МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ
МАГНИТНОЕ 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 25 Гс/см 3 (или 8,3·10 22 А.м 2 ), уменьшаясь за десятилетие на 0,04·10 25 Гс/см 3 . Средняя напряженность поля на поверхности составляет около 0,5 Э (5·10 –5 Тл). По форме основное магнитное поле Земли до расстояний менее трех радиусов близко к полю эквивалентного магнитного диполя. Его центр смещен относительно центра Земли в направлении на 18° с.ш. и 147,8° в. д. Ось этого диполя наклонена к оси вращения Земли на 11,5°. На такой же угол геомагнитные полюса отстоят от соответствующих географических полюсов. При этом южный геомагнитный полюс находится в северном полушарии. В настоящее время он расположен недалеко от северного географического полюса Земли в Северной Гренландии. Его координаты j = 78,6 + 0,04° Т с.ш., l = 70,1 + 0,07° T з.д., где Т – число десятилетий от 1970. У северного магнитного полюса j = 75 ° ю.ш., l = 120,4 ° в.д. (в Антарктиде). Реальные магнитные силовые линии магнитного поля Земли в среднем близки к силовым линиям этого диполя, отличаясь от них местными нерегулярностями, связанными с наличием намагниченных пород в коре. В результате вековых вариаций геомагнитный полюс прецессирует относительно географического полюса с периодом около 1200 лет. На больших расстояниях магнитное поле Земли несимметрично. Под действием исходящего от Солнца потока плазмы (солнечного ветра) магнитное поле Земли искажается и приобретает «шлейф» в направлении от Солнца, который простирается на сотни тысяч километров, выходя за орбиту Луны.
Также по теме:
Специальный раздел геофизики, изучающий происхождение и природу магнитного поля Земли называется геомагнетизмом. Геомагнетизм рассматривает проблемы возникновения и эволюции основной, постоянной составляющей геомагнитного поля, природа переменной составляющей (примерно 1% от основного поля), а так же структура магнитосферы – самых верхних намагниченных плазменных слоев земной атмосферы, взаимодействующих с солнечным ветром и защищающих Землю от космического проникающего излучения. 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. Для усиления поля достаточно определенной асимметрии движений. Таким образом, необходимым условием гидромагнитного динамо является само наличие движений в проводящей среде, а достаточным – наличие определенной асимметрии (спиральности) внутренних потоков среды. При выполнении этих условий процесс усиления продолжается до тех пор, пока растущие с увеличением силы токов потери на джоулево тепло не уравновесят приток энергии, поступающей за счет гидродинамических движений.
Также по теме:
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 следующие три основные части.
Также по теме:
СОЛНЕЧНЫЙ ВЕТЕР
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.
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 см 3 .
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.
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 (10 5 –10 6 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 10 9 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
Магнитное поле Земли
Добрый день, дорогие читатели блога #КосмосИзДома!
С вами ведущий экскурсовод Центра «Космонавтика и авиация» Александр Яровитчук.
15 января 1909 года, ровно 115 лет назад, люди впервые достигли южного магнитного полюса Земли. Это были Дуглас Моусон, Дэвид Эджворт и Алистер Маккей из экспедиции сэра Эрнеста Шеклтона «Нимрод». В честь этого расскажем о магнитном поле планеты и его исследовании космическими аппаратами.
Для начала важно отметить, что магнитные полюса находятся не там, где географические. К тому же они постоянно перемещаются. Магнитное поле Земли совсем не похоже на поле, которое генерируют постоянные магниты. С учетом огромных масштабов изучать его с поверхности планеты очень сложно. Как только появилась возможность запускать спутники, ученые сразу стали изучать поведение магнитного поля Земли. Советский аппарат «Объект Д», официально известный как Третий спутник, имел для этого специальные приборы. Так как на борту системы спутника сами создают магнитное поле, то все датчики для изучения магнитного поля Земли располагаются на выносных штангах.
