чем отличаются три основные составляющие геомагнитного поля

Щит для Земли: зачем нашей планете магнитное поле и как оно изменяется?

Магнитное поле защищает поверхность Земли от солнечного ветра и вредного космического излучения. Оно работает как своеобразный щит — без его существования атмосфера была бы разрушена. Рассказываем, как формировалось и менялось магнитное поле Земли.

Читайте «Хайтек» в

Строение и характеристики магнитного поля Земли

Магнитное поле Земли, или геомагнитное поле — магнитное поле, генерируемое внутриземными источниками. Предмет изучения геомагнетизма. Появилось 4,2 млрд лет назад.

Собственное магнитное поле Земли (геомагнитное поле) можно разделить на cледующие основные части:

Более чем на 90% оно состоит из поля, источник которого находится внутри Земли, в жидком внешнем ядре, — эта часть называется главным, основным или нормальным полем.

Оно аппроксимируется в виде ряда по гармоникам — ряда Гаусса, а в первом приближении вблизи поверхности Земли (до трех ее радиусов) близко к полю магнитного диполя, то есть имеет такой вид, как будто земной шар представляет собой полосовой магнит с осью, направленной приблизительно с севера на юг.

Реальные силовые линии магнитного поля Земли, хотя в среднем и близки к силовым линиям диполя, отличаются от них местными нерегулярностями, связанными с наличием намагниченных пород в коре, расположенных близко к поверхности.

Из-за этого в некоторых местах на земной поверхности параметры поля сильно отличаются от значений в близлежащих районах, образуя так называемые магнитные аномалии. Они могут накладываться одна на другую, если вызывающие их намагниченные тела залегают на разных глубинах.

Оно определяется источниками в виде токовых систем, находящимися за пределами земной поверхности, в ее атмосфере. В верхней части атмосферы (100 км и выше) — ионосфере — ее молекулы ионизируются, формируя плотную холодную плазму, поднимающуюся выше, поэтому часть магнитосферы Земли выше ионосферы, простирающаяся на расстояние до трех ее радиусов, называется плазмосферой.

Плазма удерживается магнитным полем Земли, но ее состояние определяется его взаимодействием с солнечным ветром — потоком плазмы солнечной короны.

Таким образом, на большем удалении от поверхности Земли магнитное поле несимметрично, так как искажается под действием солнечного ветра: со стороны Солнца оно сжимается, а в направлении от Солнца приобретает «шлейф», который простирается на сотни тысяч километров, выходя за орбиту Луны.

Эта своеобразная «хвостатая» форма возникает, когда плазма солнечного ветра и солнечных корпускулярных потоков как бы обтекают земную магнитосферу — область околоземного космического пространства, еще контролируемую магнитным полем Земли, а не Солнца и других межпланетных источников.

Она отделяется от межпланетного пространства магнитопаузой, где динамическое давление солнечного ветра уравновешивается давлением собственного магнитного поля.

Наглядное представление о положении линий магнитной индукции поля Земли дает магнитная стрелка, закрепленная таким образом, что может свободно вращаться и вокруг вертикальной, и вокруг горизонтальной оси (например, в кардановом подвесе), — в каждой точке вблизи поверхности Земли она устанавливается определённым образом вдоль этих линий.

Поскольку магнитные и географические полюса не совпадают, магнитная стрелка указывает направление с севера на юг только приблизительно.

Вертикальную плоскость, в которой устанавливается магнитная стрелка, называют плоскостью магнитного меридиана данного места, а линию, по которой эта плоскость пересекается с поверхностью Земли, — магнитным меридианом.

Таким образом, магнитные меридианы — это проекции силовых линий магнитного поля Земли на ее поверхность, сходящиеся в северном и южном магнитных полюсах. Угол между направлениями магнитного и географического меридианов называют магнитным склонением.

Оно может быть западным (часто обозначается знаком «−») или восточным (знак «+») в зависимости от того, к западу или востоку отклоняется северный полюс магнитной стрелки от вертикальной плоскости географического меридиана.

