Магнитное поле земли формула: Ошибка 404: страница не найдена

Содержание

Интересные сведения о магнитном поле Земли: Наука и техника: Lenta.ru

В последние дни на научных информационных сайтах появилось большое количество новостей, посвященных магнитному полю Земли. Например, новость о том, что в последнее время оно существенно изменяется, или о том, что магнитное поле способствует утечке кислорода из земной атмосферы и даже про то, что вдоль линий магнитного поля ориентируются коровы на пастбищах. Что представляет собой магнитное поле и насколько важны все перечисленные новости?

Магнитное поле Земли – это область вокруг нашей планеты, где действуют магнитные силы. Вопрос о происхождении магнитного поля до сих пор окончательно не решен. Однако большинство исследователей сходятся в том, что наличием магнитного поля Земля хотя бы отчасти обязана своему ядру. Земное ядро состоит из твердой внутренней и жидкой наружной частей. Вращение Земли создает в жидком ядре постоянные течения. Как читатель может помнить из уроков физики, движение электрических зарядов приводит к появлению вокруг них магнитного поля.

Одна из самых распространенных теорий, объясняющих природу поля, – теория динамо-эффекта – предполагает, что конвективные или турбулентные движения проводящей жидкости в ядре способствуют самовозбуждению и поддержанию поля в стационарном состоянии.

Землю можно рассматривать как магнитный диполь. Его южный полюс находится на географическом Северном полюсе, а северный, соответственно, на Южном. На самом деле, географический и магнитный полюса Земли не совпадают не только по “направлению”. Ось магнитного поля наклонена по отношению к оси вращения Земли на 11,6 градуса. Из-за того что разница не очень существенная, мы можем пользоваться компасом. Его стрелка точно указывает на южный магнитный полюс Земли и почти точно на Северный географический. Если бы компас был изобретен 720 тысяч лет назад, то он бы указывал и на географический и на магнитный северный полюс. Но об этом чуть ниже.

Магнитное поле защищает жителей Земли и искусственные спутники от губительного воздействия космических частиц. К таким частицам относятся, например, ионизированные (заряженные) частицы солнечного ветра. Магнитное поле изменяет траекторию их движения, направляя частицы вдоль линий поля. Необходимость наличия магнитного поля для существования жизни сужает круг потенциально обитаемых планет (если мы исходим из предположения, что гипотетически возможные формы жизни похожи на земных обитателей).

Ученые не исключают, что часть планет земного типа не имеют металлического ядра и, соответственно, лишены магнитного поля. До сих пор считалось, что планеты, состоящие из твердых скальных пород, как и Земля, содержат три основных слоя: твердую кору, вязкую мантию и твердое или расплавленное железное ядро. В недавней работе ученые из Массачусетского технологического института предложили сразу два возможных механизма образования “скалистых” планет без ядра. Если теоретические выкладки исследователей подтвердятся наблюдениями, то формулу для расчета вероятности встретить во Вселенной гуманоидов или хотя бы что-то, напоминающее иллюстрации из учебника биологии, придется переписать.

Земляне тоже могут лишиться своей магнитной защиты. Правда, точно сказать, когда это произойдет, геофизики пока не могут. Дело в том, что магнитные полюса Земли непостоянны. Периодически они меняются местами. Не так давно исследователи установили, что Земля “помнит” о смене полюсов. Анализ таких “воспоминаний” показал, что за последние 160 миллионов лет магнитные север и юг менялись местами около 100 раз. Последний раз это событие произошло около 720 тысяч лет назад.

Смена полюсов сопровождается изменением конфигурации магнитного поля. Во время “переходного периода” на Землю проникает существенно больше космических частиц, опасных для живых организмов. Одна из гипотез, объясняющих исчезновение динозавров, утверждает, что гигантские рептилии вымерли именно во время очередной смены полюсов.

Кроме “следов” плановых мероприятий по смене полюсов исследователи заметили в магнитном поле Земли опасные подвижки. Анализ данных о его состоянии за несколько лет показал, что в последние месяцы в нем начали происходить опасные изменения. Настолько резких “движений” поля ученые не регистрировали уже очень давно. Вызывающая беспокойства исследователей зона находится в южной части Атлантического океана. “Толщина” магнитного поля в этом районе не превышает трети от “нормальной”. Исследователи давно обратили внимание на эту “прореху” в магнитном поле Земли. Собранные за 150 лет данные показывают, что за этот период поле здесь ослабло на десять процентов.

На данный момент трудно сказать, чем это грозит человечеству. Одним из последствий ослабления напряженности поля может стать увеличение (пусть и незначительное) содержания кислорода в земной атмосфере. Связь между магнитным полем Земли и этим газом была установлена с помощью системы спутников Cluster – проекта Европейского космического агентства. Ученые выяснили, что магнитное поле ускоряет ионы кислорода и “выбрасывает” их в космическое пространство.

Несмотря на то, что магнитное поле нельзя увидеть, обитатели Земли хорошо его чувствуют. Перелетные птицы, например, отыскивают дорогу, ориентируясь именно на него. Существует несколько гипотез, объясняющих, как именно они ощущают поле. Одна из последних предполагает, что птицы воспринимают магнитное поле визуально. Особые белки – криптохромы – в глазах перелетных птиц способны менять свое положение под воздействием магнитного поля. Авторы теории считают, что криптохромы могут выполнять роль компаса.

Кроме птиц магнитное поле Земли вместо GPS используют морские черепахи. И, как показал анализ спутниковых фотографий, представленных в рамках проекта Google Earth, коровы. Изучив фотографии 8510 коров в 308 районах мира, ученые заключили, что эти животные предпочтительно ориентируют свои тела с севера на юг (или с юга на север). Причем “реперными точками” для коров служат не географические, а именно магнитные полюса Земли. Механизм восприятия коровами магнитного поля и причины именно такой реакции на него остаются неясными.

Кроме перечисленных замечательных свойств магнитное поле способствует появлению полярных сияний. Они возникают в результате резких изменений поля, происходящих в удаленных регионах поля.

Магнитное поле не обошли своим вниманием сторонники одной из “теорий заговора” – теории о лунной мистификации. Как уже упоминалось выше, магнитное поле защищает нас от космических частиц. “Собранные” частицы скапливаются в определенных частях поля – так называемых радиационных поясах Ван Алена. Скептики, не верящие в реальность высадок на Луну, считают, что во время пролета сквозь радиационные пояса астронавты получили бы смертельную дозу радиации.

Магнитное поле Земли – удивительное следствие законов физики, защитный щит, ориентир и создатель полярных сияний. Если бы не оно, жизнь на Земле, возможно, выглядела бы совсем иначе. В общем, если бы магнитного поля не было – его необходимо было бы придумать.

Инверсии магнитного поля Земли могут быть связаны с субдукцией литосферных плит

За время существования Земли северный и южный магнитные полюса неоднократно менялись местами. Выяснение причин этого явления — одна из важнейших задач ученых-геофизиков, занимающихся проблемами палеомагнетизма. В новом исследовании обосновывается связь между движением литосферных плит, тепловыми потоками в мантии на границе с ядром и частотой смены земных полюсов.

Магнитное поле Земли все время меняется. В частности, магнитные полюса постоянно движутся, причем это происходит на разных масштабах времен и расстояний: есть суточные почти циклические блуждания и случайный дрейф, который хорошо заметен на промежутках в месяцы и годы (эти смещения измеряются десятками километров, подробнее об этом см. задачу Блуждающий магнитный полюс). А периодически магнитное поле Земли и вовсе меняет свою полярность: северный и южный магнитные полюса меняются местами. Информация об изменениях полярности — инверсиях магнитного поля — зафиксирована в горных породах и рудах, содержащих ферромагнитные минералы (магнетит, гематит, титаномагнетит), сохраняющие остаточную намагниченность, которая «сохраняет» информацию о состоянии магнитного поля Земли на момент формирования этих пород.

Изучение остаточной намагниченности в разновозрастных породах является основанием для составления временной шкалы инверсий магнитного поля.

Практически единственной гипотезой, объясняющей природу магнитного поля Земли, до сих пор является так называемая теория геодинамо, согласно которой магнитные поля порождаются неравномерностью вращения внутренней и внешней частей металлического ядра Земли. Подробно о механизме этой модели рассказано в новости Предложено простое объяснение инверсии магнитных полюсов Земли («Элементы», 14.05.2009). Хотя теория геодинамо практически безальтернативна, она вызывает массу нареканий. В частности, исходя из классической магнитогидродинамики, динамо-эффект со временем должен затухать, а ядро планеты — остывать. В любом случае, точного понимания механизмов, благодаря которым Земля поддерживает эффект самогенерации магнитного динамо вместе с наблюдаемыми особенностями вроде инверсии магнитного поля до сих пор нет.

В ближайший к нам период геологической истории инверсии магнитного поля (переполюсовки), происходили в среднем четыре раза за миллион лет. Последний раз, судя по всему, это произошло около 780 тысяч лет назад. А сто миллионов лет назад был период, когда поле оставалось в одной полярности почти 40 миллионов лет. За всю историю планеты произошло, по крайней мере, несколько сотен инверсий магнитного поля. До сих пор в периодичности смены полюсов ученые не могли обнаружить никакой закономерности, и это процесс считался стохастическим.

Группа ученых из университетов Ливерпуля, Ланкастера и Осло под руководством профессора Эндрю Биггина (Andrew J. Biggin) предложила свой взгляд на природу смены магнитных полюсов Земли (рис. 1). Цифровая модель, построенная авторами, показывает, что периодичность магнитных инверсий, колеблющаяся в пределах от 30 тысяч до нескольких десятков миллионов лет, зависит от изменений теплового потока на границе мантии и ядра, что, в свою очередь, напрямую зависит от скорости глобальной субдукции (потока субдукции, subduction area flux, SAF) — площадь погружающихся в мантию литосферных плит за единицу времени в масштабах планеты.

Скорость глобальной субдукции была взята исследователями из глобальных тектонических моделей и скорректирована на основе анализа косвенных геологических данных, таких как возрастное распределение обломочного циркона и изотопные составы стронция в осадочных породах.

Периоды активного накопления обломочного циркона в осадочных комплексах древних континентальных окраин указывают на периоды активизации островодужного вулканизма, интенсивность проявления которого напрямую связана со скоростью субдукции (погружения океанической литосферной плиты под континентальную). Что касается изотопного состава стронция в морских осадочных породах, то пониженные отношения

87Sr/⁸⁶Sr указывают на более активное поступление мантийного материала при интенсивном разрастании новой океанической коры в срединно-океанических хребтах, что также косвенно указывает на периоды высокой скорости глобальной субдукции.

Оценка в рамках модели была проведена для периода от наших дней вплоть до раннего палеозоя, то есть на весь период фанерозоя.

Данное исследование является своего рода пионерским — никто ранее не пытался собрать из разных источников данные по глобальным скоростям субдукции и сопоставить их со шкалой палеомагнитного датирования, составленной на основе анализа остаточной намагниченности в разновозрастных вулканических и осадочных породах для всего фанерозоя. Сложность, не дававшая возможность провести такие исследования ранее, заключалась в том, что отсутствовали данные о скорости глобальной субдукции в палеозое, так как океаническая кора, относящаяся к этому периоду времени, на поверхности Земли практически не сохранилась. То есть нечего было сравнивать с палеомагнитными данными.

Только совсем недавно были разработаны так называемые полноплитные тектонические модели (full-plate tectonic models, см., например, статьи M. Domeier, T. H. Torvsik, 2018. Full-plate modelling in pre-Jurassic time; C. Verard et al., 2015. Geodynamic evolution of the Earth over the Phanerozoic: Plate tectonic activity and palaeoclimatic indicators — так называемая модель V15; K. J. Matthews et al., 2016. Global plate boundary evolution and kinematics since the late Paleozoic — модель M16). Эти модели, учитывающие границы всех литосферных плит — и континентальных и океанических, — а не только континентальных, как это было в предыдущих тектонических моделях, позволили произвести реконструкцию толщины и возраста океанической литосферы доюрского времени, а также скорости ее погружения в мантию.

В результате выяснилось, что между потоком субдукции и частотой инверсий магнитного поля существует положительная корреляция с временным лагом в 120–130 млн лет (рис. 2).

Существующие сейсмотомографические модели (геофизические модели, основанные на «просвечивании» Земли с помощью сейсмических волн), предполагают, что субдуцирующей (погружающейся) литосферной плите требуется 150–300 млн лет, чтобы достичь границы мантии и ядра. Авторы считают, что за 120–130 млн лет литосферная плита древней океанической коры уже погрузится до глубины, достаточной для того, чтобы нарушить температурное равновесие глубинных оболочек Земли. В качестве обратной реакции, компенсирующей охлаждающий эффект на границе мантии и ядра, возникнет резкое увеличение притока жидкого железа из центральной части ядра к его периферии, в зону внешнего ядра. Как уже говорилось, согласно существующим воззрениям, именно внешнее ядро — вернее динамо-механизм, связанный с конвекцией жидких металлов в этой зоне, — создает магнитное поле Земли. Поэтому смена направлений потоков жидкого железа внутри внешнего ядра может вызвать инверсию магнитного поля Земли.

Тепловая конвекция в жидком внешнем ядре — это отдельная от мантийной конвекции термодинамическая система. Внутри Земли как бы действуют два больших тепловых двигателя, разделенных границей ядро-мантия. Скорость конвекции и термодиффузии во внешнем ядре на несколько порядков выше, чем в нижней мантии, но именно мантийная конвекция доставляет к внешней границе внешнего ядра более холодный материал с поверхности, являясь ключевым фактором теплового воздействия на процесс геодинамо.

Последние результаты цифрового моделирования геодинамо (P. Olson, H. Amit, 2014. Magnetic reversal frequency scaling in dynamos with thermochemical convection) показали, что магнитные инверсии происходят тем чаще, чем выше скорость и гетерогенность теплового потока в мантии на границе с ядром, приводящего к его охлаждению. А важнейшим драйвером конвекции в мантии являются холодные литосферные плиты, погружающиеся вдоль активных континентальных окраин. Эти плиты могут тормозиться в верхней или средней мантии, но, в конечном счете, опускаются через нижнюю мантию до ее границы с ядром, о чем свидетельствует продолжение сейсмических аномалий быстрых сейсмических волн вплоть до границы мантии и ядра.

Результаты исследования позволяют по-новому взглянуть на динамические связи между процессами, происходящими на поверхности Земли, на границе ядра и мантии и в верхнем ядре, связывают в рамках единой геодинамической модели субдукцию, мантийную конвекцию, тепловую эволюцию нижней мантии и процессы геодинамо в ядре, определяющие полярность магнитного поля Земли.

Источник: Mark W. Hounslow, Mathew Domeier, Andrew J. Biggin. Subduction flux modulates the geomagnetic polarity reversal rate // Tectonophysics. 2018. DOI: 10.1016/j.tecto.2018.05.018.

Владислав Стрекопытов

Определение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли ответы | by Найти Suai

ГУАП ФИЗИКА ОТВЕТЫ

Цель работы: Определить c помощью тангенс-гальванометра горизонтальную составляющую напряженности магнитного поля Земли, электрическую постоянную системы СИ и скорость распространения электромагнитных волн в вакууме.

https://archive.org/details/@guap4736_vkclub152685050

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

Теоретические сведения Направление линий напряженности магнитного поля можно определить с помощью магнитного диполя. В качестве магнитного диполя может быть виток с током. Если виток может свободно поворачиваться вокруг закрепленной вертикальной оси, то в магнитном поле виток установится так, что нормаль к нему укажет направление горизонтальной составляющей вектора напряженности поля. Если отклонить виток в сторону от направления поля, то возникнет момент сил, стремящийся вернуть виток в исходное положение. Магнитная стрелка также является магнитным диполем. Размещенная на вертикальной оси свободная стрелка устанавливается в положении устойчивого равновесия вдоль горизонтального направления магнитного поля. Если горизонтально расположенную магнитную стрелку, способную свободно вращаться вокруг вертикальной оси, поместить в центре вертикальной круговой катушки с током (такой прибор называется тангенс-гальванометром), то на стрелку будет действовать магнитное поле Земли и магнитное поле тока. Вектор горизонтальной составляющей магнитного поля H в этом случае

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

где Hг — вектор горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли, h2 — вектор напряженности магнитного поля тока. Пусть плоскость катушки совпадает с плоскостью магнитного меридиана, тогда векторы Hг и h2 будут взаимно перпендикулярны

в центре катушки, а тангенс угла a, на который отклонится стрелка при включении тока:

В центре круговой катушки с током напряженность h2 магнитного поля определяется по формуле

где I — сила тока в круговой катушке; N — число витков в ней; R — радиус каждого витка. Из (2) и (3) можно определить горизонтальную составляющую напряженности магнитного поля Земли а также силу тока в катушке

https://archive.org/details/@guap4736_vkclub152685050

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

Таким образом, величина тока изменяется пропорционально тангенсу угла отклонения магнитной стрелки, поэтому рассматриваемый прибор и называется тангенс-гальванометром.

Электроемкость конденсатора С пропорциональна диэлектрической проницаемости вещества, заполняющего пространство между обкладками. Поэтому можно записать

где e0– электрическая постоянная системы СИ; e — относительная диэлектрическая проницаемость; K — коэффициент пропорциональности, величина которого зависит от формы и размеров обкладок конденсатора и расстояния между ними. Электрическую постоянную системы СИ можно определить, пользуясь тангенс-гальванометром. Для этого собирают электрическую схему, включающую источник питания Б, конденсатор С, тангенсгальванометр Г, электромагнитный переключатель a–b (рис. 2)

В положении переключателя а конденсатор заряжается до напряжения U, при этом на пластинах конденсатора скапливается заряд

В положении переключателя b конденсатор разряжается через тангенс-гальванометр. Сила тока, протекающего через тангенсгальванометр:

https://archive.org/details/@guap4736_vkclub152685050

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

где n — число переключений в секунду переключателя a–b. На основании формул (5) и (8) определяется электрическая постоянная системы СИ

Определив e0, найдем электродинамическую постоянную с, численно равную скорости распространения электромагнитных волн в вакууме:

Описание лабораторной установки Электрическая схема установки для определения горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли приведена на рис. 3. Сила тока I через тангенс-гальванометр устанавливается с помощью реостата R и контролируется миллиамперметром мA. Число витков в катушке тангенс-гальванометра N = 36, радиус каждого витка R = 0,2 м.

