В 1905 году Эйнштейн назвал одной из пяти главных загадок тогдашней физики причину земного магнетизма.

В том же 1905 году французский геофизик Бернар Брюнес провел в южном департаменте Канталь замеры магнетизма лавовых отложений эпохи плейстоцена. Вектор намагниченности этих пород составлял почти 180 градусов с вектором планетарного магнитного поля (его соотечественник П. Давид получил аналогичные результаты даже годом раньше). Брюнес пришел к заключению, что три четверти миллиона лет назад во время излияния лавы направление геомагнитных силовых линий было противоположным современному. Так был обнаружен эффект инверсии (обращения полярности) магнитного поля Земли. Во второй половине 1920-х годов выводы Брюнеса подтвердили П. Л. Меркантон и Монотори Матуяма, но эти идеи получили признание лишь к середине столетия.

Сейчас мы знаем, что геомагнитное поле существует не менее 3,5 млрд лет и за это время магнитные полюса тысячи раз обменивались местами (Брюнес и Матуяма исследовали последнюю по времени инверсию, которая сейчас носит их имена). Иногда геомагнитное поле сохраняет ориентацию в течение десятков миллионов лет, а иногда - не более пятисот веков. Сам процесс инверсии обычно занимает несколько тысячелетий, и по его завершении напряженность поля, как правило, не возвращается к прежней величине, а изменяется на несколько процентов.

Механизм геомагнитной инверсии не вполне ясен и поныне, а уж сто лет назад он вообще не допускал разумного объяснения. Поэтому открытия Брюнеса и Давида только подкрепили эйнштейновскую оценку - действительно, земной магнетизм был крайне загадочен и непонятен. А ведь к тому времени его исследовали свыше трехсот лет, а в XIX веке им занимались такие звезды европейской науки, как великий путешественник Александр фон Гумбольдт, гениальный математик Карл Фридрих Гаусс и блестящий физик-экспериментатор Вильгельм Вебер. Так что Эйнштейн воистину глядел в корень.

Как вы думаете, сколько у нашей планеты магнитных полюсов? Почти все скажут, что два - в Арктике и Антарктике. На самом деле ответ зависит от определения понятия полюса. Географическими полюсами считают точки пересечения земной оси с поверхностью планеты. Поскольку Земля вращается как твердое тело, таких точек всего две и ничего другого придумать нельзя. А вот с магнитными полюсами дело обстоит много сложнее. Например, полюсом можно счесть небольшую область (в идеале опять-таки точку), где магнитные силовые линии перпендикулярны земной поверхности. Однако любой магнитометр регистрирует не только планетарное магнитное поле, но и поля местных пород, электрических токов ионосферы, частиц солнечного ветра и прочих дополнительных источников магнетизма (причем их средняя доля не так уж мала, порядка нескольких процентов). Чем точнее прибор, тем лучше он это делает - и потому все больше затрудняет выделение истинного геомагнитного поля (его называют главным), источник которого находится в земных глубинах. Поэтому координаты полюса, определенные с помощью прямого измерения, не отличаются стабильностью даже в течение короткого отрезка времени.

Можно действовать иначе и установить положение полюса на основании тех или иных моделей земного магнетизма. В первом приближении нашу планету можно считать геоцентрическим магнитным диполем, ось которого проходит через ее центр. В настоящее время угол между нею и земной осью составляет 10 градусов (несколько десятилетий назад он был больше 11 градусов). При более точном моделировании выясняется, что дипольная ось смещена относительно центра Земли в направлении северо-западной части Тихого океана примерно на 540 км (это эксцентрический диполь). Есть и другие определения.

Но это еще не все. Земное магнитное поле реально не обладает дипольной симметрией и потому имеет множественные полюса, причем в огромном количестве. Если считать Землю магнитным четырехполюсником, квадруполем, придется ввести еще два полюса - в Малайзии и в южной части Атлантического океана. Октупольная модель задает восьмерку полюсов и т. д. Современные наиболее продвинутые модели земного магнетизма оперируют аж 168 полюсами. Стоит отметить, что в ходе инверсии временно исчезает лишь дипольная компонента геомагнитного поля, а прочие изменяются много слабее.

Полюса наоборот

Многие знают, что общепринятые названия полюсов верны с точностью до наоборот. В Арктике расположен полюс, на который указывает северный конец магнитной стрелки, - следовательно, его стоило бы считать южным (одноименные полюса отталкиваются, разноименные притягиваются!). Аналогично, северный магнитный полюс базируется в высоких широтах Южного полушария. Тем не менее по традиции мы именуем полюса в соответствии с географией. Физики давно условились, что силовые линии выходят из северного полюса любого магнита и входят в южный. Отсюда следует, что линии земного магнетизма покидают южный геомагнитный полюс и стягиваются к северному. Такова конвенция, и нарушать ее не стоит (самое время припомнить печальный опыт Паниковского!).

Магнитный полюс, как его ни определяй, не стоит на месте. Северный полюс геоцентрического диполя в 2000 году имел координаты 79,5 N и 71,6 W, а в 2010-м - 80,0 N и 72,0 W. Истинный Северный полюс (тот, который выявляют физические замеры) с 2000 года сместился с 81,0 N и 109,7 W к 85,2 N и 127,1 W. В течение почти всего ХХ века он делал не более 10 км в год, но после 1980 года вдруг начал двигаться гораздо быстрее. В начале 1990-х годов его скорость превысила 15 км в год и продолжает расти.

Как рассказал «Популярной механике» бывший руководитель геомагнитной лаборатории канадской Службы геологических исследований Лоуренс Ньюитт, сейчас истинный полюс мигрирует на северо-запад, перемещаясь ежегодно на 50 км. Если вектор его движения не изменится в течение нескольких десятилетий, то к середине XXI столетия он окажется в Сибири. Согласно реконструкции, выполненной несколько лет назад тем же Ньюиттом, в XVII и XVIII веках северный магнитный полюс преимущественно смещался на юго-восток и лишь примерно в 1860 году повернул на северо-запад. Истинный южный магнитный полюс последние 300 лет движется в эту же сторону, причем его среднегодичное смещение не превышает 10–15 км.

