Земля как магнит: Геомагнитное поле. Земля как магнит: геомагнитное поле Какое магнитное поле земли
Строение и характеристики магнитного поля Земли
На небольшом удалении от поверхности Земли, порядка трёх её радиусов, магнитные силовые линии имеют диполеподобное расположение. Эта область называется плазмосферой Земли.
По мере удаления от поверхности Земли усиливается воздействие солнечного ветра : со стороны Солнца геомагнитное поле сжимается, а с противоположной, ночной стороны, оно вытягивается в длинный «хвост».
Плазмосфера
Заметное влияние на магнитное поле на поверхности Земли оказывают токи в ионосфере . Это область верхней атмосферы, простирающаяся от высот порядка 100 км и выше. Содержит большое количество ионов . Плазма удерживается магнитным полем Земли, но её состояние определяется взаимодействием магнитного поля Земли с солнечным ветром, чем и объясняется связь магнитных бурь на Земле с солнечными вспышками.
Параметры поля
Точки Земли, в которых напряжённость магнитного поля имеет вертикальное направление, называют магнитными полюсами . Таких точек на Земле две: северный магнитный полюс и южный магнитный полюс .
Прямая, проходящая через магнитные полюсы, называется магнитной осью Земли. Окружность большого круга в плоскости, которая перпендикулярна к магнитной оси, называется магнитным экватором. Вектор магнитного поля в точках магнитного экватора имеет приблизительно горизонтальное направление.
Для магнитного поля Земли характерны возмущения, называемые геомагнитными пульсациями вследствие возбуждения гидромагнитных волн в магнитосфере Земли; частотный диапазон пульсаций простирается от миллигерц до одного килогерца .
Магнитный меридиан
Магнитными меридианами называются проекции силовых линий магнитного поля Земли на её поверхность; сложные кривые, сходящиеся в северном и южном магнитных полюсах Земли .
Гипотезы о природе магнитного поля Земли
В последнее время получила развитие гипотеза, связывающая возникновение магнитного поля Земли с протеканием токов в жидком металлическом ядре. Подсчитано, что зона, в которой действует механизм «магнитное динамо », находится на расстоянии 0,25-0,3 радиуса Земли . Аналогичный механизм генерации поля может иметь место и на других планетах, в частности, в ядрах Юпитера и Сатурна (по некоторым предположениям, состоящих из жидкого металлического водорода).
Изменения магнитного поля Земли
Это подтверждается и текущим возрастанием угла раствора каспов (полярных щелей в магнитосфере на севере и юге), который к середине 1990-х годов достиг 45°. В расширившиеся щели устремился радиационный материал солнечного ветра, межпланетного пространства и космических лучей, вследствие чего в полярные области поступает большее количество вещества и энергии, что может привести к дополнительному разогреву полярных шапок.
Геомагнитные координаты (координаты Мак-Илвайна)
В физике космических лучей широко используются специфические координаты в геомагнитном поле, названные в честь учёного Карла Мак-Илвайна (Carl McIlwain ), первым предложившего их использование , так как они основаны на инвариантах движения частиц в магнитном поле. Точка в дипольном поле характеризуется двумя координатами (L, B), где L - так называемая магнитная оболочка, или параметр Мак-Илвайна (англ. L-shell, L-value, McIlwain L-parameter ), B - магнитная индукция поля (обычно в Гс). За параметр магнитной оболочки обычно принимается величина L, равная отношению среднего удаления реальной магнитной оболочки от центра Земли в плоскости геомагнитного экватора, к радиусу Земли. .
История исследований
О способности намагниченных предметов располагаться в определённом направлении было известно ещё китайцам несколько тысячелетий назад.
В 1544 году немецкий учёный Георг Гартман открыл магнитное наклонение . Магнитным наклонением называют угол, на который стрелка под действием магнитного поля Земли отклоняется от горизонтальной плоскости вниз или вверх. В полушарии севернее магнитного экватора (который не совпадает с географическим экватором) северный конец стрелки отклоняется вниз, в южном - наоборот. На самом магнитном экваторе линии магнитного поля параллельны поверхности Земли.
Впервые предположение о наличии магнитного поля Земли, которое и вызывает такое поведение намагниченных предметов, высказал английский врач и натурфилософ Уильям Гильберт (англ. William Gilbert ) в 1600 году в своей книге «О магните» («De Magnete»), в которой описал опыт с шаром из магнитной руды и маленькой железной стрелкой. Гильберт пришел к заключению, что Земля представляет собой большой магнит. Наблюдения английского астронома Генри Геллибранда (англ. Henry Gellibrand ) показали, что геомагнитное поле не постоянно, а медленно изменяется.
Угол, на который отклоняется магнитная стрелка от направления север - юг, называют магнитным склонением. Христофор Колумб открыл, что магнитное склонение не остается постоянным, а претерпевает изменения с изменением географических координат. Открытие Колумба послужило толчком к новому изучению магнитного поля Земли: сведения о нём были нужны мореплавателям. Русский ученый М. В. Ломоносов в 1759 г. в докладе «Рассуждение о большой точности морского пути» дал ценные советы, позволяющие увеличить точность показаний компаса. Для изучения земного магнетизма М. В. Ломоносов рекомендовал организовать сеть постоянных пунктов (обсерваторий), в которых производить систематические магнитные наблюдения; такие наблюдения необходимо широко проводить и на море. Мысль Ломоносова об организации магнитных обсерваторий была осуществлена лишь спустя 60 лет в России.
