Будова і характеристики магнітного поля Землі
Магнітне поле Землі, або геомагнітне поле - магнітне
Власне магнітне поле Землі (геомагнітне поле) можна розділити на cледует основні частини:
- головне поле,
- поля світових аномалій,
- зовнішнє магнітне поле.
- головне поле
Більш ніж на 90% воно складається з поля, джерело якого знаходиться всередині Землі, в рідкому зовнішньому ядрі, - ця частина називається головним, основним або нормальним полем.
Воно апроксимується у вигляді ряду по гармоникам -ряду Гаусса, а в першому наближенні поблизу поверхні Землі (до трьох її радіусів) близько до поля магнітного диполя, тобто має такий вигляд, ніби земну кулю являє собою смуговий магніт з віссю, спрямованої приблизно з півночі на південь.
- Поля світових аномалій
Реальні силові лінії магнітного поля Земліхоча в середньому і близькі до силових ліній диполя, відрізняються від них місцевими нерегулярностями, пов'язаними з наявністю порід намагнічених в корі, розташованих близько до поверхні.
Через це в деяких місцях на земнійповерхні параметри поля сильно відрізняються від значень у прилеглих районах, утворюючи так звані магнітні аномалії. Вони можуть накладатися одна на одну, якщо викликають їх намагнічені тіла залягають на різних глибинах.
- Зовнішнє магнітне поле
Воно визначається джерелами у вигляді струмовихсистем, що знаходяться за межами земної поверхні, в її атмосфері. У верхній частині атмосфери (100 км і вище) - іоносфері - її молекули іонізуються, формуючи щільну холодну плазму, що піднімається вище, тому частина магнітосфери Землі вище іоносфери, що простягається на відстань до трьох її радіусів, називаєтьсяплазмосферой.
Плазма утримується магнітним полем Землі, але її стан визначається його взаємодією з сонячним вітром - потоком плазми сонячної корони.
Таким чином, на більшій відстані від поверхніЗемлі магнітне поле несиметричне, тому що спотворюється під дією сонячного вітру: з боку Сонця воно стискається, а в напрямку від Сонця набуває «шлейф», який тягнеться на сотні тисяч кілометрів, виходячи за орбіту Місяця.
Ця своєрідна «хвостата» форма виникає, коли плазма сонячного вітру та сонячних корпускулярних потоків ніби обтікають земну.магнітосферу— область навколоземного космічного простору, яка ще контролюється магнітним полем Землі, а не Сонця та інших міжпланетних джерел.
Вона відокремлюється від міжпланетного просторумагнітопауза, Де динамічний тиск сонячного вітру врівноважується тиском власного магнітного поля.
- параметри поля
Наочне уявлення про стан лініймагнітної індукції поля Землі дає магнітна стрілка, закріплена таким чином, що може вільно обертатися і навколо вертикальної, і навколо горизонтальній осі (наприклад, в кардановом підвісі), - в кожній точці поблизу поверхні Землі вона встановлюється певним чином уздовж цих ліній.
Оскільки магнітні та географічні полюси не збігаються, магнітна стрілка вказує напрямок з півночі на південь лише приблизно.
Вертикальну площину, в якій встановлюється магнітна стрілка, називають площиною магнітного меридіана даного місця, а лінію, якою ця площина перетинається з поверхнею Землі, —магнітним меридіаном.
Таким чином, магнітні меридіани – це проекції.силових ліній магнітного поля Землі на її поверхню, що сходяться в північному та південному магнітних полюсах. Кут між напрямками магнітного та географічного меридіанів називаютьмагнітним відміною.
Воно може бути західним (часто позначаєтьсязнаком «-») або східним (знак «+») в залежності від того, на захід або схід відхиляється північний полюс магнітної стрілки від вертикальній площині географічного меридіана.
Далі лінії магнітного поля Землі, взагалі кажучи,не паралельні її поверхні. Це означає, що магнітна індукція поля Землі не лежить у площині горизонту даного місця, а утворює з цією площиною якийсь кут – він називаєтьсямагнітним нахилом. Воно близько до нуля лише у точкахмагнітного екватора- Кола великого кола в площині, яка перпендикулярна до магнітної осі.
