Магнитное поле Земли измерили ритуалом древних африканцев
Африканская деревня с краалем в центре.
Изображение: Wikimedia Commons
Ученые из США и ЮАР при помощи ритуала, принятого на юге Африки в 1000-1600 годах нашей эры, воссоздали картину распределения магнитного поля Земли в этот период. Новые данные позволят уточнить некоторые теоретические модели, предсказывающие, в частности, инверсию магнитных полюсов. Работа опубликована в Nature Communications.
Авторы изучали следы пожаров, которые африканские жители устраивали для ритуального очищения деревень. В результате воздействия высоких температур в сожженных краалях — кольцевых загонах для скота — образовывались фрагменты стекла с вкраплением мелких частиц песка и минералов. Ученые измеряли их намагниченность, а по расположению находок определяли направление вектора магнитной индукции. Также авторы проводили измерения на фрагментах глиняного пола сожженных хижин.
Всего удалось проанализировать образцы из трех поселений, датированных 1013-1047, 1317-1415 и 1507-1585 годами. Авторы построили диаграмму направленности вектора магнитной индукции в разные временные периоды, а также проследили за изменением его величины. Оказалось, что около 1300 года направление магнитного поля значительно поменялось, а индукция резко уменьшилась. При этом величина скачка оказалась больше той, что наблюдается в последние 100 лет.
Новые данные ученые соотнесли с современными наблюдениями, согласно которым юг Африки относят к Южно-атлантической аномалии, характеризующейся значительно ослабленным магнитным полем.
Авторы также предложили модель, согласно которой необычные свойства магнитного поля на юге Африки объясняются строением границы внешнего ядра Земли в этом регионе. Эти особенности приводят к возникновению дополнительного магнитного потока, ослабляющего поле в целом.
Авторы отмечают, что временные изменения в магнитном поле на юге Африки могут свидетельствовать о существовании постоянной зоны, инициирующей инверсию магнитных полюсов. Считается, что это событие последний раз происходило 40 тысяч лет назад, хотя и было очень кратковременным. До этого «полноценная» инверсия полюсов наступала 780 тысяч лет назад.
Во время инверсии магнитные полюса Земли практически меняются местами. Это явление может сопровождаться временным ослаблением магнитного поля, что позволяет космическому излучению проникать глубже в атмосферу.
Геологи выяснили, когда в последний раз изменилось магнитное поле Земли
За всю историю Земли магнитное поле часто меняло свою полярность.
Последнее изменение произошло почти 800 000 лет назад, сообщает международная исследовательская группа в журнале Science Advances. Тогда северный магнитный полюс поменялся местами с южным.
Этот вывод основан на измерениях разных географических данных и анализе потоков лавы. Команда геологов, возглавляемая Брэдом Сингером из Висконсинского университета (США), изучила образцы горных пород почти из пяти вулканических областей, в том числе из Чили, с гавайского острова Мауи и с Канарских островов.
Вулканические лавы обычно содержат небольшие магнитные минералы, такие как магнетит. Пока лава жидкая и текучая, эти минералы перемешиваются и не проявляют равномерного намагничивания. Однако когда вулканическая порода затвердевает, мелкие кристаллы магнитных минералов располагаются вдоль геомагнитного поля, преобладающего во время извержения вулкана. Таким образом эта остаточная намагниченность остается в затвердевшей лаве. Измерительные приборы могут определять не только направление, но и напряженность магнитного поля, которое преобладает во время затвердевания.
Если возможно определить точный возраст лавы одновременно с другими данными, геофизики могут восстановить историю и ориентацию магнитного поля.
Группа Сингера выяснила, что последнее изменение магнитного поля Земли происходило нерегулярными рывками. Около 795 000 лет назад напряженность магнитного поля начала постепенно уменьшаться. Около 1000 лет спустя началась хаотическая фаза, когда поле несколько раз внезапно меняло направление при очень низкой напряженности. Лишь около 773 000 лет назад магнитное поле окончательно установилось в своем текущем направлении. Весь процесс занял не менее 22 000 лет, и это в несколько раз дольше, чем полагали ранее.
Опубликованные результаты исследований дают основу для моделирования тех процессов в ядре Земли, которые приводят к изменениям магнитного поля планеты, пишет FAZ.
До сих пор все еще в значительной степени неизвестно, почему поле так резко меняет свое направление и как именно это происходит.
Гонка за полюсом – Огонек № 6 (5551) от 18.
02.2019В Северном полушарии разворачивается научный детектив: от канадской Арктики к Сибири с невиданной скоростью движется Северный магнитный полюс. Почему так быстро? И в чем причины этого движения? Ученые высказывают версии.
Кирилл Журенков
Официальный информационный повод «пришел» в первых числах февраля: эксперты раньше срока обновили так называемую Мировую магнитную модель (WMM), описывающую основные параметры магнитного поля Земли. За сложной формулировкой — напряженная интрига: оказывается, это было сделано потому, что Северный магнитный полюс движется и за последнее время сильно ускорился! Например, прямо сейчас он близок к географическому Северному полюсу, а там уж и до Сибири рукой подать. Эффектные заголовки о том, что магнитный полюс «сбежал» от Канады к России, уже появились в ведущих мировых СМИ. Однако геополитика тут ни при чем: ученые в поисках ответов пытаются заглянуть под поверхность Земли, где происходят загадочные процессы. Попробуем разобраться.
Сначала — о самом Северном магнитном полюсе. Это некая условная точка, на которую указывает стрелка любого компаса, а интрига в том, что он находится в постоянном движении.
Впервые необычный дрейф заметил еще английский математик Генри Геллибранд 400 лет назад.
— Это было большим монументальным открытием: полюс не статичен, он находится в динамике,— цитирует The New York Times геофизика из Швейцарской высшей технической школы Цюриха Эндрю Джексона. Впрочем, сейчас речь о другом. Как отмечает газета, полюс не просто движется — он движется так, что ученые не могут это предсказать. Занятный факт: за пару столетий магнитный север перебывал на многих островах арктического архипелага и, наконец, двинулся в сторону Сибири.
Чем нынешняя ситуация принципиально отличается от того, что было, скажем, полвека назад? Очень просто: скорость движения полюса резко возросла. Судите сами: в течение XX века она составляла примерно 10 км в год, однако с 1980-х выросла до 55 км. А важно это потому, что магнитный полюс увязан с навигацией.
«Огонек» обратился за разъяснениями в Институт физики Земли РАН.
— Для навигации необходимо знать значение «местного склонения» в каждой конкретной точке на Земле или над ней,— поясняют в институте.— Магнитное склонение — это угол между направлением на Северный географический полюс и направлением на Северный магнитный полюс (именно на него указывает магнитная стрелка компаса). Магнитное склонение, таким образом, используется как поправка к показаниям компаса. Если ее не учесть, то путешественник прибудет не туда, куда надо. Величина магнитного склонения варьируется тем больше, чем ближе мы находимся к магнитным полюсам Земли. Поскольку инструментально измерить магнитное склонение в каждой точке земной поверхности невозможно, то основные параметры магнитного поля Земли можно определить по заранее вычисленной модели магнитного поля, одной из которых и является модель WMM.
Вот факт: модель WMM сегодня используется во всех устройствах, оснащенных компасом (от GPS-навигаторов до смартфонов), то есть точные измерения важны, к примеру, для военных или гражданской авиации.
Но сложность в том, что оба магнитных полюса, и Северный, и Южный, находятся в постоянном движении: соответственно в каждой точке меняется и магнитное склонение, а значит, и модель WMM надо постоянно обновлять. Обычно это делают раз в пять лет, но в этот раз, в связи с ускорением полюса, 2020 года не дождались.
Можно ли заметить сдвиг «невооруженным глазом»? Вопрос в том, где именно вы находитесь. Условно говоря, на Северном полюсе вы, использую «старую» модель, рискуете промахнуться с пунктом назначения, а в Москве разница заметна не будет. И все же она важна: как сообщалось, в некоторых аэропортах мира даже приходится «переименовывать» полосы, это сделали, например, в Фэрбенксе, на Аляске, еще в 2009-м (большие белые цифры на краю взлетно-посадочной полосы как раз указывают на магнитный курс полосы). Эксперты, впрочем, отмечают: катастрофы нет, ведь саму модель вовремя обновили и теперь промахнуться никто не должен. А для россиян и вовсе предусмотрен бонус: мы станем чаще наблюдать северное сияние, ведь оно возникает в стратосфере как раз вблизи магнитного полюса.
Ученые, в свою очередь, озабочены другим: они пытаются понять, почему движение магнитного полюса вдруг ускорилось.
Ну, например, одна из версий, изложенная в авторитетном научном журнале Nature, гласит: столь быстрое движение полюса может быть связано с высокоскоростным потоком расплавленного железа — как раз под Канадой. По предположению ученых из Лидсского университета (Великобритания), этот поток, похоже, «размазывает» и ослабляет магнитное поле под Канадой, вот полюс и перетягивает к Сибири, где находится еще одна большая магнитная область. При этом большинство ученых сходятся в главном: подземная жизнь Земли (особенно в связке с магнитным полем планеты) для нас во многом еще загадка.
