Такое явление как магнетизм известно человечеству очень давно. Свое название он получил благодаря городу Магнетия, который расположен в Малой Азии. Именно там было обнаружено огромное количество железняка. Самые первые упоминания об уникальных мы можем встретить в работах Тита Лукреция Кара, который писал об этом в поэме «О природе веще», примерно в І веке до н.э.

С давних времен люди находили применение уникальным свойствам железняка. Одним из самых распространенных устройств, действие которых основывалось на притяжении металлов, стал компас. Сейчас же очень сложно представить себе различные отрасли промышленности, в которых не использовались бы простые магниты и электромагниты.

Магнитное поле Земли - это область вокруг планеты, которая защищает ее от вредного влияния радиоактивных О возникновении этого поля ученые спорят и по сей день. Но большинство из них считает, что возникло оно благодаря Центр нашей планеты имеет жидкую внешнюю и твердую внутреннюю составляющую. При вращении жидкая часть ядра перемещается, наряженные электрические частицы движутся и образуется так называемое магнитное поле.

Магнитное поле Земли называется также магнитосферой. Понятие «магнетизм» - это всеобъемлющее и глобальное свойство природы. На данный момент невозможно создать полностью законченную теорию солнечного и земного притяжения, но уже сейчас наука старается во многом разобраться и ей удается дать достаточно убедительные пояснение различным аспектам этого сложного явления.

В последнее время ученые и простые граждане в значительной мере обеспокоены вопросом того, что магнитное поле Земли постепенно ослабляет свое влияние. Научным путем было доказано, что в течение последних 170 лет магнитное поле неуклонно ослабевает. Это заставляет задуматься, так как оно является определенного рода щитом, который защищает Землю и живую природу от страшного радиационного влияния солнечных лучей. сопротивляется потоку всех таких частиц, которые летят по направлению к полюсам. Все эти потоки задерживаются в верхнем слое атмосферы на полюсах, образуя собой прекрасное явление - северное сияние.

Если вдруг магнитное поле Земли исчезнет или в значительной мере ослабнет, то все сущее на планете окажется под прямым влиянием космического и солнечного излучения. В свою очередь это приведет радиационным заболеваниям и поражениям всех живых организмов. Следствием такого бедствия станут страшные мутации или полная гибель. К огромному облегчению, такое развитие событий маловероятно.

Ученые-палеомагнитологи смогли предоставить достаточно достоверные данные о том, что магнитное поле постоянно колеблется, причем период таких колебаний различается. Также они составили примерную кривую колебаний поля и выяснили, что на данный момент поле находится в ниспадающем положении и будет снижаться еще пару тысяч лет. Затем оно снова станет усиливаться в течение 4 тысяч лет. Последний максимум значения притяжения магнитного поля пришелся на начало нынешней эры. Причины такой нестойкости выдвигаются самые разнообразные, но какой-то конкретной теории по этому поводу не существует.

Давно известно, что многие магнитные поля имеют отрицательное влияние на живые организмы. К примеру, опыты, производимые на животных показали, что внешнее магнитное поле способно задерживать развитие, замедлить рост клеток и даже изменить состав крови. Именно поэтому приводят к ухудшению состояния здоровья метеозависимых людей.

Для человека безопасное магнитное поле Земли - это поле со значением напряженности не более 700 эрстед. Стоит отметить, что речь идет не о собственно магнитном поле Земли, а об электромагнитных полях, которые образуются при работе любого радио и электрического устройства.

Физическая сторона процесса влияния именно магнитного поля Земли на человека до сих пор не совсем ясна. Зато удалось выяснить, что оно воздействует на растения: всхожесть и дальнейший рост семян напрямую зависят от их первоначального ориентирования по отношению к магнитному полю. Причем его изменение может или ускорить или замедлить развитие растения. Вполне возможно, что когда-нибудь это свойство будет использоваться в сельском хозяйстве.

Земли - это сила его притяжения. В некоторых местах она колеблется, но в среднем показатель равен 0,5 эрстеда. В некоторых местах (в так называемых напряженность возрастает до 2Э.

Земля - это гигантский магнит, вокруг которого образуется магнитное поле. Магнитные полюса Земли не совпадают с истинными географическими полюсами - северным и южным. Силовые линии, идущие от одного магнитного полюса к другому, называются магнитными меридианами. Между магнитным и географическим меридианом образуется некоторый угол (около 11,5° - прим.. Поэтому намагниченная стрелка компаса точно показывает направление магнитных меридианов, а направление на северный географический полюс - лишь приблизительно.

Свободно подвешенная магнитная стрелка располагается горизонтально только на линии магнитного экватора, который не совпадает с географическим. Если двигаться к северу от магнитного экватора, то северный конец стрелки будет постепенно опускаться. Угол, образованный магнитной стрелкой и горизонтальной плоскостью, называют магнитным наклонением. На Северном магнитном полюсе (77° с.ш. и 102° з.д.) свободно подвешенная магнитная стрелка установится вертикально северным концом вниз, а на Южном магнитном полюсе (65° ю.ш. и 139° в.д. - прим.. Таким образом, магнитная стрелка показывает направление силовых линий магнитного поля над земной поверхностью.

