INSTITUTUL PEDAGOGIC DE STAT LIPETSK

DEPARTAMENTUL DE FIZICĂ TEORETICĂ ŞI GENERALĂ

Cursuri de fizică.

DETERMINAREA COMPONENTEI ORIZONTALE A CÂMPULUI MAGNETIC PĂMÂNTULUI.

Completat de un student din grupul FPO-3

Kazantsev N.N.

Profesor asociat șef al Departamentului Flotei Pacificului

Gryzov Yu.V.

LIPETSK

2. Un câmp magnetic.

Câmpul magnetic este o formă specială de materie, prin care se realizează interacțiunea dintre particulele încărcate electric în mișcare.

Proprietăți de bază camp magnetic:

câmpul magnetic este generat de curent electric (sarcină în mișcare).

Câmpul magnetic este detectat prin acțiunea pe electricitate(încărcări de mișcare).

Câmpul magnetic a fost descoperit în 1820 de către fizicianul danez H.K. Oersted.

Câmpul magnetic are un caracter direcțional și trebuie să fie caracterizat printr-o mărime vectorială. Această valoare este de obicei indicată prin literă ÎN . Ar fi logic, prin analogie cu puterea câmpului electric E Nume ÎN intensitatea câmpului magnetic. Cu toate acestea, din motive istorice, principala caracteristică de putere a câmpului magnetic a fost numită inducție magnetică . Denumirea „intensitatea câmpului magnetic” a fost atribuită unei caracteristici auxiliare D câmp electric.

Un câmp magnetic, spre deosebire de un câmp electric, nu are niciun efect asupra unei sarcini în repaus. Forța apare numai atunci când sarcina se mișcă.

Deci, sarcinile în mișcare (curenții) schimbă proprietățile spațiului înconjurător - creează un câmp magnetic în el. Acest lucru se manifestă prin faptul că forțele acționează asupra sarcinilor (curenților) care se mișcă în el.

Experiența dă. Ce este adevărat pentru magnetic, precum și pentru electric principiul suprapunerii:

campÎN , generat de mai multe sarcini (curenți) în mișcare, este egal cu suma vectoriala câmpuriB eu generat de fiecare sarcină (curent) separat:

II. Caracteristicile generale ale câmpului magnetic al pământului.

Pământul în ansamblu este un imens magnet sferic. Omenirea a început să folosească câmpul magnetic al Pământului cu mult timp în urmă. Deja inauntru începutul XII-XIII secole busola este utilizată pe scară largă în navigație. Cu toate acestea, în acele zile se credea că steaua polară și magnetismul ei orientează acul busolei. Asumarea existenței câmpului magnetic al Pământului a fost exprimată pentru prima dată în 1600 de către naturalistul englez Gilbert.

În orice punct al spațiului care înconjoară Pământul și pe suprafața acestuia, este detectată acțiunea forțelor magnetice. Cu alte cuvinte, în spațiul din jurul Pământului se creează un câmp magnetic, ale cărui linii de forță sunt prezentate în Fig. 1.

Polii magnetici și geografici ai Pământului nu coincid unul cu celălalt. polul nord magnetic N se află în emisfera sudică, lângă coasta Antarcticii și polul magnetic sudic S situat în emisfera nordică, lângă coasta de nord a insulei Victoria (Canada). Ambii poli se deplasează (în derivă) continuu pe suprafața pământului cu o viteză de aproximativ 5 pe an datorită variabilității proceselor generatoare de câmp magnetic. În plus, axa câmpului magnetic nu trece prin centrul Pământului, ci rămâne în urmă cu 430 km. Câmpul magnetic al Pământului nu este simetric. Datorită faptului că axa câmpului magnetic rulează doar la un unghi de 11,5 grade față de axa de rotație a planetei, putem folosi o busolă.

Partea principală a câmpului magnetic al Pământului, conform vederilor moderne, este de origine intraterestră. Câmpul magnetic al Pământului este creat de miezul său. Miezul exterior al Pământului este lichid și metalic. Metalul este o substanță conductoare, iar dacă în miezul lichid ar exista curenți constanti, atunci curentul electric corespunzător ar crea un câmp magnetic. Datorită rotației Pământului, astfel de curenți în miez există, deoarece Pământul, într-o oarecare aproximare, este un dipol magnetic, adică. un fel de magnet cu doi poli: sud și nord.

O parte nesemnificativă a câmpului magnetic (aproximativ 1%) este de origine extraterestră. Apariția acestei părți este atribuită curenților electrici care curg în straturile conductoare ale ionosferei și pe suprafața Pământului. Această parte a câmpului magnetic al Pământului este supusă unei ușoare modificări în timp, care se numește variație seculară. Motivele existenței curenților electrici în variație seculară sunt necunoscute.

