Магнитное поле планеты Земля

Магнитное поле планеты ЗемляМагнитное поле планеты Земля и связанные с этим полем различные явления есть предмет изучения специальной науки — геофизики. Самостоятельный раздел данной науки известен как земной магнетизм или геомагнетизм.

Как обнаруживается магнитное поле? В общем случае магнитное поле обнаруживается благодаря механическому воздействию на постоянный магнит или контур с током. Всякий свободно подвешенный магнит или контур с током, если он находится в магнитном поле, стремится стать в определенном направлении.

За единицу напряженности магнитного поля H взят эрстед (э). В некоторых случаях напряженноять поля выражают в гаммах (γ), при этом 1 γ = 10-5 Э.

Магнитное поле планеты Земля

О том, что стрелка компаса занимает в пространстве определенное положение, было известно еще в древности. Благодаря этому явлению моряки получили возможность ориентироваться в открытом море вдали от берегов. Однако, до плавания Христофора Колумба в Америку никто не проявлял особого интереса к изучению данного явления, так как ученые того времени полагали, что на стрелку влияет притяжение Полярной звезды.

Колумб же при пересечении Атлантического океана заметил, что примерно на половине пути к Америке стрелка компаса отклонилась почти на 12° к западу относительно Полярной звезды.

Естественно, это породило сомнения в правильности существующей гипотезы о притяжении стрелки Полярной звездой. С этого момента начались повсеместные измерения магнитного склонения — угла между географическим меридианом и осью магнитной стрелки, т.е. магнитным меридианом.

Христофор Колумб
Христофор Колумб

В 1510 году викарий нюрнбергской церкви Св. Зебальда Георг Гартман (1489-1564) (по «совместительству» еще и инженер, производитель инструментов, автор, печатник, астроном), открыл новое явление. Он заметил, что свободно подвешенная стрелка компаса отклоняется не только по горизонтали, но и стремится стать под некоторым углом к горизонтальной плоскости. Это явление назвали магнитным наклонением.

В 1600 году придворный врач английской королевы Елизаветы  Уильям Гильберт выдвинул гипотезу о том, что Земля это гигантский «шаровой» магнит. Правда, он ошибочно полагал, что магнитные полюсы Земли совпадают с географическими. Но основная мысль Гильберта о том, что причину земного магнетизма надо искать внутри Земли, оказалась верной.

Гаусс Карл
Карл Гаусс
 У.Гильберт
Уильям Гильберт

В 1834 году немецкий математик Карл Гаусс написал первую теоретическую работу о том, что представляет собой магнитное поле Земли. Он привел математическое выражение для составляющих напряженности как функции координат — широты и долготы места наблюдения. Эта и другие работы Гаусса стали впоследствии фундаментом, на котором построено здание современной науки о земном магнетизме.

Причины возникновения магнитного поля Земли

Причиной любого магнитного поля являются постоянные магниты и электрические токи. Причинами магнитного поля Земли должны быть либо намагниченность самой Земли, либо постоянные токи, протекающие внутри планеты при ее вращении, или же, наконец, совокупность того и другого. До сих пор природа магнитного поля Земли до конца не выяснена. А.Эйнштейн эту задачу считал одной из трех важнейших проблем физики. Несмотря на усилия сотен физиков, занимающихся этой поблемой, пока нет ни одного серьезного успеха в этой области.

Официально не подвергается сомнению, что земное магнитное поле образуется из-за динамо-эффекта в ее жидком железном ядре (считается, что на глубине 2900 км находится жидкое внешнее земное ядро с хорошей электропроводностью). В результате вращения Земли (скорость вращения точки Земли на экваторе составляет 1675 км/ч) в части ядра, состоящей из расплавленного железа, возникает тепловая и гравитационная конвекция, приводящая к системе гидродинамических течений. Конвекционные или турбулентные движения проводящей жидкости в ядре способствуют самовозбуждению магнитного поля. Этот механизм подобен генерации электрического тока и магнитного поля в динамо-машине с самовозбуждением. Т.е. земное ядро является своеобразным природным турбогенератором.

