Поле земли это: Интересные сведения о магнитном поле Земли: Наука и техника: Lenta.ru
Интересные сведения о магнитном поле Земли: Наука и техника: Lenta.ru
В последние дни на научных информационных сайтах появилось большое количество новостей, посвященных магнитному полю Земли. Например, новость о том, что в последнее время оно существенно изменяется, или о том, что магнитное поле способствует утечке кислорода из земной атмосферы и даже про то, что вдоль линий магнитного поля ориентируются коровы на пастбищах. Что представляет собой магнитное поле и насколько важны все перечисленные новости?
Магнитное поле Земли – это область вокруг нашей планеты, где действуют магнитные силы. Вопрос о происхождении магнитного поля до сих пор окончательно не решен. Однако большинство исследователей сходятся в том, что наличием магнитного поля Земля хотя бы отчасти обязана своему ядру. Земное ядро состоит из твердой внутренней и жидкой наружной частей. Вращение Земли создает в жидком ядре постоянные течения. Как читатель может помнить из уроков физики, движение электрических зарядов приводит к появлению вокруг них магнитного поля.
Одна из самых распространенных теорий, объясняющих природу поля, — теория динамо-эффекта — предполагает, что конвективные или турбулентные движения проводящей жидкости в ядре способствуют самовозбуждению и поддержанию поля в стационарном состоянии.
Землю можно рассматривать как магнитный диполь. Его южный полюс находится на географическом Северном полюсе, а северный, соответственно, на Южном. На самом деле, географический и магнитный полюса Земли не совпадают не только по «направлению». Ось магнитного поля наклонена по отношению к оси вращения Земли на 11,6 градуса. Из-за того что разница не очень существенная, мы можем пользоваться компасом. Его стрелка точно указывает на южный магнитный полюс Земли и почти точно на Северный географический. Если бы компас был изобретен 720 тысяч лет назад, то он бы указывал и на географический и на магнитный северный полюс. Но об этом чуть ниже.
Магнитное поле защищает жителей Земли и искусственные спутники от губительного воздействия космических частиц.
К таким частицам относятся, например, ионизированные (заряженные) частицы солнечного ветра. Магнитное поле изменяет траекторию их движения, направляя частицы вдоль линий поля. Необходимость наличия магнитного поля для существования жизни сужает круг потенциально обитаемых планет (если мы исходим из предположения, что гипотетически возможные формы жизни похожи на земных обитателей).
Ученые не исключают, что часть планет земного типа не имеют металлического ядра и, соответственно, лишены магнитного поля. До сих пор считалось, что планеты, состоящие из твердых скальных пород, как и Земля, содержат три основных слоя: твердую кору, вязкую мантию и твердое или расплавленное железное ядро. В недавней работе ученые из Массачусетского технологического института предложили сразу два возможных механизма образования «скалистых» планет без ядра. Если теоретические выкладки исследователей подтвердятся наблюдениями, то формулу для расчета вероятности встретить во Вселенной гуманоидов или хотя бы что-то, напоминающее иллюстрации из учебника биологии, придется переписать.
Земляне тоже могут лишиться своей магнитной защиты. Правда, точно сказать, когда это произойдет, геофизики пока не могут. Дело в том, что магнитные полюса Земли непостоянны. Периодически они меняются местами. Не так давно исследователи установили, что Земля «помнит» о смене полюсов. Анализ таких «воспоминаний» показал, что за последние 160 миллионов лет магнитные север и юг менялись местами около 100 раз. Последний раз это событие произошло около 720 тысяч лет назад.
Смена полюсов сопровождается изменением конфигурации магнитного поля. Во время «переходного периода» на Землю проникает существенно больше космических частиц, опасных для живых организмов. Одна из гипотез, объясняющих исчезновение динозавров, утверждает, что гигантские рептилии вымерли именно во время очередной смены полюсов.
Кроме «следов» плановых мероприятий по смене полюсов исследователи заметили в магнитном поле Земли опасные подвижки. Анализ данных о его состоянии за несколько лет показал, что в последние месяцы в нем начали происходить опасные изменения.
Настолько резких «движений» поля ученые не регистрировали уже очень давно. Вызывающая беспокойства исследователей зона находится в южной части Атлантического океана. «Толщина» магнитного поля в этом районе не превышает трети от «нормальной». Исследователи давно обратили внимание на эту «прореху» в магнитном поле Земли. Собранные за 150 лет данные показывают, что за этот период поле здесь ослабло на десять процентов.
На данный момент трудно сказать, чем это грозит человечеству. Одним из последствий ослабления напряженности поля может стать увеличение (пусть и незначительное) содержания кислорода в земной атмосфере. Связь между магнитным полем Земли и этим газом была установлена с помощью системы спутников Cluster – проекта Европейского космического агентства. Ученые выяснили, что магнитное поле ускоряет ионы кислорода и «выбрасывает» их в космическое пространство.
Несмотря на то, что магнитное поле нельзя увидеть, обитатели Земли хорошо его чувствуют. Перелетные птицы, например, отыскивают дорогу, ориентируясь именно на него.
Существует несколько гипотез, объясняющих, как именно они ощущают поле. Одна из последних предполагает, что птицы воспринимают магнитное поле визуально. Особые белки – криптохромы – в глазах перелетных птиц способны менять свое положение под воздействием магнитного поля. Авторы теории считают, что криптохромы могут выполнять роль компаса.
Кроме птиц магнитное поле Земли вместо GPS используют морские черепахи. И, как показал анализ спутниковых фотографий, представленных в рамках проекта Google Earth, коровы. Изучив фотографии 8510 коров в 308 районах мира, ученые заключили, что эти животные предпочтительно ориентируют свои тела с севера на юг (или с юга на север). Причем «реперными точками» для коров служат не географические, а именно магнитные полюса Земли. Механизм восприятия коровами магнитного поля и причины именно такой реакции на него остаются неясными.
Кроме перечисленных замечательных свойств магнитное поле способствует появлению полярных сияний. Они возникают в результате резких изменений поля, происходящих в удаленных регионах поля.
Магнитное поле не обошли своим вниманием сторонники одной из «теорий заговора» – теории о лунной мистификации. Как уже упоминалось выше, магнитное поле защищает нас от космических частиц. «Собранные» частицы скапливаются в определенных частях поля – так называемых радиационных поясах Ван Алена. Скептики, не верящие в реальность высадок на Луну, считают, что во время пролета сквозь радиационные пояса астронавты получили бы смертельную дозу радиации.
Магнитное поле Земли — удивительное следствие законов физики, защитный щит, ориентир и создатель полярных сияний. Если бы не оно, жизнь на Земле, возможно, выглядела бы совсем иначе. В общем, если бы магнитного поля не было — его необходимо было бы придумать.
Магнитное поле земли и здоровье человека
Сейфулла Р.Д.
М.: ООО «Самполиграфист», 2013. 120 с.
Магнитное поле Земли в первом приближении представляет собой диполь, полюса которого располагаются рядом с полюсами планеты. Магнитное поле – разновидность электромагнитного поля, создаваемого движущимися электрическими зарядами или токами и оказывающая силовое воздействие на движущиеся заряды или токи.
Поле определяет магнитосферу, которая отклоняет частицы солнечного ветра. Они накапливаются в радиационных поясах – двух концентрических областях в форме экватора вокруг Земли. Около магнитных поясов эти частицы могут «высыпаться» в атмосферу и приводить к появлению полярных сияний. Нашу планету окружает магнитное поле, которое существует с момента её формирования. Всё, что находится на Земле подвержено действию невидимых силовых линий этого поля. Именно это обстоятельство заинтересовало нас в большей степени, так как структура и функция Земли, а также и человеческого организма тесным образом связана с наличием электрических зарядов, которые определяют все процессы, связанные с жизнедеятельностью всех организмов, находящихся на её поверхности, в воде, в почве, в воздухе. Земля обладает электрическим и магнитным полем. Вся планета имеет отрицательный заряд, а ионосфера положительный. Линии напряженности электрического поля направлены сверху (от ионосферы) вниз (к Земле). Напряженность поля порядка Е = 120 – 130 в/м.
Проведя несложные вычисления был сделан вывод, что в электромагнитном поле Земли заключена колоссальная энергия. Проблема получения энергии из магнитного поля Земли весьма актуальна для человечества. Такой приёмник — генератор был сделан ещё в 1889 году Николой Тесла, но правительство США запретило разглашать эту тайну по коммерческим соображениям. В теле человека имеется своё силовое поле, вследствие протекания крови по сосудам. В здоровом теле человека и в нормальных атмосферных условиях имеется полное соответствие и взаимодействие внешнего и внутреннего магнитных полей. Кроме того, существует магнитное поле Солнца, космических галактик и Земли, которые оказывают своё действие на поведение человека и животных (перелётных птиц, рыб, членистоногих, насекомых), которые безошибочно определяют направления движения на тысячи километров.
Оказалось, что изменение магнитного поля Земли является причиной многих заболеваний, которые лечатся другими способами, что требует особого внимания специалистов и лечащих врачей.
Так называемые магнитные бури, в которых принимают участие Солнце, солнечный ветер, а также магнитное поле Земли создают много проблем и являются причиной ненормального поведения человека, в том числе и криминального, а также тяжелейших заболеваний: инсультов мозга, инфарктов миокарда, психических расстройств, ДТП и другого криминального и суицидального поведения, о чем пойдёт речь ниже. Японский врач – исследователь Киочи Накагава обратил внимание в середине ХХ века на то, что дефицит магнитного поля Земли является причиной многочисленных заболеваний, которые он объединил общим названием синдром дефицита магнитного поля Земли . Накагава, а также другие ученые поддержали это открытие и предложили проводить коррекцию магнитного поля при его дефиците, при помощи магнитотерапии, что позволило проводить профилактику и лечение многих заболеваний при помощи компенсации недостающего магнитного поля. Это касается, прежде всего, сердечно-сосудистой системы, которая занимает в настоящее время первое место среди других заболеваний.
Дело в том, что каждая молекула в магнитном поле вытягивается и поляризуется. Один её конец становится северным магнитным полюсом, а другой — южным. В таком виде каждая молекула легче вступает в электрохимические реакции и в организме идёт правильный обмен веществ. Резкое усиление магнитного поля при магнитной буре или геомагнитной зоне всегда отрицательно сказывается на самочувствии человека. Однако, отсутствие или ослабление магнитного поля является для организма критической ситуацией. Дополнительным фактором риска является электромагнитный смог (создаваемый компьютерными дисплеями, электробытовыми приборами, TV и другими) уменьшают воздействие на наш организм геомагнитного поля Земли. У вернувшихся из космического полёта космонавтов обнаруживали остеопороз, тяжелую депрессию и другие патологические состояния. Важной составляющей для нормализации физиологических функций является восстановление полярности клеток и активизация работы ферментных систем, а также улучшения кровообращения.
Автор в течение 33 лет занимается проблемами спортивной фармакологии со спортсменами высшей квалификации, что требует нестандартных, недопинговых подходов (к подготовке спортсменов экстра — класса) особенно восстановления. Поэтому нас заинтересовала, в своё время, проблема дефицита магнитного поля Земли и соответствующие меры её коррекции для того, чтобы повысить работоспособность физически одарённых спортсменов без применения искусственных стимуляторов. Автор не ставил перед собой задачи процитировать всех авторов, которые занимались проблемами магнитного поля Земли, так как их существует многие тысячи как в нашей стране, так и за рубежом, а попытался продемонстрировать основные тенденции этой проблемы, касающихся здоровья человека.