Откуда вообще у Земли магнитное поле? Одно из возможных объяснений просто бросается в глаза. Земля обладает внутренним твердым железо-никелевым ядром, радиус которого составляет 1220 км. Поскольку эти металлы ферромагнитны, почему бы не предположить, что внутреннее ядро имеет статическую намагниченность, которая и обеспечивает существование геомагнитного поля? Мультиполярность земного магнетизма можно списать на несимметричность распределения магнитных доменов внутри ядра. Миграцию полюсов и инверсии геомагнитного поля объяснить сложнее, но, наверное, попытаться можно.

Однако из этого ничего не получается. Все ферромагнетики остаются таковыми (то есть сохраняют самопроизвольную намагниченность) лишь ниже определенной температуры - точки Кюри. Для железа она равна 768°C (у никеля много ниже), а температура внутреннего ядра Земли значительно превышает 5000 градусов. Поэтому с гипотезой статического геомагнетизма приходится расстаться. Однако не исключено, что в космосе имеются остывшие планеты с ферромагнитными ядрами.

Рассмотрим другую возможность. Наша планета также обладает жидким внешним ядром толщиной приблизительно в 2300 км. Оно состоит из расплава железа и никеля с примесью более легких элементов (серы, углерода, кислорода и, возможно, радиоактивного калия - в точности не знает никто). Температура нижней части внешнего ядра почти совпадает с температурой внутреннего ядра, а в верхней зоне на границе с мантией понижается до 4400°C. Поэтому вполне естественно предположить, что благодаря вращению Земли там формируются круговые течения, которые могут оказаться причиной возникновения земного магнетизма.

Конвективное динамо

«Чтобы объяснить возникновение полоидального поля, необходимо принять во внимание вертикальные потоки вещества ядра. Они образуются благодаря конвекции: нагретый железно-никелевый расплав всплывает из нижней части ядра по направлению к мантии. Эти струи закручиваются силой Кориолиса подобно воздушным потокам циклонов. В Северном полушарии восходящие потоки вращаются по часовой стрелке, а в Южном - против, - объясняет профессор Калифорнийского университета Гэри Глатцмайер. - При подходе к мантии вещество ядра остывает и начинает обратное движение вглубь. Магнитные поля восходящих и нисходящих потоков гасят друг друга, и поэтому по вертикали поле не устанавливается. А вот в верхней части конвекционной струи, там, где она образует петлю и недолго движется по горизонтали, ситуация иная. В Северном полушарии силовые линии, которые до конвекционного восхождения смотрели на запад, поворачиваются по часовой стрелке на 90 градусов и ориентируются на север. В Южном полушарии они поворачиваются с востока против часовой стрелки и тоже направляются на север. В результате в обоих полушариях генерируется магнитное поле, указывающее с юга на север. Хоть это отнюдь не единственное возможное объяснение возникновения полоидального поля, его считают самым вероятным».

Именно такую схему ученые-геофизики обсуждали лет 80 назад. Они считали, что потоки проводящей жидкости внешнего ядра за счет своей кинетической энергии порождают электрические токи, охватывающие земную ось. Эти токи генерируют магнитное поле преимущественно дипольного типа, силовые линии которого на поверхности Земли вытянуты вдоль меридианов (такое поле называется полоидальным). Этот механизм вызывает ассоциацию с работой динамо-машины, отсюда и произошло его название.

Описанная схема красива и наглядна, но, к сожалению, ошибочна. Она основана на предположении, что движение вещества внешнего ядра симметрично относительно земной оси. Однако в 1933 году английский математик Томас Каулинг доказал теорему, согласно которой никакие осесимметричные потоки не способны обеспечить существование долговременного геомагнитного поля. Даже если оно и появится, то век его окажется недолог, вдесятки тысяч раз меньше возраста нашей планеты. Нужна модель посложнее.

«Мы не знаем точно, когда возник земной магнетизм, однако это могло произойти вскоре после формирования мантии и внешнего ядра, - говорит один из крупнейших специалистов по планетарному магнетизму, профессор Калифорнийского технологического института Дэвид Стивенсон. - Для включения геодинамо требуется внешнее затравочное поле, причем не обязательно мощное. Эту роль, к примеру, могло взять на себя магнитное поле Солнца или поля токов, порожденных в ядре за счет термоэлектрического эффекта. В конечном счете это не слишком важно, источников магнетизма хватало. При наличии такого поля и кругового движения потоков проводящей жидкости запуск внутрипланетной динамомашины становился просто неизбежным».

Магнитная защита

Мониторинг земного магнетизма производят с помощью обширной сети геомагнитных обсерваторий, создание которой началось еще в 1830-х годах.

Для этих же целей используют корабельные, авиационные и космические приборы (к примеру, скалярный и векторный магнитометры датского спутника «Эрстед», работающие с 1999 года).

Напряженность геомагнитного поля варьирует приблизительно от 20 000 нанотесла вблизи побережья Бразилии до 65 000 нанотесла в районе южного магнитного полюса. С 1800 года его дипольная компонента сократилась почти на 13% (а с середины XVI века - на 20%), в то время как квадрупольная несколько возросла. Палеомагнитные исследования показывают, что в течение нескольких тысячелетий перед началом нашей эры напряженность геомагнитного поля упорно лезла вверх, а потом начала снижаться. Тем не менее нынешний планетарный дипольный момент значительно превышает свое среднее значение за последние полтораста миллионов лет (в 2010 году были опубликованы результаты палеомагнитных измерений, свидетельствующие, что 3,5 млрд лет назад земное магнитное поле было вдвое слабее нынешнего). Это означает, что вся история человеческих обществ от возникновения первых государств до нашего времени пришлась на локальный максимум земного магнитного поля. Интересно задуматься над тем, повлияло ли это на прогресс цивилизации. Такое предположение перестает казаться фантастическим, если учесть, что магнитное поле защищает биосферу от космического излучения.

