ЛИПЕЦК ДЪРЖАВЕН ПЕДАГОГИЧЕСКИ ИНСТИТУТ

КАТЕДРА ПО ТЕОРЕТИЧНА И ОБЩА ФИЗИКА

Курсова работа по физика.

ОПРЕДЕЛЯНЕ НА ХОРИЗОНТАЛНАТА КОМПОНЕНТА НА ЗЕМНОТО МАГНИТНО ПОЛЕ.

Изпълнено от ученик от групата ФПО-3

Казанцев Н.Н.

Главен доцент на катедра Тихоокеански флот

Гризов Ю.В.

ЛИПЕЦК

2. Магнитно поле.

Магнитното поле е специална форма на материя, чрез която се осъществява взаимодействието между движещи се електрически заредени частици.

Основни свойства магнитно поле:

магнитното поле се генерира от електрически ток (движещи се заряди).

Магнитното поле се открива от действието върху електричество(движещи се такси).

Магнитното поле е открито през 1820 г. от датския физик H.K. Ерстед.

Магнитното поле има насочен характер и трябва да се характеризира с векторна величина. Тази стойност обикновено се обозначава с буквата AT . Би било логично, по аналогия със силата на електрическото поле Е име AT сила на магнитното поле. Въпреки това, по исторически причини, основната мощностна характеристика на магнитното поле беше наречена магнитна индукция . Името "силност на магнитното поле" е присвоено на спомагателна характеристика д електрическо поле.

Магнитното поле, за разлика от електрическото поле, няма ефект върху заряда в покой. Силата възниква само когато зарядът се движи.

И така, движещите се заряди (токове) променят свойствата на околното пространство - те създават магнитно поле в него. Това се проявява във факта, че върху движещите се в него заряди (токове) действат сили.

Опитът дава. Какво важи за магнитното, както и за електрическото принцип на суперпозиция:

полеAT , генерирано от няколко движещи се заряда (токове), е равно на векторна сумаполетаБ аз генерирано от всяко зареждане (ток) поотделно:

II. Обща характеристика на земното магнитно поле.

Земята като цяло е огромен сферичен магнит. Човечеството започна да използва магнитното поле на Земята много отдавна. Вече в началото на XII-XIIIвекове компасът се използва широко в навигацията. Въпреки това, в онези дни се смяташе, че полярната звезда и нейният магнетизъм ориентират стрелката на компаса. Предположението за съществуването на магнитното поле на Земята е изразено за първи път през 1600 г. от английския натуралист Гилбърт.

Във всяка точка от пространството около Земята и на нейната повърхност се засича действието на магнитни сили. С други думи, в пространството около Земята се създава магнитно поле, чиито силови линии са показани на фиг.1.

Магнитният и географският полюс на Земята не съвпадат един с друг. северен магнитен полюс н се намира в южното полукълбо, близо до брега на Антарктида и южния магнитен полюс С разположен в Северното полукълбо, близо до северния бряг на остров Виктория (Канада). И двата полюса непрекъснато се движат (дрифтират) по земната повърхност със скорост около 5 годишно поради променливостта на процесите, генериращи магнитното поле. Освен това оста на магнитното поле не минава през центъра на Земята, а изостава от него с 430 км. Магнитното поле на Земята не е симетрично. Поради факта, че оста на магнитното поле върви само под ъгъл от 11,5 градуса спрямо оста на въртене на планетата, можем да използваме компас.

Основната част от магнитното поле на Земята, според съвременните възгледи, е от вътрешноземен произход. Магнитното поле на Земята се създава от нейното ядро. Външното ядро ​​на Земята е течно и метално. Металът е проводимо вещество и ако в течната сърцевина съществуват постоянни токове, тогава съответният електрически ток би създал магнитно поле. Поради въртенето на Земята такива течения в ядрото съществуват, т.к Земята, в някакво приближение, е магнитен дипол, т.е. един вид магнит с два полюса: южен и северен.

Незначителна част от магнитното поле (около 1%) е с извънземен произход. Появата на тази част се дължи на електрически токове, протичащи в проводимите слоеве на йоносферата и повърхността на Земята. Тази част от магнитното поле на Земята подлежи на леки промени с времето, което се нарича светско изменение. Причините за съществуването на електрически токове в светски вариации са неизвестни.