Считается, что постоянное магнитное поле наша планета генерирует сама. Оно образуется из-за сложной системы электрических токов, возникающих при вращении Земли и перемещении жидкого вещества в её внешнем ядре. Положение магнитных полюсов и распределение магнитного поля по земной поверхности со временем меняются. Магнитное поле Земли простирается до высоты около 100 тыс. км. Оно отклоняет или захватывает частицы солнечного ветра, губительные для всех живых организмов. Эти заряженные частицы образуют радиационный пояс Земли, а вся область околоземного пространства, в которой они находятся, называют магнитосферой.

Солнце посылает к Земле огромный поток энергии, состоящий из электромагнитного излучения (видимого света, инфракрасного и радиоизлучения - прим.); ультрафиолетового и рентгеновского излучений; солнечных космических лучей, возникающих только во время очень сильных вспышек; и солнечного ветра - постоянного потока плазмы, образованного главным образом протонами (ионы водорода).

Электромагнитное излучение Солнца приходит к Земле через 8 мин., а потоки частиц, приносящие основную часть возмущения от Солнца, двигаются со скоростью около 1000 км/с и задерживаются на двое-трое суток. Основной причиной возмущений солнечного ветра, существенно влияющих на земные процессы, являются грандиозные выбросы вещества из короны Солнца. При движении к Земле они превращаются в магнитные облака и приводят к сильным, иногда экстремальным возмущениям на Земле. Особенно сильные возмущения магнитного поля Земли - магнитные бури - нарушают радиосвязь, вызывают интенсивные полярные сияния.

Полярное сияние над Землей (снимок из космоса)

Магнитные аномалии

В некоторых районах планеты наблюдаются отклонения магнитного склонения и магнитного наклонения от средних значений для данной территории. Например, в Курской области в районе месторождения железной руды напряжение магнитного поля в 5 раз выше, чем среднее для этого района. Месторождение так и называется - Курская магнитная аномалия - прим.. Иногда подобные отклонения наблюдаются на обширных площадях. Восточно-Сибирская магнитная аномалия характеризуется западным магнитным склонением, а не восточным.

В 1905 году Эйнштейн назвал одной из пяти главных загадок тогдашней физики причину земного магнетизма.

В том же 1905 году французский геофизик Бернар Брюнес провел в южном департаменте Канталь замеры магнетизма лавовых отложений эпохи плейстоцена. Вектор намагниченности этих пород составлял почти 180 градусов с вектором планетарного магнитного поля (его соотечественник П. Давид получил аналогичные результаты даже годом раньше). Брюнес пришел к заключению, что три четверти миллиона лет назад во время излияния лавы направление геомагнитных силовых линий было противоположным современному. Так был обнаружен эффект инверсии (обращения полярности) магнитного поля Земли. Во второй половине 1920-х годов выводы Брюнеса подтвердили П. Л. Меркантон и Монотори Матуяма, но эти идеи получили признание лишь к середине столетия.

Сейчас мы знаем, что геомагнитное поле существует не менее 3,5 млрд лет и за это время магнитные полюса тысячи раз обменивались местами (Брюнес и Матуяма исследовали последнюю по времени инверсию, которая сейчас носит их имена). Иногда геомагнитное поле сохраняет ориентацию в течение десятков миллионов лет, а иногда - не более пятисот веков. Сам процесс инверсии обычно занимает несколько тысячелетий, и по его завершении напряженность поля, как правило, не возвращается к прежней величине, а изменяется на несколько процентов.

Механизм геомагнитной инверсии не вполне ясен и поныне, а уж сто лет назад он вообще не допускал разумного объяснения. Поэтому открытия Брюнеса и Давида только подкрепили эйнштейновскую оценку - действительно, земной магнетизм был крайне загадочен и непонятен. А ведь к тому времени его исследовали свыше трехсот лет, а в XIX веке им занимались такие звезды европейской науки, как великий путешественник Александр фон Гумбольдт, гениальный математик Карл Фридрих Гаусс и блестящий физик-экспериментатор Вильгельм Вебер. Так что Эйнштейн воистину глядел в корень.

Как вы думаете, сколько у нашей планеты магнитных полюсов? Почти все скажут, что два - в Арктике и Антарктике. На самом деле ответ зависит от определения понятия полюса. Географическими полюсами считают точки пересечения земной оси с поверхностью планеты. Поскольку Земля вращается как твердое тело, таких точек всего две и ничего другого придумать нельзя. А вот с магнитными полюсами дело обстоит много сложнее. Например, полюсом можно счесть небольшую область (в идеале опять-таки точку), где магнитные силовые линии перпендикулярны земной поверхности. Однако любой магнитометр регистрирует не только планетарное магнитное поле, но и поля местных пород, электрических токов ионосферы, частиц солнечного ветра и прочих дополнительных источников магнетизма (причем их средняя доля не так уж мала, порядка нескольких процентов). Чем точнее прибор, тем лучше он это делает - и потому все больше затрудняет выделение истинного геомагнитного поля (его называют главным), источник которого находится в земных глубинах. Поэтому координаты полюса, определенные с помощью прямого измерения, не отличаются стабильностью даже в течение короткого отрезка времени.