И вот еще одно обстоятельство, которое стоит отметить. В юности и даже отрочестве нашей планеты все вещество ее ядра пребывало в жидкой фазе. Твердое внутреннее ядро сформировалось сравнительно недавно, возможно, всего лишь миллиард лет назад. Когда это произошло, конвекционные потоки стали более упорядоченными, что привело к более устойчивой работе геодинамо. Из-за этого геомагнитное поле выиграло в величине и стабильности. Можно предположить, что это обстоятельство благоприятно сказалось на эволюции живых организмов. В частности, усиление геомагнетизма улучшило защиту биосферы от космических излучений и тем самым облегчило выход жизни из океана на сушу.

Вот общепринятое объяснение такого запуска. Пусть для простоты затравочное поле почти параллельно оси вращения Земли (на самом деле достаточно, если оно имеет ненулевую компоненту в этом направлении, что практически неизбежно). Скорость вращения вещества внешнего ядра убывает по мере уменьшения глубины, причем из-за его высокой электропроводности силовые линии магнитного поля движутся вместе с ним - как говорят физики, поле «вморожено» в среду. Поэтому силовые линии затравочного поля будут изгибаться, уходя вперед на больших глубинах и отставая на меньших. В конце концов они вытянутся и деформируются настолько, что дадут начало тороидальному полю, круговым магнитным петлям, охватывающим земную ось и направленным в противоположные стороны в северном и южном полушариях. Этот механизм называется w-эффектом.

По словам профессора Стивенсона, очень важно понимать, что тороидальное поле внешнего ядра возникло благодаря полоидальному затравочному полю и, в свою очередь, породило новое полоидальное поле, наблюдаемое у земной поверхности: «Оба типа полей планетарного геодинамо взаимосвязаны и не могут существовать друг без друга».

15 лет назад Гэри Глатцмайер вместе с Полом Робертсом опубликовал очень красивую компьютерную модель геомагнитного поля: «В принципе для объяснения геомагнетизма давно имелся адекватный математический аппарат - уравнения магнитной гидродинамики плюс уравнения, описывающие силу тяготения и тепловые потоки внутри земного ядра. Модели, основанные на этих уравнениях, в первозданном виде очень сложны, однако их можно упростить и адаптировать для компьютерных вычислений. Именно это и проделали мы с Робертсом. Прогон на суперкомпьютере позволил построить самосогласованное описание долговременной эволюции скорости, температуры и давления потоков вещества внешнего ядра и связанной с ними эволюции магнитных полей. Мы также выяснили, что если проигрывать симуляцию на временных промежутках порядка десятков и сотен тысяч лет, то с неизбежностью возникают инверсии геомагнитного поля. Так что в этом отношении наша модель неплохо передает магнитную историю планеты. Однако есть затруднение, которое пока еще не удалось устранить. Параметры вещества внешнего ядра, которые закладывают в подобные модели, все еще слишком далеки от реальных условий. Например, нам пришлось принять, что его вязкость очень велика, иначе не хватит ресурсов самых мощных суперкомпьютеров. На самом деле это не так, есть все основания полагать, что она почти совпадает с вязкостью воды. Наши нынешние модели бессильны учесть и турбулентность, которая несомненно имеет место. Но компьютеры с каждым годом набирают силу, и лет через десять появятся гораздо более реалистичные симуляции».

«Работа геодинамо неизбежно связана с хаотическими изменениями потоков железо-никелевого расплава, которые оборачиваются флуктуациями магнитных полей,– добавляет профессор Стивенсон. - Инверсии земного магнетизма - это просто сильнейшие из возможных флуктуаций. Поскольку они стохастичны по своей природе, вряд ли их можно предсказывать заранее - во всяком случае мы этого не умеем».

Земля окружена магнитным полем. Именно оно заставляет стрелку компаса указывать на север и защищает нашу атмосферу от постоянной бомбардировки заряженных частиц из космоса, таких как протоны. Без магнитного поля наша атмосфера будет медленно исчезать под воздействием вредного излучения, а жизнь почти наверняка не сможет существовать в том виде, который мы наблюдаем сегодня.

Геомагнитные инверсии

Вы можете думать, что магнитное поле является бесконечным, постоянным аспектом жизни на Земле, и в какой-то степени будете правы. Но магнитное поле Земли на самом деле изменяется. Примерно раз в нескольких сотен тысяч лет или около того оно переворачивается. Северный полюс меняется местами с южным. И когда это происходит, магнитное поле также имеет тенденцию становиться очень слабыми.

Аномалия южной Атлантики

В настоящее время геофизиков тревожит осознание того, что сила магнитного поля Земли сокращается в течение последних 160 лет с угрожающей скоростью. Этот коллапс сосредоточен в огромном пространстве южного полушария и простирается от Зимбабве к Чили. Он известен как аномалия южной Атлантики. Сила магнитного поля в этом месте настолько слаба, что это даже создает опасность для спутников, которые находятся на орбите Земли над этой областью. Магнитное поле больше не защищает их от излучения, которое создает помехи для электроники спутников.

Последствия разворота магнитного поля

Но это еще не все. Сила магнитного поля продолжает слабеть, потенциально предвещая еще более драматические события, в том числе глобальный разворот магнитных полюсов. Такое существенное изменение повлияет на наши навигационные системы, а также передачу электроэнергии. Северное сияние можно будет увидеть на разных широтах. Кроме того, при очень низких значениях силы поля во время глобального разворота поверхности Земли достигнет больше радиации, что также может повлиять на показатели заболеваемости раком.

Ученые до сих пор не до конца понимают, какой степени достигнут эти эффекты, поэтому их исследования являются особенно актуальными. Они используют некоторые, возможно, неожиданные источники данных, в том числе 700-летние африканские археологические записи, чтобы изучить этот вопрос.

Происхождение магнитного поля Земли

Магнитное поле Земли создается благодаря наличию железа в жидком внешнем ядре нашей планеты. Благодаря данным обсерваторий и спутников, которые изучают магнитное поле в последнее время, ученые могут с точностью смоделировать то, как оно будет выглядеть, как если бы мы поместили компас непосредственно над закрученным жидким ядром Земли.