В идеално и хипотетично предположение, при което Земята ще бъде сама в космическото пространство, линиите на магнитното поле на планетата са подредени по същия начин, както силовите линии на обикновен магнит от училищния учебник по физика, т.е. под формата на симетрични дъги, простиращи се от южния полюс на север. Плътността на линиите (силността на магнитното поле) ще намалява с разстоянието от планетата. Всъщност магнитното поле на Земята е във взаимодействие с магнитните полета на Слънцето, планетите и потоците от заредени частици, излъчвани в изобилие от Слънцето. Ако влиянието на самото Слънце и още повече на планетите поради отдалеченост може да се пренебрегне, тогава с потоци на частици, в противен случай със слънчевия вятър не можете да направите това. Слънчевият вятър е поток от частици, бързащи със скорост около 500 km/s, излъчвани от слънчева атмосфера. В моментите на слънчеви изригвания, както и по време на образуването на група от големи петна на Слънцето, броят на свободните електрони, които бомбардират земната атмосфера, рязко нараства. Това води до нарушаване на теченията, протичащи в йоносферата на Земята и поради това настъпва промяна в магнитното поле на Земята. Има магнитни бури. Такива потоци генерират силно магнитно поле, което взаимодейства със земното поле, като го деформира силно. Поради своето магнитно поле Земята задържа уловените частици в така наречените радиационни пояси. Слънчев вятър, като не им позволява да преминат в земната атмосфера и още повече на повърхността. Частиците от слънчевия вятър биха били много вредни за всички живи същества. При взаимодействието на споменатите полета се образува граница, от едната страна на която има смущение (подложено на промени поради външни влияния) магнитното поле на частиците на слънчевия вятър, от друга - възмутеното поле на Земята. Тази граница трябва да се разглежда като граница на околоземното пространство, граница на магнитосферата и атмосферата. Извън тази граница преобладава влиянието на външни магнитни полета. По посока на Слънцето земната магнитосфера се сплесква под натиска на слънчевия вятър и се простира само до 10 радиуса на планетата. В обратната посока има удължение до 1000 земни радиуса.

Основната част от магнитното поле на Земята открива аномалии в различни области на земната повърхност. Очевидно тези аномалии трябва да се дължат на наличието на феромагнитни маси в земната кора или на разликата в магнитните свойства на скалите. Следователно изследването на магнитните аномалии е от практическо значение при изследването на минералите.

Съществуването на магнитно поле във всяка точка на Земята може да се установи с помощта на магнитна стрелка. Ако окачите магнитна игла NS на конец л (фиг. 2), така че точката на окачване да съвпада с центъра на тежестта на стрелката, след това стрелката ще бъде поставена в посоката на допирателната към силовата линия на магнитното поле на Земята.

В северното полукълбо - южният край ще бъде наклонен към Земята и стрелката ще бъде с хоризонта ъгъл на наклонВ (на магнитния екватор наклонът В равно на нула). Вертикалната равнина, в която е разположена стрелката, се нарича равнина на магнитния меридиан. Всички равнини на магнитните меридиани се пресичат по права линия NS , а следите от магнитни меридиани на земната повърхност се събират в магнитните полюси н и С . Тъй като магнитните полюси не съвпадат с географските полюси, стрелката ще се отклони от географския меридиан. Ъгълът, който вертикалната равнина, минаваща през стрелката (т.е. магнитния меридиан) образува с географския меридиан, се нарича магнитна деклинация а(фиг. 2). вектор

полета на силата на магнитното поле на Земята могат да се разложат на два компонента: хоризонтален и вертикален (фиг. 3). Стойността на ъглите на наклона и наклона, както и хоризонталната компонента, позволяват да се определи големината и посоката на общата сила на магнитното поле на Земята в дадена точка. Ако магнитната игла може свободно да се върти само около вертикалната ос, тогава тя ще бъде инсталирана под въздействието на хоризонталната компонента на магнитното поле на Земята в равнината на магнитния меридиан. Хоризонтален компонент, магнитна деклинация а и наклон В се наричат ​​елементи на земния магнетизъм. Всички елементи на земния магнетизъм се променят с времето.

Магнитното поле на Земята е подобно на това на гигант постоянен магнитнаклонена под ъгъл от 11 градуса спрямо оста на неговото въртене. Но тук има един нюанс, чиято същност е, че температурата на Кюри за желязото е само 770°C, докато температурата на желязното ядро ​​на Земята е много по-висока и само на нейната повърхност е около 6000°C. При тази температура нашият магнит не би могъл да поддържа намагнитването си. Това означава, че тъй като ядрото на нашата планета не е магнитно, земният магнетизъм има различна природа. И така, откъде идва магнитното поле на Земята?

Както знаете, магнитните полета обграждат електрическите токове, така че има всички основания да се предположи, че токовете, циркулиращи в разтопено метално ядро, са източникът на земното магнитно поле. Формата на магнитното поле на Земята наистина е подобна на магнитното поле на намотка с ток.

Величината на магнитното поле, измерена на повърхността на Земята, е около половин Гаус, докато силовите линии сякаш напускат планетата от страната на южния полюс и влизат в северния й полюс. В същото време по цялата повърхност на планетата магнитната индукция варира от 0,3 до 0,6 Гауса.

На практика наличието на магнитно поле близо до Земята се обяснява с динамо ефекта, произтичащ от тока, циркулиращ в нейното ядро, но това магнитно поле не винаги е постоянно по посока. Скалните проби, взети на едни и същи места, но с различна възраст, се различават по посока на намагнитване. Геолозите съобщават, че през последните 71 милиона години магнитното поле на Земята се е обърнало 171 пъти!

Въпреки че динамо ефектът не е проучен подробно, въртенето на Земята определено играе роля. важна роляпри генериране на токове, за които се предполага, че са източник на магнитното поле на Земята.

Сондата Mariner 2, която изследва Венера, установи, че Венера няма такова магнитно поле, въпреки че ядрото й, подобно на ядрото на Земята, съдържа достатъчно желязо.

Отговорът е, че периодът на въртене на Венера около оста й е 243 дни на Земята, тоест динамо генераторът на Венера се върти 243 пъти по-бавно и това не е достатъчно, за да се получи истински динамо ефект.