Однако, пожалуй, самое драматичное, что связано с этим дрейфом,— в другом. Оказывается, движение магнитных полюсов может быть началом так называемой инверсии магнитного поля планеты, когда ее полюса просто поменяются местами.
Тут надо пояснить. Вообще-то смена полярности магнитного поля Земли — редкое явление.
Как актуален и другой вопрос: возможно, это никакая не инверсия, а всего лишь временные колебания? Впрочем, даже в этом вопросе единства у ученых пока что не наблюдается.
Экспертиза
Ждем и следим
Роман Веселовский, замдиректора Института физики Земли им.
О.Ю. Шмидта РАН, доктор геолого-минералогических наук
Причины движения Северного магнитного полюса кроются в механизме генерации магнитного поля нашей планеты, или геодинамо. Магнитное геодинамо «работает» во внешнем жидком ядре Земли на глубине от 2900 до 5150 км. Оно имеет сложный механизм, и мы вряд ли когда-то сможем познать его полностью. И все же кое-что нам известно: главными условиями возникновения магнитного поля Земли является ее быстрое вращение вокруг своей оси и источник тепла в ее ядре. Существуют разные математические и даже физические модели геодинамо, но они лишь позволяют имитировать основные особенности поведения геомагнитного поля. Предсказывать его мы, к сожалению, не умеем.Впрочем, могу успокоить: если перемещение полюса вовремя обнаруживать и учитывать в моделях магнитного поля (WMM, IGRF), проблем быть не должно. Что, собственно, и сделали в начале 2019-го: WMM была досрочно обновлена в той ее части, которая относится к приполярным областям (при смещении полюса именно там погрешность навигационных приборов будет максимальной).
Возможно ли, что нынешнее движение Северного магнитного полюса связано с будущей инверсией (когда Северный и Южный магнитные полюса Земли меняются местами.— «О»)? Да, это возможно. Но вероятность того, что инверсия будет и что ее не будет — одинакова. Как я уже говорил, предсказывать поведение геомагнитного поля мы не можем. Однако архео- и палеомагнитологи, то есть ученые, изучающие поведение и структуру магнитного поля Земли в прошлом, давно обнаружили: перед инверсией напряженность геомагнитного поля значительно уменьшается (поле практически «выключается»), а амплитуда и скорость перемещения магнитных полюсов возрастают. Так вот в последние десятилетия мы действительно наблюдаем эти «признаки инверсии».
Согласно современным представлениям, процесс инверсии магнитного поля Земли может длиться от 200 до 8000 лет.
Так что теперь нужно последить за происходящим еще полвека, а то и пару веков. И уж потом определить, будет она или нет. Словом, ждем и следим.
А заодно ведем изыскания в области геомагнетизма, сегодня они в первую очередь направлены на понимание механизма генерации магнитного поля Земли. Когда у нашей планеты возникло магнитное поле? Почему оно возникло? Каким оно было миллионы и миллиарды лет назад? Для этого ведутся активные палеомагнитные и археомагнитные исследования «ископаемого магнетизма» — изучение магнитных минералов, которые во время формирования породы «сохраняют» величину и направление магнитного поля Земли на тот момент времени. Полученные данные используются для совершенствования математических моделей магнитного геодинамо, а эти модели, в свою очередь, позволяют лучше и точнее изучить эволюцию магнитного поля Земли в прошлом. Возможно, когда-нибудь это позволит нам заглянуть и в его будущее.
Спецпроект «Огонька» о передовых достижениях физики
Читать далее
За изменения климата в масштабах сотен и тысяч лет отвечает магнитное поле Земли
Предположительно последний раз смена магнитных полюсов Земли произошла около 780 тыс.
лет назад.
Иллюстрация Depositphotos/PhotoXPress.ru
Какие физические процессы могут быть ответственны за изменения климата? В масштабах десятков миллионов и более лет таковыми, безусловно, являются движения материков. За изменения климата в масштабах нескольких лет могут быть ответственны изменения активности Солнца и извержения вулканов. А вот причины изменений климата в масштабах веков не исследованы и остаются неведомы.
Ливермор и его команда
Никем не показано, что климат в масштабах столетий должен быть стационарным. Чередование ледниковых периодов и периодов потеплений может являться частью колебательного процесса, физику и геофизику которого еще только предстоит понять. Поэтому естественно обратиться к поиску физических процессов, которые ответственны за изменения климата. Кандидатов не так уж много.
1. Изменение активности Солнца в масштабах столетий и тысячелетий.
Наиболее известен и лучше всего изучен солнечный цикл с длительностью около 11 лет (цикл Швабе). Выделяют также удвоенный цикл Швабе длиной около 22 лет (цикл Хейла), имея в виду, что состояние глобального магнитного поля Солнца возвращается к исходному через два полных 11-летних цикла. То есть циклы Хейла и Швабе определяются магнитным полем Солнца.
В поведении солнечной активности имеются также гораздо менее выраженные циклы большей длительности: например, цикл Гляйсберга с периодом около одного века, а также сверхдлинные циклы длиной в несколько тысяч лет.
Таким образом, изменения климата на Земле в масштабах сотен лет в принципе могут определяться циклом солнечной активности. Однако такие циклы пока изучены недостаточно, чтобы делать научные выводы об их влиянии на земной климат. Пока это только одна из гипотез.
2. Изменение орбиты Земли. Орбита нашей планеты теоретически могла бы меняться под влиянием притяжения к другим планетам Солнечной системы.
Однако ни теоретических, ни экспериментальных данных о существенном изменении земной орбиты под влиянием тяготения в настоящее время нет. Поэтому данную гипотезу можно рассматривать как чистую спекуляцию.
3. Прецессия земной оси. Прецессия – процесс, который наблюдал каждый, вращая волчок. Полный цикл земной прецессии составляет около 2765 лет. Это явление, прецессия земной оси, ответственным за изменения климата в масштабах столетий не может быть.
Кроме того, в результате прецессии меняется освещенность Северного и Южного полушарий, когда льды таят на Северном полюсе, они наращивались бы на юге, и наоборот. Однако ледниковые периоды и потепления проходили по всей земле.
4. Изменения магнитного поля земли. При инверсии северный магнитный полюс и южный магнитный полюс меняются местами. Предположительно последний раз инверсия магнитных полюсов произошла около 780 тыс. лет назад. И она тоже ответственной за изменения климата за время существования Homo sapiens быть не могла.
Недавно при исследовании истории магнитного поля новейшими методами обнаружилось, что после последнего временного сдвига оси, который произошел около 40 тыс. лет назад, северная стрелка компаса еще несколько тысячелетий указывала на современный южный полюс. А глобально полюса, напомню, менялись местами примерно 780 тыс. лет назад. Такое запаздывание (подобное эффекту гистерезиса) с точки зрения физики Земли само по себе интересно. Но поскольку оно происходит не чаще чем раз в сотни тысяч лет, ответственным за изменения климата в масштабах десятилетий и столетий оно быть не может.
Однако возможен и более мягкий процесс, когда изменения магнитного поля Земли, как по его напряженности, так и в географическом положении полюсов, происходят на сравнительно небольшую величину, без смены северного магнитного полюса на южный магнитный, а южного на северный. Оба эти процесса детектированы в последнее время.
Показано, что за последние несколько сотен лет напряженность магнитного поля Земли плавно, но довольно заметно снизилась, а положение северного и южного магнитных полюсов значительно изменилось.
Как отметил руководитель этих исследований геофизик из Лидского университета доктор Фил Ливермор, ученых уже давно интересует, почему северный магнитный полюс, который ранее располагался в окрестностях островов Элсмир в канадской Арктике, в последние два десятилетия перемещается на север, сдвигаясь в сторону России примерно на 50–55 км каждый год.
Ливермор и его команда пытаются найти ответ на этот вопрос с ноября 2013 года – с тех пор, как Европейское космическое агентство запустило спутниковую космическую миссию Swarm, нацеленную на изучение магнитного поля Земли. Три года назад исследователи заметили, что магнитное поле в северных приполярных районах сильно и быстро меняется, так что получалась своеобразная «ромашка» из чередующихся зон с аномально слабым и аномально сильным магнитным полем. Иногда напряженность поля в «лепестках» всего за сезон менялась на значение, равное половине общей силы магнитного поля планеты.
Как предполагают ученые, в последнюю треть прошлого века такой «лепесток», расположенный под Канадой, резко поменял форму.
Его границы сильно расширились, из-за чего сила его воздействия на магнитное поле Земли упала, а движение полюса в сторону России резко ускорилось.
В результате, отмечает Ливермор, два года назад северный магнитный полюс пересек линию перемены дат и официально оказался в Восточном полушарии. По последним прогнозам геофизиков, скорость и траектория его движения в ближайшие годы не изменятся, так что магнитный полюс сдвинется еще на 390–660 км к югу, но северных берегов Евразии не достигнет.