Далее линии магнитного поля Земли, вообще говоря, не параллельны ее поверхности. Это означает, что магнитная индукция поля Земли не лежит в плоскости горизонта данного места, а образует с этой плоскостью некий угол — он называется магнитным наклонением. Оно близко к нулю лишь в точках магнитного экватора — окружности большого круга в плоскости, которая перпендикулярна к магнитной оси.

Природа магнитного поля Земли

Впервые объяснить существование магнитных полей Земли и Солнца попытался Дж. Лармор в 1919 году, предложив концепцию динамо, согласно которой поддержание магнитного поля небесного тела происходит под действием гидродинамического движения электропроводящей среды.

Однако в 1934 году Т. Каулинг доказал теорему о невозможности поддержания осесимметричного магнитного поля посредством гидродинамического динамо-механизма.

А поскольку большинство изучаемых небесных тел (и тем более Земля) считались аксиально-симметричными, на основании этого можно было сделать предположение, что их поле тоже будет аксиально-симметричным, и тогда его генерация по такому принципу будет невозможна согласно этой теорем.

Даже Альберт Эйнштейн скептически относился к осуществимости такого динамо при условии невозможности существования простых (симметричных) решений. Лишь гораздо позже было показано, что не у всех уравнений с аксиальной симметрией, описывающих процесс генерации магнитного поля, решение будет аксиально-симметричным, и в 1950-х годах. несимметричные решения были найдены.

С тех пор теория динамо успешно развивается, и на сегодняшний день общепринятым наиболее вероятным объяснением происхождения магнитного поля Земли и других планет является самовозбуждающийся динамо-механизм, основанный на генерации электрического тока в проводнике при его движении в магнитном поле, порождаемом и усиливаемом самими этими токами.

Необходимые условия создаются в ядре Земли: в жидком внешнем ядре, состоящем в основном из железа при температуре порядка 4–6 тысяч кельвинов, которое отлично проводит ток, создаются конвективные потоки, отводящие от твердого внутреннего ядра тепло (генерируемое благодаря распаду радиоактивных элементов либо освобождению скрытой теплоты при затвердевании вещества на границе между внутренним и внешним ядром по мере постепенного остывания планеты).

Силы Кориолиса закручивают эти потоки в характерные спирали, образующие так называемые столбы Тейлора. Благодаря трению слоев они приобретают электрический заряд, формируя контурные токи. Таким образом, создается система токов, циркулирующих по проводящему контуру в движущихся в (изначально присутствующем, пусть и очень слабом) магнитном поле проводниках, как в диске Фарадея.

Она создает магнитное поле, которое при благоприятной геометрии течений усиливает начальное поле, а это, в свою очередь, усиливает ток, и процесс усиления продолжается до тех пор, пока растущие с увеличением тока потери на джоулево тепло не уравновесят притоки энергии, поступающей за счет гидродинамических движений.

Высказывались предположения, что динамо может возбуждаться за счет прецессии или приливных сил, то есть что источником энергии является вращение Земли, однако наиболее распространена и разработана гипотеза о том, что это все же именно термохимическая конвекция.

Изменения магнитного поля Земли

Инверсия магнитного поля — изменение направления магнитного поля Земли в геологической истории планеты (определяется палеомагнитным методом).

При инверсии северный магнитный полюс и южный магнитный полюс меняются местами, и стрелка компаса начинает показывать противоположное направление. Инверсия — относительно редкое явление, которое ни разу не происходило за время существования Homo sapiens. Предположительно, последний раз оно произошло около 780 тысяч лет назад.

Инверсии магнитного поля происходили через интервалы времени от десятков тысяч лет до огромных промежутков спокойного магнитного поля в десятки миллионов лет, когда инверсии не происходили.

Таким образом, не обнаружено никакой периодичности в смене полюсов, и этот процесс считается стохастическим. За длительными периодами спокойного магнитного поля могут следовать периоды многократных инверсий с различной длительностью и наоборот. Как показывают исследования, смена магнитных полюсов может длиться от нескольких сотен до нескольких сотен тысяч лет.

