Žemės magnetinio lauko struktūra ir charakteristikos
Žemės magnetinis laukas, arba geomagnetinis laukas – magnetinis
Žemės pačios magnetinį lauką (geomagnetinį lauką) galima suskirstyti į šias pagrindines dalis:
- pagrindinė sritis,
- pasaulio anomalijų laukai,
- išorinis magnetinis laukas.
- Pagrindinis laukas
Daugiau nei 90% jo sudaro laukas, kurio šaltinis yra Žemės viduje, skystoje išorinėje šerdyje – ši dalis vadinama pagrindiniu, pagrindiniu arba normaliu lauku.
Tai apytiksliai kaip harmonikų serija -Gauso serijos, ir per pirmąjį artėjimą prie Žemės paviršiaus (iki trijų jos spindulių) jis yra arti magnetinio dipolio lauko, tai yra, atrodo, kad gaublys yra juostinis magnetas, kurio ašis nukreipta maždaug nuo iš šiaurės į pietus.
- Pasaulio anomalijų laukai
Tikros Žemės magnetinio lauko linijos,nors vidutiniškai jie yra arti dipolio lauko linijų, tačiau skiriasi nuo jų vietiniais nelygumais, susijusiais su įmagnetintų uolienų buvimu plutoje, esančioje arti paviršiaus.
Dėl to kai kuriose žemės vietosePaviršiuje lauko parametrai labai skiriasi nuo reikšmių netoliese esančiose vietose, sudarydamos vadinamąsias magnetines anomalijas, jei juos sukeliantys įmagnetinti kūnai yra skirtinguose gyliuose.
- Išorinis magnetinis laukas
Jį lemia srovės formos šaltiniaisistemos, esančios už žemės paviršiaus, jos atmosferoje. Viršutinėje atmosferos dalyje (100 km ir aukščiau) - jonosferoje - jos molekulės jonizuojasi, susidaro tanki šalta plazma, kuri kyla aukščiau, todėl virš jonosferos esanti Žemės magnetosferos dalis, besitęsianti iki trijų atstumo. jos spindulių, vadinamasplazmosfera.
Plazmą laiko Žemės magnetinis laukas, tačiau jos būseną lemia sąveika su saulės vėju - saulės vainiko plazmos srautas.
Taigi, didesniu atstumu nuo paviršiausŽemės magnetinis laukas yra asimetriškas, nes veikiant saulės vėjui yra iškraipomas: iš Saulės pusės suspaudžiamas, o kryptimi nuo Saulės įgauna šimtus tūkstančių kilometrų besitęsiantį „taką“. , išeinant už Mėnulio orbitos.
Ši savotiška „uodegos“ forma atsiranda, kai saulės vėjo plazma ir saulės korpuso srautai teka aplink žemės paviršių.magnetosfera- Žemės artimos erdvės regionas, vis dar valdomas Žemės magnetinio lauko, o ne Saulės ir kitų tarpplanetinių šaltinių.
Ji yra atskirta nuo tarpplanetinės erdvėsmagnetopauzė, kur saulės vėjo dinaminį slėgį subalansuoja jo paties magnetinio lauko slėgis.
- Lauko parametrai
Vizualus linijų padėties vaizdavimasMagnetinę Žemės lauko indukciją teikia magnetinė adata, pritvirtinta taip, kad ji galėtų laisvai pasisukti tiek aplink vertikalią, tiek ir aplink horizontalią ašį (pavyzdžiui, kardanine pavara) - kiekviename taške prie Žemės paviršiaus ji yra įrengtas tam tikru būdu pagal šias linijas.
Kadangi magnetinis ir geografinis poliai nesutampa, magnetinė adata rodo kryptį iš šiaurės į pietus tik apytiksliai.
Vertikali plokštuma, kurioje įtaisyta magnetinė adata, vadinama tam tikros vietos magnetinio dienovidinio plokštuma, o linija, išilgai kurios ši plokštuma kerta Žemės paviršių, vadinamamagnetinis dienovidinis.
Taigi magnetiniai meridianai yra projekcijosŽemės magnetinio lauko jėgos linijos jos paviršiuje, susiliejančios šiauriniame ir pietiniame magnetiniame poliuose. Kampas tarp magnetinio ir geografinio dienovidinio krypčių vadinamasmagnetinė deklinacija.
Jis gali būti vakarietiškas (dažnai žymimasženklas „-“) arba rytai (ženklas „+“), atsižvelgiant į tai, ar magnetinės adatos šiaurinis ašigalis nukrypsta į vakarus ar į rytus nuo vertikalios geografinio dienovidinio plokštumos.
Be to, Žemės magnetinio lauko linijos, paprastai tariant,nėra lygiagrečios jo paviršiui. Tai reiškia, kad Žemės lauko magnetinė indukcija yra ne tam tikros vietos horizonto plokštumoje, o sudaro tam tikrą kampą su šia plokštuma – ji vadinamamagnetinis polinkis. Jis artimas nuliui tik taškuosemagnetinis pusiaujas- didysis apskritimas plokštumoje, statmenoje magnetinei ašiai.