Причиной изменения напряженности магнитного поля и его положения могут быть струи расплавленного метала, двигающиеся с большой скоростью по близким к круговым орбитам под Северным полюсом планеты, увидеть которые стало возможным благодаря исследованиям со спутников.
Кто управляет Гольфстримом
Может ли изменение напряженности и географического положения магнитных полюсов Земли быть ответственным за изменения климата в масштабах веков и десятилетий? Теоретически ответ на этот вопрос, безусловно, является положительным.
Изменение положения магнитных полюсов планеты и напряженности магнитного поля может влиять на интенсивность и направление океанических течений, подобных Гольфстриму. Вспомним, что вода – это электролит. Даже чистая вода. Концентрация положительных ионов водорода (H+) и отрицательных ионов гидроксильной группы (OH−) имеет порядок 10–7. Другими словами, в ионизированном состоянии находится одна десятимиллионая часть массы воды. Величина как будто бы небольшая, но если речь идет о движениях громадных масс, масса ионов воды в них воистину колоссальна.
Так, Гольфстрим (протяженностью тысячи километров и шириной того же порядка) движет более тысяч кубических километров воды, а значит, в ионизированном состоянии находится порядка миллиарда кубометров катионов ионов водорода и анионов гидроксида. Под действием постоянно действующих на ионы воды сил в направлениях океанских течений могут происходить изменения.
Разумеется, для оценки влияния изменения напряженности магнитного поля Земли на течения типа Гольфстрима требуется проведение математического моделирования.
Но из рассмотрения проблемы на качественном физическом уровне ясно, что такое влияние может быть очень серьезным, вплоть до изменения направления океанских течений.
Изменение положения магнитных полюсов планеты и напряженности магнитного поля при взаимодействии с ионизированной атмосферой Земли может влиять на интенсивность муссонов и их направление. В верхних слоях атмосферы ионы возникают под действием коротковолнового солнечного излучения. В нижних – ионизаторами нейтральных атомов и молекул являются главным образом радиоактивное излучение и космические лучи.
Взаимодействие магнитного поля Земли с ионами воздуха в нижних слоях (тропосфера и стратосфера) и в верхних слоях (мезосфера и термосфера) имеет разную физическую природу и различается по порядку величины. Однако взаимодействие ионов воздуха с магнитным полем Земли и в том, и в другом случае существенно влияет на муссоны (ветры, возникающие на границе суши и океана), на хамсины (изнуряющие жаркие ветры в Африке и на Ближнем Востоке), а также на частоту, интенсивность и направление ураганов.
А значит, это может влиять на климат как в региональных масштабах, так и в масштабе планеты.
Возвращение к Птолемею
Другой результат изменения магнитного поля Земли – наложение на прецессию, определяемую вращением Земли вокруг Солнца и магнитным полем Солнца в орбите Земли, прецессии, определяемой изменением магнитного поля самой Земли. В случае взаимодействия изменения магнитного поля Земли с прецессией, определяемой вращением Земли вокруг Солнца, может иметь место прецессия прецессии, имеющая частоту, определяемую движением магнитного поля Земли и изменением его интенсивности.
Если для простоты предположить, что обнаруженное Ливермором с соавторами движение северного магнитного полюса в действительности является круговым, то прецессия прецессии Земли по форме напоминает эпициклы – круговое движение вокруг двигающейся по кругу орбиты. Впервые эпициклы были введены 2 тыс. лет назад Клавдием Птолемеем для объяснения движения планет с учетом гравитации Солнца и других небесных тел.
Когда стало понятно, что, движения любых масс определяются законом всемирного тяготения, теория эпициклов Птолемея была признана ошибочной. Однако в случае прецессии прецессии магнитного поля Земли эпициклы прецессии вращения Земли, а не траектория движения Земли, возможно, являются правильным описанием в достаточно неплохом приближении происходящих изменений оси магнитного поля Земли. Которое, в свою очередь, может оказаться ответственным за изменения климата в масштабах тысячелетий, столетий и десятилетий.
Прецессия прецессии Земли, безусловно, может отвечать за изменение климата в масштабах десятков, сотен и тысяч лет.
Нью-Йорк
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ | Энциклопедия Кругосвет
Содержание статьиМАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ. Большинство планет Солнечной системы в той или иной степени обладают магнитными полями. По убыванию дипольного магнитного момента на первом месте Юпитер и Сатурн, а за ними следуют Земля, Меркурий и Марс, причем по отношению к магнитному моменту Земли значение их моментов составляет 20 000, 500, 1, 3/5000 3/10000.
Дипольный магнитный момент Земли на 1970 составлял 7,98·1025 Гс/см3 (или 8,3·1022 А.м2), уменьшаясь за десятилетие на 0,04·1025 Гс/см3. Средняя напряженность поля на поверхности составляет около 0,5 Э (5·10–5 Тл). По форме основное магнитное поле Земли до расстояний менее трех радиусов близко к полю эквивалентного магнитного диполя. Его центр смещен относительно центра Земли в направлении на 18° с.ш. и 147,8° в. д. Ось этого диполя наклонена к оси вращения Земли на 11,5°. На такой же угол геомагнитные полюса отстоят от соответствующих географических полюсов. При этом южный геомагнитный полюс находится в северном полушарии. В настоящее время он расположен недалеко от северного географического полюса Земли в Северной Гренландии. Его координаты j = 78,6 + 0,04° Т с.ш., l = 70,1 + 0,07° T з.д., где Т – число десятилетий от 1970. У cеверного магнитного полюса j = 75° ю.ш., l = 120,4° в.д. (в Антарктиде).
Реальные магнитные силовые линии магнитного поля Земли в среднем близки к силовым линиям этого диполя, отличаясь от них местными нерегулярностями, связанными с наличием намагниченных пород в коре. В результате вековых вариаций геомагнитный полюс прецессирует относительно географического полюса с периодом около 1200 лет. На больших расстояниях магнитное поле Земли несимметрично. Под действием исходящего от Солнца потока плазмы (солнечного ветра) магнитное поле Земли искажается и приобретает «шлейф» в направлении от Солнца, который простирается на сотни тысяч километров, выходя за орбиту Луны.
Специальный раздел геофизики, изучающий происхождение и природу магнитного поля Земли называется геомагнетизмом. Геомагнетизм рассматривает проблемы возникновения и эволюции основной, постоянной составляющей геомагнитного поля, природа переменной составляющей (примерно 1% от основного поля), а так же структура магнитосферы – самых верхних намагниченных плазменных слоев земной атмосферы, взаимодействующих с солнечным ветром и защищающих Землю от космического проникающего излучения.
Важной задачей является изучение закономерностей вариаций геомагнитного поля, поскольку они обусловлены внешними воздействиями, связанными в первую очередь с солнечной активностью.
Происхождение магнитного поля.
Наблюдаемые свойства магнитного поля Земли согласуются с представлением о его возникновении благодаря механизму гидромагнитного динамо. В этом процессе первоначальное магнитное поле усиливается в результате движений (обычно конвективных или турбулентных) электропроводящего вещества в жидком ядре планеты или в плазме звезды. При температуре вещества в несколько тысяч К его проводимость достаточно высока, чтобы конвективные движения, происходящие даже в слабо намагниченной среде, могли возбуждать изменяющиеся электрические токи, способные, в соответствии с законами электромагнитной индукции, создавать новые магнитные поля. Затухание этих полей либо создает тепловую энергию (по закону Джоуля), либо приводит к возникновению новых магнитных полей. В зависимости от характера движений эти поля могут либо ослаблять, либо усиливать исходные поля.
Для усиления поля достаточно определенной асимметрии движений. Таким образом, необходимым условием гидромагнитного динамо является само наличие движений в проводящей среде, а достаточным – наличие определенной асимметрии (спиральности) внутренних потоков среды. При выполнении этих условий процесс усиления продолжается до тех пор, пока растущие с увеличением силы токов потери на джоулево тепло не уравновесят приток энергии, поступающей за счет гидродинамических движений.
Динамо-эффект – самовозбуждение и поддержание в стационарном состоянии магнитных полей вследствие движения проводящей жидкости или газовой плазмы. Его механизм подобен генерации электрического тока и магнитного поля в динамо-машине с самовозбуждением. С динамо-эффектом связывают происхождение собственных магнитных полей Солнца Земли и планет, а также их локальные поля, например, поля пятен и активных областей.
Составляющие геомагнитного поля.
Собственное магнитное поле Земли (геомагнитное поле) можно разделить на cледующие три основные части.
1. Основное магнитное поле Земли, испытывающее медленные изменения во времени (вековые вариации) с периодами от 10 до 10 000 лет, сосредоточенными в интервалах 10–20, 60–100, 600–1200 и 8000 лет. Последний связан с изменением дипольного магнитного момента в 1,5–2 раза.
2. Мировые аномалии – отклонения от эквивалентного диполя до 20% напряженности отдельных областей с характерными размерами до10 000 км. Эти аномальные поля испытывают вековые вариации, приводящие к изменениям со временем в течение многих лет и столетий. Примеры аномалий: Бразильская, Канадская, Сибирская, Курская. В ходе вековых вариаций мировые аномалии смещаются, распадаются и возникают вновь. На низких широтах имеется западный дрейф по долготе со скоростью 0,2° в год.
