Карта магнитное поле земли. Изменение магнитного поля земли. Вековые магнитные вариации

Если длинный и тонкий магнитный стержень - магнитную стрелку - укрепить на острие или подвесить так, чтобы она могла свободно вращаться, то в каждой точке вблизи земной поверхности под действием магнитного поля Земли она всегда установится приблизительно в одном и том же направлении (с севера на юг). С давних пор известен компас, использующий это свойство и имеющий большое значение в морской и воздушной навигации. Точное знание магнитного поля для возможно большего числа пунктов на Земле чрезвычайно важно для науки и практики, поэтому в течение суток изо дня в день на магнитных обсерваториях, распределенных по всему земному шару, ведутся систематические магнитные наблюдения. Первая магнитная карта была опубликована в 1701 г. Э. Галлеем, который собрал наблюдения многих моряков за направлением магнитной стрелки. В настоящее время карты магнитного поля составляются также при помощи магнитометров, установленных на искусственных спутниках Земли.

Удобным и наглядным способом графического изображения магнитного поля служит построение его силовых линий, касательные к которым в каждой точке указывают направление поля. Наглядно это видно на следующем опыте. Положим на магнит лист стекла, сверху насыплем на него немного железных опилок и слегка встряхнем его. Опилки расположатся в виде цепочек, которые и покажут направление силовых линий поля. Густота этих линий, т. е. число линий, проходящих через единицу поверхности, будет характеризовать величину напряженности магнитного поля. В первом приближении на не слишком больших удалениях от поверхности Земли ее магнитное поле таково, как если бы земной шар представлял собой магнит с осью, направленной приблизительно с севера на юг, проходящей через центр Земли и наклоненной на 11° к оси вращения Земли (рис. 1). Лучшее приближение к наблюдаемому на Земле полю дает магнитный диполь, смещенный относительно центра Земли на 436 км.

Напряженность магнитного поля составляет у полюса 0,62 Гс, у экватора - 0,31 Гс. Координаты северного магнитного полюса 76° с. ш., 101° з. д.; южного - 66° ю. ш., 140° в. д. Наблюдается множество нерегулярных отклонений от чисто дипольного поля. В современную эпоху северный полюс диполя расположен в Южном полушарии. На основе изучения намагниченности изверженных и осадочных пород на суше и морском дне получены указания на то, что дипольное поле Земли иногда имело почти противоположное направление по сравнению с настоящим. Происхождение собственного магнитного поля Земли обычно приписывается действию механизма, связанного с электрическими токами в квазижидком ядре планеты.

Долгое время предполагалось, что близкое к дипольному спокойное магнитное поле Земли простирается неограниченно далеко в вакууме межпланетного пространства. Проведенные на космических аппаратах измерения показали, что это не так. Оказывается, собственное магнитное поле Земли представляет собой препятствие на пути сверхзвукового ионизованного газа, непрерывно испускаемого Солнцем, - солнечного ветра. Вследствие этого поле сосредоточено в области конечных размеров. С освещенной Солнцем стороны Земли область ограничена примерно сферической поверхностью с радиусом «10-15 радиусов Земли (R), а с противоположной стороны она вытянута подобно кометному хвосту на расстояния вплоть до нескольких тысяч радиусов Земли, образуя геомагнитный хвост. Эту область пространства, заполненную магнитными силовыми линиями, соединенными с Землей, называют магнитосферой Земли (рис. 2). Магнитосфера отделена от межпланетного магнитного поля переходной областью. В определенных зонах магнитосферы - радиационных поясах - имеется поток заряженных частиц, захваченных магнитным полем Земли. В магнитосфере существует сложная система электрических токов. Изменения этих и ионосферных токов вызывают как медленные непрерывные изменения, так и сравнительно быстрые изменения, называемые магнитными бурями. Вариации поля на поверхности Земли, обусловленные этими токами, как правило, не превышают 1%, но во внешних частях магнитосферы, вблизи ее границы - магнитопаузы, где напряженность поля примерно в тысячу раз меньше, чем на поверхности Земли, относительные изменения могут быть значительно больше.

Некоторые самые быстрые вариации происходят за малую долю секунды; наблюдаются суточные, сезонные вариации. В фазе с циклом солнечной активности отмечены 11 -летние вариации. Изменение электрических токов в ядре Земли создает вековые вариации магнитного поля Земли; нужны сотни лет, чтобы эти вариации заметным образом сказались на поле.

Магнитное поле Земли — есть видоизменение ее гравитационного поля.

Да и гравитационное поле является не совсем тем, чем мы его представляем.

1. Гравитационное поле

Чтобы разобраться в природе магнитного поля Земли, нам придется сначала разобраться в природе энергии. И,как увидит читатель, мир устроен гнораздо проще, чем мы его себе представляем…

Гравитационное поле

В конце девятнадцатого века в науке царствовала «теория эфира». Суть теории: все пространство вселенной заполняет некая субстанция — «эфир». Которая является посредником в передаче всех взаимодействий. И ядерных и сильных, и слабых, и электромагнитных…. и так далее. Затем на смену ей пришла теория относительности. И о теории эфира потихонечку забыли.

Но что поражает: опираясь на теорию эфира, было сделано достаточно много серьезных научных открытий. В первую очередь это касается электричества и электромагнетизма. Максвелл вывел законы электродинамики, свято веря в существование эфира. А чего достиг гениальный Тесла…

Возникает вопрос: если, основываясь на «неправильной» теории были сделаны «правильные» открытия, такой ли «неправильной» она была? Не получилось ли, что «вместе с водой, из люльки выплеснули и младенца»? Ведь и у господствующей ныне теории Эйнштейна столько несуразностей и нестыковок с действительностью…

Если бы, в начале двадцатого века, нашелся человек, который «слегка подправил бы» теорию эфира — взамен теории относительности, наука и вместе с ней — социум человека — имели бы сейчас совершенно иной вид.

Концепция четырех субстанций исходит из того, что все пространство вселенной действительно заполнено некой субстанцией. Только не «эфиром», а «энергией». Той самой пресловутой энергией, которая движет вокруг всё и вся, кипятит воду в чайнике, взрывает бомбы… Но о которой наука не знает ровным счётом ничего: ни её пространственных характеристик, ни массы, ни формы ни прочее, прочее, прочее…

Элементарная частица материи представляет собой диполь (на рисунке — в виде стрелки).

Элементарная частица материи и зоны действия ее сил притяжения и отталкивания.

(Диполь)

Элементарная частица обладает как , так и . При этом, силы притяжения элементарной частицы действуют в передней полусфере (по ходу движения) элементарной частицы, а силы отталкивания — в задней полусфере.

Как образуются эти силы?

Представим себе субстанцию «энергия» в виде жидкости или газа. А элементарную частицу — в виде стержня, на переднем конце которого находится насос, с раструбом впереди. Таким образом, элементарная частица — стержень -«плавает» в «океане» субстанции энергия.

Этим своим раструбом наш стержень всасывает окружающую «жидкость». Разумеется, в точке, где раньше находилась поглощенная жидкость, образуется пустота — вакуум. В которую немедленно хлынет жидкость из окружающего пространства. Возикает движение этой самой «жидкости». Со всех сторон пространства — к «раструбу». Это мы видим в виде пунктирных стрелок на рисунке.

При этом,движущиеся потоки энергии «захватывают» в свои потоки и другие элементарные частицы. Которые тащат за собой. То есть — в направлении «раструба» нашего «стержня». Так образуется сила притяжения элементарной частицы материи.

Более того: благодаря непрерывно движущимся потокам энергии, элементарные частицы объединяются в атомы, атомы — в молекулы, молекулы — в физические тела…

Силы отталкивания также образуются благодаря движущимся — к элементарной частице — потокам субстанции энергия. Эти потоки формируют область уплотнения субстанции энергия непосредственно позади непрерывно движущейся элементарной частицы. Такой расклад подтвердит любой специалист по аэрогидродинамике.

Движущиеся потоки энергии огибают эти уплотнения субстанции энергия. Если в этих потоках находятся другие элементарные частицы, атомы, то, естественно, они также огибают область уплотнения энергии позади нашей элементарной частицы. Весь этот процесс истолковывается как сила отталкивания элементарной частицы.