Пятно обратной полярности

Эти анализы показывают поразительную особенность: ниже южной части Африки существует пятно обратной полярности на границе ядра и мантии, где жидкое железо внешнего ядра ​​встречается с жесткой частью недр Земли. В этой области полярность поля противоположна среднему глобальному магнитному полю. Если бы мы смогли установить компас глубоко под южной частью Африки, то увидели бы, что в этой необычной области стрелки, определяющие север, на самом деле указывают на юг.

Это пятно является главным виновником аномалии в южной Атлантике. При численном моделировании необычные пятна, похожие на это, появлялись непосредственно перед геомагнитными инверсиями.

За всю историю планеты магнитные полюса менялись довольно часто, но последний разворот произошел в далеком прошлом, примерно 780 тысяч лет назад. С учетом быстрого снижения силы магнитного поля в последние 160 лет возникает вопрос о том, что происходило до этого.

Изучение археомагнетизма

Во время археомагнетических исследований геофизики и археологи пытаются узнать о прошлом магнитного поля. Например, глина, которая использовалась для изготовления керамических изделий, содержит небольшое количество магнитных минералов, таких как магнетит. Когда глина нагревалась в процессе создания керамики, ее магнитные минералы теряли магнетизм, который они, возможно, имели. При охлаждении они фиксировали направление и интенсивность магнитного поля в то время. Если можно определить возраст керамики (с помощью радиоуглеродного датирования, например), то также появляется шанс восстановить археомагнетическую историю.

Благодаря использованию такого рода данных ученые имеют частичную историю археомагнетизма для Северного полушария. В противоположность этому, в Южном полушарии эти записи очень скудны. В частности, не существует практически никаких данных из Южной Африки, а ведь этот регион, наряду с Южной Америкой, мог бы обеспечить лучшее понимание истории появления современной аномалии.

Археомагнетическая история южной Африки

Но предки современных южных африканцев, металлурги и фермеры, которые начали мигрировать в этот регион примерно 2000-1500 лет назад, случайно оставили нам некоторые подсказки. Эти люди железного века жили в хижинах, построенных из глины, и хранили зерно в укрепленных глиняных бункерах. Как первые агрономы железного века в южной части Африки, они полагались на количество осадков.

Эти общины часто реагировали на время засухи ритуалами очищения, которые влекли за собой обжигание зернохранилищ. Эти несколько трагические события для древних людей оказались в конечном счете благом для изучения археомагнетизма. Так же как и в случае с обжиганием и охлаждением керамических изделий, глина в зернохранилищах записала магнитное поле Земли, когда она охлаждалась. Поскольку эти древние хижины и бункеры для зерна иногда находят нетронутыми, ученые могут с их помощью получить данные о направлении и силе магнитного поля в то время.

Ученые сосредоточили свое внимание на отборе проб из стоянок железного века, которые усеивают долину реки Лимпопо.

Поток магнитного поля

Отбор проб в длине реки Лимпопо предоставил первые данные о магнитном поле южной части Африки между 1000 и 1600 годами нашей эры. Ученые обнаружили, что около 1300 года сила магнитного поля в этой области сокращалась так же быстро, как сегодня. Затем его интенсивность возросла, хотя и более медленными темпами.

Появление двух интервалов быстрого распада поля - около 700 лет назад и современного - предполагает обратное явление. Возможно, в Южной Африке регулярно появлялась подобная аномалия, и она старше, чем показали данные? Если да, то почему это повторяется в одном и том же месте?

За последнее десятилетие исследователи накопили данные анализов сейсмических волн землетрясений. Поскольку сейсмические волны перемещаются через слои Земли, скорость, с которой они путешествуют, является показателем плотности слоя. Теперь ученые знают, что большая площадь медленных сейсмических волн характеризует основную границу мантии под южной частью Африки.

Этот конкретный регион, скорее всего, имеет возраст в десятки миллионов лет, и его границы являются четкими. Интересно отметить, что пятно обратной полярности практически совпадает с его восточным краем.

Ученые считают, что необычная африканская мантия изменяет поток железа в активной зоне снизу, которое, в свою очередь, изменяет поведение магнитного поля на краю сейсмической области и пятна обратной полярности.

Предполагается, что эта область быстро растет, а затем медленно возвращается в норму. Время от времени одно пятно обратной полярности может достичь достаточно больших размеров, чтобы доминировать в магнитном поле южного полушария.

Как происходит инверсия

Традиционная идея инверсии заключается в том, что она может начаться в любом месте ядра. Однако новая концептуальная модель предполагает, что могут быть особые места на границе ядра и мантии, которые способствуют этим разворотам магнитного поля. Пока что неизвестно, начнет ли современное магнитное поле уменьшаться в ближайшие несколько тысяч лет, или оно просто продолжит ослабевать в течение следующих двух столетий.

Но доказательства, предоставленные предками современных южноафриканцев, несомненно, помогут ученым дальше изучать предлагаемый ими механизм инверсии. Если эта идея верна, разворот полюсов может начаться в Африке.

class="part1">

Подробно:

Планета Земля

© Владимир Каланов,
сайт "Знания-сила".

Магнитное поле Земли

Это процессы, которые только в стадии зарождения недоступны для непосредственного наблюдения и исследования. Но когда эти процессы проявляют себя на поверхности земли, когда они, как говорится, развёртываются во всю мощь, тогда они становятся видимыми и весьма ощутимыми для всех, кто оказывается в зоне их действия.

Но на Земле действуют также невидимые процессы, которые человеком почти не ощущаются. Прежде всего - это земной магнетизм. Явление магнетизма известно людям очень давно. Своё название магнетизм получил от города Магнетия в Малой Азии, где были обнаружены залежи магнитного железняка - "камня, притя́гивающего железо". Первые письменные свидетельства о сво́йствах магнита мы находим, в частности, в поэме Тита Лукреция Ка́ра "О природе вещей", написанной в первом веке до нашей эры. Лукреций объяснял магнетизм "магнитными токами", истекающими из "камня-магнита".

Люди давно находили применение свойствам магнита. Одним из первых таких применений был компас как простейший навигационный прибор. Компас был изобретён в Китае примерно за тысячу лет до нашей эры. В Европе компас известен с XII века. Сегодня совершенно невозможно представить многие отрасли промышленности без использования магнитов и электромагнитов.

