Год науки и технологий 2021
Что будет, когда Северный и Южный полюсы поменяются местами?
10 октября в рамках фестиваля «NAUKA 0+» в Фундаментальной библиотеке МГУ прошла лекция «Планета Земля и её удивительный магнетизм». Спикером выступил Роман Веселовский, доктор геолого-минералогических наук, профессор РАН, доцент геологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.
«Все обычно носят с собой телефоны, а я ношу очень модный аксессуар – компас»
Как можно узнать, что у Земли есть магнитное поле, ведь органам чувств человека оно не подвластно? У Романа Витальевича Веселовского есть ответ на этот вопрос. Наличие магнитного поля в определённом месте вычисляется с помощью компаса. Он был изобретён ещё до нашей эры в Китае и до сих пор активно используется. 400 лет назад у учёных было предположение, что стрелка магнитного компаса притягивается к некой Магнитной горе, которая находится на Северном полюсе. Магнитная гора интересовала всех, к ней хотели приблизиться и изучить её особенности, однако экспедиции достигли этих мест относительно недавно – около 200 лет назад. В 1831 году экспедицией Джона и Джеймса Россов был достигнут Северный магнитный полюс. Изучая фьорды Канадского архипелага, они добрались до той точки, где стрелка компаса показала ровно вниз, то есть вертикально, и это не ошибка. Обычные компасы ориентируются только в горизонтальной плоскости – измеряют магнитное склонение, но специальные приборы, способные ориентироваться в вертикальной плоскости, вычисляют магнитное наклонение. Его можно измерить и в домашних условиях: подвесить магнитную стрелку на ниточке и дать спокойно сориентироваться в пространстве. Таким образом, магнитный полюс определяется магнитным наклонением: на Северном полюсе стрелка компаса будет смотреть вертикально вниз, а на Южном – вверх. Южный полюс был достигнут экспедицией Джеймса Росса в 1839-1843 годах, но мореплаватели не смогли добраться до точного места, где он располагался: до заветной точки не хватило около 200 километров. В 1843 году Джеймс Росс математически вычислил местоположение Южного магнитного полюса, с этого времени стали известны точные координаты обоих полюсов.
«Пока я с вами разговариваю и читаю лекцию, магнитный полюс перемещается из одного конца конференц-зала в другой»
Издавна люди заметили, что если на долгое время положить компас на одно место и не давать ему двигаться, то его стрелка изменяет своё направление. Сейчас это называется дрейфом магнитного поля. За несколько лет можно заметить, что стрелка значительно меняет своё направление, следовательно, то место, куда она показывала, перемещается, то есть магнитный полюс перемещается в пространстве с течением времени. Сложно ожидать от инертной на первый взгляд Земли настолько быстрый дрейф магнитного полюса – за последние 20 лет он пробежал расстояние около 1000 километров. За каждый год магнитный полюс в среднем пробегает около 50 километров.
«Земля работает как огромная тепловая машина, что способствует образованию магнитного поля»
В дискуссиях об изменении магнитного поля родились вопросы: «Откуда берётся магнитное поле? Что является источником магнитного поля у Земли?» Физик Уильям Гильберт предположил, что Земля – это однородно намагниченная сфера. Эта гипотеза основывалась на том, что магнитная сфера, как и магнитный брусок, создаёт вокруг себя магнитное поле той же конфигурации, что мы наблюдаем посредством измерения магнитного поля компасом. Концентрические силовые линии магнитного поля нельзя увидеть, их возможно определить с помощью специального прибора. Эти линии имеют такую же конфигурацию, что и у магнитного диполя (прим. ред. диполя — маленького плоский витка с током; размеры витка намного меньше расстояния, на котором наблюдается его магнитное поле) . Однако дальнейшие исследования показали, что Земля не может быть однородно намагниченной сферой, поэтому следующим направлением в исследовании магнитного поля нашей планеты был поиск механизма внутри Земли, генерирующего магнитное поле по принципу катушки с током, поскольку она создаёт такие же по конфигурации силовые линии. Если смотреть на внутреннее строение Земли, внешнее ядро планеты – единственная её часть, которая находится в жидком состоянии; следовательно, от него можно ожидать быстрых изменений и процессов. Течение вещества во внешнем ядре происходит буквально на наших глазах, поэтому, возможно, генерация магнитного поля происходит именно в нём. Два главных условия существования магнитного поля на Земле: её быстрое вращение вокруг своей оси и конвекция (прим. ред. конвекция — это явление переноса теплоты в жидкостях или газах, или сыпучих средах потоками вещества) во внешнем ядре. В результате кристаллизации внутреннего ядра, его увеличения и роста выделяется большое тепло, передающееся веществу внешнего ядра, оно подогревается и в нем происходит тепловая конвекция. Эти особенности были выявлены с помощью численного моделирования магнитного геодинамо (прим. ред. геодинамо — это эффект самогенерации магнитного поля при определённом движении проводящей жидкости) Земли.
