Die Struktur und Eigenschaften des Erdmagnetfeldes
Das Magnetfeld der Erde oder das Erdmagnetfeld ist magnetisch
Das Erdmagnetfeld (Erdmagnetfeld) kann in folgende Hauptteile unterteilt werden:
- Hauptfeld,
- Felder von Weltanomalien,
- externes Magnetfeld.
- Hauptfeld
Mehr als 90% davon besteht aus einem Feld, das im Inneren der Erde im flüssigen äußeren Kern entspringt, das als Haupt-, Haupt- oder Normalfeld bezeichnet wird.
Es wird als eine Reihe in Harmonischen angenähert -der Gaußschen Reihe und in erster Näherung nahe der Erdoberfläche (bis zu drei ihrer Radien) nahe am magnetischen Dipolfeld, dh es sieht so aus, als wäre der Globus ein Streifenmagnet mit einer Achse, die ungefähr von dort aus gerichtet ist von Norden nach Süden.
- Felder von Weltanomalien
Reale magnetische Feldlinien der Erde,Obwohl sie im Durchschnitt nahe an den Dipolfeldlinien liegen, unterscheiden sie sich von diesen durch lokale Unregelmäßigkeiten, die mit dem Vorhandensein magnetisierter Gesteine in der oberflächennahen Kruste verbunden sind.
Aus diesem Grund an manchen Orten auf der ErdeAn der Oberfläche weichen die Feldparameter stark von den Werten in nahegelegenen Gebieten ab und bilden sogenannte magnetische Anomalien. Sie können sich überlappen, wenn die magnetisierten Körper, die sie verursachen, in unterschiedlichen Tiefen liegen.
- Externes Magnetfeld
Es wird durch Quellen in Form von Strom bestimmtSysteme, die sich außerhalb der Erdoberfläche in ihrer Atmosphäre befinden. Im oberen Teil der Atmosphäre (100 km und mehr) – der Ionosphäre – werden ihre Moleküle ionisiert und bilden ein dichtes kaltes Plasma, das höher aufsteigt, also den Teil der Erdmagnetosphäre über der Ionosphäre, der sich bis zu einer Entfernung von drei Metern erstreckt seiner Radien heißtPlasmasphäre.
Plasma wird vom Erdmagnetfeld gehalten, aber sein Zustand wird durch seine Wechselwirkung mit dem Sonnenwind bestimmt - dem Plasmastrom der Sonnenkorona.
Also in größerer Entfernung von der OberflächeDas Erdmagnetfeld ist asymmetrisch, da es unter dem Einfluss des Sonnenwinds verzerrt wird: Von der Seite der Sonne her wird es komprimiert und in Richtung der Sonne nimmt es eine „Spur“ an, die sich über Hunderttausende Kilometer erstreckt , über die Umlaufbahn des Mondes hinausgehen.
Diese eigenartige „Schwanz“-Form entsteht, wenn das Plasma des Sonnenwinds und der solaren Korpuskularströme die Erdoberfläche umströmen.Magnetosphäre- eine Region im erdnahen Weltraum, die immer noch vom Magnetfeld der Erde und nicht von der Sonne und anderen interplanetaren Quellen kontrolliert wird.
Sie ist vom interplanetaren Raum getrenntMagnetopause, wo der dynamische Druck des Sonnenwinds durch den Druck seines eigenen Magnetfeldes ausgeglichen wird.
- Feldparameter
Наглядное представление о положении линий Die magnetische Induktion des Erdfeldes wird durch eine Magnetnadel bereitgestellt, die so befestigt ist, dass sie sich frei um die vertikale und die horizontale Achse drehen kann (z. B. in einem Kardanring) - an jedem Punkt in der Nähe der Erdoberfläche wird in gewisser Weise in diese Richtung installiert.
Da die magnetischen und geografischen Pole nicht zusammenfallen, gibt die Magnetnadel die Richtung von Nord nach Süd nur annähernd an.