Într-o presupunere ideală și ipotetică, în care Pământul ar fi singur în spațiul cosmic, liniile de câmp magnetic ale planetei au fost aranjate în același mod ca liniile de câmp ale unui magnet obișnuit dintr-un manual școlar de fizică, i.e. sub forma unor arce simetrice care se întind de la polul sud la nord. Densitatea liniei (intensitatea câmpului magnetic) ar scădea odată cu distanța de la planetă. De fapt, câmpul magnetic al Pământului este în interacțiune cu câmpurile magnetice ale Soarelui, cu planetele și cu fluxurile de particule încărcate emise din abundență de Soare. Dacă influența Soarelui însuși, și cu atât mai mult a planetelor, din cauza depărtării, poate fi neglijată, atunci cu fluxurile de particule, altfel, cu vântul solar, nu poți face asta. Vântul solar este un flux de particule care se repezi cu o viteză de aproximativ 500 km/s, emise de atmosfera solara. În momentele erupțiilor solare, precum și în timpul formării unui grup de pete mari pe Soare, numărul de electroni liberi care bombardează atmosfera Pământului crește brusc. Aceasta duce la o perturbare a curenților care curg în ionosfera Pământului și, din această cauză, are loc o modificare a câmpului magnetic al Pământului. Sunt furtuni magnetice. Astfel de fluxuri generează un câmp magnetic puternic, care interacționează cu câmpul Pământului, deformându-l puternic. Datorită câmpului său magnetic, Pământul păstrează particulele prinse în așa-numitele centuri de radiații. vântul solar, nepermițându-le să treacă în atmosfera Pământului și cu atât mai mult la suprafață. Particulele vântului solar ar fi foarte dăunătoare tuturor viețuitoarelor. În timpul interacțiunii câmpurilor menționate se formează o graniță, pe o parte a căreia se află o perturbare (supusă modificărilor datorate influente externe) câmpul magnetic al particulelor vântului solar, pe de altă parte - câmpul perturbat al Pământului. Această limită ar trebui considerată ca limita spațiului apropiat Pământului, granița magnetosferei și a atmosferei. În afara acestei limite, predomină influența câmpurilor magnetice externe. În direcția Soarelui, magnetosfera Pământului este aplatizată sub atacul vântului solar și se extinde doar până la 10 raze ale planetei. În direcția opusă, există o alungire de până la 1000 de raze Pământului.

Partea principală a câmpului magnetic al Pământului detectează anomalii în diferite regiuni ale suprafeței pământului. Aceste anomalii, aparent, ar trebui atribuite prezenței maselor feromagnetice în scoarța terestră sau diferenței de proprietăți magnetice ale rocilor. Prin urmare, studiul anomaliilor magnetice are o importanță practică în studiul mineralelor.

Existența unui câmp magnetic în orice punct de pe Pământ poate fi stabilită cu ajutorul unui ac magnetic. Dacă atârnați un ac magnetic NS pe un fir l (Fig. 2) astfel încât punctul de suspensie să coincidă cu centrul de greutate al săgeții, apoi săgeata va fi setată în direcția tangentei la linia de forță a câmpului magnetic al Pământului.

În emisfera nordică - capătul sudic va fi înclinat spre Pământ, iar săgeata va fi cu orizontul unghi de înclinareQ (pe ecuatorul magnetic înclinația Q este egal cu zero). Planul vertical în care se află săgeata se numește planul meridianului magnetic. Toate planurile meridianelor magnetice se intersectează în linie dreaptă NS , iar urmele de meridiane magnetice de pe suprafața pământului converg către polii magnetici N Și S . Deoarece polii magnetici nu coincid cu polii geografici, acul va fi deviat de la meridianul geografic. Unghiul pe care planul vertical care trece prin săgeată (adică meridianul magnetic) îl formează cu meridianul geografic se numește declinație magnetică A(Fig. 2). Vector

câmpurile intensității câmpului magnetic al Pământului pot fi descompuse în două componente: orizontală și verticală (Fig. 3). Valoarea unghiurilor de înclinare și declinare, precum și componenta orizontală, fac posibilă determinarea mărimii și direcției puterii totale a câmpului magnetic al Pământului la un punct dat. Dacă acul magnetic se poate roti liber numai în jurul axei verticale, atunci va fi instalat sub influența componentei orizontale a câmpului magnetic al Pământului în planul meridianului magnetic. Componentă orizontală, declinație magnetică A și înclinație Q sunt numite elemente ale magnetismului terestru. Toate elementele magnetismului terestru se schimbă în timp.

Câmpul magnetic al Pământului este similar cu cel al unui gigant magnet permanentînclinat la un unghi de 11 grade față de axa de rotație a acestuia. Dar există o nuanță aici, a cărei esență este că temperatura Curie pentru fier este de numai 770 ° C, în timp ce temperatura nucleului de fier al Pământului este mult mai mare și numai la suprafața sa este de aproximativ 6000 ° C. La această temperatură, magnetul nostru nu și-ar putea menține magnetizarea. Aceasta înseamnă că, deoarece miezul planetei noastre nu este magnetic, magnetismul terestru are o natură diferită. Deci, de unde vine câmpul magnetic al Pământului?

După cum știți, câmpurile magnetice înconjoară curenții electrici, așa că există toate motivele să presupunem că curenții care circulă într-un miez de metal topit sunt sursa câmpului magnetic al pământului. Forma câmpului magnetic al Pământului este într-adevăr similară cu câmpul magnetic al unei bobine cu curent.

Mărimea câmpului magnetic măsurată pe suprafața Pământului este de aproximativ o jumătate de Gauss, în timp ce liniile de forță, așa cum ar fi, părăsesc planeta din partea polului sud și intră în polul ei nord. În același timp, pe întreaga suprafață a planetei, inducția magnetică variază de la 0,3 la 0,6 Gauss.

În practică, prezența unui câmp magnetic în apropierea Pământului se explică prin efectul de dinam rezultat din curentul care circulă în miezul său, dar acest câmp magnetic nu este întotdeauna constant în direcție. Probele de rocă prelevate în aceleași locuri, dar având vârste diferite, diferă în direcția de magnetizare. Geologii raportează că în ultimii 71 de milioane de ani, câmpul magnetic al Pământului s-a inversat de 171 de ori!

Deși efectul dinam nu a fost studiat în detaliu, rotația Pământului cu siguranță joacă un rol. rol importantîn generarea de curenți care se presupune că sunt sursa câmpului magnetic al Pământului.

Sonda Mariner 2, care a explorat Venus, a descoperit că Venus nu are un astfel de câmp magnetic, deși miezul său, la fel ca nucleul Pământului, conține suficient fier.

Răspunsul este că perioada de rotație a lui Venus în jurul axei sale este de 243 de zile pe Pământ, adică generatorul de dinam al lui Venus se rotește de 243 de ori mai lent, iar acest lucru nu este suficient pentru a produce un efect de dinam real.

Interacționând cu particulele vântului solar, câmpul magnetic al Pământului creează condițiile pentru apariția în apropierea polilor așa-numitelor aurore.

