Откуда появилось магнитное поле земли. Как возникает магнитное поле земли

Команда ученых во главе с Симоном Анцеллини сделали новое открытие. В течение некоторых экспериментов, они установили новые качества твердой части земного ядра

Ученые установили, что железное ядро земли разогрето до 6 тысяч градусов Цельсия, а эта информация на тысячу градусов выше, чем предполагалось прежде. И этот факт теперь позволяет понять природу магнитного поля нашей планеты.

Симону Анцеллину, члену Комиссариата атомной энергетики Франции в Гренобле, и его коллегам удалось рассчитать температуру железного ядра Земли, наблюдая за поведением железа под сверхвысоким давлением.

Группа ученых пользовалась собственной методикой для определения свойств железа. Кусочек железа был помещен внутрь алмазной наковальни и сжат под давлением в 2.2 миллиона атмосфер, а после был нагрет лазерным лучом до 4.5 тысяч градусов по Цельсию.

Опыт проводился для получения данных, которые помогут ученым выяснить температуру твердой части земного ядра, в котором давление достигает 3.3 миллиона атмосфер. На удивление ученых температура в ядре доходила до 6-6.5 тысяч градусов по Цельсию, что превышает ранние представления на тысячу градусов. Как заявляют ученные, новое открытие хорошо вписывается в общее представление ученых о природе и устройстве планеты. И позволяет пояснить причину магнитного поля Земли.

Источник магнитного поля Земли

История исследования вопроса земного магнетизма начинается еще с 1600 года, когда увидела свет работа Вильяма Гильберта, придворного врача английской королевы Елизаветы I, и называлась она "О магните, магнитных телах и о большом магните - Земле". Суть работы в том, что ученый приходит к выводу, что Земля - это большой дипольный магнит.

До 17 века эта работа была основной работой по геомагнетизму. С 17 и по 20 век начинают проходить множество исследований и наблюдений, что наталкивает ученных на новые выводы и свойства. В это время отмечается работа таких ученых как Халли Гал-лей, Александр фон Гумбольдт, Жозеф Гей-Люссак, Джеймс Максвелл, Карл Гаусс.

Достаточно весомо формирование теории электромагнетизма Максвеллом в 70-х годах 19 столетия. Из его уравнений выходит, что магнитное поле формируется электрическим током. Следовательно, отсюда выходит эквивалентность замкнутых элементарных токов и магнитных диполей, момент которых именуется также магнитным моментом тока. Добавляясь, эти величины формируют, скажем, магнитное поле цилиндрического магнита, что примерно равняется с полем соленоида той же длины и того же сечения.

Но на данный момент, четкого представления, откуда берется магнитное поле Земли, не было. Современные научные работы о природе геомагнетизма указывают следующее:" Сейчас, обращаясь к "большому магниту", дело на первый взор не столь трудно: отыскать в середине планеты токовые системы необходимой конфигурации и силы, формирующие на поверхности Земли поле, структуру которого мы хорошо изучили. Когда направятся внутрь Земли, то, пройдя кору, верхнюю мантию и нижнюю мантию, мы достигнем огромное жидкое ядро, существование которого было определено в середине 20 столетия Гарольдом Джеффрисом из Кембриджского университета. Собственно жидкое состояние крупно доли ядра дает заключение механизма генерации геомагнитного поля. Дело туту в том, что несменное магнитное поле Земли формируется электрическими токами, которые появляются при движении проводящей жидкости в ядре. Другой теории по данному вопросу пока не придумали.

Когда направиться далее и попробовать осмыслить суть процессов генерации геомагнитного поля Земли, то самое время привлечь для этой цели механизм динамо. В коротких словах будем считать, что формирование магнитного поля во внешнем жидком ядре Земли осуществляется так же, как и в динамо-машине с самовозбуждением, где катушка проводов крутится во внешнем магнитном поле. Следовательно, за счет электромагнитной индукции в катушке возникает электрический ток и формирует свое магнитное поле. Оно увеличивает внешнее магнитное поле, а ток в катушке тоже усиливается.

Естественно, жидкое ядро планеты - это не динамо-машина. Но когда в жидком проводнике появляется тепловая конвекция, то формируется некая система течений электропроводящей жидкости, что созвучно движению проводника. Не будет грубым насилием над природой предположение о существовании определенных затравочных магнитных полей в ядре. Следовательно, если жидкий проводник при своем относительном движении пересекает силовые линии этих полей, то в нем формируется электрический ток, создающий магнитное поле, что увеличивает внешнее затравочное поле, а это, в свою очередь, увеличивает электрический ток и так далее, подобно песне о попе и его собаке, неосторожно съевшую кусок мяса. Процесс будет продолжаться вплоть до установления стационарного магнитного поля, когда различные динамические процессы уравновесят друг друга."

Магнитное поле земли - энергия будущего

Те, кто увлекаются историей науки и техники, непременно знают об электромобиле Теслы. Как заявляют историографические сводки, этот автомобиль двигался благодаря электрическому двигателю, а энергию он черпал из пространства вокруг. Разработчики космических систем давно пытаются найти её практическое применение.