Для определения электрической постоянной системы СИ собирают схему, изображенную на рис. 2. В качестве переключателя a-b используется реле, обмотка которого включается в сеть. При этом частота переключений равна частоте переменного напряжения в сети (n = 50 Гц). Конденсатор C имеет следующие параметры: относительная диэлектрическая проницаемость воздушного зазора между обкладками e ≈ 1, коэффициент K¢ = 1/K = 4,5∙10–7 1/м.

Установить тангенс-гальванометр так, чтобы магнитная стрелка была в плоскости кольца. Задание 1. Схема на рис. 3. Включить установку. При помощи реостата R установить ток I, при котором магнитная стрелка отклонится на угол 30–40°. Измерить силу тока I и угол от клонения стрелки a. Не меняя величины тока I, изменить его направление и измерить угол отклонения стрелки a¢. Опыт повторить несколько раз при различных значениях тока I. Результаты измерений записать в табл. 1.

https://archive.org/details/@guap4736_vkclub152685050

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

Задание 2. Схема на рис. 2. Включить установку и реле. На источнике питания установить напряжение U и измерить его (рекомендуется U = 12В). Измерить угол отклонения стрелки a1. Изменив направление тока, измерить угол отклонения стрелки a′ 1.

Обработка результатов измерений Задание 1. Вычислить средние значения (по абсолютной величине) aср угла отклонения магнитной стрелки при различных значениях тока I и занести в табл. 1. По формуле (4) вычислить горизонтальную составляющую Hг напряженности магнитного поля Земли при различных значениях тока I. Результаты записать в табл. 1 и вычислить среднее значение Hгср. Задание 2. Вычислить среднее значение (по абсолютной величине) a1ср угла отклонения магнитной стрелки. По формулам (9) и (10) вычислить электрическую постоянную e0 и скорость c распространения электромагнитных волн в вакууме (значение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли Hг определено в предыдущем задании). Оценить погрешности окончательных результатов.

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

https://archive.org/details/@guap4736_vkclub152685050

Контрольные вопросы 1. Каково устройство и принцип работы тангенс-гальванометра? 2. Как охарактеризовать магнитное поле, создаваемое круговым током? 3. Дайте определения магнитной индукции и напряженности магнитного поля. В каких единицах измеряются эти величины? 4. Как вывести формулу для вычисления напряженности горизонтальной составляющей магнитного поля Земли? 5. Как получается расчетная формула для определения электрической постоянной системы СИ?

теги: гуап, физика, ответы, лабораторные, методичка, скачать, экзамен, зачет, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения

Магнитное поле Земли. Все о магнитах :: Класс!ная физика

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ

В 1600 году английский ученый Уильям Гильберт в своей книге «О магните, магнитных телах
и большом магните – Земле». представил Землю, как гигантский постоянный магнит, ось которого
не совпадает с осью вращения Земли (угол между этими осями называют магнитным склонением).

Гильберт подтвердил свое предположение на опыте:
он выточил из естественного магнита большой шар и, приближая к поверхности шара магнитную стрелку, показал, что она всегда устанавливается так же, как стрелка компаса на 3емле.

Графически магнитное поле Земли похоже на магнитное поле постоянного магнита.

В 1702 году Э. Галлей создает первые магнитные карты Земли.

Основная причина наличия магнитного поля Земли в том, что ядро Земли состоит из раскаленного железа (хорошего проводника электрических токов, возникающих внутри Земли).
___

Магнитное поле Земли образует магнитосферу, простирающуюся на 70-80 тыс. км
в направление Солнца. Она экранирует поверхность Земли, защищает от вредного влияния
заряженных частиц, высоких энергий и космических лучей, определяет характер погоды.
___

Магнитное поле Солнца в 100 больше, чем земное.

ИЗМЕНЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

Еще в 1635 году Геллибранд устанавливает, что магнитное поле Земли меняется.
Позднее было установлено, что существуют постоянные и кратковременные изменения магнитного поля Земли.

Причиной постоянных изменений является наличие залежей полезных ископаемых.
На Земле имеются такие территории, где ее собственное магнитное поле сильно искажается
залеганием железных руд. Например, Курская магнитная аномалия, расположенная в Курской области.

Причина кратковременных изменений магнитного поля Земли – действие “солнечного ветра”,
т.е. действие потока заряженных частиц, выбрасываемых Солнцем. Магнитное поле этого потока
взаимодействует с магнитным полем Земли, возникают “магнитные бури”.
На частоту и силу магнитных бурь влияет солнечная активность.
В годы максимума солнечной активности (один раз в каждые 11,5 лет) возникают такие
магнитные бури, что нарушается радиосвязь, а стрелки компасов начинают непредсказуемо “плясать”.

Устали? – Отдыхаем!

ВИХРИ — ОТ МОЛЕКУЛЫ ДО ГАЛАКТИКИ

Наука и жизнь // Иллюстрации

Рис.1. Карта индукции магнитного поля Земли.

Таблица. Повторяемость тропических циклонов в северной части тропической зоны атлантического океана за 1886—1964 годы.

Рис.2. Установка для создания вихревого движения воздуха.

Рис.3 Число наиболее сильных ураганов в Северной Атлантике.

Рис. 4. Фотография, сделанная со спутника 11 сентября 1967 года, запечатлела довольно редкое природное явление — тайфуны-близнецы Джильда и Энни, расположенные по обе стороны от экватора.

Рис. 5. Схема перемещения молекулы воды.

Рис. 6. Зависимость величины взаимодействия молекул воды с магнитным полем Земли от широты места.

Рис. 7. Распределение тайфунов по географическим широтам.

‹

›

Инженер и патентовед Павел Николаевич Манташьян разработал теорию, объединяющую природные объекты и явления, отличающиеся в миллиарды раз. Спиральные галактики и вихри в атмосфере, тайфуны и молекулы воды, которые вращаются в магнитном поле земли, подчиняются одним и тем же законам. традиционное объяснение механизма образования циклонов сводится к воздействию силы Кориолиса на воздушные потоки. Гипотеза автора предполагает, что первопричина возникновения циклонов — появление момента количества движения у дипольной молекулы воды, движущейся в магнитном поле земли.

МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ТАЙФУНА

В земной атмосфере находятся пары воды, которые с воздушными потоками перемещаются в магнитном поле Земли, и, как следствие этого, в атмосфере образуются вихри разных размеров. Наиболее интересны и характерны из них, а также наиболее разрушительны тропические циклоны, или тайфуны, диаметры которых составляют сотни километров.

У всех тайфунов есть общая черта: в Cеверном полушарии они закручены против часовой стрелки, а в Южном — наоборот, по часовой. Тропические циклоны зарождаются в штилевой зоне над океанами (преимущественно между широтами 5—25°) как в Северном, так и в Южном полушарии, но полностью отсутствуют в экваториальной зоне, ограниченной приблизительно 5° северной широты и 5° южной широты.

Тропический циклон представляет собой систему очень сильных ветров, дующих вокруг безветренного центра, называемого глазом, вблизи которого скорость ветра может достигать 300—400 км/ч. Тропические циклоны характеризуются мощными восходящими потоками влажного воздуха вокруг “глаза” и нисходящими потоками воздуха в “глазе” тайфуна.

Попробуем объяснить механизм образования тропических циклонов.

Земля — гигантский намагниченный шар. Его поле совпадает с полем магнитного диполя, расположенного вблизи центра земного шара со смещением около 400 километров в сторону Тихого океана и наклонённого примерно на 12° к оси вращения Земли. Силовые линии этого гигантского магнита выходят из северного магнитного полюса в Южном полушарии и устремляются к южному магнитному полюсу в Северном полушарии. Они огибают земной шар и распространяются на многие тысячи километров в околоземном космическом пространстве.

Магнитное поле Земли в каждой точке пространства характеризуется величиной и направлением. Из всех его характеристик в плане образования циклона нас интересует вектор магнитной индукции

В и магнитное наклонение I, то есть угол между горизонтальной плоскостью и вектором магнитной индукции.

Картина магнитного поля Земли очень сложна, она периодически меняется, вызывая существенные отклонения от средней величины в данной местности (рис. 1). Однако несложные расчёты (они приведены в “Подробностях для любознательных”) показывают, что взаимодействие движущихся вверх молекул воды с магнитным полем Земли в первую очередь зависит от величины магнитной индукции В, то есть от магнитной широты (которая мало отличается от географической широты места). Момент количества движения молекул, а значит, и скорость их вращения в тайфуне максимальны на широтах 16о. То есть именно на этих широтах вероятность возникновения тайфуна наиболее велика. Это хорошо согласуется с результатами наблюдений за погодой. Но для его возникновения поднимающийся воздушный поток должен также иметь высокую влажность, которую могут обеспечить только обширные водные пространства с хорошо прогретой поверхностью (по данным некоторых авторов, не менее 27 градусов Цельсия). И тайфуны действительно образуются вблизи от экваториальной зоны (10—25° широты), над океаном, поверхностные воды которого хорошо прогреты, а восходящий поток имеет практически стопроцентную влажность. Как следствие этого, появление тайфунов носит ярко выраженный сезонный характер, что отражено данными, приведёнными в таблице.

За 79-летний период, отражённый в таблице, тайфуны в северной части тропической зоны Атлантического океана возникали 636 раз, то есть практически по 8 тайфунов в год. Из них 504 тайфуна, или почти 80%, приходятся на август, сентябрь и октябрь — период, когда поверхностные воды Атлантики прогрелись, но зато в январе, когда они остыли, за 79 лет не было ни одного тайфуна.

Как отмечалось выше, реальное магнитное поле Земли отличается от магнитного поля идеального магнитного диполя. А поскольку именно величина индукции магнитного поля играет важную роль в механизме образования тайфуна, районы океана с её повышенным уровнем наиболее “тайфуногенны”. К ним относятся районы между Южной и Северной Америками, к востоку от побережья Австралии, районы Японских островов и Индонезии. Во всех этих местах индукция магнитного поля составляет 40—50 микротесл. А в районах западного и восточного побережий Южной Америки и в Южной Атлантике, где тайфунов не бывает, уровень индукции магнитного поля Земли не превышает 25—30 микротесл.

В целом картина возникновения тайфуна такова. Хорошо прогретая поверхность океана обеспечивает мощный восходящий поток влажного воздуха, насыщенного молекулами воды, которые, поднимаясь, начинают вращаться вследствие взаимодействия с магнитным полем Земли.

Чтобы понять роль молекул воды в образовании тайфуна, представим себе ёмкость, заполненную воздухом, в которую опустили вентилятор. Его лопасти вращаются, вовлекая во вращение воздух. Если теперь мысленно уменьшить размеры лопастей вдвое, одновременно увеличив число вентиляторов в два раза, скорость вращения воздуха в ёмкости сохранится. Если последовательно продолжать мысленный процесс уменьшения размеров вентиляторов с одновременным увеличением их числа, в пределе можно дойти до лопастей размером с молекулу. Образно говоря, в процессе образования тайфуна каждая молекула воды играет роль миниатюрного вентилятора, так как она совершает вращательное движение в результате пересечения ею силовых линий магнитного поля Земли. И посредством многочисленных соударений каждая молекула воды передаёт собственный момент количества движения другим молекулам, не имеющим дипольного момента. Постепенно во вращательное движение вовлекается всё больше молекул влажного воздуха. Такая “спиновая поляризация” воздушного пространства со временем приводит к суммированию моментов количества движения отдельных молекул, что и служит основой образования вихря гигантских размеров.

Проверить это предположение лучше всего с помощью эксперимента.

ЭКСПЕРИМЕНТ

Оценим возможность получения момента количества движения молекулой воды, перемещающейся в магнитном поле. Для этого соберём установку (рис. 2), состоящую из ёмкости с водой, нагревателя, крутильных аэродинамических весов (коромысла с плоскими лопастями на концах) и вентилятора в вертикальной трубе, отходящей от ёмкости. Установка помещена между кольцами Гельмгольца — плоскими электрическими катушками, создающими однородное магнитное поле.

Вода в ёмкости подогревается и испаряется. Вентилятор обеспечивает движение влажного воздуха по трубе вверх. На кольца Гельмгольца подаётся постоянный ток, создающий однородное магнитное поле внутри пластиковой трубы. Если восходящий поток влажного воздуха приобретает вращательное движение, коромысло весов начинает вращаться. Если сменить полярность тока, питающего кольца Гельмгольца, влажный воздух станет закручиваться в противоположном направлении, что и отметят крутильные весы.

При подаче постоянного тока на кольца Гельмгольца необходимо учитывать следующее. Так как направление магнитного поля, создаваемого кольцами, совпадает с направлением магнитного поля Земли, сила тока должна быть подобрана таким образом, чтобы в случае изменения полярности тока абсолютная величина индукции суммарного магнитного поля внутри трубы оставалась постоянной. Тогда воздействие магнитного поля на восходящий поток влажного воздуха в обоих случаях будет одинаковым по абсолютной величине, но противоположным по направлению, что и приведёт к одинаковой скорости вращения крутильных весов. Только в одном случае крутильные весы будут вращаться в одну сторону, а именно в Северном полушарии против часовой стрелки, а в другом — в обратную (см. также рис. 4).

ТАЙФУН — ТЕПЛОВАЯ МАШИНА

Рассмотрим соотношение масс молекул воды и воздуха, содержащего эти молекулы воды. При температуре океана 27 градусов Цельсия температура воздуха над океаном будет около 35 градусов. При такой температуре и стопроцентной влажности масса паров воды в одном кубическом метре воздуха составит порядка 40 г, тогда как масса сухого воздуха того же объёма — 1260 г. Таким образом, видно, что масса молекул воды составляет примерно три процента от общей массы влажного воздуха. Отсюда понятно, что для образования тайфуна необходим длительный, порядка нескольких дней, “инкубационный период”. В течение этого времени происходит постепенное образование моментов количества движения у молекул воды в результате их взаимодействия с магнитным полем Земли, передача их посредством соударений нейтральным молекулам и аккумуляция моментов количества движения всех молекул в виде вихря. Тайфун возникнет, если процесс накопления момента количества движения идёт по нарастающей. Для этого достаточно, чтобы температура поверхностных вод океана не опускалась ниже 27 градусов Цельсия, а в дневное время уровень солнечной радиации способствовал испарению воды и созданию мощных восходящих потоков влажного воздуха. К счастью, все эти условия соблюдаются не всегда, поэтому тайфуны не такие уж частые гости в тропических широтах.

Как указывают многие исследователи, тайфун — своего рода тепловая машина, которая превращает тепловую энергию Солнца в энергию восходящего потока влажного воздуха, а она с помощью магнитного поля Земли преобразуется в энергию гигантского воздушного вихря.

Что же происходит с молекулами воды, которые восходящим потоком воздуха перемещаются с поверхности океана, природного нагревателя, в верхние слои атмосферы, служащие холодильником этой своеобразной тепловой машины? Они конденсируются, образуя облака, которые через некоторое время проливаются тропическим ливнем. Получается, что если при движении вверх молекулы воды вращаются в одну сторону, закручивая воздух в тайфуне, то при движении вниз они должны вращаться в противоположную сторону, тормозя вращение тайфуна. А поскольку количество молекул воды, движущихся в обоих направлениях, одинаково, то в принципе, казалось бы, тайфун должен быстро угаснуть. Однако этого не происходит.

Между молекулами воды, движущимися вверх и вниз, есть большая разница: они совершают свои путешествия в различных агрегатных состояниях. Вверх молекулы воды добираются поодиночке, в парообразном состоянии, а вниз — в виде капель жидкости. Одиночная молекула воды имеет большую свободу движения и может более эффективно играть роль своеобразного вентилятора, тогда как молекулы воды в жидкости, находясь в более тесном взаимодействии, такой свободой не обладают. Отсюда можно сделать вывод, что вероятность образования вихря напрямую зависит от агрегатного состояния дипольных молекул.

Анализируя таблицу повторяемости тропических циклонов в северной части тропической зоны Атлантического океана, можно заметить, что максимальное число тайфунов возникает именно в сентябре, когда после жаркого лета поверхностные воды океана достаточно прогрелись. Много тайфунов образуется также в августе — температура океана уже высокая и в октябре — температура ещё высокая, тогда как в июне и июле их число составляет всего лишь 20 процентов от сентябрьской нормы — океан ещё не успел прогреться после зимы.

Пространственно-временной анализ картины распределения тайфунов косвенно подтверждает гипотезу о возможности образования момента количества движения у дипольной молекулы, перемещающейся в магнитном поле.

Следует отметить, что таблица содержит суммарную информацию о тайфунах, а на диаграмме, изображённой на рис. 3, отражено число главных ураганов в Северной Атлантике по годам.

Из приведённой диаграммы видно, что распределение ураганов по годам неравномерно. Современные исследователи связывают это со многими факторами, в том числе и с активностью Солнца. Один из возможных механизмов такого влияния включает корональные выбросы — сброс старых магнитных петель конвективной зоны Солнца. Эти гигантские облака намагниченной плазмы массой до 10 миллиардов тонн летят к Земле со скоростью более 1000 км/с. В результате такого выброса в районе геомагнитного экватора регистрируются потоки протонов, позитронов и электронов, причём поток положительно заряженных частиц в несколько раз превышает поток электронов (см. “Наука и жизнь” №№ 3, 7, 2006 г.).

При движении молекулы воды в магнитном поле Земли её массивная отрицательно заряженная часть ОН играет основную роль в образовании момента количества движения и задаёт направление вращения молекулы. Данные о корональных выбросах Солнца, приводящих к потокам положительно заряженных частиц, влияющих на образование тайфунов, полностью подтверждают теорию. Формула силы Лоренца (2) в “Подробностях для любознательных” содержит четыре сомножителя, каждый из которых может быть положительным или отрицательным. В случае с корональным потоком, состоящим преимущественно из положительно заряженных частиц, каждая из которых в тысячи раз превосходит по массе электрон, их векторы скорости направлены прямо противоположно вектору скорости восходящего потока. Следовательно, они противоположны по знаку, то есть знак меняется у двух сомножителей из четырёх, что никак не отражается на знаке их произведения.