Die vertikale Ebene, in der die Magnetnadel installiert ist, wird als Ebene des magnetischen Meridians eines bestimmten Ortes bezeichnet, und die Linie, entlang der diese Ebene die Erdoberfläche schneidet, wird als Ebene bezeichnetmagnetischer Meridian.
Magnetische Meridiane sind also ProjektionenKraftlinien des Erdmagnetfeldes auf ihrer Oberfläche, die am Nord- und Südmagnetpol zusammenlaufen. Der Winkel zwischen den Richtungen des magnetischen und des geografischen Meridians wird genanntmagnetische Deklination.
Es kann westlich sein (oft bezeichnet)Zeichen "-") oder Osten (Zeichen "+"), je nachdem, ob der Nordpol der Magnetnadel von der vertikalen Ebene des geografischen Meridians nach Westen oder Osten abweicht.
Darüber hinaus sind die Linien des Erdmagnetfelds im Allgemeinensind nicht parallel zu seiner Oberfläche. Das bedeutet, dass die magnetische Induktion des Erdfeldes nicht in der Horizontebene eines bestimmten Ortes liegt, sondern mit dieser Ebene einen bestimmten Winkel bildet – so heißt esmagnetische Neigung. Nur punktuell liegt sie nahe bei Nullmagnetischer Äquator- ein Großkreis in einer Ebene, die senkrecht zur magnetischen Achse steht.
Ergebnisse der numerischen Modellierung des Erdmagnetfeldes: links - normal, rechts - während der Inversion
Die Natur des Erdmagnetfeldes
Erklären Sie erstmals die Existenz von MagnetfeldernDie Erde und die Sonne wurden 1919 von J. Larmore untersucht und schlugen das Konzept eines Dynamos vor, wonach die Aufrechterhaltung des Magnetfelds eines Himmelskörpers unter dem Einfluss der hydrodynamischen Bewegung eines elektrisch leitenden Mediums erfolgt.
Im Jahr 1934 bewies T. Cowling jedoch einen Satz über die Unmöglichkeit, ein achsensymmetrisches Magnetfeld durch einen hydrodynamischen Dynamomechanismus aufrechtzuerhalten.
Und da die meisten untersuchten Himmelskörper (und(insbesondere die Erde) als achsensymmetrisch betrachtet wurden, konnte man auf dieser Grundlage davon ausgehen, dass ihr Feld ebenfalls achsensymmetrisch wäre, und dann wäre seine Erzeugung nach diesem Prinzip nach diesen Theoremen unmöglich.
Sogar Albert Einstein war skeptischdie Machbarkeit eines solchen Dynamos vorausgesetzt, dass einfache (symmetrische) Lösungen nicht existieren können. Erst viel später wurde gezeigt, dass nicht alle Gleichungen mit axialer Symmetrie, die den Prozess der Magnetfelderzeugung beschreiben, auch in den 1950er Jahren eine axialsymmetrische Lösung haben werden. Es wurden asymmetrische Lösungen gefunden.
Seitdem wurde die Dynamotheorie erfolgreich entwickelt undHeutzutage ist die allgemein anerkannte und wahrscheinlichste Erklärung für den Ursprung des Magnetfelds der Erde und anderer Planeten ein selbsterregender Dynamomechanismus, der auf der Erzeugung eines elektrischen Stroms in einem Leiter basiert, wenn dieser sich in einem von ihm erzeugten und verstärkten Magnetfeld bewegt diese Strömungen selbst.
Im Erdkern werden die notwendigen Voraussetzungen geschaffen:Im flüssigen Außenkern, der hauptsächlich aus Eisen mit einer Temperatur in der Größenordnung von 4.000 bis 6.000 Kelvin besteht und den Strom perfekt leitet, entstehen Konvektionsströme, die dem festen Innenkern Wärme entziehen (die durch den Zerfall radioaktiver Elemente entsteht). die Freisetzung latenter Wärme, wenn die Substanz an der Grenze zwischen innerem und äußerem Kern erstarrt, während der Planet allmählich abkühlt).