Элементарная частица непрерывно движется в пространстве вселенной, непрерывно поглощая субстанцию «энергия». В результате этого поглощения, в пространстве возникают потоки энергии, направленные к элементарной частице. Эти потоки и формируют силы притяжения: и атомов, и молекул, и физических тел. В том числе и силы гравитационного притяжения.

Сила прияжения — есть действие потоков энергии, направленных к элементарной частице, которые «тащат» за собой, благодаря , частицы материи, попавшие в эти потоки .

Гравитационное поле физического тела – есть потоки энергии, создаваемые этим физическим телом, направленные к нему, возникающие в результате непрерывного поглощения энергии этим физическим телом .

Абсолютно все физические тела состоят из элементарных частиц и непрерывно движутся в пространстве вселенной. А, значит, непрерывно поглощают энергию из пространства. То есть — создают непрерывные потоки энергии в пространстве, по направлению к себе.

Эти потоки энергии и создают силу притяжения, которую принято называть физических тел. Отсюда понятно, что гравитационным полем обладают абсолютно все физические тела во вселенной .

Магнитное поле Земли

Магнитное поле Земли – по нашему определению – есть видоизменение ее гравитационного поля . И представляет собой поляризацию гравитационных потоков энергии. Магнитного поля — как самостоятельного явления мироздания — не существует .

Чуть подробнее:

Земля, как физическое тело – большое физическое тело – создает непрерывные потоки энергии по направлению к себе из пространства. Эти потоки — есть гравитационное поле Земли.

В идеале, эти потоки субстанции «энергия» одинаково равномерно падают вертикально на всю поверхность земли.

Но все меняется с возникновением вращения Земли вокруг своей оси и с наклоном земной оси к плокости ее орбиты. Здесь возникают соответствующие процессы: центробежные и центростремительные силы, поступательное движение в пространстве, подчиняющееся «правилу буравчика».

В результате, происходит перераспределение потоков энергии, направленных к Земле. То есть — сил гравитационного притяжения Земли.

• Центробежные силы ведут к тому, что гравитационные потоки энергии на полюсах более мощные, чем на экваторе. В результате получаем бóльшую силу гравитационного притяжения на полюсах, чем на экваторе.
• Согласно правилу буравчика, сила гравитационного притяжения на южном магнитном полюсе будет слабее силы гравитационного притяжения на северном магнитном полюсе.

В результате получаем «диполь» — поляризованное магнитное поле.

Теперь о главных загадках магнитного поля:

1. Почему магнитные полюса не совпадают с географическими?
2. Почему магнитные полюса непрерывно «дрейфуют»?

Земля является структурной единицей галактики – ее составной частью. В галактике – как цельном объекте — существуют непрерывные, направленные потоки энергии. Для Земли господствуют два направления:

1. Потоки «в лоб» галактики . Галактика движется поступательно в пространстве вселенной. Направление движения – совпадает с осью вращения галактики. Вспомним, что свободная энергия заполняет собой все пространство вселенной. Получаем первое господствующее направление потоков энергии в галактике: встречное — направлению движения галактики (подобно встречному ветру при движении на скорости). В первую очередь, потоки энергии, для любой звезды и планеты галактики, поступают извне, с встречного направления движения галактики.
2. Земля вращается вокруг солнца. Солнце вращается вокруг оси галактики. Согласно закономерностям поступательно — вращательного движения, плокость орбиты вращения Земли перпендикулярна оси поступательного движения галактики. Проще говоря: плоскость орбиты Земли движется вокруг оси вращения галактики. Таким образом, второе господствующее направление потоков энергии в галактике для Земли: навстречу Земле, в плоскости спирали галактики.

Получаем приблизительно такую картину:

схематическое изображение галактики, Земли, орбиты Земли

и господствующи х потоков энергии в галактике

На рисунке мы видим плокость галактики, направление движения галактики. Видим главные потоки энергии для галактики — встречные направлению ее поступательного движения. Видим Землю и плоскость ее орбиты. Видим направление встречных потоков свободной энергии для Земли, в её движении в плоскости галактики.

Чуть изменим ракурс:

схематическое изображение Земли, орбиты Земли в галактике

и направление потоков энергии к Земле внутри галактики

Комбинация этих двух главных потоков энергии для Земли и создает их общее направление, которое встречает Землю в ее непрерывном движении в просторах вселенной. Здесь самой жирной стрелкой показано это общее направление потоков энергии.

В конце концов, получаем такую картинку:

схематическое изображение Земли и потоков энергии к ней в галактике

Здесь показана Земля, ось ее вращения и потоки свободной энергии, которые встречают Землю в ее непрерывном движении в просторах вселенной.

Как видим, направление этих потоков энергии не совпадает ни с осью вращения Земли, ни с плоскостью экватора. Но именно эти потоки энергии поглощает Земля, создавая гравитационное поле Земли .

В результате получаем видоизменение гравитационного поля, которое в науке принято называть «магнитным полем Земли».

Такое направление встречных потоков свободной энергии ведет к нескольким последствиям:

1. Магнитные полюса Земли никоим образом не могут совпадать с полюсами географическими.
2. Учитывая непрерывное движение Земли вокруг солнца и непрерывное движение солнечной системы в галактике, получаем непрерывно «дрейфующие» магнитные полюса.

Скачкообразный и непредсказуемый «дрейф» магнитных полюсов обусловлен непрерывным изменением соотношения двух главных потоков энергии для Земли. Это то, что лежит за пределами наших знаний о вселенной.

А как же с защитной функцией магнитного поля? Ведь именно оно, согласно науке, спасает нас от губительного действия солнечной радиации.

Все очень просто: Землю защищает от губительного солнечного излучения атмосфера Земли .

Таким образом, защитником нашей планеты от губительной солнечной радиации является атмосфера Земли. «Магнитное поле» Земли здесь абсолютно ни причем.

«Магнитное поле Земли защищает нас от космического излучения и заряженных частиц солнечного ветра, бомбардирующих Землю. Без магнитного поля наша планета имела бы совсем другую атмосферу, и не исключено, что на ней не было бы и жизни.

Исследования магнитного «щита» Земли - главная задача спутниковой группировки Swarm Европейского космического агентства, которая выведена на орбиту в ноябре 2013 года. В ходе миссии Swarm предполагается построить высокоточные карты долговременного изменения магнитного поля Земли. На основе таких карт можно получить новые знания о природных процессах, происходящих в океане, ионосфере, магнитосфере и глубоко внутри планеты - в ядре, мантии, коре.

В июне 2014 года в Копенгагене состоялась специальная конференция, на которой участники проекта Swarm обсудили данные, полученные за шесть месяцев. Результаты наблюдений вызывают озабоченность: геомагнитное поле ослабевает и меняет свою конфигурацию .

Группировка Swarm состоит из трёх идентичных спутников, которые находятся на низкой орбите, проходящей через полярные области Земли. Такие параметры орбиты обусловлены конфигурацией магнитного поля Земли, близкой полю эквивалентного магнитного диполя. Два спутника летят на высоте 450 км параллельно друг другу на расстоянии около 100 км. Третий находится на высоте 530 км, и его орбита лежит в другой азимутальной плоскости. Когда спутники движутся по орбите, каждый последующий виток немного смещается по долготе, что позволяет постепенно покрыть орбитами весь земной шар и получить глобальную картину распределения вектора магнитного поля. Каждый аппарат Swarm оснащён высокочувствительными магнитометрами для измерения величины, направления и вариаций магнитного поля, акселерометром - для определения неоднородности скорости движения среды, электростатическим анализатором и приборами для точной ориентации в пространстве.

Группировка спутников Swarm на орбите . Два космических аппарата летят параллельно друг другу и третий - в иной азимутальной плоскости. Такая конфигурация позволяет обнаружить и измерить с высокой точностью магнитные сигналы, поступающие от различных источников - из внутренних и внешних слоёв земной коры, ядра Земли, от океанских течений, возмущений магнитосферы и ионосферы, связанных с солнечной активностью

(Эквивалентный магнитный диполь - виртуальный постоянный магнит, поле которого наилучшим образом соответствует наблюдаемому крупномасштабному магнитному полю Земли. Ось эквивалентного диполя соответствует геомагнитной оси.

Азимутальная плоскость - плоскость сечения, проходящая через один из меридианов и оба полюса Земли.

Ортогональные компоненты вектора геомагнитного поля - три компоненты разложения вектора, направленные на север, восток и вертикально к земной поверхности).

