Struktura a vlastnosti magnetického pole Země
Magnetické pole Země, neboli geomagnetické pole – magnetické
Vlastní magnetické pole Země (geomagnetické pole) lze rozdělit do následujících hlavních částí:
- hlavní pole,
- pole světových anomálií,
- vnější magnetické pole.
- Hlavní pole
Více než 90 % z něj tvoří pole, jehož zdroj je uvnitř Země, v kapalném vnějším jádru – tato část se nazývá hlavní, hlavní nebo normální pole.
Je aproximován jako řada harmonických -Gaussovské řady a v první aproximaci blízko zemského povrchu (až do tří jejích poloměrů) je blízko magnetického dipólového pole, to znamená, že to vypadá, jako by zeměkoule byla pásový magnet s osou směřující přibližně od ze severu na jih.
- Pole světových anomálií
Skutečné magnetické siločáry Země,ačkoli jsou v průměru blízko siločar dipólu, liší se od nich lokálními nepravidelnostmi spojenými s přítomností magnetizovaných hornin v kůře umístěné blízko povrchu.
Kvůli tomu na některých místech na ZemiNa povrchu se parametry pole velmi liší od hodnot v blízkých oblastech, tvoří takzvané magnetické anomálie, mohou se navzájem překrývat, pokud magnetizovaná tělesa, která je způsobují, leží v různých hloubkách.
- Vnější magnetické pole
Je určena zdroji ve formě proudusystémy umístěné mimo zemský povrch, v její atmosféře. V horní části atmosféry (100 km a výše) - ionosféře - dochází k ionizaci jejích molekul, čímž vzniká husté studené plazma, které stoupá výš, proto se část zemské magnetosféry nad ionosférou, rozprostírající se do vzdálenosti až tří jeho poloměrů, je tzvplazmasféra.
Plazma je držena magnetickým polem Země, ale její stav je určen jeho interakcí se slunečním větrem - plazmatickým tokem sluneční koróny.
Tedy ve větší vzdálenosti od povrchuMagnetické pole Země je asymetrické, protože je vlivem slunečního větru deformováno: ze strany Slunce je stlačováno a ve směru od Slunce získává „stopu“, která se táhne na stovky tisíc kilometrů. , jdoucí za oběžnou dráhu Měsíce.
Tento zvláštní „ocasatý“ tvar nastává, když plazma slunečního větru a slunečních korpuskulárních toků proudí kolem zemského povrchu.magnetosféra- oblast blízkozemského prostoru, stále řízená magnetickým polem Země, a nikoli Sluncem a jinými meziplanetárními zdroji.
Je oddělena od meziplanetárního prostorumagnetopauza, kde je dynamický tlak slunečního větru vyvážen tlakem vlastního magnetického pole.
- Parametry pole
Vizuální znázornění polohy čarMagnetická indukce zemského pole je zajištěna magnetickou jehlou, upevněnou tak, aby se mohla volně otáčet jak kolem vertikální, tak kolem horizontální osy (například v kardanovém závěsu) - v každém bodě poblíž zemského povrchu to je tímto způsobem instalován určitým způsobem.
Protože se magnetický a geografický pól neshodují, ukazuje magnetická střelka směr od severu k jihu jen přibližně.
Vertikální rovina, ve které je magnetická střelka instalována, se nazývá rovina magnetického poledníku daného místa a přímka, podél které tato rovina protíná povrch Země, se nazývámagnetický poledník.
Magnetické meridiány jsou tedy projekcesiločáry magnetického pole Země na jejím povrchu, sbíhající se na severním a jižním magnetickém pólu. Úhel mezi směry magnetického a geografického poledníku se nazývámagnetická deklinace.
Může to být západní (často označovanýznačka „-“) nebo na východ (značka „+“) v závislosti na tom, zda se severní pól magnetické jehly odchyluje od svislé roviny zeměpisného poledníku na západ nebo na východ.
Dále, linie magnetického pole Země, obecně řečeno,nejsou rovnoběžné s jeho povrchem. To znamená, že magnetická indukce zemského pole neleží v rovině horizontu daného místa, ale svírá s touto rovinou určitý úhel – tzv.magnetický sklon. Pouze bodově se blíží nulemagnetický rovník- velký kruh v rovině, která je kolmá k magnetické ose.