Конвекционные потоки внутри Земли
Ядро — самая горячая, самая плотная часть Земли

Но многие современные ученые считают, что теория динамо-эффекта не решает всей проблемы геомагнетизма. Кроме того возникают еще и такие вопросы: если магнитное поле на Земле обязано динамо-эффекту в жидком железном ядре, то почему магнитное поле раньше было на Марсе, Луне, Ио, Ганимеде, а потом исчезло? Почему магнитное поле обнаружено на Меркурии, а на Венере его нет? Почему магнитное поле, однотипное по своей структуре с земным, имеется на больших планетах, где, по-видимому, нет железного ядра?

Структура магнитного поля Земли

Как показывают наблюдения, магнитное поле Земли не является постоянным и однородным, с течением времени оно периодически меняется. Усредненное значение магнитного поля за достаточно длительный промежуток времени – это величина относительно устойчивая. Ее называют постоянным магнитным полем. Разность же между значениями наблюдений и среднегодовым значением принято называть переменным магнитным полем или полем вариаций, периоды которых значительно меньше года. Таким образом, магнитное поле является является суммой двух полей – постоянного и переменного. В то время как источники постоянного поля находятся внутри Земли, источниками переменного поля являются индукционные токи в верхних слоях атмосферы (от ста до нескольких тысяч километров) — ионосфере и магнитосфере, т.е. вне Земли.

Постоянное магнитное поле, в свою очередь, также состоит из нескольких частей, имеющих разную природу:

1. Нормальное или главное магнитное поле. На небольшом удалении от поверхности Земли, порядка трех ее радиусов это поле по форме равноценно полю линейного магнита, ось которого наклонена к оси вращения Земли на 11,5°. Эту область называют плазмосферой Земли. Ось воображаемого магнита называют магнитной осью Земли. Она не проходит через центр Земли, а смещена в сторону от него на 300 км по направлению к Тихому океану. Точки, в которых магнитная ось пересекает земную поверхность называются геомагнитными полюсами. Эти геомагнитные полюса не совпадают с истинными географическими полюсами — северным и южным, и смещены относительно них на 11,5°.

Магнитное поле Земли
Магнитное планеты Земля

2. Всевозможные магнитные аномалии, обусловленные как локальной намагниченностью горных пород в вехнем слое Земли, с протяженностью отдельных областей до нескольких сотен километров (к примеру — Курская), так и континентальными аномалиями. Происхождение последних связано с самим процессом возникновения земного магнитного поля. Примеры таких аномалий: Канадская, Бразильская, Восточно-Сибирская.

Переменное магнитное поле Земли (его еще называют внешним) зависит от источников токовых систем, находящимися за пределами земной поверхности и в ее атмосфере. Основными источниками таких полей является Солнце. Оно посылает к Земле огромный поток энергии, состоящий из электромагнитного излучения, ультрафиолетового, рентгеновского излучений, солнечных космических лучей и так называемого солнечного ветра — потока плазмы, состоящего, в основном из протонов (ионов водорода).

 Звезда - Солнце
Бушующее солнце

Средняя напряженность магнитного поля на поверхности Земли составляет около 0,5 Э и сильно зависит от географического положения. Напряженность магнитного поля на экваторе около 0,34 Э, у магнитных полюсов около 0,66 Э. А в некоторых районах планеты, в зоне магнитных аномалий, напряженность резко возрастает. Например, в районе Курской магнитной аномалии напряженность магнитного поля достигает 2 Э.

Хотя в целом магнитное поле Земли стабильно, со временем магнитные полюса меняют свое положение. Это происходит из-за вращения жидкого внешнего ядра. Северный и Южный магнитные полюса Земли движутся навстречу друг другу. Северный магнитный полюс смещается до 64 километров каждый год (по данным журнала National Geographic) и скорость перемещения полюсов постоянно увеличивается.