Swarm - четвёртый космический проект исследования геомагнитного поля. Первые магнитные измерения из космоса произведены в 1980 году американским спутником Magsat, который проработал всего девять месяцев. Затем был довольно длительный период, когда на орбите не было ни одного специализированного геомагнитного спутника. Лишь в 1999 году запустили спутник Oersted и ещё через год - спутник CHAMP. Обе миссии оказались весьма успешными. Первоначально рассчитанный срок их жизни был превышен в несколько раз, - они проработали более десяти лет и дали чрезвычайно большое количество информации. Теперь на смену одиночным космическим аппаратам пришла группировка Swarm.

Что же происходит?

К началу конференции в Копенгагене спутники сделали более двух тысяч оборотов вокруг Земли, и орбиты, постепенно смещаясь по долготе, постепенно покрыли все долготные сектора. Первые измерения Swarm показывают, что за период около 15 лет в магнитном поле Земли произошли значительные изменения. Напряжённость геомагнитного поля падает, причём неравномерно. В среднем она уменьшилась на 1,5%, а в некоторых регионах, например в южной части Атлантического океана, - на 10%. В ряде мест напряжённость поля, вопреки общей тенденции, несколько возросла.

Спутниковые данные о постепенном ослаблении магнитного поля земного диполя подтверждаются измерениями наземных геомагнитных обсерваторий, которые имеют гораздо более длинные ряды наблюдений. Отдельные обсерватории проводят измерения геомагнитного поля в точках своего расположения уже в течение ста лет и более. Ещё один источник информации об эволюции магнитного поля Земли - палеомагнитные исследования, основанные на изменении намагниченности породы в кернах, - позволяет сделать оценки величины поля в далёком прошлом.

В целом, как и положено, в геомагнитном поле доминирует дипольная составляющая, на которую накладывается поле крупномасштабных и локальных магнитных аномалий. Мелкомасштабные вариации магнитного поля наблюдаются при пересечении высокоширотных областей Северного и Южного полушарий. Амплитуда этих вариаций сейчас сравнительно невелика, что указывает на слабую интенсивность геомагнитных бурь. Это вполне ожидаемо, поскольку мы сейчас находимся на спаде 11-летнего цикла солнечной активности и Солнце было очень спокойным.

Полученные данные будут включены в самую последнюю версию крупномасштабной модели геомагнитного поля, по которой можно определить величину напряжённости поля в любой географической точке.

Солнечный ветер и магнитное поле Земли . Под действием потоков постоянно истекающей из Солнца плазмы (так называемого солнечного ветра) силовые линии земного диполя поджимаются на стороне, обращённой к Солнцу, и вытягиваются на сотни земных радиусов на противоположной, ночной, стороне, образуя магнитосферу Земли. Плазма солнечного ветра обтекает магнитосферу, частично проникая внутрь неё

Спутники Swarm подтвердили предыдущие данные о том, что заметно смещаются магнитные полюса Земли . Северный магнитный полюс дрейфует из канадского сектора Арктики в сторону восточносибирского побережья. Южный полюс сместился с континентальной части Антарктиды в Южный океан, в сторону Новой Зеландии.

Наземные, а затем спутниковые измерения показывают, что скорость дрейфа северного магнитного полюса в направлении географического полюса в 1990-х годах резко увеличилась и достигла 50 км/год, тогда как в начале ХХ века она составляла всего 10 км/год. Если полюс сохранит скорость и направление смещения, то приблизительно через 50 лет он придёт к северным сибирским островам. По данным предшествующего Swarm спутника CHAMP, скорость движения северного магнитного полюса, достигнув значения примерно 60 км/год в 2003 году, затем стала замедляться и в 2009 году уменьшилась до значения около 45 км/год. При этом полюс стал немного разворачиваться в сторону Канады, двигаясь по-прежнему в северо-западном направлении.

Что происходит с магнитными полюсами и магнитным полем в районе Бразильской аномалии в настоящий момент, покажут наблюдения Swarm.

Полюса наоборот

Наблюдения векового хода геомагнитного поля с наземных магнитных обсерваторий показывают, что величина всех трёх ортогональных компонентов вектора геомагнитного поля медленно меняется год от года. Вековая вариация для каждой компоненты может иметь различную форму и достигать нескольких процентов от полной измеряемой величины. Вековые вариации свойственны и дипольной, и недипольной составляющим геомагнитного поля. За последнее столетие дипольное поле уменьшалось примерно на 0,05% в год . Относительная величина годового изменения недипольного поля в среднем больше, но меняется от региона к региону, где напряжённость поля может как уменьшаться, так и увеличиваться. Довольно часто, иногда раз в несколько лет, происходят события ускорения векового хода - так называемые геомагнитные джерки.

Полный магнитный момент земного диполя уменьшается в течение года при-близительно на одну тысячную своего значения. Следовательно, короткий (в геологическом отношении) отрезок времени достаточен, чтобы полностью изменить всю картину геомагнитного поля, включая переход его через ноль и смену полярности. Оценки, сделанные по палеомагнитным данным, показывают, что действительно в далёком прошлом происходили переполюсовки, или инверсии, магнитного поля Земли. Северный и южный полюса менялись местами .

Современное магнитное поле Земли , имея в целом дипольную конфигурацию, обладает и явно выраженными крупномасштабными аномалиями. На рисунке красным цветом обозначены области с большей напряжённостью магнитного поля, синим - с меньшей

Во время переполюсовок, которые происходили постепенно, магнитное поле Земли теряло дипольную структуру. Перед инверсией поле ослабевало, а после неё постепенно возрастало до прежних значений. В прошлом инверсии в среднем происходили примерно каждые 250 000 лет. Но со времени последней прошло уже 780 000 лет. Объяснения столь длительного периода стабильности пока нет, а корректность интерпретации палеомагнитных данных периодически подвергается критике. Однако то, что в настоящее время главное магнитное поле Земли довольно интенсивно уменьшается, неоспоримый факт . Это может быть признаком начала глобальных процессов в недрах Земли .

Механизм смены магнитных полюсов и сама природа магнитного поля Земли по сей день точно неизвестны, и существует несколько теорий, объясняющих его происхождение. Нет и достаточных знаний для точного предсказания эволюции геомагнитного поля.

Исчезновение магнитного щита и озоновая дыра

Сейчас напряжённость магнитного поля Земли составляет около 30 000 нТл на экваторе (где вектор поля направлен по горизонтали) и 60 000 нТл на полюсах (где вектор направлен вертикально). Это значение на несколько порядков меньше значения магнитного поля, создаваемого медицинскими приборами для магнитной томографии. Так что живые организмы достаточно адаптированы к изменениям величины магнитного поля Земли. Мы также не испытываем дискомфорта, перемещаясь из Северного полушария в Южное, где магнитное поле земного диполя направлено в противоположную сторону. Тем не менее уменьшение дипольного момента, которое мы сейчас определённо наблюдаем, вызывает беспокойство. Оно указывает на повышение вероятности переполюсовки - самого драматичного глобального изменения магнитного поля Земли. Если уменьшение дипольной компоненты поля со скоростью 0,5% в год продолжится, то эта основная составляющая поля исчезнет уже в четвёртом тысячелетии. А квадрупольная и тетрапольная составляющие будут играть всё более существенную роль, что приведёт к сложной, многополярной топологии поля. Палеомагнитные исследования указывают, что такая конфигурация всегда предшествовала переполюсовке . Фактически Земля в этот период лишается своего прочного магнитного щита .

Ослабление геомагнитного поля определённо отразится на земной атмосфере. Магнитное поле экранирует Землю от энергичных заряженных частиц, приходящих из космоса и от Солнца. Увеличение потоков частиц приводит к увеличению оксидов азота в средней атмосфере. Эти частицы, постепенно оседая, активно разрушают стратосферный озон. В результате уменьшения концентрации озона увеличивается вредная УФ [ультрафиолетовая]-радиация.

Сейчас уменьшение содержания озона фиксируется на всех широтах , и особенно заметно на высоких, несмотря на активные меры, принятые в рамках Монреальского протокола о защите озонового слоя Земли. Наиболее драматические потери озона происходят в Южном полушарии над Антарктикой. В весенний период здесь развивается самая большая озоновая дыра. Однако в 2012 году рекордно малая концентрация озона была зафиксирована и в Арктике, хотя атмосферная циркуляция такова, что значительных озоновых дыр там образовываться не должно.