3. Магнитные поля локальных областей внешних оболочек с протяженностью от нескольких до сотен км. Они обусловлены намагниченностью горных пород в верхнем слое Земли, слагающих земную кору и расположенных близко к поверхности.
Одна из наиболее мощных – Курская магнитная аномалия.
4. Переменное магнитное поле Земли (так же называемое внешним) определяется источниками в виде токовых систем, находящимися за пределами земной поверхности и в ее атмосфере. Основными источниками таких полей и их изменений являются корпускулярные потоки замагниченной плазмы, приходящие от Солнца вместе с солнечным ветром, и формирующие структуру и форму земной магнитосферы.
Структура магнитного поля земной атмосферы.
Земное магнитное поле находится под воздействием потока намагниченной солнечной плазмы. В результате взаимодействия с полем Земли образуется внешняя граница околоземного магнитного поля, называемая магнитопаузой. Она ограничивает земную магнитосферу. Из-за воздействия солнечных корпускулярных потоков размеры и форма магнитосферы постоянно меняются, и возникает переменное магнитное поле, определяемое внешними источниками. Его переменность обязана своим происхождением токовым системам, развивающимся на различных высотах от нижних слоев ионосферы до магнитопаузы.
Изменения магнитного поля Земли во времени, вызванные различными причинами, называются геомагнитными вариациями, которые различаются как по своей длительности, так и по локализации на Земле и в ее атмосфере.
Магнитосфера – область околоземного космического пространства, контролируемая магнитным полем Земли. Магнитосфера формируется в результате взаимодействия солнечного ветра с плазмой верхних слоев атмосферы и магнитным полем Земли. По форме магнитосфера представляет собой каверну и длинный хвост, которые повторяют форму магнитных силовых линий. Подсолнечная точка в среднем находится на расстоянии 10 земных радиусов, а хвост магнитосферы простирается за орбиту Луны. Топология магнитосферы определяется областями вторжения солнечной плазмы внутрь магнитосферы и характером токовых систем.
Хвост магнитосферы образован силовыми линиями магнитного поля Земли, выходящими из полярных областей и вытянутых под действием солнечного ветра на сотни земных радиусов от Солнца в ночную сторону Земли.
В итоге плазма солнечного ветра и солнечных корпускулярных потоков как бы обтекают земную магнитосферу, придавая ей своеобразную хвостатую форму. В хвосте магнитосферы, на больших расстояниях от Земли, напряженность магнитного поля Земли, а следовательно и их защитные свойства, ослабляются, и некоторые частицы солнечной плазмы получают возможность проникнуть и попасть во внутрь земной магнитосферы и магнитных ловушек радиационных поясов. Проникая в головную часть магнитосферы в область овалов полярных сияний под действием изменяющегося давления солнечного ветра и межпланетного поля, хвост служит местом формирования потоков высыпающихся частиц, вызывающих полярные сияния и авроральные токи. Магнитосфера отделена от межпланетного пространства магнитопаузой. Вдоль магнитопаузы частицы корпускулярных потоков обтекают магнитосферу. Влияние солнечного ветра на земное магнитное поле иногда бывает очень сильным. Магнитопауза – внешняя граница магнитосферы Земли (или планеты), на которой динамическое давление солнечного ветра уравновешивается давлением собственного магнитного поля.
При типичных параметрах солнечного ветра подсолнечная точка удалена от центра Земли на 9–11 земных радиусов. В период магнитных возмущений на Земле магнитопауза может заходить за геостационарную орбиту (6,6 радиусов Земли). При слабом солнечном ветре подсолнечная точка находится на расстоянии 15–20 радиусов Земли.
Солнечный ветер –
истечение плазмы солнечной короны в межпланетное пространство. На уровне орбиты Земли средняя скорость частиц солнечного ветра (протонов и электронов) около 400 км/с, число частиц – несколько десятков в 1 см3.
Магнитная буря.
Локальные характеристики магнитного поля изменяются и колеблются иногда в течение многих часов, а потом восстанавливаются до прежнего уровня. Это явление называется магнитной бурей. Магнитные бури часто начинаются внезапно и одновременно по всему земному шару.
Геомагнитные вариации.
Изменение магнитного поля Земли во времени под действием различных факторов называются геомагнитными вариациями.
Разность между наблюдаемой величиной напряженности магнитного поля и средним ее значением за какой-либо длительный промежуток времени, например, месяц или год, называется геомагнитной вариацией. Согласно наблюдениям, геомагнитные вариации непрерывно изменяются во времени, причем такие изменения часто носят периодический характер.
Cуточные вариации. Cуточные вариации геомагнитного поля возникают регулярно в основном за счет токов в ионосфере Земли, вызванных изменениями освещенности земной ионосферы Солнцем в течение суток.
Нерегулярные вариации. Нерегулярные вариации магнитного поля возникают вследствие воздействия потока солнечной плазмы (солнечного ветра) на магнитосферу Земли, а так же изменений внутри магнитосферы и взаимодействия магнитосферы с ионосферой.
27-дневные вариации. 27-дневные вариации существуют как тенденция к повторению увеличения геомагнитной активности через каждые 27 дней, соответствующих периоду вращения Солнца относительно земного наблюдателя.
Эта закономерность связана с существованием долгоживущих активных областей на Солнце, наблюдаемых в течении нескольких оборотов Солнца. Эта закономерность проявляется в виде 27-дневной повторяемости магнитной активности и магнитных бурь.
Сезонные вариации. Сезонные вариации магнитной активности уверенно выявляются на основании среднемесячных данных о магнитной активности, полученных путем обработки наблюдений за несколько лет. Их амплитуда увеличивается с ростом общей магнитной активности. Найдено, что сезонные вариации магнитной активности имеют два максимума, соответствующие периодам равноденствий, и два минимума, соответствующие периодам солнцестояний. Причиной этих вариаций является образование активных областей на Солнце, которые группируются в зонах от 10 до 30° северной и южной гелиографических широт. Поэтому в периоды равноденствий, когда плоскости земного и солнечного экваторов совпадают, Земля наиболее подвержена действию активных областей на Солнце.
11-летние вариации.
Наиболее ярко связь между солнечной активностью и магнитной активностью проявляется при сопоставлении длинных рядов наблюдений, кратных 11 летним периодам солнечной активности. Наиболее известной мерой солнечной активности является число солнечных пятен. Найдено, что в годы максимального количества солнечных пятен магнитная активность также достигает наибольшей величины, однако возрастание магнитной активности несколько запаздывает по отношению к росту солнечной, так что в среднем это запаздывание составляет один год.
Вековые вариации – медленные вариации элементов земного магнетизма с периодами от нескольких лет и более. В отличии от суточных, сезонных, и других вариаций внешнего происхождения, вековые вариации связаны с источниками, лежащими внутри земного ядра. Амплитуда вековых вариаций достигает десятков нТл/год, изменения среднегодовых значений таких элементов, названы вековым ходом. Изолинии вековых вариаций концентрируются вокруг нескольких точек – центры или фокусы векового хода, в этих центрах величина векового хода достигает максимальных значений.
Радиационные пояса и космические лучи.
Радиационные пояса Земли – две области ближайшего околоземного космического пространства, которые в виде замкнутых магнитных ловушек окружают Землю.
В них сосредоточены огромные потоки протонов и электронов, захваченных дипольным магнитным полем Земли. Магнитное поле Земли оказывает сильное влияние на электрически заряженные частицы, движущиеся в околоземном космическом пространстве. Есть два основных источника возникновения этих частиц: космические лучи, т.е. энергичные (от 1 до12 ГэВ) электроны, протоны и ядра тяжелых элементов, приходящие с почти световыми скоростями, главным образом, из других частей Галактики. И корпускулярные потоки менее энергичных заряженных частиц (105–106 эВ), выброшенных Солнцем. В магнитном поле электрические частицы движутся по спирали; траектория частицы как бы навивается на цилиндр, по оси которого проходит силовая линия. Радиус этого воображаемого цилиндра зависит от напряженности поля и энергии частицы.
Чем больше энергия частицы, тем при данной напряженности поля радиус (он называется ларморовским) больше. Если ларморовский радиус много меньше, чем радиус Земли, частица не достигает ее поверхности, а захватывается магнитным полем Земли. Если ларморовский радиус много больше, чем радиус Земли, частица движется так, как будто бы магнитного поля нет, частицы проникают сквозь магнитное поле Земли в экваториальных районах, если их энергия больше 109 эв. Такие частицы вторгаются в атмосферу и вызывают при столкновении с ее атомами ядерные превращения, которые дают определенные количества вторичных космических лучей. Эти вторичные космические лучи уже регистрируются на поверхности Земли. Для исследования космических лучей в их первоначальной форме (первичных космических лучей) аппаратуру поднимают на ракетах и искусственных спутниках Земли. Примерно 99% энергичных частиц, «пробивающих» магнитный экран Земли, являются космическими лучами галактического происхождения и лишь около 1% образуется на Солнце.