Колебания же в самом ядре могут вызвать изменение магнитного поля Земли еще более резко. Известно, что смена геомагнитных полюсов происходит примерно каждые 200 — 300 000 лет. Северный и Южный магнитные полюса Земли меняются местами. Эти «перевороты полюсов» не являются  катастрофическими — ученые не отметили реальных изменений в жизни растений или животных, ледниковой активности или извержений вулканов во время предыдущих инверсий геомагнитных полюсов. 

Магнитное поле Земли существует не только вблизи земной поверхности, но и на больших расстояниях от нее. На расстоянии примерно в 10-14 земных радиусов геомагнитное поле встречается с межпланетным магнитным полем и с солнечным ветром. На границе межпланетного магнитного поля и магнитного поля Земли напряженность поля составляет (0,4 — 0,5) ×10-2 А/м. Область околоземного космического пространства, контролируемая магнитным полем Земли, называется магнитосферой. Внешняя граница магнитосферы Земли, на которой динамическое давление солнечного ветра уравновешивается давлением собственного магнитного поля, называется магнитопаузой.

При типичных параметрах солнечного ветра магнитосфера простирается в сторону Солнца на 9-11 земных радиусов, при слабом солнечном ветре на 15-20 радиусов Земли, а при сильных магнитных бурях на 6,6 радиусов Земли. С ночной стороны магнитосфера имеет размер примерно 16 радиусов Земли. Хвост магнитосферы, имеющий еще большие размеры, образован силовыми линиями магнитного поля Земли, и вытянут под действием солнечного ветра на сотни земных радиусов от Солнца в ночную сторону Земли.

Солнечный ветер
Солнечный ветер

Изменение магнитного поля Земли

Изменение магнитного поля Земли во времени под действием различного рода факторов называются геомагнитными вариациями. Магнитные вариации делятся на возмущенные и невозмущенные. Возмущенные — внезапные изменения магнитного поля, их нельзя описать математическим законом. Они не имеют строгой амплитуды и периода. Невозмущенные — закономерные изменения магнитного поля. Они имеют строгий период и строгую амплитуду. Все вариации накладываются друг на друга.

Солнечно-суточные вариации возникают регулярно из-за наведенных токов в ионосфере Земли, вызванных изменением освещенности земной атмосферы Солнцем.

Лунно-суточные вариации связаны с положением Луны по отношению к земному горизонту. Они обусловлены гравитационным влиянием Луны на земную атмосферу. Эти вариации небольшие и составляют всего 10-15% от солнечно-суточных.

Возмущенные (нерегулярные) вариации магнитного поля возникают вследствие воздействия солнечного ветра на магнитосферу Земли, изменений внутри магнитосферы и из-за взаимодействия магнитосферы с ионосферой. К таким непериодическим вариациям относят магнитные бури. Характерная особенность таких бурь — их внезапное появление. По интенсивности магнитные бури делят на слабые, умеренные и большие. Их продолжительность составляет обычно несколько суток. Частота и сила зависят от солнечной активности.

27 дневные вариации соответствуют промежутку времени, спустя который для наблюдателя на Земле деталь поверхности Солнца повторяет своё положение (так называемый синодический период) и связаны с существованием долгоживущих активных областей на поверхности Солнца — солнечных пятен.

Сезонные вариации выявляются на основании среднемесячных данных о магнитной активности, полученных за счет обработки данных за несколько лет. Установлено, что сезонные вариации магнитной активности имеют два максимума, соответствующие периодам равноденствий, и два минимума, соответствующие периодам солнцестояний. Причиной образования этих вариаций являются активные солнечные области, группирующиеся в зонах от 10° до 30° северной и южной географических широт Солнца. Поэтому в период равноденствий, когда плоскости солнечного и земного экватора совпадают, наша планета наиболее подвержена воздействию этих активных областей на Солнце.