Издание носит научно-популярный характер. В космосе постоянно работают и накапливают необходимый опыт для межпланетных полётов коллективы отечественных и зарубежных ученых исследователей для перспективы создания постоянно действующих обитаемых станций с человеком и разработки полезных ископаемых.
Часть I.
Природа магнитного поля Земли и влияние его на человека
Глава 1. Вселенная и строение солнечной системы
Глава 2. Солнечная система во вселенной
Глава 3. Напряженность магнитного поля Земли
Глава 4. Позитивные свойства магнитного поля Земли
Глава 5. Роль магнитного поля в жизнедеятельности человека
Глава 6. Атмосфера Земли
Глава 7. Влияние магнитных бурь на организм человека
Часть II.
Электрические и магнитные свойства при передаче нервного импульса
Глава 8. Поляризация мембраны живой клетке
Глава 9. Живые ткани как источник энергетических потенциалов
Глава 10. Синдром дефицита магнитного поля Земли
Глава 11. Коррекция магнитного поля спортсменов при помощи магнитотерапии
Глава 12. Естественный баланс дефицита магнитного поля Земли
Глава 13. Влияние магнитного поля Земли на космонавтов
Глава 14. Биоэлектрические явления (при эпилепсии) в процессах передачи информации в организме
Глава 15.
Патофизиологические причины эпилепсии
Глава 16. Межнейронные связи при передаче информации в организме
Глава 17. Необходимые условия для нормальной работы ЦНС
Глава 18. Профилактическое действие магнитотерапии при дефиците магнитного поля
Глава 19. О пользе магнитов при дефиците магнитного поля Земли
Глава 20. Перспективы развития цивилизаций
Что такое магнитное поле Земли
Магнитное поле Земли или геомагнитное поле — магнитное поле, генерируемое внутриземными источниками. Предмет изучения геомагнетизма. Появилось 4,2 млрд лет назад
Магнитное поле Земли похоже на магнитное поле гигантского постоянного магнита, наклоненного на угол в 11 градусов к оси ее вращения. Но здесь существует нюанс, суть которого заключается в том, что температура Кюри для железа составляет всего 770°C, тогда как температура железного ядра Земли значительно выше, и только на его поверхности составляет порядка 6000°C. При такой температуре наш магнит никак не сумел бы удержать свою намагниченность.
Значит, поскольку ядро нашей планеты не магнитное, земной магнетизм имеет иную природу. Итак, откуда же берется магнитное поле Земли?
Как известно, магнитные поля окружают собой электрические токи, поэтому есть все основания предполагать, что циркулирующие в расплавленном металлическом ядре токи — это и есть источник земного магнитного поля. Форма магнитного поля Земли действительно подобна магнитному полю витка с током.
Величина измеренного на поверхности Земли магнитного поля — около половины Гаусса, при этом силовые линии как-бы выходят из планеты со стороны южного полюса и входят в ее северный полюс. При этом по всей поверхности планеты магнитная индукция изменяется от 0,3 до 0,6 Гаусс.
Практически наличие у Земли магнитного поля объясняется динамо-эффектом, возникающим от циркулирующего в ее ядре тока, но это магнитное поле не является всегда постоянным по направлению. Образцы скальных пород, взятые в одних и тех же местах, но имеющие различный возраст, отличаются направлением намагниченности.
Хотя детально динамо-эффект не изучен, вращение Земли определенно играет важную роль в генерации токов, которые, как предполагается, являются источником магнитного поля Земли.
Зонд «Mariner 2», исследовавший Венеру, обнаружил, что у Венеры такого магнитного поля нет, хотя в ее ядре, как и в ядре Земли, содержится достаточно железа.
Разгадка состоит в том, что период вращения Венеры вокруг своей оси равен 243 дням на Земле, то есть динамо-генератор Венеры вращается в 243 раза медленнее, а этого не достаточно чтобы произвести реальный динамо-эффект.
Взаимодействуя с частичками солнечного ветра, магнитное поле Земли порождает условия для возникновения вблизи полюсов так называемых полярных сияний.
Северная сторона стрелки компаса — это магнитный северный полюс, который всегда ориентируется по направлению к географическому северному полюсу, практически являющемуся магнитным южным полюсом.
Ведь, как известно, противоположные магнитные полюса взаимно притягиваются.
Тем не менее, простой вопрос: «как Земля получает свое магнитное поле?» — до сих пор не имеет однозначного ответа. Понятно, что генерация магнитного поля связана с вращением планеты вокруг своей оси, ибо Венера с подобным составом ядра, но вращающимся в 243 раза медленнее, не имеет измеримого магнитного поля.
Кажется правдоподобным, что от вращения жидкости металлического ядра, составляющей основную долю этого ядра, возникает картина вращающегося проводника, создающего динамо-эффект и работающего подобно электрическому генератору.
Конвекция в жидкости наружной части ядра приводит к ее циркуляции по отношению к Земле. Это значит, что электропроводящий материал перемещается относительно магнитного поля. Если он оказывается заряжен благодаря трению между слоями в ядре, то вполне возможен эффект витка с током. Такой ток вполне в состоянии поддерживать магнитное поле Земли. Масштабные компьютерные модели подтверждают реальность данной теории.
В 50-е годы, в рамках стратегии «холодной войны», суда ВМС США буксировали чувствительные магнитометры по дну океана, в то время они искали способ обнаружения советских подводных лодок. В ходе наблюдений выяснилось, что магнитное поле Земли колеблется в пределах 10% по отношению к магнетизму непосредственно пород морского дна, имевших противоположное направление намагниченности. Получилась картина разворотов, происходивших до 4 миллионов лет назад, это было подсчитано калий-аргоновым археологическим методом.
Ранее ЭлектроВести писали, что страны мира в 2018 году исчерпали объем возобновляемых ресурсов, который планета может воспроизвести за год, уже к 1 августа — быстрее, чем когда-либо ранее, говорится в сообщении Всемирного фонда дикой природы (WWF).
По материалам: electrik.info.
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ | Энциклопедия Кругосвет
Содержание статьиМАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ. Большинство планет Солнечной системы в той или иной степени обладают магнитными полями.
По убыванию дипольного магнитного момента на первом месте Юпитер и Сатурн, а за ними следуют Земля, Меркурий и Марс, причем по отношению к магнитному моменту Земли значение их моментов составляет 20 000, 500, 1, 3/5000 3/10000. Дипольный магнитный момент Земли на 1970 составлял 7,98·10
Специальный раздел геофизики, изучающий происхождение и природу магнитного поля Земли называется геомагнетизмом. Геомагнетизм рассматривает проблемы возникновения и эволюции основной, постоянной составляющей
Важной задачей является изучение закономерностей вариаций геомагнитного поля, поскольку они обусловлены внешними воздействиями, связанными в первую очередь с солнечной активностью. Происхождение магнитного поля.
Наблюдаемые свойства магнитного поля Земли согласуются с представлением о его возникновении благодаря механизму гидромагнитного динамо. В этом процессе первоначальное магнитное поле усиливается в результате движений (обычно конвективных или турбулентных) электропроводящего вещества в жидком ядре планеты или в плазме звезды. При температуре вещества в несколько тысяч К его проводимость достаточно высока, чтобы конвективные движения, происходящие даже в слабо намагниченной среде, могли возбуждать изменяющиеся электрические токи, способные, в соответствии с законами электромагнитной индукции, создавать новые магнитные поля. Затухание этих полей либо создает тепловую энергию (по закону Джоуля), либо приводит к возникновению новых магнитных полей. В зависимости от характера движений эти поля могут либо ослаблять, либо усиливать исходные поля.
Динамо-эффект – самовозбуждение и поддержание в стационарном состоянии магнитных полей вследствие движения проводящей жидкости или газовой плазмы. Его механизм подобен генерации электрического тока и магнитного поля в динамо-машине с самовозбуждением. С динамо-эффектом связывают происхождение собственных магнитных полей Солнца Земли и планет, а также их локальные поля, например, поля пятен и активных областей.
Составляющие геомагнитного поля.
Собственное магнитное поле Земли (геомагнитное поле) можно разделить на cледующие три основные части.
1. Основное магнитное поле Земли, испытывающее медленные изменения во времени (вековые вариации) с периодами от 10 до 10 000 лет, сосредоточенными в интервалах 10–20, 60–100, 600–1200 и 8000 лет. Последний связан с изменением дипольного магнитного момента в 1,5–2 раза.
2. Мировые аномалии – отклонения от эквивалентного диполя до 20% напряженности отдельных областей с характерными размерами до10 000 км. Эти аномальные поля испытывают вековые вариации, приводящие к изменениям со временем в течение многих лет и столетий. Примеры аномалий: Бразильская, Канадская, Сибирская, Курская. В ходе вековых вариаций мировые аномалии смещаются, распадаются и возникают вновь. На низких широтах имеется западный дрейф по долготе со скоростью 0,2° в год.
3. Магнитные поля локальных областей внешних оболочек с протяженностью от нескольких до сотен км. Они обусловлены намагниченностью горных пород в верхнем слое Земли, слагающих земную кору и расположенных близко к поверхности.
Одна из наиболее мощных – Курская магнитная аномалия.
4. Переменное магнитное поле Земли (так же называемое внешним) определяется источниками в виде токовых систем, находящимися за пределами земной поверхности и в ее атмосфере. Основными источниками таких полей и их изменений являются корпускулярные потоки замагниченной плазмы, приходящие от Солнца вместе с солнечным ветром, и формирующие структуру и форму земной магнитосферы.
Структура магнитного поля земной атмосферы.
Земное магнитное поле находится под воздействием потока намагниченной солнечной плазмы. В результате взаимодействия с полем Земли образуется внешняя граница околоземного магнитного поля, называемая магнитопаузой. Она ограничивает земную магнитосферу. Из-за воздействия солнечных корпускулярных потоков размеры и форма магнитосферы постоянно меняются, и возникает переменное магнитное поле, определяемое внешними источниками. Его переменность обязана своим происхождением токовым системам, развивающимся на различных высотах от нижних слоев ионосферы до магнитопаузы.
Изменения магнитного поля Земли во времени, вызванные различными причинами, называются геомагнитными вариациями, которые различаются как по своей длительности, так и по локализации на Земле и в ее атмосфере.
Магнитосфера – область околоземного космического пространства, контролируемая магнитным полем Земли. Магнитосфера формируется в результате взаимодействия солнечного ветра с плазмой верхних слоев атмосферы и магнитным полем Земли. По форме магнитосфера представляет собой каверну и длинный хвост, которые повторяют форму магнитных силовых линий. Подсолнечная точка в среднем находится на расстоянии 10 земных радиусов, а хвост магнитосферы простирается за орбиту Луны. Топология магнитосферы определяется областями вторжения солнечной плазмы внутрь магнитосферы и характером токовых систем.
Хвост магнитосферы образован силовыми линиями магнитного поля Земли, выходящими из полярных областей и вытянутых под действием солнечного ветра на сотни земных радиусов от Солнца в ночную сторону Земли. В итоге плазма солнечного ветра и солнечных корпускулярных потоков как бы обтекают земную магнитосферу, придавая ей своеобразную хвостатую форму. В хвосте магнитосферы, на больших расстояниях от Земли, напряженность магнитного поля Земли, а следовательно и их защитные свойства, ослабляются, и некоторые частицы солнечной плазмы получают возможность проникнуть и попасть во внутрь земной магнитосферы и магнитных ловушек радиационных поясов. Проникая в головную часть магнитосферы в область овалов полярных сияний под действием изменяющегося давления солнечного ветра и межпланетного поля, хвост служит местом формирования потоков высыпающихся частиц, вызывающих полярные сияния и авроральные токи. Магнитосфера отделена от межпланетного пространства магнитопаузой. Вдоль магнитопаузы частицы корпускулярных потоков обтекают магнитосферу. Влияние солнечного ветра на земное магнитное поле иногда бывает очень сильным. Магнитопауза – внешняя граница магнитосферы Земли (или планеты), на которой динамическое давление солнечного ветра уравновешивается давлением собственного магнитного поля. При типичных параметрах солнечного ветра подсолнечная точка удалена от центра Земли на 9–11 земных радиусов. В период магнитных возмущений на Земле магнитопауза может заходить за геостационарную орбиту (6,6 радиусов Земли). При слабом солнечном ветре подсолнечная точка находится на расстоянии 15–20 радиусов Земли.