Специалисты из Университета Джонса Хопкинса (США) предполагают, что во время инверсий магнитосфера Земли ослабевала настолько, что космическое излучение могло достигать поверхности Земли, поэтому это явление могло наносить вред живым организмам на планете, а очередная смена полюсов может привести к еще более серьезным последствиям для человечества вплоть до глобальной катастрофы.

Научные работы в последние годы показали (в том числе и в эксперименте) возможность случайных изменений направления магнитного поля («перескоков») в стационарном турбулентном динамо. По словам заведующего лабораторией геомагнетизма Института физики Земли Владимира Павлова, инверсия — достаточно длинный по человеческим меркам процесс.

Геофизики из Лидского университета Йон Маунд и Фил Ливермор полагают, что через пару тысяч лет произойдет инверсия магнитного поля Земли.

Смещение магнитных полюсов Земли

Впервые координаты магнитного полюса в Северном полушарии были определены в 1831 году, повторно — в 1904 году, затем в 1948 году и 1962, 1973, 1984, 1994 годах; в Южном полушарии — в 1841 году, повторно — в 1908 году. Смещение магнитных полюсов регистрируется с 1885 года. За последние 100 лет магнитный полюс в Южном полушарии переместился почти на 900 км и вышел в Южный океан.

Новейшие данные по состоянию арктического магнитного полюса (движущегося по направлению к Восточно-Сибирской мировой магнитной аномалии через Северный Ледовитый океан) показали, что с 1973 по 1984 год его пробег составил 120 км, с 1984 по 1994 год — более 150 км. Хотя эти данные расчетные, они подтверждены замерами северного магнитного полюса.

После 1831 года, когда положение полюса было зафиксировано впервые, к 2019 году полюс сместился уже более чем на 2 300 км в сторону Сибири и продолжает двигаться с ускорением.

Скорость его перемещения увеличилась с 15 км в год в 2000 году до 55 км в год в 2019 году. Такой быстрый дрейф приводит к необходимости более частой корректировки навигационных систем, использующих магнитное поле Земли, например, в компасах в смартфонах или в резервных системах навигации кораблей и самолетов.

Напряженность земного магнитного поля падает, причем неравномерно. За последние 22 года она уменьшилась в среднем на 1,7 %, а в некоторых регионах, — например в южной части Атлантического океана, — на 10%. В некоторых местах напряженность магнитного поля, вопреки общей тенденции, даже возросла.

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

Как появилось магнитное поле Земли?

Специалисты океанографического Института Скриппса и Калифорнийского Университета предположили, что магнитное поле планеты сформировалось благодаря мантии. Американские ученые развили гипотезу, предложенную 13 лет назад группой исследователей из Франции.

Известно, что в течение долгого времени профессионалы утверждали, что именно внешнее ядро Земли генерировало ее магнитное поле. Но потом специалисты из Франции предположили, что мантия планеты была всегда твердой (с момента своего рождения).

Это заключение и заставило ученых задуматься о том, что не ядро могло формировать магнитное поле, а жидкая часть нижней мантии. Состав мантии представляет собой силикатный материал, который считается плохим проводником.

Но так как нижняя мантия должна была оставаться жидкой в течение миллиардов лет, движения жидкости внутри нее не производило электрического тока, а ведь для генерации магнитного поля он был просто необходим.

Сегодня профессионалы считают, что мантия могла быть более мощным проводником, чем считалось прежде. Такое умозаключение специалистов вполне оправдывает состояние ранней Земли. Силикатное динамо возможно только в том случае, если электропроводность ее жидкой части была намного выше и имела низкие показатели давления и температуры.

Источник

Магнитное поле Земли: происхождение, характеристики, функции

Содержание:

В Магнитное поле Земли Это магнитный эффект, который оказывает Земля и простирается от ее недр до сотен километров в космосе. Это очень похоже на то, что производится стержневым магнитом. Эта идея была предложена английским ученым Уильямом Гилбертом в 17 веке, который также заметил, что невозможно разделить полюса магнита.