Российский ученый кандидат физико-математических наук Евгений Тимофеев, сотрудник РКК «Энергия», много лет работает над этой проблемой. Ему уже удалось создать прототип подобного генератора, который вырабатывал бы из магнитного поля Земли энергию. Генератор работает так: когда устройство приводится в движение, чувствительный вольтметр регистрирует возникновение в цепи электродвижущей силы. Изобретатель уточняет, что метод работы устройства основан на пересечении магнитного поля Земли соленоидом, некоторая часть обмотки которого защищена магнитным экраном.

Как заявляет ученый, в плане использования на практике энергии солнечного света, человечество уже гораздо дальше, чем использование магнитного поля Земли. В некоторых аспектах мы находимся на том же уровне, на котором находился Тесла 75 назад.

Библиографическое описание: Коробко П. И., Фролова В. М., Лобанов И. А., Титова Н. А., Паньшина С. Г., Паньшин Е. А. Использование магнитного поля Земли в решении проблем районов Крайнего Севера // Юный ученый. — 2016. — №5. — С. 62-68..06.2019).



Для большинства территорий Крайнего Севера единственный возможный способ транспортного сообщения - это самолет. Морское сообщение в сезон летней навигации используется только для доставки грузов. Пассажирское сообщение отсутствует по причине большой протяженности морских трасс. Железнодорожного и автомобильного сообщения с «большой землей» в принципе нет.

Другой очень острой проблемой районов Крайнего Севера является энергетика. Если в других более теплых регионах страны энергетические проблемы успешно решаются эксплуатацией гидроэлектростанций, то в районах, прилегающих к побережью Северного Ледовитого океана подобный вариант теряет свои преимущества (из-за замерзания зимой рек), а местами неосуществим из-за слишком малого перепада высот (необходимого для деятельности гидростанции).

Строительство электростанций на органическом топливе в условиях полярного климата и вечной мерзлоты экономически неоправданно, слишком долог срок их окупаемости, кроме того месторождения нефти и газа могут находится на значительном удалении от мест, где требуется электроэнергия. Таким образом, во многие прибрежные районы топливо завозится морем.

Очевидно, что зависимость района от периодических поставок топлива и от нерегулярного пассажирского и грузового сообщения не может позволить регионам развиваться в полную силу. В рамках данной статьи предлагается техническое решение для транспортного сообщения между населенными пунктами Салехард - Анадырь, а также способы получения энергии непосредственно в нуждающихся областях, что позволит открыть новые перспективы развития объектов, расположенных на Крайнем Севере.

Характеристики, которым должно отвечать разрабатываемое средство передвижения:

– использование возобновляемых, безопасных, экологическая чистых и обладающие большим потенциалом источников энергии. При этом следует отдавать предпочтение более дорогостоящему, но работающему на основе возобновляемых ресурсов и экологически чистому источнику энергии;

– использование новейших технологий и инновационных решений.

Для реализации данного проекта нами проведены следующие исследования:

– анализ географических и климатических особенностей территорий, по которым должен пролегать маршрут «Анадырь - Салехард»;

– анализ используемого транспорта на территории предполагаемого маршрута;

– поиск возможных для использования возобновляемых источников энергии.

Прежде чем приступить к разработке технического решения для транспортного сообщения между населенными пунктами Салехард - Анадырь, мы провели анализ географических и климатических особенностей территорий, по которым должен пролегать маршрут «Анадырь - Салехард». Кратко можно сказать, что города Анадырь и Салехард находятся примерно на одной географической широте. Вероятный маршрут пролегает через полярную зону с субарктическим климатом. Эта территория входит в зону полярных сияний. Небольшой приток солнечной радиации, равнинный рельеф, открытый для вторжения воздушных масс с Арктики в летнее время и переохлажденных континентальных масс зимой, определяют резкую континентальность и суровость климата.

Многолетняя мерзлота, обилие болот, озер и рек. Длительная зима, короткое прохладное лето, сильные ветры, незначительная мощность снежного покрова - все это способствует промерзанию почвы на большую глубину.

Проведенный анализ транспорта, используемого на территории предполагаемого маршрута показал, что из-за неустойчивой погоды имеющую склонность к дождям, снегопадам и сильному ветру рейсы самолетов могут задерживаться или совсем отменяться. Весной и осенью в определенные промежутки самолеты не летают совсем. Существующее морское сообщение в сезон летней навигации используется только для доставки грузов. Пассажирское сообщение отсутствует по причине большой протяженности морских трасс. Железнодорожного и автомобильного сообщения с «большой землей» в принципе нет.

Нашей группой был проведен анализ новейших достижений науки и техники в области транспорта и использования новых видов энергии, которые можно будет использовать для воплощения проекта.