Взаимодействайки с частиците на слънчевия вятър, магнитното поле на Земята създава условия за възникване в близост до полюсите на т. нар. полярни сияния.

Северната страна на стрелката на компаса е магнитният северен полюс, който винаги сочи към географския северен полюс, който на практика е магнитният южен полюс. В края на краищата, както знаете, противоположните магнитни полюси се привличат един друг.

Простият въпрос обаче е "как Земята получава своето магнитно поле?" - все още няма ясен отговор. Ясно е, че генерирането на магнитното поле е свързано с въртенето на планетата около оста си, тъй като Венера с подобен състав на ядрото, но въртяща се 243 пъти по-бавно, няма измеримо магнитно поле.

Изглежда правдоподобно, че от въртенето на течността на металното ядро, което съставлява основната част от това ядро, възниква картина на въртящ се проводник, създаващ динамо ефект и работещ като електрически генератор.

Конвекцията в течността на външната част на ядрото води до нейната циркулация спрямо Земята. Това означава, че електропроводимият материал се движи спрямо магнитното поле. Ако се окаже, че е зареден поради триене между слоевете в сърцевината, тогава ефектът на намотка с ток е напълно възможен. Такъв ток е доста способен да поддържа магнитното поле на Земята. Мащабните компютърни модели потвърждават реалността на тази теория.

През 50-те години, като част от стратегията " студена война“, Корабите на ВМС на САЩ теглеха чувствителни магнитометри през океанското дъно, докато търсеха начин да открият съветски подводници. В хода на наблюденията се оказа, че магнитното поле на Земята се колебае в рамките на 10% по отношение на магнетизма на скалите на самото морско дъно, които имат обратна посока на намагнитване. Резултатът е модел на обръщания, настъпили преди до 4 милиона години, това е изчислено чрез калиево-аргон археологически метод.

Андрей Повни

През последните дни в сайтовете за научна информация се появиха голямо количество новини за магнитното поле на Земята. Например новината, че последните временато се променя значително, или че магнитното поле допринася за изтичането на кислород от земната атмосфера и дори за това, че кравите се ориентират по линиите на магнитното поле в пасищата. Какво е магнитното поле и колко важни са всички горепосочени новини?

Магнитното поле на Земята е областта около нашата планета, където магнитни сили. Въпросът за произхода на магнитното поле все още не е окончателно разрешен. Повечето изследователи обаче са съгласни, че наличието на магнитното поле на Земята поне отчасти се дължи на нейното ядро. Ядрото на Земята се състои от твърда вътрешна и течна външна част. Въртенето на Земята създава постоянни токове в течното ядро. Както читателят може да си спомни от уроците по физика, движението електрически зарядисъздава магнитно поле около тях.

Една от най-разпространените теории, обясняващи природата на полето, теорията на динамо ефекта, предполага, че конвективните или турбулентни движения на проводяща течност в ядрото допринасят за самовъзбуждане и поддържане на полето в неподвижно състояние.

Земята може да се разглежда като магнитен дипол. Южният му полюс се намира на географския Северен полюс, а северният, съответно, на Южния. Всъщност географските и магнитните полюси на Земята не съвпадат не само в „посока”. Оста на магнитното поле е наклонена спрямо оста на въртене на Земята с 11,6 градуса. Поради факта, че разликата не е много значителна, можем да използваме компас. Стрелката му сочи точно към южния магнитен полюс на Земята и почти точно към географския север. Ако компасът беше изобретен преди 720 000 години, той щеше да сочи както към географския, така и към магнитния северен полюс. Но повече за това по-долу.

Магнитното поле предпазва жителите на Земята и изкуствените спътници от вредното въздействие на космическите частици. Такива частици включват, например, йонизирани (заредени) частици на слънчевия вятър. Магнитното поле променя траекторията на тяхното движение, насочвайки частиците по силовите линии. Необходимостта от магнитно поле за съществуването на живот стеснява кръга от потенциално обитаеми планети (ако изхождаме от предположението, че хипотетично възможните форми на живот са подобни на земните обитатели).

Учените не изключват, че някои от земните планети нямат метално ядро ​​и съответно са лишени от магнитно поле. Досега се смяташе, че планетите, състоящи се от твърди скали, като Земята, съдържат три основни слоя: твърда кора, вискозна мантия и твърдо или разтопено желязно ядро. В скорошно проучване учени от Масачузетс Технологичен институтпредложи образуването на "скамени" планети без ядро. Ако теоретичните изчисления на изследователите се потвърдят от наблюдения, тогава за да се изчисли вероятността от среща на хуманоиди във Вселената или поне нещо, наподобяващо илюстрации от учебник по биология, те ще трябва да бъдат пренаписани.

Земляните също могат да загубят своята магнитна защита. Вярно е, че геофизиците все още не могат да кажат точно кога ще се случи това. Факт е, че магнитните полюси на Земята са нестабилни. Периодично сменят местата си. Не толкова отдавна изследователите установиха, че Земята "помни" смяната на полюсите. Анализ на подобни „спомени“ показа, че през последните 160 милиона години магнитният север и юг са сменяли местата си около 100 пъти. Последният път това събитие се е случило преди около 720 хиляди години.

