Исследовательский проект «Магнитное поле Земли: Прошлое. Настоящее. Будущее» (11 класс).
проект по физике (11 класс) по теме

Большинство планет Солнечной системы в той или иной степени обладают магнитными полями. Специальный раздел геофизики, изучающий происхождение и природу магнитного поля Земли называется геомагнетизмом. Геомагнетизм рассматривает проблемы возникновения и эволюции основной, постоянной составляющей геомагнитного поля, природа переменной составляющей (примерно 1% от основного поля), а так же структура магнитосферы – самых верхних намагниченных плазменных слоев земной атмосферы, взаимодействующих с солнечным ветром и защищающих Землю от космического проникающего излучения. Важной задачей является изучение закономерностей вариаций геомагнитного поля, поскольку они обусловлены внешними воздействиями, связанными в первую очередь с солнечной активностью.

Это может быть удивительно, но сегодня нет единой точки зрения на механизм возникновения магнитного поля планет, хотя почти общепризнанной является гипотеза магнитного гидродинамо, основанная на признании существования токопроводящего жидкого внешнего ядра. Тепловая конвекция, то есть перемешивание вещества во внешнем ядре, способствует образованию кольцевых электрических токов. Скорость перемещения вещества в верхней части жидкого ядра будет несколько меньше, а нижних слоев - больше относительно мантии в первом случае и твердого ядра - во втором. Подобные медленные течения вызывают формирование кольцеобразных (тороидальных) замкнутых по форме электрических полей, не выходящих за пределы ядра. Благодаря взаимодействию тороидальных электрических полей с конвективными течениями во внешнем ядре возникает суммарное магнитное поле дипольного характера, ось которого примерно совпадает с осью вращения Земли. Для “запуска” подобного процесса необходимо начальное, хотя бы очень слабое, магнитное поле, которое может генерироваться гиромагнитным эффектом, когда вращающееся тело намагничивается в направлении оси его вращения.

Не последнюю роль играет и солнечный ветер - поток заряжённых частиц, в основном протонов и электронов, идущих от Солнца. Для Земли солнечный ветер представляет собой поток заряженных частиц постоянного направления, а это не что иное, как электрический ток.

Согласно определению направления тока он направлен в сторону, противоположную движению отрицательно заряженных частиц (электронов), т.е. от Земли к Солнцу. Частицы образующие солнечный ветер, обладающие массой и зарядом, увлекаются верхними слоями атмосферы в сторону вращения Земли. В 1958 году был открыт радиационный пояс Земли. Это огромная зона в космосе, охватывающая Землю в области экватора. В радиационном поясе основными носителями зарядов являются электроны. Их плотность на 2 - 3 порядка превышает плотность других носителей зарядов. И таким образом существует электрический ток вызванный направленным круговым движением частиц солнечного ветра, увлекаемых круговым движением Земли, порождающий электромагнитное “вихревое” поле.

Следует отметить, что магнитный поток, вызванный током солнечного ветра, пронизывает и вращающийся вместе с Землей поток раскаленной лавы внутри нее. В результате этого взаимодействия в ней наводится электродвижущая сила, под действием которой течет ток, который так же создает магнитное поле. Вследствие этого магнитное поле Земли является результирующим полем от взаимодействия тока ионосферы и тока лавы.

Реально существующая картина магнитного поля Земли зависит не только от конфигурации токового слоя, но и от магнитных свойств земной коры, а так же от относительного расположения магнитных аномалий. Здесь можно провести аналогию с контуром с током при наличии ферромагнитного сердечника и без него. Известно, что ферромагнитный сердечник не только меняет конфигурацию магнитного поля, но и значительно усиливает его.

Достоверно установлено что магнитное поле Земли реагирует на солнечную активность, однако если связывать возникновение магнитного поля планет только с токовыми слоями в жидком ядре, взаимодействующими с солнечным ветром, то можно сделать заключение, что планеты солнечной системы, имеющие одинаковое направление вращения, должны иметь одинаковое направление магнитных полей. Однако, например, Юпитер опровергает это утверждение.

Интересно, что при взаимодействии солнечного ветра с возбужденным магнитным полем Земли, на Землю действует вращающий момент, направленный в сторону вращения Земли. Таким образом, Земля относительно солнечного ветра проявляет себя аналогично двигателю постоянного тока с самовозбуждением. Источником энергии (генератором) в данном случае является Солнце. Поскольку и магнитное поле, и вращающий момент, действующий на землю, зависят от тока Солнца, а последний от степени солнечной активности, то при увеличении солнечной активности должен увеличиваться вращающий момент, действующий на Землю и увеличиваться скорость ее вращения.