Совсем недавно, в конце прошлого столетия (1986 г) был открыт новый вид сверхпроводников, которые не нуждались в условиях очень низких температур на тот момент известные сверхпроводники - ртуть и свинец обретали свойства сверхпроводимости при температурах до -270°С. В настоящее время керамические проводники приобретают свойства сверхпроводимости при температуре от -191°С до -183°С. Эту температуру можно поддерживать при помощи жидкого азота (он образуется при температуре -195,75°С). Это открытие резко снизило стоимость сверхпроводников.

Это открытие позволит создавать мощные супермагниты, удерживающие в воздухе транспортные средства наподобие поезда.

Для того, чтобы привести в движение поезд на магнитной подушке достаточно струи сжатого воздуха для преодоления силы сопротивления воздуха .

Но для использования жидкого азота необходимо холодильное оборудование. А для работы холодильного оборудования необходим источник энергии. Где его взять в тундре? Необходим источник энергии.

Поиск источников энергии.

При рассмотрении климатических и географических особенностей территории предполагаемого маршрута мы выяснили, что маршрут находится в зоне полярных сияний.

Полярное сияние - самое грандиозное явление, которое человек может наблюдать на Земле. Но полярное сияние не только грандиозное и красивое зрелище. Оно является единственным проявлением воздействия солнечной радиации на околоземное космическое пространство и земную атмосферу, которое можно увидеть невооруженным глазом.

Полярное сияние - это свечение земной атмосферы под воздействием потоков солнечных частиц, которые вторгаются в атмосферу.

Солнечные потоки подходя к Земле, обтекают ее, так как Земля защищена от этих частиц собственным магнитным полем. Однако конфигурация магнитного поля Земли такова, что часть этих частиц проникает внутрь магнитосферы, а из нее в верхнюю атмосферу. Обладая большим количеством энергии и проникая в атмосферу Земли эти частицы сталкиваясь с атомами и молекулами верхней атмосферы вызывают ее свечение.

Полярное сияние можно сравнить с Жар-птицей из народных преданий и сказок. Оказывается, наши ученые уже придумали как поймать эту Жар-птицу за хвост. И если в этом проекте мы используем это, то мы дадим жизнь уникальному изобретению российского физика Данилкина Н. П. («Институт прикладной геофизики имени академика Е. К. Федорова». Им был изобретен уникальный метод получения электрической энергии из верхних слоев атмосферы в зоне полярных сияний, называемой ионосферой .

Суть метода в следующем.

Предполагается использовать возможность извлечения электрической энергии из ионосферы, где протекают токи на высотах более 100 км над поверхностью Земли. Такая электростанция должна располагаться на поверхности Земли и будет черпать энергию из околоземного космического пространства, используя преобразование электромагнитной энергии, являющейся следствием работы сил планетарного характера, в электрический ток технического назначения.

Оказывается, что основная «перекачка» энергии по цепочке солнечно-земных связей происходит в результате солнечных вспышек, которые сопровождаются магнитными бурями. Однако в зоне полярных сияний и в спокойном состоянии, а тем более в периоды магнитных бурь, напряженность магнитного поля на поверхности Земли претерпевает непрерывные изменения.

Поэтому, если на поверхности Земли расположить однопроводный контур, то в таком контуре в период изменения напряженности магнитного поля в соответствии законами физики возникает электродвижущая сила, вызывающая электрический ток.

Суммарная мощность токов, постоянно текущих в ионосфере Земли, значительно превышает потребности человечества. Если технологически грамотно научиться подсоединяться к этим токам, то весь процесс окажется экологически чистым и безопасным.

Для того чтобы увеличить мощность такой электростанции, параллельно этому контуру можно подключить необходимое количество контуров.

Имеется еще путь уменьшения электрического сопротивления контура за счет использования явления сверхпроводимости.

Конечно же прежде чем строить электростанции и прокладывать путепровод для поезда на магнитной подушке необходимо провести множество серьёзных расчетов, экспериментов и опытно-конструкторских работ. Несмотря на это уже существуют факты, доказывающие технологическую возможность и потенциал такой электростанции. Например, это хорошо иллюстрируется событиями, случившимися в провинции Квебек (Канада) 13–14 марта 1989 г. . В это время после мощной вспышки на Солнце и прохождения большого заряда энергии по цепочке процессов на линии «Солнце–Земля» характеристики поля электромагнитной индукции в данной зоне оказались расположенными таким образом, что в высоковольтных линиях электропередачи возникли сильные индукционные токи. При этом мощность этих токов оказалась такова, что предохранители отключили 40 % мощности всей энергосистемы «Гидро-Квебек», что составило 9 ГВт. Отметим, что эти мощные индукционные токи возникли в системе, не ориентированной на их получение!