В 1831 г. английским полярным исследователем Джоном Россом в Канадском архипелаге был открыт магнитный полюс - область, где магнитная стрелка занимает вертикальное положение, то есть наклонение равно 90°. В 1841 г. Джеймс Росс (племянник Джона Росса) достиг другого магнитного полюса Земли, находящегося в Антарктиде.
Карл Гаусс (нем. Carl Friedrich Gauß ) выдвинул теорию о происхождении магнитного поля Земли и в 1839 году доказал, что основная его часть выходит из Земли, а причину небольших, коротких отклонений его значений необходимо искать во внешней среде.
См. также
- Intermagnet (англ. )
Примечания
Литература
- Сивухин Д. В. Общий курс физики. - Изд. 4-е, стереотипное. - М .: Физматлит ; Изд-во МФТИ, 2004. - Т. III. Электричество. - 656 с. - ISBN 5-9221-0227-3 ; ISBN 5-89155-086-5 .
- Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. - М .: Наука, 1976.
- Н. В. Короновский Магнитное поле геологического прошлого Земли. Соросовский образовательный журнал, N5, 1996, с. 56-63
Ссылки
Карты смещения магнитных полюсов Земли за период с 1600 по 1995 год
Прочая информация по теме
- Инверсии магнитного поля в геологической истории Земли
- Влияние инверсии магнитного поля на климат и эволюцию жизни на Земле
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Магнитное поле Земли" в других словарях:
До расстояний? 3R= (R= радиус Земли) соответствует приблизительно полю однородно намагниченного шара с напряженностью поля? 55 7 А/м (0,70 Э) у полюсов магнитных Земли и 33,4 А/м (0,42 Э) на магнитном экваторе. На расстояниях 3R магнитное поле… … Большой Энциклопедический словарь
Пространство вокруг земного шара, в котором обнаруживается сила земного магнетизма. Магнитное поле Земли характеризуется вектором напряженности, магнитным наклонением и магнитным склонением. EdwART. Толковый Военно морской Словарь, 2010 … Морской словарь
магнитное поле Земли - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN Earth s magnetic field … Справочник технического переводчика
ГЛАВА 2
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ,
ЕГО ИЗМЕНЕНИЯ В ПРОСТРАНСТВЕ И ВРЕМЕНИ
Магнитное поле Земли
Пространство, где обнаруживается действие магнитных сил Земли, называется магнитным полем. В первом приближении магнитное поле Земли можно рассматривать как поле шара, намагниченного по оси, расположенной под углом 11,5 0 к оси вращения Земли. Магнитный момент Земли составляет 8,3 10 22 Ам 2 . Сложную картину распределения геомагнитного поля в первом приближении можно представить полем диполя (эксцентрического, со смещением от центра Земли приблизительно на 436 км). Силовые линии диполя выходят из Южного полюса и входят в Северный, образуя петли, замкнутые на расстояниях до десяти земных радиусов (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Силовые линии однородно намагниченного земного шара
Полюсы геомагнитные (полюсы однородно намагниченного шара) и полюсы магнитные задают соответственно систему геомагнитных координат (широта геомагнитная, меридиан геомагнитный, экватор геомагнитный).
Планета Земля постоянно находится в потоке солнечного ветра, который образуется при газодинамическом расширении солнечной короны в межпланетном пространстве под воздействием высоких температур. Солнечный ветер, представляющий собой непрерывный поток плазмы, состоит в основном из протонов и электронов, распространяющихся радиально. Измерения, выполненные на спутниках и ракетах, показали, что взаимодействие плазмы солнечного ветра с геомагнитным полем ведет к нарушению дипольной структуры поля с расстояния 3R з от центра Земли. Солнечный ветер локализует геомагнитное поле в ограниченном объеме околоземного пространства, «вмораживает» магнитное поле в плазму. Сталкиваясь с геомагнитным полем, солнечный ветер огибает его, формируя подобную комете полость, в которой движение заряженных частиц контролируется магнитным полем Земли.
Полость, недоступная для проникновения солнечного ветра, была названа магнитосферой Земли. Схематически конфигурация магнитосферы и пространственное распределение плазмы, полей и токов в ней представлено на рис.2.2 /18/. Внешняя граница магнитосферы называется магнитопаузой. На магнитопаузе магнитосферы динамическое давление солнечного ветра уравновешивается давлением магнитного поля Земли. Солнечный ветер сжимает земное магнитное поле с дневной стороны и уносит геомагнитные силовые линии полярных областей на ночную сторону, образуя вблизи плоскости эклиптики магнитный хвост Земли протяженностью не менее 5 млн.км.
При типичных параметрах солнечного ветра расстояние до подсолнечной точки магнитопаузы составляет 10 R з. В редких случаях, когда давление солнечного ветра падает почти до нуля, лобовая точка магнитопаузы смещается далеко к солнцу и магнитное поле становится дипольным до очень больших расстояний.
Силовые линии магнитного поля на дневной стороне поджаты давлением солнечного ветра и замкнуты. В окрестностях лобовой точки на магнитопаузе силовые линии межпланетного магнитного поля могут соединяться с силовыми линиями магнитного поля Земли, выходящими из полярных областей. Этот процесс, называемый пересоединением, уносится солнечным ветром на ночную сторону, уменьшая поток магнитного поля на дневной стороне.
Рис.2.2. Схематическая модель магнитосферы
На ночной стороне силовые линии магнитного поля вытягиваются в антисолнечном направлении, образуя хвост магнитосферы. Поле в северной доле хвоста направлено в сторону Солнца, в южной доле – в противоположном направлении. Между долями образуется выраженный нейтральный слой, который погружен в плазменный слой, заполненный разреженной плазмой. Граница между замкнутыми и разомкнутыми силовыми линиями проецируется в авральные овалы, области, где наиболее часто наблюдаются полярные сияния.