Солнечный ветер –
истечение плазмы солнечной короны в межпланетное пространство. На уровне орбиты Земли средняя скорость частиц солнечного ветра (протонов и электронов) около 400 км/с, число частиц – несколько десятков в 1 см3.
Магнитная буря.
Локальные характеристики магнитного поля изменяются и колеблются иногда в течение многих часов, а потом восстанавливаются до прежнего уровня. Это явление называется магнитной бурей. Магнитные бури часто начинаются внезапно и одновременно по всему земному шару.
Геомагнитные вариации.
Изменение магнитного поля Земли во времени под действием различных факторов называются геомагнитными вариациями. Разность между наблюдаемой величиной напряженности магнитного поля и средним ее значением за какой-либо длительный промежуток времени, например, месяц или год, называется геомагнитной вариацией. Согласно наблюдениям, геомагнитные вариации непрерывно изменяются во времени, причем такие изменения часто носят периодический характер.
Cуточные вариации. Cуточные вариации геомагнитного поля возникают регулярно в основном за счет токов в ионосфере Земли, вызванных изменениями освещенности земной ионосферы Солнцем в течение суток.
Нерегулярные вариации. Нерегулярные вариации магнитного поля возникают вследствие воздействия потока солнечной плазмы (солнечного ветра) на магнитосферу Земли, а так же изменений внутри магнитосферы и взаимодействия магнитосферы с ионосферой.
27-дневные вариации. 27-дневные вариации существуют как тенденция к повторению увеличения геомагнитной активности через каждые 27 дней, соответствующих периоду вращения Солнца относительно земного наблюдателя. Эта закономерность связана с существованием долгоживущих активных областей на Солнце, наблюдаемых в течении нескольких оборотов Солнца. Эта закономерность проявляется в виде 27-дневной повторяемости магнитной активности и магнитных бурь.
Сезонные вариации. Сезонные вариации магнитной активности уверенно выявляются на основании среднемесячных данных о магнитной активности, полученных путем обработки наблюдений за несколько лет. Их амплитуда увеличивается с ростом общей магнитной активности. Найдено, что сезонные вариации магнитной активности имеют два максимума, соответствующие периодам равноденствий, и два минимума, соответствующие периодам солнцестояний. Причиной этих вариаций является образование активных областей на Солнце, которые группируются в зонах от 10 до 30° северной и южной гелиографических широт. Поэтому в периоды равноденствий, когда плоскости земного и солнечного экваторов совпадают, Земля наиболее подвержена действию активных областей на Солнце.
11-летние вариации. Наиболее ярко связь между солнечной активностью и магнитной активностью проявляется при сопоставлении длинных рядов наблюдений, кратных 11 летним периодам солнечной активности. Наиболее известной мерой солнечной активности является число солнечных пятен. Найдено, что в годы максимального количества солнечных пятен магнитная активность также достигает наибольшей величины, однако возрастание магнитной активности несколько запаздывает по отношению к росту солнечной, так что в среднем это запаздывание составляет один год.
Вековые вариации – медленные вариации элементов земного магнетизма с периодами от нескольких лет и более. В отличии от суточных, сезонных, и других вариаций внешнего происхождения, вековые вариации связаны с источниками, лежащими внутри земного ядра. Амплитуда вековых вариаций достигает десятков нТл/год, изменения среднегодовых значений таких элементов, названы вековым ходом. Изолинии вековых вариаций концентрируются вокруг нескольких точек – центры или фокусы векового хода, в этих центрах величина векового хода достигает максимальных значений.
Радиационные пояса и космические лучи.
Радиационные пояса Земли – две области ближайшего околоземного космического пространства, которые в виде замкнутых магнитных ловушек окружают Землю.
В них сосредоточены огромные потоки протонов и электронов, захваченных дипольным магнитным полем Земли. Магнитное поле Земли оказывает сильное влияние на электрически заряженные частицы, движущиеся в околоземном космическом пространстве. Есть два основных источника возникновения этих частиц: космические лучи, т.е. энергичные (от 1 до12 ГэВ) электроны, протоны и ядра тяжелых элементов, приходящие с почти световыми скоростями, главным образом, из других частей Галактики. И корпускулярные потоки менее энергичных заряженных частиц (105–106 эВ), выброшенных Солнцем. В магнитном поле электрические частицы движутся по спирали; траектория частицы как бы навивается на цилиндр, по оси которого проходит силовая линия. Радиус этого воображаемого цилиндра зависит от напряженности поля и энергии частицы. Чем больше энергия частицы, тем при данной напряженности поля радиус (он называется ларморовским) больше. Если ларморовский радиус много меньше, чем радиус Земли, частица не достигает ее поверхности, а захватывается магнитным полем Земли. Если ларморовский радиус много больше, чем радиус Земли, частица движется так, как будто бы магнитного поля нет, частицы проникают сквозь магнитное поле Земли в экваториальных районах, если их энергия больше 109 эв. Такие частицы вторгаются в атмосферу и вызывают при столкновении с ее атомами ядерные превращения, которые дают определенные количества вторичных космических лучей. Эти вторичные космические лучи уже регистрируются на поверхности Земли. Для исследования космических лучей в их первоначальной форме (первичных космических лучей) аппаратуру поднимают на ракетах и искусственных спутниках Земли. Примерно 99% энергичных частиц, «пробивающих» магнитный экран Земли, являются космическими лучами галактического происхождения и лишь около 1% образуется на Солнце. Магнитное поле Земли удерживает огромное число энергичных частиц, как электронов, так и протонов. Их энергия и концентрация зависят от расстояния до Земли и геомагнитной широты. Частицы заполняют как бы огромные кольца или пояса, охватывающие Землю вокруг геомагнитного экватора.
Эдвард Кононович
Угрожает ли человечеству аномальная вмятина в магнитном поле Земли?
Ученые заметили, что аномальная «дыра» в магнитном поле Земли понемногу растет и двигается. Ее изучением занимаются специалисты NASA. Исследователи отмечают, что аномалия мешает работе спутников. Стоит ли бояться ослабления магнитного поля Земли и могут ли из-за этого поменяться местами север и юг – разбирался обозреватель Николай Гринько.
Фото: depositphotos/Petrovich99
Возможно, вы будете удивлены, но магнитное поле Земли необходимо нам не только для того, чтобы стрелка компаса показывала на север. Скорее, наоборот: ориентация на географические полюса Земли – это побочное (и даже случайное) явление.
На самом деле магнитное поле – это едва ли не главнейшая причина того, что на нашей планете вообще возможна жизнь. Дело в том, что магнитосфера, окружающая земной шар, представляет собой настоящую ловушку для протонов и нейтронов и по этой причине не подпускает к Земле потоки космических частиц.
Магнитное поле защищает нас от космической (в первую очередь солнечной) радиации.
В том, насколько это важно, можно убедиться на примере Марса. По мнению ученых, у Красной планеты когда-то было довольно сильное магнитное поле, но со временем угасло – сегодня оно примерно в 500 раз слабее земного. Защиты от ионизирующего излучения не стало, и в результате космический ветер просто-напросто «сдул» с Марса большую часть его атмосферы. Именно поэтому на планете нет жидкой воды: из-за низкого атмосферного давления она может присутствовать там только в виде льда или газа.
При этом марсианский радиационный фон в 13 раз выше, чем на Земле, и это притом, что орбита Марса пролегает почти на 100 миллионов километров дальше от Солнца, чем земная. Итог: если на Марсе когда-то и была жизнь, то отсутствие магнитного поля уничтожило ее.
Но вернемся на Землю. Источник нашего магнитного поля находится глубоко под поверхностью планеты – это жидкое внешнее ядро Земли, состоящее в основном из расплавленных железа и никеля. Его толщина около 2 000 километров, а постоянное движение жидких металлов и генерирует магнитное поле – сильное и достаточно равномерное. Но над ядром, в земной коре часто встречаются месторождения магнитных пород, которые экранируют, снижают или усиливают основное поле. В результате этого в таких местах образуются магнитные аномалии – тоже довольно стабильные.
Но над Южной Америкой и южной частью Атлантического океана ученые обнаружили в поле необычно слабое место, которое назвали Южно-Атлантической аномалией (или SAA). От прочих оно отличается тем, что постоянно (пусть и очень медленно) перемещается. На основании этих данных исследователи сделали вывод, что аномалия вызвана не магнитными породами, а процессами, происходящими в жидком ядре планеты. В районе SAA напряженность магнитного поля ниже обычного; ученые называют это вмятиной.
В результате защита от космических частиц тут снижена и солнечная радиация легче достигает поверхности Земли.
Пока аномалия не оказывает заметного влияния на жизненные процессы, но небольшое повышение уровня излучения мешает спутникам – именно поэтому за изучение «вмятины» взялись специалисты космического агентства NASA. Дело в том, что многие космические аппараты (включая даже МКС) при движении по орбитам проходят через Южно-Атлантическую аномалию и в этот момент подвергаются усиленной бомбардировке заряженными частицами.
Несмотря на то что вероятность сбоя при попадании частицы в какой-нибудь электронный компонент ничтожно мала, при прохождении через SAA все же приходится на всякий случай отключать некоторые системы (чаще всего – второстепенные). Но, например, космический телескоп «Хаббл» в этом районе отключается полностью: его тонкие инструменты вообще не способны работать при таком уровне излучения.
Общий тон научных публикаций по этому поводу таков: аномалия довольно неплохо изучена, меры предосторожности принимаются, заметного влияния на поверхность нет, волноваться не о чем. Звучит обнадеживающе. Хотя…
Читайте также
Гонка за полюсом – Огонек № 6 (5551) от 18.02.2019
В Северном полушарии разворачивается научный детектив: от канадской Арктики к Сибири с невиданной скоростью движется Северный магнитный полюс. Почему так быстро? И в чем причины этого движения? Ученые высказывают версии.
Кирилл Журенков
Официальный информационный повод «пришел» в первых числах февраля: эксперты раньше срока обновили так называемую Мировую магнитную модель (WMM), описывающую основные параметры магнитного поля Земли. За сложной формулировкой — напряженная интрига: оказывается, это было сделано потому, что Северный магнитный полюс движется и за последнее время сильно ускорился! Например, прямо сейчас он близок к географическому Северному полюсу, а там уж и до Сибири рукой подать. Эффектные заголовки о том, что магнитный полюс «сбежал» от Канады к России, уже появились в ведущих мировых СМИ. Однако геополитика тут ни при чем: ученые в поисках ответов пытаются заглянуть под поверхность Земли, где происходят загадочные процессы. Попробуем разобраться.
Сначала — о самом Северном магнитном полюсе. Это некая условная точка, на которую указывает стрелка любого компаса, а интрига в том, что он находится в постоянном движении.
Впервые необычный дрейф заметил еще английский математик Генри Геллибранд 400 лет назад.