Другое известное событие произошло 1–2 сентября 1859 года. Это была мощнейшая за историю наблюдений геомагнитная буря. Комплекс событий, включающий в себя как геомагнитную бурю, так и вызвавшие её мощные активные явления на Солнце, иногда называют «Событием Кэррингтона»

С 28 августа по 2 сентября на Солнце наблюдались многочисленные пятна и вспышки. Сразу после полудня 1 сентября британский астроном Ричард Кэррингтон наблюдал наибольшую вспышку, которая вызвала крупный выброс массы солнечной радиации. Он устремился к Земле и достиг её через 18 часов, что очень быстро, так как это расстояние обычно проходится выбросом за 3–4 дня. Выброс двигался так быстро потому, что предыдущие выбросы расчистили ему путь. Началась крупнейшая за всю историю регистрации геомагнитная буря, вызвавшая отказ телеграфных систем по всей Европе и Северной Америке. Северные сияния наблюдались по всему миру, даже над Карибами;

В результате 1 и 2 сентября 1859 года отказала вся телеграфная система в Северной Америке и по всей Европе: искрили линии передач, спонтанно возгоралась телеграфная бумага, а некоторые устройства, например телеграф, невозмутимо продолжали свою работу, будучи уже отключенными от источника питания.

Из расчетов российского физика Данилкина Н. П. (Институт прикладной геофизики им. академика Е. К. Федорова) можно сделать два вывода:

– предложенный метод способен извлечь из ионосферы достаточную для промышленных целей электроэнергию;

– ионосфера и магнитосфера обладают достаточным для указанных целей запасом энергии.

Главными недостатками данного способа получения энергии на уровне современной технологии являются весьма внушительные размеры работающего контура и очевидная дороговизна его создания. Однако достоинства метода могут превысить эти недостатки, особенно, если будут открыты новые удобные для решения данной задачи материалы.

К числу преимуществ этой электростанции следует отнести:

– такая станция, будучи однажды построенной, не будет изнашиваться и теоретически будет функционировать столько, сколько светит Солнце и работает цепочка связей «Солнце - Земля»;

– технологический процесс извлечения энергии из ионосферы оказывается экологически чистым и безопасным, и даже теоретической возможности вызвать катастрофу не существует.

Вывод.

Экспериментальное подтверждение разрабатываемого проекта в лабораторных условиях .

Для того чтобы получить экспериментальное подтверждение идее получения электричества из ионосферы достаточно проделать опыт, демонстрируемый в школьном курсе физики.

Проделав этот опыт, мы рассмотрели, что представляет собой явление электромагнитной индукции. Для опыта нам понадобился гальванометр, постоянный магнит и катушка с намотанной на нее проволокой. Концы проволоки соединили с катушкой. Когда мы вдвигали внутрь катушки постоянный магнит, гальванометр отклонялся. Это означает, что в цепи возник электрический ток.

Так как никакого источника тока у нас в цепи нет, то логично предположить, что ток возникает вследствие появления магнитного поля внутри катушки. Когда мы будем вытаскивать магнит обратно из катушки, мы увидим, что снова изменятся показания гальванометра, но его стрелка при этом отклонится в противоположную сторону. Мы опять получили ток, но уже направленный в другую сторону.

Рис. .1 Явление электромагнитной индукции

После этого мы проделали похожий опыт с теми же элементами, только при этом зафиксировали магнит неподвижно. Теперь мы снимали и надевали на магнит саму катушку, подсоединенную к гальванометру. В результате мы получили аналогичные события. Отклоняясь, стрелка гальванометра показывала нам появление тока в цепи. При этом, когда магнит был неподвижен, тока в цепи не было - стрелка стояла на ноле.

Рис. 2. Проведение эксперимента проекта в лабораторных условиях

Катушку можно заменить проводящим контуром и проделать опыты по перемещению и вращению самого контура в постоянном магнитном поле, либо же магнита внутри неподвижного контура. Результаты будут те же - появление тока в цепи при движении магнита или контура.

Таким образом, проведенный эксперимент позволяет сделать вывод:

При всяком изменении магнитного потока, пронизывающего контур замкнутого проводника, возникает электрический ток в этом проводнике. При этом электрический ток существует в течение всего процесса изменения магнитного потока.

Этот же принцип используется и в методе получения электроэнергии из ионосферы. Наша планета Земля - это огромный магнит, обладающий постоянным магнитным полем. Вследствие воздействия на нашу планету солнечной радиации магнитное поле Земли претерпевает постоянные изменения. Особенно большие значения вариаций магнитного поля наблюдаются в зоне полярных сияний. Там часто можно наблюдать магнитные бури и суббури.

Описание технического решения.

После проведения запланированных исследований подготовлено следующее решение:

Транспорт, соединяющий два региона в условиях Крайнего Севера должен представлять из себя комфортабельный поезд на магнитной подушке с использование сверхпроводников последнего поколения. В случае, если не получится практически воплотить идею использования сверхпроводников, использовать свойство отталкивание одноименных полюсов магнитов.

Рис. 3. Схема проекта

1) Энергию, необходимую для питания путепровода и поезда на магнитной подушке получать с помощью метода получения электроэнергии из ионосферы. Кроме того, по всему маршруту можно расставить мощные ветрогенераторы и использовать энергию сильных ветров в этих местах.