Моделирование показывает, что при нулевом геомагнитном поле концентрация озона в атмосфере уменьшится на 50% . Такое сокращение содержания озона и появление многочисленных озоновых дыр приведут к катастрофическим последствиям для биосферы. Изменение спектра солнечного излучения, проходящего через земную атмосферу к поверхности Земли, нарушит всю биологическую цепочку. В первую очередь это повлияет на микроорганизмы, обитающие в океане и создающие основную биомассу на Земле. Степень их приспособляемости к изменению спектра солнечной радиации определит дальнейшие биологические и климатические последствия ослабления магнитного щита Земли.

Отметим, что при переполюсовке наступят сложные времена и для высокоорганизованных организмов, способных ориентироваться по магнитному полю, например перелётных птиц и морских животных.

Изменения магнитного поля скажутся и на технике. Если главное магнитное поле Земли ослабнет и перестанет быть дипольным, традиционные технические средства ориентации, которые человек использует на протяжении тысячелетий, перестанут работать. Стрелка компаса не найдёт ни севера, ни юга.

При ослаблении магнитного поля Земли низкоорбитальные космические аппараты подвергаются повышенному радиационному облучению и бомбардировке частицами больших энергий . Во время солнечных вспышек выходят из строя приборы. Космонавты, а также пассажиры и экипажи трансконтинентальных авиарейсов могут получить опасную дозу радиации. Так, при пролёте над Бразильской магнитной аномалией, которая проявляется до высот 600 км, на обитаемой космической станции принимаются специальные меры защиты. Плотность потока заряженных частиц в районе аномалии превышает аналогичную величину, измеренную в удалённых районах, на несколько порядков.

От Канады до России

Если полюс продолжит своё движение в том же направлении, что и сейчас, то зона максимальных геомагнитных вариаций, опасных для технологических систем, будет постепенно покрывать северные территории России. Именно те территории, где предполагается развивать новые энергетические проекты.

Чем поможет Swarm?

Космическая миссия Swarm рассчитана на четыре-пять лет. Данные, полученные европейскими спутниками, могут использоваться не только непосредственными участниками проекта, но и научными организациями мира, подавшими соответствующую заявку в ЕКА. Шесть заявок было подано от России. Геофизический центр РАН также принимает участие в анализе результатов наблюдений Swarm. Спутниковые данные будут открыты и для тех исследователей, которые присоединятся к программе в будущем.

Наибольший интерес вызывают данные о поведении внутреннего магнитного поля Земли. На базе измерений Swarm будет построена новая модель главного поля, которая должна отражать его современное состояние. Эта модель останется актуальной на протяжении следующих пяти лет для определения вектора геомагнитного поля в любой точке земного шара. Сравнение интенсивности поля, измеряемой спутником в настоящее время, с интенсивностью прошлых десятилетий покажет, насколько изменилась структура геомагнитного поля в различных регионах Земли и в целом на планете. Эти изменения отражают эволюцию глубинных земных слоёв: жидкого ядра, коры и мантии, а их изучение позволит продвинуться в построении непротиворечивой физической теории генерации магнитного поля в недрах Земли - теории геодинамо.

На основе показаний спутниковых магнитометров можно вычислить вариации магнитного поля литосферного происхождения. Построение детальных карт литосферного поля имеет большое практическое значение для изучения геологии и тектоники, так как эта часть геомагнитного поля связана с геологическими структурами.

Модельное представление главного магнитного поля Земли в его современном состоянии (слева) и в процессе переполюсовки (справа) . Со временем магнитное поле Земли из дипольного может превратиться в мультипольное, а затем опять сформируется стабильная дипольная структура. Однако направление поля изменится на противоположное: северный геомагнитный полюс окажется на месте южного, а южный переедет в Северное полушарие. Такие события переполюсовки уже неоднократно происходили в геологическом прошлом нашей планеты

В отличие от предыдущих - одноаппаратных - миссий Swarm даёт возможность выделять структуры разных масштабов и оценивать пространственные градиенты магнитного поля. Новые карты распределения геомагнитного поля будут иметь пространственно-временнόе разрешение, недостижимое ранее. Если за время работы спутниковой группировки на орбите наземные обсерватории зафиксируют события глобального или локального ускорения вековых вариаций геомагнитного поля (джерки), спутниковые наблюдения помогут понять их природу, которая до сих пор до конца не выяснена.

Особое внимание предполагается уделить изучению Бразильской магнитной аномалии, где наблюдается наибольшее падение напряжённости магнитного поля.

В задачи Swarm входят также уточнение положения и мониторинг дрейфа северного и южного магнитных полюсов. Это тем более важно, что оба полюса в настоящее время находятся в океане и определить их точное положение с помощью наземных экспедиционных исследований достаточно непросто.

Есть ещё одна интересная проблема, для решения которой будут использоваться наблюдения Swarm. Предварительные оценки показывают, что высокочувствительные магнитометры, установленные на борту Swarm, могут детектировать магнитное поле, индуцируемое океанскими течениями. Изучение океанского магнитного сигнала из космоса и анализ спутниковых данных при пролётах Swarm над океанами позволят не только оценить параметры самих течений, но и рассчитать электропроводность верхней мантии Земли.

Задачи, перечисленные выше, относятся к изучению источников внутреннего магнитного поля Земли. Однако данные наблюдений Swarm помогут и в изучении электродинамического взаимодействия в системе солнечный ветер -магнитосфера - ионосфера. Среди задач солнечно-земной физики, которые предполагается решить, - определение структуры электрических токов, текущих между магнитосферой и ионосферой вдоль силовых линий геомагнитного поля, связь этих токов с полярными сияниями, ионосферные электрические поля и токи во время спокойных условий и геомагнитных бурь, волновые движения и передача энергии в верхней атмосфере Земли, вариации плотности атмосферы». http://www.nkj.ru/archive/articles/24756/

Содержание статьи

ГЕОМАГНЕТИЗМ, земной магнетизм, магнитное поле Земли и околоземного космического пространства. Земля обладает магнитным полем дипольного типа, как будто бы в ее центре расположен гигантский полосовой магнит. Конфигурация этого поля медленно изменяется, вероятно в результате движения расплавленного материала во внешнем ядре Земли на глубинах более 2900 км. Главное магнитное поле обусловлено источниками, расположенными в глубинах Земли. На медленные вариации главного магнитного поля накладываются быстрые, но слабые изменения, вызванные электрическими токами в ионосфере. Электрические свойства ионосферы связаны с присутствием в ней заряженных частиц, возникающих при ионизации атмосферы солнечным излучением. Ветры, дующие в ионосфере в присутствии постоянного магнитного поля Земли, приводят к возникновению электрических токов, которые, в свою очередь, создают дополнительное изменяющееся магнитное поле.

Кроме этих регулярных магнитных вариаций, наблюдаются также возмущения, обусловленные происходящими время от времени солнечными вспышками – источниками ультрафиолетовых и рентгеновских лучей и возмущенного потока заряженных частиц солнечного ветра. Эта радиация увеличивает ионизацию и вызывает дополнительные электрические токи в ионосфере. Временами солнечный ветер настолько эффективно взаимодействует с геомагнитным полем, что формирует кольцевой электрический ток на расстоянии в несколько радиусов земного шара; это приводит к уменьшению главного магнитного поля; такие магнитные возмущения ощущаются во всем мире, но наиболее сильно проявляются в полярных районах. В периоды сильных магнитных возмущений происходят особенно интенсивные полярные сияния, а также часто нарушается дальняя радиосвязь.

Исследования магнитного поля Земли используются для изучения физического состояния глубоких недр и процессов, происходящих в высоких слоях атмосферы. Наблюдения магнитных вариаций проводятся на земной поверхности, в океанах, а также с воздуха и из космоса с помощью самолетов и спутников. Магнитное поле играет также важную роль в областях, отстоящих от поверхности Земли на тысячи и более километров; в их пределах интенсивный поток частиц, захваченных магнитным полем, создает серьезные проблемы для аэрокосмических исследований. Солнечные и галактические космические лучи, несмотря на их высокую энергию, отклоняются магнитным полем Земли до того, как попадут в пределы атмосферы.

Историческая справка.