Макет спутника «Объект Д»
Одного космического аппарата для подобных исследований было недостаточно. Магнитное поле оказалось очень сложным и постоянно меняющимся. Оно зависит от солнечной активности, скорости вращения планеты, наличия полезных ископаемых и внутренних процессов в ядре Земли. Рассмотрим эти факторы подробнее.
Начнем с нашего светила. Солнечный ветер — это заряженные частицы, которые притягиваются к магнитным полюсам. Протоны и электроны начинают контактировать с земным магнитным полем и из-за этого отклоняются и двигаются вдоль так называемых силовых линий. Большая часть этих частиц притягивается к магнитным полюсам, сталкивается с атмосферой и вызывает явление авроры — полярного сияния.
Полярные сияния из космоса
Часть самых быстрых протонов и электронов, а также нейтроны, не имеющие заряда, и разные виды излучения прошивают своеобразный магнитный щит и сталкиваются с воздушной оболочкой планеты, заставляя атомы в ней разбиваться на ионы — ядро и электроны, которые создают так называемую ионосферу.
Макет спутника «Ионозонд»
Так как частицы в этом слое летают хаотично, их заряд не складывается. Хотя каждая из них создает магнитное поле, глобальное магнитное поле Земли из-за этого не изменяется. Однако ионосфера оказывает влияние на электромагнитные волны, а конкретнее — на средние и короткие радиоволны. Из-за этого применять их для передачи сигналов спутниками связи или просто для получения телеметрии нельзя.
Передатчик для ретрансляции спутника связи
Есть частицы солнечного ветра, которые попадают в ловушку магнитного поля. Для начала нужно сказать, что электроны и протоны, исходящие от Солнца, при движении тоже создают магнитное поле. Любое их движение, перпендикулярное полю, приводит к появлению противодействующей силы — вихревых токов.
Частицы, взаимодействуя друг с другом и с магнитным полем среды, становятся жестко связаны друг с другом и перемещаются вместе, то есть как бы вморожены в среду.
Если что-то толкает солнечный ветер, то тот деформирует и магнитное поле. На дневной стороне нашей планеты излучение звезды сплющивает земное магнитное поле. Силовые линии становятся плотнее, а иногда замыкаются. В таком случае частицы, попавшие между ними, там и остаются. Так образуются радиационные пояса. Первый американский спутник «Эксплорер-1» их обнаружил, а советский Третий спутник («Объект Д») узнал, что поясов даже два.
Наконец, рассмотрим последний вариант взаимодействия с солнечным ветром, когда частица солнечной радиации пролетает по касательной к Земле и ее магнитному полю. В таком случае ветер от нашего светила «вытягивает» магнитное поле. Если изобразить его силовые линии, то картинка будет похожа на хвост кометы, который получается также из-за взаимодействия с излучением Солнца.
Магнитное поле, искажаемое солнечным ветром
Далее разберем влияние залежей руды на магнитное поле. Известна так называемая Курская магнитная аномалия, рядом с которой стрелка компаса не смотрит на полюс. Правда, на спутники, как оказалось, сильнее влияет меньшая Бразильская аномалия. Это связано с тем, что ближе к ней располагается радиационный пояс. Все дело в том, что в этих регионах есть крупные залежи материалов, которые способны намагничиваться. При этом магнитное поле планеты меняется, а свойства веществ остаются. Эти руды своим притяжением меняют положение стрелки компаса, показывая направление, где полюс был раньше, миллионы лет назад. Некоторые материалы могут со временем перемагнититься, а аномалия — исчезнуть. Так было с Левантийской аномалией, которая существовала между 1050 и 700 годами до нашей эры. Исследования океанов выявили характерную картину аномалий вокруг Срединно-океанического хребта, у побережья Японии к югу от вулкана Торишима, рядом с Новой Зеландией и др. Очевидно, что там под водой есть полезные ископаемые, и таким образом спутниковые исследования помогли это обнаружить. Упомянутые регионы образовались в ходе тектонических процессов, и ученые ищут связи между магнитным полем и структурой Земли.