Можно действовать иначе и установить положение полюса на основании тех или иных моделей земного магнетизма. В первом приближении нашу планету можно считать геоцентрическим магнитным диполем, ось которого проходит через ее центр. В настоящее время угол между нею и земной осью составляет 10 градусов (несколько десятилетий назад он был больше 11 градусов). При более точном моделировании выясняется, что дипольная ось смещена относительно центра Земли в направлении северо-западной части Тихого океана примерно на 540 км (это эксцентрический диполь). Есть и другие определения.

Но это еще не все. Земное магнитное поле реально не обладает дипольной симметрией и потому имеет множественные полюса, причем в огромном количестве. Если считать Землю магнитным четырехполюсником, квадруполем, придется ввести еще два полюса - в Малайзии и в южной части Атлантического океана. Октупольная модель задает восьмерку полюсов и т. д. Современные наиболее продвинутые модели земного магнетизма оперируют аж 168 полюсами. Стоит отметить, что в ходе инверсии временно исчезает лишь дипольная компонента геомагнитного поля, а прочие изменяются много слабее.

Полюса наоборот

Многие знают, что общепринятые названия полюсов верны с точностью до наоборот. В Арктике расположен полюс, на который указывает северный конец магнитной стрелки, - следовательно, его стоило бы считать южным (одноименные полюса отталкиваются, разноименные притягиваются!). Аналогично, северный магнитный полюс базируется в высоких широтах Южного полушария. Тем не менее по традиции мы именуем полюса в соответствии с географией. Физики давно условились, что силовые линии выходят из северного полюса любого магнита и входят в южный. Отсюда следует, что линии земного магнетизма покидают южный геомагнитный полюс и стягиваются к северному. Такова конвенция, и нарушать ее не стоит (самое время припомнить печальный опыт Паниковского!).

Магнитный полюс, как его ни определяй, не стоит на месте. Северный полюс геоцентрического диполя в 2000 году имел координаты 79,5 N и 71,6 W, а в 2010-м - 80,0 N и 72,0 W. Истинный Северный полюс (тот, который выявляют физические замеры) с 2000 года сместился с 81,0 N и 109,7 W к 85,2 N и 127,1 W. В течение почти всего ХХ века он делал не более 10 км в год, но после 1980 года вдруг начал двигаться гораздо быстрее. В начале 1990-х годов его скорость превысила 15 км в год и продолжает расти.

Как рассказал «Популярной механике» бывший руководитель геомагнитной лаборатории канадской Службы геологических исследований Лоуренс Ньюитт, сейчас истинный полюс мигрирует на северо-запад, перемещаясь ежегодно на 50 км. Если вектор его движения не изменится в течение нескольких десятилетий, то к середине XXI столетия он окажется в Сибири. Согласно реконструкции, выполненной несколько лет назад тем же Ньюиттом, в XVII и XVIII веках северный магнитный полюс преимущественно смещался на юго-восток и лишь примерно в 1860 году повернул на северо-запад. Истинный южный магнитный полюс последние 300 лет движется в эту же сторону, причем его среднегодичное смещение не превышает 10–15 км.

Откуда вообще у Земли магнитное поле? Одно из возможных объяснений просто бросается в глаза. Земля обладает внутренним твердым железо-никелевым ядром, радиус которого составляет 1220 км. Поскольку эти металлы ферромагнитны, почему бы не предположить, что внутреннее ядро имеет статическую намагниченность, которая и обеспечивает существование геомагнитного поля? Мультиполярность земного магнетизма можно списать на несимметричность распределения магнитных доменов внутри ядра. Миграцию полюсов и инверсии геомагнитного поля объяснить сложнее, но, наверное, попытаться можно.

Однако из этого ничего не получается. Все ферромагнетики остаются таковыми (то есть сохраняют самопроизвольную намагниченность) лишь ниже определенной температуры - точки Кюри. Для железа она равна 768°C (у никеля много ниже), а температура внутреннего ядра Земли значительно превышает 5000 градусов. Поэтому с гипотезой статического геомагнетизма приходится расстаться. Однако не исключено, что в космосе имеются остывшие планеты с ферромагнитными ядрами.

Рассмотрим другую возможность. Наша планета также обладает жидким внешним ядром толщиной приблизительно в 2300 км. Оно состоит из расплава железа и никеля с примесью более легких элементов (серы, углерода, кислорода и, возможно, радиоактивного калия - в точности не знает никто). Температура нижней части внешнего ядра почти совпадает с температурой внутреннего ядра, а в верхней зоне на границе с мантией понижается до 4400°C. Поэтому вполне естественно предположить, что благодаря вращению Земли там формируются круговые течения, которые могут оказаться причиной возникновения земного магнетизма.