Составляющие геомагнитного поля

Собственное магнитное поле Земли (геомагнитное поле) можно разделить на cледующие три основные части – основное (внутреннее) магнитное поле Земли, включая мировые аномалии, магнитные поля локальных областей внешних оболочек, переменное (внешнее) магнитное поле Земли.

1. ОСНОВНОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ (внутреннее), испытывающее медленные изменения во времени (вековые вариации) с периодами от 10 до 10 000 лет, сосредоточенными в интервалах 10–20, 60–100, 600–1200 и 8000 лет. Последний связан с изменением дипольного магнитного момента в 1,5–2 раза.

Магнитные силовые линии, созданные на компьютерной модели геодинамо, показывают, насколько структура магнитного поля Земли проще за ее пределами, чем внутри ядра (спутанные трубочки в центре). На поверхности Земли большая часть линий магнитного поля выходит изнутри (длинные желтые трубочки) у Южного полюса и входит внутрь (длинные голубые трубочки) около Северного.

Большинство людей обычно не задумываются, почему стрелка компаса показывает на север или юг. Но магнитные полюса планеты не всегда располагались так, как сегодня.

Исследования минералов показывают, что магнитное поле Земли за 4-5 млрд. лет существования планеты меняло свою ориентацию с севера на юг и обратно сотни раз. Однако в течение последних 780 тыс. лет ничего подобного не происходило, несмотря на то, что средний период смены магнитных полюсов - 250 тыс. лет. Кроме того, геомагнитное поле ослабло почти на 10% с тех пор, как оно впервые было измерено в 30-х гг. XIX в. (т.е. почти в 20 раз быстрее, чем если бы, лишившись источника энергии, оно снизило свою силу естественным путем). Грядет ли следующая смена полюсов?

Источник колебаний магнитного поля спрятан в центре Земли. Наша планета, подобно другим телам Солнечной системы, создает свое магнитное поле с помощью внутреннего генератора, принцип работы которого такой же, как и обычного электрического, преобразующего кинетическую энергию своих движущихся частиц в электромагнитное поле. В электрогенераторе движение происходит в витках катушки, а внутри планеты или звезды - в проводящей жидкой субстанции. Огромная масса расплавленного железа объемом в 5 раз больше Луны циркулирует в сердцевине Земли, образуя так называемое геодинамо.

За последние десять лет ученые разработали новые подходы к исследованию работы геодинамо и его магнитных свойств. Спутники передают четкие моментальные фотоснимки геомагнитного поля на поверхности Земли, а современные методы компьютерного моделирования и созданные в лабораториях физические модели помогают интерпретировать данные орбитальных наблюдений. Проведенные эксперименты натолкнули ученых на новое объяснение того, как происходила переполяризация в прошлом и как она может начаться в будущем.

Во внутреннем строении Земли выделяется расплавленное внешнее ядро, где сложная турбулентная конвекция генерирует геомагнитное поле.

Энергия геодинамо

Что же приводит в действие геодинамо. К 40-м гг. прошлого столетия физики признавали три необходимых условия образования магнитного поля планеты, и последующие научные построения исходили из данных положений. Первое условие - большой объем электропроводящей жидкой массы, насыщенной железом, образующей внешнее ядро Земли. Под ним расположено внутреннее ядро Земли, состоящее почти из чистого железа, а над ним - 2900 км твердых пород плотной мантии и тонкой земной коры, образующей континенты и ложе океана. Давление на ядро, создаваемое земной корой и мантией, в 2 млн. раз выше, чем на поверхности Земли. Температура ядра также крайне высока - около 5000о по Цельсию, как и температура поверхности Солнца.

Вышеописанные параметры экстремальной среды предопределяют второе требование к работе геодинамо: необходимость источника энергии для приведения в движение жидкой массы. Внутренняя энергия отчасти термального, отчасти химического происхождения создает внутри ядра условия выталкивания. Ядро больше разогревается внизу, чем наверху. (Высокие температуры “замурованы” внутри него со времен образования Земли.) Это означает, что более разогретая, менее плотная металлическая составляющая ядра стремится вверх. Когда жидкая масса достигает верхних слоев, она теряет часть своего тепла, отдавая его вышележащей мантии. Затем жидкое железо остывает, становясь плотнее, чем окружающая масса, и опускается. Процесс перемещения тепла путем поднятия и опускания жидкой массы получил название тепловой конвекции.