Žemės magnetinio lauko skaitmeninio modeliavimo rezultatai: kairėje - normalus, dešinėje - inversijos metu
Žemės magnetinio lauko pobūdis
Pirmą kartą paaiškinkite magnetinių laukų egzistavimąŽemę ir Saulę 1919 metais bandė sukurti J. Larmore'as, pasiūlęs dinamo koncepciją, pagal kurią dangaus kūno magnetinio lauko palaikymas vyksta veikiant elektrai laidžios terpės hidrodinaminiam judėjimui.
Tačiau 1934 metais T. Cowlingas įrodė teoremą apie tai, kad neįmanoma išlaikyti ašiesimetrinio magnetinio lauko per hidrodinaminį dinamo mechanizmą.
Ir kadangi dauguma tyrinėtų dangaus kūnų (irypač Žemė) buvo laikomi ašiškai simetriškais, tuo remiantis buvo galima daryti prielaidą, kad ir jų laukas bus ašies simetriškas, o tada jo generavimas pagal šį principą būtų neįmanomas pagal šias teoremas.
Net Albertas Einšteinas buvo skeptiškastokios dinamikos įgyvendinamumas su sąlyga, kad negali būti paprastų (simetriškų) sprendimų. Tik daug vėliau buvo įrodyta, kad ne visos ašinės simetrijos lygtys, apibūdinančios magnetinio lauko susidarymo procesą, net aštuoniasdešimtaisiais turės ašiniu atžvilgiu simetrišką sprendimą. rasti asimetriniai sprendimai.
Nuo tada dinamo teorija buvo sėkmingai plėtojama irŠiandien visuotinai pripažintas labiausiai tikėtinas Žemės ir kitų planetų magnetinio lauko kilmės paaiškinimas yra savaime sužadinamas dinamo mechanizmas, pagrįstas elektros srovės generavimu laidininke, kai jis juda magnetiniame lauke, kurį sukuria ir sustiprina pačios šios srovės.
Žemės šerdyje sukuriamos būtinos sąlygos:skystoje išorinėje šerdyje, susidedančioje daugiausia iš 4–6 tūkst. kelvinų temperatūros geležies, kuri puikiai praleidžia srovę, susidaro konvekciniai srautai, kurie pašalina šilumą iš kietos vidinės šerdies (susikuriančios dėl radioaktyviųjų elementų irimo arba latentinės šilumos išsiskyrimas, kai medžiaga kietėja ties riba tarp vidinio ir išorinio šerdies, kai planeta palaipsniui vėsta).
Koriolio jėgos sukasi šiuos srautusbūdingos spiralės, sudarančios vadinamuosius Teiloro stulpus. Dėl sluoksnių trinties jie įgyja elektros krūvį, suformuodami kilpų sroves. Taigi, kaip Faradėjaus diske, sukuriama srovių sistema, cirkuliuojanti išilgai laidžiosios grandinės laidininkų, judančių (iš pradžių esančiame, nors ir labai silpname) magnetiniame lauke.
Jis sukuria magnetinį lauką, kuris, kaipalanki srauto geometrija sustiprina pradinį lauką, o tai savo ruožtu sustiprina srovę, o stiprinimo procesas tęsiasi tol, kol nuostoliai dėl Džaulio šilumos, didėjant srovei, subalansuoja energijos antplūdį, gaunamą dėl hidrodinaminių judesių.
Buvo pasiūlyta, kad dinamas galėtųjaudinkitės dėl precedijos ar potvynio jėgų, tai yra, kad energijos šaltinis yra Žemės sukimasis, tačiau labiausiai paplitusi ir išplėtota hipotezė yra tai, kad tai yra būtent termocheminė konvekcija.
Žemės magnetinio lauko pokyčiai
Magnetinio lauko inversija yra Žemės magnetinio lauko krypties pasikeitimas planetos geologinėje istorijoje (nustatomas paleomagnetiniu metodu).
Apsukimo metu šiaurinis magnetinis polius ir pietinisMagnetiniai poliai keičiasi vietomis, o kompaso rodyklė pradeda rodyti priešinga kryptimi. Inversija yra gana retas reiškinys, kuris niekada nebuvo įvykęs per egzistavimąHomo sapiens... Tikėtina, kad paskutinį kartą tai įvyko maždaug prieš 780 tūkstančių metų.
Magnetinio lauko apsisukimai vyko laiko intervalais nuo dešimčių tūkstančių metų iki didžiulių dešimčių milijonų metų tylaus magnetinio lauko laikotarpių, kai jokių apsisukimų neįvyko.
Taigi, nepolių kaitos periodiškumas, ir šis procesas laikomas stochastišku. Po ilgų tylaus magnetinio lauko laikotarpių gali pasireikšti keli skirtingos trukmės apsukimai ir atvirkščiai. Tyrimai rodo, kad magnetinių polių kaita gali trukti nuo kelių šimtų iki kelių šimtų tūkstančių metų.