Výsledky numerického modelování magnetického pole Země: vlevo - normální, vpravo - při inverzi
Povaha zemského magnetického pole
Vysvětlete poprvé existenci magnetických políO Zemi a Slunce se pokusil v roce 1919 J. Larmore, který navrhl koncept dynama, podle kterého k udržování magnetického pole nebeského tělesa dochází vlivem hydrodynamického pohybu elektricky vodivého prostředí.
V roce 1934 však T. Cowling dokázal větu o nemožnosti udržet osově symetrické magnetické pole pomocí hydrodynamického dynamo mechanismu.
A protože většina nebeských těles studovala (azejména Země) byly považovány za osově symetrické, na základě toho bylo možné vyslovit předpoklad, že jejich pole bude také osově symetrické a jeho generování podle tohoto principu by pak podle těchto vět nebylo možné.
Dokonce i Albert Einstein byl skeptickýproveditelnost takového dynama za předpokladu, že nemohou existovat jednoduchá (symetrická) řešení. Teprve mnohem později se ukázalo, že ne všechny rovnice s axiální symetrií popisující proces generování magnetického pole budou mít axiálně symetrické řešení, dokonce i v padesátých letech. byla nalezena asymetrická řešení.
Od té doby byla teorie dynama úspěšně rozvíjena aDnes obecně přijímaným nejpravděpodobnějším vysvětlením původu magnetického pole Země a dalších planet je samobuzecí dynamo mechanismus založený na generování elektrického proudu ve vodiči, když se pohybuje v magnetickém poli generovaném a zesíleném samotné tyto proudy.
V zemském jádru jsou vytvořeny nezbytné podmínky:v kapalném vnějším jádru, tvořeném převážně železem o teplotě řádově 4–6 tisíc kelvinů, které dokonale vede proud, vznikají konvektivní toky odvádějící teplo z pevného vnitřního jádra (vznikající rozpadem radioaktivních prvků resp. uvolňování latentního tepla, když látka tuhne na hranici mezi vnitřním a vnějším jádrem, jak se planeta postupně ochlazuje).
Coriolisovy síly tyto toky roztáčícharakteristické spirály tvořící tzv. Taylorovy pilíře. V důsledku tření vrstev získávají elektrický náboj a vytvářejí smyčkové proudy. Vzniká tak soustava proudů cirkulujících po vodivém obvodu ve vodičích pohybujících se v (zpočátku přítomném, i když velmi slabém) magnetickém poli jako ve Faradayově disku.
Vytváří magnetické pole, které kdyžpříznivá geometrie toku zesiluje počáteční pole, a to zase zesiluje proud a proces zesilování pokračuje, dokud ztráty způsobené Jouleovým teplem, rostoucí s rostoucím proudem, nevyrovnají příliv energie přicházející v důsledku hydrodynamických pohybů.
Bylo navrženo, že dynamo by mohlobýt nadšený kvůli precesi nebo slapovým silám, to znamená, že zdrojem energie je rotace Země, nicméně nejrozšířenější a nejrozvinutější hypotézou je, že se jedná právě o termochemickou konvekci.
Změny v magnetickém poli Země
Inverze magnetického pole je změna směru magnetického pole Země v geologické historii planety (určeno paleomagnetickou metodou).
Při reverzaci severní magnetický pól a jihMagnetické póly mění místa a střelka kompasu začíná ukazovat opačným směrem. Inverze je poměrně vzácný jev, který se za dobu existence nikdy nevyskytlHomo sapiens... Pravděpodobně to bylo naposledy asi před 780 tisíci lety.
Zvraty magnetického pole se vyskytovaly v časových intervalech od desítek tisíc let až po obrovská období tichého magnetického pole v délce desítek milionů let, kdy k žádným zvratům nedošlo.
Tedy neperiodicita při změně pólů a tento proces je považován za stochastický. Po dlouhých obdobích tichého magnetického pole mohou následovat období několika obrácení s různou dobou trvání a naopak. Studie ukazují, že změna magnetických pólů může trvat několik set až několik set tisíc let.