Область околозе́много пространства, в пределах которой обнаруживается земное магнитное поле, называется магнитосферой. Магнетизм является всеобъемлющим, глобальным сво́йством природы. Создание законченной теории земного и солнечного магнетизма - пока ещё дело будущего. Но уже и теперь наука во многом разобралась и даёт достаточно убедительные объяснения некоторым аспектам такого сложного явления как магнетизм. В частности, многих учёных и простых граждан волнуют возможные последствия такого явления, как постепенное ослабление магнитного поля Земли.

Действительно, со времён Карла Гаусса, который впервые замерил напряжё́нность магнитного поля Земли, т.е. на протяжении вот уже более 170 лет, магнитное поле Земли неуклонно ослабевает. А ведь магнитное поле является своеобразным щитом, прикрывающим Землю и всё живое на ней от губительного радиационного воздействия так называемого солнечного ветра, т.е. излучаемых Солнцем электронов, протонов и других частиц. Магнитосфера Земли отклоняет поток этих и других частиц, летящих из космоса, к полюса́м, лиша́я их начальной энергии. На полюсах Земли потоки этих космических частиц задерживаются в верхних слоях атмосферы, превращаясь в фантастически красивые явления полярных сияний.

Не будь солнечного ветра, магнитное поле Земли было бы симметричным относительно планеты, как на рисунке 1. На рисунке 2 изображена реальная магнитосфера Земли, деформированная солнечным ветром. Третий рисунок показывает несовпадение магнитных и географических полюсов.

Если магнитного поля не будет

Но если магнитного поля не будет, или оно станет очень слабым, то всё живое на Земле окажется под прямым воздействием солнечного и космического излучения. А это, как можно предположить, приведёт к радиационному поражению живых организмов, следствием чего будет их мутация в неопределённом направлении или гибель. К счастью, такая перспектива маловероятна. Учёным-палеомагнитологам, т.е. тем, кто занимается изучением древних магнитных полей, удалось установить с достаточной степенью достоверности, что магнитное поле Земли постоянно испытывает колебания с разными периодами. Когда сложили все кривые колебаний, то результирующая кривая получилась по форме близкой к синусоиде, имеющей период 8 тысяч лет. Отрезок этой кривой, соответствующий нашему времени (начало 2000-х годов), находится на ниспадающей ветви этой кривой. И это снижение будет продолжаться ещё примерно две тысячи лет. После этого магнитное поле вновь начнёт усиливаться. Это усиление поля будет продолжаться четыре тысячи лет, потом снова наступит спад. Предыдущий максимум пришелся на начало нашей эры. Существенным при этом является то, что амплитуда сумми́рующей синусоиды составляет менее половины средней величины напряжённости поля, т.е. эти колебания не могут свести к нулю напряженность магнитного поля Земли.

Здесь, на нашем сайте, мы не можем по условиям краткости подробно рассматривать методику исследований, которые привели к столь оптимистичным выводам. О причинах колебаний магнитного поля учёными высказываются разные суждения, но определённой теории по этой проблеме не существует. Добавим, что наукой доказано наличие такого явления, как инверсия, т.е. переодический взаимообмен магнитных полюсо́в Земли местами: северный полюс перемещается на место южного, южный - на место северного. Такие перемещения длятся от 5 до 10 тысяч лет. В истории нашей планеты такие "переско́ки" полюсо́в происходили сотни раз. Последнее такое перемещение произошло 700 тысяч лет назад. Какой-либо определённой периодичности или регулярности этого явления не выявлено. Причины этих переполюсо́вок скрываются в сложных взаимодействиях жидкой части ядра Земли с космосом. Палеомагнитологи установили, что на Земле происходили также смещения магнитных полюсо́в от географических на большие расстояния, которые заканчивались, однако, возвращением полюсо́в к своему прежнему месту.

Существуют предположения, что при переполюсовках магнитное поле Земли исчезает, и планета остаётся на какое-то время без своей невидимой защитной брони́. Но эти предположения не находят надёжного научного обоснования и остаются не более чем предположениями.

Некоторые учёные вообще считают, что резкие перемены в магнитосфере Земли не являются опасными, т.к., по их мнению, основной защитой от космических излучений служит всем живым существам всё-таки не магнитное поле, а атмосфера. Такого мнения придерживается, в частности, биолог-эволюционист профессор МГУ Б.М. Медников. Другими словами, проблема взаимодействия магнитного поля с процессами жизни на Земле пока далека от полной ясности, и для исследователей здесь ещё хватит работы.

Влияние магнитного поля на живые организмы

Давно известно, что магнитные поля отрицательно влияют на живые организмы. Опыты на животных показали, что внешнее магнитное поле задерживает их развитие, замедляет рост клеток, изменяет состав крови. Во время так называемых магнитных бурь, т.е. при резких колебаниях напряженности магнитного поля, метеозависимые, больные люди испытывают ухудшение самочувствия.

Напряженность магнитного поля измеряется в эрсте́дах (Э). Названа эта единица в честь датского физика Ганса Эрстеда (1777-1851) , открывшего связь между электрическими и магнитными явлениями.

Поскольку на производстве и в быту́ человек может подвергаться воздействию магнитных полей, были разработаны допустимые уровни напряженности магнитного поля. По разным оценкам для человека считается безопасным магнитное поле напряженностью 300-700 эрстед. Если выражаться точнее, то на производстве и в быту́ на человека воздействуют не магнитные, а электромагнитные поля. Дело в том, что при работе любого электрического или радиоустройства и магнитное, и электрическое поле могут проявляться только в виде единого целого, которое называется электромагнитным полем. Это объясняется единой природой магнитных и электрических явлений.

Нужно отметить, что физическая сторона процесса воздействия магнитного поля на человеческий организм пока не совсем ясна. Магнитное поле влияет и на растения. По результатам некоторых опытов получается, что всхожесть и рост семян зависят от того, как первоначально они были ориентированы относительно магнитного поля Земли. Изменение внешнего магнитного поля может или ускорять или угнетать развитие растений. Может быть, это явление будет как-то использоваться в практике сельского хозяйства.