На обращенной к Солнцу части магнитопаузы, в области магнитных полюсов, располагаются нейтральные точки, вокруг которых существуют воронкообразные области слабого магнитного поля, называемые полярными каспами. Каспы проецируются на магнитные широты порядка 70-80 о и являются «окошками» в солнечный ветер.
Размеры этих областей магнитопаузы малы, и частицы плазмы солнечного ветра могут почти беспрепятственно проникать вдоль силовых линий в ионосферу. В отличие от других областей каспы являются областями, где обнажена ионосфера, поэтому здесь в первую очередь происходят столкновения магнитосферы с разрывами и волновыми фронтами в солнечном ветре.
Более 90% объема магнитосферы соединено силовыми линиями магнитного поля с полярной ионосферой, которая расположена на геомагнитных широтах выше 60 о. Здесь, в высоких широтах, где силовые линии почти перпендикулярны поверхности Земли, проявляются эффекты высыпаний заряженных частиц из магнитосферы. Глубина проникновения частиц и процессы их торможения зависят от энергии частиц. Электроны проникают до высоты 100-70 км, вызывая ионизацию верхних слоев атмосферы и рентгеновское излучение. Авральные свечения, так называемые полярные сияния, являются красочным проявлением сложных процессов, протекающих на огромных расстояниях, в магнитосфере Земли /20/.
При столкновении потока солнечной плазмы с магнитным полем Земли образуется распространяющаяся навстречу потоку ударная волна, фронт которой со стороны Солнца в среднем локализован на расстоянии 13-14 радиусов Земли. За фронтом ударной волны следует переходная область толщиной 20 тыс. км, где магнитное поле солнечной плазмы становится неупорядоченным, а движение ее частиц – хаотичным. Переходная зона – это граница магнитосферы, которая называется магнитопаузой, она расположена со стороны Солнца на расстоянии 10 – 12 радиусов Земли. Потоки частиц солнечной плазмы обтекают магнитосферу и резко искажают на значительном расстоянии структуру ее магнитного поля.
Примерно до расстояния 3R з магнитное поле расположено достаточно близко к полю магнитного диполя, напряженность этого магнитного поля убывает с высотой 1/R з. Далее магнитное поле ослабевает медленнее, чем поле диполя, а его силовые линии с солнечной стороны прижимаются к Земле. Линии геомагнитного поля, выходящие из полярных областей Земли, отклоняются солнечным ветром на ночную сторону Земли. Там они образуют «хвост», или «шлейф», магнитосферы протяженностью более 5 млн.км. Пучки магнитных силовых линий противоположного направления разделены в хвосте областью очень слабого магнитного поля (нейтральным слоем), где концентрируется горячая плазма с температурой в миллионы градусов.
По уходящим в хвост магнитосферы силовым линиям в ночную часть попадают частицы плазменного хвоста планеты. Именно эти частицы вызывают полярные сияния. Зона их проявления представляет собой узкую полосу овальной формы. Центр овала смещен относительно геомагнитного полюса в ночную сторону. Земля поворачивается относительно этого овала в своем суточном движении. Размеры и положение овала полярных сияний определяются расположением и конфигурацией магнитосферы и зависят от солнечной активности. В периоды наибольшей солнечной активности овал полярных сияний спускается на более низкие широты.
Согласно современным представлениям, образовалась примерно 4,5 млрд лет назад, и с этого момента нашу планету окружает магнитное поле. Все, что находится на Земле, в том числе люди, животные и растения, подвергаются его воздействию.
Магнитное поле простирается до высоты около 100 000 км (рис. 1). Оно отклоняет или захватывает частицы солнечного ветра, губительные для всех живых организмов. Эти заряженные частицы образуют радиационный пояс Земли, а вся область околоземного пространства, в которой они находятся, называют магнитосферой (рис. 2). С освещенной Солнцем стороны Земли магнитосфера ограничена сферической поверхностью с радиусом примерно 10-15 радиусов Земли, а с противоположной стороны она вытянута подобно кометному хвосту на расстояние вплоть до нескольких тысяч радиусов Земли, образуя геомагнитный хвост. Магнитосфера отделена от межпланетного поля переходной областью.
Магнитные полюса Земли
Ось земного магнита наклонена по отношению к оси вращения Земли на 12°. Она располагается примерно на 400 км в стороне от центра Земли. Точки, в которых эта ось пересекает поверхность планеты, - магнитные полюса. Магнитные полюсаЗемли не совпадают с истинными географическими полюсами. В настоящее время координаты магнитных полюсов следующие: северный — 77° с.ш. и 102° з.д.; южный — (65° ю.ш. и 139° в.д.).
Рис. 1. Строение магнитного поля Земли
Рис. 2. Строение магнитосферы
Силовые линии, идущие от одного магнитного полюса к другому, называются магнитными меридианами . Между магнитным и географическим меридианом образуется угол, называемый магнитным склонением . Каждое место на Земле имеет свой угол склонения. В районе Москвы угол склонения равен 7° к востоку, а в Якутске — около 17° к западу. Это значит, что северный конец стрелки компаса в Москве отклоняется на Т вправо от географического меридиана, проходящего через Москву, а в Якутске — на 17° влево от соответствующего меридиана.