Спутник «Прогноз»
Сейчас существует несколько теорий, что именно внутри нашей планеты создает магнитное поле. Чаще всего учеными для объяснения используется динамо-эффект. Жидкое ядро Земли имеет заряженные частицы. Они двигаются и создают магнитное поле. В ядре есть два типа перемещения вещества: конвективный и вращательный. В первом случае холодные слои опускаются, а горячие поднимаются, во втором вещество двигается по направлению вращения планеты и из-за силы Кориолиса закручивается, как это делают циклоны на поверхности. Суммарное движение приводит к появлению закрученных потоков, напоминающих проволоку в катушке электромагнита. Так как потоки неравномерно появляются и располагаются, магнитное поле не похоже на то, которое мы можем наблюдать у обычных магнитов. Так, магнитные полюса Земли не только не совпадают с географическими, но даже соединяющая их воображаемая линия не проходит через центр Земли. Сейчас южный магнитный полюс располагается в Южном океане, недалеко от побережья Антарктиды, с координатами 64,08° ю. ш., 135,8° в. д., а северный — на границе России и Канады с координатами 86,4° с. ш., 162,8° в. д. Каждый из них хаотично перемещается в разных направлениях и с меняющейся скоростью. Северный магнитный полюс сдвигается на 55 км в год, а южный — на 15 км в год. Такой быстрый дрейф приводит к необходимости более частой корректировки навигационных систем, использующих магнитное поле Земли, как у самих спутников, так и в земных компасах в смартфонах или в резервных системах навигации кораблей и самолетов. Есть свидетельства, что около 780 тысяч лет назад полюса вообще поменялись местами. Такое явление очень часто происходит на Солнце, с периодом в 11 лет, и называется инверсией. Выстроенное движение жидкого вещества нарушается, потоки смешиваются. Тогда может произойти что угодно, даже появиться несколько полюсов, располагающихся на экваторе. Есть мнение, что подобное событие вызвало глобальное вымирание того периода. Конечно, заглянуть внутрь планеты для детального изучения ядра невозможно, так что приходится получать данные только при помощи орбитальных аппаратов, которые исследуют магнитное поле Земли.
Знания обо всех процессах в недрах Земли и изменения магнитного поля очень важны, и потому все больше космических аппаратов запускается с целью получить новые данные в этой области.
Узнать больше, а также изучить поведение магнитного поля Земли в реальном времени можно в Центре «Космонавтика и авиация».
«Лунариум»
Время работы: с 10:00 до 21:00,
Выходной день: вторник
«Ретро-кафе»: в дни работы Планетария с 10:00 до 20:00.
+7 (495) 221-76-90
АО «Планетарий» © 2017 г. Москва, ул.Садовая-Кудринская, д. 5, стр. 1
> Магнитное поле Земли
- Залы Планетария
- Схема Планетария
- Экспонаты
Экспонат музея Лунариум
Магнитное поле Земли
Магнитное поле Земли или геомагнитное поле — это гигантское магнитное силовое поле, окружающее нашу планету. По мнению учёных, магнитное поле играет важнейшую роль в том, чтобы Земля была пригодной для жизни. Оно защищает её на дальних подступах от вредоносных воздействий солнечного ветра и космического излучения. Основной источник магнитного поля находится внутри Земли – в ядре. В некотором упрощении можно сказать, что земной шар представляет собой полосовой магнит с осью, направленной приблизительно с севера на юг. Точки пересечения оси магнита с поверхностью Земли называются геомагнитными полюсами, которые на протяжении геологической истории Земли (4,5 млрд. лет) неоднократно менялись местами. Такую смену полюсов называют инверсией.
Причина смены полярности до сих пор не ясна. При инверсии геомагнитных полюсов северный конец магнитной стрелки будет указывать на юг, а южный – на север. Постоянное движение геомагнитных полюсов является причиной колебаний магнитного склонения на поверхности Земли. Поэтому стрелка магнитного компаса указывает на север или юг приблизительно.
Друзья, если вы хотите увидеть, как работает магнитное поле Земли, экспонат Лунариума – «Магнитное поле Земли» ждёт вас!
РЕЖИМ РАБОТЫ
с 10.00 до 21.00
выходной — вторник
Экспозиция верхнего уровня посвящена Земле.