«Однажды мне позвонили с НТВ и спросили: «Нас ждёт инверсия? Мы все умрём или как?»
Магнитное поле фиксируется на протяжении нескольких сотен лет, а что было до этого – неизвестно. Одна из наиболее неисследованных особенностей магнитного поля – это переполюсовка, или инверсия. Два года назад в СМИ по поводу инверсии поднялся шум, эта тема привлекла большое внимание. Поскольку Северный полюс перемещается очень быстро, это может являться скорым предвестником переполюсовки магнитного поля. Помимо того, что быстро перемещается магнитный полюс, ещё и напряжённость магнитного поля сильно падает. Длина магнитного поля измеряется магнитометрами, она и характеризует его напряжённость. Её показатели показывают, что магнитное поле стало резко сокращаться, если так пойдёт и дальше, то, чисто теоретически, через тысячу лет магнитное поле может исчезнуть. Эти смелые предположения взволновали общество. Инверсия магнитного поля действительно существует. Эти процессы наблюдались в прошлом: последняя инверсия магнитного поля произошла 780 тысяч лет назад. Всего за историю Земли мы знаем несколько сотен, если не тысяч инверсий магнитного поля. За последние 5 млн лет произошло 20 инверсий. Следовательно, инверсия – это такое свойство магнитного поля, которое мы должны учитывать в своих моделях, уметь прогнозировать её в будущем и изучать её влияние на живые организмы. Об инверсии стало известно благодаря так называемому дну океанов. В 50-е годы двадцатого века было доказано, что дно океанов расширяется, и при внедрении магматических пород в срединно-океанических хребтах формируется запись магнитного поля Земли на тот момент, когда вводились эти магматические породы. Эти записи показывают неоднократные инверсии на Земле, к тому же по ним можно определить, что инверсии происходили нерегулярно. Кроме того, интервалы времени, когда Земля имела одинаковую полярность, имели совсем разную продолжительность: от нескольких десятков тысяч до десятков миллионов лет. Из этого следует интересный вывод: мы не знаем, когда произойдёт следующая инверсия.
Считается, что, так как инверсия не фиксировалась уже 780 тысяч лет, она должна скоро произойти, на это указывает и быстрое смещение полюса; однако историки магнитного поля говорят, что такие быстрые смещения полюса тоже происходили в прошлом, и далеко не каждое ускорение перемещения магнитных полюсов заканчивалось инверсией. Поле может остановиться, замедлиться, вернуться назад. По современным представлениям, инверсия – это не просто переворот магнитного поля на 180 градусов. Магнитное поле ослабевает почти до нуля, а потом снова возникает в обратном направлении. Момент, когда поле ослабевает почти до нуля, волнует практически всех, поскольку в это время наша Земля теряет свой магнитоэкран, магнитосферу. Планета становится более уязвимой, так как радиационный фон от Солнца увеличивается. Однако недавно учёные с Физического факультета МГУ посчитали, что при выключении магнитного поля радиационный фон на Земле увеличится всего лишь в два-три раза, что не представляет никакой опасности для живых организмов, пострадают только космонавты на МКС, так как на высоте примерно 400 километров фон увеличится раз в 20-25 – это уже серьёзно. В науке нет данных о том, что инверсии влекли за собой изменения в жизни биосферы Земли.