На рисунке 1 показаны силовые линии магнитного поля Земли. Они всегда закрыты, проходят внутрь и продолжаются снаружи, образуя своеобразную оболочку.

Происхождение магнитного поля Земли до сих пор остается загадкой. Внешнее ядро ​​Земли, сделанное из чугуна, не может само по себе создавать поле, поскольку температура такова, что разрушает магнитный порядок. Температурный порог для этого известен как температура Кюри. Следовательно, большая масса намагниченного материала не может быть причиной возникновения поля.

Отбросив эту гипотезу, мы должны искать происхождение поля в другом явлении: вращении Земли. Это заставляет расплавленный сердечник вращаться неравномерно, создавая динамо-эффект, при котором жидкость самопроизвольно генерирует магнитное поле.

Считается, что динамо-эффект является причиной магнетизма астрономических объектов, например, Солнца. Но до сих пор неизвестно, почему жидкость может вести себя подобным образом и как возникающие электрические токи удерживаются.

характеристики

— Магнитное поле Земли является результатом трех вкладов: самого внутреннего поля, внешнего магнитного поля и магнитных минералов в коре:

— Магнитное поле поляризовано и представляет северный и южный полюса, как стержневой магнит.

— Поскольку противоположные полюса притягиваются друг к другу, стрелка компаса, которая является его северным полюсом, всегда указывает на близость географического севера, где находится южный полюс магнита Земли.

— Направление магнитного поля представлено в виде замкнутых линий, которые покидают магнитный юг (северный полюс магнита) и входят в магнитный север (южный полюс магнита).

— Напряженность поля на полюсах намного больше, чем на экваторе.

— Ось земного диполя (рисунок 1) и ось вращения не совмещены. Между ними есть смещение на 11,2 °.

Геомагнитные элементы

Поскольку магнитное поле является векторным, декартова система координат XYZ с началом O помогает установить его положение.

Полная напряженность магнитного поля или индукции равна B и его проекции или компоненты: H по горизонтали и Z по вертикали. Они связаны между собой:

-D, угол магнитного склонения, образованный между H и географическим севером (ось X), положительный на восток и отрицательный на запад.

-I, угол магнитного наклона между B и H положительно, если B ниже горизонтали.

Вектор магнитного поля полностью задан, если известны три из следующих величин, которые называются геомагнитными элементами: B, H, D, I, X, Y, Z.

Функция

Вот некоторые из наиболее важных функций магнитного поля Земли:

— Люди использовали его, чтобы ориентироваться по компасу на протяжении сотен лет.

— Выполняет защитную функцию планеты, обволакивая ее и отклоняя заряженные частицы, которые непрерывно испускает Солнце.

-Хотя магнитное поле Земли (30-60 микротесла) слабое по сравнению с тем, что находится в лаборатории, оно достаточно сильное, чтобы некоторые животные использовали его для ориентации. Как и перелетные птицы, почтовые голуби, киты и некоторые косяки рыб.

-Магнитометрия или измерение магнитного поля используется для разведки полезных ископаемых.

Северное сияние и юг

Они известны как северное или южное сияние соответственно. Они появляются на широтах около полюсов, где магнитное поле почти перпендикулярно поверхности Земли и намного сильнее, чем на экваторе.

Они происходят из большого количества заряженных частиц, которые Солнце постоянно посылает. Те, что захвачены полем, обычно дрейфуют к полюсам из-за более высокой интенсивности. Там они используют это для ионизации атмосферы, и в процессе излучается видимый свет.

Северное сияние видно на Аляске, в Канаде и в Северной Европе из-за близости магнитного полюса. Но из-за миграции этого не исключено, что со временем они станут более заметными к северу России.

На данный момент, похоже, это не так, поскольку полярные сияния точно не следуют за неустойчивым магнитным севером.

Магнитное склонение и навигация

Для навигации, особенно в очень длительных поездках, чрезвычайно важно знать магнитное склонение, чтобы внести необходимые поправки и найти истинный север.