Экспозиция нижнего уровня посвящена Вселенной.
ГЕОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ЗЕМЛИ
-2006/53-4/image003_534.jpg)
Мы знаем о магнитном поле Земли (геомагнитном поле), что оно ориентирует стрелку компаса в направлении север-юг, благодаря ему совершены великие физические открытия, до сих пор геомагнитное поле используется для воздушной, водной, подводной и космической навигации.
Однако далеко не все знают, что геомагнитное поле оказывает очень глубокое влияние на геофизические, биофизические и экологические процессы на Земле. Оно сыграло выдающуюся роль в эволюции Земли, в происхождении и защите жизни на Земле.
Поэтому ниже будет рассказано об основных свойствах геомагнитного поля и о его влиянии на эволюцию нашей планеты.
Напряжённость геомагнитного поля невелика, на поверхности Земли она изменяется от 0.3 эрстед на магнитном экваторе до 0.6 эрстед на магнитных полюсах, которые, не совпадают с соответствующими географическими полюсами. Отклонение магнитных полюсов от географических в настоящее время достигает 2000-3000 км. Геомагнитное поле пронизывает все три оболочки Земли: литосферу, гидросферу и атмосферу, воздействует на живую и неживую природу, на все четыре царства природы: растительное, животное, минеральное и, конечно, человеческое. Магнитное поле Земли также оказывает существенное влияние на климат и погоду. Изменения его интенсивности могут привести к значительным колебаниям в температуре, в атмосферном давлении и в частоте выпадения осадков, а также к бурям, ураганам и другим стихийным бедствиям.
Геомагнитное поле намагничивает все минералы и горные породы. Магнитную память о древнем геомагнитном поле сохраняют входящие в состав всех горных пород ферримагнитные минералы. Их естественная остаточная намагниченность появляется во время их образования и сохраняется полностью или частично до нашего времени. Оно также намагничивает почвы, оказывая заметное влияние на плодородие последних. Проведённые эксперименты показали, что подмагничивание почв в более сильных, чем земное, полях может ускорить рост растений. Этот любопытный факт прямой связи подмагничивания почв с их плодородием может иметь важное прикладное значение для сельского хозяйства.
Геомагнитное поле состоит из главного геомагнитного поля, источники которого находятся во внешнем электропроводящем ядре Земли, аномального, создаваемого намагниченными горными породами, и внешнего геомагнитных полей. Вклад главного геомагнитного поля составляет более 95%. В соответствии с общей теорией геомагнетизма Гаусса главное геомагнитное поле состоит из дипольной и недипольной частей. В первом приближении теории геомагнитное поле является полем диполя, наклоненного к оси вращения Земли на угол 10-12 градусов. Аномальное поле составляет около 3% геомагнитного поля, а внешнее, связанное с солнечно-земными взаимодействиями, – менее 1%. Измерения магнитного поля Земли выполняются на магнитных обсерваториях, магнитные съемки бывают сухопутными, водными, воздушными и спутниковыми.
Силовые линии и напряжённость геомагнитного поля находятся в непрерывном изменении. Изменения (вариации) геомагнитного поля имеют периоды как в сотни и тысячи лет, так и от нескольких месяцев, до долей секунд. Кроме того, имеется тенденция смещения силовых линий геомагнитного поля на запад со скоростью 0.2 градуса в год (так называемый западный дрейф). Длиннопериодные вариации с периодом от 60 до 1800 и более лет называются «вековыми», короткопериодные (с периодом меньше одного года) очень различны как по своим периодам, так и по своей природе. Источники вековых вариаций, по современным представлениям, находятся в ядре Земли, источники короткопериодных – в верхних слоях атмосферы, в ионосфере и магнитосфере. Интенсивность короткопериодных вариаций зависит от активности солнечно-земных взаимодействий.
На Земной поверхности существуют так называемые магнитные аномалии, напряженность которых существенно превышает среднее аномальное геомагнитное поле. Магнитные аномалии во многих случаях связаны с залежами полезных ископаемых. Таким образом, непосредственные измерения геомагнитного поля прямо связаны с поиском полезных ископаемых (включая алмазы) как на суше, так и на дне мирового океана.