Результати чисельного моделювання магнітного поля Землі: зліва — звичайне, праворуч — під час інверсії
Природа магнітного поля Землі
Вперше пояснити існування магнітних полівЗемлі та Сонця спробував Дж. Лармор у 1919 році, запропонувавши концепцію динамо, згідно з якою підтримання магнітного поля небесного тіла відбувається під дією гідродинамічного руху електропровідного середовища.
Однак у 1934 році Т. Каулінг довів теорему про неможливість підтримки осесиметричного магнітного поля за допомогою гідродинамічного динамо-механізму.
А оскільки більшість небесних тіл, що вивчаються (ітим паче Земля) вважалися аксіально-симетричними, на підставі цього можна було припустити, що їхнє поле теж буде аксіально-симетричним, і тоді його генерація за таким принципом буде неможлива згідно з цією теорем.
Навіть Альберт Ейнштейн скептично ставився доздійсненності такого динамо за умови неможливості існування простих (симетричних) рішень. Лише набагато пізніше було показано, що не у всіх рівнянь з аксіальної симетрією, що описують процес генерації магнітного поля, рішення буде аксіально-симетричним, і в 1950-х роках. несиметричні рішення були знайдені.
З того часу теорія динамо успішно розвивається, і наСьогодні загальноприйнятим найімовірнішим поясненням походження магнітного поля Землі та інших планет є динамічний механізм, що самозбуджується, заснований на генерації електричного струму в провіднику при його русі в магнітному полі, що породжується і посилюється самими цими струмами.
Необхідні умови створюються у ядрі Землі:в рідкому зовнішньому ядрі, що складається в основному із заліза при температурі близько 4-6 тисяч кельвінів, яке відмінно проводить струм, створюються конвективні потоки, що відводять від твердого внутрішнього ядра тепло (генерується завдяки розпаду радіоактивних елементів або звільнення прихованої теплоти при затвердінні речовини на кордоні внутрішнім і зовнішнім ядром у міру поступового остигання планети).
Сили Коріоліса закручують ці потоки вхарактерні спіралі, що утворюють звані стовпи Тейлора. Завдяки тертю шарів вони набувають електричного заряду, формуючи контурні струми. Таким чином, створюється система струмів, що циркулюють по провідному контуру в магнітних провідниках, як у диску Фарадея.
Вона створює магнітне поле, яке присприятливої геометрії течій посилює початкове поле, а це, у свою чергу, посилює струм, і процес посилення триває доти, доки зростання зі збільшенням струму втрати на джоулеве тепло не врівноважать припливи енергії, що надходить за рахунок гідродинамічних рухів.
Висловлювалися припущення, що динамо можезбуджуватися за рахунок прецесії або приливних сил, тобто що джерелом енергії є обертання Землі, проте найбільш поширена і розроблена гіпотеза про те, що це все ж саме термохімічна конвекція.
Зміни магнітного поля Землі
Інверсія магнітного поля - Зміна напряму магнітного поля Землі в геологічній історії планети (визначається палеомагнітним методом).
При інверсії північний магнітний полюс та південниймагнітний полюс міняються місцями, і стрілка компаса починає показувати протилежний напрямок. Інверсія — рідкісне явище, яке жодного разу не відбувалося за час існуванняHomo sapiens. Імовірно, останній раз воно відбулося близько 780 тисяч років тому.
Інверсії магнітного поля відбувалися через інтервали часу від десятків тисяч років до величезних проміжків спокійного магнітного поля до десятків мільйонів років, коли інверсії не відбувалися.
Таким чином, не виявлено жодноїперіодичності в зміні полюсів, і цей процес вважається стохастическим. За тривалими періодами спокійного магнітного поля можуть слідувати періоди багаторазових інверсій з різною тривалістю та навпаки. Як показують дослідження, зміна магнітних полюсів може тривати від кількох сотень до кількох сотень тисяч років.