Partea nordică a acului busolei este polul nord magnetic, care indică întotdeauna către polul nord geografic, care este practic polul sud magnetic. La urma urmei, după cum știți, polii magnetici opuși se atrag unul pe altul.

Cu toate acestea, întrebarea simplă este „cum își obține Pământul câmpul magnetic?” - încă nu are un răspuns clar. Este clar că generarea câmpului magnetic este asociată cu rotația planetei în jurul axei sale, deoarece Venus cu o compoziție similară a nucleului, dar care se rotește de 243 de ori mai lent, nu are un câmp magnetic măsurabil.

Pare plauzibil ca din rotirea lichidului miezului metalic, care constituie partea principală a acestui miez, să iasă imaginea unui conductor rotativ, creând un efect de dinam și funcționând ca un generator electric.

Convecția în lichidul părții exterioare a nucleului duce la circulația acestuia în raport cu Pământul. Aceasta înseamnă că materialul conductor electric se mișcă în raport cu câmpul magnetic. Dacă se dovedește a fi încărcat din cauza frecării dintre straturile din miez, atunci efectul unei bobine cu curent este destul de posibil. Un astfel de curent este destul de capabil să mențină câmpul magnetic al Pământului. Modelele computerizate la scară largă confirmă realitatea acestei teorii.

În anii 50, ca parte a strategiei " război rece”, Navele marinei americane au remorcat magnetometre sensibile pe fundul oceanului în timp ce căutau o modalitate de a detecta submarinele sovietice. În cursul observațiilor, s-a dovedit că câmpul magnetic al Pământului fluctuează cu 10% în raport cu magnetismul rocilor de pe fundul mării în sine, care avea direcția opusă magnetizării. Rezultatul a fost un model de inversări care a avut loc cu până la 4 milioane de ani în urmă, acesta a fost calculat prin metoda arheologică potasiu-argon.

Andrei Povny

În ultimele zile, pe site-urile de informații științifice au apărut o cantitate mare de știri despre câmpul magnetic al Pământului. De exemplu, vestea că În ultima vreme se modifică semnificativ sau că câmpul magnetic contribuie la scurgerea de oxigen din atmosfera pământului și chiar despre faptul că vacile se orientează pe liniile câmpului magnetic din pășuni. Ce este câmpul magnetic și cât de importante sunt toate știrile de mai sus?

Câmpul magnetic al Pământului este zona din jurul planetei noastre unde forte magnetice. Problema originii câmpului magnetic nu a fost încă rezolvată definitiv. Cu toate acestea, majoritatea cercetătorilor sunt de acord că prezența câmpului magnetic al Pământului se datorează cel puțin parțial nucleului său. Miezul Pământului este format dintr-o parte interioară solidă și părți exterioare lichide. Rotația Pământului creează curenți constanti în miezul lichid. După cum cititorul își amintește din lecțiile de fizică, mișcarea sarcini electrice creează un câmp magnetic în jurul lor.

Una dintre cele mai comune teorii care explică natura câmpului, teoria efectului dinam, presupune că mișcările convective sau turbulente ale unui fluid conducător în miez contribuie la autoexcitarea și menținerea câmpului într-o stare staționară.

Pământul poate fi considerat un dipol magnetic. Polul său sudic este situat la polul nord geografic și, respectiv, nordul, la sud. De fapt, polii geografici și magnetici ai Pământului nu coincid nu numai în „direcție”. Axa câmpului magnetic este înclinată față de axa de rotație a Pământului cu 11,6 grade. Datorită faptului că diferența nu este foarte semnificativă, putem folosi o busolă. Săgeata sa indică exact către polul magnetic sudic al Pământului și aproape exact către nordul geografic. Dacă busola ar fi fost inventată acum 720.000 de ani, ar fi indicat atât polul nord geografic, cât și polul magnetic. Dar mai multe despre asta mai jos.

Câmpul magnetic protejează locuitorii Pământului și sateliții artificiali de efectele nocive ale particulelor cosmice. Astfel de particule includ, de exemplu, particule ionizate (încărcate) ale vântului solar. Câmpul magnetic modifică traiectoria mișcării lor, direcționând particulele de-a lungul liniilor de câmp. Necesitatea unui câmp magnetic pentru existența vieții îngustează gama de planete potențial locuibile (dacă pornim de la presupunerea că formele de viață posibile ipotetic sunt similare cu locuitorii pământești).

Oamenii de știință nu exclud ca unele planete terestre să nu aibă un miez metalic și, în consecință, să fie lipsite de un câmp magnetic. Până acum, se credea că planetele, formate din roci solide, precum Pământul, conțin trei straturi principale: o crustă solidă, o manta vâscoasă și un miez de fier solid sau topit. Într-un studiu recent, oamenii de știință din Massachusetts Institutul de Tehnologie a propus formarea de planete „stâncoase” fără miez. Dacă calculele teoretice ale cercetătorilor sunt confirmate de observații, atunci pentru a calcula probabilitatea de a întâlni umanoizi în Univers, sau cel puțin ceva asemănător cu ilustrațiile dintr-un manual de biologie, acestea vor trebui rescrise.

Pământenii își pot pierde și protecția magnetică. Adevărat, geofizicienii nu pot spune încă exact când se va întâmpla acest lucru. Cert este că polii magnetici ai Pământului sunt instabili. Periodic își schimbă locul. Nu cu mult timp în urmă, cercetătorii au descoperit că Pământul „își amintește” de schimbarea polilor. O analiză a unor astfel de „amintiri” a arătat că în ultimii 160 de milioane de ani, nordul și sudul magnetic și-au schimbat locurile de aproximativ 100 de ori. Ultima dată când acest eveniment a avut loc acum aproximativ 720 de mii de ani.