2) Если платформу, от которой должен отправляться поезд установить на высоте 400 метров, и потом дорогу, по которой будет скользить поезд на магнитной подушке проложить под уклон, то к моменту достижения уровня Земли поезд будет иметь скорость около 310 км/ч. Приближаясь к станции назначения дорога, по которой движется поезд, медленно начнет подниматься до 400 м. И в пункте прибытия поезд остановится. Если же ему не хватит скорости на каком-либо участке, с помощью струи сжатого воздуха поезду будет сообщена необходимая скорость.

Рис. 4. Схема платформы отправления и прибытия

План выполнения предполагаемого проекта.

Для реализации проекта необходимо:

1) Проведение научно-исследовательской работы по разработке транспорта на магнитной подушке с использованием электрической энергии, получаемой из верхних слоев атмосферы в зоне полярных сияний, называемой ионосферой (срок выполнения работ по оценке специалистов 2–3 года);

2) Проведение опытно-конструкторской работы по созданию транспорта на магнитной подушке с использованием электрической энергии, получаемой из верхних слоев атмосферы в зоне полярных сияний, называемой ионосферой. Результат работы: опытный образец участка дороги с поездом на магнитной подушке с использованием электроэнергии, получаемой из верхних слоев атмосферы в зоне полярных сияний, называемой ионосферой (срок выполнения работ по оценке специалистов 5–7 лет).

– реализация проекта на участке Анадырь-Салехард. (срок выполнения работ по оценке специалистов 25–30 лет).

Оценка эффективности и результативности.

Вывод

На Земле имеется альтернативный, экологически чистый и возобновляемый источник планетарной электромагнитной энергии, непрерывно пополняемый процессами, берущими начало на Солнце и приходящими к Земле по цепочке солнечно-земных связей. Современный технологический уровень позволяет использовать эту энергию.

Недостатки проекта

– внушительные размеры

– дороговизна его создания.

Преимущества проекта:

– износостойкость электростанции;

– неисчерпаемый источник энергии (Солнце);

– экологичность;

– рентабельность, за счет бесплатной электроэнергии;

– имея такой источник электроэнергии можно развивать инфраструктуру на всей территории, где пролегает путепровод для поезда.

– перспектива освоения новых территорий.

Литература:

1. Каку М. Физика будущего. Перевод с английского. Москва 2014 г.;
2. Данилкин Н. П. «О возможности получения электрической энергии из ионосферы» «Электричество». 1996, № 4, с. 71–75;
3. Дмитриев А. Н., Шитов А. В., Техногенное воздействие на природные процессы Земли. Горно-Алтайск, 2001 с. 9;
4. Dokumentika.org[Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://dokumentika.org/zemli/solnechnaya-burya-1859-goda.

Согласно современным представлениям, образовалась примерно 4,5 млрд лет назад, и с этого момента нашу планету окружает магнитное поле. Все, что находится на Земле, в том числе люди, животные и растения, подвергаются его воздействию.

Магнитное поле простирается до высоты около 100 000 км (рис. 1). Оно отклоняет или захватывает частицы солнечного ветра, губительные для всех живых организмов. Эти заряженные частицы образуют радиационный пояс Земли, а вся область околоземного пространства, в которой они находятся, называют магнитосферой (рис. 2). С освещенной Солнцем стороны Земли магнитосфера ограничена сферической поверхностью с радиусом примерно 10-15 радиусов Земли, а с противоположной стороны она вытянута подобно кометному хвосту на расстояние вплоть до нескольких тысяч радиусов Земли, образуя геомагнитный хвост. Магнитосфера отделена от межпланетного поля переходной областью.

Магнитные полюса Земли

Ось земного магнита наклонена по отношению к оси вращения Земли на 12°. Она располагается примерно на 400 км в стороне от центра Земли. Точки, в которых эта ось пересекает поверхность планеты, - магнитные полюса. Магнитные полюсаЗемли не совпадают с истинными географическими полюсами. В настоящее время координаты магнитных полюсов следующие: северный — 77° с.ш. и 102° з.д.; южный — (65° ю.ш. и 139° в.д.).

Рис. 1. Строение магнитного поля Земли

Рис. 2. Строение магнитосферы

Силовые линии, идущие от одного магнитного полюса к другому, называются магнитными меридианами . Между магнитным и географическим меридианом образуется угол, называемый магнитным склонением . Каждое место на Земле имеет свой угол склонения. В районе Москвы угол склонения равен 7° к востоку, а в Якутске — около 17° к западу. Это значит, что северный конец стрелки компаса в Москве отклоняется на Т вправо от географического меридиана, проходящего через Москву, а в Якутске — на 17° влево от соответствующего меридиана.

