этих вариаций является формирование активных областей на Солнце, сгруппированных в зонах от 10 до 30° северной и южной гелиографической широты. Поэтому в периоды равноденствия, когда плоскости земного и солнечного экватора совпадают, Земля наиболее подвержена действию активных областей на Солнце.

Вариации у 11-летних. Наиболее сильная корреляция между солнечной и магнитной активностью проявляется при сравнении длинных серий наблюдений, кратных 11-летним периодам солнечной активности. Самым известным показателем солнечной активности является количество солнечных пятен. Установлено, что в годы, когда количество солнечных пятен достигает своего пика, магнитная активность также достигает своего пика, но увеличение магнитной активности несколько отстает от увеличения солнечной активности, так что средняя задержка составляет один год.

Многовековые вариации — это медленные вариации элементов земного магнетизма с периодами в несколько лет и более. В отличие от ежедневных, сезонных и других вариаций внешнего происхождения, многовековые вариации связаны с источниками внутри земного ядра. Амплитуда столетних вариаций достигает десятков нТл/год; изменение среднегодовых значений таких элементов называется столетними вариациями. Изолинии вековых вариаций сконцентрированы вокруг нескольких точек — центров или уловок векового курса, в этих центрах значение векового курса достигает максимальных значений.

Смещение магнитного полюса земли

Схематическое представление внутренней структуры Земли и движения магнитного северного полюса в период с 1900 по 1996 г. Внешнее ядро является источником геомагнитного поля. Автор диаграммы: Диксон Рор.

Полярность магнитного поля Земли не постоянна. В отличие от классического бара магнита или декоративного магнита, вещество, которое контролирует магнитное поле Земли (или геомагнитное поле) на вашем холодильнике движется. Геофизики почти уверены, что причина того, что Земля имеет собственное магнитное поле, заключается в том, что ее твердое железное ядро окружено жидкой массой горячего расплавленного металла. Этот процесс также может быть смоделирован с помощью суперкомпьютеров. Наша планета, без преувеличения, динамичная планета.

Исследования остаточной намагниченности, полученной изверженными породами при их охлаждении ниже точки Кюри, свидетельствуют о многократных инверсиях магнитного поля Земли, зафиксированных в полосчатых магнитных аномалиях океанической коры, параллельных осям центральных океанических хребтов. Таким образом, в океанической коре регистрируются все изменения магнитного поля Земли за последние 180 миллионов лет. Сравнивая точки намагничивания с одними и теми же на разных сторонах океанических хребтов, можно определить, когда эти точки начали расходиться.

Смещение магнитных полюсов фиксируется с 1885 года. За последние 100 лет магнитный полюс сдвинулся почти на 900 км в южном полушарии и достиг Индийского океана.

Последние данные о состоянии магнитного полюса Арктики (который движется в направлении мировой магнитной аномалии Восточной Сибири над Северным Ледовитым океаном) показали, что его расстояние с 1973 по 1984 год составило 120 км, а с 1984 по 1994 год — более 150 км. Хотя эти данные рассчитаны, они подтверждаются измерениями на северном магнитном полюсе. В начале 2007 года скорость дрейфа северного магнитного полюса увеличилась с 10 км/год в 1970-х годах до 60 км/год в 2004 году.

Интенсивность магнитного поля Земли уменьшается, и оно уменьшается неравномерно. За последние 22 года она уменьшилась в среднем на 1,7%, а в некоторых регионах — например, в Южной Атлантике — на 10%. В некоторых местах напряженность магнитного поля даже возросла, вопреки общей тенденции.

Ускорение движения полюсов (в среднем 3 км/год) и их перемещение по коридорам инверсии магнитных полюсов (более 400 палеоинверсий позволили обнаружить эти коридоры), позволяет видеть в данном движении полюсов не экскурсию, а следующую инверсию магнитного поля Земли.

Это подтверждается и текущим увеличением угла раствора Каспова (полярные щели в магнитосфере на север и юг), который в середине 1990-х годов достиг 45°. Излучение солнечного ветра, межпланетного пространства и космических лучей погрузилось в расширенные щели, и все больше материала и энергии попадает в полярные области, что может привести к дополнительному потеплению полярных шапок.

Традиционная теория заключается в том, что поток расплавленного железа в ядре земли создает электрические токи, которые, в свою очередь, создают магнитное поле. Таким образом, хотя края внешнего ядра Земли слишком глубоки для того, чтобы ученые могли проводить прямые измерения, мы можем представить себе движения в ядре, наблюдая за изменениями в магнитном поле. Магнитный Северный полюс медленно скользит на север — более 600 миль (1100 км) — с начала 19 века, когда ученые впервые зафиксировали его точное положение. Сейчас он движется быстрее; на самом деле, ученые считают, что полюс движется на север со скоростью около 40 миль в год, по сравнению со скоростью около 10 миль в год в начале 20-го века.