Schimbarea polilor este însoțită de o modificare a configurației câmpului magnetic. Pe parcursul " perioadă de tranziție„În Pământ pătrund semnificativ mai multe particule cosmice periculoase pentru organismele vii. Una dintre ipotezele care explică dispariția dinozaurilor susține că reptilele gigantice s-au stins tocmai în timpul următoarei schimbări de poli.

Pe lângă „urmele” activităților planificate pentru schimbarea polilor, cercetătorii au observat schimbări periculoase în câmpul magnetic al Pământului. O analiză a datelor privind starea lui de-a lungul mai multor ani a arătat că în ultimele luni au început să apară la el. Oamenii de știință nu au înregistrat astfel de „mișcări” ascuțite ale câmpului de foarte mult timp. Zona de interes pentru cercetători este situată în partea de sud a Oceanul Atlantic. „Grosimea” câmpului magnetic din această regiune nu depășește o treime din cea „normală”. Cercetătorii au acordat de multă atenție acestei „găuri” din câmpul magnetic al Pământului. Datele culese de-a lungul a 150 de ani arată că domeniul de aici s-a slăbit cu zece procente în această perioadă.

Pe acest moment Este greu de spus cum acest lucru amenință omenirea. Una dintre consecințele slăbirii intensității câmpului poate fi o creștere (deși nesemnificativă) a conținutului de oxigen în atmosfera pământului. Legătura dintre câmpul magnetic al Pământului și acest gaz a fost stabilită folosind sistemul de satelit Cluster, un proiect al Agenției Spațiale Europene. Oamenii de știință au descoperit că câmpul magnetic accelerează ionii de oxigen și îi „aruncă” în spațiul cosmic.

În ciuda faptului că câmpul magnetic nu poate fi văzut, locuitorii Pământului îl simt bine. Păsările migratoare, de exemplu, își găsesc drumul, concentrându-se asupra ei. Există mai multe ipoteze care explică exact cum simt ei domeniul. Una dintre acestea din urmă sugerează că păsările percep un câmp magnetic. Proteinele speciale - criptocromi - în ochii păsărilor migratoare sunt capabile să-și schimbe poziția sub influența unui câmp magnetic. Autorii teoriei cred că criptocromii pot acționa ca o busolă.

Pe lângă păsări, țestoasele marine folosesc câmpul magnetic al Pământului în loc de GPS. Și, după cum arată analiza fotografiilor din satelit prezentate ca parte a proiectului Google Earth, vacile. După ce au studiat fotografiile a 8510 vaci din 308 regiuni ale lumii, oamenii de știință au ajuns la concluzia că aceste animale sunt preferate (sau de la sud la nord). Mai mult, „punctele de referință” pentru vaci nu sunt geografice, ci tocmai polii magnetici ai Pământului. Mecanismul percepției vacilor asupra câmpului magnetic și motivele unei astfel de reacții la acesta rămân neclare.

Pe lângă proprietățile remarcabile enumerate, câmpul magnetic contribuie. Acestea apar ca urmare a schimbărilor bruște ale câmpului care au loc în regiuni îndepărtate ale câmpului.

Câmpul magnetic nu a fost ignorat de susținătorii uneia dintre „teoriile conspirației” - teoria farsei lunare. După cum am menționat mai sus, câmpul magnetic ne protejează de particulele cosmice. Particulele „colectate” se acumulează în anumite părți ale câmpului - așa-numitele centuri de radiație Van Alen. Scepticii care nu cred în realitatea aterizărilor pe Lună cred că în timpul zborului prin centurile de radiații, astronauții ar primi o doză letală de radiații.

Câmpul magnetic al Pământului este o consecință uimitoare a legilor fizicii, un scut protector, reper și creator al aurorelor. Fără el, viața pe Pământ ar putea arăta foarte diferit. În general, dacă nu ar exista câmp magnetic, acesta ar trebui inventat.

În 1905, Einstein a numit cauza magnetismului terestru drept unul dintre cele cinci mistere principale ale fizicii contemporane.

La începutul secolului al XX-lea, însuși faptul existenței câmpului geomagnetic nu putea fi explicat în niciun fel (în ciuda faptului că trăsătura sa cea mai paradoxală nu era atunci pur și simplu bănuită). Se știa că polii magnetici se mișcau puțin pe suprafața pământului, dar nimeni nu a presupus că sunt capabili de un comportament mai radical - această descoperire era abia pe drum.

Tot în 1905, geofizicianul francez Bernard Brunhes a măsurat magnetismul depozitelor de lavă din Pleistocen din departamentul sudic Cantal. Vectorul de magnetizare al acestor roci era de aproape 180 de grade cu vectorul câmpului magnetic planetar (compatriotul său P. David a obținut rezultate similare chiar și cu un an mai devreme). Brunhes a ajuns la concluzia că în urmă cu trei sferturi de milion de ani, în timpul unei revărsări de lavă, direcția liniilor câmpului geomagnetic era opusă celei moderne. Așa că a fost descoperit efectul inversării (inversarea polarității) a câmpului magnetic al Pământului. În a doua jumătate a anilor 1920, concluziile lui Brunhes au fost confirmate de P.L. Mercanton și Monotori Matuyama, dar aceste idei au fost recunoscute abia la mijlocul secolului.

Știm acum că câmpul geomagnetic există de cel puțin 3,5 miliarde de ani, iar în acest timp polii magnetici au schimbat locuri de mii de ori (Brunhes și Matuyama au studiat ultima inversare, care le poartă acum numele). Câteodată câmpul geomagnetic își păstrează orientarea timp de zeci de milioane de ani, iar uneori nu mai mult de cinci sute de secole. Procesul de inversare în sine durează de obicei câteva milenii, iar după finalizarea acestuia, puterea câmpului, de regulă, nu revine la valoarea sa anterioară, ci se modifică cu câteva procente.

La începutul secolului al XX-lea, însuși faptul existenței câmpului geomagnetic nu putea fi explicat în niciun fel (în ciuda faptului că trăsătura sa cea mai paradoxală nu era atunci pur și simplu bănuită). Se știa că polii magnetici se mișcă puțin pe suprafața pământului, dar nimeni nu a presupus că sunt capabili de un comportament mai radical - această descoperire era tocmai pe cale.