Свободно подвешенная магнитная стрелка располагается горизонтально только на линии магнитного экватора, который не совпадает с географическим. Если двигаться к северу от магнитного экватора, то северный конец стрелки будет постепенно опускаться. Угол, образованный магнитной стрелкой и горизонтальной плоскостью, называют магнитным наклонением . На Северном и Южном магнитных полюсах магнитное наклонение наибольшее. Оно равно 90°. На Северном магнитном полюсе свободно подвешенная магнитная стрелка установится вертикально северным концом вниз, а на Южном магнитном полюсе ее южный конец опустится вниз. Таким образом, магнитная стрелка показывает направление силовых линий магнитного ноля над земной поверхностью.

С течением времени положение магнитных полюсов относительно по земной поверхности меняется.

Магнитный полюс был открыт исследователем Джеймсом К. Россом в 1831 г. в сотнях километров от его нынешнего местонахождения. В среднем за один год он перемещается на 15 км. В последние годы скорость перемещения магнитных полюсов резко возросла. Например, Северный магнитный полюс сейчас перемещается со скоростью около 40 км в год.

Смена магнитных полюсов Земли называется инверсией магнитного поля .

На протяжении геологической истории нашей планеты земное магнитное поле изменяло свою полярность более 100 раз.

Магнитное поле характеризуется напряженностью. В некоторых местах Земли магнитные силовые линии отклоняются от нормального поля, образуя аномалии. Например, в районе Курской магнитной аномалии (КМА) напряженность поля в четыре раза выше нормы.

Существуют суточные изменения магнитного поля Земли. Причина этих изменений магнитного поля Земли — электриче- с кие токи, текущие в атмосфере на большой высоте. Вызваны они солнечным излучением. Пол действием солнечного ветра магнитное поле Земли искажается и приобретает «шлейф» в направлении от Солнца, который простирается на сотни тысяч километров. Основной же причиной возникновения солнечного ветра, как мы уже знаем, являются грандиозные выбросы вещества из короны Солнца. При движении к Земле они превращаются в магнитные облака и приводят к сильным, иногда экстремальным возмущениям на Земле. Особенно сильные возмущения магнитного поля Земли - магнитные бури. Некоторые магнитные бури начинаются неожиданно и почти одновременно по всей Земле, а другие развиваются постепенно. Они могут продолжаться несколько часов и даже суток. Часто магнитные бури происходят через 1-2 дня после солнечной вспышки из-за прохождения Земли через поток частиц, выброшенных Солнцем. Исходя из времени запаздывания скорость такого корпускулярного потока оценивают в несколько миллионов км/ч.

Во время сильных магнитных бурь нарушается нормальная работа телеграфа, телефона и радио.

Магнитные бури часто наблюдаются на широте 66-67° (в зоне полярных сияний) и возникают одновременно с полярными сияниями.

Строение магнитного поля Земли меняется в зависимости от широты местности. Проницаемость магнитного поля увеличивается в сторону полюсов. Над полярными областями силовые линии магнитного поля более или менее перпендикулярны земной поверхности и имеют воронкообразную конфигурацию. Через них часть солнечного ветра с дневной стороны проникает в магнитосферу, а затем и в верхнюю атмосферу. Сюда же в период магнитных бурь устремляются частицы из хвостовой части магнитосферы, достигая границ верхней атмосферы в высоких широтах Северного и Южного полушарий. Именно эти заряженные частицы вызывают здесь полярные сияния.

Итак, магнитные бури и суточные изменения магнитного ноля объясняются, как мы уже выяснили, солнечным излучением. Но какова основная причина, создающая постоянный магнетизм Земли? Теоретически удалось доказать, что на 99 % магнитное поле Земли вызывают источники, скрытые внутри планеты. Главное магнитное поле обусловлено источниками, расположенными в глубинах Земли. Их можно условно разделить на две группы. Основная их часть связана с процессами в земном ядре, где вследствие непрерывных и регулярных перемещений электропроводящего вещества создается система электрических токов. Другая — связана с тем, что горные породы земной коры, намагничиваясь главным электрическим полем (полем ядра), создают собственное магнитное поле, которое суммируется с магнитным полем ядра.

Кроме магнитного поля вокруг Земли существуют и другие поля: а) гравитационное; б) электрическое; в) тепловое.

Гравитационным полем Земли называют поле силы тяжести. Она направлена по отвесу перпендикулярно к поверхности геоида. Если бы у Земли была фигура эллипсоида вращения и в нем равномерно распределялись бы массы, то у нее было нормальное гравитационное поле. Разница между напряженностью реального гравитационного поля и теоретического — аномалия тяжести. Различный вещественный состав, плотность горных пород вызывают эти аномалии. Но возможны и другие причины. Их можно объяснить следующим процессом — уравновешение твердой и относительно легкой земной коры на более тяжелой верхней мантии, где и происходит выравнивание давления вышележащих слоев. Эти течения вызывают тектонические деформации, движение литосферных плит и тем самым создают макрорельеф Земли. Сила тяжести удерживает атмосферу, гидросферу, людей, животных на Земле. Силу тяжести нужно обязательно учитывать при изучении процессов в географической оболочке. Термином «геотропизм » называют ростовые движения органов растений, которые под влиянием силы земного тяготения всегда обеспечивают вертикальное направление роста первичного корня перпендикулярно поверхности Земли. Гравитационная биология использует растения в качестве экспериментальных объектов.