Смяната на полюсите е придружена от промяна в конфигурацията на магнитното поле. На време " преходен период„Значително повече космически частици, които са опасни за живите организми, проникват в Земята. Една от хипотезите, обясняващи изчезването на динозаврите, твърди, че гигантските влечуги са изчезнали именно при следващата смяна на полюсите.

Освен „следите“ от планирани дейности за смяна на полюсите, изследователите забелязали опасни промени в магнитното поле на Земята. Анализ на данните за състоянието му за няколко години показа, че през последните месеци те започват да се появяват при него. Учените не са регистрирали толкова резки "движения" на полето от много дълго време. Зоната на загриженост за изследователите се намира в южната част на Атлантически океан. "Дебелината" на магнитното поле в тази област не надвишава една трета от "нормалната". Изследователите отдавна обръщат внимание на тази "дупка" в магнитното поле на Земята. Данните, събрани за 150 години, показват, че полето тук е отслабнало с десет процента през този период.

На този моментТрудно е да се каже как това заплашва човечеството. Едно от последствията от отслабването на силата на полето може да бъде увеличаване (макар и незначително) на съдържанието на кислород в земната атмосфера. Връзката между магнитното поле на Земята и този газ е установена с помощта на сателитната система Cluster, проект на Европейската космическа агенция. Учените са открили, че магнитното поле ускорява кислородните йони и ги „изхвърля“ в открития космос.

Въпреки факта, че магнитното поле не се вижда, жителите на Земята го усещат добре. Мигриращите птици, например, намират пътя си, като се фокусират върху него. Има няколко хипотези, които обясняват как точно те усещат полето. Едно от последните предполага, че птиците възприемат магнитно поле. Специални протеини - криптохроми - в очите на мигриращите птици са в състояние да променят позицията си под въздействието на магнитно поле. Авторите на теорията смятат, че криптохромите могат да действат като компас.

Освен птиците, морските костенурки използват магнитното поле на Земята вместо GPS. И, както показва анализът на сателитни снимки, представени като част от проекта Google Earth, крави. След проучване на снимки на 8510 крави в 308 региона на света, учените стигнаха до заключението, че тези животни са предпочитани (или от юг на север). Освен това „референтните точки“ за кравите не са географски, а точно магнитните полюси на Земята. Механизмът на възприемането на магнитното поле от кравите и причините за такава реакция към него остават неясни.

В допълнение към изброените забележителни свойства, магнитното поле допринася. Те възникват в резултат на резки промени в полето, настъпващи в отдалечени райони на полето.

Магнитното поле не е пренебрегнато от привържениците на една от „теориите на конспирацията“ – теорията за лунната измама. Както споменахме по-горе, магнитното поле ни предпазва от космически частици. „Събраните” частици се натрупват в определени части на полето – т. нар. радиационни пояси на Ван Ален. Скептиците, които не вярват в реалността на кацанията на Луната, смятат, че по време на полета през радиационните пояси астронавтите биха получили смъртоносна доза радиация.

Магнитното поле на Земята е удивително следствие от законите на физиката, защитен щит, ориентир и създател на полярните сияния. Без него животът на Земята може да изглежда много различен. Като цяло, ако нямаше магнитно поле, то трябваше да бъде измислено.

През 1905 г. Айнщайн назовава причината за земния магнетизъм като една от петте основни мистерии на съвременната физика.

В началото на 20-ти век самият факт на съществуването на геомагнитното поле не можеше да бъде обяснен по никакъв начин (въпреки факта, че най-парадоксалната му характеристика тогава просто не се подозираше). Знаеше се, че магнитните полюси се движат малко по земната повърхност, но никой не предполагаше, че са способни на по-радикално поведение - това откритие беше само на път.

Също през 1905 г. френският геофизик Бернар Брунс измерва магнетизма на плейстоценските лавови отлагания в южния департамент Кантал. Векторът на намагнитване на тези скали беше почти 180 градуса с вектора на планетарното магнитно поле (неговият сънародник П. Дейвид получи подобни резултати дори година по-рано). Brunhes заключи, че преди три четвърти милион години, по време на изливане на лава, посоката на линиите на геомагнитното поле е била противоположна на настоящето. Така е открит ефектът на инверсия (обръщане на полярността) на магнитното поле на Земята. През втората половина на 20-те години на миналия век заключенията на Brunhes са потвърдени от P.L. Меркантон и Монотори Матуяма, но тези идеи са признати едва в средата на века.

Сега знаем, че геомагнитното поле съществува от най-малко 3,5 милиарда години и през това време магнитните полюси са си разменяли местата хиляди пъти (Брунес и Матуяма са изследвали последното обръщане, което сега носи техните имена). Понякога геомагнитното поле запазва ориентацията си в продължение на десетки милиони години, а понякога за не повече от петстотин века. Самият процес на обръщане обикновено отнема няколко хилядолетия и след приключването му силата на полето, като правило, не се връща към предишната си стойност, а се променя с няколко процента.

В началото на 20-ти век самият факт на съществуването на геомагнитното поле не можеше да бъде обяснен по никакъв начин (въпреки факта, че най-парадоксалната му характеристика тогава просто не се подозираше). Знаеше се, че магнитните полюси се движат малко по земната повърхност, но никой не предполагаше, че са способни на по-радикално поведение – това откритие тъкмо беше на път.