Mecanismul inversării geomagnetice nu este destul de clar nici astăzi și chiar acum o sută de ani nu permitea deloc o explicație rezonabilă. Prin urmare, descoperirile lui Brunhes și David nu au făcut decât să întărească evaluarea lui Einstein - într-adevăr, magnetismul terestru era extrem de misterios și de neînțeles. Dar până atunci fusese studiat timp de peste trei sute de ani, iar în secolul al XIX-lea s-au angajat în ea vedete ale științei europene precum marele călător Alexander von Humboldt, genialul matematician Carl Friedrich Gauss și genialul fizician experimental Wilhelm Weber. Deci Einstein s-a uitat cu adevărat la rădăcină.

168 poli magnetici

Cât crezi că are planeta noastră poli magnetici? Aproape toată lumea va spune că două sunt în Arctica și Antarctica. De fapt, răspunsul depinde de definiția conceptului de pol. Polii geografici sunt considerați a fi punctele de intersecție ale axei pământului cu suprafața planetei. Pe măsură ce pământul se rotește ca solid, există doar două astfel de puncte și nimic altceva nu poate fi inventat. Dar cu polii magnetici, situația este mult mai complicată. De exemplu, un pol poate fi considerat o zonă mică (ideal din nou un punct) unde liniile magnetice de forță sunt perpendiculare pe suprafața pământului. Cu toate acestea, orice magnetometru înregistrează nu numai câmpul magnetic planetar, ci și câmpurile rocilor locale, curenții electrici ai ionosferei, particulele vântului solar și alte surse suplimentare de magnetism (și ponderea lor medie nu este atât de mică, de ordinul câteva procente). Cu cât dispozitivul este mai precis, cu atât mai bine face acest lucru - și, prin urmare, devine din ce în ce mai dificil să izolați adevăratul câmp geomagnetic (se numește cel principal), a cărui sursă este situată în adâncurile pământului. Prin urmare, coordonatele polului, determinate folosind măsurare directă, nu sunt stabile nici măcar pentru o perioadă scurtă de timp.

Polii sunt inversați

Mulți oameni știu că denumirile general acceptate pentru poli sunt exact opusul. În Arctica există un pol, spre care se îndreaptă capătul nordic al acului magnetic - prin urmare, ar trebui să fie considerat sudic ( stâlpi eponimi respinge, contrariile se atrag!). La fel, polul nord magnetic se bazează la latitudini mari în emisfera sudică. Cu toate acestea, în mod tradițional, numim polii în funcție de geografie. Fizicienii au fost de mult de acord că liniile de forță ies din polul nord al oricărui magnet și intră în sud. De aici rezultă că liniile magnetismului terestru părăsesc polul geomagnetic sudic și sunt trase spre nord. Aceasta este convenția și nu merită să o rupăm (este timpul să ne amintim de experiența tristă a lui Panikovsky!).

Poți acționa diferit și stabili poziția polului pe baza anumitor modele de magnetism terestru. În prima aproximare, planeta noastră poate fi considerată un dipol magnetic geocentric, a cărui axă trece prin centrul său. În prezent, unghiul dintre acesta și axa pământului este de 10 grade (cu câteva decenii în urmă era de peste 11 grade). Cu o modelare mai precisă, se dovedește că axa dipolului este deplasată față de centrul Pământului în direcția părții de nord-vest. Oceanul Pacific la aproximativ 540 km (acesta este un dipol excentric). Există și alte definiții.

Dar asta nu este tot. Câmpul magnetic terestru nu are cu adevărat simetrie dipolară și, prin urmare, are mai mulți poli, și în număr mare. Dacă considerăm Pământul ca un cvadrupol magnetic, un cvadrupol, va trebui să mai introducem doi poli - în Malaezia și în partea de sud a Oceanului Atlantic. Modelul octupol specifică cei opt poli și așa mai departe Cele mai avansate modele moderne de magnetism terestru funcționează cu până la 168 de poli. Trebuie remarcat faptul că doar componenta dipol a câmpului geomagnetic dispare temporar în timpul inversării, în timp ce celelalte se modifică mult mai slab.

Polul magnetic, indiferent cum îl definiți, nu stă pe loc. polul Nord dipolul geocentric în 2000 avea coordonate de 79,5 N și 71,6 W, iar în 2010 - 80,0 N și 72,0 W. Adevăratul Pol Nord (cel pe care îl dezvăluie măsurătorile fizice) din 2000 s-a deplasat de la 81 0 N și 109,7 W și 85,2 N și 127,1 W. Aproape tot secolul XX, nu a depășit 10 km pe an, dar după 1980 a început brusc să se miște mult mai repede. La începutul anilor 1990, viteza sa depășea 15 km pe an și continuă să crească.

Rezultat simulare pe calculator inversări ale câmpului geomagnetic în modelul Roberts și Glatzmayer la intervale de zeci și sute de mii de ani.

Lawrence Newitt, fost șef al laboratorului geomagnetic de la Canadian Geological Survey, a declarat pentru Popular Mechanics că adevăratul pol migrează acum spre nord-vest, mișcându-se 50 km anual. Dacă vectorul mișcării sale nu se schimbă timp de câteva decenii, atunci până la mijlocul secolului al XXI-lea va fi în Siberia. Conform reconstrucției efectuate în urmă cu câțiva ani de același Newitt, în secolul XVII și secolele XVIII polul magnetic nord s-a deplasat în principal spre sud-est și abia în jurul anului 1860 sa întors spre nord-vest. Adevăratul pol magnetic sud s-a deplasat în aceeași direcție în ultimii 300 de ani, iar deplasarea sa medie anuală nu depășește 10-15 km.

dinam de fier

De unde provine câmpul magnetic al Pământului? Una dintre explicațiile posibile este pur și simplu izbitoare. Pământul are un miez intern solid de fier-nichel, a cărui rază este de 1220 km. Întrucât aceste metale sunt feromagnetice, de ce să nu presupunem că miezul interior are o magnetizare statică, care asigură existența câmpului geomagnetic? Multipolaritatea magnetismului terestru poate fi atribuită asimetriei distribuției domeniilor magnetice în interiorul nucleului. Migrarea polilor și inversarea câmpului geomagnetic este mai greu de explicat, dar poate se poate încerca.