Многие последователи теории «конца света» взялись за геологический феномен, подходящий для их теории, и выдвинули гипотезу о том, что он может привести к смерти жизни на земле. Но могло ли это привести к таким драматическим последствиям? Ответ кажется «нет», если принять во внимание известные нам геологические и палеонтологические хроники, свидетельствующие о сотнях прошлых инверсий геомагнитных полей.

Изменение магнитных полюсов земли — это правило, а не исключение. За последние 20 миллионов лет жизнь на Земле вступила в измеренное установленное состояние с периодической сменой магнитных полюсов, примерно раз в 200 000 — 300 000 лет, хотя с момента последней смены полюсов прошло более чем в два раза больше времени. Смена магнитных полюсов (перемагничивание) происходит постепенно в течение сотен, а то и тысяч лет, вместо одной полной «революции» (поворота полюсов) в прямом смысле слова. Магнитные поля трансформируются, сжимаются, вытягиваются и воздействуют друг на друга, так что этот процесс создает несколько полюсов на свободных широтах. По оценкам ученых, за последние три миллиарда лет смена полюсов происходила как минимум сотни раз. И хотя смена полюсов (инверсии) происходила часто в «последние» годы, когда динозавры ходили по земле, скорее всего, это происходило лишь раз в миллионы лет.

Пробы донных отложений, взятые с глубоководного дна, могут дать ученым информацию об изменении магнитной полярности и тем самым выявить прямую связь между активностью магнитного поля и палеонтологической записью. Магнитное поле Земли определяет намагниченность вулканической породы (лавы), осевшей в неизменном виде на морском дне с двух сторон Срединно-Атлантического Разлома, где литосферные плиты, разделяющие Северную Америку и Европу, расходятся. По мере того, как лава затвердевает, она записывает направление магнитных полей в прошлом, точно так же, как звук записывается на магнитофон.

Заключение

Последний раз полюса земли были изменены в ходе грандиозной перемагничивания («наклона» полюсов) около 780 000 лет назад, на границе эпох, которые ученые называют разворотом Брунеса-Матуямы. Палеонтологическая хроника не фиксирует каких-либо драматических изменений в жизни растений или животных. Изучение глубоководных океанических отложений, основанное на количестве изотопов кислорода в отложениях этого периода, также не выявило никаких изменений в ледниковой активности. Это явилось дополнительным свидетельством того, что изменение полярности магнитного поля Земли не влияет на ось вращения Земли, так как наклон оси вращения нашей планеты существенно влияет на климат и оледенение, и любое изменение будет зафиксировано в «ледниковых летописях».

Другая гипотеза Судного дня, как следствие геомагнитного «опрокидывания», использует страх перед грядущей солнечной активностью. Эта гипотеза ошибочно предполагает, что процесс перемагничивания полюсов (инверсии) приведет к мгновенному состоянию, в котором Земля останется без магнитного поля, защищая нас от солнечных вспышек и выбросов корональной материи из недр Солнца. Хотя магнитное поле Земли действительно может со временем становиться все слабее и сильнее, нет ни малейшего признака того, что оно когда-либо полностью исчезло. Ослабление магнитного поля Земли, несомненно, приведет к небольшому увеличению количества солнечной радиации на Земле — и в то же время к возможности любоваться прекрасным видом северного сияния на низких широтах — как видите, ничего смертельного. Более того, даже при слабом магнитном поле толстые слои земной атмосферы могут обеспечить защиту от проникновения солнечных частиц в земную атмосферу.

Наука доказывает, что разворот магнитного полюса в геологическом масштабе времени является обычным явлением, которое происходит постепенно на протяжении тысяч лет. И хотя условия, приводящие к развороту геомагнитных полюсов, не вполне предсказуемы — движение N-образного магнитного полюса, например, может незаметно изменить направление — в многомиллионной геологической хронике не было замечено ничего подобного, что позволило бы серьезно отнестись к одному из сценариев конца света 2012 года, связанному с разворотом геомагнитных полюсов. Однако инверсия может быть выгодным бизнесом для производителей магнитных компасов.

Список литературы

Кононович Е. Магнитное поле Земли, энциклопедия мира — Универсальная научно-популярная он-лайн энциклопедия.
Пудовкин М.И. Основы солнечной физики. Санкт-Петербург, 2003.
Солнечно-земная физика. Выпуск 4 — Сборник научных трудов. Издательство Сибирского отделения РАН, 2004.
А.С. Амянтов, А.Н. Зайцев, В.И. Одинцов, В.Г. Петров Вариации магнитного поля Земли. Москва, 2006.
Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. — М.: Наука, 1976.
Александров Н.Л. Полярное сияние. COL, Науки о Земле, Процессы на поверхности Земли, 2007.