Третье необходимое условие поддержания магнитного поля - вращение Земли. Возникающая при этом сила Кориолиса отклоняет движение поднимающейся жидкой массы внутри Земли так же, как она поворачивает океанические течения и тропические циклоны, вихри перемещения которых видны на космических снимках. В центре Земли сила Кориолиса закручивает поднимающуюся жидкую массу в штопор или спираль, подобно оторвавшейся пружине.

Земля обладает насыщенной железом жидкой массой, сосредоточенной в ее центре, энергией, достаточной для поддержания конвекции, и силой Кориолиса, закручивающей конвекционные потоки. Данный фактор крайне важен для поддержания работы геодинамо на протяжении миллионов лет. Но нужны новые знания, чтобы ответить на вопрос о том, как образуется магнитное поле и почему время от времени полюса меняются местами.

Переполяризация

Ученые давно задавались вопросом, почему магнитные полюса Земли время от времени меняются местами. Последние исследования вихревых перемещений расплавленных масс внутри Земли позволяют понять, как происходит переполяризация.

Магнитное поле, значительно интенсивнее и сложнее поля ядра, внутри которого и образуются магнитные колебания, было обнаружено на границе мантии и ядра. Возникающие в сердцевине электротоки препятствуют непосредственным измерениям его магнитного поля.

Важно, что большая часть геомагнитного поля образуется только в четырех обширных областях на границе ядра и мантии. Хотя геодинамо продуцирует очень сильное магнитное поле, только 1% его энергии распространяется за пределами ядра. Общая конфигурация магнитного поля, измеренного на поверхности, носит название диполя, который большую часть времени ориентирован по земной оси вращения. Как и в поле линейного магнита, основной геомагнитный поток направлен от центра Земли в Южном полушарии и к центру - в Северном. (Стрелка компаса указывает на северный географический полюс, поскольку рядом находится южный магнитный полюс диполя.) Космические наблюдения показали, что магнитный поток имеет неравномерное глобальное распределение, наибольшая напряженность прослеживается на Антарктическом побережье, под Северной Америкой и Сибирью.

Ульрих Кристенсен (Ulrich R. Christensen) из Научно-исследовательского института Солнечной системы Макса Планка в Катленбурге-Линдау, Германия, считает, что эти обширные участки земли существуют тысячи лет и поддерживаются постоянно развивающейся конвекцией внутри ядра. Могут ли аналогичные явления быть причиной смены полюсов? Историческая геология свидетельствует, что смены полюсов происходили в относительно короткие промежутки времени - от 4 тыс. до 10 тыс. лет. Если бы геодинамо прекратило свою работу, то диполь существовал бы еще 100 тыс. лет. Быстрая же смена полярности дает основание полагать, что некое неустойчивое положение нарушает первоначальную полярность и вызывает новую смену полюсов.

В отдельных случаях таинственная неустойчивость может объясняться некоторым хаотическим изменением структуры магнитного потока, которое лишь случайно приводит к переполяризации. Однако частота смены полярности, проявляющаяся все более устойчиво за последние 120 млн. лет, говорит о возможности внешнего регулирования. Одной из причин его может быть перепад температуры в нижнем слое мантии, и вследствие этого - изменение в характере излияний ядра.

Некоторые симптомы переполяризации были выявлены при анализе карт, которые были сделаны со спутников Magsat и Oersted. Готье Гюло (Gauthier Hulot) и его коллеги из Парижского геофизического института отметили, что длительные изменения геомагнитного поля возникают на границе ядра и мантии в тех местах, где направление геомагнитного потока обратно нормальному для данного полушария. Наибольший из так называемых участков обратного магнитного поля протянулся из южной оконечности Африки на запад к Южной Америке. На данном участке магнитный поток направлен внутрь, к ядру, в то время как большая часть его в Южном полушарии направлена из центра.