Механизмът на геомагнитното обръщане не е съвсем ясен дори днес, а дори преди сто години изобщо не позволяваше разумно обяснение. Следователно откритията на Брунхес и Давид само затвърдиха оценката на Айнщайн – наистина, земният магнетизъм беше изключително мистериозен и неразбираем. Но по това време той е бил изучаван в продължение на повече от триста години и през 19 век такива звезди на европейската наука като великия пътешественик Александър фон Хумболт, брилянтния математик Карл Фридрих Гаус и блестящия експериментален физик Вилхелм Вебер се занимават с него. Така че Айнщайн наистина погледна корена.

168 магнитни полюса

Колко мислите, че има нашата планета магнитни полюси? Почти всеки ще каже, че двама са в Арктика и Антарктика. Всъщност отговорът зависи от дефиницията на понятието стълб. Географските полюси се считат за точките на пресичане на земната ос с повърхността на планетата. Тъй като земята се върти като твърдо, има само две такива точки и нищо друго не може да се измисли. Но с магнитните полюси ситуацията е много по-сложна. Например, полюс може да се счита за малка област (в идеалния случай отново точка), където магнитните силови линии са перпендикулярни на земната повърхност. Всеки магнитометър обаче регистрира не само планетарното магнитно поле, но и полетата на местните скали, електрическите токове на йоносферата, частиците на слънчевия вятър и други допълнителни източници на магнетизъм (а средният им дял не е толкова малък, от порядъка на няколко процента). Колкото по-точно е устройството, толкова по-добре прави това - и следователно става все по-трудно да се изолира истинското геомагнитно поле (той се нарича главно), чийто източник се намира в дълбините на земята. Следователно, координатите на полюса, определени с помощта директно измерване, не са стабилни дори за кратък период от време.

Полюсите са обърнати

Много хора знаят, че общоприетите имена за полюсите са точно обратното. В Арктика има полюс, към който сочи северният край на магнитната игла - следователно трябва да се счита за южен ( едноименни полюсиотблъскват, противоположностите се привличат!). По същия начин северният магнитен полюс е базиран на високи географски ширини в южното полукълбо. Традиционно обаче наричаме полюсите според географията. Физиците отдавна са съгласни, че силовите линии излизат от северния полюс на всеки магнит и влизат в южния. От това следва, че линиите на земния магнетизъм напускат южния геомагнитен полюс и се изтеглят на север. Това е конвенцията и не си струва да я нарушавате (време е да си припомним тъжния опит на Паниковски!).

Можете да действате различно и да установите позицията на полюса въз основа на определени модели на земния магнетизъм. В първо приближение нашата планета може да се счита за геоцентричен магнитен дипол, чиято ос минава през нейния център. В момента ъгълът между него и земната ос е 10 градуса (преди няколко десетилетия е бил повече от 11 градуса). При по-точно моделиране се оказва, че оста на дипола е изместена спрямо центъра на Земята в посока към северозападната част Тихи океанна около 540 км (това е ексцентричен дипол). Има и други определения.

Но това не е всичко. Земното магнитно поле всъщност няма диполна симетрия и следователно има множество полюси и в огромен брой. Ако разглеждаме Земята като магнитен четириполюсник, четириполюсник, ще трябва да въведем още два полюса – в Малайзия и в южната част на Атлантическия океан. Моделът с октупол определя осемте полюса и т. н. Най-модерните съвременни модели на земния магнетизъм работят с цели 168 полюса. Трябва да се отбележи, че само диполната компонента на геомагнитното поле временно изчезва по време на инверсията, докато останалите се променят много по-слабо.

Магнитният полюс, както и да го определите, не стои неподвижно. Северен полюсгеоцентричният дипол през 2000 г. имаше координати от 79,5 N и 71,6 W, а през 2010 г. - 80,0 N и 72,0 W. Истинският северен полюс (този, който разкриват физическите измервания) от 2000 г. се е изместил от 81 0 N и 109,7 W и 85,2 N 127,1 W. Почти през целия 20 век тя не надвишава 10 км годишно, но след 1980 г. изведнъж започва да се движи много по-бързо. В началото на 90-те години скоростта му надхвърля 15 км годишно и продължава да расте.

Резултат компютърна симулацияобръщания на геомагнитното поле в модела на Робъртс и Глацмайер на интервали от десетки и стотици хиляди години.

Лорънс Нюит, бивш ръководител на геомагнитната лаборатория на Канадската геоложка служба, каза пред Popular Mechanics, че истинският полюс сега мигрира на северозапад, като се движи с 50 км годишно. Ако векторът на движението му не се промени в продължение на няколко десетилетия, тогава до средата на 21 век той ще бъде в Сибир. Според реконструкцията, извършена преди няколко години от същия Нюит, през XVII и XVIII вексеверният магнитен полюс се измества главно на югоизток и едва около 1860 г. се обръща на северозапад. Истинският южен магнитен полюс се движи в същата посока през последните 300 години, като средното му годишно преместване не надвишава 10–15 km.