Это достигается с помощью карт, на которых указаны линии равного склонения (изогональные), поскольку склонение сильно варьируется в зависимости от географического положения. Это связано с тем, что магнитное поле постоянно испытывает локальные изменения.

Северные ребята

Каким бы запутанным это ни казалось, существует несколько типов севера, определяемых некоторыми конкретными критериями. Таким образом, мы можем найти:

Геомагнитный север, это место, где ось магнитного диполя поднимается к поверхности (см. рисунок 1). Поскольку магнитное поле Земли немного сложнее, чем поле диполя, эта точка не совсем совпадает с магнитным севером.

Географический север, через них проходит ось вращения Земли.

К северу от Ламберта или сетки, это точка, где сходятся меридианы карт. Он не совсем совпадает с истинным или географическим севером, поскольку сферическая поверхность Земли искажается при проецировании на плоскость.

Инверсия магнитного поля

Есть загадочный факт: магнитные полюса могут менять положение в течение нескольких тысяч лет, и это происходит в настоящее время. Фактически, это, как известно, происходило 171 раз раньше, за последние 17 миллионов лет.

Доказательства обнаружены в скалах, выходящих из разлома в центре Атлантического океана. Когда он выходит наружу, скала охлаждается и затвердевает, задавая на мгновение направление намагниченности Земли, которое сохраняется.

Но пока нет ни удовлетворительного объяснения того, почему это происходит, ни источника энергии, необходимого для инвертирования поля.

Как обсуждалось ранее, магнитный север в настоящее время быстро движется в сторону Сибири, а юг также движется, хотя и медленнее.

Некоторые эксперты считают, что это происходит из-за высокоскоростного потока жидкого железа чуть ниже Канады, который ослабляет поле. Это также может быть началом перемагничивания. Последнее, что произошло, произошло 700 000 лет назад.

Возможно, динамо-машина, порождающая земной магнетизм, отключается на время либо самопроизвольно, либо из-за какого-либо внешнего вмешательства, такого как, например, приближение кометы, хотя свидетельств последнего нет.

Когда динамо перезапускается, магнитные полюса поменялись местами. Но также может случиться так, что инверсия не полная, а временное изменение оси диполя, которая наконец вернется в исходное положение.

Эксперимент

Он осуществляется с помощью катушек Гельмгольца: двух одинаковых концентрических круговых катушек, через которые проходит ток одинаковой силы. Магнитное поле катушек взаимодействует с магнитным полем Земли, создавая в результате магнитное поле.

Внутри катушек создается приблизительно однородное магнитное поле, величина которого:

-μ_или магнитная проницаемость вакуума

Процесс

-С помощью компаса, расположенного на осевой оси катушек, определите направление магнитного поля Земли B_Т.

-Сориентируйте ось катушек так, чтобы она была перпендикулярнаB_Т. Таким образом, поле B_ЧАС генерируется, как только ток будет пропущен, он будет перпендикулярен B_Т. В этом случае:

-B_ЧАС пропорциональна току, проходящему через катушки, так что B_ЧАС = k.I, где k это константа, которая зависит от геометрии катушек: радиуса и количества витков. При измерении тока можно получить значение B_ЧАС. Так что:

-Различные интенсивности пропускаются через катушки, и пары записываются в таблицу (я, tg θ).

-Составлен график я vs. tg θ. Поскольку зависимость линейная, мы ожидаем получить линию, наклон которой м это:

-Наконец, от корректировки линии методом наименьших квадратов или путем визуальной корректировки переходим к определению значения B_Т.

Ссылки

20 положительных слов, вызывающих хорошие чувства

Источник

Элементы геомагнитного поля и его происхождение

В любой точке земной поверхности существует магнитное поле, которое опреде- ляется полным вектором напряженности Т, т.е. направлением действия и модулем. Вдоль вектора Т устанавливается подвешенная у центра тяжести магнитная стрелка. Проекция этого вектора на горизонтальную поверхность и вертикальное направление, а также углы, составленные этим вектором с координатными осями, носят название эле- ментов магнитного поля (рис. 3.1).