11-летние вариации связаны с одиннадцатилетними циклами солнечной активности. Цикл характеризуется довольно быстрым (в среднем примерно за 4 года) увеличением числа солнечных пятен, а также другими проявлениями солнечной магнитной активности, и последующим, более медленным (около 7 лет), его уменьшением.

Вековые вариации магнитного поля Земли с периодами от 10 до 10000 лет, связаны с источниками, лежащими внутри земного ядра. Изменяется как склонение и наклонение магнитного полюса, так и его напряженность. В настоящее время магнитное поле Земли убывает на 2,5% за 100 лет, по другим данным — примерно на 0,04% в год.

Радиационные пояса Земли

Радиацио́нный по́яс Земли — это область ;магнитосферы планеты, в которой накапливаются и удерживаются проникшие в магнитосферу высокоэнергичные заряженные частицы (в основном протоны и электроны). Этот пояс представляет собой тороид, в котором можно выделить две зоны:

— внутренний радиационный пояс на высоте ≈ 4000 — 12000 км, состоящий преимущественно из протонов с энергией в десятки МэВ.

— внешний радиационный пояс на высоте ≈ 17000 — 57000 км, состоящий преимущественно из электронов с энергией в десятки кэВ.

Радиационные пояса Ван Аллена вокруг Земли
Радиационный пояс Ван Аллена

Существование радиационного пояса было впервые обнаружено американским учёным Джеймсом ван Алленом в феврале 1958 года. По сути, это некие «ловушки», «зоны захвата» магнитосферы Земли, в которых удерживаются значительные потоки захваченных частиц (прежде всего, протонов и электронов).

Наличие данных радиационных поясов и их характеристики приходится учитывать при проектировании спутников, так как длительное пребывание электронной техники в таких условиях выводит ее из строя. Для экипажей космических кораблей они также опасны. Между внутренним и внешним радиационными поясами имеется щель, расположенная в интервале от 2 до 3 радиусов Земли, так называемая безопасная зона. Среди ученых нет ясности, каким образом образовалась эта безопасная зона и как там происходит процесс очищения от заряженных частиц.

При планировании американцами своей программы полетов астронавтов на Луну, приходилось учитывать, что протоны внутреннего радиационного пояса смогут серьёзно повредить здоровью астронавтов. В этой связи в 1962 году Ван Алленом было предложено «очистить» этот пояс взрывом ядерной бомбы. Взрыв произвести возле внешнего пояса, тем самым добавив частицам необходимую энергию для покидания магнитного поля Земли.

Среди серии ядерных взрывов, произведенных американцами в 1960-х годах в рамках программы по определению влияния поражающих факторов ядерного оружия на магнитное поле Земли, в июле 1962 года был произведен взрыв ядерной бомбы мощностью 1,4 Мт на высоте 400 км. Но вместо очищения внутреннего пояса, радиация только увеличилась. Взрыв повлиял и на космические аппараты. Электромагнитным импульсом были сразу выведены из строя три спутника. Появившиеся в результате взрыва заряженные частицы были захвачены магнитосферой Земли. В результате этого концентрация их в радиационном поясе Земли увеличилась на 2-3 порядка.

Советский Союз в сентябре-октябре того же 1962 года также произвел несколько ядерных испытаний 300-килотонных бомб на высотах от 29 до 150 км. Из-за этого мощность внутреннего пояса увеличилась в миллион раз. Воздействие радиации привело к быстрому выходу из строя солнечных батарей и электроники еще у семи спутников, в том числе и у первого коммерческого телекоммуникационного спутника Telstar-1. В общей сложности взрывы вывели из строя треть космических аппаратов, находившихся на низких орбитах.

Термоядерный взрыв
Взрыв водородной бомбы

Это еще раз доказывает как человечество своими необдуманными поступками само себе копает могилу. Повреждение магнитосферы, ионосферы приведет не только к гибели самого человечества, но и к вымиранию возможно всей жизни на планете.

c-sin






Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *