Зона влияния магнитного поля Земли, простирающаяся на многие тысячи километров в космос, называется магнитосферой. С увеличением расстояния от Земли магнитное поле слабеет.
Содержание
История изучения
- В Китае о магнитных свойствах Земли знали с IV века до н.э. Эти знания попали в Европу через монголов в XII веке, вместе с магнитным компасом, представлявшим собой плавающую в сосуде с водой пробку с закрепленной на ней магнитной иглой.
- В 1600 году английский врач и физик Уильям Гилберт опубликовал работу, в которой показал, что причиной ориентации стрелки компаса на север является магнитное поле вокруг Земли.
- Английский математик Генри Геллибранд в 1635 году обнаружил, что поле не статично, а медленно меняется.
- В начале XVIII века начались систематические измерения магнитного поля Земли. Было обнаружено, что в поле происходят колебания, которые могут длиться от нескольких минут до нескольких дней.
- Немецкий физик Карл Фридрих Гаусс, заинтересовавшись в 1828 году явлениями земного магнетизма, показал, что происхождение геомагнитного поля обусловлено процессами в глубинах Земли, а причина его колебаний приходит извне.
Форма
На поверхности Земли геомагнитное поле приближенно представляется геомагнитным дипольным полем, с южным магнитным полюсом вблизи географического Северного полюса и северным магнитным полюсом вблизи географического Южного полюса. Это всего лишь модель, от которой фактическое поле отклоняется. Точность модели на поверхности улучшается при наилучшем подборе диполя, но в недрах Земли — это приближение менее удачно.
В мантии Земли для лучшего приближения применяется многополюсная модель Международного опорного геомагнитного поля.
Магнитные полюса Земли
Магнитные полюса – это места на поверхности Земли, где линии магнитного поля перпендикулярны к поверхности. При приближении к экватору угол между линиями поля и поверхностью Земли уменьшается.
Однако, по традиции, южный магнитный полюс называют северным геомагнитным полюсом. Аналогично, северный магнитный полюс называется южным геомагнитным полюсом.
Расположение геомагнитных полюсов не совпадает в точности с географическими полюсами. Угол между осью Земли и осью геомагнитного диполя составляет около 9,6°, при этом ось диполя не проходит через центр Земли, а сдвинута на 340 км в сторону Новой Гвинеи.
Положение магнитных полюсов медленно изменяется, оба полюса движутся независимо один от другого; при этом изменяется направление и сила магнитного поля.
Расстояние от северного магнитного полюса до географического южного полюса больше, чем от южного магнитного полюса до географического северного полюса.
Магнитное склонение и магнитное наклонение
Угол между географическим севером и севером, указываемым магнитным компасом, называется магнитным склонением. На картах магнитного склонения точки с одинаковыми склонениями соединяют линиями, называемыми изогонами.
Напряженность поля
Напряженность магнитного поля в системе единиц Си измеряется в единице тесла (Тл), и на поверхности Земли определяется географическим положением. При среднем значении 50 мкТл напряженность достигает на магнитных полюсах 60 мкТл, спадая у экватора до 31 мкТл.
При этом, ввиду наличия магнитного наклонения, в средних и высоких широтах составляющая магнитного поля выше, чем горизонтальная составляющая. Внутри Земли плотность магнитного потока примерно в сто раз больше.
Магнитные аномалии
Из-за различий в магнитной проницаемости разных пород в земной коре в магнитном поле Земли возникают небольшие локальные отклонения. Такие вариации могут быть обусловлены залежами железа в недрах или каменными конструкциями, например, старыми фундаментами.
Встречаются и более крупные вариации (магнитные аномалии). Самый известный пример – Южно-Атлантическая аномалия, причину которой следует искать глубоко в недрах Земли. Курская магнитная аномалия на юге европейской части России является примером магнитной аномалии, обусловленной аномальным количеством железной руды.
Изменения магнитного поля Земли
Изменения магнитного поля бывают кратковременные и медленные. Локальные кратковременные изменения магнитного поля вызываются молниями, под воздействием грозового электрического разряда. Медленные изменение геомагнитного поля, вызывающие изменение магнитного склонения, обусловлены изменениями в глубинах Земли. Эти изменения невозможно предсказать в долгосрочной перспективе, но можно предсказать на несколько лет вперед.
На топографических картах указывается магнитное склонение на год составления карты и его ежегодное изменение, что требует внесения поправок в показания компаса при пользовании картами прежних лет выпуска.
Магнитные бури
Силовые линии магнитного поля на удалении от Земли искажаются вследствие влияния солнечного ветра. В верхних слоях атмосферы Земли солнечный ветер отклоняется, одновременно само поле сильно искажается в результате столкновения с потоками плазмы.
Место, где плотность солнечного ветра и магнитного поля Земли уравнивается, называется магнитопаузой; магнитопауза ограничивает магнитосферу Земли.
