Struktura i charakterystyka pola magnetycznego Ziemi
Pole magnetyczne Ziemi, czyli pole geomagnetyczne – magnetyczne
Własne pole magnetyczne Ziemi (pole geomagnetyczne) można podzielić na następujące główne części:
- Pole główne,
- pola światowych anomalii,
- zewnętrzne pole magnetyczne.
- Pole główne
Ponad 90% z niego składa się z pola, którego źródło znajduje się wewnątrz Ziemi, w płynnym jądrze zewnętrznym - ta część nazywana jest polem głównym, głównym lub normalnym.
Jest przybliżony jako szereg harmonicznych -szeregu Gaussa, aw pierwszym przybliżeniu blisko powierzchni Ziemi (do trzech jej promieni) znajduje się blisko pola magnetycznego dipola, czyli wygląda tak, jakby globus był magnesem paskowym z osią skierowaną w przybliżeniu z z północy na południe.
- Pola światowych anomalii
Linie rzeczywistego pola magnetycznego Ziemi,choć średnio znajdują się one blisko linii pola dipolowego, różnią się od nich lokalnymi nieregularnościami związanymi z obecnością namagnesowanych skał w skorupie położonej blisko powierzchni.
Z tego powodu w niektórych miejscach na ziemiNa powierzchni parametry pola znacznie odbiegają od wartości w pobliskich obszarach, tworząc tzw. anomalie magnetyczne, które mogą nakładać się na siebie, jeśli powodujące je namagnesowane ciała leżą na różnych głębokościach.
- Zewnętrzne pole magnetyczne
Jest to określane przez źródła w postaci prądusystemy zlokalizowane poza powierzchnią Ziemi, w jej atmosferze. W górnej części atmosfery (100 km i więcej) - jonosferze - jej cząsteczki są zjonizowane, tworząc gęstą zimną plazmę, która wznosi się wyżej, dlatego część ziemskiej magnetosfery ponad jonosferą rozciąga się na odległość do trzech jego promieni, nazywa sięplazmasfera.
Plazma jest utrzymywana przez ziemskie pole magnetyczne, ale o jej stanie decyduje jej oddziaływanie z wiatrem słonecznym - przepływem plazmy korony słonecznej.
Zatem w większej odległości od powierzchniPole magnetyczne Ziemi jest asymetryczne, ponieważ ulega zniekształceniu pod wpływem wiatru słonecznego: od strony Słońca jest ściskane, a w kierunku od Słońca uzyskuje „ślad” rozciągający się na setki tysięcy kilometrów , wychodząc poza orbitę Księżyca.
Ten specyficzny „ogoniasty” kształt pojawia się, gdy plazma wiatru słonecznego i przepływy korpuskularne opływają powierzchnię Ziemi.magnetosfera- obszar przestrzeni bliskiej Ziemi, nadal kontrolowany przez pole magnetyczne Ziemi, a nie Słońce i inne źródła międzyplanetarne.
Jest oddzielona od przestrzeni międzyplanetarnejmagnetopauza, gdzie dynamiczne ciśnienie wiatru słonecznego jest równoważone ciśnieniem jego własnego pola magnetycznego.
- Parametry pola
Wizualne przedstawienie położenia liniiIndukcję magnetyczną pola ziemskiego zapewnia igła magnetyczna, zamocowana w taki sposób, że może swobodnie obracać się zarówno wokół osi pionowej, jak i dookoła osi poziomej (np. W gimbalu) - w każdym punkcie blisko powierzchni Ziemi jest zainstalowany w określony sposób wzdłuż tych linii.
Ponieważ bieguny magnetyczne i geograficzne nie pokrywają się, igła magnetyczna wskazuje kierunek z północy na południe tylko w przybliżeniu.
Płaszczyzna pionowa, w której zainstalowana jest igła magnetyczna, nazywana jest płaszczyzną południka magnetycznego danego miejsca, a linia, wzdłuż której ta płaszczyzna przecina powierzchnię Ziemi, nazywana jestpołudnik magnetyczny.
Zatem południki magnetyczne są projekcjamilinie siły pola magnetycznego Ziemi na jej powierzchni, zbiegające się na północnym i południowym biegunie magnetycznym. Nazywa się kąt między kierunkami południków magnetycznych i geograficznychdeklinacja magnetyczna.
Może być zachodnia (często oznaczana jakoznak „-”) lub wschód (znak „+”), w zależności od tego, czy biegun północny igły magnetycznej odchyla się od pionowej płaszczyzny południka geograficznego na zachodzie lub wschodzie.
Co więcej, ogólnie rzecz biorąc, linie ziemskiego pola magnetycznegonie są równoległe do jego powierzchni. Oznacza to, że indukcja magnetyczna pola ziemskiego nie leży w płaszczyźnie horyzontu danego miejsca, ale tworzy z tą płaszczyzną pewien kąt – nazywa się tonachylenie magnetyczne. Tylko punktowo jest bliska zerarównik magnetyczny- okrąg wielki w płaszczyźnie prostopadłej do osi magnetycznej.