Согласно современным представлениям, геомагнитное поле образовалось приблизительно через 1 миллиард лет после образования самой планеты Земля, возраст которой составляет около 4,5 миллиарда лет. В результате дифференциации вещества Земли возникла различные по физическим свойствам оболочки. В результате Земля состоит из земной коры, мантии, внешнего жидкого электропроводящего металлического ядра и внутреннего твёрдого ядра. Геомагнитное поле оказало влияние на эволюцию и свойства тела Земли, биосферу и человека. В последнее время было убедительно доказано, что у различных организмов – от бактерий до позвоночных – выявляются поведенческие реакции на изменения геомагнитного поля. Это свидетельствует о том, что геомагнитное поле воспринимается этими организмами и является существенным компонентом их среды обитания. Всё это в полной мере относится и к человеку. Ведь нам известно, как люди реагируют на изменения магнитной активности, многие люди очень чувствительны к магнитным бурям. Поэтому магнитное поле Земли имеет огромное экологическое значение. Более того, оно делает возможной саму жизнь на Земле.
Последнее связано с тем, что геомагнитное поле образует магнитосферу Земли, которая является природным барьером на пути солнечного ветра и космического излучения к поверхности Земли. Радиационные зоны магнитосферы захватывают и удерживают частицы высоких энергий солнечного и космического излучений за пределами атмосферы Земли. Магнитосфера простирается на расстояние порядка десяти земных радиусов (радиус Земли составляет 6371 км) в направлении Солнца и на расстояние порядка 1000 земных радиусов в противоложном направлении. Солнечный ветер представляет собой постоянный поток плазмы, состоящей из высокоэнергетических протонов, электронов, и небольшого количества ядер гелия, ионов кислорода, кремния, серы, железа и др., которые ежедневно с огромной скоростью приближаются к нашей планете. Скорости этих частиц у орбиты Земли достигают 350 и даже 700 километров в секунду, что в тысячи раз больше скорости звуковых волн в сухом воздухе.
Итак, именно геомагнитное поле является одним из обязательных условий существования и развития жизни на Земле, потому что, как уже было сказано выше, оно, наравне с атмосферой, защищает Землю от пагубного разрушительного воздействия солнечного ветра и космических лучей. Более того, жизнь на Земле могла возникнуть только после дифференциации вещества Земли, возникновения ядра и, соответственно, геомагнитного поля. До появления геомагнитного поля поверхность Земли подвергалась непрерывному воздействию «стерилизующей» космической радиации, которая препятствовала началу биогенеза.
После возникновения жизни она миллиарды лет развивалась в присутствии различных геомагнитных явлений: магнитных вариаций и пульсаций разных периодов, магнитных бурь, полярных сияний. Ко всем этим магнитным эффектам живые организмы приспосабливались и эволюционировали таким образом, чтобы использовать их для улучшения своего существования.
Вспышки на солнце вызывают изменения интенсивности солнечного ветра, что в свою очередь является основной причиной возмущения геомагнитного поля и магнитосферы. А эти возмущения являются источником наиболее интенсивных геомагнитных сигналов на Земле – магнитных бурь и суббурь . Суббурей называется магнитная буря, имеющая локальный географический характер и меньший в сравнении с магнитной бурей «размах». Всем известно, что магнитные бури вызывают у многих людей плохое самочувствие, связанное с повышением или понижением давления, и другие побочные эффекты. Учёные установили, что в состав человеческой крови и лимфы входят ионы железа, а, как известно, железо обладает магнитным моментом и способностью намагничиваться в магнитном поле. Может быть именно поэтому человек так чувствителен к любому, даже самому незначительному изменению интенсивности геомагнитного поля.