Если полосовой магнит свободно подвесить на нити, прикрепленной к его центру, ось магнита в первом приближении сориентируется в направлении север – юг. Точно не известно, когда было впервые обнаружено такое свойство магнита. Возможно, китайцы были знакомы с ним уже в 1100, однако практическое использование этого явления началось лишь 200 лет спустя. В Западной Европе магнитный компас применяется в навигации с 1187.

Основы науки о геомагнетизме были заложены в период между 13 и 16 столетиями. К середине 15 в. стало известно, что подвешенный магнит не всегда указывает точно на север. Первые сведения о наклонении направления земного магнитного поля относительно горизонтальной плоскости появились в середине 16 в. В 1600 У.Гильберт, придворный врач Елизаветы I, опубликовал знаменитый трактат О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле. Новая физиология, доказанная множеством аргументов и опытов (De magnete, magneticisque corporibus et de magno magnete tellure. Physiologia nova ; рус. перевод 1956), в котором описал свойства магнита и земного магнетизма. Он отметил, что Земля, по-видимому, является огромным сферическим магнитом.

Вариации магнитного поля во времени были зафиксированы в 1635 Г.Геллибрандтом, профессором астрономии Грешам-Колледжа (Лондон). В 1701 астроном Э.Галлей опубликовал первую карту геомагнитного поля. В середине 18 в. была установлена связь между полярным сиянием и магнитными вариациями. В 19 в. К.Гаусс, внесший большой вклад в развитие знаний о геомагнетизме, усовершенствовал приборы для измерения магнитных вариаций и установил их в магнитной обсерватории в Гёттингене, построенной в 1833 из немагнитных материалов. В 1834 Гаусс и В.Вебер приняли участие в программе Ф.Гумбольдта наблюдений за магнитными явлениями, которую одновременно проводили ок. 50 обсерваторий, входивших в Гёттингенский магнитный союз. Гаусс обобщил магнитные данные и математически доказал гипотезу Гильберта о том, что источник главного (основного) магнитного поля находится внутри Земли.

Описание геомагнитного поля.

В любой точке Земли магнитное поле исчерпывающим образом характеризуется его интенсивностью и направлением, угол которого с горизонтальной плоскостью называется магнитным наклонением (I ). Если спроектировать поле на горизонтальную плоскость, направление в первом приближении будет ориентировано с севера на юг, но в общем случае будет образовывать некоторый угол с истинным направлением географического меридиана; это отклонение носит название магнитного склонения (D ). Амплитуда, или напряженность, магнитного поля называется полной магнитной интенсивностью (F ). Магнитное поле может быть представлено двумя взаимно перпендикулярными компонентами: горизонтальной (H ) и вертикальной (Z ). Если векторы, показывающие интенсивность и направление горизонтальной компоненты в различных точках Земли, нанести на карту, то видно, что они расходятся от точки вблизи Южного полюса и сходятся в точке вблизи Северного полюса. Эти точки называются соответственно Южным и Северным магнитными полюсами. На полюсах магнитное поле направлено вертикально. Линию, на которой магнитное поле направлено горизонтально, называют магнитным экватором.

Магнитные полюсы не совпадают с географическими и весьма быстро перемещаются. Северный магнитный полюс находится в северных водах Канады. Его координаты в 1900 были 69° с.ш. и 97° з.д., в 1950 – 72° с.ш. и 96° з.д., в 1980 – 75° с.ш. и 100° з.д, а в 1985 – 77° с.ш. и 102° з.д. Южный магнитный полюс в 1985 имел координаты 65,5° ю.ш. и 139,5° в.д. Прямая линия, проведенная через эти магнитные полюсы, не проходит через центр Земли.

Измерения геомагнитного поля показывают, что на поверхности Земли в целом оно может быть представлено как поле полосового магнита, помещенного в центре планеты. Его еще называют полем магнитного диполя; вне сферы оно имеет такую конфигурацию, как если бы сфера была однородно намагничена. Эта модель дает наилучшее (но далеко не идеальное) совпадение с действительным полем. Две точки, в которых ось диполя пересекает земную поверхность, называют геомагнитными полюсами. В начале 1990-х годов геомагнитный экватор был наклонен к географическому экватору на 12°. Северный геомагнитный полюс имел координаты 79° с.ш. и 70° з.д., а ось диполя отстояла от центра Земли на 460 км в направлении Тихого океана (18° с.ш., 148° в.д.). Полная магнитная напряженность на геомагнитных полюсах равняется примерно 0,6 гаусс, на магнитном экваторе напряженность примерно вдвое меньше.

Магнитные карты.

Распределение геомагнитного поля у земной поверхности может быть представлено в виде изомагнитных линий, т.е. линий, вдоль которых значение конкретной компоненты остается постоянным. Карты склонения называются картами изогон (рис. 1). Магнитные карты основаны на многочисленных магнитных съемках, выполняемых на суше, на море и с воздуха. В США магнитные карты готовятся Береговой и геодезической службой и Военно-гидрографическим управлением.

В дополнение к магнитным съемкам высокоточные наблюдения за магнитным полем Земли ведутся во всех частях мира в магнитных обсерваториях. Со спутников осуществляются магнитные съемки на больших высотах, где не существует влияния региональных магнитных аномалий, таких, как намагниченные тела в земной коре, например железные руды.

Магнитные измерения.

В магнитных обсерваториях через регулярные интервалы времени определяют абсолютные значения магнитных элементов (а не их вариаций) с возможно большей точностью.

Магнитное склонение D определяется путем измерения азимута (горизонтального направления) стрелочного магнита, свободно подвешенного на некрученой нити таким образом, что магнит располагается горизонтально. Азимут отсчитывается от направления на географический север, который устанавливается с помощью астрономических или геодезических наблюдений. Стандартными приборами магнитное склонение определяется с точностью 0,1".

Первоначально магнитное наклонение I определялось путем измерения наклона магнитной стрелки, центр которой закреплен на горизонтальной оси; эта ось ориентируется перпендикулярно магнитному меридиану таким образом, что стрелка может поворачиваться в плоскости меридиана. Однако точность этих измерений была невысокой, поэтому стали пользоваться индукционным наклономером, состоящим из круглой многовитковой катушки, которая вращается с большой скоростью вокруг оси, проходящей вдоль диаметра катушки. Ось прикрепляется к рамке таким образом, что ее ориентация может быть измерена. Этот метод основан на возникновении в катушке индуцированного электрического тока при изменении проходящего через нее магнитного потока. Если направление оси катушки не совпадает с направлением магнитного поля, то внутри катушки индуцируется переменный ток. Направление магнитного поля определяется в момент, когда гальванометр не показывает индуцированного тока во вращающейся катушке. С помощью индукционного наклонометра магнитное наклонение может быть установлено с точностью до 0,1".

Интенсивность горизонтальной составляющей измеряется методом, который разработал Гаусс. Измерения выполняются в два этапа. Вначале измеряется период крутильных колебаний свободно вращающегося в горизонтальной плоскости магнита; этот период зависит от напряженности геомагнитного поля H , а также от магнитного момента M и момента инерции магнита. Затем к магниту прикрепляют немагнитную полоску с известным моментом инерции, после чего эксперимент повторяют. Благодаря добавлению момента инерции период колебаний изменяется, что позволяет вычислить произведение MH . На втором этапе измеряют отклонение магнитной стрелки под влиянием земного магнитного поля и под действием поля магнита, использованного в первом эксперименте, получая отношения M /H . Комбинируя обе величины, MH и M/H , можно установить H .

Сходным образом измеряют вертикальную компоненту Z . Если определено H и Z , магнитное наклонение может быть найдено из соотношения tg I = Z /H .

Протонный магнитометр.

Его действие основано на ядерной прецессии (изменении ориентации оси вращения) вокруг направления магнитного поля. Ядра водорода (протоны), находящиеся в воде, под влиянием искусственного магнитного поля, ориентированного примерно под прямым углом к земному магнитному полю, поляризуются. Затем поляризующее магнитное поле внезапно выключается. Протоны начинают свободно прецессировать вокруг направления земного магнитного поля F до тех пор, пока ядерные спины не достигнут нового равновесного состояния. Прецессия протонов индуцирует небольшую электродвижущую силу в катушке. Частота f этого сигнала такая же, как частота прецессии протонов и связана с величиной магнитного поля F соотношением 2pf = gF , где g – гиромагнитное отношение протона, известное с высокой точностью. Измерение частоты сигнала в катушке позволяет определить общую магнитную интенсивность. Сконструированы также протонные магнитометры для измерения H и Z . При измерении каждого из этих компонентов используется пара колец Гельмгольца (катушки для создания чрезвычайно однородного магнитного поля) с тем, чтобы привести к нулевому значению компонент, который в данный момент не подлежит измерению.