желязна динамо

Откъде идва магнитното поле на Земята? Едно от възможните обяснения е просто поразително. Земята има вътрешно твърдо желязо-никелово ядро, чийто радиус е 1220 km. Тъй като тези метали са феромагнитни, защо да не приемем, че вътрешното ядро ​​има статично намагнитване, което осигурява съществуването на геомагнитното поле? Многополярността на земния магнетизъм може да се дължи на асиметрията на разпределението на магнитните домейни вътре в ядрото. Миграцията на полюсите и обръщането на геомагнитното поле е по-трудно за обяснение, но може би човек може да опита.

От това обаче нищо не излиза. Всички феромагнити остават феромагнитни (тоест, те запазват спонтанно намагнитване) само под определена температура - точката на Кюри. За желязото е 768 ° C (за никела много по-ниско), а температурата на вътрешното ядро ​​на Земята е много по-висока от 5000 градуса. Следователно трябва да се разделим с хипотезата за статичен геомагнетизъм. Възможно е обаче в космоса да има охладени планети с феромагнитни ядра.

Нека разгледаме друга възможност. Нашата планета също има течно външно ядро ​​с дебелина приблизително 2300 км. Състои се от стопилка на желязо и никел с примес на по-леки елементи (сяра, въглерод, кислород и евентуално радиоактивен калий - никой не знае със сигурност). Температурата на долната част на външното ядро ​​почти съвпада с температурата на вътрешното ядро, а в горната зона на границата с мантията пада до 4400 °C. Затова е съвсем естествено да се предположи, че поради въртенето на Земята там се образуват кръгови токове, които може да са причина за появата на земния магнетизъм.

Именно тази схема обсъждаха геофизиците преди около 80 години. Те вярвали, че потоците от проводящата течност на външното ядро, поради кинетичната си енергия, генерират електрически токове, които обгръщат земната ос. Тези токове генерират магнитно поле предимно от диполен тип, чиито силови линии на земната повърхност са удължени по меридианите (такова поле се нарича полоидално). Този механизъм е свързан с работата на динамо, откъдето идва и името му.

Описаната схема е красива и илюстративна, но, за съжаление, е погрешна. Тя се основава на предположението, че движението на материята във външното ядро ​​е симетрично спрямо земната ос. През 1933 г. обаче английският математик Томас Каулинг доказва теорема, според която никакви осесиметрични потоци не могат да осигурят съществуването на дългосрочно геомагнитно поле. Дори и да се появи, възрастта му ще бъде кратка, десетки хиляди пъти по-малка от възрастта на нашата планета. Нуждаем се от по-сложен модел.

Цялата мощност е в конвекция

„Не знаем точно кога е възникнал земният магнетизъм, но това може да се случи скоро след образуването на мантията и външното ядро“, казва Дейвид Стивънсън, един от водещите експерти по планетарен магнетизъм, професор в Калифорнийския технологичен институт. - За да включите геодинамото, е необходимо външно поле за семена, и не непременно мощно. Тази роля, например, може да бъде поета от магнитното поле на Слънцето или полетата на токове, генерирани в ядрото поради термоелектричния ефект. В крайна сметка това не е твърде важно, имаше достатъчно източници на магнетизъм. При наличието на такова поле и кръговото движение на потока от проводяща течност пускането на вътрешнопланетно динамо стана просто неизбежно.

Аврората се генерира от взаимодействието на атмосферата и заредените частици, уловени в магнитното поле на Земята, което в циркумполярните области е перпендикулярно на повърхността.

Ето общоприетото обяснение за подобно стартиране. Нека за простота полето на зародишите е почти успоредно на оста на въртене на Земята (всъщност е достатъчно, ако има ненулева компонента в тази посока, което е почти неизбежно). Скоростта на въртене на веществото на външното ядро ​​намалява с намаляване на дълбочината и поради високата му електропроводимост, линиите на магнитното поле се движат с него - както казват физиците, полето е "замръзнало" в средата. Следователно силовите линии на полето на семената ще се огъват, движейки се напред на по-голяма дълбочина и изостават при по-плитки. В крайна сметка те ще се разтегнат и деформират толкова много, че ще породят тороидално поле, кръгови магнитни контури около земната ос и насочени в противоположни посоки на север и южните полукълба. Този механизъм се нарича w-ефект.

Според професор Стивънсън е много важно да се разбере, че тороидалното поле на външното ядро ​​е възникнало поради полоидалното поле на семена и от своя страна е довело до ново полоидално поле, наблюдавано на земната повърхност: „И двата вида планетарно геодинамо полетата са взаимосвързани и не могат да съществуват едно без друго."

Магнитна защита

Наблюдението на земния магнетизъм се извършва с помощта на обширна мрежа от геомагнитни обсерватории, чието създаване започва през 1830-те години. За същите цели се използват корабни, авиационни и космически инструменти (например скаларните и векторните магнитометри на датския спътник Oersted, които работят от 1999 г.). Силата на геомагнитното поле варира от приблизително 20 000 нанотесла край бреговете на Бразилия до 65 000 нанотесла близо до Южния магнитен полюс. От 1800 г. неговият диполен компонент е намалял с почти 13% (и с 20% от средата на 16-ти век), докато неговият квадруполен компонент леко се е увеличил. Палеомагнитните изследвания показват, че в продължение на няколко хилядолетия преди началото на нашата ера интензитетът на геомагнитното поле упорито се изкачва, а след това започва да намалява. Сегашният планетарен диполен момент обаче е доста над средния си през последните 150 милиона години (палеомагнитните измервания бяха публикувани през 2010 г., показващи, че преди 3,5 милиарда години магнитното поле на Земята е било два пъти по-слабо от днес). Това означава, че цялата история човешки обществаот появата на първите държави до наше време пада върху локалния максимум на земното магнитно поле. Интересно е да се помисли дали това е повлияло на прогреса на цивилизацията. Подобно предположение престава да изглежда фантастично, като се има предвид, че магнитното поле предпазва биосферата от космическа радиация. И ето още едно обстоятелство, което си струва да се отбележи. В младостта и дори в юношеството на нашата планета цялата субстанция на нейното ядро ​​беше в течна фаза. Твърдото вътрешно ядро ​​се е образувало сравнително наскоро, може би преди милиард години. Когато това се случи, конвекционните течения станаха по-подредени, което доведе до по-стабилна работа на геодинамото. Поради това геомагнитното поле е придобило големина и стабилност. Може да се предположи, че това обстоятелство е повлияло благоприятно върху еволюцията на живите организми. По-специално, увеличаването на геомагнетизма подобри защитата на биосферата от космическа радиация и по този начин улесни появата на живот от океана на сушата.

Непредвидим магнетизъм

Преди 15 години Гари Глацмайър, заедно с Пол Робъртс, публикува много красив компютърен модел на геомагнитното поле: „По принцип отдавна има адекватно обяснение за геомагнетизма. математически апарат- уравнения на магнитохидродинамиката плюс уравнения, описващи силата на гравитацията и топлинните потоци вътре в земното ядро. Моделите, базирани на тези уравнения, са много сложни в първоначалния си вид, но могат да бъдат опростени и адаптирани за компютърни изчисления. Точно това направихме Робъртс и аз. Провеждането на суперкомпютър направи възможно конструирането на самостоятелно описание на дългосрочната еволюция на скоростта, температурата и налягането на потоците на материята във външното ядро ​​и развитието на свързаните с тях магнитни полета. Открихме също, че ако играем симулацията през интервали от време от порядъка на десетки и стотици хиляди години, тогава неизбежно възникват обръщания на геомагнитното поле. Така че в това отношение нашият модел върши доста добра работа за предаване на магнитната история на планетата. Има обаче проблем, който все още не е решен. Параметрите на веществото на външното ядро, които са включени в такива модели, все още са твърде далеч от реалните условия. Например трябваше да приемем, че вискозитетът му е много висок, в противен случай ресурсите на най-мощните суперкомпютри няма да са достатъчни. Всъщност това не е така, има всички основания да се смята, че почти съвпада с вискозитета на водата. Сегашните ни модели са безсилни да вземат предвид турбуленцията, която несъмнено се случва. Но компютрите набират скорост всяка година и след десет години ще има много по-реалистични симулации.

„Работата на геодинамото неизбежно е свързана с хаотични промени в потоците на желязо-никелова стопилка, които се превръщат в флуктуации в магнитните полета“, добавя професор Стивънсън. „Обръщането на земния магнетизъм е просто най-силните възможни флуктуации. Тъй като те са стохастични по природа, те трудно могат да бъдат предвидени предварително - във всеки случай не знаем как.

100 велики тайни на Земята Александър Волков

Как възниква магнитното поле на Земята?

Ако Земята нямаше магнитно поле, тогава тя самата и светът на живите организми, които я обитават, биха изглеждали съвсем различно. Магнитосферата, като огромен защитен екран, предпазва планетата от космическа радиация, която постоянно пада върху нея. За силата на потока от заредени частици, излъчвани не само от Слънцето, но и от други небесни тела, може да се съди по това как се деформира магнитното поле на Земята. Например, под натиска на слънчевия вятър силовите линии на полето от страната, обърната към Слънцето, се притискат към Земята, а от противоположната страна пърхат като опашка на комета. Както показват наблюденията, магнитосферата се простира на 70-80 хиляди километра към Слънцето и на много милиони километри в обратна посока от него.

Най-надеждно този екран изпълнява функциите си там, където е най-малко деформиран, където е успореден на земната повърхност или леко наклонен към нея: в екваториалната област или в умерените ширини. Но по-близо до полюсите в него се откриват недостатъци. Космическата радиация прониква до повърхността на Земята и, сблъсквайки се в йоносферата със заредени частици (йони) на въздушната обвивка, генерира цветен ефект - проблясъци на аврора. Ако този екран не съществуваше, космическо излъчваненепрекъснато ще прониква на повърхността на планетата и причинява мутации в генетичното наследство на живите организми. Лабораторните експерименти показват също, че липсата на земен магнетизъм се отразява неблагоприятно върху образуването и растежа на живите тъкани.

Мистериите на магнитното поле на Земята са тясно свързани с неговия произход. Нашата планета изобщо не прилича на магнит. Неговото магнитно поле е много по-сложно. Има различни теории, обясняващи защо Земята има това поле. В крайна сметка, за да съществува, трябва да бъде изпълнено едно от двете условия: или има огромен „магнит“ вътре в планетата - вид намагнетизирано тяло (дълго време учените смятаха така), или електрически ток тече там.