Любопытно отметить ещё один факт. При использовании биомагнитных изображений учёным удалось показать, что частота «мозговых» волн человека охватывает диапазон геомагнитных микропульсаций и осцилляций геомагнитных бурь. Конечно, магнитное поле Земли более интенсивно, чем волны мозга, но вопрос о возможной реакции мозга на стимуляцию внешним магнитным полем остаётся открытым. Есть ещё много загадок, связанных с геомагнитным полем. Некоторые исследования показали, что навигация птиц, пчел и других представителей фауны тесно связана с направлением геомагнитного поля.
Следует обратить особое внимание на то, что прямые измерения геомагнитного поля в магнитных обсерваториях проводятся только на протяжении последних 400 лет. Полученных данных явно недостаточно для изучения вековых вариаций с периодами 600, 900, 1800 и более лет, а тем более для познания эволюции геомагнитного поля, которое существует не менее четырёх миллиардов лет. В связи с этим в середине 50-ых годов ХХ века был разработан так называемый палеомагнитный метод исследования древнего геомагнитного поля. Палеомагнитный метод основан на так называемой магнитной памяти горных пород: способности «запоминать» величину и направление древнего геомагнитного поля, в котором намагничивалась горная порода во время своего образования. Палеомагнитные данные получаются при «считывании» магнитной информации, которую несёт горная порода и датирования горной породы радиоактивными методами, позволяющее примерно определить возраст исследуемой породы (эпоху её образования). При изучении большого числа разновозрастных горных пород и обобщении полученной таким образом палеомагнитной информации была создана так называемая магнито-хронологическая шкала инверсий, указывающая нам, в какие геологические эпохи направление древнего геомагнитного поля совпадало с современным, а когда оно было ему прямо противоположно.
Палеомагнитные исследования показали, что изменяется не только интенсивность геомагнитного поля, но и знак. То есть, регулярно происходят инверсии ( переполюсовки ) магнитного поля Земли, при которых северный и южный магнитный полюса меняются местами. За последние 600 миллионов лет геологической истории инверсий насчитывается более тысячи.
Инверсии магнитных полюсов не являются отличительной особенностью нашей планеты. На Солнце смены полярности магнитного поля происходят регулярно, каждые 11 лет. Это является доказанным фактом в физике космоса. Инверсии магнитного поля Земли в среднем происходят с периодом около 1 миллион лет, а продолжительность инверсии составляет в среднем 5000 лет.
Описанные выше палеомагнитные исследования привели также к созданию так называемой концепции тектоники литосферных плит, согласно которой восстановленное по палеомагнитным данным (наблюдаемое) движение магнитных полюсов Земли трактуется как движение в противоположную сторону соответствующих блоков земной коры (континентов, литосферных плит и т.п.) при неподвижных магнитных и географических полюсах. Согласно концепции вся литосфера Земли состоит из 10-12 крупных плит, которые перемещаются относительно друг друга со скоростью от одного до десяти сантиметров в год. При масштабном раздвижении литосферных плит возникают океаны, при сжатии – горные массивы. Концепция объясняет современную структуру материков как следствие раскола древнего праматерика Пангеи и раздвижения его отдельных частей под действием силы вращения Земли. При раздвижении обломков Пангеи (современных материков) между ними образовались Атлантический, Индийский и др. океаны.
Кстати, учёные обнаружили интереснейший факт: на континентах слои с прямо и обратно намагниченными горными породами [1] чередуются вглубь по вертикали, а на океанском дне такое чередование происходит по горизонтали, по обе стороны от срединных океанских хребтов. То есть если по одну сторону от океанского хребта есть обратнонамагниченный слой горных пород, то по другую сторону океанского хребта есть такой же «слой-близнец», расположенный симметрично относительно хребта. Аналогично для прямонамагниченных слоёв. Это было установлено при исследовании аномального геомагнитного поля океана в окрестности подводных срединных океанских хребтов. Измерения показали, что по обе стороны подводного хребта наблюдаются симметричные системы положительных и отрицательных геомагнитных аномалий, источниками которых и являются прямо и обратно намагниченные слои подводных пород. Такую магнитную структуру дна мирового океана в рамках тектоники плит можно объяснить, связав образование в центрах срединных хребтов новых горных пород в результате магмоизвержений и их движение в стороны от хребтов с инверсиями геомагнитного поля. То есть, на осях подводных срединно-океанских хребтов в результате магмоизвержений происходит образование новой океанской коры, которая симметрично растекается в стороны. Эта кора намагничивается в действующем в эпоху её образования геомагнитном поле. Если после этого происходит инверсия геомагнитного поля, то следующий, образованный в результате нового магмоизвержения , слой океанской коры будет намагничен противоположно предыдущему. Отсюда такая интересная магнитная структура дна мирового океана, которая может образоваться, если наряду с инверсией геомагнитного поля происходит и расширение ( спрединг ) дна мирового океана.