Cu toate acestea, nu iese nimic din asta. Toți feromagneții rămân feromagnetici (adică păstrează magnetizarea spontană) doar sub o anumită temperatură - punctul Curie. Pentru fier, este de 768 ° C (pentru nichel, mult mai mică), iar temperatura nucleului interior al Pământului este mult mai mare de 5000 de grade. Prin urmare, trebuie să ne despărțim de ipoteza geomagnetismului static. Cu toate acestea, este posibil ca în spațiu să existe planete răcite cu nuclee feromagnetice.

Să luăm în considerare o altă posibilitate. Planeta noastră are, de asemenea, un nucleu exterior lichid de aproximativ 2300 km grosime. Constă dintr-o topitură de fier și nichel cu un amestec de elemente mai ușoare (sulf, carbon, oxigen și, eventual, potasiu radioactiv - nimeni nu știe sigur). Temperatura părții inferioare a nucleului exterior aproape coincide cu temperatura nucleului interior, iar în zona superioară la limita cu mantaua scade la 4400 °C. Prin urmare, este destul de firesc să presupunem că, din cauza rotației Pământului, acolo se formează curenți circulari, care pot fi cauza apariției magnetismului terestru.

Această schemă a fost discutată de geofizicienii în urmă cu aproximativ 80 de ani. Ei credeau că fluxurile lichidului conductor al miezului exterior, datorită energiei lor cinetice, generează curenți electrici care învăluie axa pământului. Acești curenți generează un câmp magnetic predominant de tip dipol, ale cărui linii de forță pe suprafața Pământului sunt alungite de-a lungul meridianelor (un astfel de câmp se numește poloidal). Acest mecanism este asociat cu funcționarea unui dinam, de unde și numele.

Schema descrisă este frumoasă și ilustrativă, dar, din păcate, este eronată. Se bazează pe presupunerea că mișcarea materiei în miezul exterior este simetrică față de axa pământului. Cu toate acestea, în 1933, matematicianul englez Thomas Cowling a demonstrat o teoremă conform căreia nici un flux axisimetric nu poate asigura existența unui câmp geomagnetic pe termen lung. Chiar dacă va apărea, vârsta sa va fi scurtă, de zeci de mii de ori mai mică decât vârsta planetei noastre. Avem nevoie de un model mai complex.

Toată puterea în convecție

„Nu știm exact când a apărut magnetismul terestru, dar s-ar fi putut întâmpla la scurt timp după formarea mantalei și a nucleului exterior”, spune David Stevenson, unul dintre cei mai mari experți în magnetism planetar, profesor la Institutul de Tehnologie din California. - Pentru a porni geodinamul, este necesar un câmp de semințe extern, și nu neapărat unul puternic. Acest rol, de exemplu, ar putea fi asumat de câmpul magnetic al Soarelui sau de câmpurile de curenți generați în miez datorită efectului termoelectric. În cele din urmă, acest lucru nu este prea important, au existat suficiente surse de magnetism. În prezența unui astfel de câmp și a mișcării circulare a fluxului de fluid conductiv, lansarea unui dinam intraplanetar a devenit pur și simplu inevitabilă.”

Aurora este generată de interacțiunea dintre atmosferă și particulele încărcate prinse în câmpul magnetic al Pământului, care în regiunile circumpolare este perpendicular pe suprafață.

Iată explicația general acceptată pentru o astfel de lansare. Să fie, pentru simplitate, câmpul de semințe să fie aproape paralel cu axa de rotație a Pământului (de fapt, este suficient dacă are o componentă diferită de zero în această direcție, ceea ce este aproape inevitabil). Viteza de rotație a substanței miezului exterior scade pe măsură ce adâncimea scade și, datorită conductivității sale electrice ridicate, liniile câmpului magnetic se mișcă odată cu ea - după cum spun fizicienii, câmpul este „înghețat” în mediu. Prin urmare, liniile de forță ale câmpului de semințe se vor îndoi, mișcându-se înainte la adâncimi mai mari și rămânând în urmă la cele mai puțin adânci. În cele din urmă, se vor întinde și se vor deforma atât de mult încât vor da naștere unui câmp toroidal, bucle magnetice circulare în jurul axei pământului și direcționate în direcții opuse în nord și emisferele sudice. Acest mecanism se numește efect w.

Potrivit profesorului Stevenson, este foarte important să înțelegem că câmpul toroidal al nucleului exterior a apărut datorită câmpului de semințe poloidale și, la rândul său, a dat naștere unui nou câmp poloidal observat la suprafața pământului: „Ambele tipuri de geodinam planetar. câmpurile sunt interconectate și nu pot exista unele fără altele”.