Если не учитывать силу тяжести, невозможно рассчитать исходные данные для запуска ракет и космических кораблей, сделать гравиметрическую разведку рудных ископаемых и, наконец, невозможно дальнейшее развитие астрономии, физики и других наук.

В прошлом веке разными учеными было выдвинуто несколько предположений о том, магнитное поле Земли. Согласно одному из них, поле появляется в результате вращения планеты вокруг своей оси.

Она основана на любопытном эффекте Барнета-Энштейна, который заключается в том, что при вращении любого тела возникает магнитное поле. Атомы в этом эффекте имеют свой магнитный момент, так как вращаются вокруг своей оси. Так появляется магнитное поле Земли. Однако эта гипотеза не выдержала экспериментальных проверок. Оказалось, что магнитное поле, полученное таким нетривиальным образом, в несколько миллионов раз слабее реального.

Другая гипотеза основана на появлении магнитного поля вследствие кругового движения заряженных частиц (электронов) на поверхности планеты. Она тоже оказалась несостоятельной. Движение электронов способно вызвать появление очень слабого поля, к тому же эта гипотеза не объясняет инверсии магнитного поля Земли. Известно, что северный магнитный полюс не совпадает с северным географическим.

Солнечный ветер и токи мантии

Механизм образования магнитного поля Земли и других планет Солнечной системы до конца не изучен и пока что остается загадкой для ученых. Тем не менее, одна предложенная гипотеза довольно хорошо объясняет инверсию и величину индукции реального поля. Она основана на работе внутренних токов Земли и солнечного ветра.

Внутренние токи Земли протекают в мантии, которая состоит из веществ, обладающих очень хорошей проводимостью. Источником тока выступает ядро. Энергия от ядра к поверхности земли передается с помощью конвекции. Таким образом, в мантии наблюдается постоянное движение вещества, которое и образует магнитное поле по известному закону движения заряженных частиц. Если связывать его появление только с внутренними токами, получается, что все планеты, у которых направление вращения совпадает с направлением вращения Земли, должны иметь идентичное магнитное поле. Однако это не так. У Юпитера северный географический полюс совпадает с северным магнитным.

В образовании магнитного поля Земли участвуют не только внутренние токи. Давно известно, что оно реагирует на солнечный ветер, поток высокоэнергетических частиц, идущих от Солнца в результате реакций, происходящих на его поверхности.

Солнечный ветер по своей природе представляет собой электрический ток (движение заряженных частиц). Увлекаемый вращением Земли, он создает круговой ток, который приводит к появлению магнитного поля Земли.

Магнитное поле Земли - это образование, порождаемое источниками внутри планеты. Оно является объектом исследования соответствующего раздела геофизики. Далее рассмотрим подробнее, что собой представляет магнитное поле Земли, как оно образуется.

Общая информация

Недалеко от поверхности Земли, примерно на расстоянии трёх её радиусов, силовые линии от магнитного поля располагаются по системе "двух полярных зарядов". Здесь располагается область, называемая "плазменной сферой". С удалением от поверхности планеты нарастает влияние потока ионизированных частиц из солнечной короны. Это ведёт к сжатию магнитосферы со стороны Солнца, и напротив, магнитное поле Земли вытягивается с обратной, теневой стороны.

Плазменная сфера

Ощутимое воздействие на поверхностное магнитное поле Земли оказывает направленное движение заряженных частиц в верхних слоях атмосферы (ионосферы). Месторасположение последней - от ста километров и выше от поверхности планеты. Магнитное поле Земли удерживает плазмосферу. Однако её структура сильно зависит от активности солнечного ветра и взаимодействия его с удерживающим слоем. И частота магнитных бурь на нашей планете обусловлена вспышками на Солнце.

Терминология

Существует понятие "магнитная ось Земли". Это прямая, которая проходит через соответствующие полюсы планеты. "Магнитным экватором" называется большая окружность плоскости, перпендикулярная этой оси. Вектор на ней имеет приближенное к горизонтальному направление. Усреднённая напряжённость магнитного поля Земли значительно зависима от географического положения. Приблизительно она равна 0,5 Э, то есть 40 А/м. На магнитном экваторе этот же показатель равен примерно 0,34 Э, а вблизи полюсов он близок к 0,66 Э. В некоторых аномалиях планеты, например, в пределах Курской аномалии, показатель увеличен и составляет 2 Э. Силовые линии магнитосферы Земли со сложным строением, спроецированные на её поверхность и сходящиеся на её же полюсах, носят название "магнитных меридианов".