Конвективное динамо

«Чтобы объяснить возникновение полоидального поля, необходимо принять во внимание вертикальные потоки вещества ядра. Они образуются благодаря конвекции: нагретый железно-никелевый расплав всплывает из нижней части ядра по направлению к мантии. Эти струи закручиваются силой Кориолиса подобно воздушным потокам циклонов. В Северном полушарии восходящие потоки вращаются по часовой стрелке, а в Южном - против, - объясняет профессор Калифорнийского университета Гэри Глатцмайер. - При подходе к мантии вещество ядра остывает и начинает обратное движение вглубь. Магнитные поля восходящих и нисходящих потоков гасят друг друга, и поэтому по вертикали поле не устанавливается. А вот в верхней части конвекционной струи, там, где она образует петлю и недолго движется по горизонтали, ситуация иная. В Северном полушарии силовые линии, которые до конвекционного восхождения смотрели на запад, поворачиваются по часовой стрелке на 90 градусов и ориентируются на север. В Южном полушарии они поворачиваются с востока против часовой стрелки и тоже направляются на север. В результате в обоих полушариях генерируется магнитное поле, указывающее с юга на север. Хоть это отнюдь не единственное возможное объяснение возникновения полоидального поля, его считают самым вероятным».

Именно такую схему ученые-геофизики обсуждали лет 80 назад. Они считали, что потоки проводящей жидкости внешнего ядра за счет своей кинетической энергии порождают электрические токи, охватывающие земную ось. Эти токи генерируют магнитное поле преимущественно дипольного типа, силовые линии которого на поверхности Земли вытянуты вдоль меридианов (такое поле называется полоидальным). Этот механизм вызывает ассоциацию с работой динамо-машины, отсюда и произошло его название.

Описанная схема красива и наглядна, но, к сожалению, ошибочна. Она основана на предположении, что движение вещества внешнего ядра симметрично относительно земной оси. Однако в 1933 году английский математик Томас Каулинг доказал теорему, согласно которой никакие осесимметричные потоки не способны обеспечить существование долговременного геомагнитного поля. Даже если оно и появится, то век его окажется недолог, вдесятки тысяч раз меньше возраста нашей планеты. Нужна модель посложнее.

«Мы не знаем точно, когда возник земной магнетизм, однако это могло произойти вскоре после формирования мантии и внешнего ядра, - говорит один из крупнейших специалистов по планетарному магнетизму, профессор Калифорнийского технологического института Дэвид Стивенсон. - Для включения геодинамо требуется внешнее затравочное поле, причем не обязательно мощное. Эту роль, к примеру, могло взять на себя магнитное поле Солнца или поля токов, порожденных в ядре за счет термоэлектрического эффекта. В конечном счете это не слишком важно, источников магнетизма хватало. При наличии такого поля и кругового движения потоков проводящей жидкости запуск внутрипланетной динамомашины становился просто неизбежным».

Магнитная защита

Мониторинг земного магнетизма производят с помощью обширной сети геомагнитных обсерваторий, создание которой началось еще в 1830-х годах.

Для этих же целей используют корабельные, авиационные и космические приборы (к примеру, скалярный и векторный магнитометры датского спутника «Эрстед», работающие с 1999 года).

Напряженность геомагнитного поля варьирует приблизительно от 20 000 нанотесла вблизи побережья Бразилии до 65 000 нанотесла в районе южного магнитного полюса. С 1800 года его дипольная компонента сократилась почти на 13% (а с середины XVI века - на 20%), в то время как квадрупольная несколько возросла. Палеомагнитные исследования показывают, что в течение нескольких тысячелетий перед началом нашей эры напряженность геомагнитного поля упорно лезла вверх, а потом начала снижаться. Тем не менее нынешний планетарный дипольный момент значительно превышает свое среднее значение за последние полтораста миллионов лет (в 2010 году были опубликованы результаты палеомагнитных измерений, свидетельствующие, что 3,5 млрд лет назад земное магнитное поле было вдвое слабее нынешнего). Это означает, что вся история человеческих обществ от возникновения первых государств до нашего времени пришлась на локальный максимум земного магнитного поля. Интересно задуматься над тем, повлияло ли это на прогресс цивилизации. Такое предположение перестает казаться фантастическим, если учесть, что магнитное поле защищает биосферу от космического излучения.

И вот еще одно обстоятельство, которое стоит отметить. В юности и даже отрочестве нашей планеты все вещество ее ядра пребывало в жидкой фазе. Твердое внутреннее ядро сформировалось сравнительно недавно, возможно, всего лишь миллиард лет назад. Когда это произошло, конвекционные потоки стали более упорядоченными, что привело к более устойчивой работе геодинамо. Из-за этого геомагнитное поле выиграло в величине и стабильности. Можно предположить, что это обстоятельство благоприятно сказалось на эволюции живых организмов. В частности, усиление геомагнетизма улучшило защиту биосферы от космических излучений и тем самым облегчило выход жизни из океана на сушу.

Вот общепринятое объяснение такого запуска. Пусть для простоты затравочное поле почти параллельно оси вращения Земли (на самом деле достаточно, если оно имеет ненулевую компоненту в этом направлении, что практически неизбежно). Скорость вращения вещества внешнего ядра убывает по мере уменьшения глубины, причем из-за его высокой электропроводности силовые линии магнитного поля движутся вместе с ним - как говорят физики, поле «вморожено» в среду. Поэтому силовые линии затравочного поля будут изгибаться, уходя вперед на больших глубинах и отставая на меньших. В конце концов они вытянутся и деформируются настолько, что дадут начало тороидальному полю, круговым магнитным петлям, охватывающим земную ось и направленным в противоположные стороны в северном и южном полушариях. Этот механизм называется w-эффектом.

По словам профессора Стивенсона, очень важно понимать, что тороидальное поле внешнего ядра возникло благодаря полоидальному затравочному полю и, в свою очередь, породило новое полоидальное поле, наблюдаемое у земной поверхности: «Оба типа полей планетарного геодинамо взаимосвязаны и не могут существовать друг без друга».

15 лет назад Гэри Глатцмайер вместе с Полом Робертсом опубликовал очень красивую компьютерную модель геомагнитного поля: «В принципе для объяснения геомагнетизма давно имелся адекватный математический аппарат - уравнения магнитной гидродинамики плюс уравнения, описывающие силу тяготения и тепловые потоки внутри земного ядра. Модели, основанные на этих уравнениях, в первозданном виде очень сложны, однако их можно упростить и адаптировать для компьютерных вычислений. Именно это и проделали мы с Робертсом. Прогон на суперкомпьютере позволил построить самосогласованное описание долговременной эволюции скорости, температуры и давления потоков вещества внешнего ядра и связанной с ними эволюции магнитных полей. Мы также выяснили, что если проигрывать симуляцию на временных промежутках порядка десятков и сотен тысяч лет, то с неизбежностью возникают инверсии геомагнитного поля. Так что в этом отношении наша модель неплохо передает магнитную историю планеты. Однако есть затруднение, которое пока еще не удалось устранить. Параметры вещества внешнего ядра, которые закладывают в подобные модели, все еще слишком далеки от реальных условий. Например, нам пришлось принять, что его вязкость очень велика, иначе не хватит ресурсов самых мощных суперкомпьютеров. На самом деле это не так, есть все основания полагать, что она почти совпадает с вязкостью воды. Наши нынешние модели бессильны учесть и турбулентность, которая несомненно имеет место. Но компьютеры с каждым годом набирают силу, и лет через десять появятся гораздо более реалистичные симуляции».

«Работа геодинамо неизбежно связана с хаотическими изменениями потоков железо-никелевого расплава, которые оборачиваются флуктуациями магнитных полей,– добавляет профессор Стивенсон. - Инверсии земного магнетизма - это просто сильнейшие из возможных флуктуаций. Поскольку они стохастичны по своей природе, вряд ли их можно предсказывать заранее - во всяком случае мы этого не умеем».

Магнитное поле Земли.

Основные вопросы, рассматриваемые на лекции:

1. Природа геомагнетизма.

2. Элементы магнитного поля Земли.

3. Структура геомагнитного поля.

4. Магнитосфера и радиационные пояса Земли.

5. Вековые вариации геомагнитного поля.

6. Аномалии геомагнитного поля.

1. Природа геомагнетизма. Земной магнетизм, или геомагнетизм, – это свойство Земли как небесного тела, обусловливающее существование вокруг нее магнитного поля. Геомагнитология – наука о земном.

Теория гидромагнитного динамо основана на установленном геофизиками факте, что на глубине 2900 км находится «жидкое» внешнее ядро Земли с хорошей электропроводностью (106– 105 См/м).

Впервые идея гидромагнитного динамо была предложена в 1919 г. Лармором в Англии для объяснения магнетизма Солнца. В земном магнетизме (1947 г) советский физик Я. И. Френкель высказал идею о том, что тепловая конвекция в земном ядре является именно той причиной, которая приводит в действие гидромагнитное динамо земного ядра.

Основные положения гипотезы гидромагнитного динамо сводятся к следующему.

1. Благодаря так называемому гиромагнитному (от греч. Гиро – вращаюсь, кружусь) эффекту и вращению Земли во время ее образования могло возникнуть очень слабое магнитное поле. Гиромагнитный эффект – это намагничивание ферромагнитных тел вследствие их вращения и вращения их при определенных условиях намагничивания. В гиромагнитном эффекте обнаруживается связь между механическим и магнитным моментами атома.

2. Наличие свободных электронов в ядре и вращение Земли в таком слабом магнитном поле привели к индуцированию в ядре вихревых электрических токов.

3. Индуцированные вихревые токи в свою очередь создают (генерируют) магнитное поле, как это происходит в динамо-машинах. Увеличение магнитного поля Земли должно привести к новому увеличению вихревых токов в ядре, а последнее – к увеличению магнитного поля.

4. Процесс, подобный регенерации, длится до тех пор, пока рассеивание энергии вследствие вязкости ядра и его электрического сопротивления не скомпенсируется добавочной энергией вихревых токов и другими причинами.

Таким образом, по Френкелю, земное ядро является своеобразным природным турбогенератором. Роль турбины в нем играют тепловые потоки: они поднимают из недр ядра вверх по радиусу большие массы расплавленного металла, обладающего свойством жидкости. Более холодные, а значит и более тяжелые частицы верхних слоев опускаются вниз. Сила Кориолиса «закручивает» их вокруг земной оси, образуя, таким образом, гигантские витки внутри «земной динамо-машины». В этих замкнутых потоках горячего металла, как и в витках проволоки на якоре обычной динамо-машины, должен был когда-то давно возникнуть индукционный ток. Он постепенно подмагничивал земное ядро. Первоначальное очень слабое магнитное поле усиливалось до тех пор, пока с течением времени не дошло до своего предельного значения. Этот предел был достигнут в далеком прошлом. И хотя земной турбогенератор продолжает работу, кинетическая энергия потоков жидкого металла тратится теперь не на подмагничивание земного ядра, а целиком превращается в теплоту.