Следовательно, положительно заряженные частицы корональных выбросов Солнца действительно способствуют образованию тайфунов. щш заряды q, равные по величине и противоположные по знаку. Предположим, что частицы находятся одна от другой на расстоянии, позволяющем пренебречь силами их взаимодействия. Под действием сил Лоренца их траектории станут спиралями, оси которых параллельны вектору индукции магнитного поля B. А поскольку их заряды противоположны по знаку, это будут правая и левая спирали, и суммарный момент количества движения этих частиц равен алгебраической сумме их моментов количества движения:

L_Σ = m₁²V²sin²α/qB — m₂²V²sin²α/qB (6)

или

L_Σ = (m₁²– m₂²) V² sin²α/qB. (7)

Воспользовавшись известным тождеством о разности квадратов, преобразуем (7):

L_Σ = m_Σ ∆ mV²sin²α/qB, (8)

где m_Σ — сумма масс частиц; ∆ m — их разность.

Формула (8) позволяет сделать интересный вывод. Представим себе в целом электрически нейтральную систему, состоящую из равного числа положительных и отрицательных частиц разной массы. Если такую систему пропустить через магнитное поле, то суммарный момент её количества движения будет отличен от нуля. Если массы частиц одинаковы, момент количества движения системы частиц равен нулю.

Предыдущий вывод касался группы свободных зарядов, не взаимодействующих друг с другом и не связанных между собой. Рассмотрим теперь случай, когда заряженные частицы образуют классический электрический диполь — два противоположных заряда, равных по абсолютной величине q и жёстко связанных один с другим. Основной физической характеристикой такого диполя служит его электрический дипольный момент р, равный произведению абсолютной величины зарядов на вектор r, направленный от отрицательного заряда к положительному, длина которого равна расстоянию между центрами зарядов:

p = qr. (9)

При движении такого диполя в магнитном поле на каждый его заряд действуют силы Лоренца, противоположно направленные на заряды с разными знаками, и в целом на диполь подействует момент сил Лоренца:

M_л = px [VB],

который будет стремиться ориентировать электрический диполь вдоль направления, перпендилкулярного плоскости, образованной вектором индукции магнитного поля и вектором скорости электрического диполя. Для краткости назовём это направление лоренцевским.

Однако наиболее интересен случай поведения электрического диполя, заряды которого сосредоточены в разных по величине массах, но при этом связь между зарядами не жёсткая. В этом случае каждый заряд имеет ограниченную степень свободы, что позволяет ему описывать спиральную траекторию. Радиус такой траектории ограничен длиной и характером связи между зарядами и в некотором случае может быть меньше радиуса траектории свободного заряда. Для описания одной формулой обоих перечисленных случаев введём в формулу (8) коэффициент k, характеризующий параметры связи зарядов и меняющийся в пределах от 0 до 1. Назовём его коэффициентом вихреобразования:

L_Σ = km_Σ∆ mV²sin²α/qB. (11)

В случае невзаимодействующих зарядов k = 1, а в случае зарядов, соединённых в жёсткий классический диполь, k = 0. В качестве реального электрического диполя рассмотрим молекулу воды, выбор которой обусловлен тремя причинами. Во-первых, вода — одно из самых распространённых веществ на поверхности земного шара. Во-вторых, она играет исключительно важную роль в природных явлениях. В-третьих, молекула воды обладает большим дипольным моментом, равным 1,84 дебая (дебай — единица электрического дипольного момента молекул, равная 3,34 х 10^-30 кулон-метр).

В реальном электрическом диполе, например молекуле воды, силы связи между зарядами оставляют некоторую свободу их перемещения. При движении молекулы в магнитном поле её части, имеющие разные заряды и разные массы, вращаются в противоположных направлениях и общий момент количества движения молекулы отличен от нуля. Следовательно, коэффициент к реальной молекулы воды, имеющей большой дипольный момент, тоже отличен от нуля.

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ И ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ШИРОТА

Земля в первом приближении подобна намагниченному шару, для которого магнитное наклонение I и модуль вектора магнитной индукции B имеют связь с магнитной широтой φ, определяемую с помощью системы уравнений (12):

где M — магнитный момент шара; R — расстояние от центра шара до точки измерения магнитных величин.

Из приведённых формул видно, что силовые линии магнитного поля Земли в районе магнитного экватора горизонтальны, а в районе магнитных полюсов — вертикальны. Однако если учесть, что наклон земной оси относительно оси магнитного диполя невелик (порядка 12°), то в первом приближении магнитную широту φ можно считать тождественной географической широте.

Система уравнений (12) описывает идеализированное магнитное поле, тогда как реальное магнитное поле Земли имеет порой довольно существенные отклонения от идеала, кроме того, оно периодически меняется со временем.

МОЛЕКУЛА ВОДЫ И МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Поскольку, как отмечалось выше, момент количества движения молекулы воды зависит от её взаимодействия с магнитным полем, попробуем рассмотреть функцию этой зависимости от магнитной (географической) широты.

Рассмотрим молекулу воды, перемещающуюся вертикально вверх в магнитном поле Земли со скоростью V (рис.5).

Запишем формулу (11) в виде

L_Σ = CV² sin²α/B, (13)

где

С = kmΣ∆m/q. — (14)

Учитывая, что sinα = cos I, — (15)

и подставив (12) в (13), после преобразований получим

L_Σ= CV²R³cos²φ/M(1 + 3 sin²φ)^3/2. (16)

Однако ось тайфуна вертикальна, и, следовательно, вклад в момент количества движения тайфуна внесёт составляющая, равная

L_T = L_Σ sin I. (17)

Подставив (12) в (16), получим

L_T = Ksin φ cos²φ /(1 + 3 sin²φ)², (18) где

К = 2CR³V²/M. (19)

Функция (18) характеризует зависимость величины взаимодействия вертикально движущихся молекул воды с магнитным полем Земли от магнитной широты. Назовём её функцией вихреобразования. График функции (18) в нормированном виде представлен на рис. 6, где её максимум принят за единицу, то есть все значения функции поделены на величину её максимума.

Из графика видно, что максимальное значение функции приходится на магнитную широту 16° и резко падает в экваториальной зоне и в высоких широтах, что полностью соответствует географии распределения тайфунов, приведённой на рис. 7.

Кроме того, функция обращается в ноль на экваторе и на полюсах, а при переходе через экватор меняет знак на противоположный. В Северном полушарии она положительна, тайфуны Северного полушария вращаются против часовой стрелки, а в Южном полушарии функция отрицательна, и тайфуны там вращаются по часовой стрелке (наблюдатель смотрит на тайфун сверху). В механике принято именно такое определение: вращение против часовой стрелки считается положительным, а по часовой — отрицательным.

Косвенным образом функция (18) характеризует вероятность возникновения тайфуна, которая максимальна именно на магнитных широтах 16°.

Двигатель без топлива – Газета Коммерсантъ № 130 (1774) от 24.07.1999

Газета “Коммерсантъ” №130 от 24.07.1999, стр. 9

&nbspДвигатель без топлива
Работает от Солнца и Земли
       В Московском институте электромеханики разработан прототип космического двигателя, работающего от магнитного поля Земли и электрической энергии солнечных батарей и не расходующего ни грамма топлива. Такого двигателя еще не было ни в космосе, ни на земле, ни у нас, ни у американцев. Изобретение может иметь огромное коммерческое значение, поскольку позволит сохранить на орбите спутники, погибающие вместе с исчерпанием топливного ресурса.

       Десятки спутников стоимостью каждый в несколько миллионов долларов ежегодно превращаются в неуправляемый бесполезный металлолом просто потому, что у них кончается топливо (точнее, “рабочее тело”). Ведь для нормальной работы спутников связи необходимо время от времени запускать двигатели и проводить маневры, поддерживающие положение на заданной орбите, а на борт можно взять лишь очень небольшой запас топлива. Двигатель, не требующий топлива и использующий энергетическую схему другого типа, был бы здесь спасительным решением.
       Именно такого типа двигатель предложен ведущим научным сотрудником НИИ электромеханики Рудольфом Бихманом (НИИ электромеханики — участник программы создания метеорологических спутников серии “Метеор”). Предупреждая естественные вопросы, скажем сразу, что Бихман не одержимый изобретатель-одиночка и не случайный человек в области космической техники. Управление космическими аппаратами является его основной специальностью.

Пусть и не вечный двигатель, но бесплатный
       Схема работы двигателя станет понятна каждому, кто способен вспомнить школьный курс физики. Вокруг Земли существует постоянное магнитное поле. В полном соответствии с теорией на изолированный разомкнутый проводник с током в магнитном поле действует сила (сила Ампера, направление которой определяется правилом левой руки). Но изолированных разомкнутых проводников в природе не существует. Существуют только замкнутые проводники (контуры), на половинки которых действуют взаимно уравновешивающие силы. Поэтому считается, что замкнутый проводник в магнитном поле не может создать линейной силы (тяги). Однако ситуация может измениться, если внести в эту схему некоторые важные изменения. Во всяком случае, так считает изобретатель Бихман.
       Основная идея изобретения состоит в следующем: чтобы создать нужную тягу, необходимо изолировать одну половинку замкнутого проводника (контура) от магнитного поля. В этом случае на одну часть проводника (не изолированную от магнитного поля Земли) будет действовать сила Ампера, а в изолированной от магнитного поля половине никакой силы не возникнет. Таким образом, одна из двух сил останется неуравновешенной — она-то и создаст тягу. Для создания тяги на спутнике достаточно разместить замкнутый проводник, одна половинка которого будет изолирована от магнитного поля Земли. Пропуская через проводник электрический ток, можно создать такую же силу (тягу), какую создают обычные ракетные двигатели. Только если время работы обычного ракетного двигателя ограничено запасом топлива, то новый электрический двигатель может работать сколь угодно долго, была бы только электроэнергия и внешнее магнитное поле. Запас электроэнергии можно всегда пополнить от солнечных батарей, ну а уж бесплатного магнитного поля Земли на наш век хватит. Тяга у такого двигателя небольшая, но в космосе большего и не требуется. Для изменения орбиты спутника достаточно очень маленькой тяги, лишь бы двигатель мог ее создавать в течение длительного времени — порядка часов и суток.

Прошлый раз тоже говорили — ничего не выйдет
       Г-ну Бихману удалось официально зарегистрировать свое изобретение. Факт регистрации означает прохождение предварительной экспертизы, а также гарантирует автору приоритет и подтверждение авторства. От регистрации до выдачи патента проходит немалый срок (несколько месяцев). В это время проходит окончательная экспертиза. После выдачи патента автор получает право коммерческого использования изобретения (продажа прав на использование, получение штрафов за нелегальное использование и т. п.). На сегодня у Рудольфа Бихмана имеется только право на приоритет, а патент, дающий право торговать изобретением, еще не получен, хотя заявка на него уже подана.
       Революционная идея нового космического двигателя не вызвала большого энтузиазма у коллег. Напротив, она до сих пор вызывает большие сомнения, ведь в учебниках написано, что замкнутый контур в магнитном поле силу создать не может. А раз “не может”, то и двигателя никакого быть не может и, следовательно, говорить не о чем. Кроме того, уж больно простой получается двигатель — моток проволоки, половина которого упрятана в непрозрачную для магнитного поля трубку. И все. Если бы все было так просто, почему бы кому-нибудь другому не изобрести подобное раньше, говорят скептики.
       Имеются недоверчивые отзывы коллег и из других организаций. Заместитель директора по науке Института прикладной механики и электродинамики (НИИПМЭ, Москва) Владимир Ким сообщил в ответ на наш запрос, что возможности перемещения аппаратов в космосе путем пропускания токов через проводники неоднократно анализировались, но получить перемещение их центра масс оказалось невозможно.
       Недоверие коллег, однако, не смущает г-на Бихмана. “Когда,— говорит он,— я первым сделал систему ориентации для спутников ‘Метеор’ с использованием замкнутых контуров с током, то все специалисты тоже говорили — ничего не выйдет. А сейчас это серийные двигатели, и они летают в космосе уже тридцать лет”.

Эта штука работала, и даже при свидетелях
       Для убеждения неверующих Рудольф Бихман соорудил демонстрационную установку. Эксперимент получился убедительным. Действующую модель двигателя экспериментаторы подвесили на проволоке как маятник и замеряли амплитуду колебаний. Если амплитуда увеличивается, значит, двигатель создал тягу вдоль вектора скорости. Если же амплитуда колебаний уменьшается, значит, двигатель создает тягу против скорости. Эксперимент показал наличие тяги, которая к тому же изменялась при изменении направления тока. О чем и был составлен протокол.
       В этом опыте двигатель с потребляемой мощностью 90 Вт и массой 10 кг создавал силу около 5 г. Для сравнения: существующие отечественные электроракетные двигатели с тягой 15 г имеют массу 40 кг, потребляют мощность 450 Вт и, главное, расходуют невосполнимый запас рабочего тела в темпе 70 мг в секунду. Время непрерывной работы такого традиционного двигателя — всего несколько месяцев.
       Мы связались с коллегами Бихмана по институту, присутствовавшими при опыте,— старшим научным сотрудником Аллой Куриленко и ведущим научным сотрудником Павлом Олейником. Они подтвердили, что “принимали участие в испытаниях макетного образца двигателя и с удивлением констатировали наличие развиваемой двигателем линейной силы за счет взаимодействия с магнитным полем Земли”.
       Тем не менее, осторожное отношение начальства к изобретению Рудольфа Бихмана не изменилось, и это можно понять. Одно дело, когда оформляется коллективная заявка на усовершенствование какого-нибудь агрегата,— тут все ясно и риска никакого. Другое дело — “изобретение века”, к тому же сделанное индивидуально и в инициативном порядке. Пока работоспособность двигателя не будет подтверждена многократно и одна из российских космических фирм не согласится провести испытания электрического двигателя уже в реальном полете, отношение к изобретению вряд ли изменится.

       ИВАН Ъ-ШВАРЦ

Комментарии Главные события дня в рассылке «Ъ» на e-mail

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 8 МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ

С.О. Зубович, Т.А. Сухова

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ВОЛЖСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ) ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Подробнее УДК 537.2:537.3 (076.3)
УДК 537.2:537.3 (076.3) Определение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли: методические указания к выполнению лабораторной работы 42 по физике для студентов всех специальностей всех форм обучения
Подробнее 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. Моментом силы M
Цель работы. Изучить момент силы. Задача. Провести измерения модулей сил, расстояний от оси вращения до точек приложения сил и углов, задающих направление сил. Исходя из равенства моментов сил, действующих
Подробнее Отложенные задания (40)
Отложенные задания (40) На рисунках изображены постоянные магниты с указанием линий магнитной индукции полей, создаваемых ими, и магнитные стрелки. На каком из рисунков правильно изображено положение магнитной
Подробнее Кинематика относительного движения
Глава 3 Кинематика относительного движения 3.. Относительное движение точки В первой главе рассматривалось движение точки относительно неподвижной системы отсчета. Предположим, что наряду с неподвижной
Подробнее А.И. Прасолова Практикум по геодезии
ЗАДАНИЕ «ОПРЕДЕЛЕНИЕ КООРДИНАТ ТОЧЕК И ОРИЕНТИРУЮЩИХ УГЛОВ ПО ТОПОГРАФИЧЕСКОЙ КАРТЕ». Задачи: познакомиться с элементами топографической карты, ее математической основой, системами координат, картографической
Подробнее 9 класс Тесты для самоконтроля ТСК
ТСК 9.3.21 1.Выберите верное(-ые) утверждение(-я). А: магнитные линии замкнуты Б: магнитные линии гуще располагаются в тех областях, где магнитное поле сильнее В: направление силовых линий совпадает с
Подробнее Сферическая астрономия
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уральский федеральный университет имени первого
Подробнее Решение задач по теме «Магнетизм»
Решение задач по теме «Магнетизм» Магнитное поле- это особая форма материи, которая возникает вокруг любой заряженной движущейся частицы. Электрический ток- это упорядоченное движение заряженных частиц
Подробнее , где v линейная скорость тела
1 Лабораторная работа 16 ИЗУЧЕНИЕ ЗАТУХАЮЩИХ КОЛЕБАНИЙ Теоретическое введение Колебаниями называются процессы, при которых физическая величина принимает многократно, через равные (или почти равные) последовательные
Подробнее Изучение магнитного поля на оси соленоида
Лабораторная работа 3 Изучение магнитного поля на оси соленоида Цель работы. Исследование распределения индукции магнитного поля вдоль оси соленоида. Приборы и оборудование. Генератор синусоидального тока,
Подробнее Тема 2.2. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
Тема.. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ. Магнитное поле и его характеристики. Закон Био Савара – Лапласа и его применение к расчету магнитного поля 3. Закон Ампера. Взаимодействие параллельных токов 4. Магнитная постоянная.
Подробнее Рене Дека рт французский математик ( )
ЛЕКЦИЯ 5. Координатная ось. Прямоугольная система координат на плоскости. Полярная система координат на плоскости. Связь между полярными координатами точки и ее прямоугольными координатами. Трудно переоценить
Подробнее 1. ОБЩИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1. ОБЩИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ 1.1. Понятие о земном эллипсоиде и сфере ТЕЗИСЫ ЛЕКЦИЙ Физическая поверхность Земли имеет сложную форму, которая не может быть описана замкнутыми формулами. В силу этого
Подробнее Лабораторная работа 4
КАЛМЫЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра экспериментальной и общей физики Лабораторная работа 4 «ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСКОРЕНИЯ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ ПРИ СВОБОДНОМ ПАДЕНИИ ТЕЛ» Лаборатория 210 Лабораторная работа 4
Подробнее ), движется равномерно
РАВНОВЕСИЕ ТЕЛ Раздел механики, в котором изучается равновесие тел, называется статикой Равновесным называется состояние тела, неизменное во времени, т е равновесие это такое состояние тела, при котором
Подробнее Изучение магнитного поля на оси соленоида
Лабораторная работа 3 Изучение магнитного поля на оси соленоида Цель работы: исследование распределения индукции магнитного поля вдоль оси соленоида Приборы и оборудование: генератор синусоидального тока,
Подробнее Контур с током в магнитном поле
Лабораторная работа 1 Контур с током в магнитном поле Цель работы: измерение момента M сил Ампера, действующих на рамку с током в магнитном поле, экспериментальная проверка формулы M = [ pmb], где p m
Подробнее ПРАВИЛА ОФОРМЛЕНИЯ ДОМАШНИХ РАБОТ
ПРАВИЛА ОФОРМЛЕНИЯ ДОМАШНИХ РАБОТ 1. Домашние работы выполняются каждая в отдельной тетради. 2. На обложке тетради должны быть указаны фамилия, имя и отчество, номер группы, название и номер домашней работы
Подробнее Механические колебания
Механические колебания Гармонические колебания Общие определения Колебаниями называют периодическое или почти периодическое движение или процесс Если колебания происходят при отклонения системы от устойчивого
Подробнее 2.23 ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА АМПЕРА
Лабораторная работа 2.23 ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА АМПЕРА Цель работы: изучение поведения рамки с током в постоянном магнитном поле и определение величины индукции магнитного поля В. Задание: найти экспериментальную
Подробнее ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ 3 МАГНЕТИЗМ
ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ 3 МАГНЕТИЗМ 1-1. Определить величину индукции магнитного поля, создаваемого горизонтальным отрезком проводника длиной l = 10 см с током i = 10 А в точке над ним на высоте 5 м. Найти
Подробнее Магнитное поле. Силы
И. В. Яковлев Материалы по физике MathUs.ru Темы кодификатора ЕГЭ: сила Ампера, сила Лоренца. Магнитное поле. Силы В отличие от электрического поля, которое действует на любой заряд, магнитное поле действует
Подробнее Калькуляторы магнитного поля Земли – Инструкции
Вычислить значения магнитного поля Земли
Онлайн-калькуляторы для оценки текущих и прошлых значений магнитного поля.
Если вам нужно только магнитное склонение (склонение) для одного дня с 1900 года по настоящее время, посетите наш Калькулятор склонения .
Если вам нужны все семь компонентов магнитного поля для одного дня или диапазона лет с 1900 г. по настоящее время, посетите наш Калькулятор магнитного поля . Пожалуйста, прочтите приведенные ниже инструкции перед использованием этого калькулятора.
Калькулятор исторического склонения США Этот калькулятор использует модели склонения США для вычисления склонения только для соседних США с 1750 года по настоящее время.Из-за различий в доступности данных (записанных наблюдений магнитного поля) в западной части США могут не быть значений до начала 1800-х годов.
Вы также можете вычисляет значения для области . Увидеть инструкции для области.
Солнечные возмущения могут вызвать значительные расхождения между расчетными и фактическими значениями поля. Вы можете проверить текущие солнечные условия в NOAA. Центр прогнозов космической погоды.
Значения вычисляются с использованием текущего International геомагнитного поля ссылки , принятый Международная ассоциация геомагнетизма и аэрономии . Значения являются оценками, основанными на IGRF10, и обычно точны с точностью до 30 угловых минут для D и I и 100–250 нТл для силовых элементов (F, H, Z, X и Y).
Требуется ввести:
Местоположение (широта и долгота), введенное в десятичных градусах или градусов, минут и секунд (целые числа, разделенные пробелами) .Примечание
: Если вы не знаете свою широту и долготу и живете в США, введите свой почтовый индекс в соответствующее поле и используйте кнопку « Получить местоположение » или поля выбора страны и города слева. Также предоставляются ссылки на Газетир США и Тезаурус Getty, хорошие источники информации о широте и долготе для США и мира соответственно.
Высота (рекомендуется для использования в самолетах и спутниках) в футах, метрах или километрах над средним уровнем моря.
Дата в формате года, месяца, дня (по умолчанию используется текущий день). Есть две записи даты, позволяющие вычислить значения магнитного поля в течение ряда лет. Обе даты по умолчанию равны текущему дню. Если вам нужны только текущие значения поля, ничего больше вводить не нужно! Если вы хотите знать значения магнитного поля для ряда лет (т.е. с 1967 по 2017), входят в самая старая дата в поле Start Date и самая последняя дата в поле Дата окончания поле.
Размер шага даты (используется только для диапазона лет) – это количество лет между вычислениями. Например, если вы хотите знать значения магнитного поля с 1967 по 2017 год для каждых двух лет, введите 1967 в качестве года начала, 2017 в качестве года окончания и 2 для размера шага.
Чтобы вычислить значения полей, нажмите Compute! Кнопка .
Результаты включают семь параметров поля и текущую скорость изменения за последний год:
Склонение (D) положительное на восток, в градусах и минутах
Годовое изменение (dD) на положительный восток, в минутах в год
Наклон (I) положительный вниз, в градусах и минутах
Годовое изменение (dI) положительное снижение, в минутах в год
Горизонтальная интенсивность (H), в нанотеслах
Годовое изменение (dH) в нанотеслах в год
Север Компонент H (X), положительный север, в нанотеслах
Годовое изменение (dX) в нанотеслах в год
Восток Компонент H (Y), положительный восток, в нанотеслах
Годовое изменение (dY) в нанотеслах в год
Вертикальная интенсивность (Z), положительная вниз, в нанотеслах
Годовое изменение (dZ) в нанотеслах в год
Общее поле (F), в нанотеслах
Годовое изменение (dF) в нанотеслах в год
Вы можете увидеть дополнительную информацию о необходимом вводе или полученные результаты. Для получения дополнительной информации о магнетизме, настройке компаса, вычислении пеленгов, пожалуйста, посетите наш Страница ответов на часто задаваемые вопросы (FAQ). Перейти к Вычислить значения полей .
Вернуться к началу страницы
Требуемый ввод
Ввод информации о местоположении
Если вас интересует местоположение в США, вы можете ввести свой почтовый индекс в отведенное для этого поле и нажать кнопку « Получить местоположение ».Широта и долгота этого почтового индекса (который хранится в Бюро переписи населения США) будут автоматически подставлены в область местоположения. Если значение не отображается, вероятно, возникла проблема с получением местоположения для введенного почтового индекса. В этом случае введите широту и долготу прямо в соответствующие поля.
Если вы вводите местоположение в градусах, минутах и секундах, введите значения для всех трех – через пробел – даже если значение равно нулю .Например, если ваше местоположение находится на широте 35 ° 30 ‘0 “, введите 35 30 0. Помните, что в минуте 60 секунд и 60 минут в градусе, поэтому 35 ° 30’ 0” эквивалентно 35,500. Не вводите в поле обозначения N, S, E или W. Вместо этого, пожалуйста, убедитесь, что правильный выбор справа от поля отмечен для вашего местоположения. N – широта северного полушария, S – широта южного полушария, W – долгота западного полушария, E – долгота восточного полушария.США (в основном) расположены в северном (северном) и западном (западном) полушарии.
Широта колеблется от 90 ° южной широты (южный полюс) до 90 ° северной широты (северный полюс), где 0 ° означает экватор. Долгота колеблется от 0 ° (Гринвич, Англия) к востоку через 90 ° восточной долготы (Бангладеш) до 180 градусов и к западу через Атлантику до 90 ° западной долготы (Джексон, Мичиган) до 180 градусов западной долготы. Например, местоположение Луисвилля, штат Кентукки, США: 38,2247 ° с.ш., 85,7412 ° з.д., также выражаемое как 38 ° 13 ’29 “северной широты, 85 ° 44′ 28” западной долготы.
Ввод информации о дате
Имеются две записи даты, позволяющие вычислить значения магнитного поля в течение ряда лет. Если вам нужен диапазон дат, введите самую старую дату в поле «Дата начала», самую последнюю дату в поле «Дата окончания» и введите количество лет между вычислениями в поле «Размер шага даты». Например, если вы хотите знать значения магнитного поля с 1900 по 2017 год с интервалом в 3 года, введите 1900 1 1 в качестве даты начала, 2017 1 1 в качестве даты окончания и 3 в качестве размера шага.Дата окончания должна быть больше или равна дате начала. Не вводите размер шага (по умолчанию – ноль), если вы не вычисляете диапазон лет.
Модель магнитного поля IGRF обновляется каждые 5 лет, чтобы обеспечить возможность прямого вычисления магнитного поля. Например, IGRF12, принятый в 2005 году, действовал до 1 января 2020 года. Если вы введете дату окончания, превышающую допустимый период модели, вы получите сообщение об ошибке с просьбой ввести действительную дату.
Ввод отметки
Высота особенно важна при вычислении магнитного поля на самолетах или на больших высотах.Если вы не уверены в своей высоте и интересуетесь местоположением на поверхности Земли, достаточно значения по умолчанию 0. Введите высоту в километрах (от -1 до 600)
Нажмите кнопку «Вычислить» , когда будете готовы.
Вернуться к началу страницы
Область ввода
Чтобы вычислить значения полей для области, введите самую северную и самую южную широту, размер шага для широты, самую западную и самую восточную долготу и размер шага для долготы.Например, если вас интересует сетка склонений для континентальной части США со значениями, вычисляемыми через каждые 5 градусов широты и долготы, вы должны ввести (щелкните пример, чтобы увеличить изображение):
Вернуться к началу страницы
Чтение результатов
магнитные параметры склонение, наклон, горизонтальный компонент, к северу компонента, восточный компонент, вертикальный компонент, и суммарное поле (D, I, H, X, Y, Z и Р) вычисляются на основе последнего Международные геомагнитного поля ссылки ( IGRF) модель главного магнитного поля Земли. Точность угловых составляющих (склонение, D и наклон, I) указывается в градусах и минутах дуги и обычно находится в пределах 30 минут. Точность компонентов силы (горизонтальная – H, север – X, восточная – Y, вертикальная – Z и общая сила – F) обычно находится в пределах от 100 до 250 нанотесла. Локальные нарушения и попытки использовать модель за пределами допустимого диапазона дат могут вызвать более серьезные ошибки. Перед использованием IGRF прочтите «Предупреждение о вреде для здоровья». Знаковое обозначение, используемое повсюду: склонение (D) положительное восток, наклонение (I) и вертикальная интенсивность (Z) положительное вниз, северный компонент (X) положительный север и восточный компонент (Y) положительный восток.Горизонтальная (H) и общая (F) интенсивности всегда положительны. Подробнее о параметрах магнитного поля Земли см. Часто задаваемые вопросы.
Вернуться к началу страницы
Магнитное поле Земли в 3D | Сет Штайн
демонстрационных голов:
Покажите, что магнитное поле Земли состоит из трех компонентов
Найдите широту из уравнения
В эксперименте с дипольным полем мы использовали стержневой магнит и железные опилки для моделирования магнитного поля Земли.«Силовые линии», соединяющие два полюса, образовывали трехмерный узор, который можно найти из уравнений Максвелла. Вектор поля можно разбить на три составляющие:
Радиальная составляющая, направленная от Земли
Широтный компонент, направленный к Северному магнитному полюсу Земли
Продольный компонент, направленный вдоль небольшого круга вокруг магнитной оси Земли.
Радиальная составляющая определяется выражением.Оно изменяется в зависимости от куба расстояния от Земли (вместо квадрата), потому что магнитное поле является дипольным, а не монопольным полем. Радиальная составляющая изменяется как косинус широты по той же причине.
Аналогичным образом, компонент широты изменяется как синус широты () и как куб расстояния от центра Земли.
Поскольку поле диполя симметрично относительно оси, продольная составляющая равна нулю.В действительности, поскольку магнитное поле Земли не является истинным диполем, а также из-за локальной концентрации магнитных материалов, можно обнаружить небольшую продольную составляющую магнитного поля Земли.
Угол между магнитным полем и поверхностью Земли называется углом наклона , что показано на диаграмме как I . Из геометрии ситуации ясно, что тангенс этого угла – это просто отношение радиальной компоненты к широте; по математике:
Используя простую иглу для погружения , мы можем измерить три компонента магнитного поля Земли и определить нашу широту.Игла для погружения – это просто магнит, подвешенный в серии тренажерных залов с перпендикулярными осями. Поскольку магнит может двигаться в любом направлении, он выравнивается с местным полем. Измеряя угол наклона иглы падения, мы можем определить широту; измеряя его склонение, мы можем найти магнитный север.
Этот метод – просто альтернатива GPS для поиска нынешних местоположений, но это метод only , который мы можем использовать, чтобы найти, где камни были в свое время.Когда горные породы, содержащие минералы железа, охлаждаются, минералы регистрируют магнитное поле, а затем присутствуют; эта запись остается с камнем, даже если он перемещается по поверхности Земли. Тщательно изучая магнетизм, зарегистрированный в горных породах, ученые смогли расшифровать прошлое положение континентов и больше узнать о дрейфе континентов.
Для измерения местного наклона потребуется:
Магнитная игла для погружения
Транспортир
В качестве альтернативы вы можете сделать иглу для погружения с помощью:
Маленький стержневой магнит (длина ~ 1 см)
20 см Нитка
Клей Перед демонстрацией: Чтобы сделать иглу для погружения, обвяжите нить вокруг центра тяжести стержневого магнита. (Для стержневого магнита это центр самой длинной оси.) Прикрепите резьбу к стержневому магниту с помощью капель клея и дайте ему высохнуть.
1. Поднимите иглу для погружения. Обратите внимание на то, что у него три перпендикулярные оси, поэтому он может свободно вращаться в пространстве. Попросите одного из учащихся измерить угол наклона иглы транспортиром и записать значение на доске.
2. Теперь медленно двигайтесь к стене. Снова попросите ученика измерить и записать угол наклона иглы транспортиром.
3.Теперь медленно двигайтесь к столу. еще раз попросите ученика измерить и записать угол наклона иглы с помощью транспортира.
4. Используя уравнение широты, найдите широту вашей комнаты по провалу стрелки. Укажите на большие ошибки, которые вы могли бы получить, если бы использовали значения возле стены или стола.
Для обсуждения:
Почему перемещение магнита у стены и стола изменило ориентацию? (ПОДСКАЗКА: как это можно использовать для разведки железной руды?)
Артикул:
Фаулер, К.М. Р., Твердая Земля, Введение в глобальную геофизику, Cambridge University Press, 472 стр., 1990.
Как измерить магнитное поле?
Есть магнитное поле, и вам нужно измерить его силу. Но как? Вот несколько вариантов.
Магнитный компас
Когда я был ребенком, у нас были такие вещи, которые назывались компасами. Это просто магнитная игла внутри футляра, которая может свободно вращаться. Поскольку магнитное поле может оказывать крутящий момент на другой магнит, эта стрелка будет выровнена в направлении чистого магнитного поля.Для чего нужен компас? Так уж получилось, что Земля создает магнитное поле, которое в основном постоянное в данном месте. Затем компас можно использовать для определения направления. Вот что самое интересное, компас работает даже под водой (попробуйте это с телефоном – на самом деле, вам, вероятно, не стоит).
Компас показывает не значение чистого магнитного поля, а только направление. Итак, как получить из этого величину определенного поля? Уловка состоит в том, чтобы принять значение магнитного поля Земли и направление компаса.Предположим, что в этом месте на Земле магнитное поле направлено прямо на север с горизонтальной составляющей примерно 2 x 10 ^-5 T.
Теперь предположим, что я что-то делаю для создания магнитного поля в известном направлении и перпендикулярно горизонтальной составляющей магнитного поля Земли. Вот пример, когда я протянул токопроводящий провод прямо над стрелкой компаса. Поскольку компас находится под проводом, магнитное поле, создаваемое проводом, будет составлять 90 ° по отношению к магнитному полю Земли.
Фото: Rhett Allain
Теперь, когда в проводе есть ток, стрелка компаса будет отклонена в направлении чистого магнитного поля.
Если вы точно знаете, что два магнитных поля перпендикулярны, то на основе полученного прямоугольного треугольника вы можете сказать следующее:
Если вы не знаете направление магнитного поля, которое вы пытаетесь Измерьте, этот метод не сработает. Кроме того, если магнитное поле очень мало или очень велико по сравнению с горизонтальной составляющей Земли, вы не получите очень точного результата.
iPhone Compass
iPhone также имеет приложение компаса.
Скриншот приложения компаса для iPhone
Можно ли использовать этот компас так же, как настоящий компас? Да. Однако в своем простом тесте я обнаружил, что цифровой компас iPhone не очень хорошо реагирует на изменения магнитных полей. Есть еще одно приложение, которое работает немного лучше – xSensor (iOS).
Скриншот приложения xSensor для iOS
Отображает компоненты x, y и z магнитного поля.Но как это работает? Ответ в том, что в телефоне есть датчик Холла (ну, действительно, три). Что такое эффект Холла? Хорошо, давай сделаем это. У этого эффекта много деталей, и я не хочу начинать с нуля. Вот с чего я хотел бы начать (но каждый элемент, вероятно, может быть целым сообщением в блоге).
Магнитное поле Земли
Магнитное поле Земли
Узнайте о магнитном поле Земли.
Ссылки на карты магнитного склонения, наклонения и полного поля.
Информация о различных компонентах, используемых для представления магнитного поля.
Узнайте о направлении магнитного поля (то есть о том, куда указывает компас).
Описание различных эталонных моделей магнитного поля.
Узнайте о магнитном поле вблизи северного магнитного полюса.
Узнайте о медленных изменениях магнитного поля в масштабе времени от лет до тысячелетий.
Как пользоваться компасом и вносить правильные поправки.
Библиография по геомагнетизму.
Магнитное поле Земли (геомагнитное поле) напоминает поле, создаваемое простым стержневым магнитом. Такое поле называется дипольным полем, потому что у него есть два полюса, расположенные на обоих концах магнита, где напряженность поля максимальна.В середине между полюсами сила составляет половину от ее значения на полюсах. Магнитное поле часто визуализируется в виде линий магнитного поля или силовых линий, которые покидают один конец магнита, называемый северным полюсом, проходят через пространство и снова входят в магнит на другом конце, южном полюсе.
Линия магнитного поля
Если бы мы могли поместить стержневой магнит внутрь Земли, наклоненный примерно на 11 ° к оси вращения и смещенный примерно на 550 км от центра Земли, мы могли бы составить 90% наблюдаемого магнитного поля.Мы могли бы учесть оставшиеся 10%, разместив стержневые магниты меньшего размера в стратегических местах вокруг основного магнита.
Хотя это простое описание обеспечивает способ концептуализации магнитного поля, оно не отражает того, что на самом деле происходит внутри Земли. Его также нельзя использовать для расчета силы и направления магнитного поля. Математически магнитное поле Земли обычно описывается разложением по сферическим гармоникам, серией специальных сферических функций широты / долготы и связанных с ними коэффициентов.Каждая группа функций описывает конкретный образец поля: первые три члена описывают поле диполя; следующие 5 членов описывают квадрапольное поле; следующие 7 терминов описывают октопольное поле. Регулируя относительный размер каждой из этих составляющих частей, можно точно аппроксимировать форму фактического поля.
Такие математические описания магнитного поля называются модели магнитного поля ссылки. Наиболее широко используемой моделью эталонного поля является Международное эталонное геомагнитное поле (IGRF).IGRF выпускается каждые пять лет под эгидой Международной ассоциации геомагнетизма и аэрономии (IAGA).
Магнетизм Земли – Учебные материалы для IIT JEE

Введение в магнетизм Земли
Причина, по которой стержневой магнит, когда он свободно подвешен, направлен с севера на юг, связана с гигантским магнитным полем Земли. Считается, что электрические токи, циркулирующие от ядра Земли в космос, создают магнитное поле Земли.Предполагается, что магнитное поле Земли спасает Землю от солнечного ветра, который может вызвать срыв озонового слоя Земли. Единица измерения магнитного поля Земли в системе СИ – тесла.
Рис. Единица измерения магнитного поля Земли в системе СИ – тесла
.