Магнитное поле Земли удерживает огромное число энергичных частиц, как электронов, так и протонов. Их энергия и концентрация зависят от расстояния до Земли и геомагнитной широты. Частицы заполняют как бы огромные кольца или пояса, охватывающие Землю вокруг геомагнитного экватора.
Эдвард Кононович
Угрожает ли человечеству аномальная вмятина в магнитном поле Земли?
Ученые заметили, что аномальная “дыра” в магнитном поле Земли понемногу растет и двигается. Ее изучением занимаются специалисты NASA. Исследователи отмечают, что аномалия мешает работе спутников. Стоит ли бояться ослабления магнитного поля Земли и могут ли из-за этого поменяться местами север и юг – разбирался обозреватель Николай Гринько.
Фото: depositphotos/Petrovich99
Возможно, вы будете удивлены, но магнитное поле Земли необходимо нам не только для того, чтобы стрелка компаса показывала на север. Скорее, наоборот: ориентация на географические полюса Земли – это побочное (и даже случайное) явление.
На самом деле магнитное поле – это едва ли не главнейшая причина того, что на нашей планете вообще возможна жизнь. Дело в том, что магнитосфера, окружающая земной шар, представляет собой настоящую ловушку для протонов и нейтронов и по этой причине не подпускает к Земле потоки космических частиц.
Магнитное поле защищает нас от космической (в первую очередь солнечной) радиации.
В том, насколько это важно, можно убедиться на примере Марса. По мнению ученых, у Красной планеты когда-то было довольно сильное магнитное поле, но со временем угасло – сегодня оно примерно в 500 раз слабее земного. Защиты от ионизирующего излучения не стало, и в результате космический ветер просто-напросто “сдул” с Марса большую часть его атмосферы. Именно поэтому на планете нет жидкой воды: из-за низкого атмосферного давления она может присутствовать там только в виде льда или газа.
При этом марсианский радиационный фон в 13 раз выше, чем на Земле, и это притом, что орбита Марса пролегает почти на 100 миллионов километров дальше от Солнца, чем земная.
Итог: если на Марсе когда-то и была жизнь, то отсутствие магнитного поля уничтожило ее.
Но вернемся на Землю. Источник нашего магнитного поля находится глубоко под поверхностью планеты – это жидкое внешнее ядро Земли, состоящее в основном из расплавленных железа и никеля. Его толщина около 2 000 километров, а постоянное движение жидких металлов и генерирует магнитное поле – сильное и достаточно равномерное. Но над ядром, в земной коре часто встречаются месторождения магнитных пород, которые экранируют, снижают или усиливают основное поле. В результате этого в таких местах образуются магнитные аномалии – тоже довольно стабильные.
Но над Южной Америкой и южной частью Атлантического океана ученые обнаружили в поле необычно слабое место, которое назвали Южно-Атлантической аномалией (или SAA). От прочих оно отличается тем, что постоянно (пусть и очень медленно) перемещается. На основании этих данных исследователи сделали вывод, что аномалия вызвана не магнитными породами, а процессами, происходящими в жидком ядре планеты.
В районе SAA напряженность магнитного поля ниже обычного; ученые называют это вмятиной.
В результате защита от космических частиц тут снижена и солнечная радиация легче достигает поверхности Земли.
Пока аномалия не оказывает заметного влияния на жизненные процессы, но небольшое повышение уровня излучения мешает спутникам – именно поэтому за изучение “вмятины” взялись специалисты космического агентства NASA. Дело в том, что многие космические аппараты (включая даже МКС) при движении по орбитам проходят через Южно-Атлантическую аномалию и в этот момент подвергаются усиленной бомбардировке заряженными частицами.
Несмотря на то что вероятность сбоя при попадании частицы в какой-нибудь электронный компонент ничтожно мала, при прохождении через SAA все же приходится на всякий случай отключать некоторые системы (чаще всего – второстепенные). Но, например, космический телескоп “Хаббл” в этом районе отключается полностью: его тонкие инструменты вообще не способны работать при таком уровне излучения.
Общий тон научных публикаций по этому поводу таков: аномалия довольно неплохо изучена, меры предосторожности принимаются, заметного влияния на поверхность нет, волноваться не о чем. Звучит обнадеживающе. Хотя…
Читайте также
Балалайки в космосе: европейские инженеры изучают магнитное поле Земли | Научные открытия и технические новинки из Германии | DW
Путешествие к центру Земли, описанное знаменитым французским писателем-фантастом Жюлем Верном в одноименном романе почти полтора века назад, до сих пор остается недостижимой мечтой геофизиков. Однако за минувшие годы ученым удалось узнать немало нового и интересного о строении земных недр, прежде всего, благодаря тому, что где-то там, глубоко под мантией, в самом ядре, протекают процессы, формирующие магнитное поле нашей планеты.
Как это ни парадоксально, изучение магнитосферы Земли из космоса является сегодня чуть ли не единственным эффективным методом исследования земных недр. Значительный вклад в геомагнитные наблюдения внес немецкий исследовательский спутник CHAMP (Challenging Minisatellite Payload).
Он был выведен на околоземную орбиту высотой в 400 километров в июле 2000 года и, проработав десять лет вместо запланированных пяти, завершил свою миссию осенью минувшего года.
Трио космических балалаек
Но у геофизиков нет оснований унывать. В середине будущего года стартует новый проект Европейского космического агентства, в рамках которого на околоземную орбиту будут выведены сразу три спутника для измерения магнитосферы нашей планеты. Работать они будут совместно, почему проект и получил название Swarm, то есть “стая” или “рой”.
Хотя до старта еще полтора года, спутники уже практически готовы. Аппараты массой в полтонны каждый имеют идентичную конструкцию и весьма необычный – по крайней мере, на взгляд дилетанта – внешний вид, напоминающий балалайку с ее треугольным корпусом-резонатором и длинным грифом.
“Что ж, балалайка – это довольно точное сравнение, – говорит Эккард Зеттельмайер (Eckard Settelmeyer), глава расположенного в Имменштаде на Бодензее филиала европейского аэрокосмического концерта Astrium, где и были разработаны и построены спутники серии Swarm.
– На этих аппаратах имеется длинный кронштейн для крепления измерительных приборов. Ведь это высокочувствительные приборы, и мы стараемся вынести их как можно дальше от корпуса спутника, чтобы они регистрировали магнитные эффекты Земли, а не спутника”.
Бреши в щите
Информация о состоянии геомагнитного поля чрезвычайно важна не только для ученых-геофизиков, но и для людей, весьма далеких от науки, – поясняет профессор Герман Люр (Hermann Lühr), сотрудник Геофизического центра в Потсдаме и научный руководитель проекта Swarm: “Это поле защищает нас от опасного космического излучения. Непосредственно на поверхности Земли нас защищает еще и слой земной атмосферы, но, например, во время авиаперелетов, на высоте около 10 километров, доза облучения зависит почти исключительно от состояния магнитосферы нашей планеты”.
“Между тем, – отмечает ученый, – напряженность магнитного поля Земли непрерывно убывает, его защитная функция снижается, причем в последнее время это происходит с поистине умопомрачительной – по геофизическим меркам – скоростью.
К тому же эти изменения происходят в географическом отношении крайне неравномерно. Если в Европе напряженность геомагнитного поля вопреки общей тенденции даже слегка увеличилась, то в ряде других регионов мира – например, в южной Атлантике, Латинской Америке и в районе Карибского бассейна, – она, можно сказать, рухнула: снизилась за последние 30 лет на 12 процентов! Поэтому там сегодня все чаще происходят сбои в работе спутников, то и дело отказывают навигационные системы. Да и для здоровья экипажей МКС ситуация постепенно становится угрожающей”.
Предвестники катаклизма…
Но это еще не все. Хотя стрелка компаса по-прежнему указывает вроде бы все то же направление, что и много десятилетий назад, более чувствительные приборы свидетельствуют о том, что магнитные полюса Земли смещаются. Северный магнитный полюс, еще недавно располагавшийся под арктическими паковыми льдами в Канаде, дрейфует дальше на север, через географический северный полюс, в сторону российской территории.
Удивление вызывает не сам по себе процесс такого смещения – в этом-то как раз ничего необычного нет, – а опять же его скорость: около 40 километров в год. До 1970 года полюс дрейфовал со скоростью не более 10 километров в год. “Если нынешние темпы сохранятся, – считает Ларри Ньюитт (Larry Newitt), член Геологической комиссии Канады, – то уже к середине века северный магнитный полюс окажется в Сибири”.
Многие ученые полагают, что эти явления следует считать предвестниками грядущей смены направления геомагнитного поля – так называемой инверсии. Профессор Люр поясняет: “В истории Земли это происходило уже не раз: магнитное поле планеты меняло свое направление. Сегодня многое указывает на то, что нам предстоит очередная смена полярности. Похоже, что в южной части Атлантического океана сейчас начинает формироваться регион, который в будущем может стать новым магнитным полюсом Земли”.
…или возрат к норме?