Свободно подвешенная магнитная стрелка располагается горизонтально только на линии магнитного экватора, который не совпадает с географическим. Если двигаться к северу от магнитного экватора, то северный конец стрелки будет постепенно опускаться. Угол, образованный магнитной стрелкой и горизонтальной плоскостью, называют магнитным наклонением . На Северном и Южном магнитных полюсах магнитное наклонение наибольшее. Оно равно 90°. На Северном магнитном полюсе свободно подвешенная магнитная стрелка установится вертикально северным концом вниз, а на Южном магнитном полюсе ее южный конец опустится вниз. Таким образом, магнитная стрелка показывает направление силовых линий магнитного ноля над земной поверхностью.
С течением времени положение магнитных полюсов относительно по земной поверхности меняется.
Магнитный полюс был открыт исследователем Джеймсом К. Россом в 1831 г. в сотнях километров от его нынешнего местонахождения. В среднем за один год он перемещается на 15 км. В последние годы скорость перемещения магнитных полюсов резко возросла. Например, Северный магнитный полюс сейчас перемещается со скоростью около 40 км в год.
Смена магнитных полюсов Земли называется инверсией магнитного поля .
На протяжении геологической истории нашей планеты земное магнитное поле изменяло свою полярность более 100 раз.
Магнитное поле характеризуется напряженностью. В некоторых местах Земли магнитные силовые линии отклоняются от нормального поля, образуя аномалии. Например, в районе Курской магнитной аномалии (КМА) напряженность поля в четыре раза выше нормы.
Существуют суточные изменения магнитного поля Земли. Причина этих изменений магнитного поля Земли — электриче- с кие токи, текущие в атмосфере на большой высоте. Вызваны они солнечным излучением. Пол действием солнечного ветра магнитное поле Земли искажается и приобретает «шлейф» в направлении от Солнца, который простирается на сотни тысяч километров. Основной же причиной возникновения солнечного ветра, как мы уже знаем, являются грандиозные выбросы вещества из короны Солнца. При движении к Земле они превращаются в магнитные облака и приводят к сильным, иногда экстремальным возмущениям на Земле. Особенно сильные возмущения магнитного поля Земли - магнитные бури. Некоторые магнитные бури начинаются неожиданно и почти одновременно по всей Земле, а другие развиваются постепенно. Они могут продолжаться несколько часов и даже суток. Часто магнитные бури происходят через 1-2 дня после солнечной вспышки из-за прохождения Земли через поток частиц, выброшенных Солнцем. Исходя из времени запаздывания скорость такого корпускулярного потока оценивают в несколько миллионов км/ч.
Во время сильных магнитных бурь нарушается нормальная работа телеграфа, телефона и радио.
Магнитные бури часто наблюдаются на широте 66-67° (в зоне полярных сияний) и возникают одновременно с полярными сияниями.
Строение магнитного поля Земли меняется в зависимости от широты местности. Проницаемость магнитного поля увеличивается в сторону полюсов. Над полярными областями силовые линии магнитного поля более или менее перпендикулярны земной поверхности и имеют воронкообразную конфигурацию. Через них часть солнечного ветра с дневной стороны проникает в магнитосферу, а затем и в верхнюю атмосферу. Сюда же в период магнитных бурь устремляются частицы из хвостовой части магнитосферы, достигая границ верхней атмосферы в высоких широтах Северного и Южного полушарий. Именно эти заряженные частицы вызывают здесь полярные сияния.
Итак, магнитные бури и суточные изменения магнитного ноля объясняются, как мы уже выяснили, солнечным излучением. Но какова основная причина, создающая постоянный магнетизм Земли? Теоретически удалось доказать, что на 99 % магнитное поле Земли вызывают источники, скрытые внутри планеты. Главное магнитное поле обусловлено источниками, расположенными в глубинах Земли. Их можно условно разделить на две группы. Основная их часть связана с процессами в земном ядре, где вследствие непрерывных и регулярных перемещений электропроводящего вещества создается система электрических токов. Другая — связана с тем, что горные породы земной коры, намагничиваясь главным электрическим полем (полем ядра), создают собственное магнитное поле, которое суммируется с магнитным полем ядра.
Кроме магнитного поля вокруг Земли существуют и другие поля: а) гравитационное; б) электрическое; в) тепловое.
Гравитационным полем Земли называют поле силы тяжести. Она направлена по отвесу перпендикулярно к поверхности геоида. Если бы у Земли была фигура эллипсоида вращения и в нем равномерно распределялись бы массы, то у нее было нормальное гравитационное поле. Разница между напряженностью реального гравитационного поля и теоретического — аномалия тяжести. Различный вещественный состав, плотность горных пород вызывают эти аномалии. Но возможны и другие причины. Их можно объяснить следующим процессом — уравновешение твердой и относительно легкой земной коры на более тяжелой верхней мантии, где и происходит выравнивание давления вышележащих слоев. Эти течения вызывают тектонические деформации, движение литосферных плит и тем самым создают макрорельеф Земли. Сила тяжести удерживает атмосферу, гидросферу, людей, животных на Земле. Силу тяжести нужно обязательно учитывать при изучении процессов в географической оболочке. Термином «геотропизм » называют ростовые движения органов растений, которые под влиянием силы земного тяготения всегда обеспечивают вертикальное направление роста первичного корня перпендикулярно поверхности Земли. Гравитационная биология использует растения в качестве экспериментальных объектов.
Если не учитывать силу тяжести, невозможно рассчитать исходные данные для запуска ракет и космических кораблей, сделать гравиметрическую разведку рудных ископаемых и, наконец, невозможно дальнейшее развитие астрономии, физики и других наук.
Справка
Гаусс (русское обозначение Гс, международное - G) - единица измерения магнитной индукции в системе СГС. Названа в честь немецкого физика и математика Карла Фридриха Гаусса.
1 Гс = 100 мкТл;
1 Тл = 104 Гс.