Johns Hopkins universiteto (JAV) specialistaiDaroma prielaida, kad per apsisukimus Žemės magnetosfera taip susilpnėjo, kad kosminė spinduliuotė galėjo pasiekti Žemės paviršių, todėl šis reiškinys gali pakenkti gyviems planetos organizmams, o kitas polių pasikeitimas gali sukelti dar rimtesnes pasekmes žmonijai. į pasaulinę katastrofą.
Pastarųjų metų mokslinis darbas parodė (įskaitantįskaitant ir eksperimentą) galimybę atsitiktinai pakeisti magnetinio lauko kryptį („šuolius“) stacionariame turbulentiniame dinamone. Pasak Žemės fizikos instituto geomagnetizmo laboratorijos vadovo Vladimiro Pavlovo, inversija pagal žmogaus standartus yra gana ilgas procesas.
Lydso universiteto Yon Moundo geofizikai ir Philas Livermore'as mano, kad po poros tūkstančių metų įvyks Žemės magnetinio lauko inversija.
Žemės magnetinių polių poslinkis
Pirmą kartą magnetinio poliaus koordinatės Šiaurėjepusrutuliai buvo apibrėžti 1831 m., vėl 1904 m., vėliau 1948 ir 1962 m., 1973 m., 1984 m., 1994 m. Pietų pusrutulyje – 1841 m., vėl – 1908 m. Magnetinių polių poslinkis fiksuojamas nuo 1885 m. Per pastaruosius 100 metų magnetinis polius pietiniame pusrutulyje pajudėjo beveik 900 km ir pateko į Pietų vandenyną.
Naujausi duomenys apie Arkties būklęmagnetinis polius (judantis Rytų Sibiro pasaulio magnetinės anomalijos link per Arkties vandenyną) parodė, kad nuo 1973 iki 1984 metų jo kelionė buvo 120 km, nuo 1984 iki 1994 metų – daugiau nei 150 km. Nors šie duomenys yra apytiksliai, juos patvirtina šiaurinio magnetinio poliaus matavimai.
Po 1831 m., kai stulpo padėtis buvo užfiksuota pirmą kartą, 2019 m. stulpas jau buvo pasislinkęs daugiau nei 2300 km Sibiro link ir toliau juda su pagreičiu.
Jo judėjimo greitis padidėjo nuo 15 km ikimetais iki 55 km / metus 2019 m. Dėl šio greito dreifo reikia dažniau koreguoti navigacijos sistemas, naudojančias Žemės magnetinį lauką, pavyzdžiui, kompasus išmaniuosiuose telefonuose arba atsargines laivų ir orlaivių navigacijos sistemas.
Žemės magnetinio lauko stipris krentair netolygiai. Per pastaruosius 22 metus jis sumažėjo vidutiniškai 1,7%, o kai kuriuose regionuose, pavyzdžiui, Pietų Atlanto vandenyne, - 10%. Kai kur magnetinio lauko stipris, priešingai nei bendra tendencija, netgi padidėjo.
Stulpų judėjimo pagreitis (vidutiniškai 3km / metus) ir jų judėjimas magnetinių polių inversijų koridoriais (šie koridoriai leido atskleisti daugiau nei 400 paleoinversijų) rodo, kad šiame polių poslinkyje reikia pamatyti ne ekskursiją, o kitą Žemės magnetinio lauko inversiją. .
Kaip atsirado Žemės magnetinis laukas?
„Scripps“ okeanografijos instituto specialistaiir Kalifornijos universitetas teigė, kad planetos magnetinį lauką suformavo mantija. Amerikos mokslininkai sukūrė hipotezę, kurią prieš 13 metų pasiūlė tyrėjų grupė iš Prancūzijos.
Известно, что в течение долгого времени профессионалы утверждали, что именно внешнее ядро Земли генерировало ее магнитное поле. Но потом специалисты из Франции предположили, что мантия планеты была всегда твердой (с момента своего рождения).
Ši išvada privertė mokslininkus susimąstytitai, kad ne šerdis galėjo suformuoti magnetinį lauką, o skysta apatinės mantijos dalis. Apsiausto kompozicija yra silikatinė medžiaga, kuri laikoma prastu laidininku.
Но так как нижняя мантия должна была оставаться жидкой в течение миллиардов лет, движения жидкости внутри нее не производило электрического тока, а ведь для генерации магнитного поля он был просто необходим.
Šiandien specialistai mano, kad mantija galėtųbūti galingesniu dirigentu, nei manyta anksčiau. Ši specialistų išvada visiškai pateisina ankstyvosios Žemės būklę. Silikatinis dinamas yra įmanomas tik tuo atveju, jei jo skystos dalies elektrinis laidumas buvo daug didesnis ir jo slėgis ir temperatūra buvo žemi.
Skaityti daugiau
Buvo sukurtas pirmasis tikslus pasaulio žemėlapis. Kas negerai visiems kitiems?
NASA pasakojo, kaip jie pristatys Marso pavyzdžius į Žemę
Orbitinio orlaivio variklis buvo išbandytas Rusijoje