Вековые магнитные вариации.

Годовые средние значения магнитных элементов, измеренные в обсерваториях, и результаты магнитных съемок, выполненные с интервалом в несколько лет, показывают, что земное магнитное поле подвергается вековым (медленно меняющимся) вариациям. Эти вариации наносят на карты в виде линий равных значений годовых изменений (карты изовариаций, или изопор) определенных эпох. Изопоры образуют овалы вокруг регионов, где происходят быстрые годовые изменения. В течение одной или двух декад изопоры могут существенно изменяться. Их центры имеют тенденцию к дрейфу в западном направлении.

Наблюдается также медленное вращение направления поля вокруг некоторого фиксированного направления. Например, наблюдения в Лондонской обсерватории показывают, что магнитное поле совершило почти три четверти оборота за последние 400 лет.

Палеомагнетизм.

Изучение магнетизма, «сохраненного» в минералах и горных породах, обеспечивает информацию об истории земного магнитного поля в геологическом прошлом. Если горячее вещество охлаждается в магнитном поле от температуры выше точки Кюри (температура, выше которой намагниченное вещество теряет свою намагниченность) до более низких температур, его остаточная намагниченность будет сохранять направление внешнего магнитного поля, существовавшего при охлаждении. Поэтому сформировавшиеся из расплава минералы «запоминают» направление геомагнитного поля. Кроме того, при осадконакоплении намагниченные частицы в водных бассейнах ориентируются под воздействием земного магнитного поля. Эти феномены лежат в основе палеомагнетизма, но их интерпретация исключительно сложна, поскольку магнетизм пород не всегда стабилен.

Палеомагнитные данные легли в основу теории дрейфа материков. В результате исследований разновозрастных горных пород было установлено, что их намагниченность отклоняется от направления современного магнитного поля. Таким образом, создается впечатление, что магнитные полюса в геологическом прошлом перемещались относительно поверхности Земли. Это интерпретируется как свидетельство того, что взаимное расположение материков в разные геологические эпохи менялось.

Природа магнитного поля Земли и его вековых вариаций.

Главное дипольное магнитное поле Земли можно было бы объяснить, если бы она была однородно намагничена. Однако намагниченность пород поверхностных слоев противоречит этому. Лабораторные эксперименты показывают, что точка Кюри понижается с увеличением давления. Поскольку давление и температура увеличиваются с глубиной, представляется весьма маловероятным, что ниже определенной глубины ферромагнитные вещества могут сохранять свою намагниченность. Хотя лабораторные эксперименты не полностью моделируют температуру и давление в глубоких слоях Земли, принято считать, что главное магнитное поле Земли не может быть обусловлено постоянной намагниченностью земного вещества.

Сейсмические и другие геофизические данные показывают, что Земля обладает ядром (сходным по плотности с железом или железо-никелевым сплавом), которое находится на глубине ок. 2900 км и обнаруживает некоторые свойства жидкости. У.Эльзассер, Э.Буллард и другие ученые предположили, что в ядре происходят конвективные движения. Перемещение проводящего вещества в магнитном поле индуцирует электродвижущую силу, которая вызывает электрические токи, порождающие дополнительное магнитное поле подобно действию самовозбуждающейся динамо-машины.

Магнитное поле вблизи центров векового хода может быть хорошо представлено изолированными диполями, расположенными вблизи поверхности «жидкого» ядра Земли. Относительно короткое время, за которое происходят вековые вариации, подтверждает, что их причина связана с движениями в ядре. Электрические токи, индуцируемые этими перемещениями вблизи поверхности ядра, вероятно, приводят к возникновению вековых вариаций.

Вариометры.

В дополнение к абсолютным измерениям геомагнитного поля магнитные обсерватории ведут непрерывную запись компонентов H, D и Z , поскольку происходят регулярные и нерегулярные вариации магнитного поля. Амплитуда этих вариаций гораздо меньше, чем напряженность постоянного магнитного поля. Приборы для измерения вариаций называются вариометрами. Их действие основано на том, что изменения каждого магнитного элемента вызывают соответствующее отклонение магнитной стрелки, к которой прикрепляется зеркальце, а на него направляется свет от маленькой лампы. Отраженный луч падает на поверхность покрытого фотобумагой цилиндра, который вращается с постоянной скоростью вокруг своей оси. В вариометрах, одновременно измеряющих три компонента поля, фиксируются сразу три кривых на одной магнитограмме (рис. 2). Для регистрации вариаций различной амплитуды и частоты используют разные типы вариометров.

Квантовый магнитометр.

Для наблюдений за быстропротекающими вариациями разработан магнитометр на парах рубидия. Этот прибор использует оптическую накачку . Свет от рубидиевой лампы проходит через камеру, содержащую пары рубидия, и падает на фотоэлемент, регистрирующий интенсивность света. Магнитометр ориентируют так, чтобы луч света располагался почти параллельно магнитному полю. Если приложить переменное магнитное поле, создаваемое катушкой и имеющее частоту, соответствующую одному из зеемановских переходов в атомах рубидия, то увеличится поглощение за счет магнитного резонанса. Частота, соответствующая зеемановскому переходу, представляет собой известную функцию напряженности магнитного поля. Резонансная частота определяется частотой прилагаемого магнитного поля, что позволяет установить интенсивность магнитного поля.

Магнитометр на парах рубидия приемлем для точных измерений быстро меняющихся вариаций магнитного поля, поскольку с его помощью может быть достигнута чувствительность порядка 0,02 гаммы (1 гамма = 10 -5 гаусс = 10 -9 тесла = 1 нТ). Для измерения абсолютных значений интенсивности используют протонный магнитометр.

Солнечные и лунные магнитные вариации.

В соответствии с характером записи вариаций на магнитограмме выделяются «магнито-спокойные» и «магнито-возмущенные» дни. Эти магнитные возмущения гораздо более часты и интенсивны в полярных широтах.

Даже в идеально спокойных условиях записи на одной станции магнитные элементы H, D и Z систематически изменяются в зависимости от времени. Эти вариации носят название солнечно-суточной спокойной магнитной вариации и обозначаются S q ; здесь S показывает, что вариация зависит от местного времени обсерватории (т.е. от ее долготы относительно Солнца), а индекс q означает «спокойный».

К северу и югу от экватора вплоть до 30° вариация S q горизонтальной составляющей H соответственно увеличивается (в северном направлении) в течение дневного времени с максимумом вблизи полудня и уменьшается (в южном направлении) в ночное время; фаза вариации меняется на обратную к северу или югу от экваториального пояса. В северном полушарии S q склонения D имеет направление на восток в утренние часы и на запад – в послеполуденное время; то же самое относится к вертикальной составляющей Z , которая уменьшается к ночи. Эти изменения D и Z меняют свой знак на обратный к югу от экватора.

Если рассматривать все три элемента совместно, S q имеет амплитуду, гораздо бóльшую днем, чем ночью, что указывает на то, что S q возникает в результате электрических токов, текущих в ионосфере. Электрические токи, ответственные за возникновение S q , измеряются с помощью геофизических ракет, запускаемых вблизи экватора.

Осредненные за месяц или год величины амплитуд S q меняются в соответствии с изменением солнечной активности; они наибольшие, когда на Солнце наблюдается максимум пятен. Амплитуда S q и, до некоторой степени, ее глобальное распределение ежедневно меняются; тем не менее в этих изменениях не наблюдается простого следования за солнечной активностью.

Имеются и другие регулярные вариации, наложенные на Sq и меняющиеся в зависимости от лунного времени. Эти вариации, названные «лунно-суточными вариациями» (L ), представлены главным образом регулярными полусуточными изменениями магнитного поля. Их амплитуда гораздо меньше, чем амплитуда S q , например, вариация S q горизонтальной составляющей H колеблется в пределах 30 гамм в низких широтах; колебания L – лишь ок. 3 гамм. Вариация L , в отличие от S q , почти не выражена на магнитограммах (за исключением геомагнитного экватора, где ее величина необычно велика). Ее можно выделить лишь на основе тонкого математического анализа, в котором S q и другие вариации подвергаются осреднению. Хотя L варьирует в зависимости от лунного времени, в основном она изменяется в дневные часы, когда электропроводность ионосферы максимальна. Следовательно, вариация L обязана электрическим токам, индуцируемым приливными движениями в нижних слоях ионосферы.