Итак, вокруг нас магнитные поля, порожденные само́й природой и создаваемые источниками техногенного происхождения - от генераторов переменного тока и трансформаторов до СВЧ-печей и мобильных телефонов.

Напряженность магнитного поля Земли

Какова́ же напряженность магнитного поля Земли? Она не везде одинакова и варьирует от 0,24 Э (в Бразилии) до 0,68 Э (в Антарктиде). Считается, что в среднем напряженность геомагнитного поля равна 0,5 эрстеда. В местах, где встречаются большие залежи ферромагнитных материалов (железных руд), возникают магнитные аномалии. В России широко известна Курская магнитная аномалия, где напряженность поля равна 2 Э. Для сравнения: Напряженность магнитного поля Меркурия равна 1/500 Э , Луны - 10 -5 Э , а межзвёздной среды́ ещё меньше - 10 -8 Э . Но напряженность магнитного поля солнечных пятен огромна и равна 10 3 Э . Ещё более сильные поля имеют звёзды типа "белый карлик" - до 10 7 Э . Самые сильные магнитные поля, зарегистрированные во Вселенной, создаются нейтронными звёздами и пульсарами. Напряженность магнитного поля этих космических объектов достигает 10 12 эрстед! В лабораторных условиях удаётся достигнуть магнитной напряженности в сотни тысяч раз более слабой, да и то на время, измеряемое до́лями секунды. Специалисты предполагают, что если можно было бы в лабораторных условиях получить магнитные поля́, сравнимые по напряженности с теми, что действуют на нейтронных звездах, то с предметами, подвергшимися воздействию таких немыслимых полей, произошли бы удивительные превращения. Например, железо, плотность которого в нормальных условиях равна 7,87 г/см³, под действием таких полей превратилось бы в вещество с плотностью 2700 г/см³ . Кубик с ребром 10 см из такого вещества весил бы 2,7 тонны, и для его перемещения потребовался бы мощный подъёмный кран.

В последние дни на научных информационных сайтах появилось большое количество новостей, посвященных магнитному полю Земли. Например, новость о том, что в последнее время оно существенно изменяется, или о том, что магнитное поле способствует утечке кислорода из земной атмосферы и даже про то, что вдоль линий магнитного поля ориентируются коровы на пастбищах. Что представляет собой магнитное поле и насколько важны все перечисленные новости?

– это область вокруг нашей планеты, где действуют магнитные силы. Вопрос о происхождении магнитного поля до сих пор окончательно не решен. Однако большинство исследователей сходятся в том, что наличием магнитного поля Земля хотя бы отчасти обязана своему ядру. Земное ядро состоит из твердой внутренней и жидкой наружной частей. Вращение Земли создает в жидком ядре постоянные течения. Как читатель может помнить из уроков физики, движение электрических зарядов приводит к появлению вокруг них магнитного поля.

Одна из самых распространенных теорий, объясняющих природу поля, - теория динамо-эффекта - предполагает, что конвективные или турбулентные движения проводящей жидкости в ядре способствуют самовозбуждению и поддержанию поля в стационарном состоянии.

Землю можно рассматривать как магнитный диполь. Его южный полюс находится на географическом Северном полюсе, а северный, соответственно, на Южном. На самом деле, географический и магнитный полюса Земли не совпадают не только по "направлению". Ось магнитного поля наклонена по отношению к оси вращения Земли на 11,6 градуса. Из-за того что разница не очень существенная, мы можем пользоваться компасом. Его стрелка точно указывает на южный магнитный полюс Земли и почти точно на Северный географический. Если бы компас был изобретен 720 тысяч лет назад, то он бы указывал и на географический и на магнитный северный полюс. Но об этом чуть ниже.

Магнитное поле защищает жителей Земли и искусственные спутники от губительного воздействия космических частиц. К таким частицам относятся, например, ионизированные (заряженные) частицы солнечного ветра. Магнитное поле изменяет траекторию их движения, направляя частицы вдоль линий поля. Необходимость наличия магнитного поля для существования жизни сужает круг потенциально обитаемых планет (если мы исходим из предположения, что гипотетически возможные формы жизни похожи на земных обитателей).

Ученые не исключают, что часть планет земного типа не имеют металлического ядра и, соответственно, лишены магнитного поля. До сих пор считалось, что планеты, состоящие из твердых скальных пород, как и Земля, содержат три основных слоя: твердую кору, вязкую мантию и твердое или расплавленное железное ядро. В недавней работе ученые из Массачусетсткого технологического института предложили сразу два возможных механизма образования "скалистых" планет без ядра. Если теоретические выкладки исследователей подтвердятся наблюдениями, то формулу для расчета вероятности встретить во Вселенной гуманоидов или хотя бы что-то, напоминающее иллюстрации из учебника биологии, придется переписать.

Земляне тоже могут лишиться своей магнитной защиты. Правда, точно сказать, когда это произойдет, геофизики пока не могут. Дело в том, что магнитные полюса Земли непостоянны. Периодически они меняются местами. Не так давно исследователи установили, что Земля "помнит" о смене полюсов. Анализ таких "воспоминаний" показал, что за последние 160 миллионов лет магнитные север и юг менялись местами около 100 раз. Последний раз это событие произошло около 720 тысяч лет назад.

Смена полюсов сопровождается изменением конфигурации магнитного поля. Во время "переходного периода" на Землю проникает существенно больше космических частиц, опасных для живых организмов. Одна из гипотез, объясняющих исчезновение динозавров, утверждает, что гигантские рептилии вымерли именно во время очередной смены полюсов.

Кроме "следов" плановых мероприятий по смене полюсов исследователи заметили в магнитном поле Земли опасные подвижки. Анализ данных о его состоянии за несколько лет показал, что в последние месяцы в нем начали происходить опасные изменения. Настолько резких "движений" поля ученые не регистрировали уже очень давно. Вызывающая беспокойства исследователей зона находится в южной части Атлантического океана. "Толщина" магнитного поля в этом районе не превышает трети от "нормальной". Исследователи давно обратили внимание на эту "прореху" в магнитном поле Земли. Собранные за 150 лет данные показывают, что за этот период поле здесь ослабло на десять процентов.

