Рассказ о магнитном поле земли. Магнитное поле

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».

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.

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.

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 .

Магнитный меридиан

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

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).

Изменения магнитного поля Земли

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

Геомагнитные координаты (координаты Мак-Илвайна)

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

История исследований

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 (англ. William Gilbert ) 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. Наблюдения английского астронома Генри Геллибранда (англ. Henry Gellibrand ) показали, что геомагнитное поле не постоянно, а медленно изменяется.

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 (нем. Carl Friedrich Gauß ) выдвинул теорию о происхождении магнитного поля Земли и в 1839 году доказал, что основная его часть выходит из Земли, а причину небольших, коротких отклонений его значений необходимо искать во внешней среде.

См. также

Intermagnet (англ. )

Примечания

Литература

Сивухин Д. В. Общий курс физики. - Изд. 4-е, стереотипное. - М .: Физматлит ; Изд-во МФТИ, 2004. - Т. III. Электричество. - 656 с. - ISBN 5-9221-0227-3 ; ISBN 5-89155-086-5 .
Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. - М .: Наука, 1976.
Н. В. Короновский Магнитное поле геологического прошлого Земли. Соросовский образовательный журнал, N5, 1996, с. 56-63

Ссылки

Карты смещения магнитных полюсов Земли за период с 1600 по 1995 год

Прочая информация по теме

Инверсии магнитного поля в геологической истории Земли
Влияние инверсии магнитного поля на климат и эволюцию жизни на Земле

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Магнитное поле Земли" в других словарях:

До расстояний? 3R= (R= радиус Земли) соответствует приблизительно полю однородно намагниченного шара с напряженностью поля? 55 7 А/м (0,70 Э) у полюсов магнитных Земли и 33,4 А/м (0,42 Э) на магнитном экваторе. На расстояниях 3R магнитное поле… … Большой Энциклопедический словарь

Пространство вокруг земного шара, в котором обнаруживается сила земного магнетизма. Магнитное поле Земли характеризуется вектором напряженности, магнитным наклонением и магнитным склонением. EdwART. Толковый Военно морской Словарь, 2010 … Морской словарь

В последние дни на научных информационных сайтах появилось большое количество новостей, посвященных магнитному полю Земли. Например, новость о том, что в последнее время оно существенно изменяется, или о том, что магнитное поле способствует утечке кислорода из земной атмосферы и даже про то, что вдоль линий магнитного поля ориентируются коровы на пастбищах. Что представляет собой магнитное поле и насколько важны все перечисленные новости?

Магнитное поле Земли – это область вокруг нашей планеты, где действуют магнитные силы. Вопрос о происхождении магнитного поля до сих пор окончательно не решен. Однако большинство исследователей сходятся в том, что наличием магнитного поля Земля хотя бы отчасти обязана своему ядру. Земное ядро состоит из твердой внутренней и жидкой наружной частей. Вращение Земли создает в жидком ядре постоянные течения. Как читатель может помнить из уроков физики, движение электрических зарядов приводит к появлению вокруг них магнитного поля.

Одна из самых распространенных теорий, объясняющих природу поля, - теория динамо-эффекта - предполагает, что конвективные или турбулентные движения проводящей жидкости в ядре способствуют самовозбуждению и поддержанию поля в стационарном состоянии.

Землю можно рассматривать как магнитный диполь. Его южный полюс находится на географическом Северном полюсе, а северный, соответственно, на Южном. На самом деле, географический и магнитный полюса Земли не совпадают не только по "направлению". Ось магнитного поля наклонена по отношению к оси вращения Земли на 11,6 градуса. Из-за того что разница не очень существенная, мы можем пользоваться компасом. Его стрелка точно указывает на южный магнитный полюс Земли и почти точно на Северный географический. Если бы компас был изобретен 720 тысяч лет назад, то он бы указывал и на географический и на магнитный северный полюс. Но об этом чуть ниже.

Магнитное поле защищает жителей Земли и искусственные спутники от губительного воздействия космических частиц. К таким частицам относятся, например, ионизированные (заряженные) частицы солнечного ветра. Магнитное поле изменяет траекторию их движения, направляя частицы вдоль линий поля. Необходимость наличия магнитного поля для существования жизни сужает круг потенциально обитаемых планет (если мы исходим из предположения, что гипотетически возможные формы жизни похожи на земных обитателей).