— Это было большим монументальным открытием: полюс не статичен, он находится в динамике,— цитирует The New York Times геофизика из Швейцарской высшей технической школы Цюриха Эндрю Джексона. Впрочем, сейчас речь о другом. Как отмечает газета, полюс не просто движется — он движется так, что ученые не могут это предсказать. Занятный факт: за пару столетий магнитный север перебывал на многих островах арктического архипелага и, наконец, двинулся в сторону Сибири.
Чем нынешняя ситуация принципиально отличается от того, что было, скажем, полвека назад? Очень просто: скорость движения полюса резко возросла. Судите сами: в течение XX века она составляла примерно 10 км в год, однако с 1980-х выросла до 55 км. А важно это потому, что магнитный полюс увязан с навигацией. «Огонек» обратился за разъяснениями в Институт физики Земли РАН.
— Для навигации необходимо знать значение «местного склонения» в каждой конкретной точке на Земле или над ней,— поясняют в институте.— Магнитное склонение — это угол между направлением на Северный географический полюс и направлением на Северный магнитный полюс (именно на него указывает магнитная стрелка компаса). Магнитное склонение, таким образом, используется как поправка к показаниям компаса. Если ее не учесть, то путешественник прибудет не туда, куда надо. Величина магнитного склонения варьируется тем больше, чем ближе мы находимся к магнитным полюсам Земли. Поскольку инструментально измерить магнитное склонение в каждой точке земной поверхности невозможно, то основные параметры магнитного поля Земли можно определить по заранее вычисленной модели магнитного поля, одной из которых и является модель WMM.
Вот факт: модель WMM сегодня используется во всех устройствах, оснащенных компасом (от GPS-навигаторов до смартфонов), то есть точные измерения важны, к примеру, для военных или гражданской авиации. Но сложность в том, что оба магнитных полюса, и Северный, и Южный, находятся в постоянном движении: соответственно в каждой точке меняется и магнитное склонение, а значит, и модель WMM надо постоянно обновлять. Обычно это делают раз в пять лет, но в этот раз, в связи с ускорением полюса, 2020 года не дождались.
Можно ли заметить сдвиг «невооруженным глазом»? Вопрос в том, где именно вы находитесь. Условно говоря, на Северном полюсе вы, использую «старую» модель, рискуете промахнуться с пунктом назначения, а в Москве разница заметна не будет. И все же она важна: как сообщалось, в некоторых аэропортах мира даже приходится «переименовывать» полосы, это сделали, например, в Фэрбенксе, на Аляске, еще в 2009-м (большие белые цифры на краю взлетно-посадочной полосы как раз указывают на магнитный курс полосы). Эксперты, впрочем, отмечают: катастрофы нет, ведь саму модель вовремя обновили и теперь промахнуться никто не должен. А для россиян и вовсе предусмотрен бонус: мы станем чаще наблюдать северное сияние, ведь оно возникает в стратосфере как раз вблизи магнитного полюса.
Ученые, в свою очередь, озабочены другим: они пытаются понять, почему движение магнитного полюса вдруг ускорилось.
Ну, например, одна из версий, изложенная в авторитетном научном журнале Nature, гласит: столь быстрое движение полюса может быть связано с высокоскоростным потоком расплавленного железа — как раз под Канадой. По предположению ученых из Лидсского университета (Великобритания), этот поток, похоже, «размазывает» и ослабляет магнитное поле под Канадой, вот полюс и перетягивает к Сибири, где находится еще одна большая магнитная область. При этом большинство ученых сходятся в главном: подземная жизнь Земли (особенно в связке с магнитным полем планеты) для нас во многом еще загадка.
Однако, пожалуй, самое драматичное, что связано с этим дрейфом,— в другом. Оказывается, движение магнитных полюсов может быть началом так называемой инверсии магнитного поля планеты, когда ее полюса просто поменяются местами.
Тут надо пояснить. Вообще-то смена полярности магнитного поля Земли — редкое явление. Она может не меняться, скажем, миллионы лет, но бывало и так, что этот срок значительно сокращался — до десятков тысяч. В среднем, как подсчитали ученые, за последнее время инверсии случались примерно каждые 200–250 тысяч лет. Но именно сейчас пауза затянулась: инверсии не было уже 780 тысяч лет… Не пора ли? Специалисты предупреждают: при инверсии уменьшается защита планеты от космической радиации, так что повод для беспокойства все-таки есть. Конечно, ничего апокалиптического случиться не должно, ведь предыдущие инверсии не убили живые организмы на Земле. Однако вопрос о том, как на нее может отреагировать, к примеру, наша техника, открыт и актуален.
Как актуален и другой вопрос: возможно, это никакая не инверсия, а всего лишь временные колебания? Впрочем, даже в этом вопросе единства у ученых пока что не наблюдается.
Экспертиза
Ждем и следим
Роман Веселовский, замдиректора Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, доктор геолого-минералогических наук
Причины движения Северного магнитного полюса кроются в механизме генерации магнитного поля нашей планеты, или геодинамо. Магнитное геодинамо «работает» во внешнем жидком ядре Земли на глубине от 2900 до 5150 км. Оно имеет сложный механизм, и мы вряд ли когда-то сможем познать его полностью. И все же кое-что нам известно: главными условиями возникновения магнитного поля Земли является ее быстрое вращение вокруг своей оси и источник тепла в ее ядре. Существуют разные математические и даже физические модели геодинамо, но они лишь позволяют имитировать основные особенности поведения геомагнитного поля. Предсказывать его мы, к сожалению, не умеем.
Впрочем, могу успокоить: если перемещение полюса вовремя обнаруживать и учитывать в моделях магнитного поля (WMM, IGRF), проблем быть не должно. Что, собственно, и сделали в начале 2019-го: WMM была досрочно обновлена в той ее части, которая относится к приполярным областям (при смещении полюса именно там погрешность навигационных приборов будет максимальной). Дело, правда, не только в навигации. Магнитное поле защищает нас от космического излучения, и его ослабление на порядки может привести к воздействию повышенной радиации на биосферу Земли. А это уже серьезно.
Возможно ли, что нынешнее движение Северного магнитного полюса связано с будущей инверсией (когда Северный и Южный магнитные полюса Земли меняются местами.— «О»)? Да, это возможно. Но вероятность того, что инверсия будет и что ее не будет — одинакова. Как я уже говорил, предсказывать поведение геомагнитного поля мы не можем. Однако архео- и палеомагнитологи, то есть ученые, изучающие поведение и структуру магнитного поля Земли в прошлом, давно обнаружили: перед инверсией напряженность геомагнитного поля значительно уменьшается (поле практически «выключается»), а амплитуда и скорость перемещения магнитных полюсов возрастают. Так вот в последние десятилетия мы действительно наблюдаем эти «признаки инверсии».
Согласно современным представлениям, процесс инверсии магнитного поля Земли может длиться от 200 до 8000 лет.
Так что теперь нужно последить за происходящим еще полвека, а то и пару веков. И уж потом определить, будет она или нет. Словом, ждем и следим.
А заодно ведем изыскания в области геомагнетизма, сегодня они в первую очередь направлены на понимание механизма генерации магнитного поля Земли. Когда у нашей планеты возникло магнитное поле? Почему оно возникло? Каким оно было миллионы и миллиарды лет назад? Для этого ведутся активные палеомагнитные и археомагнитные исследования «ископаемого магнетизма» — изучение магнитных минералов, которые во время формирования породы «сохраняют» величину и направление магнитного поля Земли на тот момент времени. Полученные данные используются для совершенствования математических моделей магнитного геодинамо, а эти модели, в свою очередь, позволяют лучше и точнее изучить эволюцию магнитного поля Земли в прошлом. Возможно, когда-нибудь это позволит нам заглянуть и в его будущее.
Спецпроект «Огонька» о передовых достижениях физики
Читать далее
Анализ сталагмитов указал на ускоренный переворот магнитного поля Земли
Сталагмиты в пещере Саньсин
Proceedings of the National Academy of Sciences
Геологи обнаружили, что сильные изменения полярности магнитного поля Земли могут происходить за очень короткий срок — всего полтора века достаточно для разворота полюсов более чем на 100 градусов. К такому выводу ученые пришли в результате радиоизотопного и палеомагнитного анализа сталагмитов возрастом около 100 тысяч лет, найденных в одной из пещер в южном Китае. Кроме того, такой быстрый переход может стать началом длительного периода геодинамической аномалии, при которой магнитное поле Земли в течение тысячелетия довольно часто и быстро меняет свое направление, пишут ученые в Proceedings of the National Academy of Sciences.
В начале XX века геологи обнаружили, что южный и северный магнитные полюса Земли в течение жизни нашей планеты неоднократно менялись местами. Процесс смены полюсов имеет стохастическую природу и поэтому не имеет выраженного периода — между двумя последовательными сменами положений может происходить как несколько десятков тысячелетий, так и несколько миллионов лет. При этом за время жизни на Земле человека подобная инверсия не происходила ни разу.
Считается, что последний из таких переворотов произошел около 773 тысяч лет назад, однако после этого многократно происходили так называемые «геомагнитные экскурсы» — периоды нестабильности магнитного поля, при которых направление магнитного поля временно поворачивается на угол от 60 до 180 градусов, после чего довольно быстро возвращается в исходное положение. Напряженность поля во время таких событий в отдельных областях может снижаться практически до нуля. Так же, как и при полной инверсии магнитного поля, эти периоды нестабильности связывают с турбулентными процессами, происходящими в жидко-металлической оболочке земного ядра, однако однозначного объяснения для этого эффекта пока не предложено.
Чтобы более детально изучить те процессы, которые происходят во время такого геомагнитного экскурса, геологи из Тайваня, Китая и Австралии под руководством Чуань-Чоу Шэня (Chuan-Chou Shen) из Национального университета Тайваня предложили исследовать сталагмиты из пещеры Саньсин в южном Китае.
Расположение пещеры Саньсин, в которой собирались образцы сталагмитов для палеомагнитного исследования, и фотографии двух исследованных сталагмитов
Yu-Min Chou et al./ Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018
Анализ содержания изотопов урана и тория в сталагмитах позволил датировать образцы с точностью до 10 лет: оказалось, что возраст пород составляет от 91 до 107 тысяч лет. Дальнейшие палеомагнитные исследования показали, что в течение этого интервала на Земле наблюдалось довольно большое количество магнитодинамических аномалий, у которых сильно варьировались длительность и частота. Амплитуда разворота магнитного поля в течение этого периода иногда превышала 100 градусов, при этом у этих вращений наблюдалась выраженная асимметрия — относительно нормального направления полярность в Восточном полушарии поворачивалась преимущественно на юг и на восток.Оказалось, что если в период от 92 до 98 тысяч лет назад некоторые периоды аномалий растягивалась на тысячелетия, то 103–106 тысяч лет назад длительность геомагнитных экскурсов была несколько меньше — несколько веков. Также ученым удалось измерить длительность разворота магнитного поля. Оказалось, что для разворота на сотню градусов магнитному полю Земли хватило всего около 144 лет — это значительно меньше того времени, который ученые ранее считали достаточным для такого процесса.