Может быть выражена через основные единицы измерения системы СГС следующим образом: 1 Гс = 1 г 1/2 .см −1/2 .с −1 .
Опыт
Источник: учебники физики по магнетизму, берклиевский курс.
Тема: м агнитные поля в веществе.
Цель: выяснить, как различные вещества реагируют на магнитное поле.
Представим себе некоторые опыты с очень сильным полем. Предположим, что мы сделали соленоид с внутренним диаметром 10 см и длиной 40 см.
1. Конструкция катушки, создающей сильное магнитное поле. Показано поперечное сечение обмотки, по которой течет охлаждающая вода. 2. Кривая величины поля В 2 на оси катушки.
Его внешний диаметр равен 40 см и большая часть пространства заполнена медной обмоткой. Такая катушка обеспечит постоянное поле в 30 000 гс в центре, если к ней подвести 400 квт электрической мощности и снабжать водой около 120 л в минуту для отвода тепла.
Эти конкретные данные приводятся с целью показать, что хотя прибор и не представляет собой ничего необыкновенного, он является все же довольно почтенным лабораторным магнитом.
Величина поля в центре магнита приблизительно в 10 5 раз больше магнитного поля Земли и, вероятно, в 5 или 10 раз сильнее поля вблизи любого магнитного железного стержня или подковообразного магнита!
Вблизи центра соленоида поле довольно однородно и уменьшается приблизительно вдвое на оси вблизи концов катушки.
Выводы
Итак, как показывают опыты, у подобных магнитов величина поля (то есть индукция или напряженность) как внутри магнита, так и снаружи чуть ли не на пять порядков превышает величину поля Земли.
Также, всего в два раза - не «в разы!» - она меньше снаружи магнита.
И в то же время в 5-10 раз больше силы обычного постоянного магнита.
Средняя напряженность поля земли на поверхности составляет около 0,5Э (5.10 -5 Тл)
Тем не менее, уже в нескольких сотнях метров (если не десятков) от такого магнита магнитная стрелка компаса не реагирует ни на включение, ни на выключение тока.
При этом она хорошо реагирует на поле земли или его аномалии при малейшем изменении положения. О чем это говорит?
Прежде всего, о явно заниженной цифре индукции магнитного поля земли - то есть не саму индукцию, а то, как мы ее измеряем.
Мы измеряем реакцию рамки с током, угол ее поворота в магнитном поле земли.
Любой магнитометр построен на принципе измерения не напрямую, а косвенно:
Только по характеру изменения значения напряженности;
Только на поверхности земли, возле нее в атмосфере и в ближнем космосе.
Источника поля с конкретным максимумом мы не знаем. Мы измеряем всего лишь разницу величины поля в различных точках, причем градиент напряженности не слишком сильно изменяется с высотой. Никакие математические выкладки с определением максимума при использовании классического подхода здесь не работают.
Влияние магнитного поля - эксперименты
Известно, что даже сильные магнитные поля не имеют практически никакого влияния на химические и биохимические процессы. Вы можете поместить руку (без ручных часов!) в соленоид с полем в 30 кгс без каких-либо заметных последствий. Трудно сказать, к какому классу веществ относится ваша рука - к парамагнетикам или диамагнетикам, но сила, действующая на нее, будет составлять, в любом случае, не больше нескольких граммов. Целые поколения мышей выводились и выращивались в сильных магнитных полях, которые не оказывали на них заметного влияния. Другие биологические эксперименты также не обнаружили достойных внимания магнитных воздействий на биологические процессы.
Важно помнить!
Будет не верно считать, что слабые эффекты всегда проходят без последствий. Подобные рассуждения могли бы привести к выводу, что тяжесть не имеет энергетического значения в молекулярном масштабе, но, тем не менее, деревья на склоне холма растут вертикально. Объяснение, по-видимому, заключается в суммарной силе, действующей на биологический объект, размеры которого много больше размеров молекулы. Действительно, аналогичное явление («тропизм») было экспериментально продемонстрировано в случае сеянцев, произрастающих в присутствии очень неоднородного магнитного поля.
Между прочим, если вы поместите голову в сильное магнитное поле и покачаете ею, то вы почувствуете «вкус» электролитического тока во рту, что является доказательством присутствия индуцированной электродвижущей силы.
При взаимодействии с веществом роли магнитного и электрического полей различны. Поскольку атомы и молекулы состоят из медленно движущихся электрических зарядов, электрические силы при молекулярных процессах доминируют над магнитными.
Выводы
Воздействие магнитного поля такого магнита на биологические объекты не более чем укус комара. Любое живое существо или растение постоянно находятся под воздействием земного магнетизма куда более сильного.
Поэтому и не заметно действие неверно измеряемого поля.
Расчеты
1 гаусс=1 10 -4 тесла.
Единицей напряженности геомагнитного поля (Т) в системе Си является ампер на метр (А/м). В магниторазведке применялась и другая единица Эрстед (Э) или гамма (Г), равная 10 -5 Э. Однако практически измеряемым параметром магнитного поля является магнитная индукция (или плотность магнитного потока). Единицей магнитной индукции в системе Си является тесла (Тл). В магниторазведке используется более мелкая единица нанотесла (нТл), равная 10 -9 Тл. Так как для большинства сред, в которых изучается магнитное поле (воздух, вода, абсолютное большинство немагнитных осадочных пород), то количественно магнитное поле Земли можно измерять либо в единицах магнитной индукции (в нТл), либо в соответствующей ей напряженности поля - гамма.
На рисунке представлена полная напряженность магнитного поля Земли для эпохи 1980 г. Изолинии Т проведены через 4 мкТл (из книги П.Шарма "Геофизические методы в региональной геологии").