Ученые не исключают, что часть планет земного типа не имеют металлического ядра и, соответственно, лишены магнитного поля. До сих пор считалось, что планеты, состоящие из твердых скальных пород, как и Земля, содержат три основных слоя: твердую кору, вязкую мантию и твердое или расплавленное железное ядро. В недавней работе ученые из Массачусетского технологического института предложили образования "скалистых" планет без ядра. Если теоретические выкладки исследователей подтвердятся наблюдениями, то для расчета вероятности встретить во Вселенной гуманоидов или хотя бы что-то, напоминающее иллюстрации из учебника биологии, придется переписать.

Земляне тоже могут лишиться своей магнитной защиты. Правда, точно сказать, когда это произойдет, геофизики пока не могут. Дело в том, что магнитные полюса Земли непостоянны. Периодически они меняются местами. Не так давно исследователи установили, что Земля "помнит" о смене полюсов. Анализ таких "воспоминаний" показал, что за последние 160 миллионов лет магнитные север и юг менялись местами около 100 раз. Последний раз это событие произошло около 720 тысяч лет назад.

Смена полюсов сопровождается изменением конфигурации магнитного поля. Во время "переходного периода" на Землю проникает существенно больше космических частиц, опасных для живых организмов. Одна из гипотез, объясняющих исчезновение динозавров, утверждает, что гигантские рептилии вымерли именно во время очередной смены полюсов.

Кроме "следов" плановых мероприятий по смене полюсов исследователи заметили в магнитном поле Земли опасные подвижки. Анализ данных о его состоянии за несколько лет показал, что в последние месяцы в нем начали происходить . Настолько резких "движений" поля ученые не регистрировали уже очень давно. Вызывающая беспокойства исследователей зона находится в южной части Атлантического океана. "Толщина" магнитного поля в этом районе не превышает трети от "нормальной". Исследователи давно обратили внимание на эту "прореху" в магнитном поле Земли. Собранные за 150 лет данные показывают, что за этот период поле здесь ослабло на десять процентов.

На данный момент трудно сказать, чем это грозит человечеству. Одним из последствий ослабления напряженности поля может стать увеличение (пусть и незначительное) содержания кислорода в земной атмосфере. Связь между магнитным полем Земли и этим газом была установлена с помощью системы спутников Cluster – проекта Европейского космического агентства. Ученые выяснили, что магнитное поле ускоряет ионы кислорода и "выбрасывает" их в космическое пространство.

Несмотря на то, что магнитное поле нельзя увидеть, обитатели Земли хорошо его чувствуют. Перелетные птицы, например, отыскивают дорогу, ориентируясь именно на него. Существует несколько гипотез, объясняющих, как именно они ощущают поле. Одна из последних предполагает, что птицы воспринимают магнитное поле . Особые белки – криптохромы – в глазах перелетных птиц способны менять свое положение под воздействием магнитного поля. Авторы теории считают, что криптохромы могут выполнять роль компаса.

Кроме птиц магнитное поле Земли вместо GPS используют морские черепахи. И, как показал анализ спутниковых фотографий, представленных в рамках проекта Google Earth, коровы. Изучив фотографии 8510 коров в 308 районах мира, ученые заключили, что эти животные предпочтительно (или с юга на север). Причем "реперными точками" для коров служат не географические, а именно магнитные полюса Земли. Механизм восприятия коровами магнитного поля и причины именно такой реакции на него остаются неясными.

Кроме перечисленных замечательных свойств магнитное поле способствует . Они возникают в результате резких изменений поля, происходящих в удаленных регионах поля.

Магнитное поле не обошли своим вниманием сторонники одной из "теорий заговора" – теории о лунной мистификации. Как уже упоминалось выше, магнитное поле защищает нас от космических частиц. "Собранные" частицы скапливаются в определенных частях поля – так называемых радиационных поясах Ван Алена. Скептики, не верящие в реальность высадок на Луну, считают, что во время пролета сквозь радиационные пояса астронавты получили бы смертельную дозу радиации.

Магнитное поле Земли - удивительное следствие законов физики, защитный щит, ориентир и создатель полярных сияний. Если бы не оно, жизнь на Земле, возможно, выглядела бы совсем иначе. В общем, если бы магнитного поля не было - его необходимо было бы придумать.