Наклон магнитной оси Земли в период от 99 до 96 тысяч лет назад (слева) и схема максимального смещения магнитного полюса планеты за этот период (справа)
Yu-Min Chou et al./ Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018
По словам геологов, полученные ими данные впервые позволили с такой точностью оценить временные характеристики геомагнитных экскурсов с резким изменением полярности магнитного поля Земли. Авторы работы отмечают, что в периоды подобных аномалий всегда ослабляется магнитное поле планеты, из-за чего космическое излучение может проникать глубже в атмосферу. Результаты работы показали, что смена магнитной полярности может произойти очень быстро, и если это произойдет, то отразится на спутниковых системах, биосфере и человеческом обществе.Чтобы более точно изучить динамику магнитного поля Земли, ученые проводят не только геологические исследования, но и привлекают современные вычислительные методы. Так, с помощью компьютерного моделирования геологам удалось показать, что смена магнитной полярности нашей планеты, вероятнее всего, происходит в результате воздействия динамо-волн внутри ядра. Интересно, что иногда при исследовании подобных сложных задач на помощь приходят не только современные подходы, но и ритуалы людей, живших на Земле больше тысячи лет назад. Так, по измерению намагниченности частиц песка, которые образовывались при поджигании загонов для скота в южной Африке, ученые восстановили картину распределения магнитного поля Земли в 1000–1600 годах нашей эры.
Александр Дубов
Магнитное поле Земли
Магнитосфера защищает поверхность Земли от заряженных частиц солнечного ветра и генерируется электрическими токами, расположенными во многих различных частях Земли. Он сжимается с дневной (солнечной) стороны за счет силы приходящих частиц и расширяется с ночной стороны. (Изображение не в масштабе.) Разница между магнитным севером и «истинным» севером.Магнитное поле Земли (и поверхностное магнитное поле ) приблизительно представляет собой магнитный диполь с S-полюсом магнитного поля вблизи географического северного полюса Земли (см. Северный магнитный полюс) и другим северным полюсом магнитного поля рядом с географическим географическим полюсом Земли. южный полюс (см. Южный магнитный полюс).Благодаря этому компас можно использовать для навигации. Причину возникновения поля можно объяснить теорией динамо. Магнитное поле распространяется бесконечно, но ослабевает по мере удаления от источника. Магнитное поле Земли, также называемое геомагнитным полем , которое эффективно распространяется на несколько десятков тысяч километров в космос, формирует магнитосферу Земли. Палеомагнитное исследование австралийского красного дацита и подушечного базальта оценило возраст магнитного поля как минимум 3,5 миллиарда лет. [1] [2]
Предметное значение
Моделирование взаимодействия магнитного поля Земли с межпланетным магнитным полем.Земля в значительной степени защищена от солнечного ветра, потока энергичных заряженных частиц, исходящих от Солнца, своим магнитным полем, которое отклоняет большинство заряженных частиц. Некоторые из заряженных частиц солнечного ветра находятся в ловушке и в радиационном поясе Ван Аллена.Меньшему количеству частиц солнечного ветра удается перемещаться, как по линии передачи электромагнитной энергии, в верхние слои атмосферы и ионосферу Земли в зонах полярных сияний. Единственный раз, когда солнечный ветер наблюдается на Земле, — это когда он достаточно силен, чтобы вызывать такие явления, как полярное сияние и геомагнитные бури. Яркие полярные сияния сильно нагревают ионосферу, заставляя ее плазму расширяться в магнитосферу, увеличивая размер плазменной геосферы и вызывая утечку атмосферного вещества в солнечный ветер.Геомагнитные бури возникают, когда давление плазмы, содержащейся внутри магнитосферы, достаточно велико, чтобы раздуваться и тем самым искажать геомагнитное поле.
Солнечный ветер отвечает за общую форму магнитосферы Земли, и колебания ее скорости, плотности, направления и увлекаемого магнитного поля сильно влияют на локальную космическую среду Земли. Например, уровни ионизирующего излучения и радиопомех могут варьироваться от сотен до тысяч раз; а форма и расположение магнитопаузы и головной ударной волны перед ней могут изменяться на несколько радиусов Земли, подвергая геосинхронные спутники прямому солнечному ветру.Эти явления собирательно называются космической погодой. Механизм атмосферного разрыва вызван захватом газа пузырьками магнитного поля, которые срываются солнечными ветрами. [3] Изменения напряженности магнитного поля коррелируют с изменением количества осадков в тропиках. [4]
Магнитные полюса и магнитный диполь
Основные статьи: Северный магнитный полюс и Южный магнитный полюс Магнитное склонение от истинного севера в 1700Положение магнитных полюсов можно определить как минимум двумя способами [5] .
Часто магнитный (наклонный) полюс рассматривается как точка на поверхности Земли, где магнитное поле полностью вертикально. Другими словами, угол наклона поля Земли составляет 90 ° на северном магнитном полюсе и -90 ° на южном магнитном полюсе. На магнитном полюсе компас, удерживаемый в горизонтальной плоскости, указывает случайным образом, в то время как в противном случае он указывает почти на северный магнитный полюс или от Южного магнитного полюса, хотя существуют местные отклонения. Два полюса перемещаются независимо друг от друга и не находятся в прямо противоположных положениях на земном шаре.Магнитный полюс падения может быстро перемещаться, для Северного магнитного полюса [6] проводились наблюдения до 40 км в год.
Магнитное поле Земли можно точно описать полем магнитного диполя, расположенного рядом с центром Земли. Ориентация диполя определяется осью. Два положения, где ось диполя, которая лучше всего соответствует геомагнитному полю, пересекает поверхность Земли, называются Северным и Южным геомагнитными полюсами. Для наилучшего соответствия диполь, представляющий геомагнитное поле, должен быть размещен примерно в 500 км от центра Земли.Это заставляет внутренний радиационный пояс опускаться ниже в южной части Атлантического океана, где поверхностное поле является самым слабым, создавая то, что называется южноатлантической аномалией.
Если бы магнитное поле Земли было идеально дипольным, геомагнитный и магнитный полюса падения совпадали. Однако важные недиполярные члены в точном описании геомагнитного поля приводят к тому, что положения двух типов полюсов находятся в разных местах.
Характеристики поля
Напряженность поля у поверхности Земли составляет менее 30 микротеслов (0.3 гаусса) на территории, включающей большую часть Южной Америки и Южной Африки, до более чем 60 микротеслов (0,6 гаусса) вокруг магнитных полюсов в северной Канаде и на юге Австралии, а также в части Сибири. Средняя напряженность магнитного поля во внешнем ядре Земли составила 25 Гаусс, что в 50 раз сильнее, чем магнитное поле на поверхности. [9] [10]
Поле аналогично полю стержневого магнита. Магнитное поле Земли в основном вызвано электрическими токами в жидком внешнем ядре.Ядро Земли горячее, чем 1043 К, температура точки Кюри, выше которой ориентация спинов в железе становится случайной. Такая рандомизация приводит к потере намагниченности вещества.
Конвекция расплавленного железа во внешнем жидком ядре, наряду с эффектом Кориолиса, вызванным общим вращением планеты, имеет тенденцию организовывать эти «электрические токи» в валки, выровненные вдоль полярной оси север-юг. Когда проводящая жидкость течет через существующее магнитное поле, индуцируются электрические токи, которые, в свою очередь, создают другое магнитное поле.Когда это магнитное поле усиливает исходное магнитное поле, создается динамо-машина, которая поддерживает себя. Это называется теорией динамо, и она объясняет, как поддерживается магнитное поле Земли.
Еще одна особенность, которая магнитно отличает Землю от стержневого магнита, — это ее магнитосфера. На больших расстояниях от планеты преобладает поверхностное магнитное поле. Электрические токи, индуцированные в ионосфере, также создают магнитные поля. Такое поле всегда создается вблизи того места, где атмосфера находится ближе всего к Солнцу, вызывая ежедневные изменения, которые могут отклонять поверхностные магнитные поля на величину до одного градуса.Типичные суточные колебания напряженности поля составляют около 25 нанотесла (нТл) (т.е. ~ 1: 2 000), с вариациями в течение нескольких секунд, как правило, около 1 нТл (т.е. ~ 1: 50 000). [11]
Вариации магнитного поля
Геомагнитные вариации с момента последнего обращения.Токи в ядре Земли, создающие ее магнитное поле, возникли по крайней мере 3 450 миллионов лет назад. [12] [13]
Магнитометры обнаруживают мельчайшие отклонения в магнитном поле Земли, вызванные железными артефактами, печами, некоторыми типами каменных построек и даже канавами и мусором в археологической геофизике.С помощью магнитных инструментов, адаптированных на основе бортовых детекторов магнитных аномалий, разработанных во время Второй мировой войны для обнаружения подводных лодок, были нанесены на карту магнитные вариации на дне океана. Базальт — богатая железом вулканическая порода, составляющая дно океана — содержит сильно магнитный минерал (магнетит) и может локально искажать показания компаса. Искажение было признано исландскими мореплавателями еще в конце 18 века. Что еще более важно, поскольку присутствие магнетита придает базальту измеримые магнитные свойства, эти магнитные вариации предоставили еще один способ изучения глубоководного дна океана.Когда вновь образованная порода охлаждается, такие магнитные материалы регистрируют магнитное поле Земли.
Часто магнитосфера Земли поражается солнечными вспышками, вызывающими геомагнитные бури, вызывающие проявления полярных сияний. Кратковременная нестабильность магнитного поля измеряется с помощью K-индекса.
Недавно в магнитном поле были обнаружены утечки, которые взаимодействуют с солнечным ветром Солнца способом, противоположным первоначальной гипотезе. Во время солнечных бурь это может привести к крупномасштабным отключениям электроэнергии и сбоям в работе искусственных спутников. [14]
- См. Также Магнитная аномалия
Инверсия магнитного поля
Основная статья: Геомагнитная инверсияОсновываясь на изучении лавовых потоков базальта во всем мире, было предложено, что магнитное поле Земли меняет направление на противоположное. с интервалами от десятков тысяч до многих миллионов лет, со средним интервалом примерно 300 000 лет. [15] Однако последнее подобное событие, получившее название инверсия Брюнес – Матуяма, произошло примерно 780 000 лет назад.
Нет четкой теории относительно того, как могли произойти геомагнитные инверсии. Некоторые ученые создали модели ядра Земли, в которых магнитное поле лишь квазистабильно, а полюса могут самопроизвольно перемещаться из одной ориентации в другую в течение от нескольких сотен до нескольких тысяч лет. Другие ученые предполагают, что геодинамо сначала отключается либо самопроизвольно, либо в результате какого-либо внешнего воздействия, такого как удар кометы, а затем перезапускается с магнитным «северным» полюсом, указывающим либо на север, либо на юг.Внешние события вряд ли будут обычными причинами инверсий магнитного поля из-за отсутствия корреляции между возрастом ударных кратеров и временем инверсий. Независимо от причины, когда магнитный полюс переключается из одного полушария в другое, это называется инверсией, тогда как временные изменения наклона диполя, которые перемещают ось диполя через экватор, а затем возвращаются к исходной полярности, называются отклонениями.
Исследования потоков лавы на горе Стинс, штат Орегон, показывают, что магнитное поле могло смещаться со скоростью до 6 градусов в день в какой-то момент истории Земли, что значительно усложняет популярное понимание того, как работает магнитное поле Земли. . [16]
Подобные палеомагнитные исследования обычно состоят из измерений остаточной намагниченности вулканических пород. Осадки, отложенные на дне океана, ориентируются в соответствии с местным магнитным полем, сигнал, который может быть записан по мере их затвердевания. Хотя залежи магматических пород в основном парамагнитны, они действительно содержат следы ферри- и антиферромагнитных материалов в виде оксидов железа, что дает им способность обладать остаточной намагниченностью.Фактически, эта характеристика довольно часто встречается во многих других типах горных пород и отложений, обнаруженных по всему миру. Одним из наиболее распространенных оксидов, обнаруживаемых в естественных отложениях горных пород, является магнетит.