Впрочем, коллега Люра – профессор геофизики Технического университета в Брауншвейге Карл-Хайнц Глассмайер (Karl-Heinz Glaßmeier) – более осторожен в прогнозах: по его мнению, сказать со всей определенностью, произойдет ли в обозримом будущем инверсия геомагнитного поля или нет, пока трудно.
И уж во всяком случае, это процесс очень долгий. На протяжении последних тысячелетий напряженность магнитного поля Земли была необычно велика, так что не исключено, что теперь она просто возвращается к своему нормальному значению.
Последняя инверсия геомагнитного поля произошла около 750 тысяч лет назад. Поскольку периодичность этого процесса, как явствует из палеомагнитных исследований, в среднем составляет от 200 до 500 тысяч лет, то можно сказать, что очередное изменение направления магнитного поля Земли давно назрело. Правда, сначала двухполюсная структура геомагнитного поля должна утратить упорядоченность.
“Смене полярности всегда предшествует стадия очень слабого поля с множеством полюсов, – говорит профессор геофизики Мюнхенского университета Аксель Шульт (Axel Schult). – На протяжении 5, а то и 10 тысяч лет нашей планете придется обходиться почти совсем без магнитного поля”.
Угроза нарастает
Это серьезная проблема. Уже сегодня из-за того, что в южной части Атлантики напряженность геомагнитного поля уменьшилась на 12 процентов, один трансатлантический перелет из Европы в Южную Америку означает для авиапассажира в 1000 с лишним раз большую дозу космического облучения, чем такой же по продолжительности перелет из Европы, скажем, в Японию.
Кроме того, дрейф северного магнитного полюса из Канады в Россию приведет к тому, что вместе с ним сместится в Европу и зона северного сияния. Оно, как известно, вызывается проникновением в верхние слои атмосферы протонов и электронов из космоса, а такие потоки электрически заряженных частиц являются мощным источником помех для спутникового теле- и радиовещания, для систем мобильной телефонной связи и даже для линий электроснабжения. Так что постоянный мониторинг значения и направления вектора напряженности магнитного поля Земли чрезвычайно важен…
Геофизики, климатологи, геологи…
Но вернемся к тому, с чего начали: путешествию к центру Земли. “Магнитное поле генерируется в верхних слоях жидкого металлического ядра Земли, – говорит профессор Люр. – Токи в горячем расплавленном железе создают и поддерживают магнитное поле. Но детали этого механизма, этого динамо-эффекта, науке пока неизвестны. Проект Swarm позволит нам, как мы надеемся, расширить наши познания в этой сфере”.
Очередная миссия ESA интересна не только геофизикам, но и климатологам, и геологам. Дело в том, что приливы и отливы вызывают легкие колебания геомагнитного поля, которые спутники Swarm способны регистрировать. Значит, они смогут обнаружить и повышение уровня мирового океана, свидетельствующее о глобальном потеплении. Наконец, эксперты надеются на сугубо прикладной эффект миссии, – говорит профессор Люр: “Она даст возможность, исходя из намагниченности горных пород, находить месторождения руды и некоторых других минералов”.
Самим верится с трудом
Конечно, это предполагает наличие на борту спутников Swarm магнетометров с исключительно высокой чувствительностью. Средняя напряженность поля на поверхности земли составляет 50 000 нанотесла, а погрешность измерения на орбите не превышает 0,1 нанотесла.
“Даже нам самим, инженерам, такая сверхвысокая точность кажется просто непостижимой, скажу честно”, – признается Альберт Цаглауэр (Albert Zaglauer), сотрудник концерна Astrium, отвечающий за проект Swarm.
А для того, чтобы распределение напряженности геомагнитного поля было зарегистрировано не только с высокой точностью, но и трехмерно, группировка из трех спутников будет обращаться вокруг Земли строго синхронно. Можно сказать, маленьким роем. Все три аппарата планируется вывести на орбиту высотой 490 километров одной ракетой-носителем с российского космодрома Плесецк.
Автор: Владимир Фрадкин
Редактор: Дарья Брянцева
50. Магнитное поле Земли | UCLA Physics & Astronomy
Стрелка магнитного склонения и наклона предназначена для определения направления (отклонения и угла падения) магнитного поля Земли в классе.
Глобус Земли может помочь проиллюстрировать эти концепции.
Общая величина вектора магнитного поля составляет около 0,5 единиц Гаусса или эквивалентно 50 000 нанотесла (нТл). Чтобы найти компоненты магнитного поля в любом месте, посетите Стандартную модель магнитного поля и введите дату, а также свою географическую широту, долготу и высоту.
В таблице ниже показаны репрезентативные компоненты на 1 июня 1999 г. на уровне моря. Bx, By и Bz – компоненты в единицах нТл, B – общая напряженность поля, также в единицах нТл, D – угол склонения между географическим и магнитным севером, I – наклон или угол падения в градусах ниже местного горизонтальная плоскость.
Средние магнитные компоненты
| Город | Bx | по | Bz | B | D | I |
| Лос-Анджелес | 24276 | 5996 | 41636 | 48568 | 13.9 | 59,0 |
| Нью-Йорк | 19308 | -4643 | 50289 | 54068 | -13,5 | 68,5 |
| Бостон | 18006 | -1566 | 53490 | 56461 | -4,9 | 71,3 |
| Чикаго | 18686 | -803 | 52908 | 56117 | -2. 5 | 70,5 |
| Майами | 25478 | -2182 | 38586 | 46290 | -4,9 | |
| Хьюстон | 24892 | 2050 | 42441 | 49245 | 4,7 | 59,5 |
| Денвер | 20895 | 3878 | 49938 | 54272 | 10.5 | 66,9 |
| Сан-Франциско | 23004 | 6411 | 43851 | 49932 | 15,5 | 61,4 |
Магнитное поле Земли | Геонауки Австралия
Магнитное поле Земли создается электрическими токами глубоко внутри и высоко над поверхностью планеты. Поле простирается далеко в космос, где встречается с движущейся плазмой солнечного ветра.Солнечный ветер обтекает магнитное поле, сжимая его на дневной стороне планеты и вытягивая его длинным хвостом на ночной стороне.
Изображение влияния Солнца
на магнитное поле Земли
Геомагнитное поле защищает поверхность Земли от солнечного ветра, отклоняя частицы высокой энергии, испускаемые Солнцем.
Во время магнитных бурь огромное количество солнечной энергии и плазмы сбрасывается в верхние слои атмосферы Земли, влияя на спутники, электроснабжение, радиосвязь и создавая расширенные полярные сияния.
Магнитное поле Земли является векторной величиной, то есть имеет как величину (размер), так и направление. Его можно описать комбинациями компонентов или «элементов». В геомагнетизме наиболее часто упоминаются следующие элементы: X, Y, Z, F, H, D и I, как показано на диаграмме.
Схема семи компонентов
магнитного вектора
Стрелка компаса указывает на магнитный север, который определяется направлением горизонтальной составляющей геомагнитного поля (H).Геомагнитное склонение (D), иногда называемое вариацией, – это угол между истинным севером и магнитным севером.
Наклон (I), иногда называемый падением, – это угол, под которым вектор поля наклонен к горизонтальной плоскости.
Геомагнитные обсерватории в Австралии отслеживают четыре элемента геомагнитного поля: компонент истинного севера (X), компонент истинного востока (Y), вертикальный компонент (Z) и общую напряженность магнитного поля (F).
Элементы X, Y, Z, F и H магнитного поля измеряются в нанотеслах (нТл).Наклон (D) и наклон (I) измеряются в угловых градусах.
Все остальные элементы магнитного поля могут быть получены из X, Y и Z. Например, F рассчитывается с использованием следующего уравнения.
Дополнительная информация о компонентах магнитного поля.
% PDF-1.5
%
4 0 объект
>
эндобдж
xref
4 170
0000000016 00000 н.
0000004154 00000 п.
0000004250 00000 н.
0000005303 00000 н.
0000005337 00000 н.
0000005668 00000 н.
0000006049 00000 н.
0000006583 00000 н.
0000011174 00000 п.
0000015682 00000 п.
0000015887 00000 п.
0000020165 00000 п.
0000020295 00000 п.
0000020441 00000 п.
0000020587 00000 п.
0000020749 00000 п.
0000021230 00000 н.
0000021959 00000 п.
0000022182 00000 п.
0000022321 00000 п.
0000024941 00000 п.
0000025070 00000 п.
0000025199 00000 п.
0000029311 00000 п.
0000029440 00000 п.
0000033415 00000 п.
0000033544 00000 п.
0000033673 00000 п.
0000033802 00000 п.
0000038182 00000 п.
0000042448 00000 п.
0000045096 00000 п.
0000045209 00000 п.
0000045324 00000 п.
0000045354 00000 п.
0000045426 00000 п.
0000046776 00000 п.
0000047102 00000 п.
0000047165 00000 п.
0000047279 00000 н.
0000047309 00000 п.
0000047381 00000 п.
0000048892 00000 н.
0000049217 00000 п.
0000049280 00000 п.
0000049394 00000 п.
0000049424 00000 п.
0000049496 00000 п.