Районы, где магнитное поле направлено в противоположную для данного полушария сторону, возникают при случайном прорыве закрученных и петляющих линий магнитного поля за пределы ядра Земли. Участки обратного магнитного поля могут существенно ослабить магнитное поле на поверхности Земли, называемое диполем, и свидетельствовать о начале смены земных полюсов. Они появляются, когда поднимающаяся жидкая масса проталкивает горизонтальные магнитные линии вверх в расплавленном внешнем ядре. Такое конвективное излияние иногда закручивает и выдавливает магнитную линию (а). Одновременно силы вращения Земли вызывают винтовую циркуляцию расплава, которая может затянуть петлю на выдавленной магнитной линии (б). Когда выталкивающая сила достаточно велика, чтобы выбросить петлю из ядра, на границе ядро-мантия образуется пара участков магнитного потока.

Образование участков обратного магнитного поля

Самое серьезное открытие, сделанное при сравнении последних измерений, полученных с Oersted, и проведенных в 1980 г., заключалось в том, что новые участки обратного магнитного поля продолжают формироваться, например, на границе ядро-мантия под восточным побережьем Северной Америки и Арктикой. Более того, ранее выявленные участки выросли и немного сдвинулись в сторону полюсов. В конце 80-х гг. XX в. Дэвид Габбинс (David Gubbins) из Лидского университета в Англии, изучая старые карты геомагнитного поля, отметил, что распространение, рост и смещение в сторону полюсов участков обратного магнитного поля объясняет снижение силы диполя в историческом времени.

Согласно теоретическим положениям о силовых магнитных линиях, возникающие в жидкой среде ядра под действием силы Кориолиса малые и большие вихри закручивают силовые линии в узел. Каждый поворот собирает все больше силовых линий в ядре, усиливая таким образом энергию магнитного поля. Если процесс продолжается беспрепятственно, то магнитное поле усиливается бесконечно. Однако электрическое сопротивление рассеивает и выравнивает витки силовых линий настолько, чтобы остановить самопроизвольный рост магнитного поля и продолжить воспроизводство внутренней энергии.

Участки с интенсивным магнитным нормальным и обратным полем формируются на границе ядро-мантия, где малые и большие завихрения взаимодействуют с магнитными полями восточно-западного направления, описываемыми как тороидальные, которые проникают внутрь ядра. Турбулентные жидкостные перемещения могут закручивать линии тороидальных полей в петли, называемые полоидальными полями, имеющими ориентацию север-юг. Иногда закручивание происходит при поднятии текучей массы. Если такое излияние достаточно мощно, то вершина полоидальной петли выталкивается из ядра (см. врезку слева). В результате такого выталкивания образуются два участка, на которых петля пересекает границу ядро-мантия. На одном из них возникает направление магнитного потока, совпадающее с общим направлением поля диполя в данном полушарии; на другом же участке поток направлен противоположно.

Когда вращение относит участок обратного магнитного поля ближе к географическому полюсу, чем участок с нормальным потоком, наблюдается ослабление диполя, который наиболее уязвим вблизи своих полюсов. Таким образом можно объяснить обратное магнитное поле на юге Африки. При глобальном наступлении смены полюсов участки обратного магнитного поля могут разрастаться по всему региону вблизи географических полюсов.

Контурные карты магнитного поля Земли на границе ядро-мантия, составленные по измерениям, сделанным со спутника, показывают, что большая часть магнитного потока направлена от центра Земли в Южном полушарии и к центру в Северном. Но в некоторых районах складывается обратная картина. Участки обратного магнитного поля росли в числе и размерах между 1980 и 2000 г. Если они заполонят все пространство у обоих полюсов, то может произойти переполяризация.

Модели cмены полюсов

На картах магнитного поля представлено, как при нормальной полярности большая часть магнитного потока направлена от центра Земли (желтый цвет) в Южном полушарии и к ее центру (голубой цвет) в Северном (а). Начало переполяризации отмечается появлением нескольких ареалов обратного магнитного поля (голубой цвет в Южном полушарии и желтый в Северном), напоминающих об образовании его участков на границе ядро-мантия. Приблизительно за 3 тыс. лет они уменьшили напряженность поля диполя, которое сменилось более слабым, но более сложным переходным полем на границе ядро-мантия (б). Смена полюсов стала частым явлением через 6 тыс. лет, когда на границе ядро-мантия стали преобладать участки обратного магнитного поля (в). К этому времени полная смена полюсов проявилась и на поверхности Земли. Но только еще через 3 тыс. лет произошла полная замена диполя, включая ядро Земли (г).

Что же происходит с внутренним магнитным полем сегодня?

Большинство из нас знает, что географические полюса постоянно совершают сложные петлеобразные движения в направлении суточного вращения Земли ( прецессия оси с периодом периодом в 25776 лет ). Обычно эти перемещения протекают вблизи воображаемой оси вращения Земли и не приводят к заметному изменению климата. Подробнее о смещении полюсов. Hо мало кто обратил внимание, что в конце 1998 года общая составляющая этих перемещений сместилась . В течении месяца полюс сместился в сторону Канады на 50 километров. В настоящее время северный полюс “ползет” вдоль 120 параллели западной долготы. Можно предположить, что если нынешняя тенденция в перемещении полюсов продолжится до 2010, то северный полюс может сместиться на 3-4 тысячи километров. Конечная точка дрейфа - Большие Медвежьи озера в Канаде. Южный полюс, соответственно, сместится из центра Антарктиды к Индийскому океану.

Смещение магнитных полюсов регистрируется с 1885 г. За последние 100 лет магнитный полюс в южном полушарии переместился почти на 900 км и вышел в Индийский океан. Новейшие данные по состоянию арктического магнитного полюса (движущегося по направлению к Восточно-Сибирской мировой магнитной аномалии через Ледовитый океан): показали что с 1973 по 1984 гг.его пробег составил 120 км, с 1984 по 1994 гг. - более 150 км. Характерно, что эти данные расчетные, но они подтвердились конкретными замерами и северного магнитного полюса По данным на начало 2002-го года скорость дрейфа северного магнитного полюса увеличилась с 10 км/год в 70-х годах, до 40 км/год в 2001-м году.

Кроме того, падает напряжённость земного магнитного поля, причём весьма неравномерно. Так, за последние 22 года она уменьшилась в среднем на 1,7 процента, а в некоторых регионах - например, в южной части Атлантического океана, - на 10 процентов. Впрочем кое-где на нашей планете напряжённость магнитного поля, вопреки общей тенденции, даже слегка возросла.

Подчеркнем, что ускорение движения полюсов (в среднем на 3 км/год за десятилетие) и движение их по коридорам инверсии магнитных полюсов (более 400 палеоинверсий позволили выявить эти коридоры) заставляет подозревать нас о том, что в данном перемещении полюсов следует усматривать не экскурс, а переполюсовку магнитного поля Земли.

Ускорение может довести перемещение полюсов до 200 км в год, так что инверсия осуществится гораздо быстрее, чем это предполагается исследователями далекими от профессиональных оценок реальных процессов переполюсовки.

В истории Земли изменения положения географических полюсов происходили неоднократно, и с этим явлением, в первую очередь, связывают оледенение обширных областей суши и кардинальные перемены климата всей планеты. Но отголоски в человеческой истории получила только последняя катастрофа, скорее всего связанная со сдвигом полюсов, произошедшая около 12-ти тысяч лет назад. Все мы знаем - Мамонты вымерли. Но всё было гораздо серьёзнее.

Исчезновении сотен видов животных не подлежит сомнению. О Всемирном Потопе и Гибели Атлантиды ведутся дискуссии. Но одно несомненно - отголоски величайшей катастрофа на памяти человечества имеют под собой реальную основу. И вызвана, скорее всего, смещением полюсов всего на 2000 км.

На модели ниже представлены магнитное поле внутри ядра (пучок силовых линий в центре) и появление диполя (длинные изогнутые линии) за 500 лет (а) до середины переполяризации (б) магнитного диполя и спустя 500 лет на этапе ее завершения (в).

Магнитное поле геологического прошлого Земли

За последние 150 млн. лет переполяризация происходила сотни раз, о чем свидетельствуют минералы, намагниченные полем Земли во время разогрева горных пород. Затем породы остыли, а минералы сохранили прежнюю магнитную ориентацию.

Шкалы инверсий магнитного поля: I - за последние 5 млн. лет; II - за последние 55 млн. лет. Черный цвет - нормальная намагниченность, белый цвет - обратная намагниченность (по У.У. Харленду и др., 1985)

Инверсии магнитного поля - это смена знака осей симметричного диполя. В 1906 году Б. Брюн, измеряя магнитные свойства неогеновых, сравнительно молодых лав в центральной Франции, обнаружил, что их намагниченность противоположна по направлению современному геомагнитному полю, то есть Северный и Южный магнитные полюса как бы поменялись местами. Наличие обратно намагниченных горных пород является следствием не каких-то необычных условий в момент ее образования, а результатом инверсии магнитного поля Земли в данный момент. Обращение полярности геомагнитного поля - важнейшее открытие в палеомагнитологии, позволившее создать новую науку магнитостратиграфию, изучающую расчленение отложений горных пород на основе их прямой или обращенной намагниченности. И главное здесь заключается в доказательстве синхронности этих обращений знака в пределах всего земного шара. В таком случае в руках геологов оказывается весьма действенный метод корреляции отложений и событий.

В реальном магнитном поле Земли время, в течение которого происходит изменение знака полярности, может быть как коротким, вплоть до тысячи лет, так и составлять миллионы лет.
Временные интервалы преобладания какой-либо одной полярности получили название геомагнитных эпох, и части из них присвоены имена выдающихся геомагнитологов Брюнесса, Матуямы, Гаусса и Гильберта. В пределах эпох выделяются меньшие по длительности интервалы той или иной полярности, называемые геомагнитными эпизодами. Наиболее эффектно выявление интервалов прямой и обратной полярности геомагнитного поля было проведено для молодых в геологическом смысле лавовых потоков в Исландии, Эфиопии и других местах. Недостаток этих исследований заключается в том, что процесс излияния лав был прерывистым процессом, поэтому вполне возможен пропуск какого-либо магнитного эпизода.

Когда появилась возможность по отобранным породам одного возраста, но взятым на разных континентах, определять положение палеомагнитных полюсов интересующего нас временного интервала, то оказалось, что вычисленный осредненный полюс, скажем, по верхнеюрским породам (170 - 144 млн. лет) Северной Америки и такой же полюс по таким же породам Европы будут находиться в разных местах. Получалось как бы два Северных полюса, чего при дипольной системе быть не может. Для того чтобы Северный полюс был один,следовало изменить положение континентов на поверхности Земли. В нашем случае это означало сближение Европы и Северной Америки до совпадения их бровок шельфа, то есть до глубин океана примерно в 200 м. Иными словами, двигаются не полюсы, а континенты.

Применение палеомагнитного метода позволило осуществить детальные реконструкции раскрытия относительно молодых Атлантического, Индийского, Северного Ледовитого океанов и понять историю развития более древнего Тихого океана. Современное расположение континентов - это результат раскола суперконтинента Пангея, начавшегося около 200 млн. лет тому назад. Линейное магнитное поле океанов дает возможность определить скорость движения плит, а его рисунок дает наилучшую информацию для проведения геодинамического анализа.

Благодаря палеомагнитным исследованиям установили, что раскол Африки и Антарктиды произошел 160 млн. лет назад. Наиболее древние аномалии с возрастом 170 млн. лет (средняя юра) обнаружены по краям Атлантики у берегов Северной Америки и Африки. Это и есть время начала распада суперматерика. Южная Атлантика возникла 120 - 110 млн. лет назад, а Северная значительно позже (80 - 65 млн. лет назад) и т.д. Подобные примеры можно привести по любому из океанов и, как бы “читая” палеомагнитную летопись, реконструировать историю их развития и перемещение литосферных плит.

Мировые аномалии – отклонения от эквивалентного диполя до 20% напряженности отдельных областей с характерными размерами до10 000 км. Эти аномальные поля испытывают вековые вариации, приводящие к изменениям со временем в течение многих лет и столетий. Примеры аномалий: Бразильская, Канадская, Сибирская, Курская. В ходе вековых вариаций мировые аномалии смещаются, распадаются и возникают вновь. На низких широтах имеется западный дрейф по долготе со скоростью 0,2° в год.

2. МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ ЛОКАЛЬНЫХ ОБЛАСТЕЙ внешних оболочек с протяженностью от нескольких до сотен км. Они обусловлены намагниченностью горных пород в верхнем слое Земли, слагающих земную кору и расположенных близко к поверхности. Одна из наиболее мощных – Курская магнитная аномалия.

3. ПЕРЕМЕННОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ (так же называемое внешним) определяется источниками в виде токовых систем, находящимися за пределами земной поверхности и в ее атмосфере. Основными источниками таких полей и их изменений являются корпускулярные потоки замагниченной плазмы, приходящие от Солнца вместе с солнечным ветром, и формирующие структуру и форму земной магнитосферы.

Прежде всего видно, что эта структура имеет «слоистую» форму. Однако иногда можно наблюдать «разрыв» верхних слоев, очевидно, происходящий под влиянием усиления солнечного ветра. Например как здесь:

При этом от скорости и плотности Солнечного ветра в такой момент зависит степень величины «нагрева», отражается в цветовой гамме от желтого до фиолетового, что в действительности отражает величину давления на магнитное поле в этой зоне (правый верхий рисунок).

Структура магнитного поля земной атмосферы (внешнего магнитного поля Земли)

Земное магнитное поле находится под воздействием потока намагниченной солнечной плазмы. В результате взаимодействия с полем Земли образуется внешняя граница околоземного магнитного поля, называемая магнитопаузой. Она ограничивает земную магнитосферу. Из-за воздействия солнечных корпускулярных потоков размеры и форма магнитосферы постоянно меняются, и возникает переменное магнитное поле, определяемое внешними источниками. Его переменность обязана своим происхождением токовым системам, развивающимся на различных высотах от нижних слоев ионосферы до магнитопаузы. Изменения магнитного поля Земли во времени, вызванные различными причинами, называются геомагнитными вариациями, которые различаются как по своей длительности, так и по локализации на Земле и в ее атмосфере.

Магнитосфера – область околоземного космического пространства, контролируемая магнитным полем Земли. Магнитосфера формируется в результате взаимодействия солнечного ветра с плазмой верхних слоев атмосферы и магнитным полем Земли. По форме магнитосфера представляет собой каверну и длинный хвост, которые повторяют форму магнитных силовых линий. Подсолнечная точка в среднем находится на расстоянии 10 земных радиусов, а хвост магнитосферы простирается за орбиту Луны. Топология магнитосферы определяется областями вторжения солнечной плазмы внутрь магнитосферы и характером токовых систем.

Хвост магнитосферы образован силовыми линиями магнитного поля Земли, выходящими из полярных областей и вытянутых под действием солнечного ветра на сотни земных радиусов от Солнца в ночную сторону Земли. В итоге плазма солнечного ветра и солнечных корпускулярных потоков как бы обтекают земную магнитосферу, придавая ей своеобразную хвостатую форму.
В хвосте магнитосферы, на больших расстояниях от Земли, напряженность магнитного поля Земли, а следовательно и их защитные свойства, ослабляются, и некоторые частицы солнечной плазмы получают возможность проникнуть и попасть во внутрь земной магнитосферы и магнитных ловушек радиационных поясов. Проникая в головную часть магнитосферы в область овалов полярных сияний под действием изменяющегося давления солнечного ветра и межпланетного поля, хвост служит местом формирования потоков высыпающихся частиц, вызывающих полярные сияния и авроральные токи. Магнитосфера отделена от межпланетного пространства магнитопаузой. Вдоль магнитопаузы частицы корпускулярных потоков обтекают магнитосферу. Влияние солнечного ветра на земное магнитное поле иногда бывает очень сильным. Магнитопауза – внешняя граница магнитосферы Земли (или планеты), на которой динамическое давление солнечного ветра уравновешивается давлением собственного магнитного поля. При типичных параметрах солнечного ветра подсолнечная точка удалена от центра Земли на 9–11 земных радиусов. В период магнитных возмущений на Земле магнитопауза может заходить за геостационарную орбиту (6,6 радиусов Земли). При слабом солнечном ветре подсолнечная точка находится на расстоянии 15–20 радиусов Земли.

Геомагнитные вариации

Изменение магнитного поля Земли во времени под действием различных факторов называются геомагнитными вариациями. Разность между наблюдаемой величиной напряженности магнитного поля и средним ее значением за какой-либо длительный промежуток времени, например, месяц или год, называется геомагнитной вариацией. Согласно наблюдениям, геомагнитные вариации непрерывно изменяются во времени, причем такие изменения часто носят периодический характер.

Cуточные вариации геомагнитного поля возникают регулярно в основном за счет токов в ионосфере Земли, вызванных изменениями освещенности земной ионосферы Солнцем в течение суток.