В качестве примера того, как это свойство магматических пород позволяет нам определить, что поле Земли в прошлом менялось, рассмотрим измерения магнетизма на океанских хребтах. Прежде чем магма выйдет из мантии через трещину, она имеет чрезвычайно высокую температуру, превышающую температуру Кюри любого оксида железа, который она может содержать.Лава начинает охлаждаться и затвердевать, когда попадает в океан, позволяя этим оксидам железа в конечном итоге восстановить свои магнитные свойства, в частности, способность удерживать остаточную намагниченность. Если предположить, что единственное магнитное поле, присутствующее в этих местах, связано с самой Землей, эта затвердевшая порода становится намагниченной в направлении геомагнитного поля. Хотя напряженность поля довольно мала и содержание железа в типичных образцах горных пород невелико, относительно небольшая остаточная намагниченность образцов находится в пределах разрешающей способности современных магнитометров.Затем можно измерить возраст и намагниченность застывших образцов лавы, чтобы определить ориентацию геомагнитного поля в древние эпохи.
Обнаружение магнитного поля
Отклонения модели магнитного поля от данных измерений, данных, созданных спутниками с чувствительными магнитометрамиНапряженность магнитного поля Земли была измерена Карлом Фридрихом Гауссом в 1835 году и с тех пор неоднократно измерялась, показывая относительное ослабление около 10% за последние 150 лет. [17] Спутник Magsat и более поздние спутники использовали 3-осевые векторные магнитометры для исследования трехмерной структуры магнитного поля Земли. Более поздний спутник Эрстеда позволил провести сравнение, показывающее динамическое геодинамо в действии, которое, по-видимому, порождает альтернативный полюс под Атлантическим океаном к западу от Южной Африки. [18]
Правительства иногда используют подразделения, специализирующиеся на измерении магнитного поля Земли. Это геомагнитные обсерватории, обычно являющиеся частью национальной геологической службы, например, обсерватория Эскдалемуир Британской геологической службы.Такие обсерватории могут измерять и прогнозировать магнитные условия, которые иногда влияют на связь, электроэнергию и другую деятельность человека. (См. Магнитную бурю.)
Международная сеть магнитных обсерваторий в реальном времени с более чем 100 взаимосвязанными геомагнитными обсерваториями по всему миру с 1991 года регистрирует магнитное поле Земли.
Военные определяют характеристики местного геомагнитного поля по порядку для обнаружения аномалий на естественном фоне, которые могут быть вызваны значительным металлическим объектом, например, затопленной подводной лодкой.Обычно эти детекторы магнитных аномалий используются в самолетах, таких как британский Nimrod, или буксируются в качестве инструмента или набора инструментов с надводных кораблей.
В коммерческих целях геофизические разведочные компании также используют магнитные детекторы для выявления естественных аномалий рудных тел, таких как Курская магнитная аномалия.
Животные, включая птиц и черепах, могут обнаруживать магнитное поле Земли и использовать это поле для навигации во время миграции. [19] Коровы и дикие олени склонны выстраивать свои тела с севера на юг во время отдыха, но не тогда, когда животные находятся под высоковольтными линиями электропередач, что заставляет исследователей полагать, что причиной этого является магнетизм. Дайсон, П.Дж. (2009). «Биология: электрические коровы». Природа 458 (7237): 389. DOI: 10.1038 / 458389a. PMID 19325587.
Внешние ссылки
- Уильям Дж. Брод, Будет ли компас указывать на юг? . New York Times, 13 июля 2004 г.
- John Roach, Почему меняется магнитное поле Земли? . National Geographic, 27 сентября 2004 г.
- Когда север идет на юг . Проекты в области научных вычислений, 1996.
- Трехмерный имитатор заряженных частиц в магнитном поле Земли . Инструмент, предназначенный для трехмерного моделирования заряженных частиц в магнитосфере. [Требуется подключаемый модуль VRML]
- Великий Магнит, Земля , История открытия магнитного поля Земли Дэвидом П. Стерном.
- Исследование магнитосферы Земли , Образовательный веб-сайт Дэвида П. Стерна и Маурисио Передо
Магнитное поле Земли
Магнитное поле Земли похоже на что из стержневого магнита наклонен на 11 градусов от ось вращения Земля.Проблема с этой картинкой заключается в том, что температура Кюри железо около 770 С. Ядро Земли горячее, чем это, и, следовательно, не намагничен. Так как же Земля получила свое магнитное поле?
Магнитные поля окружают электрические токи, поэтому мы предполагаем, что циркулирующие электрические токи в расплавленном металлическом ядре Земли являются источником магнитного поля. Токовая петля дает поле, подобное земному. Величина магнитного поля, измеренная на поверхности Земли, составляет примерно половину Гаусса и падает в сторону Земли в северном полушарии.Величина колеблется по поверхности Земли в пределах от 0,3 до 0,6 Гаусса. |
Магнитное поле Земли объясняется динамо-эффектом циркулирующего электрического тока, но оно не является постоянным по направлению. Образцы горных пород разного возраста в одинаковых местах имеют разное направление постоянной намагниченности. Сообщалось о 171 инверсии магнитного поля за последние 71 миллион лет.
Хотя детали динамо-эффекта подробно не известны, вращение Земли играет роль в генерировании токов, которые, как предполагается, являются источником магнитного поля. Маринер 2 обнаружил, что Венера не имеет такого магнитного поля, хотя содержание железа в ее ядре должно быть таким же, как и на Земле. Период вращения Венеры в 243 земных дня слишком медленный, чтобы вызвать эффект динамо.
Взаимодействие магнитного поля Земли с частицами солнечного ветра создает условия для явлений полярных сияний вблизи полюсов.
Северный полюс стрелки компаса — это северный магнитный полюс. Его привлекает географический Северный полюс, который является южным магнитным полюсом (притягиваются противоположные магнитные полюса).
геомагнитного поля | Определение, сила и факты
Представление поля
Электрические и магнитные поля создаются фундаментальным свойством материи — электрическим зарядом. Электрические поля создаются зарядами, находящимися в состоянии покоя относительно наблюдателя, тогда как магнитные поля создаются движущимися зарядами.Эти два поля представляют собой разные аспекты электромагнитного поля, которое является силой, заставляющей электрические заряды взаимодействовать. Электрическое поле E в любой точке вокруг распределения заряда определяется как сила на единицу заряда, когда в этой точке помещается положительный тестовый заряд. Для точечных зарядов электрическое поле направлено радиально от положительного заряда в сторону отрицательного заряда.
Магнитное поле создается движущимися зарядами, т. Е. Электрическим током. Магнитная индукция B может быть определена аналогично E как пропорциональная силе, приходящейся на единицу силы полюса, когда испытательный магнитный полюс приближается к источнику намагничивания.Однако чаще его определяют уравнением силы Лоренца. Это уравнение утверждает, что сила, воспринимаемая зарядом q , движущимся со скоростью v, определяется выражением F = q (vx B ).
В этом уравнении жирным шрифтом обозначены векторы (величины, которые имеют как величину, так и направление), а жирным шрифтом обозначены скалярные величины, такие как B , длина вектора B. x указывает на перекрестное произведение (т. Е. Вектор справа углы как к v, так и к B, длиной v B sin θ).Тета — это угол между векторами v и B. (B обычно называют магнитным полем, несмотря на то, что это название зарезервировано для величины H, которая также используется при изучении магнитных полей). Для простого линейного тока. вокруг тока поле имеет цилиндрическую форму. Смысл поля зависит от направления тока, который определяется как направление движения положительных зарядов. Правило правой руки определяет направление B, утверждая, что оно указывает в направлении пальцев правой руки, когда большой палец указывает в направлении тока.
В Международной системе единиц (СИ) электрическое поле измеряется скоростью изменения потенциала, вольт на метр (В / м). Магнитные поля измеряются в единицах тесла (Тл). Тесла — это большая единица для геофизических наблюдений, и обычно используется меньшая единица, нанотесла (нТл; одна нанотесла равна 10 −9 тесла). Нанотесла эквивалентна одной гамме, единице, первоначально определенной как 10 −5 гаусс, которая является единицей магнитного поля в системе сантиметр-грамм-секунда.И гаусс, и гамма все еще часто используются в литературе по геомагнетизму, хотя они больше не являются стандартными единицами измерения.
Как электрическое, так и магнитное поля описываются векторами, которые могут быть представлены в различных системах координат, таких как декартова, полярная и сферическая. В декартовой системе вектор разбивается на три компонента, соответствующие проекциям вектора на три взаимно ортогональных оси, которые обычно обозначаются как x , y , z .В полярных координатах вектор обычно описывается длиной вектора в плоскости x — y , его азимутальным углом в этой плоскости относительно оси x и третьей декартовой составляющей z . В сферических координатах поле описывается длиной вектора полного поля, полярным углом этого вектора от оси z и азимутальным углом проекции вектора в плоскости x — y . В исследованиях магнитного поля Земли широко используются все три системы.
Номенклатура, используемая при изучении геомагнетизма для различных компонентов векторного поля, представлена на рисунке. B — векторное магнитное поле, а F — величина или длина B. X , Y и Z — три декартовых компонента поля, обычно измеряемых относительно географической системы координат. X — север, Y, — восток, и, завершая правостороннюю систему, Z — вертикально вниз к центру Земли.Величина поля, проецируемого в горизонтальной плоскости, называется H . Эта проекция составляет угол D (для склонения), измеренный положительным с севера на восток. Угол наклона, I (для наклона), представляет собой угол, который общий вектор поля составляет по отношению к горизонтальной плоскости, и является положительным для векторов ниже плоскости. Это дополнение к обычному полярному углу сферических координат. (Географический и магнитный север совпадают по «агонической линии.”)
Компоненты вектора магнитной индукции B показаны в трех системах координат: декартовой, полярной и сферической.
Британская энциклопедия, Inc.Происхождение магнитного поля Земли остается загадкой | MIT News
Микроскопические минералы, извлеченные из древнего обнажения Джек-Хиллз в Западной Австралии, были предметом интенсивных геологических исследований, так как они, кажется, несут на себе следы магнитного поля Земли, достигшие еще 4 лет.2 миллиарда лет назад. Это почти на 1 миллиард лет раньше, чем предполагалось, когда возникло магнитное поле, и почти до того времени, когда образовалась сама планета.
Но какой бы интригующей ни была эта история происхождения, команда под руководством Массачусетского технологического института нашла доказательства обратного. В статье, опубликованной сегодня в журнале Science Advances , команда исследователей исследовала кристаллы того же типа, называемые цирконами, которые были обнаружены на том же обнажении, и пришла к выводу, что собранные ими цирконы ненадежны в качестве регистраторов древних магнитных полей.
Другими словами, до сих пор не решено, существовало ли магнитное поле Земли раньше, чем 3,5 миллиарда лет назад.
«Нет убедительных доказательств существования магнитного поля до 3,5 миллиардов лет назад, и даже если бы поле существовало, было бы очень трудно найти доказательства его существования в цирконах Jack Hills», — говорит Кауэ Борлина, аспирантка. в Департаменте наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института (EAPS). «Это важный результат в том смысле, что мы знаем, чего больше не искать.
Борлина — первый автор статьи, в которую также входят профессор EAPS Бенджамин Вайс, главный научный сотрудник Эдуардо Лима и научный сотрудник Джахандар Рамезан из Массачусетского технологического института, а также другие сотрудники из Кембриджского университета, Гарвардского университета, Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, Университет Алабамы и Принстонский университет.
Возбужденное поле
Считается, что магнитное поле Земли играет важную роль в обеспечении обитаемости планеты.Магнитное поле не только задает направление стрелок компаса, но и действует как своего рода щит, отражающий солнечный ветер, который в противном случае мог бы разъедать атмосферу.