Wyniki modelowania numerycznego pola magnetycznego Ziemi: po lewej stronie normalne, po prawej w czasie inwersji
Charakter pola magnetycznego Ziemi
Wyjaśnij po raz pierwszy istnienie pola magnetycznegoPróbę Ziemi i Słońca podjął J. Larmore w 1919 roku, proponując koncepcję dynama, zgodnie z którą utrzymanie pola magnetycznego ciała niebieskiego następuje pod wpływem ruchu hydrodynamicznego ośrodka przewodzącego prąd elektryczny.
Jednak w 1934 r. T. Cowling udowodnił twierdzenie o niemożności utrzymania osiowosymetrycznego pola magnetycznego poprzez hydrodynamiczny mechanizm dynama.
A ponieważ badano większość ciał niebieskich (izwłaszcza Ziemia) uznano za osiowo symetryczne, na tej podstawie można było założyć, że ich pole również będzie osiowo symetryczne i wtedy jego wygenerowanie według tej zasady byłoby według tych twierdzeń niemożliwe.
Nawet Albert Einstein był sceptycznywykonalność takiego dynamo pod warunkiem, że nie mogą istnieć proste (symetryczne) rozwiązania. Dopiero znacznie później wykazano, że nie wszystkie równania o symetrii osiowej opisujące proces powstawania pola magnetycznego będą miały rozwiązanie osiowo-symetryczne, nawet w latach pięćdziesiątych XX wieku. znaleziono rozwiązania asymetryczne.
Od tego czasu teoria dynama została pomyślnie opracowana iObecnie ogólnie przyjętym najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem pochodzenia pola magnetycznego Ziemi i innych planet jest mechanizm samowzbudnego dynama, polegający na wytwarzaniu prądu elektrycznego w przewodniku poruszającym się w polu magnetycznym generowanym i wzmacnianym przez same te prądy.
Niezbędne warunki powstają w jądrze Ziemi:w ciekłym rdzeniu zewnętrznym, składającym się głównie z żelaza o temperaturze rzędu 4–6 tysięcy kelwinów, które doskonale przewodzi prąd, powstają przepływy konwekcyjne, które usuwają ciepło ze stałego rdzenia wewnętrznego (powstającego w wyniku rozpadu pierwiastków promieniotwórczych lub uwolnienie ciepła utajonego, gdy substancja krzepnie na granicy między jądrem wewnętrznym i zewnętrznym w miarę stopniowego ochładzania się planety).
Siły Coriolisa wkręcają te przepływycharakterystyczne spirale tworzące tzw. filary Taylora. W wyniku tarcia warstw uzyskują one ładunek elektryczny, tworząc prądy pętlowe. W ten sposób powstaje układ prądów krążących wzdłuż obwodu przewodzącego w przewodnikach poruszających się w (początkowo obecnym, choć bardzo słabym) polu magnetycznym, jak w dysku Faradaya.
Tworzy pole magnetyczne, które kiedykorzystna geometria przepływu wzmacnia pole początkowe, a to z kolei zwiększa prąd, a proces wzmacniania trwa aż do momentu, gdy straty spowodowane ciepłem Joule'a, rosnące wraz ze wzrostem prądu, zrównoważą dopływ energii przybywającej w wyniku ruchów hydrodynamicznych.
Sugerowano, że dynamo możebyć podekscytowane siłami precesji lub pływów, to znaczy, że źródłem energii jest obrót Ziemi, jednak najbardziej rozpowszechnioną i rozwiniętą hipotezą jest to, że jest to właśnie konwekcja termochemiczna.
Zmiany w polu magnetycznym Ziemi
Inwersja pola magnetycznego to zmiana kierunku pola magnetycznego Ziemi w historii geologicznej planety (określana metodą paleomagnetyczną).
Podczas odwrócenia północny biegun magnetyczny i południeBieguny magnetyczne zamieniają się miejscami, a igła kompasu zaczyna wskazywać w przeciwnym kierunku. Inwersja jest stosunkowo rzadkim zjawiskiem, które nigdy nie wystąpiło w trakcie istnieniaHomo sapiens... Przypuszczalnie ostatni raz zdarzyło się to około 780 tysięcy lat temu.
Odwrócenia pola magnetycznego następowały w odstępach czasu od dziesiątek tysięcy lat do ogromnych okresów cichego pola magnetycznego trwających dziesiątki milionów lat, kiedy nie wystąpiło żadne odwrócenie.
Tak więc nieokresowość w zmianie biegunów, a proces ten uważany jest za stochastyczny. Po długich okresach spokojnego pola magnetycznego mogą następować okresy wielokrotnych zmian o różnym czasie trwania i odwrotnie. Badania pokazują, że zmiana biegunów magnetycznych może trwać od kilkuset do kilkuset tysięcy lat.
Specjaliści z Johns Hopkins University (USA)Zakłada się, że podczas odwrotów magnetosfera Ziemi osłabła na tyle, że promieniowanie kosmiczne mogło dotrzeć do powierzchni Ziemi, dlatego zjawisko to mogłoby zaszkodzić organizmom żywym na planecie, a kolejna zmiana biegunów mogłaby doprowadzić do jeszcze poważniejszych konsekwencji dla ludzkości w górę do globalnej katastrofy.
Praca naukowa ostatnich lat pokazała (m.in.w tym w eksperymencie) możliwość losowych zmian kierunku pola magnetycznego („skoków”) w stacjonarnym turbulentnym dynamo. Według szefa laboratorium geomagnetyzmu w Instytucie Fizyki Ziemi, Władimira Pawłowa, inwersja jest procesem dość długim jak na ludzkie standardy.
Geofizycy z University of Leeds Yon Mound i Phil Livermore uważają, że za kilka tysięcy lat nastąpi inwersja pola magnetycznego Ziemi.
Przemieszczenie biegunów magnetycznych Ziemi
Po raz pierwszy współrzędne bieguna magnetycznego na północypółkule zdefiniowano w 1831 r., ponownie w 1904 r., następnie w 1948 i 1962, 1973, 1984, 1994; na półkuli południowej – w 1841 r., ponownie – w 1908 r. Przemieszczenia biegunów magnetycznych rejestrowane są od 1885 roku. W ciągu ostatnich 100 lat biegun magnetyczny na półkuli południowej przesunął się o prawie 900 km i wpłynął do Oceanu Południowego.
Najnowsze dane o stanie Arktykibiegun magnetyczny (posuwający się w stronę świata wschodnio-syberyjskiego anomalia magnetyczna przez Ocean Arktyczny) pokazał, że w latach 1973–1984 jego podróż wyniosła 120 km, od 1984 do 1994 r. – ponad 150 km. Choć dane te mają charakter szacunkowy, potwierdzają je pomiary północnego bieguna magnetycznego.
Po 1831 r., kiedy po raz pierwszy zarejestrowano położenie bieguna, do 2019 r. biegun przesunął się już ponad 2300 km w stronę Syberii i nadal porusza się z przyspieszeniem.
Prędkość jego ruchu wzrosła z 15 km dorok w 2000 do 55 km / rok w 2019. Ten gwałtowny dryf wymaga częstszych dostosowań systemów nawigacyjnych wykorzystujących pole magnetyczne Ziemi, takich jak kompasy w smartfonach lub rezerwowe systemy nawigacyjne dla statków i samolotów.
Siła ziemskiego pola magnetycznego spadai nierównomiernie. W ciągu ostatnich 22 lat zmniejszył się średnio o 1,7%, aw niektórych regionach, np. Na Południowym Atlantyku, o 10%. W niektórych miejscach siła pola magnetycznego, wbrew ogólnemu trendowi, nawet wzrosła.
Przyspieszenie ruchu biegunów (średnio o 3km / rok), a ich przemieszczanie się po korytarzach inwersji biegunów magnetycznych (korytarze te pozwoliły ujawnić ponad 400 paleoinwersji) sugeruje, że w tym przemieszczeniu biegunów nie należy widzieć wychylenia, ale kolejną inwersję pola magnetycznego Ziemi .
Jak powstało pole magnetyczne Ziemi?
Specjaliści z Instytutu Oceanograficznego Scrippsa Uniwersytet Kalifornijski zasugerował, że pole magnetyczne planety zostało utworzone przez płaszcz. Amerykańscy naukowcy opracowali hipotezę wysuniętą 13 lat temu przez grupę naukowców z Francji.
Wiadomo, że z biegiem czasuspecjaliści argumentowali, że to zewnętrzne jądro Ziemi wytwarza jej pole magnetyczne. Ale wtedy eksperci z Francji zasugerowali, że płaszcz planety był zawsze solidny (od momentu jej narodzin).
Ten wniosek skłonił naukowców do zastanowienia sięfakt, że to nie rdzeń mógł uformować pole magnetyczne, ale płynna część dolnego płaszcza. Płaszcz składa się z materiału krzemianowego, który jest uważany za słaby przewodnik.
Ale ponieważ dolny płaszcz musiał pozostaćcieczy przez miliardy lat, ruch cieczy w jej wnętrzu nie powodował wytwarzania prądu elektrycznego, lecz był po prostu niezbędny do wytworzenia pola magnetycznego.
Dziś profesjonaliści uważają, że płaszcz mógłbybyć silniejszym dyrygentem, niż wcześniej sądzono. Ten wniosek specjalistów w pełni uzasadnia stan wczesnej Ziemi. Dynamo krzemianowe jest możliwe tylko wtedy, gdy przewodnictwo elektryczne jego części ciekłej było znacznie wyższe oraz miało niskie ciśnienie i temperaturę.
Czytaj więcej
Powstała pierwsza dokładna mapa świata. Co jest nie tak ze wszystkimi innymi?
NASA poinformowała, w jaki sposób dostarczą próbki Marsa na Ziemię
Silnik do samolotu orbitalnego był testowany w Rosji