0000067617 00000 п.
0000067942 00000 п.
0000068005 00000 п.
0000068119 00000 п.
0000068232 00000 п.
0000068343 00000 п.
0000068412 00000 п.
0000068491 00000 п.
0000070607 00000 п.
0000070890 00000 п.
0000071150 00000 п.
0000071175 00000 п.
0000071578 00000 п.
0000071647 00000 п.
0000071726 00000 п.
0000076105 00000 п.
0000076364 00000 п.
0000076528 00000 п.
0000076553 00000 п.
0000076858 00000 п.
0000076927 00000 п.
0000077006 00000 п.
0000082716 00000 н.
0000082982 00000 п.
0000083140 00000 п.
0000083165 00000 п.
0000083468 00000 п.
0000083493 00000 п.
0000083796 00000 п.
0000083821 00000 п.
0000084124 00000 п.
0000084149 00000 п.
0000084452 00000 п.
0000084477 00000 п.
0000084780 00000 п.
0000084805 00000 п.
0000085108 00000 п.
0000088786 00000 п.
0000089153 00000 п.
0000089612 00000 п.
0000091404 00000 п.
0000091724 00000 п.
0000092086 00000 п.
0000094729 00000 п.
0000095084 00000 п.
0000095486 00000 п.
0000095620 00000 п.
0000096791 00000 п.
0000097123 00000 п.
0000097210 00000 п.
0000097356 00000 п.
0000097624 00000 п.
0000097709 00000 п.
0000098304 00000 п.
0000098571 00000 п.
0000098654 00000 п.
0000099045 00000 п.
0000099333 00000 п.
0000099417 00000 н.
0000103156 00000 п.
0000103591 00000 н.
0000104081 00000 н.
0000108348 00000 п.
0000108863 00000 н.
0000109424 00000 н.
0000110178 00000 н.
0000110472 00000 н.
0000110795 00000 н.
0000130588 00000 н.
0000131848 00000 н.
0000132632 00000 н.
0000133416 00000 н.
0000134200 00000 н.
0000134984 00000 н.
0000135768 00000 н.
0000136552 00000 н.
0000136588 00000 н.
0000136975 00000 п.
0000137072 00000 н.
0000137218 00000 н.
0000137291 00000 н.
0000137654 00000 н.
0000137727 00000 н.
0000137852 00000 н.
0000138151 00000 н.
0000138224 00000 н.
0000138255 00000 н.
0000138328 00000 н.
0000139953 00000 н.
0000140273 00000 н.
0000140339 00000 н.
0000140455 00000 н.
0000140528 00000 н.
0000140821 00000 н.
0000141254 00000 н.
0000141327 00000 н.
0000141623 00000 н.
0000141696 00000 н.
0000141995 00000 н.
0000142068 00000 н.
0000149081 00000 н.
0000173465 00000 н.
0000173845 00000 н.
0000173918 00000 н.
0000174081 00000 н.
0000174168 00000 н.
0000174331 00000 н.
0000174420 00000 н.
0000174572 00000 н.
0000175833 00000 н.
0000176839 00000 н.
0000176912 00000 н.
0000177333 00000 н.
0000177747 00000 н.
0000177836 00000 н.
0000178351 00000 н.
0000178857 00000 н.
0000179723 00000 н.
0000179795 00000 н.
0000179909 00000 н.
0000180336 00000 н.
0000003696 00000 н.
трейлер
] / Назад 313533 >>
startxref
0
%% EOF
173 0 объект
> поток
ht + qfiVxhMeK + 栔 7 (-rίFjVK) Ek’ARJ $ Oq]> {> /
Верно ли, что сила магнитного поля Земли уменьшается? Какой эффект?
Ричард К.
Брилл, доцент геологии и геофизики Общинного колледжа Гонолулу на Гавайях, предоставляет
следующий ответ: Изображение: Национальный центр геофизических данных БЕЗОПАСНЫХ ПОЛЯ. Компьютерные модели указывают на то, что сила магнитного поля Земли снизилась примерно на 10 процентов за последнее столетие. |
Магнитное поле Земли постоянно меняется, и то, как оно изменяется. изменения.При описании магнитного поля Земли мы должны указать как направление, так и напряженность поля. С оба они меняются и изменяются по-разному в разных местах, нелегко сказать, как поле Земли в целом меняется. Его необходимо измерить во многих местах, чтобы получить хорошее представление о его распространении.
Из-за сложности
Магнитное поле Земли и постоянные изменения невозможно предсказать, каким будет поле в любое время в далеком месте.
будущее.Используя данные многих магнитных обсерваторий, геофизики могут сделать математические представления поля и
как это меняется.
Эти модели необходимо постоянно пересматривать по мере добавления новых данных из многих наблюдений.
Хотя
магнитные инверсии происходили много раз в геологическом прошлом, пока невозможно предсказать, когда будет следующий разворот.
происходить. Самый последний поворот произошел около 700 000 лет назад. В последние 200 миллионов лет инверсии происходили каждые
полмиллиона лет или около того, но без видимой закономерности или закономерности.
В большинстве мест произошло общее снижение численности за последнее столетие, обычно примерно на десять процентов. Ни один. Никто
может сказать с какой-либо уверенностью, представляет ли это колебание или это снижение, которое в конечном итоге приведет к
разворот. Прошлые инверсии произошли за короткий период времени, говоря геологически, около 10 000 лет.
Для того, чтобы
Для того, чтобы произошел разворот, должно быть короткое время, в течение которого поле не существует.
Последствия сокращения предсказать непросто. Магнитное поле Земли простирается наружу от Земли, образуя щит, который фокусирует космические лучи к магнитным полюсам и от других широт. В отсутствие этого магнитного В поле или магнитосфере эти космические лучи бомбардируют всю Землю с большей интенсивностью, чем сегодня.Эффекты космические лучи на жизнь в целом точно неизвестны, но ожидается, что они вызовут повреждение тканей, подобное тому, которое эффекты рентгеновских лучей.
Некоторые ученые предполагают, что некоторые, если не все массовые вымирания, уничтожившие тысячи видов жизни на Земля может быть связана с перемагничиванием. Произошло так много откатов, что маловероятно, что все они вызвали гибель большого количества видов.
Никто не знает, насколько важен магнетизм для жизни в целом.Многие
мигрирующие животные, такие как птицы, киты и бабочки, используют магнетизм для навигации.
У других организмов есть небольшие участки в
в котором сосредоточен магнитный минерал, известный как магнетит. Есть некоторые свидетельства того, что наш мозг может содержать
зерна магнетита.
Когда произойдет следующий разворот, несколько поколений ученых, изучающих его, будут много знать больше о последствиях, и наши исследования могут в конечном итоге узнать больше о причинах изменений и разворотов земной магнитное поле.
Могут ли импульсы в магнитном поле Земли предсказывать землетрясения? | Наука
За несколько дней до недавних землетрясений средней силы находящиеся поблизости инструменты улавливали короткие низкочастотные импульсы магнитного поля Земли. Некоторые ученые предположили, что такие импульсы, которые, казалось, становились сильнее и чаще прямо перед землетрясениями, могли служить ранним предупреждающим знаком о надвигающейся сейсмической активности.Теперь команда разработала модель того, как могут генерироваться эти магнитные импульсы, хотя некоторые критики говорят, что они могут иметь человеческое происхождение.
Краткие колебания магнитного поля Земли были обнаружены перед многими землетрясениями за последние 50 лет, – говорит Фридеман Фройнд, кристаллограф из Университета Сан-Хосе в Калифорнии. Например, за несколько недель до землетрясения магнитудой 5,4, произошедшего примерно в 15 км к северо-востоку от Сан-Хосе в октябре 2007 года, инструмент возле эпицентра зафиксировал ряд необычных магнитных импульсов, предположительно исходящих из глубины Земли.(Самая большая из них имела размер 30 нанотесла, что составляет примерно 1/100 000 типичной силы магнитного поля планеты, измеренной на поверхности Земли.) Эти всплески участились по мере приближения дня землетрясения, говорит Фройнд. Совсем недавно, до нескольких землетрясений средней и средней силы в Перу, два чувствительных магнитометра регистрировали одинаковые импульсы.
Одна большая загадка, отмечает Фройнд, заключалась в том, как можно генерировать такие импульсы. Теперь он и его коллеги предполагают, что эти всплески происходят из-за микроскопических изменений кристаллов в горных породах при сейсмическом напряжении глубоко под землей.
Во многих типах горных пород, особенно в вулканических породах, в которых заключено значительное количество воды, кристаллы заполнены кислородно-кислородными связями, называемыми пероксисвязями. (Эти связи сформировались давно, после того, как химические изменения расщепили некоторые молекулы воды, высвободив атомы водорода, чтобы соединиться вместе, а затем диффундировать из горных пород в виде газа.) Когда эти породы сжимаются, скажем, стенками зоны разлома. царапая друг друга, некоторые перекисные связи разрываются. Эти разорванные связи высвобождают отрицательно заряженные электроны, которые остаются на месте, и создают положительно заряженные «дыры» в кристалле, объясняет Фройнд.В лабораторных экспериментах электрические возмущения, связанные с этими отверстиями, распространяются через окружающие породы со скоростью около 100 метров в секунду.