Теория магнетизма Земли
Нет веской причины для причины земного магнетизма или того, почему Земля имеет гигантское магнитное поле, но есть теория, связанная с магнитным полем Земли, которая помогает нам понять, почему Земля ведет себя как гигантский магнит.
Считается, что магнитное поле Земли возникает из-за динамо-эффекта. Эффект динамо вызван движением металлических жидкостей во внешнем ядре Земли, в результате чего возникает электрический ток. Именно из-за этого электрического тока Земля имеет свои собственные силовые линии магнитного поля.
Другая теория предполагает, что вращение Земли вокруг собственной оси производит сильный электрический ток, поскольку внешние слои Земли ионизированы.В результате при вращении Земли происходит движение заряженных ионов, которые в свою очередь вырабатывают электрический ток.
Отличительный аспект магнетизма Земли
Рис. Графическое изображение магнитного поля Земли
Как видно из вышеприведенной схемы, на полюсах Земли расположены два северных (магнитный север и географический север) полюса и два южных (магнитный южный и географический южный) полюса.Северный магнитный полюс и Южный магнитный полюс являются результатом диполя. Северный магнитный полюс расположен на 79,74 ° N (широта) и 71,8 ° W (долгота). Точно так же южный магнитный полюс расположен на 79,74 ° ю.ш. (широта) и 108,22 ° в.д. (долгота)
.
Если мы внимательно рассмотрим силовые линии магнитного поля Земли, мы увидим, что силовые линии магнитного поля входят в северный полюс и покидают южный полюс, в отличие от Барного магнита, где силовые линии магнитного поля входят в южный полюс и покидают северный полюс.Это связано с тем, что северный магнитный полюс на самом деле ведет себя как южный полюс стержневых магнитов и наоборот. Он был назван магнитным севером, потому что магнитная стрелка (Северный полюс) стержневого магнита указывала в этом направлении.
Составляющая магнитного поля Земли
Компоненты, которые отвечают за величину, а также направление магнитного поля Земли в определенном месте, определяются по формуле:
Магнитное склонение
Когда магнитная стрелка свободно подвешена в воздухе, она всегда указывает в направлении север-юг.Это направление, в котором магнитная стрелка свободно указывает в определенном направлении, свободном от всех других притягивающих сил, известно как Магнитный меридиан . Магнитное склонение определяется как угол между Магнитным меридианом и географическим меридианом. Здесь географический меридиан определяется как плоскость, проходящая через северный и южный полюса Земли.
Рис. Угол θ известен как магнитное склонение Рис. Графическое изображение истинного географического северного и южного полюсов
Угол падения или магнитного наклона
Возьмите магнитную иглу и свободно подвесьте ее так, чтобы она могла вращаться вокруг горизонтальной оси, как показано на рисунке ниже:
Рис: Угол наклона или Магнитный наклон
Угол, который северный полюс иглы образует с горизонтальной осью, известен как угол наклона или магнитное наклонение .
Горизонтальная составляющая магнитного поля Земли
Магнитная напряженность магнитного поля Земли составляет угол, известный как Угол падения (δ) с горизонтальной осью. Напряженность магнитного поля Земли можно разделить на две составляющие:
Горизонтальный компонент (H)
Вертикальный компонент (v)
Эти три элемента магнитного поля Земли дают нам достаточно информации о величине и направлении магнитного поля Земли.Однако эти элементы иногда претерпевают регулярные или нерегулярные изменения, временами во всех местах на Земле. Некоторые из важных вариаций элементов перечислены ниже:
Вариации магнитного поля Земли
Вековая вариация: Магнитная ось подвергается периодическим изменениям из-за ее вращения вокруг собственной оси с востока на запад. Временной цикл этой вариации составляет 960 лет.
Одиннадцатилетний цикл солнечных пятен: Один раз в одиннадцать лет Земля сталкивается с солнечным пятном, которое является областью сильного магнитного поля.Таким образом, магнитная активность Земли находится под очень сильным влиянием во время этого изменения.
Ежедневное и годовое изменение: Атмосфера Земли ионизируется ультрафиолетовыми лучами Солнца. В результате генерируется ток, который дополнительно создает магнитное поле. Это результат суточных и годовых колебаний.
Колебания Луны: Помимо Солнца, Луна также влияет на магнитную активность Земли.Из-за приливных движений ионизированного слоя Земли во время лунного затмения магнитное поле Земли меняется. Эта вариация известна как лунная вариация .
Нерегулярные и апериодические изменения: В определенный период времени, когда солнечная активность солнца более активна, солнечное излучение вызывает ионизацию атмосферы Земли. Это вызывает ток, когда Земля вращается вокруг своей оси, что приводит к возникновению магнитного поля.

Закон касания или суперпозиция магнитных полей
Считайте, что магнитная игла помещается в пространстве под действием двух магнитных сил или полей, перпендикулярных друг другу. Очевидно, что под воздействием обоих магнитных полей игла будет пытаться расположиться параллельно. Но наступит момент, когда два магнитных поля будут равны и противоположны друг другу. В этом случае магнит остановится.
Заключение
Ионизация земной атмосферы – ожидаемая причина магнитного поля вокруг Земли. Когда Земля вращается вокруг своей оси, ионизированная частица также движется, что вызывает ток, создающий магнитное поле. Однако точная теория или причина магнитного поля Земли пока не известны. Проводятся различные эксперименты для определения характеристик магнитного поля Земли.
Влияние на магнитное поле Земли из-за различных вариаций доказывает тот факт, что магнитные полюса Земли меняются со временем на противоположные, то есть, Магнитное поле Земли изменяется во времени не периодически, а апериодически, и что магнитная активность Земля находится под очень сильным влиянием внешних факторов, таких как солнце, луна и т. д.
Часто задаваемые вопросы (FAQ)