Таким образом
На полюсах вертикальные составляющие магнитной индукции примерно равны 60 мкТл, а горизонтальные - нулю. На экваторе горизонтальная составляющая приблизительно равна 30 мкТл, а вертикальная - нулю.
Именно таким образом современная наука о геомагнетизме давно отказалась от основного принципа магнетизма, два магнита, расположенные плашмя друг к другу, стремятся соединиться разноименными полюсами.
То есть, судя по последней фразе на экваторе силы (вертикальной составляющей), притягивающей магнит к земле нет! Как и отталкивающей!
Такие два магнита не притягиваются? То есть, нет силы притяжения, а есть сила растяжения? Нонсенс!
Зато на полюсах при таком расположении магнита она есть, но горизонтальная сила пропадает.
Причем разница всего-то в 2 раза, между этими составляющими!
Попросту берем два магнита и убеждаемся, что при подобном положении магнит сначала разворачивает, а затем притягивает. Южный ПОЛЮС к северному ПОЛЮСУ!
В 1905 году Эйнштейн назвал одной из пяти главных загадок тогдашней физики причину земного магнетизма.
В том же 1905 году французский геофизик Бернар Брюнес провел в южном департаменте Канталь замеры магнетизма лавовых отложений эпохи плейстоцена. Вектор намагниченности этих пород составлял почти 180 градусов с вектором планетарного магнитного поля (его соотечественник П. Давид получил аналогичные результаты даже годом раньше). Брюнес пришел к заключению, что три четверти миллиона лет назад во время излияния лавы направление геомагнитных силовых линий было противоположным современному. Так был обнаружен эффект инверсии (обращения полярности) магнитного поля Земли. Во второй половине 1920-х годов выводы Брюнеса подтвердили П. Л. Меркантон и Монотори Матуяма, но эти идеи получили признание лишь к середине столетия.
Сейчас мы знаем, что геомагнитное поле существует не менее 3,5 млрд лет и за это время магнитные полюса тысячи раз обменивались местами (Брюнес и Матуяма исследовали последнюю по времени инверсию, которая сейчас носит их имена). Иногда геомагнитное поле сохраняет ориентацию в течение десятков миллионов лет, а иногда - не более пятисот веков. Сам процесс инверсии обычно занимает несколько тысячелетий, и по его завершении напряженность поля, как правило, не возвращается к прежней величине, а изменяется на несколько процентов.
Механизм геомагнитной инверсии не вполне ясен и поныне, а уж сто лет назад он вообще не допускал разумного объяснения. Поэтому открытия Брюнеса и Давида только подкрепили эйнштейновскую оценку - действительно, земной магнетизм был крайне загадочен и непонятен. А ведь к тому времени его исследовали свыше трехсот лет, а в XIX веке им занимались такие звезды европейской науки, как великий путешественник Александр фон Гумбольдт, гениальный математик Карл Фридрих Гаусс и блестящий физик-экспериментатор Вильгельм Вебер. Так что Эйнштейн воистину глядел в корень.
Как вы думаете, сколько у нашей планеты магнитных полюсов? Почти все скажут, что два - в Арктике и Антарктике. На самом деле ответ зависит от определения понятия полюса. Географическими полюсами считают точки пересечения земной оси с поверхностью планеты. Поскольку Земля вращается как твердое тело, таких точек всего две и ничего другого придумать нельзя. А вот с магнитными полюсами дело обстоит много сложнее. Например, полюсом можно счесть небольшую область (в идеале опять-таки точку), где магнитные силовые линии перпендикулярны земной поверхности. Однако любой магнитометр регистрирует не только планетарное магнитное поле, но и поля местных пород, электрических токов ионосферы, частиц солнечного ветра и прочих дополнительных источников магнетизма (причем их средняя доля не так уж мала, порядка нескольких процентов). Чем точнее прибор, тем лучше он это делает - и потому все больше затрудняет выделение истинного геомагнитного поля (его называют главным), источник которого находится в земных глубинах. Поэтому координаты полюса, определенные с помощью прямого измерения, не отличаются стабильностью даже в течение короткого отрезка времени.
Можно действовать иначе и установить положение полюса на основании тех или иных моделей земного магнетизма. В первом приближении нашу планету можно считать геоцентрическим магнитным диполем, ось которого проходит через ее центр. В настоящее время угол между нею и земной осью составляет 10 градусов (несколько десятилетий назад он был больше 11 градусов). При более точном моделировании выясняется, что дипольная ось смещена относительно центра Земли в направлении северо-западной части Тихого океана примерно на 540 км (это эксцентрический диполь). Есть и другие определения.
Но это еще не все. Земное магнитное поле реально не обладает дипольной симметрией и потому имеет множественные полюса, причем в огромном количестве. Если считать Землю магнитным четырехполюсником, квадруполем, придется ввести еще два полюса - в Малайзии и в южной части Атлантического океана. Октупольная модель задает восьмерку полюсов и т. д. Современные наиболее продвинутые модели земного магнетизма оперируют аж 168 полюсами. Стоит отметить, что в ходе инверсии временно исчезает лишь дипольная компонента геомагнитного поля, а прочие изменяются много слабее.
Полюса наоборот
Многие знают, что общепринятые названия полюсов верны с точностью до наоборот. В Арктике расположен полюс, на который указывает северный конец магнитной стрелки, - следовательно, его стоило бы считать южным (одноименные полюса отталкиваются, разноименные притягиваются!). Аналогично, северный магнитный полюс базируется в высоких широтах Южного полушария. Тем не менее по традиции мы именуем полюса в соответствии с географией. Физики давно условились, что силовые линии выходят из северного полюса любого магнита и входят в южный. Отсюда следует, что линии земного магнетизма покидают южный геомагнитный полюс и стягиваются к северному. Такова конвенция, и нарушать ее не стоит (самое время припомнить печальный опыт Паниковского!).