Однако, следует отметить, что с точки зрения геомагнетизма концепцию тектоники литосферных плит нельзя считать окончательно научно обоснованной, так как все расчеты движения плит выполнялись при предположении, что магнитные полюса Земли неподвижны и совпадают с географическими. Однако, в настоящее время северный магнитный полюс смещен на 2000 км от географического, а южный магнитный – на 3000 км от южного географического. Кроме того, измерения показывают, что силовые линии магнитного поля непрерывно перемещаются по поверхности Земли, при этом изменяются и напряженность геомагнитного поля и положения магнитных полюсов.
Во время инверсий геомагнитного поля, продолжительность которых составляет тысячи лет, напряжённость магнитного поля близка к нулю. Как было сказано выше, в отсутствие геомагнитного поля деструктивные высокоэнергетические частицы солнечного ветра смогут достигнуть поверхности Земли и уничтожить всё живое. Конечно, в отсутствие магнитного поля частицы солнечного и космического излучений могут частично тормозиться в верхних слоях атмосферы и, при достижении поверхности Земли, частично терять свои разрушающие свойства. Но, тем не менее, магнитный барьер в верхней атмосфере отсутствует.
Инверсии геомагнитного поля, в процессе протекания которых могут произойти непредсказуемые изменения в живой и неживой природе на поверхности Земли, являются своеобразными революциями и могут оказывать огромное влияние на ход эволюции Земли. Значит ли это, что во время следующей инверсии геомагнитного поля на Земле исчезнет вся биосфера и прекратится всякая жизнь.
Здесь следует упомянуть, что за время прямых измерений геомагнитного поля (последние 400 лет) ни одной инверсии мы пока не наблюдали. Все инверсии были восстановлены по косвенным признакам: измерениям магнитного сигнала древних горных пород. При этом предполагается, что этот магнитный сигнал остаётся неизменным в течение тысяч и миллионов лет со времени формирования и намагничивания горной породы в древнем геомагнитном поле и что он несёт нам информацию о величине и направлении древнего геомагнитного поля соответствующей геологической эпохи. Эти предположения не всегда выполняются. Помимо прочего в некоторых случаях благодаря своим физико-химическим свойствам горная порода намагничивается в направлении, обратном направлению намагничивающего поля, то есть прямо противоположно приложенному полю. Это необычное, но, тем не менее, реально встречающееся явление получило название самообращения намагниченности. В связи с существованием феномена самообращения, палеомагнитные данные, несущие информацию об обратнонамагниченных горных породах и трактующиеся как инверсии геомагнитного поля, требует более тщательной проверки.
Геомагнитное поле «пронизывает» все сферы жизни человека. Стоит ли говорить, что вся современная морская и воздушная навигация осуществляется при использовании компаса, который, как известно, всегда ориентируется по направлению юг-север. Конечно, помимо компаса при навигации используются и геодезические измерения. А вот подводные лодки при движении ориентируются только на направление геомагнитного поля. Измерения геомагнитного поля также широко используются в сейсмологии в качестве предвестников землетрясений.
Список рекомендуемой литературы:
В.И. Трухин и др. Магнетизм почв. Ярославль, 1995.
В.И. Трухин, К.В. Показеев, В.Е. Куницын. Общая и экологическая геофизика, Москва, Физматлит , 2005.
Дж. Джекобс . Земное ядро , Москва, Мир, 1979.
Jacobs. Reversals of the Earth’s magnetic field. Cambridge, Cambridge University Press, 1994.