Ученые знают, что сегодня магнитное поле Земли создается за счет затвердевания жидкого железного ядра планеты. Охлаждение и кристаллизация ядра возбуждают окружающее жидкое железо, создавая мощные электрические токи, которые создают магнитное поле, простирающееся далеко в космос. Это магнитное поле известно как геодинамо.
Многочисленные доказательства показали, что магнитное поле Земли существовало по крайней мере 3,5 миллиарда лет назад. Однако считается, что ядро планеты начало затвердевать всего 1 миллиард лет назад, а это означает, что магнитное поле должно было быть вызвано каким-то другим механизмом до 1 миллиарда лет назад. Уточнение того, когда именно сформировалось магнитное поле, могло помочь ученым с самого начала выяснить, что его породило.
Борлина говорит, что происхождение магнитного поля Земли может также пролить свет на ранние условия, в которых зародились первые формы жизни на Земле.
«В первый миллиард лет Земли, между 4,4 миллиардами и 3,5 миллиардами лет, именно тогда зарождалась жизнь», — говорит Борлина. «Наличие магнитного поля в то время имеет разные последствия для окружающей среды, в которой зародилась жизнь на Земле. Это мотивация нашей работы ».
«Не могу доверять циркону»
Ученые традиционно использовали минералы в древних породах для определения ориентации и интенсивности магнитного поля Земли во времени.По мере образования и охлаждения горных пород электроны в отдельных зернах могут смещаться в направлении окружающего магнитного поля. Как только горная порода остывает до определенной температуры, известной как температура Кюри, ориентация электронов, так сказать, устанавливается в камне. Ученые могут определить свой возраст и использовать стандартные магнитометры для измерения их ориентации, оценки силы и ориентации магнитного поля Земли в данный момент времени.
С 2001 года Вайс и его группа изучают намагниченность горных пород и зерен циркона в Джек-Хиллз с непростой целью установить, содержат ли они древние записи магнитного поля Земли.
«Цирконы Джек-Хиллз — одни из самых слабомагнитных объектов, изученных в истории палеомагнетизма», — говорит Вайс. «Кроме того, эти цирконы включают самые старые из известных материалов Земли, а это означает, что существует множество геологических событий, которые могли бы сбросить их магнитные записи».
В 2015 году отдельная исследовательская группа, которая также начала изучать цирконы Джек-Хиллз, утверждала, что они нашли доказательства наличия магнитного материала в цирконах, возраст которых составляет 4,2 миллиарда лет — первое свидетельство того, что магнитное поле Земли могло существовать до 3.5 миллиардов лет назад.
Но Борлина отмечает, что команда не подтвердила, действительно ли обнаруженный ими магнитный материал сформировался во время или после образования кристалла циркона 4,2 миллиарда лет назад — цель, которую он и его команда взяли на себя в своей новой статье.
Борлина, Вайс и их коллеги собрали породы на том же обнажении Джека Хиллз и из этих образцов извлекли 3754 зерна циркона, каждое около 150 микрометров в длину — это примерно ширина человеческого волоса. Используя стандартные методы датирования, они определили возраст каждого зерна циркона, который колебался от 1 миллиарда до 4 лет.2 миллиарда лет.
Около 250 кристаллов были старше 3,5 миллиардов лет. Команда изолировала и визуализировала эти образцы, ища признаки трещин или вторичных материалов, таких как минералы, которые могли отложиться на кристалле или внутри него после того, как он полностью сформировался, и искала доказательства того, что они значительно нагреваются за последние несколько миллиардов. лет с момента их образования. Из этих 250 они идентифицировали только три циркона, которые были относительно свободны от таких примесей и, следовательно, могли содержать подходящие магнитные записи.
Затем команда провела подробные эксперименты с этими тремя цирконами, чтобы определить, какие виды магнитных материалов они могут содержать. В конце концов они определили, что магнитный минерал под названием магнетит присутствует в двух из трех цирконов. Используя квантовый алмазный магнитометр высокого разрешения, команда исследовала поперечные сечения каждого из двух цирконов, чтобы отобразить расположение магнетита в каждом кристалле.
Они обнаружили магнетит, лежащий вдоль трещин или поврежденных зон внутри цирконов.По словам Борлина, такие трещины — это пути, по которым вода и другие элементы попадают внутрь породы. Такие трещины могли пропускать вторичный магнетит, который оседал в кристалле намного позже, чем когда первоначально образовался циркон. В любом случае, говорит Борлина, доказательства очевидны: эти цирконы нельзя использовать в качестве надежных регистраторов магнитного поля Земли.
«Это свидетельство того, что мы не можем доверять этим измерениям циркона для регистрации магнитного поля Земли», — говорит Борлина. «Мы показали это до 3.5 миллиардов лет назад мы до сих пор не знаем, когда возникло магнитное поле Земли ».
«Для меня эти результаты вызывают большие сомнения в способности цирконов Джека Хиллса достоверно регистрировать интенсивность палеомагнитного поля до 3,5 миллиардов лет», — говорит Энди Биггин, профессор палеомагнетизма Ливерпульского университета. не участвовал в исследовании. «Тем не менее, эти дебаты бушуют, как палеомагнитный эквивалент Brexit, с 2015 года, и я был бы очень удивлен, если бы это было последнее слово по этому поводу.Практически невозможно доказать отрицание, и ни методы, ни интерпретации не подлежат сомнению ».
Несмотря на эти новые результаты, Вайс подчеркивает, что предыдущие магнитные анализы этих цирконов все еще очень ценны.
«Команда, которая сообщила о первоначальном магнитном исследовании циркона, заслуживает большой похвалы за попытку решить эту чрезвычайно сложную проблему», — говорит Вайс. «В результате всей работы обеих групп мы теперь намного лучше понимаем, как изучать магнетизм древних геологических материалов.Теперь мы можем начать применять эти знания к другим минеральным зернам и зернам с других планетных тел ».
Это исследование частично поддержано Национальным научным фондом.
Что, если магнитное поле Земли исчезнет?
Магнитное поле планеты простирается от Земли, как невидимые спагетти. Созданное в результате взбалтывания ядра Земли, это поле важно для повседневной жизни: оно защищает планету от солнечных частиц, обеспечивает основу для навигации и, возможно, сыграло важную роль в эволюции жизни на Земле.
Но что будет, если завтра магнитное поле Земли исчезнет? Большее количество заряженных солнечных частиц будет бомбардировать планету, поставив под угрозу электросети и спутники и увеличив воздействие на человека более высоких уровней вызывающего рак ультрафиолетового излучения. Другими словами, отсутствие магнитного поля будет иметь последствия, которые будут проблематичными, но не обязательно апокалиптическими, по крайней мере, в краткосрочной перспективе.
И это хорошие новости, потому что на протяжении более века он ослабевает.Даже сейчас есть особо непрочные пятна, такие как Южно-Атлантическая аномалия в Южном полушарии, которые создают технические проблемы для низкоорбитальных спутников.
Связано: Что произойдет с Землей, когда Солнце умрет?
Первое, что нужно понять о магнитном поле, это то, что даже если оно ослабеет, оно не исчезнет — по крайней мере, в течение миллиардов лет. Земля обязана своим магнитным полем своему расплавленному внешнему ядру, которое состоит в основном из железа и никеля.По словам Джона Тардуно, геофизика из Университета Рочестера, внешнее ядро взбалтывается за счет конвекции тепла, выделяемого при росте и затвердевании внутреннего ядра. (Внутреннее ядро увеличивается примерно на миллиметр в год.)
Этот двигатель магнитного поля, известный как динамо-машина, работал миллиарды лет. Ученые полагают, что нынешнее расположение сердечников могло сформироваться примерно 1,5 миллиарда лет назад, согласно исследованию и 2015 года , которое обнаружило скачок в напряженности магнитного поля примерно тогда.Но Тардуно и его команда нашли доказательства наличия магнитного поля на Земле в самых старых минералах планеты, цирконах, возраст которых составляет 4,2 миллиарда лет, что позволяет предположить, что активность в ядре создавала магнетизм в течение очень долгого времени.
Непонятно, почему была запущена динамо-машина, сказал Тардуно Live Science, хотя вполне возможно, что огромное планетарное воздействие, создавшее Луну, могло быть ключевым фактором. Это столкновение, которое произошло, вероятно, через 100 миллионов лет после объединения Земли , могло встряхнуть любое расслоение или расслоение материалов в ядре Земли: представьте себе встряхивание бутылки с маслом и водой в планетарном масштабе.Это нарушение могло способствовать конвекции, которая до сих пор движет динамо-машиной Земли.
В конце концов, внутреннее ядро, вероятно, вырастет настолько, что конвекция во внешнем ядре перестанет работать, и магнитное поле исчезнет. Но этот сценарий так далек, что не стоит терять много сна.
«Мы говорим о миллиардах лет», — сказал Тардуно.
Ослабление магнитного поля
Для жизни людей гораздо важнее то, что магнитное поле ослабевает.Ученые измеряли это ослабление напрямую с помощью магнитных обсерваторий и спутников в течение последних 160 лет. Было ли поле нестабильным раньше, это немного неясно, как и то, что оно будет делать дальше. По словам Тардуно, магнитное поле в настоящее время составляет около 80% дипольного. Это означает, что он действует в основном как стержневой магнит. Если бы вы могли положить вокруг планеты железные опилки (и убрать влияние солнца, которое извергает постоянный поток заряженных частиц, называемый , солнечный ветер , направленный к Земле, разнося магнитное поле вокруг, как длинные волосы на ветру), в результате силовые линии магнитного поля будут четко обозначать север и юг.Но 20% поля недиполярное, а это значит, что все сложнее; есть локальные вариации.
Связано: 5 способов радикального изменения мира в этом веке
В прошлом магнитное поле перевернулось на , поменяв местами север и юг. Последний из этих переворотов произошел 780 000 лет назад, примерно в эпоху года Homo erectus . Этим флипам обычно предшествует ослабление поля, вызывая вопросы о том, неизбежен ли еще один флип-флоп.Но поле также временами ослабевает, а затем снова усиливается без переворота — явление, называемое экскурсией.
Тардуно и его команда обнаружили, что странный водоворот в ядре под Южной Африкой может способствовать некоторым из этих недостатков. Этот вихрь, по-видимому, вызывает Южно-Атлантическую аномалию, известное слабое место в поле, которое простирается примерно на 190 миль (300 километров) к востоку от Бразилии через большую часть Южной Америки. В этой области заряженные частицы солнечного ветра опускаются ближе, чем обычно, к Земле.Южноатлантическая аномалия не особенно заметна на земле. Но спутники, находящиеся на околоземной орбите, сталкиваются там с более разрушительными солнечными частицами, и астронавты, которые путешествовали по региону на Международной космической станции, сообщили о визуальных явлениях падающих звезд, которых, как считается, вызваны относительно высокими уровнями радиации на уровне низкой Земли. орбита там.
Земля без поля
Тардуно и его команда подозревают, что изменение мантии под Южной Африкой могло быть триггерной точкой для инверсий магнитного поля в прошлом.Хорошая новость заключается в том, что даже если поле ослабевает или готовится к перемене, оно не исчезнет; нет никаких доказательств того, что магнитное поле когда-либо полностью исчезало во время инверсии.
Даже если поле изменится на противоположное, «у нас все равно будет какое-то магнитное поле; это просто будет очень слабое магнитное поле», — сказал Тардуно.
Как бы выглядел этот мир с минимальным магнитным полем ? Ну, во-первых, твой компас не работает. «Он просто будет указывать на [область] самого высокого магнитного поля», — сказал Тардуно.«Это могло быть очень близко к вам; это могло быть очень далеко».