Магнитный полюс, как его ни определяй, не стоит на месте. Северный полюс геоцентрического диполя в 2000 году имел координаты 79,5 N и 71,6 W, а в 2010-м - 80,0 N и 72,0 W. Истинный Северный полюс (тот, который выявляют физические замеры) с 2000 года сместился с 81,0 N и 109,7 W к 85,2 N и 127,1 W. В течение почти всего ХХ века он делал не более 10 км в год, но после 1980 года вдруг начал двигаться гораздо быстрее. В начале 1990-х годов его скорость превысила 15 км в год и продолжает расти.
Как рассказал «Популярной механике» бывший руководитель геомагнитной лаборатории канадской Службы геологических исследований Лоуренс Ньюитт, сейчас истинный полюс мигрирует на северо-запад, перемещаясь ежегодно на 50 км. Если вектор его движения не изменится в течение нескольких десятилетий, то к середине XXI столетия он окажется в Сибири. Согласно реконструкции, выполненной несколько лет назад тем же Ньюиттом, в XVII и XVIII веках северный магнитный полюс преимущественно смещался на юго-восток и лишь примерно в 1860 году повернул на северо-запад. Истинный южный магнитный полюс последние 300 лет движется в эту же сторону, причем его среднегодичное смещение не превышает 10–15 км.
Откуда вообще у Земли магнитное поле? Одно из возможных объяснений просто бросается в глаза. Земля обладает внутренним твердым железо-никелевым ядром, радиус которого составляет 1220 км. Поскольку эти металлы ферромагнитны, почему бы не предположить, что внутреннее ядро имеет статическую намагниченность, которая и обеспечивает существование геомагнитного поля? Мультиполярность земного магнетизма можно списать на несимметричность распределения магнитных доменов внутри ядра. Миграцию полюсов и инверсии геомагнитного поля объяснить сложнее, но, наверное, попытаться можно.
Однако из этого ничего не получается. Все ферромагнетики остаются таковыми (то есть сохраняют самопроизвольную намагниченность) лишь ниже определенной температуры - точки Кюри. Для железа она равна 768°C (у никеля много ниже), а температура внутреннего ядра Земли значительно превышает 5000 градусов. Поэтому с гипотезой статического геомагнетизма приходится расстаться. Однако не исключено, что в космосе имеются остывшие планеты с ферромагнитными ядрами.
Рассмотрим другую возможность. Наша планета также обладает жидким внешним ядром толщиной приблизительно в 2300 км. Оно состоит из расплава железа и никеля с примесью более легких элементов (серы, углерода, кислорода и, возможно, радиоактивного калия - в точности не знает никто). Температура нижней части внешнего ядра почти совпадает с температурой внутреннего ядра, а в верхней зоне на границе с мантией понижается до 4400°C. Поэтому вполне естественно предположить, что благодаря вращению Земли там формируются круговые течения, которые могут оказаться причиной возникновения земного магнетизма.
Конвективное динамо
«Чтобы объяснить возникновение полоидального поля, необходимо принять во внимание вертикальные потоки вещества ядра. Они образуются благодаря конвекции: нагретый железно-никелевый расплав всплывает из нижней части ядра по направлению к мантии. Эти струи закручиваются силой Кориолиса подобно воздушным потокам циклонов. В Северном полушарии восходящие потоки вращаются по часовой стрелке, а в Южном - против, - объясняет профессор Калифорнийского университета Гэри Глатцмайер. - При подходе к мантии вещество ядра остывает и начинает обратное движение вглубь. Магнитные поля восходящих и нисходящих потоков гасят друг друга, и поэтому по вертикали поле не устанавливается. А вот в верхней части конвекционной струи, там, где она образует петлю и недолго движется по горизонтали, ситуация иная. В Северном полушарии силовые линии, которые до конвекционного восхождения смотрели на запад, поворачиваются по часовой стрелке на 90 градусов и ориентируются на север. В Южном полушарии они поворачиваются с востока против часовой стрелки и тоже направляются на север. В результате в обоих полушариях генерируется магнитное поле, указывающее с юга на север. Хоть это отнюдь не единственное возможное объяснение возникновения полоидального поля, его считают самым вероятным».
Именно такую схему ученые-геофизики обсуждали лет 80 назад. Они считали, что потоки проводящей жидкости внешнего ядра за счет своей кинетической энергии порождают электрические токи, охватывающие земную ось. Эти токи генерируют магнитное поле преимущественно дипольного типа, силовые линии которого на поверхности Земли вытянуты вдоль меридианов (такое поле называется полоидальным). Этот механизм вызывает ассоциацию с работой динамо-машины, отсюда и произошло его название.
Описанная схема красива и наглядна, но, к сожалению, ошибочна. Она основана на предположении, что движение вещества внешнего ядра симметрично относительно земной оси. Однако в 1933 году английский математик Томас Каулинг доказал теорему, согласно которой никакие осесимметричные потоки не способны обеспечить существование долговременного геомагнитного поля. Даже если оно и появится, то век его окажется недолог, вдесятки тысяч раз меньше возраста нашей планеты. Нужна модель посложнее.