«То время, которое люди живут на Земле, — это ничто для геологической истории планеты»
Магнитное поле детально изучается последние 100 лет, что представляет собой момент для геологической науки, однако непонятно, как оно выглядело в момент появления Земли. Реконструкцией вида магнитного поля несколько миллионов или даже миллиардов лет назад занимается специальная наука – палеомагнитология. Магнитные минералы, наиболее часто встречающийся из них в природе – магнетит, или магнитный железняк, фиксируют и хранят магнитный сигнал. Если горная порода после своего образования не нагревается, не деформируется и не испытывает химических превращений, то она может записать, сохранить и донести до наших дней сведения о магнитном поле Земли в прошлом вплоть до 4 млрд лет. Палеомагнитология занимается считыванием информации с этих горных пород. Самый яркий выход из палеомагнитных исследований – восстановление облика Земли в прошлом. Это важно для того, чтобы спрогнозировать положение континентов в будущем. Пангея Проксима, объединяющая практически все континенты, – модель внешнего облика Земли через 250 млн лет. Детально реконструировать магнитное поле можно с помощью археомагнетизма, то есть артефактов – черепков, обожжённой керамики. В них присутствуют магнитные материалы, поэтому, выпилив из этих артефактов кубики, можно считывать с этих предметов магнитную информацию, реконструировать поведение магнитного поля в прошлом с точностью до определённого возраста этой керамики.
«Магнитное поле могут определять не только птицы и рыбы, но и бактерии!»
Биомагнетизм – особое направление науки. Человек не может осязать магнитное поле, но, как выяснилось, у многих мигрирующих представителей биосферы – рыб, птиц, бабочек, китов, дельфинов – имеются такие рецепторы, они ощущают его. Например, у голубей в ухе обнаружены клетки, которые особым образом определяют направление магнитного поля земли. Такие же клетки есть у рыб и других перечисленных ранее животных. Даже такие простейшие одноклеточные вещества, как магнитотактические бактерии, могут ориентироваться по магнитному полю Земли.
«Магнитное поле для человека – шестое чувство?»
Палеомагнитолог из Калифорнийского университета Джо Киршвинг интересуется тем, может ли всё-таки человек распознать магнитное поле. Он посадил себя в кольца Гельмгольца, которые могут создавать магнитное поле определённого направления и напряжённости в определённом объёме пространства, надел много датчиков и попытался найти в себе шестое чувство – способность определять магнитное поле Земли. Киршвинг предположил, что у некоторых людей есть этот дар. Например, у своего студента, которого он посадил за эту установку, он не нашёл его, а у себя что-то обнаружил: при изменении магнитного поля в мозге учёного что-то шевелилось. Джо Киршвинг продолжает эксперименты, может быть, это выльется в новое научное открытие.
«Лунариум»
Время работы: с 10:00 до 21:00,
Выходной день: вторник
«Ретро-кафе»: в дни работы Планетария с 10:00 до 20:00.
+7 (495) 221-76-90
АО «Планетарий» © 2017 г. Москва, ул.Садовая-Кудринская, д. 5, стр. 1
> Магнитное поле Земли
- Залы Планетария
- Схема Планетария
- Экспонаты
Экспонат музея Лунариум
Магнитное поле Земли
Магнитное поле Земли или геомагнитное поле — это гигантское магнитное силовое поле, окружающее нашу планету. По мнению учёных, магнитное поле играет важнейшую роль в том, чтобы Земля была пригодной для жизни. Оно защищает её на дальних подступах от вредоносных воздействий солнечного ветра и космического излучения. Основной источник магнитного поля находится внутри Земли – в ядре. В некотором упрощении можно сказать, что земной шар представляет собой полосовой магнит с осью, направленной приблизительно с севера на юг. Точки пересечения оси магнита с поверхностью Земли называются геомагнитными полюсами, которые на протяжении геологической истории Земли (4,5 млрд. лет) неоднократно менялись местами. Такую смену полюсов называют инверсией.
Причина смены полярности до сих пор не ясна. При инверсии геомагнитных полюсов северный конец магнитной стрелки будет указывать на юг, а южный – на север. Постоянное движение геомагнитных полюсов является причиной колебаний магнитного склонения на поверхности Земли. Поэтому стрелка магнитного компаса указывает на север или юг приблизительно.
Друзья, если вы хотите увидеть, как работает магнитное поле Земли, экспонат Лунариума – «Магнитное поле Земли» ждёт вас!
РЕЖИМ РАБОТЫ
с 10.00 до 21.00
выходной — вторник
Экспозиция верхнего уровня посвящена Земле.
Экспозиция нижнего уровня посвящена Вселенной.