Суточная геомагнитная вариация за период 19.03.2010 12:00 по 21.03.2010 00:00

Магнитное поле Земли описывается семью параметрами. Для измерения земного магнитного поля в любой точке, мы должны измерить направление и напряжённость поля. Параметры, описывающие направление магнитного поля: склонение (D), наклонение (I). D и I измеряются в градусах. Напряженность общего поля (F) описывается горизонтальной компонентой (H), вертикальной компонентой (Z) и северной (X) и восточной (Y) компонентами горизотальной напряженности. Эти комопненты могут быть измерены в Эрстедах (1 Эрстед=1 гауссу), но обычно - в наноТеслах (1нТ х 100 000 = 1 эрстеду).

Нерегулярные вариации магнитного поля возникают вследствие воздействия потока солнечной плазмы (солнечного ветра) на магнитосферу Земли, а так же изменений внутри магнитосферы и взаимодействия магнитосферы с ионосферой.

На рисунке ниже видны (слева направо) изображения текущих - магнитного поля, давления, конвекционных потоков в ионосфере, а также графики изменения величин скорости и плотности солнечного ветра (V, Dens) и величин вертикальной и восточной компонент внешнего магнитного поля Земли.

27-дневные вариации существуют как тенденция к повторению увеличения геомагнитной активности через каждые 27 дней, соответствующих периоду вращения Солнца относительно земного наблюдателя. Эта закономерность связана с существованием долгоживущих активных областей на Солнце, наблюдаемых в течении нескольких оборотов Солнца. Эта закономерность проявляется в виде 27-дневной повторяемости магнитной активности и магнитных бурь.

Сезонные вариации магнитной активности уверенно выявляются на основании среднемесячных данных о магнитной активности, полученных путем обработки наблюдений за несколько лет. Их амплитуда увеличивается с ростом общей магнитной активности. Найдено, что сезонные вариации магнитной активности имеют два максимума, соответствующие периодам равноденствий, и два минимума, соответствующие периодам солнцестояний. Причиной этих вариаций является образование активных областей на Солнце, которые группируются в зонах от 10 до 30° северной и южной гелиографических широт. Поэтому в периоды равноденствий, когда плоскости земного и солнечного экваторов совпадают, Земля наиболее подвержена действию активных областей на Солнце.

11-летние вариации. Наиболее ярко связь между солнечной активностью и магнитной активностью проявляется при сопоставлении длинных рядов наблюдений, кратных 11 летним периодам солнечной активности. Наиболее известной мерой солнечной активности является число солнечных пятен. Найдено, что в годы максимального количества солнечных пятен магнитная активность также достигает наибольшей величины, однако возрастание магнитной активности несколько запаздывает по отношению к росту солнечной, так что в среднем это запаздывание составляет один год.

Вековые вариации – медленные вариации элементов земного магнетизма с периодами от нескольких лет и более. В отличии от суточных, сезонных, и других вариаций внешнего происхождения, вековые вариации связаны с источниками, лежащими внутри земного ядра. Амплитуда вековых вариаций достигает десятков нТл/год, изменения среднегодовых значений таких элементов, названы вековым ходом. Изолинии вековых вариаций концентрируются вокруг нескольких точек – центры или фокусы векового хода, в этих центрах величина векового хода достигает максимальных значений.

Магнитная буря - влияние на организм человека

Локальные характеристики магнитного поля изменяются и колеблются иногда в течение многих часов, а потом восстанавливаются до прежнего уровня. Это явление называется магнитной бурей. Магнитные бури часто начинаются внезапно и одновременно по всему земному шару.

Ударная волна солнечного ветра через сутки после вспышки на Солнце достигает орбиты Земли и начинается магнитная буря. Тяжелобольные явно реагируют с первых часов после вспышки на Солнце, остальные - с момента начала бури на Земле. Общее для всех - изменение биоритмов в эти часы. Число случаев инфаркта миокарда увеличивается на следующий день после вспышки (примерно в 2 раза больше по сравнению с магнитоспокойными днями). В этот же день начинается магнитосферная буря, вызванная вспышкой. У абсолютно здоровых - активируется иммунная система, может быть увеличение работоспособности, улучшение настроения.

Примечание: геомагнитный штиль, продолжающийся подряд несколько дней или больше, действует на организм городского жителя, по многим параметрам, как и буря - угнетающе, вызывая депрессию и ослабление иммунитета. Лёгкий “дребезг” магнитного поля в пределах Кр = 0 - 3 помогает легче переносить перепады атмосферного давления и других метеофакторов.