На данный момент трудно сказать, чем это грозит человечеству. Одним из последствий ослабления напряженности поля может стать увеличение (пусть и незначительное) содержания кислорода в земной атмосфере. Связь между магнитным полем Земли и этим газом была установлена с помощью системы спутников Cluster – проекта Европейского космического агентства. Ученые выяснили, что магнитное поле ускоряет ионы кислорода и "выбрасывает" их в космическое пространство.

Несмотря на то, что магнитное поле нельзя увидеть, обитатели Земли хорошо его чувствуют. Перелетные птицы, например, отыскивают дорогу, ориентируясь именно на него. Существует несколько гипотез, объясняющих, как именно они ощущают поле. Одна из последних предполагает, что птицы воспринимают магнитное поле визуально. Особые белки – криптохромы – в глазах перелетных птиц способны менять свое положение под воздействием магнитного поля. Авторы теории считают, что криптохромы могут выполнять роль компаса.

Кроме птиц магнитное поле Земли вместо GPS используют морские черепахи. И, как показал анализ спутниковых фотографий, представленных в рамках проекта Google Earth, коровы. Изучив фотографии 8510 коров в 308 районах мира, ученые заключили, что эти животные предпочтительно ориентируют свои тела с севера на юг (или с юга на север). Причем "реперными точками" для коров служат не географические, а именно магнитные полюса Земли. Механизм восприятия коровами магнитного поля и причины именно такой реакции на него остаются неясными.

Кроме перечисленных замечательных свойств магнитное поле способствует появлению полярных сияний. Они возникают в результате резких изменений поля, происходящих в удаленных регионах поля.

Магнитное поле не обошли своим вниманием сторонники одной из "теорий заговора" – теории о лунной мистификации. Как уже упоминалось выше, магнитное поле защищает нас от космических частиц. "Собранные" частицы скапливаются в определенных частях поля – так называемых радиационных поясах Ван Алена. Скептики, не верящие в реальность высадок на Луну, считают, что во время пролета сквозь радиационные пояса астронавты получили бы смертельную дозу радиации.

Магнитное поле Земли - удивительное следствие законов физики, защитный щит, ориентир и создатель полярных сияний. Если бы не оно, жизнь на Земле, возможно, выглядела бы совсем иначе. В общем, если бы магнитного поля не было - его необходимо было бы придумать.

Строение и характеристики магнитного поля Земли

На небольшом удалении от поверхности Земли, порядка трёх её радиусов, магнитные силовые линии имеют диполеподобное расположение. Эта область называется плазмосферой Земли.

По мере удаления от поверхности Земли усиливается воздействие солнечного ветра: со стороны Солнца геомагнитное поле сжимается, а с противоположной, ночной стороны, оно вытягивается в длинный хвост.

Плазмосфера

Заметное влияние на магнитное поле на поверхности Земли оказывают токи в ионосфере. Эта область верхней атмосферы, простирающаяся от высот порядка 100 км и выше. Содержит большое количество ионов. Плазма удерживается магнитным полем Земли, но её состояние определяется взаимодействием магнитного поля Земли с солнечным ветром, чем и объясняется связь магнитных бурь на Земле с солнечными вспышками.

Параметры поля

Точки Земли, в которых напряжённость магнитного поля имеет вертикальное направление, называют магнитными полюсами. Таких точек на Земле две: северный магнитный полюс и южный магнитный полюс.

Прямая, проходящая через магнитные полюсы, называется магнитной осью Земли. Окружность большого круга в плоскости, которая перпендикулярна к магнитной оси, называется магнитным экватором. Напряжённость магнитного поля в точках магнитного экватора имеет приблизительно горизонтальное направление.

Средняя напряжённость поля на поверхности Земли составляет около 0,5 э (40 А/м) и сильно зависит от географического положения. Напряжённость магнитного поля на магнитном экваторе около 0,34 э (Эрстед), у магнитных полюсов около 0,66 э. В некоторых районах (в так называемых районах магнитных аномалий) напряжённость резко возрастает. В районе Курской магнитной аномалии она достигает 2 э.

Дипольный магнитный момент Земли на 1995 год составлял 7,812x10 25 Гс·см 3 (или 7,812x10 22 А·м 2), уменьшаясь в среднем за последние десятилетия на 0,004x10 25 Гс·см 3 или на 1/4000 в год.

Распространена аппроксимация магнитного поля Земли в виде ряда по гармоникам - ряд Гаусса.

Для магнитного поля Земли характерны возмущения, называемые геомагнитными пульсациями вследствие возбуждения гидромагнитных волн в магнитосфере Земли; частотный диапазон пульсаций простирается от миллигерц до одного килогерца.

Магнитный меридиан

Магнитными меридианами называются проекции силовых линий магнитного поля Земли на её поверхность; сложные кривые, сходящиеся в северном и южном магнитных полюсах Земли.

Гипотезы о природе магнитного поля Земли

В последнее время получила развитие гипотеза, связывающая возникновение магнитного поля Земли с протеканием токов в жидком металлическом ядре. Подсчитано, что зона, в которой действует механизм «магнитное динамо», находится на расстоянии 0,25-0,3 радиуса Земли. Аналогичный механизм генерации поля может иметь место и на других планетах, в частности, в ядрах Юпитера и Сатурна (по некоторым предположениям, состоящих из жидкого металлического водорода).

Изменения магнитного поля Земли

Исследования остаточной намагниченности, приобретённой изверженными горными породами при остывании их ниже точки Кюри, свидетельствуют о неоднократных инверсиях магнитного поля Земли, зафиксированных в полосовых магнитных аномалиях океанической коры, параллельные осям срединных океанических хребтов.

Образование полосовых магнитных аномалий при спрединге.