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ. Большинство планет Солнечной системы в той или иной степени обладают магнитными полями. По убыванию дипольного магнитного момента на первом месте Юпитер и Сатурн, а за ними следуют Земля, Меркурий и Марс, причем по отношению к магнитному моменту Земли значение их моментов составляет 20 000, 500, 1, 3/5000 3/10000. Дипольный магнитный момент Земли на 1970 составлял 7,98·10 25 Гс/см 3 (или 8,3·10 22 А.м 2 ), уменьшаясь за десятилетие на 0,04·10 25 Гс/см 3 . Средняя напряженность поля на поверхности составляет около 0,5 Э (5·10 –5 Тл). По форме основное магнитное поле Земли до расстояний менее трех радиусов близко к полю эквивалентного магнитного диполя. Его центр смещен относительно центра Земли в направлении на 18° с.ш. и 147,8° в. д. Ось этого диполя наклонена к оси вращения Земли на 11,5°. На такой же угол геомагнитные полюса отстоят от соответствующих географических полюсов. При этом южный геомагнитный полюс находится в северном полушарии. В настоящее время он расположен недалеко от северного географического полюса Земли в Северной Гренландии. Его координаты j = 78,6 + 0,04° Т с.ш., l = 70,1 + 0,07° T з.д., где Т – число десятилетий от 1970. У северного магнитного полюса j = 75 ° ю.ш., l = 120,4 ° в.д. (в Антарктиде). Реальные магнитные силовые линии магнитного поля Земли в среднем близки к силовым линиям этого диполя, отличаясь от них местными нерегулярностями, связанными с наличием намагниченных пород в коре. В результате вековых вариаций геомагнитный полюс прецессирует относительно географического полюса с периодом около 1200 лет. На больших расстояниях магнитное поле Земли несимметрично. Под действием исходящего от Солнца потока плазмы (солнечного ветра) магнитное поле Земли искажается и приобретает «шлейф» в направлении от Солнца, который простирается на сотни тысяч километров, выходя за орбиту Луны.
Также по теме:
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.
Происхождение магнитного поля.
Наблюдаемые свойства магнитного поля Земли согласуются с представлением о его возникновении благодаря механизму гидромагнитного динамо. В этом процессе первоначальное магнитное поле усиливается в результате движений (обычно конвективных или турбулентных) электропроводящего вещества в жидком ядре планеты или в плазме звезды. При температуре вещества в несколько тысяч К его проводимость достаточно высока, чтобы конвективные движения, происходящие даже в слабо намагниченной среде, могли возбуждать изменяющиеся электрические токи, способные, в соответствии с законами электромагнитной индукции, создавать новые магнитные поля. Затухание этих полей либо создает тепловую энергию (по закону Джоуля), либо приводит к возникновению новых магнитных полей. В зависимости от характера движений эти поля могут либо ослаблять, либо усиливать исходные поля. Для усиления поля достаточно определенной асимметрии движений. Таким образом, необходимым условием гидромагнитного динамо является само наличие движений в проводящей среде, а достаточным – наличие определенной асимметрии (спиральности) внутренних потоков среды. При выполнении этих условий процесс усиления продолжается до тех пор, пока растущие с увеличением силы токов потери на джоулево тепло не уравновесят приток энергии, поступающей за счет гидродинамических движений.
Также по теме:
Динамо-эффект – самовозбуждение и поддержание в стационарном состоянии магнитных полей вследствие движения проводящей жидкости или газовой плазмы. Его механизм подобен генерации электрического тока и магнитного поля в динамо-машине с самовозбуждением. С динамо-эффектом связывают происхождение собственных магнитных полей Солнца Земли и планет, а также их локальные поля, например, поля пятен и активных областей.
Составляющие геомагнитного поля.
Собственное магнитное поле Земли (геомагнитное поле) можно разделить на следующие три основные части.
Также по теме:
СОЛНЕЧНЫЙ ВЕТЕР
1. Основное магнитное поле Земли, 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
Структура магнитного поля земной атмосферы.
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.
Солнечный ветер.
Солнечный ветер – истечение плазмы солнечной короны в межпланетное пространство. На уровне орбиты Земли средняя скорость частиц солнечного ветра (протонов и электронов) около 400 км/с, число частиц – несколько десятков в 1 см 3 .
Магнитная буря.
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.
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.
Cуточные вариации геомагнитного поля возникают регулярно в основном за счет токов в ионосфере Земли, вызванных изменениями освещенности земной ионосферы Солнцем в течение суток.
Нерегулярные вариации.
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.
27-дневные вариации.
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.
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.
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.
Радиационные пояса и космические лучи.