Магнитное поле Земли существует около З млрд лет, что примерно на 1,5 млрд лет меньше ее возраста. Значит, оно не было реликтовым и при отсутствии восстанавливающего механизма не смогло бы существовать в течение всей геологической истории Земли.

2. Элементы магнитного поля Земли. В каждой точке поверхности Земли магнитное поле характеризуется полным вектором напряженности Нт, величина и направление которого определяется тремя элементами земного магнетизма; горизонтальной составляющей напряженности Н, магнитным склонением D и наклонением I. Магнитное склонение – это угол в горизонтальной плоскости между географическим и магнитным меридианами; магнитное наклонение – угол в вертикальной плоскости между горизонтальной плоскостью и направлением полного вектора Нт.

Величины Н, X, У, Z, D и I носят название элементов земного магнетизма, при этом элементы Н, X, У и Z называют силовыми компонентами земного магнитного поля, а D и I – угловыми.

Полный вектор напряженности магнитного поля Земли Hт, его силовые составляющие Н, X, У и Z имеют размерность А/м, склонение D и наклонение I – угловые градусы, минуты и секунды. Напряженность магнитного поля Земли сравнительно невелика: полный вектор Нт.изменяется от 52,5 А/м на полюсе до 26,3 А/м на экваторе.

Рис. 5.1 – Элементы земного магнетизма

Абсолютные значения величин элементов земного магнетизма малы, и поэтому для их измерения применяются высокоточные приборы – магнитометры и магнитные вариометры; имеются вариометры для измерения величин Н и величин Z. Применяются походные магнитные станции, оснащенные сложными оптико-механическими и квантовыми магнитометрами. Линии, соединяющие на карте точки с одинаковым склонением D, называются изогонами, с одинаковым наклонением I – изоклинами, с одинаковыми Н или Z – изодинами горизонтальных или вертикальных составляющих полного вектора напряженности Нт и с одинаковыми X или У – изодинами северных или восточных составляющих. Значения элементов земного магнетизма непрерывно изменяются во времени и поэтому магнитные карты обновляются каждые пять лет.

3. Структура геомагнитного поля. Магнитное поле Земли по своей структуре неоднородно. Оно слагается из двух частей: постоянного и переменного полей. Постоянное поле вызвано внутренними источниками магнетизма; источниками переменного поля являются электрические токи в верхних слоях атмосферы – ионосфере и магнитосфере. В свою очередь постоянное магнитное поле по своей природе неоднородно и состоит из нескольких частей. Поэтому в целом магнитное поле Земли состоит из следующих полей:

Нт =Но+Hм+Hа+Hв+δH, (5.1)

где Нт – напряженность магнитного поля Земли; Но – напряженность дипольного поля, создаваемая однородной намагниченностью земного шара; Нм – напряженность недипольного, или материкового, поля, создаваемая внутренними причинами, обусловленными неоднородностью глубоких слоев Земли; На – напряженность аномального поля, создаваемая различной намагниченностью верхних частей земной коры; Нв – напряженность поля, источник которого связан с внешними причинами; δH – напряженность поля магнитных вариаций, вызванных внешними причинами.

Сумма полей Но+Hм=НГ образует главное магнитное поле Земли. Аномальное поле складывается из двух частей: поля регионального характера Нр и поля местного (локального) характера Нл. На региональную аномалию может накладываться локальная, и тогда Hа = Нр+Нл.

Сумму полей Но+Hм+Hв обычно называют нормальным полем. Однако поле Hв вносит очень небольшой вклад в общее геомагнитное поле Нт. Систематическое изучение геомагнитного поля, по данным магнитных обсерваторий и магнитных съемок, показывает, что внешнее поле по отношению к внутреннему составляет менее 1% и поэтому им можно пренебречь. В этом случае нормальное поле совпадает с главным магнитным полем Земли.

Геомагнитные полюсы располагаются в том месте, где земная магнитная ось пересекает поверхность Земли. Хотя северный магнитный полюс находится в Южном полушарии, а Южный – в Северном, в обиходе их называют по аналогии с географическими полюсами.

Со временем магнитные полюсы меняют свое положение. Так, северный магнитный полюс за сутки перемещается по поверхности Земли на 20,5 м (7,5 км в год), а южный – на 30 м (11 км в год).

4. Магнитосфера и радиационные пояса Земли. Магнитное поле Земли существует не только вблизи земной поверхности, но и на больших расстояниях от нее, что обнаружено с помощью космических ракет и межпланетных космических станций. На расстоянии 10–14 земных радиусов геомагнитное поле встречается с межплатным магнитным полем и с полем так называемого солнечного ветра. Солнечный ветер представляет собой истечение плазмы солнечной короны (коронального газа, состоящего главным образом из водорода и гелия) в межпланетное пространство. Скорость частиц солнечного ветра (протонов и электронов) огромна – около 400км/с, число частиц (корпускул) – несколько десятков в 1см 3 , температура – до 1,5–2 млн градусов. На границе магнитного поля и магнитного поля Земли напряженность составляет около (0,4–0,5)·10-2 А/м.