1 кв. Почему у Земли есть магнитное поле?
Сол. Существуют различные теории, объясняющие причину возникновения магнитного поля Земли. Однако две наиболее важные теории:
Ток, возникающий из-за движения жидкостей внутри ядра Земли и
Ток, генерируемый из-за движения ионизированной частицы атмосферы Земли, когда Земля вращается вокруг своей оси.
Другие показания
Магнетизм Земли
Магнитное поле Земли: вклад океанских течений в вертикальные профили в глубоких океанах | Международный геофизический журнал
Сводка
Главное магнитное поле Земли, возникающее в ядре, в океане должно иметь четко определенный равномерный градиент с глубиной. На этот равномерный градиент могут накладываться магнитные сигналы от множества источников.К ним относятся намагничивание земной коры, временные колебания, возникающие вне Земли и вызывающие вторичные индуцированные поля внутри нее; и, в центре внимания данной статьи, магнитные сигналы, возникающие из-за индукции движения морской воды, движущейся в постоянном главном магнитном поле Земли. Существуют обстоятельства, при которых теория предсказывает, что такие индуцированные движением магнитные поля будут порядка 10 ² нТл и изменяться с глубиной таким образом, который напрямую связан с профилем скорости.
Исследовательское зондирование магнитного поля с глубиной было выполнено в океанах вокруг Австралии как для проверки этих прогнозов, так и для исследования практической возможности измерения таких профилей. Наблюдаемый параметр магнитного поля – это «общее поле», которое должно определять компонент скорости океана, лежащий в магнитном меридиане. Магнитометр был спущен с корабля по тросу и также работал в режиме свободного падения на морское дно (и обратно). Наблюдения, по-видимому, подтверждают теоретический градиент основного поля там, где нет океанических течений, и там, где существуют океанические течения, подтверждают их профили, разрешенные в направлении магнитного севера.В частности, наблюдения, сделанные в водовороте Восточно-Австралийского течения, показывают правильный контраст знаков для потоков, текущих на север и на юг.
1 Введение
Измерение вертикального градиента геомагнитного поля имеет особую историю, связанную с экспериментами, проведенными около пятидесяти лет назад по установлению причины самого поля. Наблюдения проводились на суше с использованием шахт, а одна новаторская попытка была предпринята в океане.
Вскоре стали широко доступны ранние «современные» магнитометры.Эти инструменты были основаны в одном случае на принципах гистерезиса железа («флюксгейт»), а в другом – на принципах «прецессии протонов». Последние особенно хорошо подходят для применения в морской геофизике для измерения профилей магнитного поля полного поля вдоль путей судов. Как хорошо известно, далеко идущим следствием этих усилий по измерению горизонтальных профилей полного поля было открытие магнитных полос на морском дне. Это открытие, в свою очередь, привело к возникновению теории тектонических плит.
В рамках морских приложений, исследуемых для магнитометров прецессии протона при измерении магнитных полей земной коры, Хейрцлер (1967) использовал два таких прибора для измерения вертикальных градиентов магнитного поля в Северном Ледовитом океане. Один магнитометр был записан на ледяном острове, а другой был подвешен на тросе на глубине 305 м, так как ледяной остров дрейфовал вбок.
В то время также ракетные магнитометры измеряли профили по вертикали над поверхностью Земли (Matsushita 1967).Эти профили предоставили доказательства существования ионосферных электрических токов, наблюдая за изменениями магнитного поля, которые наблюдались при проникновении магнитного датчика в ионосферный токовый слой. Ранний пример – это Берроуз и Холл (1965).
В целом, однако, похоже, что измерениям, которые стали возможными, уделялось мало внимания вертикальным профилям магнитного поля Земли вниз через океаны. Эта статья теперь обращается к этой теме.Для этого есть фундаментальная причина геомагнетизма. Он призван продемонстрировать существование магнитного поля, которое, согласно теоретическим расчетам, создается океанскими течениями. Кроме того, существуют возможные приложения к океанографии для получения информации о составляющей океанического потока в направлении северного магнитного поля.
Разведочные измерения проводились у восточного и западного побережья Австралии, особенно в первом случае, когда Восточно-Австралийское течение (EAC) течет сильно.В ВАС были намеренно измерены противоположные северные и южные потоки. Цель состояла в том, чтобы проверить наличие сигналов противоположного знака, которые, согласно теории, должны давать такие противоположные потоки. Детали наблюдений приведены в таблице 1.
Таблица 1
Детали наблюдений вертикальных профилей полного магнитного поля в столбе океана вокруг Австралии, 1994–1997 гг. Позиции сайтов, относящиеся к данной статье, перечислены в таблице 2.Согласование градиентов IGRF для Индийского океана (площадка 4) и Тасманова моря является случайным.
Таблица 1
Детали наблюдений вертикальных профилей полного магнитного поля в столбе океана вокруг Австралии, 1994–1997 гг. Положения участков, относящиеся к настоящему документу, перечислены в Таблице 2. Согласие между градиентами IGRF для Индийского океана (участок 4) и Тасманова моря является случайным.
2 История
2.
1 Вертикальные профили магнитного поля Земли
В конце 1940-х годов, когда современные магнитометры (флюксгейт и протонная прецессия, последовательно) были на грани начала геофизических исследований с таким далеко идущим воздействием, возникла дискуссия о происхождении главного магнитного поля Земли. Споры сосредоточились на том, было ли магнитное поле Земли присуще планете как массивному вращающемуся телу, или оно было вызвано совершенно другим процессом динамо-действия в ядре Земли.Первый случай был выдвинут в то время, например, Блэкеттом (1947), а второй случай, например, Буллардом (1949). Runcorn et al. (1951) приписывают Булларду идею о том, что проверка между этими двумя теориями была возможна путем измерения вертикального градиента напряженности поля в поверхностном слое Земли, и это признание подтверждается Хиде (1997) в его принятии теории Уильяма Боуи. Медаль Американского геофизического союза.
В то время эта тема широко обсуждалась, см., Например, Runcorn (1948) и Chapman & Runcorn (1948).Эксперименты на суше проводились как на глубоких золотых приисках в Южной Африке (Hales & Gough, 1947), так и на угольных шахтах в Англии (Runcorn et al. 1951). Последнее имело преимущество минимального нарушения намагниченности земной коры, что повлияло на измерения в Южной Африке. Результаты, как сообщает Runcorn et al. (1951), считались «решающим доказательством против фундаментального происхождения геомагнитного поля» (то есть против теории массивного вращающегося тела), как, независимо, результаты лабораторных экспериментов Блэкетта (1952).Инструменты, разработанные для последнего, теперь уже знаменитого, открыли новую эру в палеомагнитных измерениях (McElhinny & McFadden 2000).
В наземных экспериментах была получена информация о вертикальном градиенте путем наблюдений как на поверхности, так и на глубине в глубоких шахтах. Возможность проведения «измерений в море на большой глубине» была отмечена Runcorn et al. (1951), с оговоркой, что «индуцированные токи из-за движений жидкости могут маскировать эффект». Одна экспедиция датского корабля Galathea зарегистрирована (Espersen et al. 1956) как измерение вертикального градиента магнитного поля в океане с помощью специально сконструированного оборудования и магнитометров, основанных на классических принципах. Несмотря на навыки проектирования и изготовления приборов, а также экспериментальное определение во время рейса, возникли серьезные инструментальные и логистические трудности. Всего за несколько лет доступность магнитометров прецессии протонов полностью изменит положение.
2.2 Движение электромагнитной индукции в океане
Второй важный аспект этой статьи, двигательная электромагнитная индукция, имеет столь же характерную историю.Отправной точкой, возможно, являются знаменитые наблюдения Фарадея (1832 г.) на Темзе в Лондоне. Эта тема стала предметом острой океанографии с помощью метода GEK (Geoelectrokinetograph) для определения информации о океанских течениях, что привело к фундаментальной статье Longuet-Higgins et al. (1954). Измерения в длинных телефонных кабелях проводились, например, Baines & Bell (1987) и Larsen (1992), и см. Обзор Lanzerotti et al. (1993).Разработкой приборов на морском дне руководил Филлу (1987), и в контексте настоящей статьи электрические и магнитные сигналы морского дна, зарегистрированные приборами Филлу ниже Восточно-Австралийского течения, были предметом статей Лилли и др. (1986), Bindoff et al. (1986), Bindoff (1988) и Lilley et al. (1993). Другой важный обзор – это обзор Палшина (1996).
Ряд приборов для профилирования океанских течений на основе измерений электрического поля был разработан Сэнфордом, следуя теории, изложенной в его статье (Sanford, 1971).Аспекты данной статьи в некоторой степени являются магнитным аналогом работы Сэнфорда об электрическом поле (Sanford et al. 1985).
Обработка движущейся электромагнитной индукции в океане в глобальном масштабе включает расчеты Стивенсона и Брайана (1992) с учетом внешнего магнитного поля (которое равно нулю в модели, принятой для данного случая). Существуют и другие теоретические разработки Chave & Luther (1990) и Luther et al. (1991), и другие соответствующие недавние статьи – это статьи Chave et al. (1997), Flosadottir et al. (1997a, 1997b), Tyler et al. (1997) и Fujii & Chave (1999). Вклад Ранкорна и Винча в Barraclough et al. (1992) имеет дело с доказательствами годового сигнала, генерируемого океанскими течениями в геомагнитном поле.
Во многих вышеупомянутых статьях акцент делается на наблюдении электрического поля, которое традиционно легче экспериментально измерить. Однако в настоящей статье делается упор на магнитные наблюдения как на первоочередную задачу геомагнитных исследований, так и на то, что современные магнитометры открывают новые возможности измерения морского магнитного поля.Недавно Toh et al. (1998) сообщил о вертикальных профилях общего поля, зарегистрированных в Японском море.
3 Теория
3.1 Главное геомагнитное поле
Элементарно показать, что для сферической Земли радиусом R , с магнитным полем, создаваемым центральным осевым диполем силой м , все компоненты магнитного поля (горизонтальные, вертикальные и общие) уменьшаются как r ⁻³ , где r обозначает радиальное расстояние от центра.В частности, если взять модель Земли с радиусом 6371 км и силой центрального диполя 8 × 10 ²² А · м ² (Merrill и др. 1996), то полное поле на поверхности будет иметь вертикальное градиент -20 пТл м ^-1 (то есть -20 нТл м ^-1) на экваторе, изменяющийся с широтой до -40 пТл м ^-1 на полюсах. Эти значения дают полезное представление о том, что можно ожидать на поверхности Земли. Хотя общая напряженность поля обратно пропорциональна третьей степени радиального расстояния, поскольку измерения даже в глубоком океане (на глубине, скажем, 5000 м) включают только небольшое изменение радиуса от центра Земли, радиального (или, как это есть видно, вертикальный) градиент, как можно ожидать, будет эффективно равномерным по толщине океана для практических целей.
Современные значения Международного геомагнитного поля Reference (IGRF) позволяют простые определения фактических вертикальных градиентов следует ожидать для реальной Земли. Для позиций, где проводились наблюдения в этой статье, значения вертикального градиента были вычислены на основе значений IGRF Бартона (1997). Эти значения перечислены в Таблице 1.
3.2 Движение магнитного поля
Этот раздел основан на работе Sanford (1971), основанной на работе Longuet-Higgins et al. (1954). Принятые обозначения соответствуют Lilley et al. (1993).
Физические условия показаны на рисунке 1. Морская вода имеет электропроводность σ ₁ и подстилается осадочным слоем с проводимостью σ ₂, ниже которой проводимость принимается равной нулю. Скорость океана находится в направлении y и изменяется только в пределах z . Обозначая скорость океана v _y ( z ) через v ( z ), электрический ток Дж _x ( z ) через J ( z ), электрическое поле E _x на E , устойчивое вертикальное магнитное поле B _z на B , возмущающее магнитное поле b _y ( z ) из-за индукции движения на b ( z ), а локальная электропроводность равна σ ( z ), тогда закон Ома для движущейся среды может быть выражен
Рисунок 1
Рисунок для теории двигательной индукции.
Рисунок 1
Рисунок для теории двигательной индукции.
1
Горизонтальное электрическое поле E постоянно от поверхности до дна, и есть изменение горизонтального электрического тока J ( z ) с глубиной, соответствующее изменению с глубиной скорости v ( z ). Для целей этого раздела градиенты B по горизонтали и вертикали (как в разделе 3.1) игнорируются.
Поле возмущения b ( z ) из-за индукции движения напрямую выражается как:
2
для z в диапазоне – H – h < z <0 (и вне этого диапазон b ( z ) равен нулю).Первый член в уравнении (2) представляет электрические токовые слои, протекающие ниже уровня измерения, а второй член представляет электрические токовые слои, протекающие выше этого уровня. Уравнение (2) может быть записано
3
, что при дифференцировании по z и подстановке из уравнения (1) дает
4
и
5
. Принятие обозначения для постоянной величины (- E / B) , делая приближение, что морская вода имеет однородную проводимость σ ₁, как показано на рис.1, и введение обозначения η как
6
позволяет записать уравнение (5)
7
, где компонент скорости, зависящий от глубины, v _s ( z ), был введен как
8
Эта величина, v _s ( z ), будет оценена из градиента (или «местного наклона») наблюдаемых магнитных профилей, представленных ниже.
Обозначение, используемое для (- E / B ), представляет собой среднюю по Сэнфорду скорость движения воды по вертикали и взвешенную по проводимости морской воды.Его значимость может быть продемонстрирована путем интегрирования уравнения (1) по всему столбу океана и донных отложений, когда допускается изменение проводимости с глубиной, то есть:
9
, где левая часть равна нулю из-за требования возврата баланс электрического тока в вертикальной плоскости. Таким образом,
10
и количество, умноженное на глубину водяного столба, дает оценку баротропного переноса океанического течения.
Количество v _s ( z ) введено в ур.(7) – это бароклинная скорость океанографии, и она будет называться таковой ниже. Другие аспекты этой теории обсуждаются в Lilley et al. (1993), где есть «рабочий пример», иллюстрирующий некоторые характеристики двигательной индукции.
3.3 Восстановление информации о океанских течениях из наблюдаемых данных магнитного профиля полного поля
Со ссылкой на фиг.1 горизонтальное направление v является общим, как и горизонтальное направление b , которое параллельно v .Таким образом, полное профилирование b по вертикали через толщу океана потребует измерения как его направления, так и силы. Эта задача осложняется отсутствием опорного направления, так как использование магнитного компаса, который часто встречается в морских приборах, не возможно при измерении изменений самого магнитного поля.
Однако магнитометр полного поля без какой-либо конкретной ориентации определяет компонент поля возмущения, который параллелен доминирующему главному геомагнитному полю.Именно этот принцип теперь позволяет наблюдать компонент b параллельно основному полю. Наблюдаемая составляющая будет составлять b _n ( z ) cos I , где b _n ( z ) – составляющая b в (горизонтальном) направлении магнитного севера, I – наклон магнитного поля Земли.
Обратите внимание, что магнитометр полного поля не регистрирует небольшие изменения поля, которые перпендикулярны основному полю, т.е.е. в направлении восток-запад. Таким образом, также не получена информация о составляющей океанического течения в магнитном направлении восток-запад.
Таким образом, уравнение (8) можно применить к данным измерения полного поля, чтобы получить профиль с глубиной северной магнитной составляющей бароклинного океанического течения. Введенный выше коэффициент cos I является коэффициентом затухания, и для восстановления b _n ( z ) из измерений полного поля необходим коэффициент усиления, особенно sec I .Если сигнал полного поля из-за индукции движения составляет f ( z ) в общем сигнале полного поля F ( z ), соотношение будет
11
Обозначение v _n ( z ) компонент бароклинной скорости в направлении магнитного севера, уравнение (8) принимает вид
12
, где
13
и где теперь dF ( z ) / dz также будет включать, как фактически постоянная величина, радиальное или вертикальное изменение главного магнитного поля Земли, возникающее в ядре.
Таким образом, профиль бароклинной скорости является относительным, и его базовая линия должна быть установлена путем фиксации на известном значении на некотором уровне. Морское дно – это то место, где можно ожидать, что v ( z ) будет равно нулю, но в настоящей статье v ( z ) установлено равным нулю на полпути вниз через толщу океана, чтобы избежать эффектов. намагничивания морского дна, имеющего непропорциональный эффект.
Обратите внимание, что в идеальном случае без эффектов намагниченности морского дна значение бароклинной составляющей v _n ( z ) на морском дне будет северным магнитным компонентом; плюс вклад из-за градиента основного поля.Таким образом, определяя первое и оценивая второе, получают значение северной магнитной составляющей баротропного течения в столбе океана.
3.4 Магнитное поле намагниченной коры
Аномалии полос, распространяющихся на морское дно, имеют амплитуды на поверхности моря порядка 10 ² нТл, поэтому ясно, что они будут больше на морском дне, и что в целом картины намагниченности земной коры на морском дне также будут вносить свой вклад в градиент к вертикальным профилям, наблюдаемый в столбе океана.
Планируется уделить этой теме больше внимания в будущих измерениях, а аспекты такой стратегии обсуждаются в Разделе 6 ниже. Примеры в настоящей статье плохо контролируются таким образом, но по большей части извлекают выгоду из ситуации в Тасмановом море, где на морском дне лежит 1 км слабо намагниченных отложений, которые будут иметь ослабляющий эффект на магнитные картины. базальта под ним.
Существует также то обстоятельство, что в идеальном случае, когда движение морской воды ограничено верхней частью водяного столба, в нижней части водяного столба магнитный градиент, вызванный индукцией движения, будет равномерным.В уравнении (7) ситуация является константой для v ( z ) = 0. Поскольку намагниченность земной коры будет влиять в основном на нижнюю часть профиля, любые сильные эффекты, которые она там оказывает, должны быть очевидны.
Что касается профилей, представленных в этой статье, во время зондирования 1994 года в Тасманово море магнитометр остановился на высоте 1600 м над морским дном, и никаких эффектов намагниченности морского дна обнаружено не было. Точно так же равномерный градиент в профиле 1995 года для Индийского океана (участок 4) согласуется с намагниченностью морского дна, имеющей незначительное влияние.
Для зондирования 1997 года в Тасмановом море все участки, кроме самого восточного, показывают профили в нижней части океана, которые показывают, что намагниченность земной коры оказывает лишь незначительное влияние. Однако наиболее восточнее (точки 1 и 7) наблюдаются уклоны, которые увеличиваются у морского дна. Такое поведение напрямую связано с намагниченностью морского дна, и, возможно, эти участки находятся рядом с вулканической экструзией на морском дне. В некоторой степени такие эффекты, ложные в данном контексте индукции движения, смягчаются принятой процедурой ограничения профиля скорости до нуля на глубине 2500 м.Для участков 1 и 7 информацию о скорости ниже 2500 м не следует принимать во внимание.
Существует также вопрос об обломках морского дна, сброшенных с проходящих судов. Некоторые зондирования 1997 года были сделаны в основном судоходном коридоре между двумя основными портами Мельбурна и Сиднея, и считается, что обломки на морском дне объясняют некоторые незначительные эффекты вблизи морского дна в одном профиле (профиль свободного падения на участке 6 ).
Магнитные эффекты корабля в верхних 300 м водной толщи всегда присутствуют в пониженных профилях.Эта часть профиля важна, и одна из основных целей разработки оборудования свободного падения (и возврата) заключалась в том, чтобы избежать воздействия магнитного поля корабля.
3.5 Магнитные поля суточной вариации и магнитные бури
Магнитное поле Земли изменяется в масштабе времени в дни и меньше из-за первичных изменяющихся полей, которые возникают вне Земли, и вторичных полей, которые индуцируются в проводящей Земле (и ее океанах). Обычно присутствует дневная вариация, и Hitchman et al. (1998) приведены кривые полного поля для глобальной модели суточных колебаний как функции широты и местного времени.
В данной статье каждый профиль был измерен за максимально короткий промежуток времени, чтобы минимизировать изменения поля во времени во время него. Кроме того, поле наблюдалось на стационарных станциях (на близлежащей суше или на морском дне). Ссылка на данные фиксированной станции дает уверенность в том, что никаких серьезных переходных флуктуаций не произошло во время проведения значительных измерений профилирования.Кроме того, большинство измерений намеренно проводилось ночью, когда известно, что суточные колебания, как правило, минимальны.
Более подробное сокращение сроков внесения изменений вполне возможно, но здесь оно не включено.
4 Аппарат
Центральная часть разработанного устройства представляла собой подходящий пакет для регистрирующего магнитометра полного поля того типа, который обычно используется для исследований наземных магнитометров в разведочной геофизике. И инструменты протонной прецессии, и инструменты Оверхаузера дали хорошие результаты.Принципы регистрации «полного поля» приводят к информации о составляющей океанического течения в направлении северного магнитного поля.
В первой версии, показанной на рис. 2 (а), и головка детектора, и консоль магнитометра, настроенные для работы в режиме «обсерватория» со снятием показаний каждые 15 с, были упакованы вместе со вспомогательной батареей в стеклянную сферу диаметр 17 дюймов (0,43 м). Данные по Тасмановому морю 1994 года были записаны с помощью этого устройства, которое было спущено с корабля с помощью троса длиной 40 м между концом судового стального троса и прибором.
Рисунок 2
Эскизная схема оборудования, разработанного для вертикального магнитного профилирования. (Обратите внимание на большие изменения масштаба в разных частях рисунка.)
Рисунок 2
Эскизная схема оборудования, разработанного для вертикального магнитного профилирования. (Обратите внимание на значительные изменения масштаба в различных частях рисунка.)
Было обнаружено, что на детекторную головку воздействует сигнал величиной около 10 нТл от записывающей консоли, и следующее развитие (рис.2b) поместите детекторную головку и консоль на расстоянии 1,8 м друг от друга в отдельные сферы диаметром 10 дюймов (0,25 м) и 17 дюймов (0,43 м) соответственно. Две сферы удерживались алюминиевой рамой и электрически соединялись соответствующими морскими кабелями. При таком расположении наблюдались данные 1995 года. Шум был значительно уменьшен, но все еще выше оптимального (из-за наличия стальной шайбы в сфере головки детектора, обнаруженной и удаленной в конце 1995 года).
Следующая версия прибора, рис.2 (с), работает в режиме «свободного падения». Когда он находится на поверхности и вблизи нее, он остается удаленным от магнитных эффектов корабля, который отошел. Данные за 1997 год были собраны с использованием сначала устройства, показанного на рисунке 2 (b), а затем устройства, показанного на рисунке 2 (c).
При представлении результатов все данные профилирования записывались с интервалом 15 секунд. Эти временные ряды были преобразованы в глубины и представлены как таковые на основе вывода кабеля, который регистрировался отдельно со временем.Для данных свободного падения во всех случаях предполагались одинаковые скорости подъема и спуска.
Эталонные стационарные магнитометры, отслеживающие изменения магнитного поля во времени, были важной частью профильных наблюдений, и они кратко изложены в Таблице 1. Эксперимент 1997 года включал использование плавающего магнитометра (самый верхний в схеме c на рисунке 2) в качестве монитора магнитных флуктуаций на поверхности океана. Позже (в 1998 году у южной части Австралии) этот аппарат был намеренно оставлен в свободном плавании в открытом океане для регистрации магнитных сигналов, генерируемых океанскими волнами, а также для определения стрелок поверхностной индукции, используя также наземные справочные данные.Эти эксперименты 1998 г. (часть более крупного эксперимента SWAGGIE) описаны в Hitchman et al. (2000).
В более широкое описание аппарата следует также включить RV Franklin и его коллективное оборудование, включая, в частности, оборудование акустического доплеровского профилографа тока (ADCP). В примеры включены судовые данные ADCP, а также один спутниковый снимок.
5 Результаты
5.1 Сайтов
Площадки для наблюдений показаны на рис.3, и соответствуют различным этапам разработки оборудования. Этап (а) оборудования был испытан в Восточно-Австралийском течении в 1994 г. (рейс Fr04 / 94). Этап (б) оборудования был испытан в Индийском океане в 1995 г. (рейс Fr04 / 95). Этап (b) был запущен в эксплуатацию, а этап (c) испытан в течение 1997 года в Восточно-Австралийском течении (рейс Fr08 / 97). Географические положения профилей, упомянутых в этой статье, перечислены в Таблице 2.
Рис. 3
Карта Австралии с указанием участков, упомянутых в настоящем документе.
Рис. 3
Карта Австралии с указанием участков, упомянутых в данной статье.
Таблица 2
Географические положения вертикальных магнитных профилей полного поля, упомянутых в этой статье.
Таблица 2
Географические положения вертикальных магнитных профилей полного поля, упомянутых в этой статье.
5.2 Редукция данных
Ансамбль наблюдений, на котором основаны основные результаты этой статьи, включает магнитные данные в виде временных рядов от устройства для профилирования, как описано в Разделе 4, данные ADCP с судового оборудования, спутниковые изображения температуры поверхности моря, которые указывают на поверхностные течения, и магнитные данные в виде временных рядов от различных установок, которые отслеживают изменения магнитного поля во время измерений профилометра и, таким образом, предоставляют информацию «базовой станции».Были выполнены некоторые общие процедуры, которые уместно резюмировать здесь.
Данные из понижающих прогнозов магнитного профилировщика предпочтительнее данных из восходящих, поскольку считается, что инструментальный пакет в понижающих прогнозах перемещается более почти вертикально через толщу океана. К моменту начала подъема корабль на поверхности обычно перемещается в боковом направлении относительно комплекта инструментов на конце кабеля у морского дна, вызывая горизонтальное перемещение комплекта инструментов во время подъема вверх.
Оборудование не было оснащено регистрирующим измерителем давления (стандартный океанографический метод определения глубины), и показания лебедки количества выданного кабеля снимаются для определения глубины оборудования на конце кабеля (добавляется также длина любого троса, используемого для изоляции оборудования от магнитного воздействия кабеля).
Данные, наблюдаемые во время понижающего преобразования, обычно сглаживались применением девятиточечного срединного фильтра.
Судовые магнитные эффекты считаются незначительными на глубине 400 м и более под судном.В данных настоящей статьи есть множество свидетельств, подтверждающих этот предел.
5,3 Тасманово море, апрель 1994 г.
С помощью прототипа магнитометра, как описано, в апреле 1994 года было выполнено одиночное забросание в Тасманово море с НИС «Франклин». На основе спутниковых изображений было выбрано место, где поверхностное течение, как было указано, течет сильно на юг. Место наблюдения показано на рис.3. Имеющаяся длина кабеля позволила забросить ее на глубину около 3400 метров на глубину 5000 метров.Полученные данные представлены на рисунке 4. Это в основном необработанные данные, и хотя они имеют дефекты шума (в основном магнитное загрязнение), они, тем не менее, считаются качественно показывающими искомые характеристики. Сначала показано влияние магнитного поля корабля, но как только оно выходит за пределы диапазона (по ординате 12 часов), становится ясно, что профиль с глубиной искривлен, несмотря на наличие колебательного сигнала, приписываемого медленно вращающемуся устройству. и незначительное магнитное загрязнение.На рис.4 также показан рекорд того же времени из Канберрской магнитной обсерватории. Видно, что спуск производился в спокойных магнитных условиях.
Рисунок 4
Данные профилометра (полное поле) и обсерватории Канберры (H-компонент), апрель 1994 г., Тасманово море. Заброс на глубину 3400 м при глубине воды 5000 м. Считается, что нисходящий поток в воде более близок к вертикальному, чем восходящий. Кроме того, в этом случае данные обсерватории показывают, что падение произошло во время более постоянного магнитного поля, чем восходящее.Считается, что «синусоидальный» сигнал, который присутствует в нисходящем потоке, связан с магнитным загрязнением (не удаленным на этой стадии) в корпусе магнитометра, который медленно вращается при спуске. При подъёме вверх силы, действующие на корпус магнитометра, совершенно другие, и его поведение совершенно иное. Нет свидетельств медленного вращения. Вместо этого в первой четверти подъема запись магнитометра будет хорошей, до того, как характеристики прибора ухудшатся и запись станет зашумленной, возможно, из-за того, что весь пакет вибрирует, когда его поднимают через толщу океана.
Рисунок 4
Данные профилометра (полное поле) и обсерватории Канберры (H-компонент), апрель 1994 г., Тасманово море. Заброс на глубину 3400 м при глубине воды 5000 м. Считается, что нисходящий поток в воде более близок к вертикальному, чем восходящий. Кроме того, в этом случае данные обсерватории показывают, что падение произошло во время более постоянного магнитного поля, чем восходящее. Считается, что «синусоидальный» сигнал, который присутствует в нисходящем потоке, связан с магнитным загрязнением (не удаленным на этой стадии) в корпусе магнитометра, который медленно вращается при спуске.При подъёме вверх силы, действующие на корпус магнитометра, совершенно другие, и его поведение совершенно иное. Нет свидетельств медленного вращения. Вместо этого в первой четверти подъема запись магнитометра будет хорошей, до того, как характеристики прибора ухудшатся и запись станет зашумленной, возможно, из-за того, что весь пакет вибрирует, когда его поднимают через толщу океана.
5,4 Индийский океан, апрель – май 199 г.
Следующая версия прибора, изображенного на рис.2 (b), был испытан с борта НИС «Франклин» в Индийском океане в 1995 году в удобном круизе. Спутниковые снимки, проверенные на активность в течении Леувина, которое течет у побережья Западной Австралии, показали, что там, где были сделаны слепки, было слабое течение. Таким образом, помимо тестирования оборудования, наблюдения становятся полезными в качестве проверки фоновых эффектов и, в частности, в качестве тестовых измерений равномерного градиента, который должен характеризовать основное геомагнитное поле в океане.
Всего было выполнено 14 отливок с участков, показанных на рис. Пример этих результатов включен здесь, в частности, чтобы показать, как при небольшом океаническом течении наблюдаемые градиенты действительно соответствуют ожидаемой теории равномерного градиента для главного поля Земли в глубинах океана. Таким образом, результаты служат эталоном, по которому можно судить о профилях, наблюдаемых в океаническом течении.
Основные данные наблюдений, полученные для двух слепков на участке 4, показаны на Рис.5. Как видно, наблюдается равномерный градиент, лучше отображаемый на рис.6, где данные второго нисходящего заброса заново построены после фильтрации и корректировки с учетом изменений скорости лебедки (которые обычно возникают по механическим причинам около начала и конца любого конкретного нисходящего или восходящего заброса). Можно увидеть, что магнитное влияние корабля простирается до глубины около 300 метров под ним.
Рис. 5
Профилировщик (полное поле) и данные обсерватории Лермонта (H-компонент), май 1995 г., Индийский океан, площадка 4. Броски сделаны снизу, на глубине 1800 м.Основные разделы записи очевидны в следующем порядке: вниз, вверх, вниз, вверх. Обратите внимание, что скорость лебедки варьируется в начале и в конце каждого заброса. Что касается восходящего сигнала на рисунке 4, то всплески шума, зарегистрированные во время восходящего преобразования, объясняются ухудшением характеристик магнитометра, возможно, вызванным вибрацией.
Рис. 5
Данные профилометра (полное поле) и Обсерватории Лермонта (H-компонент), май 1995 г., Индийский океан, площадка 4. Забросы сделаны снизу, на глубине 1800 м. Основные разделы записи очевидны в следующем порядке: вниз, вверх, вниз, вверх.Обратите внимание, что скорость лебедки варьируется в начале и в конце каждого заброса. Что касается восходящего сигнала на рисунке 4, то всплески шума, зарегистрированные во время восходящего преобразования, объясняются ухудшением характеристик магнитометра, возможно, вызванным вибрацией.
Рис. 6
Данные понижающего уровня с участка 4 в Индийском океане, отфильтрованные по медиане и скорректированные на скорость лебедки. Также показана линия с градиентом, предсказанным IGRF для участка. Фактическое значение поверхности, предсказанное IGRF, составляет 56924 нТл, что примерно на 80 нТл больше наблюдаемого.Магнитные эффекты корабля очевидны в верхних 300 м заброса.
Рисунок 6
Данные понижающего преобразования с участка 4 в Индийском океане, отфильтрованные по медианным значениям и скорректированные на скорость лебедки. Также показана линия с градиентом, предсказанным IGRF для участка. Фактическое значение поверхности, предсказанное IGRF, составляет 56924 нТл, что примерно на 80 нТл больше наблюдаемого. Магнитные эффекты корабля очевидны в верхних 300 м отливки.
На рисунке также показан градиент, предсказанный IGRF для участка, произвольно проведенный через начало рисунка.Наблюдаемый градиент немного сильнее, чем у IGRF, что предположительно указывает на эффекты более коротковолновой намагниченности земной коры, чем те, которые включены в модель IGRF. Кроме того, абсолютное значение поверхности, предсказанное IGRF, составляет 56924 нТл, что примерно на 80 нТл больше наблюдаемого. Эти расхождения с IGRF по градиенту и поверхностному значению не считаются серьезными.
5,5 Тасманово море, сентябрь – октябрь 1997 г.
Наблюдения 1997 года, являющиеся частью эксперимента по изучению действия океанского динамо (SODA), составили основную цель 10-дневного круиза НИС «Франклин».Корабль мог свободно идти в места, где могли быть сильные северные и южные течения. Большой вихрь, или кольцо с теплым ядром, был выбран на основе спутниковых снимков, один из которых показан на рис.7. Этот объект находился к югу от 35 ° южной широты, где Восточно-Австралийское течение уходит от побережья Австралии (Cresswell & Legeckis 1986; Tomczak & Godfrey 1994).
Рисунок 7
Спутниковый снимок кольца с теплым ядром в Восточно-Австралийском течении, 1 октября 1997 года.Шкала в верхней части рисунка показывает температуру поверхности моря в ° C. Линия точек профилирования пересекает вихрь к югу от параллели 36 ° широты (см. Рис. 8).
Рис. 7
Спутниковый снимок кольца теплого ядра в Восточно-Австралийском течении, 1 октября 1997 г. Масштаб на верхняя часть рисунка показывает температуру поверхности моря в ° C. Линия точек профилирования пересекает вихрь к югу от параллели 36 ° широты (см. Рис. 8).
Общие скоростные характеристики этого вихря, полученные по спутниковым изображениям, были подтверждены судном во время круиза, и были собраны все данные. Данные ADCP во время крейсерского полета показаны на рис.8.
Рис. 8
Судовая информация ADCP о поверхностных токах для кольца с теплым ядром в Восточно-Австралийском течении, рейс Fr08 / 97, сентябрь – октябрь 1997 г. Цифры относятся к участкам профилирования в Таблице 2. Магнитное склонение для этого района составляет 13,7 ° в.д.
Рис. 8
Судовая информация ADCP о поверхностных токах для кольца с теплым сердечником в Восточно-Австралийском течении, рейс Fr08 / 97, сентябрь – октябрь 1997 г. Цифры относятся к участкам профилирования в Таблице 2.Магнитное склонение для этого района составляет 13,7 ° в.д.
Места вертикального профилирования также отмечены на рис.8. После пересечения вихря с запада на восток, установки магнитометров на морском дне и проведения океанографических наблюдений, вихрь был затем пересечен с востока на запад с вертикальным профилированием с судна в точках 1-5. Два профилирования «свободного падения» Затем операции были выполнены на участках 6 и 7, по одной с каждой стороны вихря. Плохая погода помешала большему количеству профилей свободного падения в отгрузочное время.Таким образом, существует семь профильных сайтов для вихря.
5,6 Профили, спусковое устройство с корабля
Наблюдаемые данные по отливкам кораблей не отличаются от данных, представленных на рис. 4 (но без очевидного там сигнала загрязнения, который к 1997 г. был удален). Такие наблюдаемые данные больше не представлены, но вместо этого данные со всех пяти пунктов представлены сначала как профили вертикального магнитного градиента, а затем как профили северной магнитной компоненты бароклинной скорости.
Значения вертикального градиента были вычислены непосредственно из основных наблюдений профилировщика после того, как последние были пропущены через простой медианный фильтр. Оценки градиента также сглаживаются, опять же простым способом, путем взятия среднего градиента на обычно 100 м профиля. Полученные таким образом профили вертикального градиента поперек вихря представлены на рисунке 9.
Рисунок 9
Данные с понижением частоты с пунктов 1 до 5, отфильтрованные по медиане, скорректированные на скорость лебедки и уменьшенные для получения профилей вертикального градиента общего магнитного поля.Ордината графиков – глубина в метрах. Пунктирная линия на участке 1 указывает на второе применение, примерно через 2,5 часа после первого.
Рис. 9
Данные, переданные вниз с пунктов 1–5, отфильтрованные по медиане, скорректированные на скорость лебедки и уменьшенные для получения профилей вертикального градиента общего магнитного поля. Ордината графиков – глубина в метрах. Пунктирная линия на участке 1 указывает на второе применение, примерно через 2,5 часа после первого.
Профили северной магнитной составляющей бароклинной скорости были вычислены с помощью уравнения.(12), по данным на рис.9. Принятие для данных Тасманова моря числовых значений μ ₀ = 4 π × 10 ⁻⁷ Гн / м, σ ₁ = 3,3 См / м, I = −66,7 ° и B _z = 54000 нТл, дает
14
Профили, полученные таким образом для северной составляющей бароклинного тока через вихрь, показаны на рисунке 10.
Рисунок 10
Данные с понижением частоты с пунктов 1 до 5, отфильтрованные по медиане, скорректированные с учетом скорости лебедки и уменьшенные для получения профилей компонента бароклинной скорости в направлении магнитного севера. Для каждого такого профиля требуется нулевой сдвиг, чтобы преобразовать его в фактическую скорость, и такие нулевые сдвиги показаны на рисунке 12. Считается, что нижняя половина профилей для участка 1 подвержена влиянию эффектов намагниченности морского дна и не должна приниматься во внимание с океанографической точки зрения.
Рис. 10
Данные понижающего преобразования с участков 1–5, отфильтрованные по медиане, скорректированные на скорость лебедки и уменьшенные для получения профилей составляющей бароклинной скорости в направлении магнитного севера.Для каждого такого профиля требуется нулевой сдвиг, чтобы преобразовать его в фактическую скорость, и такие нулевые сдвиги показаны на рисунке 12. Считается, что нижняя половина профилей для участка 1 подвержена влиянию эффектов намагниченности морского дна и не должна приниматься во внимание с океанографической точки зрения.
В этом применении уравнения (12) полезно думать о η _F как о −0,0113 мс ⁻¹ на pT m ⁻¹, так что отрицательный градиент (уменьшение наружу или вверх в смысле рис.1) полного магнитного поля 10 пТл м ^-1 соответствует оценке северной магнитной компоненты бароклинного океанического течения 0,113 м с ^-1.
5.7 Профили, «свободное падение»
Две слепки «свободного падения» (и возврат), полученные во время эксперимента SODA 1997 года, хотя в то время считались развивающими, дали важные наблюдения. Их важность заключается, в частности, в достижении их главной цели – избежать магнитных эффектов корабля и получить профили от поверхности вниз.Особенностью Восточно-Австралийского течения является то, что его наибольший сдвиг скорости происходит в пределах нескольких сотен метров от поверхности океана. Именно на этих глубинах магнитные эффекты корабля портят данные профилировщика при забросе корабля. Оборудование для «свободного падения» было разработано, чтобы избежать этой проблемы. Впервые он был испытан в конце операций по отливке корабля из-за опасности потери при таких испытаниях (к счастью, не было реализовано).
Таким образом, два профиля свободного падения теперь обсуждаются отдельно от приведенной выше группировки забросов с корабля на участках с 1 по 5.Полученные данные представлены на рис.11 как профили вертикального магнитного градиента, так и профили северной магнитной компоненты бароклинного тока. Для сравнения включены данные с ближайших регулярных судостроительных заводов. В случае площадки 6 свободного падения площадка 5 была сделана всего двумя днями ранее, но на значительно другом месте; площадка 5 находится в глубоком океане (глубина 5000 м), в то время как из-за судоходства в плохую погоду площадка 6 находится на полпути вверх по континентальному шельфу (глубина 2500 м.) Площадка 7 свободного падения, однако, фактически находится на том же месте, что и площадка 1 корабельного заброса, но была пятью днями позже.
Рис. 11
Результаты, полученные при забросах со свободным падением на участках 6 и 7, нанесены на график с результатами, полученными при забросах судов на участках 5 и 1, соответственно. Там, где профили проходят вниз от поверхности, отливка падает свободно, а пунктирная линия указывает на свободный подъем от морского дна. Для участка 1 пунктирная линия указывает на второе понижение, примерно 2.5 часов после первого падения.
Рисунок 11
Результаты, полученные при забросах со свободным падением на площадках 6 и 7, нанесены на график с результатами, полученными при забросах судов на площадках 5 и 1, соответственно. Там, где профили проходят вниз от поверхности, отливка падает свободно, а пунктирная линия указывает на свободный подъем от морского дна. Для участка 1 пунктирная линия указывает на второе понижение, примерно через 2,5 часа после первого понижения.
Осмотр рисунка 11 показывает большую приятную согласованность между забросами корабля и забросами свободного падения в аналогичных ситуациях океанских течений. Таким образом, для участков 1 и 7 графики для участка 7 перекрывают участки для участка 1 (для которого было два пониженных значения с разницей в несколько часов). Особенно приятно то, как прочный профиль сдвига плавно переносится на всю поверхность.
Аналогично для участков 5 и 6, хотя есть смещение «нулевого уровня» вертикального градиента, которое дает смещение в бароклинной скорости, снова приятно видеть, что форма профилей очень похожа. Снова сильный сдвиг скорости у поверхности, предполагаемый броском корабля, подтверждается и переносится прямо на поверхность броском в свободном падении.
6 Обсуждение
6.1 Профили составляющей океанического течения в магнитном меридиане
На рисунке 12 собраны различные наборы данных. Сначала строятся судовые профили с рис.10, для каждого из которых задан соответствующий сдвиг базовой линии, чтобы он стал нулевым на глубине 2500 м. Затем к данным судового заброса для площадки 1 добавляются, как показано на рисунке 11, данные свободного падения для площадки 7, чтобы получить профили на всем пути до поверхности моря. Эти профили также зажимаются до нуля на глубине 2500 м.Наконец, добавляются профили, полученные от судового оборудования ADCP; они обычно простираются всего на несколько сотен метров от поверхности моря и, таким образом, способствуют заполнению промежутка (вызванного магнитным полем корабля) в верхних 400 м данных судовых забросов.
Рис. 12
Данные о скорости профилометра привязаны к нулю на глубине 2500 м, с профилями судовых ADCP в верхних нескольких сотнях метров толщи океана. Для участков 1 и 7 нанесены два (последовательных) снижения для участка 1, а для участка 7 нанесены профили свободного падения и свободного подъема, причем последний простирается вниз от поверхности моря.Считается, что нижняя половина профилей для участков 1 и 7 подвержена влиянию намагниченности морского дна, и ее следует игнорировать с океанографической точки зрения.
Рисунок 12
Данные о скорости профилометра привязаны к нулю на глубине 2500 м, с профилями судовых ADCP в верхних нескольких сотнях метров толщи океана. Для участков 1 и 7 нанесены два (последовательных) снижения для участка 1, а для участка 7 нанесены профили свободного падения и свободного подъема, причем последний простирается вниз от поверхности моря.Считается, что нижняя половина профилей для участков 1 и 7 подвержена влиянию намагниченности морского дна, и ее следует игнорировать с океанографической точки зрения.
В качестве проверки метода особенно важны комбинированные профили для участков 1 и 7 на рисунке 12. Между данными профиля свободного падения и данными ADCP существует согласованность в верхних 500 м водной толщи. Ниже 500 м наблюдается соответствие между данными свободного падения и данными судового заброса. Таким образом, данные свободного падения для площадки 7 дают уверенность на других площадках в интерполяции между данными судового заброса и данными ADCP.
Картина, показанная на рис. 12, в целом согласуется с тем, что понимается под кольцом с теплым ядром в Восточно-Австралийском течении. В частности, сильные течения силой порядка 1 м / с ^-1 на поверхности затухают с глубиной и практически равняются нулю на глубине 1500 м. Поскольку береговая линия восточной Австралии проходит приблизительно с севера на юг по магнитному полю, компонент течения в магнитном меридиане, показанный на рисунке 12, является прибрежным компонентом и указывает на перенос в этой части Тасманова моря параллельно береговой линии.
6.2 Измерение вертикальной составляющей
В свете опыта, накопленного при разработке и использовании профилирующих магнитометров, сразу приходят на ум некоторые дальнейшие усовершенствования метода. Например, концептуально просто добавить к профилирующему магнитометру еще один магнитный датчик для измерения вертикальной составляющей магнитного поля. Датчик с магнитной заслонкой, установленный на подвесах, может хорошо справиться с этой задачей. Данные от такого датчика могут быть использованы для проверки предположения в ур.(11) что измеренные сигналы действительно являются разрешенной составляющей сигнала, который изначально был горизонтальным.
Данные вертикального поля также могут помочь определить влияние магнитного поля земной коры и предупредить о других паразитных магнитных эффектах.
6.3 Градиометрические измерения
Пары магнитометров протонной прецессии могут работать в конфигурациях градиентометров, а вертикальные профили градиентометров в океане могут иметь преимущество, заключающееся в минимальном влиянии флуктуаций внешнего магнитного поля во времени.Это преимущество является основной причиной использования сигналов градиентометра в других приложениях магнитного картографирования.
В контексте океана существует большая свобода в проектировании расстояния между двумя датчиками градиентометра, на котором измеряется вертикальный градиент. Оптимизация этого расстояния может быть важной задачей, поскольку может существовать компромисс между точностью измерения градиента и тончайшим масштабом магнитного сигнала (и движения океана), который может быть обнаружен.
6.4 Магнитные карты районов океана
Для дальнейшего решения вопроса о влиянии намагниченности земной коры можно искать вертикальные профили, где хранятся подходящие магнитные карты области океана. Для такой области, как та, которая изучалась в эксперименте SODA 1997 года, может быть полезно составить карту магнитной поверхности для конкретной цели управления эффектами намагниченности земной коры в данных вертикального профиля. Из-за своего положения в западном пограничном течении в районе SODA 1997 года часто присутствуют сильные океанографические особенности, которые, таким образом, являются отличной естественной лабораторией для изучения индукции движения в морской воде.
7 Выводы
Было продемонстрировано, что современные приборы сделали измерение полного магнитного поля сквозь толщу океана простым упражнением. Чтобы показать, отраженный в магнитном профиле, профиль океанического переноса в магнитном меридиане, требуется не более стандартной чувствительности магнитометра. Однако необходимо проявлять осторожность в отношении эффектов намагничивания земной коры и магнитных эффектов временных флуктуаций. Цель эксперимента SODA 1997 года состояла в том, чтобы найти поле скорости океана с контрастирующими конечностями, движущимися в южном и северном направлениях, и проверить в этих конечностях магнитные эффекты, которые, по прогнозам, имеют противоположный знак.Этот тест кажется успешным.
Продемонстрированный метод вертикального профилирования имеет важную зависимость от окружающего магнитного наклона, и можно ожидать, что он будет лучше всего работать в средних магнитных широтах. Метод зависит от того, является ли магнитное наклонение ни вертикальным (как на полюсах магнитного падения), ни горизонтальным (как на магнитном экваторе). Для вертикального наклона составляющая горизонтального поля возмущения, которая разрешается в направлении полного поля, будет равна нулю.Для горизонтального наклона электрический член vB в уравнении (1) будет равен нулю.
Таким образом, можно сделать вывод, что на фоне равномерного градиента, который отражает происхождение основного магнитного поля в ядре Земли, вертикальный магнитный профиль в океане будет показывать поля возмущений, вызванные намагниченностью земной коры, индукцией от полей внешнего источника. , и сигналы из-за индукции движения океанскими течениями. В пределах, указанных выше, последний может быть достаточно сильным, чтобы четко выделяться, так что наблюдаемый вертикальный профиль полного поля с минимальной обработкой данных может быть напрямую инвертирован для получения профиля с глубиной локального океанского течения. скорость, разрешенная в магнитном меридиане.
Магнитные поля с двигательной индукцией, рассматриваемые в этой статье, обладают той фундаментальной характеристикой, что они не видны за пределами океана. В этом они напоминают тороидальные поля главного динамо-машины Земли, которые не видны за пределами ядра Земли.
Благодарности
Описанные наблюдения, как правило, проводились с судна RV Franklin, которое в 1997 году посвятило десять дней судового времени эксперименту SODA, значительная часть которого описана в данной статье.Мы благодарны за поддержку, оказываемую этим национальным исследовательским центром, и за вклад в наши измерения, сделанный ее командой. Данные о земле были предоставлены Канберрской магнитной обсерваторией AGSO и проектом CICADA, которым руководят, в частности, Адриан Хитчман и Питер Миллиган. AW и GSH благодарят Австралийский исследовательский совет за финансовую поддержку. Особая благодарность в этой статье сделана покойному Стэнли Кейту Ранкорну. Перед его безвременной кончиной в конце 1995 года его интерес и поддержка к настоящей работе в начале этого года были щедро проявлены в важное время.Как ключевой участник измерений вертикальных градиентов магнитного поля Земли в 1940-х годах, он обратил внимание авторов на статью Espersen et al. (1956). Авторы также извлекли пользу из дискуссий с Антоном Хейлсом (в Канберре) и Яном Гофом (в Канаде), главными исследователями южноафриканских минных промеров в конце 1940-х годов. Интерес и вклад целого ряда океанографов также были важны и высоко оценены. Питер Холлоуэй был главным научным сотрудником круиза Fr04 / 95.Джордж Крессвелл помогал во время эксперимента SODA 1997 года в интерпретации спутниковых изображений EAC. Студенты Натаниал Джуэлл, Эндрю Кисс, Дэвид Робинсон и Алан Вонг помогали в море во время Fr08 / 97. Обычно беседы в разное время с Натаном Биндоффом, Аланом Чейвом, Стивом Констеблем, Найджелом Эдвардсом, Яном Фергюсоном, Агустой Флосадоттир, Жаном Филлу, Джимом Ларсеном, Лори Лоу, Дугом Лютером, Филом Малхерном, Полом Робертсом, Томом Сэнфордом, Хироаки То, Робом Тайлером , Денис Винч и другие были очень полезны. Два рецензента предложили ценные улучшения рукописи. Наконец, TL и AW признают длительную стимуляцию чайной в Madingley Rise, Кембридж, около 35 лет назад, когда Эдвард Буллард проинструктировал одного из нас (TL) в отношении индукции движений, а другого (AW) – в отношении индукции движений. морские магнитометры. Мы очень рады объединить эти два направления в этой статье, особенно с третьим автором, теперь нашим коллегой со стажем более десяти лет.
Список литературы
,
1987
.
Связь между переносом океанических течений и разностью электрических потенциалов через Тасманово море, измеренная с помощью океанского кабеля
,
Deep-Sea Res
,
34
,
531
–
546
.
и другие. ,
1992
.
150 лет магнитным обсерваториям: последние исследования мировых данных
,
Surv. Geophys
,
13
,
47
–
88
.
,
1997
.
Международных геомагнитное поле ссылки: седьмое поколение
,
Дж Геомагнетизм. Геоэлектр
,
49
,
123
–
148
.
,
1988
.
Электромагнитная индукция от океанических источников в Тасмановом море
,
Докторская диссертация
,
Австралийский национальный университет
, Канберра.
,
1986
.
Вертикальные колебания электрического поля на дне Тасманской абиссальной равнины
,
Deep-Sea Res
,
33
,
587
–
600
.
,
1947
.
Магнитное поле массивно вращающихся тел
,
Nature
,
159
,
658
–
666
.
,
1952
.
Отрицательный эксперимент, связывающий магнетизм и вращение Земли
,
Phil. Пер. R. Soc. Lond., A
,
245
,
309
–
370
.
,
1949
.
Магнитное поле Земли
,
Proc.R. Soc. Лондон сер. А
,
197
,
433
–
453
.
,
1965
.
Ракетные измерения геомагнитного поля над Вумерой, Южная Австралия
,
J. geophys. Res
,
70
,
2149
–
2158
.
,
1948
.
Изменение геомагнитной напряженности с глубиной
,
Nature
,
161
,
52
.
,
1990
.
Низкочастотные, вызванные движением электромагнитные поля в океане: 1. теория
,
J. geophys. Рез
,
95
,
7185
–
7200
.
,
1997
.
Наблюдения за системой пограничных течений на 26,5 градусе северной широты в субтропической Северной Атлантике
,
J. Phys. Океаногр
,
27
,
1827
–
1848
.
,
1986
.
Вихри у юго-востока Австралии
,
Deep-Sea Res
,
33
,
1527
–
1562
.
,
1956
.
Измерения в море вертикального градиента основного геомагнитного поля во время экспедиции Галатея
,
J. geophys. Res
,
61
,
593
–
624
.
,
1832
.
Экспериментальные исследования в области электричества (лекция Бейкера)
,
Phil.Пер. R. Soc. Lond., A
,
122
,
163
–
194
.
,
1987
.
Приборы и экспериментальные методы для изучения океана
, в
Геомагнетизм
, стр.
143
–
247
, изд. ,
Academic Press Inc
, Лондон.
,
1997
.
Связь напряжений на морском дне с океанскими переносами в моделях циркуляции Северной Атлантики: результаты моделирования и практические соображения для мониторинга транспорта
,
J.Phys. Океаногр
,
27
,
1547
–
1565
.
,
1997
.
Индукция движения в моделях циркуляции Северной Атлантики
,
J. geophys. Res
,
102
,
10 353
–
10 372
.
,
1999
.
Влияние индукции движения на геоэлектрический потенциал планетарного масштаба в восточной части северной части Тихого океана
,
J. geophys. Res
,
104
,
1343
–
1359
.DOI:
,
1947
.
Фундаментальная теория магнитного поля Земли Блэкетта
,
Nature
,
160
,
746
.
,
1967
.
Измерение вертикального градиента геомагнитного поля под поверхностью Северного Ледовитого океана
,
Geophys. Проспект
,
15
,
194
–
203
.
,
1997
.
Hide получает медаль Боуи: Response
,
EOS, Trans.Являюсь. геофизики. Ун
,
78
,
295
–
296
.
,
1998
.
Спокойный суточный ход полного магнитного поля: глобальные кривые
,
Geophys. Res. Lett
,
25
,
2007
–
2010
.
,
2000
.
Индукционные стрелки морских плавучих магнитометров с использованием наземных справочных данных
,
Geophys. Дж. Инт
,
140
,
442
–
452
.
,
1993
.
Крупномасштабные измерения электрического поля на поверхности Земли: обзор
,
J. geophys. Res
,
98
,
23 525
–
23 534
.
,
1992
.
Перенос и тепловой поток Флоридского течения на 27 град. С.ш., полученные из поперечных напряжений и данных профилирования: теория и наблюдения
,
Phil. Пер. R. Soc. Lond., A
,
338
,
169
–
236
.
,
1986
.
Баротропный поток кольца с теплой сердцевиной по данным электрических измерений на морском дне
,
J. geophys. Res
,
91
,
12 979
–
12 984
.
,
1993
.
Магнитные сигналы от океанского вихря
,
J. Geomagn. Геоэлектр
,
45
,
403
–
422
.
,
1954
.
Электрическое поле, индуцированное океанскими течениями и волнами, с применением метода буксируемых электродов
,
Пап. Phys. Oceanogr. Метеорол
,
13
,
1
–
37
.
,
1991
.
Низкочастотные, вызванные движением электромагнитные поля в океане: 2. Сравнение электрического поля и эйлеровых течений
,
J. geophys. Res
,
96
,
12 797
–
12 814
.
,
1967
.
Поля спокойствия Солнца и суточной вариации Луны
, в
Физика геомагнитных явлений
, стр.
302
–
424
, ред. ,
Academic Press Inc
, Нью-Йорк.
,
2000
.
Палеомагнетизм: континенты и океаны
,
Academic Press Inc
, Сан-Диего.
,
1996
.
Магнитное поле Земли: палеомагнетизм, ядро и глубокая мантия
,
Academic Press Inc
, Сан-Диего.
,
1996
.
Электромагнитные исследования океана: обзор
,
Surv. Geophys
,
17
,
455
–
491
.
,
1948
.
Радиальное изменение магнитного поля Земли, с приложением С. Чепмена
,
Proc. Phys. Soc
,
61
,
373
–
382
.
,
1951
.
Измерения вариации основного геомагнитного поля с глубиной
,
Phil.Пер. R. Soc. Lond., A
,
244
,
113
–
151
.
,
1971
.
Двигательные электрические и магнитные поля в море
,
J. geophys. Res
,
76
,
3476
–
3492
.
,
1985
.
Акустический доплеровский и электромагнитный профилограф скорости
,
J. Atmos. Океан. Технол
,
2
,
110
–
124
.
,
1992
.
Крупномасштабные электрические и магнитные поля, создаваемые океанами
,
J. geophys. Res
,
97
,
15 467
–
15 480
.
,
1998
.
Новая электромагнитная станция на морском дне с магнитометром Оверхаузера, магнитотеллурическим вариографом и модемом акустической телеметрии
,
Земля, Планета. Помещение
,
50
,
895
–
903
.
,
1994
.
Региональная океанография: Введение
,
Pergamon Press
, Oxford.
,
1997
.
Геофизические проблемы использования крупномасштабных электромагнитных полей, генерируемых океаном, для определения океанического потока
,
J. Geomagn. Геоэлектр
,
49
,
1351
–
1372
.
© 2001 РАН
IMAGE исследует магнитное поле Земли
Блуждающий магнит Полюс: Введение – 9–12 классы. Учащиеся построят положение северного магнитного полюса Земли на полярном графике «долгота-широта».Это вводный материал для учителя по соответствующим занятиям на магнитном полюсе Земли.
Блуждающие поляки за последние 2000 г. Годы – классы K-5 Студенты поймут, почему поверхность Солнца так активна. Студенты исследуют, как магнетизм на Солнце заставляет газы двигаться.
Точки графика в полярных координатах Координаты – 10–12 классы. Студенты будут наносить точки на полярную сетку и измерять расстояния между ними.
Измерение расстояний на полюсе Карта – 10–12 классы Студенты будут наносить точки на полярную сетку и измерять расстояния между ними.
Магнитосфера и США – 6–9 классы Студенты изучают размер магнитосферы и сколько времени требуется различным формам частиц и излучения, чтобы достичь Земли от Солнца.
Магнитометр для бутылок с газировкой – Учащиеся построят и будут использовать простой магнитометр, используя бутылку содовой и стержневой магнит. Они будут использовать его для отслеживания изменений магнитного поля Земли. Они будут изучать магнитные бури и исследовать их свойства во времени и пространстве. Они произведут измерения и проведут простой статистический анализ.
Магнитные бури от Земля – 6–9 классы Студенты будут использовать архивные данные из Интернета для изучения географических вариаций конкретного события магнитной бури. Студенты будут сравнивать географическое положение с местами, где обычно наблюдается полярное сияние.
Исследование магнитного Штормы – 9–12 классы Студенты узнают об индексе Kp для измерения силы магнитной бури. Студенты будут использовать веб-архив, чтобы выяснить, как часто бывают магнитные бури разной степени тяжести.
Движение магнитного Полюс – 6–9 классы. Студенты нанесут на карту широту и долготу, связанные с движением Северного магнитного полюса в течение определенного периода времени. Они спрогнозируют место на 2000 год и оправдают свои рассуждения. Учащиеся будут использовать формулу для расчета скорости (приводится пример). Студенты сделают вывод, что Северный магнитный полюс смещается из года в год.
Исследование Земли Магнетизм – 9–12 классы. Студенты изучат форму магнитосферы Земли и то, как она меняется. во время шторма.
Магнитопауза Граница – 10–12 классы Простая алгебра используется для вычисления расстояния до границы, на которой солнечный ветер давит на магнитосферу Земли. В этом упражнении обсуждается баланс давления и математические описания задействованных сил.
Магнитопауза Граница – 10–12 классы Простая алгебра используется для вычисления расстояния до границы, на которой солнечный ветер давит на магнитосферу Земли. В этом упражнении обсуждается баланс давления и математические описания задействованных сил.
Магнитные бури и солнечная активность – 6–9 классы Студенты будут использовать два сетевых архива данных, чтобы изучить, как солнечная активность соотносится с магнитными бурями на Земле.
Магнитные бури и полярное сияние – 9–12 классы Студенты будут использовать сетевые архивы для изучения корреляции между полярной активностью и магнитным индексом Kp.
Авроральный магнетизм от земли – 7-9 классы. За последние 100 лет многие «магнитные обсерватории» были сданы в эксплуатацию по всему миру для контролировать магнитное поле Земли.


Рис. Угол θ известен как магнитное склонение	Рис. Графическое изображение истинного географического северного и южного полюсов

Магнитное поле земли формула: Ошибка 404: страница не найдена

Интересные сведения о магнитном поле Земли: Наука и техника: Lenta.ru

Инверсии магнитного поля Земли могут быть связаны с субдукцией литосферных плит

Определение горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли ответы | by Найти Suai

Магнитное поле Земли. Все о магнитах :: Класс!ная физика

Устали? – Отдыхаем!

ВИХРИ — ОТ МОЛЕКУЛЫ ДО ГАЛАКТИКИ

Двигатель без топлива – Газета Коммерсантъ № 130 (1774) от 24.07.1999

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 8 МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ

С.О. Зубович, Т.А. Сухова

УДК 537.2:537.3 (076.3)

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. Моментом силы M

Отложенные задания (40)

Кинематика относительного движения

А.И. Прасолова Практикум по геодезии

9 класс Тесты для самоконтроля ТСК

Сферическая астрономия

Решение задач по теме «Магнетизм»

, где v линейная скорость тела

Изучение магнитного поля на оси соленоида

Тема 2.2. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Рене Дека рт французский математик ( )

1. ОБЩИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Лабораторная работа 4

), движется равномерно

Изучение магнитного поля на оси соленоида

Контур с током в магнитном поле

ПРАВИЛА ОФОРМЛЕНИЯ ДОМАШНИХ РАБОТ

Механические колебания

2.23 ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА АМПЕРА

ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ 3 МАГНЕТИЗМ

Магнитное поле. Силы

Калькуляторы магнитного поля Земли – Инструкции

Вычислить значения магнитного поля Земли

Требуется ввести:

Результаты включают семь параметров поля и текущую скорость изменения за последний год:

Требуемый ввод

Ввод информации о местоположении

Ввод информации о дате

Ввод отметки

Область ввода

Чтение результатов

Магнитное поле Земли в 3D | Сет Штайн

демонстрационных голов:

Как измерить магнитное поле?

Магнитный компас

iPhone Compass

Магнитное поле Земли

Магнетизм Земли – Учебные материалы для IIT JEE

Магнитное поле Земли: вклад океанских течений в вертикальные профили в глубоких океанах | Международный геофизический журнал

Сводка

1 Введение

2 История

2.

2.2 Движение электромагнитной индукции в океане

3 Теория

3.1 Главное геомагнитное поле

3.2 Движение магнитного поля

3.3 Восстановление информации о океанских течениях из наблюдаемых данных магнитного профиля полного поля

3.4 Магнитное поле намагниченной коры

3.5 Магнитные поля суточной вариации и магнитные бури

4 Аппарат

5 Результаты

5.1 Сайтов

5.2 Редукция данных

5,3 Тасманово море, апрель 1994 г.

5,4 Индийский океан, апрель – май 199 г.

5,5 Тасманово море, сентябрь – октябрь 1997 г.

5,6 Профили, спусковое устройство с корабля

5.7 Профили, «свободное падение»

6 Обсуждение

6.1 Профили составляющей океанического течения в магнитном меридиане

6.2 Измерение вертикальной составляющей

6.3 Градиометрические измерения

6.4 Магнитные карты районов океана

7 Выводы

Благодарности

Список литературы

IMAGE исследует магнитное поле Земли

Больше новостей