Coriolis-Kräfte verdrehen diese Strömecharakteristische Spiralen, die die sogenannten Taylor-Säulen bilden. Durch die Reibung der Schichten laden sie sich elektrisch auf und es bilden sich Schleifenströme. Dadurch entsteht ein System von Strömen, die entlang des Stromkreises in Leitern zirkulieren, die sich im (zunächst vorhandenen, wenn auch sehr schwachen) Magnetfeld bewegen, wie in einer Faraday-Scheibe.
Es erzeugt ein Magnetfeld, das, wennEine günstige Strömungsgeometrie verstärkt das Anfangsfeld, und dies wiederum verstärkt die Strömung, und der Verstärkungsprozess setzt sich fort, bis die Verluste aufgrund der Jouleschen Wärme, die mit zunehmender Strömung wachsen, den Energiezufluss aufgrund hydrodynamischer Bewegungen ausgleichen.
Es wurde vorgeschlagen, dass der Dynamo könnteaufgrund von Präzessions- oder Gezeitenkräften angeregt werden, dh dass die Energiequelle die Rotation der Erde ist. Die am weitesten verbreitete und entwickelte Hypothese ist jedoch, dass dies genau die thermochemische Konvektion ist.
Änderungen im Erdmagnetfeld
Die Umkehrung des Magnetfeldes ist eine Richtungsänderung des Erdmagnetfeldes in der geologischen Geschichte des Planeten (bestimmt durch die paläomagnetische Methode).
Während der Umkehrung der Nordmagnetpol und der SüdpolDie Magnetpole wechseln ihre Plätze und die Kompassnadel beginnt in die entgegengesetzte Richtung zu zeigen. Inversion ist ein relativ seltenes Phänomen, das während der Existenz von noch nie aufgetreten istHomo sapiens... Vermutlich war es das letzte Mal vor etwa 780.000 Jahren.
Magnetfeldumkehrungen traten in Zeitintervallen auf, die von Zehntausenden von Jahren bis zu riesigen Perioden ruhigen Magnetfelds von mehreren Zehnmillionen Jahren reichten, in denen keine Umkehrungen auftraten.
Also neinPeriodizität beim Polwechsel, und dieser Prozess wird als stochastisch angesehen. Auf lange Perioden eines ruhigen Magnetfelds können Perioden mehrfacher Umkehrungen mit unterschiedlicher Dauer folgen und umgekehrt. Studien zeigen, dass eine Änderung der Magnetpole mehrere hundert bis mehrere hunderttausend Jahre dauern kann.
Spezialisten der Johns Hopkins University (USA)Es wird angenommen, dass während der Umkehrungen die Erdmagnetosphäre so stark geschwächt wurde, dass kosmische Strahlung die Erdoberfläche erreichen könnte, daher könnte dieses Phänomen lebenden Organismen auf dem Planeten schaden und der nächste Polwechsel könnte zu noch schwerwiegenderen Konsequenzen für die Menschheit führen zu einer globalen Katastrophe.
Wissenschaftliche Arbeiten der letzten Jahre haben gezeigt (einschließlicheinschließlich des Experiments) die Möglichkeit zufälliger Änderungen der Richtung des Magnetfeldes ("Sprünge") in einem stationären turbulenten Dynamo. Laut dem Leiter des Labors für Geomagnetismus am Institut für Physik der Erde, Vladimir Pavlov, ist die Inversion für menschliche Verhältnisse ein ziemlich langer Prozess.
Geophysiker an der Universität von Leeds, Yon Mound und Phil Livermore, glauben, dass es in ein paar tausend Jahren zu einer Umkehrung des Erdmagnetfeldes kommen wird.