Specialisté z Johns Hopkins University (USA)Předpokládá se, že během obrácení zemská magnetosféra oslabila natolik, že by se kosmické záření mohlo dostat na zemský povrch, takže tento jev by mohl poškodit živé organismy na planetě a další změna pólů by mohla mít pro lidstvo ještě vážnější následky, až do globální katastrofy.
Vědecká práce v posledních letech ukázala (včetněvčetně experimentu) možnost náhodných změn ve směru magnetického pole („skoky“) ve stacionárním turbulentním dynamu. Podle vedoucího laboratoře geomagnetismu na Ústavu fyziky Země Vladimíra Pavlova je inverze na lidské poměry poměrně dlouhý proces.
Geofyzici na University of Leeds Yon Mound a Phil Livermore věří, že za pár tisíc let dojde k inverzi magnetického pole Země.
Posun magnetických pólů Země
Poprvé souřadnice magnetického pólu na severuhemisféry byly definovány v roce 1831, znovu v roce 1904, poté v letech 1948 a 1962, 1973, 1984, 1994; na jižní polokouli - v roce 1841, znovu - v roce 1908. Od roku 1885 je zaznamenáván posun magnetických pólů. Za posledních 100 let se magnetický pól na jižní polokouli posunul téměř o 900 km a vstoupil do jižního oceánu.
Nejnovější údaje o stavu Arktidymagnetický pól (pohybující se směrem k východní Sibiřské světové magnetické anomálii přes Severní ledový oceán) ukázal, že od roku 1973 do roku 1984 byla jeho dráha 120 km, od roku 1984 do roku 1994 - více než 150 km. Přestože jsou tato data odhady, jsou potvrzena měřením severního magnetického pólu.
Po roce 1831, kdy byla poloha pólu zaznamenána poprvé, se v roce 2019 pól posunul již o více než 2 300 km směrem k Sibiři a nadále se pohybuje se zrychlením.
Rychlost jeho pohybu se zvýšila z 15 km narok v roce 2000 až 55 km / rok v roce 2019. Tento rychlý posun vyžaduje častější úpravy navigačních systémů, které využívají magnetické pole Země, jako jsou kompasy v chytrých telefonech nebo záložní navigační systémy pro lodě a letadla.
Síla magnetického pole Země klesáa nerovnoměrně. Za posledních 22 let se snížil v průměru o 1,7% a v některých oblastech, jako je jižní Atlantický oceán, o 10%. Na některých místech se síla magnetického pole na rozdíl od obecného trendu dokonce zvýšila.
Zrychlení pohybu pólů (v průměru o 3km / rok) a jejich pohyb po chodbách inverzí magnetického pólu (tyto koridory umožnily odhalit více než 400 paleoinverzí) naznačuje, že při tomto posunu pólů by neměl být vidět exkurze, ale další inverze magnetického pole Země .
Jak vzniklo magnetické pole Země?
Specialisté z oceánografického institutu Scrippsa Kalifornská univerzita navrhly, že magnetické pole planety bylo tvořeno pláštěm. Američtí vědci vyvinuli hypotézu navrženou před 13 lety skupinou vědců z Francie.
Je známo, že postupem časuodborníci tvrdili, že to bylo vnější jádro Země, které vytvořilo její magnetické pole. Ale pak odborníci z Francie navrhli, že plášť planety byl vždy pevný (od okamžiku jejího narození).
Tento závěr přiměl vědce přemýšletskutečnost, že magnetické pole nemohlo tvořit jádro, ale kapalná část spodního pláště. Složení pláště je silikátový materiál, který je považován za špatný vodič.
Ale protože spodní plášť musel zůstatkapalina po miliardy let, pohyb kapaliny v ní nevytvářel elektrický proud, ale bylo prostě nutné vytvořit magnetické pole.
Dnes odborníci věří, že plášť mohlbýt silnějším vodičem, než se dříve myslelo. Tento závěr odborníků plně ospravedlňuje stav rané Země. Silikátové dynamo je možné pouze v případě, že elektrická vodivost jeho kapalné části byla mnohem vyšší a měla nízký tlak a teplotu.
Přečtěte si více
Byla vytvořena první přesná mapa světa. Co se děje s ostatními?
NASA řekla, jak budou dodávat vzorky Marsu na Zemi
Motor pro orbitální letadlo byl testován v Rusku