Природа возникновения. Предположения и догадки

Не так давно получило право на существование предположение о связи возникновения магнитосферы Земли с течением тока в жидкометаллическом ядре, находящемся на расстоянии четверти-трети радиуса нашей планеты. У учёных есть предположение и о так называемых "теллурических токах", протекающих вблизи земной коры. Следует сказать, что с течением времени происходит трансформация формирования. Магнитное поле Земли неоднократно изменялось в последние сто восемьдесят лет. Это зафиксировано в океанической коре, и об этом свидетельствуют исследования остаточной намагниченности. Путём сопоставления участков по обе стороны хребтов океана определяют время расхождения этих участков.

Сдвиг магнитных полюсов Земли

Местоположение этих участков планеты непостоянно. Регистрируется факт их смещений уже с конца девятнадцатого века. В Южном полушарии магнитный полюс сместился за это время на 900 км и оказался в акватории Индийского океана. В Северной части происходят аналогичные процессы. Здесь полюс смещается по направлению к магнитной аномалии в Восточной Сибири. С 1973 по 1994 годы расстояние, на которое сдвинулся здесь участок, составило 270 км. Эти предварительно рассчитанные данные подтвердились позже замерами. По последним данным, скорость движения магнитного полюса Северного полушария значительно увеличилась. Она выросла с 10 км/год в семидесятых годах прошлого века до 60 км/год в начале нынешнего. При этом напряжённость у земного магнитного поля неравномерно уменьшается. Так, за последние 22 года она в отдельных местах снизилась на 1.7%, а где-то на 10%, хотя есть и участки, где она, напротив, возросла. Ускорение в смещении магнитных полюсов (приблизительно на 3 км в год) даёт повод предположить, что наблюдаемое сегодня их перемещение не есть экскурс, это очередная инверсия.

Это косвенно подтверждается и увеличением так называемых "полярных щелей" на юге и севере магнитосферы. В образовавшиеся расширения стремительно проникает ионизированный материал солнечной короны и космоса. От этого в приполярных областях Земли собирается всё большее количество энергии, что само по себе чревато дополнительным разогревом полярных ледяных шапок.

Координаты

В науке, изучающей космические лучи, используют координаты геомагнитного поля, названные в честь учёного Мак-Илвайна. Он первым предложил использовать их, поскольку они основаны на изменённых вариантах активности заряженных элементов в магнитном поле. Для точки используются две координаты (L, B). Они характеризуют магнитную оболочку (параметр Мак-Илвайна) и индукцию поля L. Последний - параметр, равный соотношению среднего удаления сферы от центра планеты к его радиусу.

"Магнитное наклонение"

Несколько тысячелетий назад китайцы сделали удивительное открытие. Они выяснили, что намагниченные предметы способны располагаться в определённом направлении. А в середине шестнадцатого века Георг Картманн - немецкий учёный - сделал очередное открытие в этой области. Так появилось понятие "магнитное наклонение". Под этим названием подразумевается угол отклонения стрелки вверх либо вниз от горизонтальной плоскости под влиянием магнитосферы планеты.

Из истории исследований

В области северного магнитного экватора, отличного от географического, северный конец отходит вниз, а в южном, наоборот, - вверх. В 1600 году английским врачом Уильямом Гильбертом впервые были сделаны предположения о наличии магнитного поля Земли, вызывающего определённое поведение предметов, предварительно намагниченных. В своей книге он описал опыт с шаром, снабжённым железной стрелкой. В результате исследований он пришёл к выводу о том, что Земля представляет собой большой магнит. Эксперименты проводил и английский астроном Генри Геллибрант. В результате своих наблюдений он пришёл к выводу о том, что магнитное поле Земли подвержено медленным изменениям.

Хосе де Акоста описал возможность использования компаса. Он также установил, чем отличаются Магнитный и Северный полюсы, а в его знаменитой Истории (1590) была обоснована теория о линиях без магнитного отклонения. Значительный вклад в изучение рассматриваемого вопроса внес и Христофор Колумб. Ему принадлежит открытие непостоянства магнитного склонения. Трансформации поставлены в зависимость от изменения географических координат. Магнитное склонение - это угол отклонения стрелки от направления Север-Юг. В связи с открытием Колумба активизировалось исследование. Сведения о том, что собой представляет магнитное поле Земли, крайне необходимы были мореплавателям. Работал над этой проблемой и М. В. Ломоносов. Он для изучения земного магнетизма рекомендовал вести системные наблюдения, используя для этого постоянные пункты (подобие обсерваторий). Также очень важно было, по мнению Ломоносова, это осуществлять и на море. Эта мысль великого учёного была реализована в России спустя шестьдесят лет. Открытие Магнитного полюса на Канадском архипелаге принадлежит полярному исследователю англичанину Джону Россу (1831 год). А в 1841 он же открыл другой полюс планеты, но уже в Антарктиде. Гипотезу о происхождении магнитного поля Земли выдвинул Карл Гаусс. Вскоре он же доказал, что большая часть его питается из источника внутри планеты, но причина его незначительных отклонений находится во внешней среде.