Если ось x прямоугольной системы координат направить на географический се- вер, ось y — на восток, а ось z — вертикально вниз, то проекцию полного вектора Т на ось z называют вертикальной составляющей и обозначают Z. Проекцию полного векто- ра Т на горизонтальную плоскость называют горизонтальной составляющей Н. На- правление Н совпадает с магнитным меридианом и задается осью стрелки компаса или буссоли.

Проекцию Н на ось Х называют северной (или южной) составляющей X, проек- цию Н на ось y — восточной (или западной) составляющей Y. Угол между осью x и со- ставляющей Н называют склонением и обозначают D. Принято считать восточное склонение положительным, западное — отрицательным. Угол между вектором Т и го- ризонтальной плоскостью называют наклонением и обозначают J. При наклоне север- ного конца стрелки наклонение называют северным (или положительным), при наклоне

южного конца стрелки — южным (или отрицательным). Взаимосвязь полученных эле-

ментов магнитного поля Земли выражают следующими формулами:

При магнитной разведке измеряют лишь одну-две составляющие поля или их приращение (как правило, это ΔZ и Т). Распределение значений элементов магнитного поля на земной поверхности обычно изображают в виде карт изолиний, т. е. линий, со- единяющих точки с равными значениями того или иного параметра. Изолинии склоне- ния называются изогонами, изолинии наклонения — изоклинами, изолинии Н, Z или Т

— соответственно изодинамами Н, Z или Т. Эти карты строят на 1 июля каждого года и называют их картами эпохи такого-то года (например, карта эпохи 1986 г.).

Единицей напряженности магнитного поля в системе СИ является ампер на метр (А/м), а в сис- теме СГС – эрстед (Э). В практике магниторазведки широко применяется также внесистемная единица напряженности магнитного поля – гамма (γ). Пере- численные единицы измерения напряженности маг- нитного поля соотносятся следующим образом:

1 А/м = 4π·10-1Э, 1Э = 105 γ

В реальных средах измеряемым параметром магнитного поля служит магнитная индукция В = μ0 Т(1+ χ), где μ0— абсолютная магнитная прони-

магнитная восприимчивость, χ = I / Тi; где I —

индуктивная намагниченность. Единицей

измерения магнитной индукции в СИ является тесла (Тл). В магниторазведке используется более мелкая единица В — нанотесла (нТл), 1 нТл = 10-9

Тл. Магниторазведочная аппаратура обычно находится в немагнитной среде — воздухе или

Рис.3.1 Элементы земного маг-

Направление координатных осей:

воде, для которых χ = 0, поэтому B= μ0T.

Следовательно, магнитное поле Земли может быть выражено либо в единицах магнитной индук- ции (нТл), либо в единицах напряженности, при этом 1 нТл соответствует 1 γ.

В первом приближении магнитное поле Земли

может быть уподоблено полю намагниченного шара или полю магнитного диполя Tдип, расположенного в области центра Земли, ось которого по отношению к оси вращения Земли составляет 11°. Места выхода продолжений оси этого диполя на поверхность Земли называют геомагнитными полюсами Земли. Область выхода южного конца оси диполя носит название северного магнитного полюса, а область выхода северного окончания оси диполя — южного. Северный магнитный полюс находится на 72° с.ш. и

96° з. д. в 1400 км от северного географического полюса Земли.

Многочисленными наблюдениями значений магнитного поля Земли показано, что в среднем полный вектор напряженности Т изменяется от 0,66 105 нТл на полюсах до

0,33 105 нТл в районе экватора. При этом вертикальная составляющая Z уменьшается

от 0,66 105 нТл до нуля, а горизонтальная составляющая Н увеличивается от нуля до

0,33 105 нТл. Детальное изучение магнитных свойств горных пород различного возрас-

та на разных континентах установило миграцию (изменение местоположения) магнит-

ных полюсов и их инверсию, т. е. смену знаков (направления), происходящую с перио-

дом от 0,5 до нескольких десятков миллионов лет.

Дата добавления: 2015-06-27 ; просмотров: 1839 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник