Магнитное поле

В любой точке на поверхности или внутри Земли, а также в окружающем её пространстве действуют магнитные силы. Наша планета представляет собой гигантский магнит, но напряжённость поля этого магнита относительно невелика – около 0,01А/м (ампер на метр). Для сравнения укажем, что искусственное поле электромагнитов достигает напряжённости 10-20А/м, а с помощью сверхпроводников удаётся достичь напряжённости магнитного поля в 1000-2000А/м.

Основы науки о геомагнетизме были заложены в период между 13 и 16 столетиями. К середине 15в. стало известно, что подвешенный магнит не всегда указывает точно на север. Первые сведения о наклонении направления земного магнитного поля относительно горизонтальной плоскости появились в середине 16в.

В 1600г. был опубликован трактат придворного врача английской королевы Елизаветы I Вильяма Гильберта (1544-1603) «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле». В нём показано, что внешнее магнитное поле Земли по форме силовых линий близко к полю диполя – элементарного бесконечно малого магнита, то есть наша планета представляет собой как бы большую магнитную стрелку. Центр диполя Земли смещён относительно её полюсов, его ось наклонена относительно оси вращения Земли примерно на 11°, поэтому географические и магнитные полюса не совпадают.

Прошло более 400 лет, но загадка геомагнетизма до сих пор не раскрыта и остаётся одной из важнейших нерешённых проблем геофизики. С 17 по 20 век было проведено огромное количество наблюдений за магнитным полем Земли, в результате чего выявлены основные закономерности его поведения. Огромный вклад в решение проблемы внесли такие знаменитые учёные, как французский физик и химик Гей-Люссак (1778-1850), английский физик Максвелл (1831-1879), немецкий математик, геодезист и астроном Гаусс (1777-1855).

Особо значимо создание теории электромагнетизма Максвеллом в 70-х годах 19 века. Из теории Максвелла следует, что магнитное поле порождается электрическим током. Следовательно, необходимо найти внутри планеты токовые системы подходящей конфигурации и силы, создающие на поверхности Земли магнитное поле.

В середине 20 века профессором Кембриджского университета Г. Джеффрисом было установлено существование огромного жидкого внешнего ядра Земли. Именно жидкое состояние ядра даёт объяснение механизма генерации геомагнитного поля. Получила развитие теория, связывающая возникновение магнитного поля Земли с протеканием электрических токов, возникающих при движении проводящей жидкости в ядре. Альтернативы этой теории пока ещё нет.

Для понимания сути процессов генерации геомагнитного поля Земли обратимся к механизму динамо. Будем считать, что создание магнитного поля во внешнем жидком ядре Земли происходит так же, как в динамо-машине с самовозбуждением, где катушка проводов вращается во внешнем магнитном поле. Тогда за счёт электромагнитной индукции в катушке возникает электрический ток и создаёт своё магнитное поле, а ток в катушке увеличивается.

Конечно, жидкое ядро планеты – это не динамо-машина. Но если в жидком проводнике возникает тепловая конвенция, то появляется некая система течений токопроводящей жидкости, что аналогично движению проводника. Предположим, что в ядре имеются некоторые начальные (затравочные) магнитные поля. Следовательно, когда жидкий проводник при своём относительном движении (а оно связано с тем, что ядро вращается не с той же скоростью, что и кора) пересекает силовые линии этих полей, то в нём возникает электрический ток, создающий магнитное поле, а это, в свою очередь, усиливает электрический ток и так далее. Процесс будет продолжаться вплоть до установления стационарного магнитного поля.

Изложенные идеи источника геомагнитного поля носят название гидромагнитного динамо и были впервые высказаны в 1919г. в Англии физиком Джозефом Лармором (1857-1942). В середине 40-х годов российский физик Я.И. Френкель (1894-1952) предположил, что тепловая конвенция в ядре и есть та причина, которая приводит в действие гидромагнитное динамо ядра Земли. Подсчитано, что зона, в которой действует механизм «магнитное динамо», находится на расстоянии 0,25-0,3 радиуса Земли.

Магнитное поле Земли сыграло выдающуюся роль в эволюции Земли, в происхождении и сохранении жизни на ней. До сих пор оно используется для навигации на Земле и над Землёй, на воде и под водой, а также в околоземном космическом пространстве. Геомагнитное поле оказывает влияние почти на все геофизические, биофизические и экологические процессы на Земле. Солнечные и галактические космические лучи, несмотря на их высокую энергию, отклоняются магнитным полем Земли до того, как попадут в пределы атмосферы.

Исследования магнитного поля Земли используются для изучения физического состояния глубоких недр и процессов, происходящих в высоких слоях атмосферы. Геомагнитное поле играет также важную роль в областях, отстоящих от поверхности Земли на тысячи и более километров. Исследованиями, проведенными с космических аппаратов, установлено, что магнитное поле Земли простирается от неё на расстояние более 50 тыс. км.

Рис.1.44. Радиационные пояса Земли

Оно захватывает мириады элементарных электрически заряженных частиц, летящих из мирового пространства (в том числе и от Солнца), и не пропускает их к Земле. Задержанные магнитным полем, эти частицы образуют вокруг Земли кольцеобразный радиационный пояс, начинающийся примерно в 450км от земной поверхности и оканчивающийся на расстоянии около 50 тыс. км от неё (рис.1.44). Внутренний пояс лежит над экватором на высоте около 0,8 земных радиусов. Во внешнем поясе область наибольшей концентрации электронов и протонов находится на высоте от 2 до 3 земных радиусов над экватором, а обширная область, простирающаяся от внутреннего пояса до высоты 10 земных радиусов, содержит протоны и электроны более низкой энергии, которые, по-видимому, принесены в основном солнечным ветром. Пояса были обнаружены первым американским ИСЗ «Эксплорер-1», запущенным 31 января 1958г. Пояса названы по имени Джеймса Ван Алена – физика, руководившего экспериментом.

Поскольку магнитное поле Земли отклоняется от оси вращения планеты, внутренний пояс опускается вниз к поверхности в Южной части Атлантического океана, недалеко от побережья Бразилии.

Радиационный пояс представляет определённую опасность для космонавтов, так как элементарные частицы высоких энергий могут проникать сквозь обшивку космического корабля и поражать организм, вызывая лучевую болезнь. Состояние радиационного пояса постоянно изучается, а трассы межпланетных кораблей обходят области наибольшей концентрации в нём элементарных частиц.

Максимальная напряжённость геомагнитного поля наблюдается на полюсах (0,008-0,009А/м), а минимальная – на экваторе (0,005А/м). С удалением от поверхности Земли напряжённость резко убывает (пропорционально кубу расстояния). При этом между постоянным геомагнитным полем и силовым полем межпланетной среды под действием солнечного ветра образуется нестабильная переходная зона.

Магнитное поле является векторным, поэтому его интенсивность характеризуется не только напряжённостью, но и положением в пространстве. Во внешнем поле вектор магнитного поля направлен по касательной к магнитной силовой линии и в вертикальной плоскости он может быть разложен на горизонтальную и вертикальную составляющие. Линия пересечения этой вертикальной плоскости с поверхностью геоида называется магнитным меридианом, а угол, образуемый им с географическим меридианом, – углом магнитного склонения. Угол отклонения вектора от горизонтальной плоскости называется углом магнитного наклонения.

Распределение интенсивности геомагнитного поля изображают на картах. Линии равных значений напряжённости поля называются изодинамами, равных углов магнитного склонения – изогонами, а равных углов магнитного наклонения – изоклинами. Около географического экватора Земли проходит изодинама минимальной магнитной напряжённости – динамический экватор, в пределах которого вертикальная составляющая вектора магнитного поля равна нулю.

Рис.1.45. Фрагмент карты изогон эпохи 1980 года

(точками и штриховкой отмечены аномалии магнитного поля)

Изоклины изменяются от нуля до 90°. Они имеют тенденцию прослеживаться в широтном направлении подобно параллелям. Нулевая изоклина называется магнитным экватором и проходит в пределах Африки и Азии около 10° с. ш. и в пределах Южной Америки – около 15°ю. ш.

Изогоны (рис.1.45) изменяются от нуля до 180°. Они сходятся в магнитных полюсах Земли. По форме они напоминают географические меридианы, а нулевая изогона называется нулевым магнитным меридианом. Линия нулевого склонения образует петлю в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке, где отмечается также максимум напряжённости поля. Такие отклонения получили название магнитных аномалий.

На основное магнитное поле накладываются как мелкомасштабные аномалии (например, Курская магнитная аномалия, открытая в 1783г.), так и крупномасштабные (мировые) аномалии. Наиболее значительные мировые аномалии расположены над территорией Сибири и над Южной Америкой и Атлантикой. Мировые аномалии оказывают большое влияние на движение заряженных частиц в поясах радиации до высот в несколько тысяч километров от поверхности Земли, мелкомасштабные аномалии почти незаметны уже на высотах порядка сотни километров.

Магнитное поле Земли непостоянно, так как в верхней атмосфере текут электрические токи, создающие дополнительную переменную компоненту поля. Кроме регулярных магнитных вариаций магнитное поле подвергается возмущениям, обусловленным происходящими время от времени солнечными вспышками. Особенно интенсивные магнитные возмущения, распространяющиеся на весь земной шар, называют магнитными бурями. Некоторые магнитные бури начинаются неожиданно и почти по всей Земле, а другие развиваются постепенно. Часто магнитные бури происходят через 1-2 дня после солнечной вспышки из-за прохождения Земли через поток частиц, выброшенных Солнцем. Геомагнитная буря – существенное уменьшение горизонтальной компоненты магнитного поля Земли, продолжающееся обычно несколько часов. Причина – попадание в околоземное пространство электрически заряженных частиц, как правило, выбрасываемых из Солнца при солнечных вспышках. Во время таких бурь наблюдаются полярные сияния, и происходит нарушение радиосвязи.

Отмечается также изменчивость составляющих магнитного поля Земли. По результатам измерения магнитного склонения и магнитного наклонения установлено, что за последние 350 лет вариации достигают 30° по склонению и 10° по наклонению. Эти плавные изменения геомагнитного поля называются вековыми вариациями. Их изучение в различных районах Земли позволило установить ещё одну форму изменчивости геомагнитного поля – его аномалии плавно перемещаются на запад примерно в широтном направлении. Это свойство геомагнитного поля называется западным дрейфом. Скорость дрейфа составляет около 0,18° в год. При такой скорости наблюдаемое распределение аномалий магнитного поля совершит полный оборот вокруг Земли примерно за 1800 лет.

Вариации магнитного поля Земли во времени были зафиксированы в 1635г. английским профессором астрономии Г. Геллибрандтом. В 1701г. астроном Э. Галлей опубликовал первую карту геомагнитного поля. В середине 18в. была установлена связь между полярными сияниями и магнитными вариациями. В 19в. К. Гаусс усовершенствовал приборы для измерения магнитных вариаций и установил их в магнитной обсерватории в Гёттингене, построенной в 1833г. из немагнитных материалов. В 1834г. Гаусс и Вебер приняли участие в программе наблюдений за магнитными явлениями, которую одновременно проводили 50 обсерваторий, входивших в Гёттингенский магнитный союз. Гаусс обобщил магнитные данные и математически доказал гипотезу Гильберта о том, что источник основного магнитного поля находится внутри Земли.

Геомагнитное поле со стороны Солнца всегда поджато к Земле. Область, где геомагнитное поле, хотя и искажённое этим сжатием, сохраняет более или менее постоянное направление силовых линий, называется магнитосферой. Силовые линии на низких и средних широтах, где они не уходят далеко от Земли, лишь несколько сжаты, на высоких широтах они сжаты весьма значительно, а линии, выходящие из областей полярных шапок, вообще «сдуты» назад от Солнца (рис.1.46).

Рис.1.46. Магнитные полюса и магнитные силовые линии

Одно из самых загадочных явлений на Земле – это изменение направления её магнитного поля, которое происходило сотни раз за последние 160 млн. лет. При этом северный полюс становится южным и наоборот. В последний раз такое изменение происходило около 780 тысяч лет назад и, по мнению учёных, очередное изменение можно ожидать уже в скором будущем.

Магнитные полюсы весьма быстро перемещаются. В 1900г. Северный магнитный полюс находился в точке с координатами 69°с.ш. и 97°з.д., в 1950г. - 72°с.ш. и 96°з.д., в 1980г.- 75°с.ш. и 100°з.д., а в 1985г. - 77°с.ш. и 102°з.д. Южный магнитный полюс в 1985г. имел координаты 65,5°ю.ш. и 139,5°в.д. Прямая линия, проведенная через магнитные полюсы, не проходит через центр масс Земли. В начале 1990-х геомагнитный экватор был наклонён к географическому экватору на 12°, а ось диполя отстояла от центра масс Земли на 460км в направлении Тихого океана (18°с.ш. и 148°в.д.). Для изменения полярности магнитного поля требуются сотни лет. Смена полярности повлияет не только на миграцию животных и птиц, но и подвергнет Землю воздействию космической радиации.

Смена полюсов опасна для жизни на Земле. Магнитное поле искривляет поток «солнечного ветра», то есть заряженных частиц, прилетающих из космоса. В результате большинство из них огибает Землю по замкнутым траекториям и не наносит вреда. Резкие колебания поля привели бы к тому, что число высокоэнергетических частиц, проникающих сквозь атмосферу, возросло бы в десятки раз. Согласно одной из гипотез, подобное событие привело к вымиранию динозавров.

Смену магнитных полюсов Земли можно предсказать, утверждают итальянские геофизики. Каждое такое событие, по их мнению, предопределяет следующее. Земное ядро «помнит» историю магнитных переключений, а математическая формула учёта этой «памяти» хорошо известна.

Северный геомагнитный полюс (рис.1.45) в настоящее время находится в арктической части Канады (остров Эллеф Рингнес) и дрейфует к северу вдоль эллиптической траектории со средней скоростью более 40 метров в сутки. Согласно имеющимся данным, за время, что прошло с момента образования нашей планеты, Северный геомагнитный полюс успел побывать на большей части земной поверхности.

Дата добавления: 2014-11-18