Verschiebung der Erdmagnetpole
Zum ersten Mal die Koordinaten des Magnetpols im NordenHemisphären wurden 1831, erneut 1904, dann 1948 und 1962, 1973, 1984, 1994 definiert; in der südlichen Hemisphäre - erneut im Jahr 1841 - im Jahr 1908. Die Verschiebung magnetischer Pole wird seit 1885 aufgezeichnet. In den letzten 100 Jahren hat sich der Magnetpol auf der Südhalbkugel um fast 900 km bewegt und ist in den Südpolarmeer eingedrungen.
Die neuesten Daten zum Zustand der ArktisDer magnetische Pol (der sich durch den Arktischen Ozean in Richtung der ostsibirischen Weltmagnetanomalie bewegt) zeigte, dass seine Reise von 1973 bis 1984 120 km betrug, von 1984 bis 1994 mehr als 150 km. Obwohl es sich bei diesen Daten um Schätzungen handelt, werden sie durch Messungen des magnetischen Nordpols bestätigt.
Nach 1831, als die Position des Pols erstmals aufgezeichnet wurde, hat sich der Pol im Jahr 2019 bereits mehr als 2.300 km in Richtung Sibirien verschoben und bewegt sich weiterhin mit Beschleunigung.
Die Geschwindigkeit seiner Bewegung stieg von 15 km aufJahr im Jahr 2000 bis zu 55 km / Jahr im Jahr 2019. Diese schnelle Drift erfordert häufigere Anpassungen an Navigationssystemen, die das Erdmagnetfeld nutzen, wie z. B. Kompasse in Smartphones oder Backup-Navigationssysteme für Schiffe und Flugzeuge.
Die Stärke des Erdmagnetfeldes nimmt abund ungleichmäßig. In den letzten 22 Jahren ist sie um durchschnittlich 1,7% und in einigen Regionen wie dem Südatlantik um 10% zurückgegangen. An einigen Stellen nahm die Stärke des Magnetfeldes entgegen dem allgemeinen Trend sogar zu.
Beschleunigung der Bewegung der Pole (durchschnittlich um 3km / Jahr) und ihre Bewegung entlang der Korridore der Inversion der Magnetpole (diese Korridore ermöglichten es, mehr als 400 Paläoinversionen aufzudecken) legen nahe, dass bei dieser Verschiebung der Pole keine Exkursion, sondern eine weitere Inversion des Erdmagnetfelds zu sehen ist .
Wie kam es zum Erdmagnetfeld?
Spezialisten des Scripps Oceanographic Instituteund die University of California haben vorgeschlagen, dass das Magnetfeld des Planeten durch den Mantel gebildet wurde. Amerikanische Wissenschaftler haben eine Hypothese entwickelt, die vor 13 Jahren von einer Gruppe von Forschern aus Frankreich vorgeschlagen wurde.
Das ist im Laufe der Zeit bekanntExperten argumentierten, dass es der äußere Erdkern sei, der sein Magnetfeld erzeugte. Doch dann vermuteten Experten aus Frankreich, dass der Mantel des Planeten immer fest war (vom Moment seiner Geburt an).
Diese Schlussfolgerung ließ Wissenschaftler nachdenkendie Tatsache, dass nicht der Kern das Magnetfeld bilden konnte, sondern der flüssige Teil des unteren Mantels. Die Zusammensetzung des Mantels ist ein Silikatmaterial, das als schlechter Leiter angesehen wird.
Aber da musste der untere Mantel bleibenDa es sich über Milliarden von Jahren um eine Flüssigkeit handelte, erzeugte die Bewegung der Flüssigkeit in ihrem Inneren keinen elektrischen Strom, sondern es war lediglich notwendig, ein Magnetfeld zu erzeugen.
Heute glauben Profis, dass der Mantel könntesei ein mächtigerer Dirigent als bisher angenommen. Diese Schlussfolgerung von Spezialisten rechtfertigt den Zustand der frühen Erde voll und ganz. Ein Silikatdynamo ist nur möglich, wenn die elektrische Leitfähigkeit seines flüssigen Teils viel höher war und einen niedrigen Druck und eine niedrige Temperatur aufwies.
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