В пределах узкого пояса над магнитным экватором S q значительно возрастает в полуденные часы. Этот эффект обусловлен существованием «электроджета» – концентрированного электрического тока, текущего в пределах узкого пояса в ионосфере. Лунно-суточная вариация L возрастает с большей скоростью, чем S q . Полагают, что экваториальный электроджет, текущий с запада на восток, возникает вследствие повышения электропроводности в направлении поперек магнитного поля (которое в этой области направлено горизонтально).

Магнитные бухты.

Часто наблюдаются магнитные вариации, при которых линия записи H на магнитограмме своим очертанием напоминает бухту, образованную береговой линией. «Магнитные бухты» имеют максимальную амплитуду и наиболее часто наблюдаются в авроральных зонах (зонах полярных сияний) с ночной стороны Земли, по одной в каждом полушарии; их центры отстоят от геомагнитных полюсов на 23°. Типичная магнитная бухта указывает на интенсивный электроджет в ионосфере в западном направлении, протекающий через авроральную зону в ранние утренние часы (по местному времени), и более слабый электроджет, текущий в восточном направлении в поздние вечерние часы. Рассеянные токи от этих авроральных электроджетов распространяются над всей Землей и возбуждают магнитные бухты гораздо меньшей интенсивности в низких широтах.

Мощные магнитные возмущения в авроральных зонах, называемые полярными штормами, тесно связаны с областью распространения полярных сияний и других полярных возмущений.

Влияние солнечных вспышек.

В результате наблюдений за Солнцем были обнаружены неожиданные вспышки вблизи солнечных пятен. Одновременно с ними регистрируются возмущения на магнитограммах станций, расположенных на дневной стороне Земли. В земном магнитном поле солнечная вспышка вызывает неожиданное увеличение S q длительностью 20–30 мин, поэтому эффект солнечной вспышки обозначают S qa , где значок a указывает на увеличение интенсивности.

В момент вспышки возрастает поток жесткого излучения от Солнца; это приводит к увеличению ионизации, росту электропроводности ионосферы и усилению электрического тока, вызывающего S q . Резкое увеличение ионизации в более низких областях ионосферы вызывает заметное поглощение радиоволн и перерывы радиосвязи на большие расстояния.

Магнитная буря.

Особенно интенсивные магнитные возмущения, распространяющиеся на весь земной шар, называют магнитными бурями. Некоторые магнитные бури начинаются неожиданно и почти одновременно по всей Земле, а другие развиваются постепенно. Признаком внезапно начинающейся магнитной бури служит резкое изменение всех трех магнитных элементов на магнитограмме. Горизонтальный компонент H внезапно увеличивает интенсивность, чему иногда предшествует небольшой отрицательный импульс. При внезапном начале бури амплитуда вариации максимальна в авроральных зонах и уменьшается по направлению к экватору; увеличение S q и L наблюдается в пределах узкого пояса на магнитном экваторе в дневные часы.

После внезапного начала бури линия записи горизонтального компонента H в течение нескольких часов обычно располагается выше уровня, предшествовавшего буре; этот этап (положительных значений) рассматривается как первая или начальная фаза. Значения H составляют от 10 до 20 гамм в средних широтах. За этой фазой следует существенное уменьшение до значений значительно ниже нормальных. Падение амплитуды на несколько десятков гамм во время бури средней интенсивности отвечает ее главной фазе. Максимальное отклонение достигается через 12 ч. Вслед за этим значительным уменьшением происходит медленное возвращение к нормальному уровню, которое обычно длится несколько дней. Эти особенности представляют собой осредненные характеристики магнитных бурь в средних и низких широтах; характеристики отдельных бурь могут существенно отличаться от средних. Крупные магнитные бури проходят эти фазы быстрее, чем слабые.

По мере приближения к авроральной зоне на изменения магнитного поля, связанные с магнитной бурей, накладываются магнитные бухты. Изменения поля здесь гораздо более нерегулярные и интенсивные, чем в низких широтах; вариации во время бурь могут достигать нескольких тысяч гамм. В пределах полярных шапок (околополярные области внутри авроральной зоны) степень возмущения несколько меньше, чем в авроральной зоне, но гораздо более сильная, чем на низких широтах.

Вариации в высоких широтах свидетельствуют о существовании интенсивных и концентрированных авроральных электроджетов, которые обычно направлены на восток перед «магнитной полночью» и на запад – после нее. Магнитная полночь определяется как время, когда Солнце располагается над магнитным меридианом, противоположным тому, на котором располагается станция; различие между локальной полночью и магнитной полночью зависит от положения станции (и в некоторой степени от времени года), это различие весьма незначительно в низких широтах, но в высоких широтах может достигать более одного часа. Электроджет, направленный к западу, гораздо сильнее ориентированного на восток; общая сила тока для бури средней интенсивности составляет 300 000 ампер и даже более во время максимума после магнитной полночи.

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.

Теория магнитных бурь была развита С.Чапменом, В.Ферраро, Х.Альфвеном, С.Зингером, А.Десслером, Е.Паркером и другими. Когда на некотором расстоянии от Земли поток солнечных частиц – протонов и электронов – сталкивается с земным магнитным полем, это вызывает «магнитный удар», который в виде сильной гидромагнитной ударной волны проходит через окружающий Землю электропроводящий газ. Внезапное начало магнитной бури означает приход гидромагнитной ударной волны.

Солнечный газ, обволакивая Землю, сжимает ее магнитное поле и, следовательно, увеличивает его интенсивность. Рост магнитного поля в начальной фазе магнитной бури происходит как следствие этого эффекта. Некоторые из солнечных частиц захватываются земным магнитным полем на расстоянии более 40 000 км от Земли. Когда движение заряженной частицы в магнитном поле ориентировано косо по отношению к магнитной силовой линии, она перемещается по спирали вокруг этой линии. По мере того, как она вторгается в область с интенсивным магнитным полем, составляющая ее скорости, параллельная вектору напряженности поля, постепенно уменьшается, а скорость вращения возрастает, при этом общая скорость остается постоянной. Когда параллельная полю составляющая скорости становится нулевой, частица как бы отражается и начинает двигаться назад вдоль силовой линии, продолжая спиралевидное вращение вокруг нее (точка, где происходит отражение, называется «точкой магнитного зеркала», по аналогии с обычным оптическим зеркалом, отражающим свет). Таким образом, захваченные магнитным полем заряженные частицы, вращаясь по спирали вокруг силовых линий, колеблются между двумя зеркальными точками, одна из которых расположена в северном, а другая – в южном полушарии.

Магнитное поле ослабевает с увеличением расстояния от Земли, из-за чего увеличивается радиус кривизны спирального движения частиц вокруг силовых линий на внешней части траектории. К тому же магнитные силовые линии выгнуты наружу, поэтому колеблющиеся вдоль них частицы испытывают центробежное ускорение, направленное от Земли, что способствует увеличению радиуса кривизны траектории частицы в ее части, более удаленной от Земли по сравнению с более близкой к Земле. А поскольку протоны и электроны вращаются вокруг магнитных силовых линий в противоположных направлениях, эти эффекты вызывают дрейф протонов в западном направлении, а электронов – в восточном.

Суммарная скорость дрейфа зависит от энергии частицы и угла, образованного вектором ее скорости с силовой линией, когда частица пересекает экватор. Эти два фактора лежат в некотором диапазоне, поэтому частицы имеют различные скорости дрейфа и, захваченные земным магнитным полем, быстро распределяются, формируя оболочку вокруг Земли. Западный дрейф протонов и восточный дрейф электронов есть не что иное, как электрический ток, «размазанный» по оболочке. Этот ток, имеющий повсюду западное направление, генерирует магнитное поле, направленное так, что оно ослабляет магнитное поле Земли. Этим можно объяснить особенности главной фазы магнитной бури.

Микропульсации.