Фройнд и его команда предполагают, что тот же процесс может происходить в земной коре. Поскольку нагрузка на большие объемы горных пород накапливается перед надвигающимся землетрясением, многие, многие из этих электрических дыр образуются внутри них.
Они говорят, что именно массовая миграция таких дыр создает большие электрические токи, ответственные за генерирование низкочастотных магнитных импульсов, которые попадают в детекторы на поверхности Земли.
Что касается землетрясений в Перу, то большая часть импульсов, регистрируемых магнитометрами, имеет длительность от одной шестой до четверти секунды. Но некоторые из них длились до 2 секунд, говорит Фройнд – продолжительность, которая убедительно свидетельствует о том, что импульсы не были вызваны молнией, ни поблизости, ни вдали, что некоторые критики его модели предложили в качестве альтернативного объяснения. Что еще более важно, отмечает он, с данными с двух датчиков в Перу он и его коллеги смогли точно определить самый сильный из этих импульсов, происходящих в пределах нескольких километров от эпицентров последующих землетрясений, сообщают они в документе, размещенном в препринте arXiv. сервер.На данный момент, признает Фройнд, модель группы является предварительной: статья была отправлена в журнал и сейчас рассматривается другими учеными.
«Эта статья имеет смысл только в том случае, если наблюдения [магнитных импульсов] хороши», – говорит Джон Эбель, сейсмолог из Бостонского колледжа, который не принимал участия в исследовании. Он указывает, что двух инструментов недостаточно, чтобы точно определить место события; чтобы действительно «триангулировать» событие, вам нужно как минимум три датчика.
Но еще больше беспокоит другой аспект результатов, полученных командой, – отмечает он: «Я обеспокоен тем, что импульсы не возникают глубоко в недрах Земли.«Не исключено, – продолжает он, – что эти пятна могут иметь какое-то необъяснимое антропогенное происхождение. Десятилетия назад, отмечает Эбель, его бостонские магнитометры каждое утро начали регистрировать серию странных импульсов. В конце концов, он и его коллеги определили источники этих гремлинов: это были инженеры, заводившие троллейбусы Бостона на железнодорожной станции в нескольких километрах от приборов.
По словам Фройнда, даже если магнитные импульсы возникают внутри Земли вдоль сейсмических зон, находящихся под напряжением, вспышки не всегда предсказывают землетрясение.
Скорее всего, характер импульсов – и, в частности, изменения их размера и частоты – может предложить ученым хрустальный шар для надвигающихся опасностей.
Измерение магнетизма Земли
Запущенная в ноябре 2013 года Европейским космическим агентством (ЕКА), группировка из трех спутников Swarm позволяет по-новому взглянуть на работу глобального магнитного поля Земли.Магнитное поле, создаваемое движением расплавленного железа в ядре Земли, защищает нашу планету от космического излучения и заряженных частиц, испускаемых нашим Солнцем. Он также обеспечивает основу для навигации по компасу.
На основе данных Swarm верхнее изображение показывает среднюю напряженность магнитного поля Земли у поверхности (измеренную в нанотеслах) в период с 1 января по 30 июня 2014 года.
На втором изображении показаны изменения в этом поле за тот же период. Хотя цвета на втором изображении такие же яркие, как и на первом, обратите внимание, что самые большие изменения были на плюс-минус 100 нанотесла в поле, которое достигает 60 000 нанотесла.
Геофизики отметили, что сила магнитного поля Земли снижается – примерно на 5 процентов во всем мире за последнее столетие. Однако это не меняется единообразно; в одних местах он становится сильнее, в других – слабее.
Эти изменения – естественная вариация из-за процессов, происходящих в недрах Земли, – объяснил Нильс Олсен, член команды Swarm из Технического университета Дании. Движение расплавленного железа в сердечнике создает электрические токи, а электрические токи создают магнитное поле.Таким образом, каждое изменение потока сердечника означает изменение магнитного поля.
«Магнитное поле изменяется хаотично, и мы не знаем, почему оно изменяется таким образом, и как оно будет развиваться в будущем», – сказал Олсен.
«Нет никакого периодического поведения, и поэтому довольно сложно, если не невозможно, предсказать, как магнитное поле будет эволюционировать во времени. Мы можем просто наблюдать, как он менялся в прошлом и как выглядит сегодня ».
Изображения и видео любезно предоставлены Европейским космическим агентством / Техническим университетом Дании (ESA / DTU Space).Подпись Майка Карловича, частично основанная на рассказе Европейского космического агентства.
Магнитное поле Земли исчезает
Магнитное поле Земли исчезает. По словам ученых, сегодня он примерно на 10 процентов слабее, чем был, когда немецкий математик Карл Фридрих Гаусс начал следить за ним в 1845 году.
Если тенденция продолжится, поле может полностью схлопнуться, а затем развернуться. Компасы будут указывать на юг, а не на север.
Неудивительно, что Голливуд уже ухватился за этот новый поворот в жанре стихийных бедствий.
В прошлом году Тинселтаун выпустил The Core, фильм, в котором коллапс магнитного поля Земли приводит к мощным электрическим штормам, вспышкам солнечной радиации и птицам, неспособным к навигации.
Помимо развлекательной ценности, изображение не было точным, по словам ученых, которые утверждают, что явление затухающего магнитного поля Земли не вызывает беспокойства.
«В прошлом поле менялось много раз, и жизнь не останавливалась», – сказал Гэри Глатцмайер, ученый-землевед и специалист по магнитному полю из Калифорнийского университета в Санта-Круз.
Глатцмайер следит за ослаблением магнитного поля нашей планеты, пытаясь узнать больше о том, как работает геодинамо Земли. Геодинамо – это механизм, который создает магнитное поле нашей планеты, поддерживает его и заставляет его разворачиваться.
Магнитный щит
Геодинамо Земли создает магнитное поле, которое защищает большую часть обитаемых частей нашей планеты от заряженных частиц, исходящих в основном от Солнца.
Поле отклоняет движущиеся частицы к полюсам Земли.
Без магнитного поля нашей планеты Земля подверглась бы большему воздействию космического излучения. Это увеличение может вывести из строя электросети, вывести из строя системы связи на космических кораблях, временно расширить атмосферные озоновые дыры и вызвать усиление активности полярных сияний.
Некоторые существа Земли, включая некоторых птиц, черепах и пчел, полагаются на магнитное поле Земли для навигации. Ученые говорят, что поле находится в постоянном движении. Но даже без него жизнь на Земле продолжится, говорят исследователи.
«Есть небольшие колебания, которые ни к чему не приводят, а большие, о которых мы знаем из геологических данных, связаны с инверсиями», – сказал Питер Олсон, геофизик из Университета Джона Хопкинса в Балтиморе, штат Мэриленд.
Когда расплавленная лава извергается на земную кору и затвердевает, она сохраняет снимок полярности Земли, во многом так же, как железные опилки на куске картона выравниваются по полю магнита, находящегося под ним.
Согласно геологическим данным Земли, магнитное поле нашей планеты меняется в среднем примерно раз в 200 000 лет.Однако время между разворотами сильно различается. Последний раз магнитное поле Земли перевернулось примерно 780 000 лет назад.
«Мы слышим, что магнитное поле сегодня выглядит так, как будто оно уменьшается и может развернуться. Мы не слышим, что это происходит во временном масштабе в тысячи лет», – сказал Глатцмайер. «Ничего подобного мы не испытаем в нашей жизни».
Но через несколько поколений люди могут стать свидетелями перемен. К тому времени, сказал Глатцмайер, ученые лучше поймут процесс и будут готовы справиться с последствиями.
Geodynamo
Ученые полагают, что магнитное поле создается глубоко внутри Земли, где тепло твердого внутреннего ядра планеты создает жидкое внешнее ядро из железа и никеля.
Считается, что твердое внутреннее ядро представляет собой железную массу размером с Луну, нагретую до нескольких тысяч градусов по Фаренгейту. Тепло, излучаемое этим внутренним ядром, накапливается на его границе с жидким внешним ядром Земли, заставляя находящуюся там жидкость расширяться.
“Когда он расширяется, он становится немного менее плотным [и более] плавучим.Итак, он начинает расти. Это конвекция, – сказал Глатцмайер. – Горячая жидкость поднимается, затем охлаждается и снова опускается.
Конвекция генерирует электрический ток и, как следствие, магнитное поле.
Дополнительные токи создаются при охлаждении Земли. расплавленное железо затвердевает на внутреннем ядре, высвобождая более легкий материал. Вращение Земли также создает силы, которые искривляют поток жидкости по мере ее подъема, скручивая магнитное поле.
Все эти токи постоянно пополняют магнитное поле , процесс обслуживания, который предотвращает его разложение.
Обычно каждое вновь созданное поле выстраивается в направлении существующего магнитного поля. Но время от времени какая-то сила заставляет новое поле выстраиваться в противоположном направлении.