Смещение магнитных полюсов Земли

Смещение магнитных полюсов регистрируется с 1885 г. За последние 100 лет магнитный полюс в южном полушарии переместился почти на 900 км и вышел в Индийский океан. Новейшие данные по состоянию арктического магнитного полюса (движущегося по направлению к Восточно-Сибирской мировой магнитной аномалии через Ледовитый океан) показали, что с 1973 по 1984 г. его пробег составил 120 км, с 1984 по 1994 г. - более 150 км. Хотя эти данные расчётные, они подтверждены замерами северного магнитного полюса. По данным на начало 2007-го года, скорость дрейфа северного магнитного полюса увеличилась с 10 км/год в 70-х годах, до 60 км/год в 2004-м году.

Напряжённость земного магнитного поля падает, причём неравномерно. За последние 22 года она уменьшилась в среднем на 1,7 %, а в некоторых регионах - например, в южной части Атлантического океана, - на 10 процентов. В некоторых местах напряжённость магнитного поля, вопреки общей тенденции, даже возросла.

Ускорение движения полюсов (в среднем на 3 км/год) и движение их по коридорам инверсии магнитных полюсов (более 400 палеоинверсий позволили выявить эти коридоры), позволяет предположить, что в данном перемещении полюсов следует усматривать не экскурс, а очередную инверсию магнитного поля Земли.

Это подтверждается и текущим возрастанием угла раствора каспов (полярных щелей в магнитосфере на севере и юге), который к середине 90-ых годов достиг 45°. В расширившиеся щели устремился радиационный материал солнечного ветра, межпланетного пространства и космических лучей, вследствие чего в полярные области поступает большее количество вещества и энергии, что может привести к дополнительному разогреву полярных шапок.

В прошлом инверсии магнитных полюсов происходили многократно и жизнь сохранилась. Вопрос в том, какой ценой. Если, как утверждается в некоторых гипотезах, во время перестановки полюсов магнитосфера Земли на некоторое время исчезнет, то на Землю обрушится поток космических лучей, что представляет опасность для обитателей суши и тем большую, если исчезновение магнитосферы будет сопряжено с истощением озонового слоя. Обнадёживает тот факт, что во время инверсии магнитного поля Солнца, произошедшего в марте 2001 года, полного исчезновения солнечной магнитосферы зафиксировано не было. Полный цикл обращения магнитного поля Солнца составляет 22 года.

Геомагнитные координаты (координаты Мак-Илвайна)

В физике космических лучей широко используется специфические координаты в геомагнитном поле, названные в честь ученого Мак Илвайна (Carl McIlwain), первым предложившим их использование, так как они основаны на инвариантах движения частиц в магнитном поле. Точка в дипольном поле характеризуются двумя координатами (L, B), где L - так называемая магнитная оболочка, или параметр Мак Илвайна (англ. L-shell, L-value, McIlwain L-parameter), B - магнитная индукция поля (обычно в Гс). За параметр магнитной оболочки обычно принимается величина L, равная отношению среднего удаления реальной магнитной оболочки от центра Земли в плоскости геомагнитного экватора, к радиусу Земли.

История исследований

О способности намагниченных предметов располагаться в определённом направлении было известно ещё китайцам несколько тысячелетий назад.

В 1544 году немецкий учёный Георг Гартман открыл магнитное наклонение. Магнитным наклонением называют угол, на который стрелка под действием магнитного поля Земли отклоняется от горизонтальной плоскости вниз или вверх. В полушарии севернее магнитного экватора (который не совпадает с географическим экватором) северный конец стрелки отклоняется вниз, в южном - наоборот. На самом магнитном экваторе линии магнитного поля параллельны поверхности Земли.

Впервые предположение о наличии магнитного поля Земли, которое и вызывает такое поведение намагниченных предметов, высказал английский врач и натурфилософ Уильям Гильберт (англ. William Gilbert) в 1600 году в своей книге «О магните» («De Magnete»), в которой описал опыт с шаром из магнитной руды и маленькой железной стрелкой. Гильберт пришел к заключению, что Земля представляет собой большой магнит. Наблюдения английского астронома Генри Геллибранда (англ. Henry Gellibrand) показали, что геомагнитное поле не постоянно, а медленно изменяется.

У Хосе де Акосты (одного из Основателей Геофизики, по словам Гумбольта) в его Истории (1590) впервые появилась теория о четырёх линиях без магнитного склонения (он описал использование компаса, угол отклонения, различия между Магнитным и Северным полюсом; хотя отклонения были известны еще в XV веке, он описал колебание отклонений от одной точки до другой; он идентифицировал места с нулевым отклонением: например, на Азорских островах).

Угол, на который отклоняется магнитная стрелка от направления север - юг, называют магнитным склонением. Христофор Колумб открыл, что магнитное склонение не остается постоянным, а претерпевает изменения с изменением географических координат. Открытие Колумба послужило толчком к новому изучению магнитного поля Земли: сведения о нем были нужны мореплавателям. Русский ученый М. В. Ломоносов в 1759 г. в докладе «Рассуждение о большой точности морского пути» дал ценные советы, позволяющие увеличить точность показаний компаса. Для изучения земного магнетизма М. В. Ломоносов рекомендовал организовать сеть постоянных пунктов (обсерваторий), в которых производить систематические магнитные наблюдения; такие наблюдения необходимо широко проводить и на море. Мысль Ломоносова об организации магнитных обсерваторий была осуществлена лишь спустя 60 лет в России.

В 1831 г. английским полярным исследователем Джоном Россом в Канадском архипелаге был открыт магнитный полюс - область, где магнитная стрелка занимает вертикальное положение, то есть наклонение равно 90°. В 1841 г. Джеймс Росс (племянник Джона Росса) достиг другого магнитного полюса Земли, находящегося в Антарктиде.

Карл Гаусс (нем. Carl Friedrich Gauss) выдвинул теорию о происхождении магнитного поля Земли и в 1839 году доказал, что основная его часть выходит из Земли, а причину небольших, коротких отклонений его значений необходимо искать во внешней среде.

источник - Википедия

Смотрите также раздел - скачать астрономические книги бесплатно

Смотрите также раздел - скачать астрономические статьи и рефераты бесплатно

Смотрите также раздел - купить в сети Интернет

Смотрите также раздел - статьи из научных журналов