Область действия магнитного поля Земли называется магнитосферой, а ее внешняя граница – магнитопаузой (рис. 5.3). На геомагнитное поле существенно влияет солнечный ветер. Простирается магнитосфера, на огромные расстояния: наименьшее – в сторону Солнца – достигает 10–14 земных радиусов, наибольшее – с ночной стороны – около 16 радиусов Земли. Магнитный хвост имеет еще большие размеры (по данным искусственных спутников Земли – в сотни земных радиусов).

Рисунок 5.3 – Строение магнитосферы Земли: 1 – солнечный ветер; 2 – ударный фронт; 3 – магнитная полость; 4 – магнитопауза; 5 – верхняя граница полярной магнитосферной щели; 6 – плазменная мантия; 7 – внешний радиационный пояс или плазмосфера; 9 – нейтральный слой; 10 – плазменный слой

Максимум внутреннего протонного пояса располагается па расстоянии 3,5 радиуса Земли (22 тыс. км). Внутри плазмосферы, вблизи поверхности Земли, существует второй электронный радиационный пояс. Вблизи полюсов этот пояс располагается на расстоянии 100 км, однако основная его часть находится на расстоянии 4,4 – 10 тыс. км от поверхности планеты. Электроны в нем имеют энергию десятка – сотни кэВ. Интенсивность потоков электронов оценивается в 109 частиц на см 2 /с, т. е. на порядок выше, чем во внешнем электронном поясе.

Мощность радиации в радиационных поясах достаточно высокая – несколько сотен и даже тысяч биологических эквивалентов рентгена в сутки. Поэтому космические корабли с космонавтами на борту запускают на орбиты, располагающиеся ниже этих поясов.

Если бы магнитосфера отсутствовала, то потоки солнечного и космического ветра, не встречая сопротивления, устремлялись бы к поверхности Земли и оказывали губительное воздействие на все живые существа, включая человека.

5. Вековые вариации геомагнитного поля. Процесс изменения среднегодовых значений того или иного элемента земного магнетизма за период в несколько десятилетий и столетий носит название вековых вариаций, а их изменение от года к году называется вековым ходом.

Судить о прошлом геомагнитного поля – его направлении и напряженности – позволяет так называемый эффект «вмораживания магнитного поля в материал». Любая горная порода, любое вещество, содержащее железо или другой ферромагнитный элемент, постоянно находятся под воздействием магнитного поля Земли. Элементарные магнитики в этом материале стремятся ориентироваться вдоль магнитных силовых линий.

Если материал нагревать, то наступит момент, когда тепловое движение частиц станет столь энергичным, что разрушит магнитную упорядоченность. Затем, когда материал будет остывать, то, начиная с точки Кюри (точкой Кюри называется температура, ниже которой породы становятся ферромагнитными; для чистого железа точка Кюри 769°С, для магнетита – 580°С), магнитное поле одерживает верх над силами хаотического движения. Элементарные магнитики снова выстроятся так, как велит им магнитное поле, и останутся в этом положении до тех пор, пока тело не будет снова нагрето. Таким образом, геомагнитное поле оказывается как бы «вмороженным» в материал.

В настоящее время магнитное поле Земли убывает на 2,5 % за 100 лет, и примерно за 4000 лет, если не изменится характер этого спада, оно должно уменьшиться до нулевого значения. Однако палеомагнитологи утверждают, что этого не произойдет.

Если сложить все циклические кривые с разными периодами колебания магнитного поля Земли, то получим так называемую «сглаженную, или осредненную, кривую», которая достаточно хорошо совпадает с синусоидой, имеющей период 8000 лет. В настоящее время суммарное значение колебаний магнитного поля находится на нисходящем отрезке синусоиды.

Различная продолжительность периодов колебания геомагнитного поля объясняется, по-видимому, отсутствием сбалансированности движущихся частей гидромагнитного динамо и различной их электропроводностью.

Инверсия – это взаимообмен магнитных полюсов местами. При инверсиях Северный магнитный полюс перемещается на место Южного, а Южный – на место Северного.

Иногда вместо инверсии говорят о «перескоке» полюсов. Однако это слово по отношению к полюсам не совсем подходит, поскольку перемещаются полюсы не так уж и быстро – по некоторым оценкам «перескок» длится 5 и даже 10 тыс. лет.

За последние 600 тыс. лет установлено 12 эпох инверсии геомагнитного поля (Готтенборга – 10–12 тыс. лет, Лашами – 20 – 24 тыс. лет и т. д.). Характерно, что с этими эпохами совпадают существенные геологические, климатические и биологические изменения на планете.

6. Аномалии геомагнитного поля. Магнитная аномалия – это отклонения величин элементов земного магнетизма от нормальных значений, которые наблюдались бы в данном месте в случае однородного намагничивания Земли.

Если в каком-либо месте обнаруживаются резкие изменения магнитного склонения и наклонения, то это указывает, что под земной поверхностью скрыты горные породы, содержащие ферромагнитные минералы. К ним относятся магнетит, титано-магнетит, гематит и др. Наибольшей магнитной восприимчивостью обладает магнетит, поэтому значительное число аномалий связано с его наличием в горных породах.

В зависимости от размеров магнитные аномалии делят на материковые, региональные и локальные. Материковые аномалии являются следствием нахождения под их центрами мощных вихревых токов. Причины региональных и локальных аномалий – горные породы, обладающие повышенными магнитными свойствами. Эти породы, находясь в магнитном поле Земли, намагничиваются и создают добавочное магнитное поле.

Магнитные свойства в той или иной степени присущи всем горным породам. При помещении какой-либо породы в магнитное поле каждый элемент ее объема приобретает намагниченность. Способность вещества менять свою намагниченность под воздействием внешнего магнитного поля называется магнитной восприимчивостью. В зависимости от числового значения и знака магнитной восприимчивости все природные вещества делятся на три группы: диамагнитные, парамагнитные, ферромагнитные. При этом для диамагнитных веществ магнитная восприимчивость отрицательная, а для парамагнитных и ферромагнитных – положительная.

У диамагнитных веществ (кварц, мрамор, графит, медь, золото, серебро, свинец, вода и др.) намагниченность пропорциональна напряженности магнитного поля и направлена навстречу ему. Диамагнитные вещества вызывают ослабление магнитного поля Земли и способствуют образованию отрицательных магнитных аномалий.

У парамагнитных веществ (метаморфические и изверженные породы, щелочные металлы и др.) намагниченность также пропорциональна напряженности магнитного поля, но в отличие от диамагнитных имеет одинаковое с ним направление. У ферромагнитных веществ (железо, никель, кобальт и др.) намагниченность значительно больше, чем у диа- и парамагнитных веществ, не пропорциональна напряженности магнитного толя, сильно зависит от температуры и «магнитной предыстории» вещества.

Основной вклад в создание аномалий магнитного поля вносят ферромагнитные.минералы (магнетит, титаномагнетит, ильменит и др.) и содержащие их гордые породы. поскольку в целом магнитная восприимчивость горных пород изменяется в больших пределах (.в миллионы раз), то интенсивность аномалий магнитного поля варьирует также в широких пределах.

Переменное магнитное поле Земли. Источники переменного магнитного поля находятся за пределами земного пространства. По своему происхождению они представляют собой токи индукционного характера, возникающие в высоких слоях атмосферы (от ста до нескольких тысяч километров). Образуются индукционные токи истечением плазмы – потоком заряженных частиц обоего знака (корпускул), летящих от Солнца. Проникая в магнитное поле Земли, корпускулы захватываются им и вызывают ряд сложных явлений, таких, как ионизация атмосферы, полярные сияния, образование радиационных поясов Земли и др.

Переменное магнитное поле накладывается на главное магнитное поле Земли и обусловливает различные его вариации во времени. Одни из них происходят плавно, подчиняются определенной закономерности. Это так называемые периодические (невозмущенные) вариации. Другие имеют беспорядочный характер, параметры геомагнитного поля (периоды, амплитуды, фазы) непрерывно и резко меняют свое значение.

Солнечно-суточные вариации представляют собой изменения элементов земного магнетизма с периодом, равным продолжительности солнечных суток. Солнечно-суточные вариации элементов земного магнетизма зависят от времени года и географической широты, поскольку они определяются интенсивностью ультрафиолетовых лучей Солнца и, следовательно, положением Земли по отношению к Солнцу. При этом характерно, что фазы колебаний и по широте, и по времени года остаются практически неизменными, меняются в основном амплитуды колебания.

Лунно-суточные вариации элементов земного магнетизма связаны с положением Луны по отношению к горизонту и обусловлены воздействием силы тяжести Луны на земную атмосферу. Лунно-суточные вариации элементов земного магнетизма небольшие – составляют всего 10–15 % солнечно-суточных вариаций.

К возмущенным непериодическим колебаниям относится магнитные бури. Одна из их характерных особенностей – внезапность появления. На фоне довольно спокойного магнитного поля, почти в один и тот же момент на всем земном шаре, все элементы земного магнетизма внезапно меняют свои значения, и дальнейший ход бури претерпевает очень быстрые и непрерывные изменения.

По интенсивности (по величине амплитуды) магнитные бури принято делить на слабые, умеренные и большие. Амплитуды элементов земного магнетизма во время очень больших магнитных бурь достигают для магнитного склонения нескольких градусов, для вертикальной и горизонтальной составляющих –2 –4 А/м и более. Интенсивность бурь возрастает от низких геомагнитных широт к высоким. Продолжительность бурь обычно составляет несколько суток. Частота и сила магнитных бурь зависит от солнечной активности.

В последние годы ученые стали извлекать практическую пользу из магнитных бурь, получив возможность с их помощью «прощупывать» Землю до больших глубин. Способ исследования недр Земли с использованием магнитных возмущений называется магнитно-теллурическим зондированием, так как здесь одновременно рассматриваются магнитные возмущения и теллурические (т. е. земные) токи, вызванные ими в Земле. В результате магнитно-теллурического зондирования установлено, что па глубине 300–400 км электропроводность Земли резко увеличивается. До этих глубин Земля практически является изолятором.

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