Северное и южное сияние будет видно с более низких широт, потому что эти красочные шоу — результат взаимодействия заряженных частиц, выброшенных от Солнца в солнечном ветре и магнитосферы Земли. В настоящее время эти полярные сияния появляются около полюсов, следуя главным образом линиям магнитного поля Земли с севера на юг, но более слабое поле позволило бы частицам проникать в атмосферу Земли, освещая небо ближе к экватору.
Условия аномалии в Южной Атлантике для спутников могут стать обычным явлением для всего земного шара, что вызовет технические сбои. Солнечные частицы могут пинговать электронику, разрушая биты памяти в так называемых одиночных сбоях, или SEU. Когда солнечные частицы взаимодействуют с заряженным слоем атмосферы Земли, называемым ионосферой, они также сбивают электроны с их молекулярных орбит. Эти свободные электроны затем мешают передаче высокочастотных радиоволн, используемых для связи.
Взаимодействие между солнечным ветром и атмосферой Земли также может со временем разрушить озоновый слой, сказал Тардуно, что повысит коллективное воздействие ультрафиолетового излучения на человечество и повысит риск рака кожи.
«Хотя это, вероятно, не было бы катастрофой для жизни, без магнитного поля на Земле была бы гораздо более высокая доза радиации», — сказал Мартин Арчер, физик космической плазмы из Лондонского университета королевы Марии.
Существует мало свидетельств того, что прошлые изменения магнитного поля влияли на жизнь на Земле.Тем не менее, магнитное поле, несомненно, сформировало поверхность Земли, помогая удерживать хрупкую атмосферу планеты от уноса в космос безжалостной силой солнечного ветра, сказал Арчер Live Science.
Магнитное поле не имеет решающего значения для атмосферы — Венера не имеет магнитного поля и имеет массивную, хотя и неприятную атмосферу, — но оно определенно действует как дополнительный защитный слой. Марс, который раньше имел магнитное поле, но потерял его около 4 миллиардов лет назад, почти полностью лишился своей атмосферы.И если бы существовал способ придать Луне атмосферу, подобную земной, солнечный ветер свел бы ее к нулю всего за столетие, сказал Арчер.
Первоначально опубликовано на Live Science .
Вам нужно больше места? Вы можете получить 5 выпусков журнала «All About Space» нашего партнера за $ 5 за последними потрясающими новостями с последнего рубежа! (Изображение предоставлено Future plc)Магнитное поле Земли и блуждающие полюса
Представьте себе стержневой магнит внутри Земли, более или менее выровненный с осью, где концы этого магнита лежат близко к географическим Северному и Южному полюсам планеты.Линии магнитного поля движутся от северного полюса магнита, возвращаясь назад к южному полюсу. На каждом полюсе силовые линии магнитного поля почти вертикальны.
Хотя внутри Земли определенно нет магнитного стержня, то же самое явление происходит вокруг Земли, создавая защитную зону вокруг всей планеты, называемую магнитосферой, согласно НАСА. Магнитосфера Земли защищает нас от вредного космического излучения и солнечного ветра и отвечает за прекрасные полярные сияния, наблюдаемые в высоких широтах Северного и Южного полушарий.
Магнитный и географический полюса Земли расположены друг напротив друга. Другими словами, южный магнитный полюс Земли на самом деле находится около географического Северного полюса. Поэтому, когда мы используем компас для определения нашего местоположения, стрелка компаса фактически указывает на южный магнитный полюс в Северном полушарии и на северный магнитный полюс в Южном полушарии.
Магнитные полюса не являются фиксированными и немного блуждают по поверхности планеты относительно географических полюсов.Около 75 процентов напряженности магнитного поля Земли представлено «магнитной полосой». Остальные 25 процентов напряженности магнитного поля Земли, которые можно представить как движущиеся стержневые магниты меньшего размера, исходят от меньших частей движущейся магмы и могут быть тем, что позволяет полюсам двигаться.
Согласно данным, опубликованным Национальными центрами экологической информации в феврале 2019 года, северный магнитный полюс расположен на точке 86,54 N 170,88 E в Северном Ледовитом океане и движется из Канады в Сибирь.Южный магнитный полюс расположен на точке 64,13 ю.ш., 136,02 в.д., недалеко от побережья Антарктиды в направлении Австралии.
Откуда поле?
Хотя это все еще остается загадкой, ученые в целом согласны с тем, что магнитное поле Земли начинается глубоко в ядре планеты. Внешнее ядро планеты состоит из расплавленных металлов, в первую очередь железа, которое является проводником.
«Взбивание расплавленного металла во внешнем ядре создает [магнитное] поле за счет так называемого динамо-действия, — сказал Алексей Смирнов, профессор геофизики в Мичиганском технологическом университете.
Действие динамо, или теория динамо, описывает способ, которым планета может выдерживать магнитное поле. Динамо-машина, или источник магнитного поля, создается вращающимся, конвектирующим и электропроводящим материалом, таким как расплавленное железо внутри Земли.
«Есть много ионизированных атомов и свободных электронов, блуждающих вокруг, плюс есть сложная форма конвекции, происходящая внутри, в сочетании с естественным вращением Земли — есть много движущихся зарядов», — сказал Дуг Ингрэм, профессор физики и астрономии Техасского христианского университета.
Ученые полагают, что заряды, создаваемые движущимся металлическим материалом, перемещаются вокруг экваториальной области Земли в круговом движении, которое генерирует северный и южный магнитные полюса на поверхности, сказал Ингрэм.
Иллюстрация того, как магнитное поле Земли защищает планету от солнечной радиации. (Изображение предоставлено Майклом Осадцивом / Университет Рочестера)Почему движутся полюса?
Динамо-машина Земли устойчива, но нестабильна. Прямо сейчас магнитное поле быстро меняется, и северный магнитный полюс внезапно подскакивает в сторону Сибири.Согласно исследованию 2019 года, опубликованному в журнале Nature, с 1990-х годов северный магнитный полюс сдвигался в среднем примерно на 35 миль (55 км) в год.
По словам Смирнова, возмущения в текущей металлической магме могут быть причиной нестабильности магнитного поля, которое может привести к такому сдвигу полюсов. Движение жидкого железа глубоко под Канадой может немного ослабить магнитное поле в этом месте, что и позволяет северному магнитному полюсу перемещаться в сторону Сибири, говорится в статье Nature.
Другие электромагнитные аномалии можно увидеть по всему миру, например, на юге Африки, где возмущение магнитного поля, подобное водовороту в потоке, может быть вызвано более плотной частью мантии вблизи границы с жидкой внешней средой планеты. основной.
История сдвига и разворота полюсов
По данным НАСА, хотя полюса постоянно смещаются, они полностью менялись местами, по крайней мере, несколько сотен раз за последние 3 миллиарда лет. Во время этого процесса, который обычно происходит каждые 200000–300000 лет в течение от 100 до нескольких тысяч лет за раз, магнитное поле сжимается и притягивается множеством полюсов, беспорядочно вырастающих над поверхностью Земли.Последний полный поворот произошел около 780 000 лет назад.
История магнитного поля, включая сдвиги и инверсии, подтверждается геологической летописью. Металлы, обнаруженные в горных породах, включая железо, выравниваются по магнитному полю до того, как расплавленные породы затвердевают, или в виде фрагментов, содержащих магнитные металлы, выровненных с магнитным полем и оседающих в слоях осадочных пород.
«Поскольку Земля является динамичным и постоянно меняющимся местом, новые горные породы и их магнитные записи генерируются постоянно в течение геологического времени», — сказал Смирнов, добавив, что эти записи могут сохраняться в течение миллионов или миллиардов лет.
Подобные записи обнаружены на дне Атлантического океана, где постоянно создается новое морское дно на срединно-Атлантическом хребте.
«По мере того, как лава поднимается на поверхность [через длинную трещину, которая составляет гребень], она расплавляется, и частицы железа, взвешенные в лаве, ориентируются в направлении преобладающего магнитного поля Земли», — сказал Инграм. По мере того, как лава затвердевает, она фиксирует металлические отложения на месте и, таким образом, создает историческую запись сдвигов и разворотов магнитного поля Земли.
Что означают эти блуждающие и переворачивающиеся полюса для жизни на нашей планете? По данным НАСА, в летописи окаменелостей растений или животных во время как сдвигов, так и инверсий нет резких изменений, что предполагает минимальное влияние инверсии полюсов на жизнь. Хотя среди ученых есть некоторые предположения, что в периоды снижения напряженности магнитного поля большее количество космической радиации могло достигнуть поверхности Земли и вызвать повышенную скорость генетических мутаций и, следовательно, дать импульс эволюции, сказал Смирнов.
Дополнительные ресурсы:
ESA Science & Technology — Background Science
Фон науки
Силовые линии магнитного поля Земли
Все магнитные объекты создают невидимые силовые линии, проходящие между полюсами объекта. Земля похожа на гигантский стержневой магнит с силовыми линиями магнитного поля, расходящимися с юга на северный магнитный полюс. Заряженные частицы захватываются этими силовыми линиями, образуя магнитосферу Земли.
Силовые линии магнитного поля, создаваемые внутренним магнитным полем Земли, и ориентация поля. | Составное изображение Солнца и художественный вид магнитосферы Земли в форме пули. |
Однако силовые линии магнитного поля Земли не симметричны относительно ее магнитной оси, в отличие от силовых линий стержневого магнита.Воздействие непрерывного потока солнечных частиц (солнечный ветер) вызывает сжатие линий, обращенных к Солнцу. Силовые линии, направленные от Солнца, растягиваются и удлиняются, образуя хвост магнитосферы Земли. Магнитный пузырь в форме пули, образованный силовыми линиями земного магнитного поля, называется магнитосферой Земли. Магнитосфера простирается в космический вакуум в среднем примерно на 60 000 километров к Солнцу и уходит на расстояние более 300 000 километров от Солнца в хвосте магнитосферы.
Районы околоземного космического пространства
В основном пустом пространстве между планетами преобладает солнечный ветер — поток электрически заряженных частиц (в основном электронов и протонов), которые со сверхзвуковой скоростью выбрасываются Солнцем. К счастью, магнитное поле Земли достаточно сильное, чтобы защитить нашу планету от этого солнечного шторма, обычно не позволяя ей удариться об атмосферу или поверхность. Однако ряд узнаваемых слоев и границ можно наблюдать в околоземном пространстве, где встречаются солнечный ветер и магнитное поле Земли.Эти регионы будут детально исследованы Cluster.
Отпечаток художника, показывающий |
Первым признаком любого взаимодействия между солнечным ветром и магнитным полем Земли является ударная волна в космосе на поверхности Земли. Сторона Земли, обращенная к Солнцу. Этот носовой удар скорее похож на звуковой удар, вызванный, когда сверхзвуковой самолет замедляется и проходит через звуковой барьер.Ударная волна Земли создается, когда сверхзвуковой солнечный ветер внезапно замедляется по мере приближения к магнитному экрану планеты: магнитосфере.
Край магнитосферы известен как магнитопауза. Когда Солнце более активно, повышенное давление солнечного ветра сдавливает магнитосферу. В такие моменты магнитопауза перемещается намного ближе к Земле, пока она не окажется над планетой всего на 35 000 километров вместо средних 60 000 километров.
Однако у защиты Земли есть два слабых места.Эти куспиды возникают над северным и южным магнитными полюсами планеты. Частицы солнечного ветра, которые просачиваются в магнитосферу, спускаются к Земле по спирали вдоль силовых линий магнитного поля. Когда они сталкиваются с атомами в верхних слоях атмосферы, они вызывают мерцающие цветные слои, известные как полярные сияния (северное и южное сияние).