«Мы не знаем точно, когда возник земной магнетизм, однако это могло произойти вскоре после формирования мантии и внешнего ядра, - говорит один из крупнейших специалистов по планетарному магнетизму, профессор Калифорнийского технологического института Дэвид Стивенсон. - Для включения геодинамо требуется внешнее затравочное поле, причем не обязательно мощное. Эту роль, к примеру, могло взять на себя магнитное поле Солнца или поля токов, порожденных в ядре за счет термоэлектрического эффекта. В конечном счете это не слишком важно, источников магнетизма хватало. При наличии такого поля и кругового движения потоков проводящей жидкости запуск внутрипланетной динамомашины становился просто неизбежным».
Магнитная защита
Мониторинг земного магнетизма производят с помощью обширной сети геомагнитных обсерваторий, создание которой началось еще в 1830-х годах.
Для этих же целей используют корабельные, авиационные и космические приборы (к примеру, скалярный и векторный магнитометры датского спутника «Эрстед», работающие с 1999 года).
Напряженность геомагнитного поля варьирует приблизительно от 20 000 нанотесла вблизи побережья Бразилии до 65 000 нанотесла в районе южного магнитного полюса. С 1800 года его дипольная компонента сократилась почти на 13% (а с середины XVI века - на 20%), в то время как квадрупольная несколько возросла. Палеомагнитные исследования показывают, что в течение нескольких тысячелетий перед началом нашей эры напряженность геомагнитного поля упорно лезла вверх, а потом начала снижаться. Тем не менее нынешний планетарный дипольный момент значительно превышает свое среднее значение за последние полтораста миллионов лет (в 2010 году были опубликованы результаты палеомагнитных измерений, свидетельствующие, что 3,5 млрд лет назад земное магнитное поле было вдвое слабее нынешнего). Это означает, что вся история человеческих обществ от возникновения первых государств до нашего времени пришлась на локальный максимум земного магнитного поля. Интересно задуматься над тем, повлияло ли это на прогресс цивилизации. Такое предположение перестает казаться фантастическим, если учесть, что магнитное поле защищает биосферу от космического излучения.
И вот еще одно обстоятельство, которое стоит отметить. В юности и даже отрочестве нашей планеты все вещество ее ядра пребывало в жидкой фазе. Твердое внутреннее ядро сформировалось сравнительно недавно, возможно, всего лишь миллиард лет назад. Когда это произошло, конвекционные потоки стали более упорядоченными, что привело к более устойчивой работе геодинамо. Из-за этого геомагнитное поле выиграло в величине и стабильности. Можно предположить, что это обстоятельство благоприятно сказалось на эволюции живых организмов. В частности, усиление геомагнетизма улучшило защиту биосферы от космических излучений и тем самым облегчило выход жизни из океана на сушу.
Вот общепринятое объяснение такого запуска. Пусть для простоты затравочное поле почти параллельно оси вращения Земли (на самом деле достаточно, если оно имеет ненулевую компоненту в этом направлении, что практически неизбежно). Скорость вращения вещества внешнего ядра убывает по мере уменьшения глубины, причем из-за его высокой электропроводности силовые линии магнитного поля движутся вместе с ним - как говорят физики, поле «вморожено» в среду. Поэтому силовые линии затравочного поля будут изгибаться, уходя вперед на больших глубинах и отставая на меньших. В конце концов они вытянутся и деформируются настолько, что дадут начало тороидальному полю, круговым магнитным петлям, охватывающим земную ось и направленным в противоположные стороны в северном и южном полушариях. Этот механизм называется w-эффектом.
По словам профессора Стивенсона, очень важно понимать, что тороидальное поле внешнего ядра возникло благодаря полоидальному затравочному полю и, в свою очередь, породило новое полоидальное поле, наблюдаемое у земной поверхности: «Оба типа полей планетарного геодинамо взаимосвязаны и не могут существовать друг без друга».
15 лет назад Гэри Глатцмайер вместе с Полом Робертсом опубликовал очень красивую компьютерную модель геомагнитного поля: «В принципе для объяснения геомагнетизма давно имелся адекватный математический аппарат - уравнения магнитной гидродинамики плюс уравнения, описывающие силу тяготения и тепловые потоки внутри земного ядра. Модели, основанные на этих уравнениях, в первозданном виде очень сложны, однако их можно упростить и адаптировать для компьютерных вычислений. Именно это и проделали мы с Робертсом. Прогон на суперкомпьютере позволил построить самосогласованное описание долговременной эволюции скорости, температуры и давления потоков вещества внешнего ядра и связанной с ними эволюции магнитных полей. Мы также выяснили, что если проигрывать симуляцию на временных промежутках порядка десятков и сотен тысяч лет, то с неизбежностью возникают инверсии геомагнитного поля. Так что в этом отношении наша модель неплохо передает магнитную историю планеты. Однако есть затруднение, которое пока еще не удалось устранить. Параметры вещества внешнего ядра, которые закладывают в подобные модели, все еще слишком далеки от реальных условий. Например, нам пришлось принять, что его вязкость очень велика, иначе не хватит ресурсов самых мощных суперкомпьютеров. На самом деле это не так, есть все основания полагать, что она почти совпадает с вязкостью воды. Наши нынешние модели бессильны учесть и турбулентность, которая несомненно имеет место. Но компьютеры с каждым годом набирают силу, и лет через десять появятся гораздо более реалистичные симуляции».
«Работа геодинамо неизбежно связана с хаотическими изменениями потоков железо-никелевого расплава, которые оборачиваются флуктуациями магнитных полей,– добавляет профессор Стивенсон. - Инверсии земного магнетизма - это просто сильнейшие из возможных флуктуаций. Поскольку они стохастичны по своей природе, вряд ли их можно предсказывать заранее - во всяком случае мы этого не умеем».