На теневой от потока ионизированных частиц стороне Земли образуется хвост плазмы. Магнитные бури, вызванные солнечными извержениями, временно усиливающими солнечный ветер, оказывают влияние на напряженность магнитного поля, а на солнечной стороне Земли частицы ионизируются солнечным ветром еще сильнее.
Генерируемые при этом электрические токи изменяют магнитное поле. В нижних слоях атмосферы магнитосфера представляет собой щит, защищающий Землю от потока заряженных частиц.
Уменьшение напряженности поля
С начала систематических измерений геомагнитного поля (около 1830 года) его напряженность уменьшилась примерно на 10%. Это очень быстрое изменение в масштабах геологического времени, поскольку согласно расчетам, поле могло бы исчезнуть примерно через 10 тысяч лет, т.е. изменения происходят гораздо быстрее, чем может быть объяснено.
Инверсии магнитных полюсов
На протяжении миллионов лет магнитное поле Земли неоднократно меняло свое направление. Эти развороты (инверсии) с достаточной точностью документированы за последние 160 миллионов лет.
Развороты происходят в среднем каждые 200-300 тысяч лет, но наблюдалась также пауза, когда разворотов не было в течение 40 миллионов лет. Текущий период без разворотов длится уже 780 тысяч лет. Развороты, скорей всего, вызваны изменениями в протекающих в глубинах планеты электрических токах.
Вполне возможно, что защита жизни на Земле от солнечного ветра снизится в течение ближайших нескольких тысяч лет.
Причины возникновения
В 2005 году было показано, что геомагнитное поле в основном генерируется в четырех областях на переходе между ядром и мантией Земли. Магнитный поток сосредоточен в районах под Северной Америкой, Сибирью и побережьем Антарктиды.
Теория электрических токов
Наиболее распространенная теория происхождения магнитного поля Земли базируется на протекающих в ядре Земли электрических токах.
Для образования магнитных полей вокруг небесных тел необходимо соблюдение трех условий:
Большое количество электропроводящей жидкости (в случае Земли — это условие выполняется благодаря наличию жидкого внешнего ядра, состоящего в основном из никеля и железа).- Чтобы в ядре небесного тела возникли конвекционные токи, необходим источник энергии (в случае Земли температура во внутреннем ядре составляет не менее 5000 °C).
- Небесное тело должно вращаться, при этом действующая кориолисова сила создает спиральный поток, что увеличивает напряженность магнитного поля.
Теория приливных сил
Альтернативная теория объясняет происхождение геомагнитного поля приливными силами Луны, Солнца и планет, замедляющими вращение Земли. При этом мантия замедляется сильнее, чем ядро Земли, и более быстрое вращение внутреннего ядра индуцирует ток, вызывающий геомагнитное поле. Но распространенная точка зрения предполагает, что более быстрое вращение внутреннего ядра является следствием, а не причиной возникновения геомагнитного поля.
Изучение и моделирование
Магнитное поле Земли систематически измеряется и контролируется на более чем 200 измерительных станциях по всему миру. Одновременно ведутся наблюдения и с космических спутников.
С 1995 года для прогнозирования изменения геомагнитного поля и причин его изменений в прошлом используется численное компьютерное моделирование. Рассчитанные таким образом модели очень реалистичны и обосновывают научные теории геомагнитного поля.
Потребное для подобных симуляций время очень велико: например, чтобы рассчитать изменения поля за 300 тысяч лет, необходим год.
Практическое значение
Магнитное поле Земли обеспечивает ориентацию на Земле посредством компаса. Магнитные измерения также полезны для геофизической разведки и важны для судоходства, космических путешествий и геодезии.
Геомагнитные измерения проводятся как на глобальном, так и на локальном уровне. Картирование магнитных аномалий является, наряду с сейсмическими исследованиями, важным методом поиска месторождений полезных ископаемых.
Научная дисциплина палеомагнетизм изучает на основе изменений геомагнитного поля смещения континентов в прошлом.
Магнитосфера как источник энергии
Иногда высказывается предположение, что магнитное поле Земли можно использовать для получения энергии, что многими учеными относится к области псевдонауки. Однако до сих пор не был реализован ни один работоспособный проект.
Жизнь на Земле и геомагнитное поле
Из-за уменьшения напряженности геомагнитного поля при развороте полюсов Земля подвергается вредоносному солнечному излучению, что приводит к ускорению генетических мутаций живых организмов, исчезновению одних видов и появлению новых.
Ряд видов животных, таких как летучие мыши, голуби, перелетные птицы, морские черепахи, акулы и, возможно, киты, способны воспринимать геомагнитное поле и использовать его для ориентации при дальних путешествиях. Это явление объясняется наличием ферромагнитных минералов в особых органах этих животных.
К возникновению у Земли магнитного поля привел ряд условий, не всегда выполняющихся на других планетах. Так, магнитное поле практически отсутствует у Венеры. Магнитосфера планеты защищает жизнь на ней от вредоносного воздействия солнечного ветра, а наличие магнитных полюсов позволяет людям осуществлять навигацию посредством компаса, а некоторым видам животных ориентироваться посредством особых органов.