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

Поля мировых аномалий

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

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

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

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

Внешнее магнитное поле

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

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

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

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

Параметры поля

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

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

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

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

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

Природа магнитного поля Земли

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

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

Математически этот процесс описывается дифференциальным уравнением

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

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

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

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

ρ 0 (∂ u ∂ t + u ⋅ ∇ u) = − ∇ P + ρ 0 ν ∇ 2 u + ρ g ¯ − 2 ρ 0 Ω × u + J × B {\displaystyle \rho _{0}\left({\frac {\partial \mathbf {u} }{\partial t}}+\mathbf {u} \cdot \mathbf {\nabla } \mathbf {u} \right)=-\nabla \mathbf {P} +\rho _{0}\nu \mathbf {\nabla } ^{2}\mathbf {u} +\rho {\bar {\mathbf {g} }}-2\rho _{0}\mathbf {\Omega } \times \mathbf {u} +\mathbf {J} \times \mathbf {B} } .

Уравнение теплопроводности , выражающее закон сохранения энергии :

∂ T ∂ t + u ⋅ ∇ T = κ ∇ 2 T + ϵ {\displaystyle {\frac {\partial T}{\partial t}}+\mathbf {u} \cdot \mathbf {\nabla } T=\kappa \mathbf {\nabla } ^{2}T+\epsilon } ,

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

Изменения магнитного поля Земли

Геомагнитные координаты (координаты Мак-Илвайна)

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

История исследований

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

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

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

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

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

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

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

См. также

Intermagnet (англ. )

Примечания

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

class="part1">

Подробно:

Планета Земля

Магнитное поле Земли

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

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

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

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

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

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

Если магнитного поля не будет

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

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

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

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

Влияние магнитного поля на живые организмы

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

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

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

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

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

Напряженность магнитного поля Земли

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

В прошлом веке разными учеными было выдвинуто несколько предположений о том, магнитное поле Земли. Согласно одному из них, поле появляется в результате вращения планеты вокруг своей оси.

Она основана на любопытном эффекте Барнета-Энштейна, который заключается в том, что при вращении любого тела возникает магнитное поле. Атомы в этом эффекте имеют свой магнитный момент, так как вращаются вокруг своей оси. Так появляется магнитное поле Земли. Однако эта гипотеза не выдержала экспериментальных проверок. Оказалось, что магнитное поле, полученное таким нетривиальным образом, в несколько миллионов раз слабее реального.

Другая гипотеза основана на появлении магнитного поля вследствие кругового движения заряженных частиц (электронов) на поверхности планеты. Она тоже оказалась несостоятельной. Движение электронов способно вызвать появление очень слабого поля, к тому же эта гипотеза не объясняет инверсии магнитного поля Земли. Известно, что северный магнитный полюс не совпадает с северным географическим.

Солнечный ветер и токи мантии

Механизм образования магнитного поля Земли и других планет Солнечной системы до конца не изучен и пока что остается загадкой для ученых. Тем не менее, одна предложенная гипотеза довольно хорошо объясняет инверсию и величину индукции реального поля. Она основана на работе внутренних токов Земли и солнечного ветра.

Внутренние токи Земли протекают в мантии, которая состоит из веществ, обладающих очень хорошей проводимостью. Источником тока выступает ядро. Энергия от ядра к поверхности земли передается с помощью конвекции. Таким образом, в мантии наблюдается постоянное движение вещества, которое и образует магнитное поле по известному закону движения заряженных частиц. Если связывать его появление только с внутренними токами, получается, что все планеты, у которых направление вращения совпадает с направлением вращения Земли, должны иметь идентичное магнитное поле. Однако это не так. У Юпитера северный географический полюс совпадает с северным магнитным.

В образовании магнитного поля Земли участвуют не только внутренние токи. Давно известно, что оно реагирует на солнечный ветер, поток высокоэнергетических частиц, идущих от Солнца в результате реакций, происходящих на его поверхности.

Солнечный ветер по своей природе представляет собой электрический ток (движение заряженных частиц). Увлекаемый вращением Земли, он создает круговой ток, который приводит к появлению магнитного поля Земли.