Protectie magnetica

Monitorizarea magnetismului terestru se realizează folosind o rețea extinsă de observatoare geomagnetice, a cărei creare a început în anii 1830. În aceleași scopuri, sunt utilizate instrumente navale, aviatice și spațiale (de exemplu, magnetometrele scalare și vectoriale ale satelitului danez Oersted, care funcționează din 1999). Intensitatea câmpului geomagnetic variază de la aproximativ 20.000 de nanotesla în largul coastei Braziliei până la 65.000 de nanotesla în apropierea Polului Sud magnetic. Din 1800, componenta sa dipol a scăzut cu aproape 13% (și cu 20% de la mijlocul secolului al XVI-lea), în timp ce componenta sa cvadrupol a crescut ușor. Studiile paleomagnetice arată că timp de câteva milenii înainte de începutul erei noastre, intensitatea câmpului geomagnetic a crescut cu încăpățânare, apoi a început să scadă. Cu toate acestea, momentul actual de dipol planetar este mult peste media sa din ultimii 150 de milioane de ani (măsurători paleomagnetice au fost publicate în 2010, arătând că în urmă cu 3,5 miliarde de ani câmpul magnetic al Pământului era de două ori mai slab decât este astăzi). Asta înseamnă că toată povestea societăţile umane de la apariţia primelor stări până în epoca noastră a căzut pe maximul local al câmpului magnetic al pământului. Este interesant să ne gândim dacă acest lucru a influențat progresul civilizației. O astfel de presupunere încetează să pară fantastică, având în vedere că câmpul magnetic protejează biosfera de radiațiile cosmice. Și iată o altă împrejurare care merită remarcată. În tinerețe și chiar în adolescența planetei noastre, toată substanța nucleului său era în fază lichidă. Miezul interior solid s-a format relativ recent, poate chiar acum un miliard de ani. Când s-a întâmplat acest lucru, curenții de convecție au devenit mai ordonați, rezultând o funcționare mai stabilă a geodinamului. Din această cauză, câmpul geomagnetic a câștigat în amploare și stabilitate. Se poate presupune că această împrejurare a afectat favorabil evoluția organismelor vii. În special, creșterea geomagnetismului a îmbunătățit protecția biosferei de radiațiile cosmice și a facilitat astfel apariția vieții din ocean pe uscat.

Magnetism imprevizibil

În urmă cu 15 ani, Gary Glatzmyer, împreună cu Paul Roberts, au publicat un model computerizat foarte frumos al câmpului geomagnetic: „În principiu, există de multă vreme o explicație adecvată pentru geomagnetism. aparate matematice- ecuații de magnetohidrodinamică plus ecuații care descriu forța gravitației și fluxurile de căldură în interiorul nucleului pământului. Modelele bazate pe aceste ecuații sunt foarte complexe în forma lor originală, dar pot fi simplificate și adaptate pentru calcule computerizate. Exact asta am făcut eu și Roberts. O rulare a supercalculatorului a făcut posibilă construirea unei descrieri auto-consistente a evoluției pe termen lung a vitezei, temperaturii și presiunii fluxurilor de materie în miezul exterior și a evoluției câmpurilor magnetice asociate cu acestea. De asemenea, am constatat că, dacă jucăm simularea pe intervale de timp de ordinul a zeci și sute de mii de ani, atunci în mod inevitabil apar inversări ale câmpului geomagnetic. Deci, în acest sens, modelul nostru face o treabă destul de bună de a transmite istoria magnetică a planetei. Cu toate acestea, există o problemă care nu a fost încă rezolvată. Parametrii substanței nucleului exterior, care sunt incluși în astfel de modele, sunt încă prea departe de condițiile reale. De exemplu, a trebuit să acceptăm că vâscozitatea sa este foarte mare, altfel resursele celor mai puternice supercomputere nu vor fi suficiente. De fapt, nu este așa, există toate motivele să credem că aproape coincide cu vâscozitatea apei. Modelele noastre actuale sunt neputincioase să țină cont de turbulențele, care, fără îndoială, au loc. Însă computerele capătă avânt în fiecare an, iar peste zece ani vor exista simulări mult mai realiste.

„Lucrarea geodinamului este inevitabil asociată cu schimbări haotice ale fluxurilor de topitură fier-nichel, care se transformă în fluctuații ale câmpurilor magnetice”, adaugă profesorul Stevenson. „Inversarile magnetismului terestru sunt pur și simplu cele mai puternice fluctuații posibile. Deoarece sunt de natură stohastică, cu greu pot fi prezise în avans - în orice caz, nu știm cum.

100 de mari secrete ale Pământului Alexander Volkov

Cum provine câmpul magnetic al Pământului?

Dacă Pământul nu ar avea un câmp magnetic, atunci el însuși și lumea organismelor vii care îl locuiesc ar arăta complet diferit. Magnetosfera, ca un ecran de protecție uriaș, protejează planeta de radiațiile cosmice, care cade constant pe ea. Despre puterea fluxului de particule încărcate care emană nu numai de la Soare, ci și de la alții corpuri cerești, poate fi judecat după modul în care câmpul magnetic al Pământului este deformat. De exemplu, sub presiunea vântului solar, liniile de forță de pe partea îndreptată spre Soare sunt apăsate împotriva Pământului, iar pe partea opusă flutură ca o coadă de cometă. După cum arată observațiile, magnetosfera se extinde pe 70-80 de mii de kilometri spre Soare și pe multe milioane de kilometri în direcția opusă față de acesta.

Cel mai sigur, acest ecran își îndeplinește funcțiile acolo unde este cel mai puțin deformat, unde este paralel cu suprafața Pământului sau ușor înclinat față de aceasta: în regiunea ecuatorială sau în latitudini temperate. Dar mai aproape de poli, se găsesc defecte în el. Radiația cosmică pătrunde la suprafața Pământului și, ciocnind în ionosferă cu particulele încărcate (ionii) din învelișul aerului, generează un efect colorat - fulgerări de auroră. Dacă acest ecran nu a existat, radiații cosmice ar pătrunde continuu la suprafața planetei și ar provoca mutații în moștenirea genetică a organismelor vii. Experimentele de laborator arată, de asemenea, că absența magnetismului terestru afectează negativ formarea și creșterea țesuturilor vii.

Misterele câmpului magnetic al Pământului sunt strâns legate de originea acestuia. Planeta noastră nu seamănă deloc cu un magnet de bară. Câmpul său magnetic este mult mai complicat. Există diferite teorii care explică de ce Pământul are acest câmp. Într-adevăr, pentru ca acesta să existe, trebuie îndeplinită una dintre cele două condiții: fie există un „magnet” uriaș în interiorul planetei - un fel de corp magnetizat (de mult timp, oamenii de știință au crezut așa), fie curge un curent electric. Acolo.