Фахівці з Університету Джонса Хопкінса (США)припускають, що під час інверсій магнітосфера Землі слабшала настільки, що космічне випромінювання могло досягати поверхні Землі, тому це явище могло завдавати шкоди живим організмам на планеті, а чергова зміна полюсів може привести до ще більш серйозних наслідків для людства аж до глобальної катастрофи.
Наукові роботи в останні роки показали (в томучислі і в експерименті) можливість випадкових змін напрямку магнітного поля ( «перескоків») в стаціонарному турбулентному динамо. За словами завідувача лабораторією геомагнетизму Інституту фізики Землі Володимира Павлова, інверсія - досить довгий за людськими мірками процес.
Геофізики з Лідського університету Йон Маунд і Філ Лівермор вважають, що через пару тисяч років відбудеться інверсія магнітного поля Землі.
Зсув магнітних полюсів Землі
Вперше координати магнітного полюса у Північномупівкулі було визначено 1831 року, повторно — 1904 року, потім 1948 року й 1962, 1973, 1984, 1994 роках; у Південній півкулі — 1841 року, повторно — 1908 року. Усунення магнітних полюсів реєструється з 1885 року. За останні 100 років магнітний полюс у Південній півкулі перемістився майже на 900 км і вийшов у Південний океан.
Найновіші дані станом арктичногомагнітного полюса (що рухається у напрямку Східно-Сибірської світової магнітної аномалії через Північний Льодовитий океан) показали, що з 1973 по 1984 його пробіг склав 120 км, з 1984 по 1994 - більше 150 км. Хоча ці дані є розрахунковими, вони підтверджені вимірами північного магнітного полюса.
Після 1831 року, коли становище полюса було зафіксовано вперше, до 2019 року полюс змістився вже більш ніж на 2300 км у бік Сибіру і продовжує рухатися з прискоренням.
Швидкість його переміщення збільшилася з 15 км врік в 2000 році до 55 км на рік в 2019 році. Такий швидкий дрейф призводить потребувати частішого коригування навігаційних систем, що використовують магнітне поле Землі, наприклад, в компасах в смартфонах або в резервних системах навігації кораблів і літаків.
Напруженість земного магнітного поля падає,причому нерівномірно. За останні 22 роки вона зменшилася в середньому на 1,7%, а в деяких регіонах, - наприклад в південній частині Атлантичного океану, - на 10%. У деяких місцях напруженість магнітного поля, всупереч загальній тенденції, навіть зросла.
Прискорення руху полюсів (в середньому на 3км / год) і рух їх по коридорах інверсії магнітних полюсів (ці коридори дозволили виявити більше 400 палеоінверсій) дозволяє припустити, що в даному переміщенні полюсів слід вбачати НЕ екскурс, а чергову інверсію магнітного поля Землі.
Як з'явилося магнітне поле Землі?
Фахівці океанографічного інституту Скріппсаі Каліфорнійського Університету припустили, що магнітне поле планети сформувалося завдяки мантії. Американські вчені розвинули гіпотезу, запропоновану 13 років тому групою дослідників з Франції.
Відомо, що протягом тривалого часуФахівці стверджували, що саме зовнішнє ядро Землі генерувало її магнітне поле. Але потім фахівці з Франції припустили, що мантія планети завжди була твердою (з моменту свого народження).
Цей висновок і змусило вчених задуматися протому, що ні ядро могло формувати магнітне поле, а рідка частина нижньої мантії. Склад мантії є силікатна матеріал, який вважається поганим провідником.
Але так як нижня мантія мала залишатисярідкої протягом мільярдів років, рух рідини всередині неї не виробляло електричного струму, адже для генерації магнітного поля він був просто необхідний.
Сьогодні професіонали вважають, що мантія моглабути більш потужним провідником, ніж вважалося раніше. Такий висновок фахівців цілком виправдовує стан ранньої Землі. Силікатне динамо можливо тільки в тому випадку, якщо електропровідність її рідкої частини була набагато вище і мала низькі показники тиску і температури.
Читати далі
Створено першу точна карта світу. Що не так з усіма іншими?
У НАСА розповіли, як вони доставлять зразки Марса на Землю
У Росії провели випробування двигуна для орбітального літака