Напоследък най-популярната теория за земното "динамо". Още в средата на 40-те години на миналия век беше предложено съветски физикАЗ И. Френкел. Повече от 90 процента от магнитното поле на Земята се генерира от работата на това "динамо". Останалата част от него се създава от магнетизирани минерали, съдържащи се в земната кора.

Компютърен модел на магнитното поле на Земята

Как възниква магнитното поле на Земята? На разстояние от около 2900 километра от повърхността й започва земното ядро ​​- онази област от планетата, до която изследователите никога няма да могат да достигнат. Ядрото се състои от две части: твърдо вътрешно ядро, компресирано под налягане от 2 милиона атмосфери и съдържащо предимно желязо, и разтопена външна част, която се държи много хаотично. Тази стопилка на желязо и никел е постоянно в движение. Магнитното поле се създава поради конвективни потоци във външното ядро. Тези потоци се поддържат от забележима температурна разлика между твърдото вътрешно ядро ​​и земната мантия.

Вътрешната част на сърцевината се върти по-бързо от външната и играе ролята на ротора - въртящата се част на електрическия генератор, докато външната част - ролята на статора (неговата неподвижна част). В разтопеното вещество на външното ядро ​​се възбужда електрически ток, който от своя страна генерира мощно магнитно поле. Това е принципът на динамото. С други думи, земното ядро ​​е огромен електромагнит. линии на силана създаденото от него магнитно поле започват в областта на единия полюс на Земята и завършват в областта на другия полюс. Формата и интензивността на тези линии варират.

Магнитното поле на Земята се е родило, както смятат учените, още по времето, когато формирането на планетата тепърва е протичало. Може би Слънцето е изиграло решаваща роля. Той пусна това естествено „динамо”, което продължава работата си и сега.

Ядрото е заобиколено от мантия. Долните му слоеве са под голямо налягане и се нагряват до много високи температури. На границата, разделяща мантията и ядрото, протичат интензивни процеси на пренос на топлина. Преносът на топлина играе ключова роля. Топлината тече от горещото ядро ​​на Земята към по-студената мантия и това се отразява на конвективните потоци в самото ядро, променя ги.

В зоните на субдукция, например, участъци от морското дъно потъват дълбоко в Земята, почти достигайки границата, разделяща мантията и ядрото. Тези парчета литосферни плочи, "изпратени" за претопяване в недрата на планетата, са забележимо по-студени от частта на мантията, където са се озовали. Те охлаждат областите на мантията около тях и топлината започва да тече тук от страната на земното ядро. Този процес е много дълъг. Изчисленията показват, че понякога само след стотици милиони години температурата на охладените участъци на мантията се изравнява.

От своя страна горещото вещество, издигащо се под формата на огромни струи от границата, разделяща мантията и ядрото, достига повърхността на планетата. Тази циркулация на материята, тези сложни процеси на изтичане нагоре и надолу, по "Асансьора на Земята" или гореща, или много студена материя, несъмнено влияят върху работата на естественото "динамо". Рано или късно то излиза от обичайния си ритъм и тогава магнитното поле, което създава, започва да се променя. Компютърните модели показват, че от време на време всичко може да завърши със смяна на магнитните полюси.

Няма нищо необичайно в това обръщане на полюсите. Това се е случвало често в историята на нашата планета. Имало е обаче епохи, когато смяната на полюсите спира. Например през периода Креда те не сменяха местата си почти 40 милиона години.

Опитвайки се да обяснят това явление, френски изследователи, водени от Франсоа Петрели, обърнаха внимание на положението на континентите спрямо екватора. Оказа се, че колкото повече континенти лежат в едно от полукълба на Земята, толкова по-често магнитното му поле променя посоката си. Ако, напротив, континентите са разположени симетрично по отношение на екватора, тогава в продължение на много милиони години магнитното поле остава стабилно.

И така, може би положението на континентите влияе на конвективните течения във външната част на ядрото? В този случай това влияние се осъществява чрез зоните на субдукция. Когато почти всички континенти са в едно от полукълбата, ще има повече зонисубдукция. Масивната студена кора ще продължи да потъва до границата, разделяща мантията и ядрото, и ще се натрупва там. Полученото задръстване несъмнено ще наруши топлообмена между мантията и ядрото. Компютърният модел показва, че конвективните потоци във външното ядро ​​също се изместват поради това. Сега те вече са асиметрични по отношение на екватора. Очевидно при такава подредба земното "динамо" е по-лесно за разбалансиране. Тя е като човек, стоящ на един крак и готов да загуби равновесие от лек тласък. Така магнитното поле внезапно се „преобръща“.

Така че е много вероятно промяната на магнитните полюси да е повлияна от тектоничните процеси, протичащи на нашата планета, и преди всичко от движението на континентите. По-нататъшни палеомагнитни изследвания могат да изяснят това. Във всеки случай учените откриват все повече и повече факти, които показват, че има известна връзка между движението на литосферните плочи по земната повърхност и „динамото“, което създава магнитното поле на Земята и се намира в самия център на планетата..

Този текст е уводна част.