Recent, cea mai populară teorie a „dinamului” pământului. Pe la mijlocul anilor 1940, a fost propus fizician sovietic EU SI. Frenkel. Peste 90% din câmpul magnetic al Pământului este generat de funcționarea acestui „dinam”. Restul este creat de mineralele magnetizate conținute în scoarța terestră.

Modelul computerizat al câmpului magnetic al Pământului

Cum apare câmpul magnetic al Pământului? La o distanță de aproximativ 2900 de kilometri de suprafața sa, începe nucleul pământului - acea regiune a planetei la care cercetătorii nu o vor putea ajunge niciodată. Miezul este format din două părți: un miez interior solid, comprimat la o presiune de 2 milioane de atmosfere și care conține în principal fier, și o parte exterioară topită, care se comportă foarte haotic. Această topitură a fierului și nichelului este în continuă mișcare. Câmpul magnetic este creat datorită fluxurilor convective din miezul exterior. Aceste fluxuri sunt menținute printr-o diferență de temperatură vizibilă între miezul interior solid și mantaua Pământului.

Partea interioară a miezului se rotește mai repede decât cea exterioară și joacă rolul rotorului - partea rotativă a generatorului electric, în timp ce partea exterioară - rolul statorului (partea sa staționară). În substanța topită a miezului exterior, este excitat un curent electric, care, la rândul său, generează un câmp magnetic puternic. Acesta este principiul dinamului. Cu alte cuvinte, miezul pământului este un electromagnet uriaș. linii de forță a câmpului magnetic creat de el începe în regiunea unui pol al Pământului și se termină în regiunea celuilalt pol. Forma și intensitatea acestor linii variază.

Câmpul magnetic al Pământului s-a născut, după cum cred oamenii de știință, chiar și în momentul în care formarea planetei tocmai avea loc. Poate că Soarele a jucat un rol decisiv. A lansat acest „dinam” natural, care își continuă activitatea și acum.

Miezul este înconjurat de o manta. Straturile sale inferioare sunt sub presiune mare și încălzite la temperaturi foarte ridicate. La limita care separă mantaua și miezul au loc procese intense de transfer de căldură. Transferul de căldură joacă un rol esențial. Căldura curge din miezul fierbinte al Pământului către mantaua mai rece, iar acest lucru afectează fluxurile convective din nucleul însuși, le modifică.

În zonele de subducție, de exemplu, secțiuni ale fundului mării se scufundă adânc în Pământ, aproape atingând limita care separă mantaua și miezul. Aceste bucăți de plăci litosferice, „trimise” pentru a se topi din nou în intestinele planetei, sunt vizibil mai reci decât partea mantalei în care au ajuns. Ei răcesc regiunile mantalei care le înconjoară și căldura începe să curgă aici din partea nucleului Pământului. Acest proces este foarte lung. Calculele arată că uneori abia după sute de milioane de ani temperatura regiunilor răcite ale mantalei se uniformizează.

La rândul său, substanța fierbinte, care se ridică sub formă de jeturi uriașe de la limita care separă mantaua și miezul, ajunge la suprafața planetei. Această circulație a materiei, aceste procese complexe de curgere în sus și în jos, pe „Elevatorul Pământului” fie materie fierbinte, fie foarte rece, afectează fără îndoială funcționarea „dinamului” natural. Mai devreme sau mai târziu, își iese din ritmul obișnuit, iar atunci câmpul magnetic pe care îl creează începe să se schimbe. Modelele computerizate arată că din când în când totul se poate ajunge la o schimbare a polilor magnetici.

Nu este nimic neobișnuit în această inversare a polilor. Acest lucru s-a întâmplat adesea în istoria planetei noastre. Au fost însă epoci când schimbarea polilor s-a oprit. De exemplu, în perioada Cretacicului, ei nu și-au schimbat locul timp de aproape 40 de milioane de ani.

Încercând să explice acest fenomen, cercetătorii francezi conduși de Francois Petreli au atras atenția asupra poziției continentelor față de ecuator. S-a dovedit că, cu cât mai multe continente se află într-una dintre emisferele Pământului, cu atât câmpul magnetic își schimbă direcția mai des. Dacă, dimpotrivă, continentele sunt situate simetric față de ecuator, atunci timp de multe milioane de ani câmpul magnetic rămâne stabil.

Deci, poate poziția continentelor afectează curenții convectivi din partea exterioară a nucleului? În acest caz, această influență se realizează prin zonele de subducție. Când aproape toate continentele se află într-una dintre emisfere, va exista mai multe zone subducție. Crusta masivă și rece va continua să se scufunde până la limita care separă mantaua și miezul și se va acumula acolo. Congestia rezultată va perturba fără îndoială schimbul de căldură dintre manta și miez. Modelul computerizat arată că fluxurile convective din miezul exterior sunt, de asemenea, deplasate din această cauză. Acum sunt deja asimetrice față de ecuator. Evident, cu un astfel de aranjament, „dinamul” pământesc este mai ușor de dezechilibrat. Ea este ca o persoană care stă pe un picior și gata să-și piardă echilibrul dintr-o împingere ușoară. Deci câmpul magnetic „se răstoarnă” brusc.

Deci, este foarte probabil ca schimbarea polilor magnetici să fie influențată de procesele tectonice care au loc pe planeta noastră și, mai ales, de mișcarea continentelor. Alte studii paleomagnetice pot clarifica acest lucru.În orice caz, oamenii de știință descoperă din ce în ce mai multe fapte care indică faptul că există o anumită legătură între mișcarea plăcilor litosferice de pe suprafața Pământului și „dinamul” care creează câmpul magnetic al Pământului și este localizat. chiar în centrul planetei...

Acest text este o piesă introductivă.