Они представляют собой быстрые колебания небольшой амплитуды, которые наблюдаются как в спокойные, так и в возмущенные периоды. В средних и низких широтах часто наблюдаются два условных класса микропульсаций: P c и P t . Микропульсации P c продолжаются более или менее непрерывно в течение многих часов с периодом от 10 до 60 сек; их амплитуда составляет порядка 0,1 гамма. P t состоят из рядов пульсаций с небольшой амплитудой, каждый ряд продолжается от 10 до 20 мин, индивидуальные пульсации имеют период от 40 с до нескольких минут и амплитуду ок. 0,5 гаммы. Пульсация P c происходит наиболее часто в утренние часы. P t часто ассоциируется с магнитными бухтами и наблюдается чаще всего ночью.

При использовании более чувствительных приборов, чем обычные вариометры, выявляются пульсации с более короткими периодами. С достаточной надежностью наблюдались колебания с частотой 2 Гц, но, возможно, существуют пульсации и с большей частотой. Амплитуда быстрых пульсаций очень мала – порядка 0,1 гаммы или меньше. Для их измерения используется катушка с большим числом витков проволоки (до 20 000) или огромная проволочная петля, охватывающая площадь 50–75 км 2 , а также квантовые магнитометры.

В авроральных зонах и вблизи них выявлены гигантские микропульсации с амплитудой, значительно большей, чем у P c , достигающей нескольких десятков гамм. Огибающая гигантской микропульсации постепенно возрастает и уменьшается с периодом от одной до нескольких минут. В авроральной зоне также выявлены пульсации с периодами в несколько минут, некоторые из них состоят из нескольких почти синусоидальных колебаний, продолжающихся в течение нескольких часов. Наиболее часто они возникают в годы высокой солнечной активности. В авроральной зоне наблюдаются и более быстрые микропульсации с периодом от нескольких секунд до 30 с, связанные, по-видимому, с авроральной активностью. Феномен гигантских микропульсаций не вполне исследован. Высказывается предположение, что некоторые их типы обусловлены колебаниями магнитных силовых линий во внешней области атмосферы Земли.

Геомагнитное поле в высоких слоях атмосферы.

С началом запуска ракет и спутников в высокие слои атмосферы геомагнитное поле стало предметом пристального интереса. Раньше полагали, что земное магнитное поле простирается на большие расстояния. Л.Бирман предположил, что хвосты комет, состоящие из ионов, вытягиваются в сторону от Солнца под напором непрерывно испускаемого им потока заряженных частиц. По его расчетам, плотность ион-электронных пар вблизи Земли составляет ок. 100/см 3 . Идея была поддержана Е.Паркером, который назвал этот непрерывный корпускулярный поток «солнечным ветром». По его расчетам, если солнечный ветер действительно существует, земное магнитное поле должно быть сосредоточено в ограниченной области вокруг Земли, размер и форма которой зависят от силы солнечного ветра. Согласно данным магнитометра, установленного на космическом аппарате «Пионер-1» (1958), граница земного магнитного поля в направлении Солнца находится на расстоянии ок. 80 000 км от Земли (магнитосфера Земли). За пределами этой зоны зарегистрировано магнитное поле интенсивностью порядка 10 нТ. В межзвездном пространстве существует магнитное поле порядка 0,1 нТ.

Важное открытие было сделано группой ученых под рук. Дж.Ван Аллена в 1958. С помощью приборов, установленных на первом в США спутнике «Эксплорер-1», они обнаружили, что во внешней атмосфере Земли существует радиация высокой интенсивности. Измерения, проделанные с советских спутников под руководством С.Н.Вернова и А.Е.Чудакова (1958), выявили вторую зону радиации. Эти зоны получили название радиационных поясов, или поясов Ван Аллена. Первый пояс простирается от 960 до 8000 км над земной поверхностью; второй – от 16 000 до 64 000 км. В пределах внутреннего пояса имеются протоны с высокой энергией. Протоны малой энергии и электроны заполняют более обширную область. Захват заряженных частиц земным магнитным полем впоследствии был проверен в экспериментах «Аргус» (1958), когда с помощью ядерного взрыва на больших высотах во внешние слои атмосферы были искусственно введены электроны. Оказалось, что захваченные электроны остаются в тонкой оболочке магнитосферы в течение нескольких дней.

Земные токи.

Земные, или теллурические, токи текут в приповерхностном слое земной коры. Косвенно об их существовании можно заключить на основе измерений потенциометром разности потенциалов между двумя электродами, помещенными в грунт. Измеренная разность потенциалов представляет собой электродвижущую силу, возникающую в результате электрических токов, величина которых зависит от сопротивления коры. Величина сопротивления (от 100 до нескольких миллионов и более ОмЧсм) зависит от геологической структуры и заметно меняется с глубиной. Поскольку верхний слой коры земной обладает электропроводностью, меняющееся магнитное поле индуцирует в нем электрические токи. Например, магнитная вариация S q индуцирует глобальные земные токи. Поскольку сопротивление Земли не изотропно, земные токи обладают преимущественным направлением.

Исследование земных токов в авроральных зонах служит хорошим индикатором полярных возмущений, а также полезны для изучения микропульсаций.

Литература:

Акасору С., Пелмен С. Солнечно-земная физика , ч. 1–2, М., 1974–1975
Вакье В. Геомагнетизм в морской геологии . Л., 1976
Яновский Б.М. Земной магнетизм . Л., 1978
Белов К.П., Бочкарев Н.Г. Магнетизм на Земле и в космосе . М., 1983



Земля - это гигантский магнит, вокруг которого образуется магнитное поле. Магнитные полюса Земли не совпадают с истинными географическими полюсами - северным и южным. Силовые линии, идущие от одного магнитного полюса к другому, называются магнитными меридианами. Между магнитным и географическим меридианом образуется некоторый угол (около 11,5°), называемый магнитным склонением. Поэтому намагниченная стрелка компаса точно показывает направление магнитных меридианов, а направление на северный географический полюс - лишь приблизительно.

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 магнитном полюсе (77° с.ш. и 102° з.д.) свободно подвешенная магнитная стрелка установится вертикально северным концом вниз, а на Южном магнитном полюсе (65° ю.ш. и 139° в.д.) её южный конец опустится вниз. Таким образом, магнитная стрелка показывает направление силовых линий магнитного поля над земной поверхностью.

Считается, что постоянное магнитное поле наша планета генерирует сама. Оно образуется из-за сложной системы электрических токов, возникающих при вращении Земли и перемещении жидкого вещества в её внешнем ядре. Положение магнитных полюсов и распределение магнитного поля по земной поверхности со временем меняются. Магнитное поле Земли простирается до высоты около 100 тыс. км. Оно отклоняет или захватывает частицы солнечного , губительные для всех живых организмов. Эти заряженные частицы образуют радиационный пояс Земли, а вся область околоземного пространства, в которой они находятся, называют магнитосферой.

Солнце посылает к Земле огромный поток энергии, состоящий из электромагнитного излучения (видимого света, инфракрасного и радиоизлучения); ультрафиолетового и рентгеновского излучений; солнечных космических лучей, возникающих только во время очень сильных вспышек; и солнечного ветра - постоянного потока плазмы, образованного главным образом протонами (ионы водорода).
Электромагнитное излучение Солнца приходит к Земле через 8 мин., а потоки частиц, приносящие основную часть возмущения от Солнца, двигаются со скоростью около 1000 км/с и задерживаются на двое-трое суток. Основной причиной возмущений солнечного ветра, существенно влияющих на земные процессы, являются грандиозные выбросы вещества из короны Солнца. При движении к Земле они превращаются в магнитные и приводят к сильным, иногда экстремальным возмущениям на Земле. Особенно сильные возмущения магнитного поля Земли - магнитные бури - нарушают радиосвязь, вызывают интенсивные полярные сияния.

Магнитные аномалии

В некоторых районах планеты наблюдаются отклонения магнитного склонения и магнитного наклонения от средних значений для данной территории. Например, в Курской области в районе месторождения железной руды напряжение магнитного поля в 5 раз выше, чем среднее для этого района. Месторождение так и называется - Курская магнитная аномалия. Иногда подобные отклонения наблюдаются на обширных площадях. Восточно-Сибирская магнитная аномалия характеризуется западным магнитным склонением, а не восточным.

Буду благодарен, если Вы поделитесь этой статьей в социальных сетях:

Поиск по сайту.