Радиационные пояса Земли – две области ближайшего околоземного космического пространства, которые в виде замкнутых магнитных ловушек окружают Землю.
В них сосредоточены огромные потоки протонов и электронов, захваченных дипольным магнитным полем Земли. Магнитное поле Земли оказывает сильное влияние на электрически заряженные частицы, движущиеся в околоземном космическом пространстве. Есть два основных источника возникновения этих частиц: космические лучи, т.е. энергичные (от 1 до12 ГэВ) электроны, протоны и ядра тяжелых элементов, приходящие с почти световыми скоростями, главным образом, из других частей Галактики. И корпускулярные потоки менее энергичных заряженных частиц (10 5 –10 6 эВ), выброшенных Солнцем. В магнитном поле электрические частицы движутся по спирали; траектория частицы как бы навивается на цилиндр, по оси которого проходит силовая линия. Радиус этого воображаемого цилиндра зависит от напряженности поля и энергии частицы. Чем больше энергия частицы, тем при данной напряженности поля радиус (он называется ларморовским) больше. Если ларморовский радиус много меньше, чем радиус Земли, частица не достигает ее поверхности, а захватывается магнитным полем Земли. Если ларморовский радиус много больше, чем радиус Земли, частица движется так, как будто бы магнитного поля нет, частицы проникают сквозь магнитное поле Земли в экваториальных районах, если их энергия больше 10 9 эв. Такие частицы вторгаются в атмосферу и вызывают при столкновении с ее атомами ядерные превращения, которые дают определенные количества вторичных космических лучей. Эти вторичные космические лучи уже регистрируются на поверхности Земли. Для исследования космических лучей в их первоначальной форме (первичных космических лучей) аппаратуру поднимают на ракетах и искусственных спутниках Земли. Примерно 99% энергичных частиц, «пробивающих» магнитный экран Земли, являются космическими лучами галактического происхождения и лишь около 1% образуется на Солнце. Магнитное поле Земли удерживает огромное число энергичных частиц, как электронов, так и протонов. Их энергия и концентрация зависят от расстояния до Земли и геомагнитной широты. Частицы заполняют как бы огромные кольца или пояса, охватывающие Землю вокруг геомагнитного экватора.
Эдвард Кононович
Откуда магнитное поле у земли
Загадка земного ядра: откуда у нашей планеты магнитное поле
Загадка земного ядра: откуда у нашей планеты магнитное поле — РИА Новости, 13.06.2019
Загадка земного ядра: откуда у нашей планеты магнитное поле
Северный магнитный полюс продолжает смещаться с территории Канады в сторону архипелага Северная Земля со скоростью 55 километров в год. Ученые предполагают. РИА Новости, 13.06.2019
2019-06-13T08:00
2019-06-13T08:00
2019-06-13T08:04
МОСКВА, 13 июн — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Северный магнитный полюс продолжает смещаться с территории Канады в сторону архипелага Северная Земля со скоростью 55 километров в год. Ученые предполагают: готовится смена полюсов из-за волнений в жидкой части ядра планеты, недоступной прямым наблюдениям. Что именно там происходит, понять трудно, но есть много гипотез. Миссия к «железному миру»В 2022 году NASA собирается отправить аппарат к астероиду Психея, находящемуся между Марсом и Юпитером. Его называют железным миром. По отражению лучей с поверхности, по тому, как быстро она нагревается и остывает, ученые поняли, что это если не полностью, то по большей части металл. Не исключено, что именно оттуда к нам прилетают железные метеориты. Это происходит очень редко, всего известно не более двух сотен таких событий. Предполагается, что Психея — ядро планеты земной группы, которая лишилась внешних оболочек. Вместе с Землей и Венерой эта планета формировалась вблизи Солнца, но затем что-то случилось. Может, катастрофа, а может, всему виной повторные разогревы планетоземали — сгустков материи, из которых образуются планеты. Ученые непременно хотят попасть в «железный мир», и не только ради геологической разведки месторождений в интересах наших потомков. В первую очередь — чтобы вплотную исследовать аналог ядра Земли. Почему ядро железноеЯдро Земли — интереснейший объект. Его состав и температура отражаются на вышележащих слоях и атмосфере. Ядро — источник магнитного поля, благодаря которому возникла жизнь. Там же — ключ к тайне образования планет земной группы. Недра Земли исследуют с помощью сейсмических волн и моделирования. Грубо говоря, планета состоит из верхней оболочки — коры, мантии и ядра. О том, что ядро — железное, свидетельствует несколько фактов. У Земли собственное магнитное поле, словно диполь вставлен по оси вращения. Мантия не может генерировать такое поле, она слишком слабо проводит электрический ток. Согласно модели геодинамо на это способна только проводящая жидкость. Значит, часть ядра — жидкая. Железо — один из самых распространенных элементов в Солнечной системе. Это подтверждается его обилием в метеоритах. Во внешней части ядра не проходят упругие S-волны, значит, она жидкая. Внутренняя часть ядра радиусом примерно 1221 километр слабо распространяет S-волны — соответственно, она либо твердая, либо в состоянии, симулирующем твердость. Граница двух слоев в ядре довольно четкая, как и между ядром и нижней мантией. Считается, что ядро железное, с небольшими примесями никеля (на это указывает состав железных метеоритов), кремния, сульфидов и кислорода. Некоторые особенности прохождения сейсмоволн говорят о том, что внутреннее твердое ядро вращается слегка быстрее, чем мантия и кора, примерно на 0,15 градуса в год. Когда и как образовалось ядро Земли? Каково в нем соотношение химических элементов? Почему оно не однородное? Какая там температура? Где источник энергии? И главное, почему ядро вообще сформировалось внутри планеты? По каждому из этих и множеству других вопросов есть немало гипотез.Кому из близнецов повезлоВенеру считают близнецом Земли — она лишь немного меньше по массе и размерам. Но нынешние условия на ее поверхности совершенно другие. У Земли есть собственное магнитное поле, атмосфера и биосфера.У Венеры из этого списка — только ядовитая атмосфера с облаками из серной кислоты. Следов магнитного поля нет и в геологическом прошлом, хотя они могли и исчезнуть. Вероятно, все дело в происхождении близнецов. Венера и Земля образовались в одной части газопылевой туманности, окружавшей Солнце. Зародыши планет увеличивались, притягивая к себе все больше материала. Когда масса стала критической, начались разогрев, плавление. Вещество разделялось на фракции: тяжелые элементы оседали внутри, легкие поднимались наверх. Как полагают ученые из Германии, Японии и Франции, расслоение таких тел, как Земля, идет равномерно и стабильно, каждый слой — однородный. Чтобы ядро получилось двухслойное и неоднородное, где-то ближе к концу процесса планета должна была испытать очень сильный удар другого массивного тела. Часть вещества «пришельца» осталась в недрах Земли, часть была выбита на орбиту, где затем образовалась Луна. От удара внутренности планеты перемешались, и это привело к частичному плавлению ядра.А вот эволюция Венеры прошла гладко, без ЧП космического масштаба. Расслоение благополучно завершилось с образованием твердого железного ядра, неспособного генерировать магнитное поле. Есть и другая гипотеза: спонтанная кристаллизация железного расплава. Однако для этого ему нужно остыть до тысячи Кельвинов, что невозможно. Значит, зародыши кристаллизации проникли извне, сделали вывод ученые из США. Например, из нижней мантии. Это крупные куски железа размером десятки и сотни метров. Откуда им там взяться — большой вопрос.Один из ответов лежит на поверхности Земли в виде древних железистых кварцитов. Возможно, более трех миллиардов лет назад из этих пород сложилось дно океанов. Из-за движения плит оно погрузилось в мантию и оттуда — в ядро.Создание магнитного щитаСоотношение радиоактивных изотопов свинца указывает на возраст ядра: порядка четырех с половиной миллиардов лет. Когда возникло магнитное поле, неизвестно. Его следы встречаются уже в самых древних горных породах Земли возрастом 3,5 миллиарда лет. В соответствии с моделью геодинамо для магнитного поля Земли нужна проводящая жидкость, вращение которой сопровождается перемешиванием. Проблема в том, что магнитное поле у быстро вращающихся жидкостей рано или поздно затухает. Судя по геологическим данным, на видимом нам отрезке времени интенсивность магнитного поля Земли не менялась. Должен быть какой-то постоянный мощный источник энергии.На эту роль есть два кандидата. Температурная конвекция, возможная, если внутреннее ядро горячее внешнего, и композиционная конвекция, то есть перемещение элементов из одной части в другую. Это означает, что твердая часть ядра увеличивается. Но бояться полного застывания не стоит. На это понадобится не один миллиард лет.