что делает магнитное поле земли
Что такое магнитное поле Земли, как оно создается и в чем его значение?
С древних времен известно, что магнитная стрелка, свободно вращающаяся вокруг своей вертикальной оси, всегда позиционируется в определенном направлении в данном месте Земли (если поблизости нет магнитов, проводников электричества или железных предметов). Этот факт объясняется тем, что вокруг Земли существует магнитное поле, и магнитная стрелка устанавливается вдоль его магнитных линий. На этом основан компас, который представляет собой магнитную стрелку, свободно вращающуюся на оси.
Узнайте, что такое магнитное поле Земли, как оно создается и многое другое в этой статье.
Магнитное поле Земли: простое объяснение
Наша планета Земля окружена магнитным полем, которое также называют магнитным полем Земли. Если смотреть со стороны, то магнитное поле Земли по форме напоминает стержневой магнит. Это означает, что вы можете представить себе огромный стержневой магнит под поверхностью Земли, наклоненный к оси вращения Земли. Южный полюс этого магнита направлен в сторону географического северного полюса Земли.
Магнитное поле Земли имеет интенсивность от 30 микротесла (мкТл) до 60 мкТл. Основная часть магнитного поля Земли возникает в жидком внешнем ядре Земли в результате конвекции расплавленного железа.
Помимо обеспечения ориентации по компасу, магнитное поле Земли выполняет еще одну жизненно важную задачу: экранирует солнечный ветер, то есть защищает нас от опасного излучения из космоса. В состав космического излучения, кроме электронов, протонов, входят и другие частицы, движущиеся в пространстве с огромными скоростями.
Как создается магнитное поле Земли?
Основная часть магнитного поля возникает внутри Земли. Поэтому в этом разделе мы сначала покажем вам, как устроено ядро Земли, а затем кратко остановимся на так называемой «теории динамо».
Структура ядра Земли
Вы можете представить себе Землю, разделенную на четыре сферические оболочки и одну сферу (смотрите рисунок 1 ниже). Каждая сферическая оболочка изготовлена из разных материалов и имеет разную толщину. Сфера находится в центре, а четыре сферические оболочки окружают сферу одна за другой. В следующем списке показана структура Земли, начиная с поверхности Земли и заканчивая ее центром.
Теория динамо
Внешнее ядро состоит в основном из жидкого, электропроводящего железа. Внешний слой внешнего ядра Земли холоднее внутреннего ядра Земли. Эта разница температур приводит к возникновению конвекционных течений. Это означает, что жидкое железо во внешнем ядре сильно перемещается вперед и назад. К этому движению добавляется ещё и вращение земли.
Следующее наблюдение стало решающим для магнитного поля Земли, а именно, магнитное поле «задерживается» в проводнике. Если проводник движется, магнитное поле должно следовать за ним. Именно это и происходит во внешнем ядре Земли. Внешнее магнитное поле попадает в земное ядро и задерживается жидким железом. Затем это внешнее магнитное поле следует за движениями жидкого железа.
Во внешнем ядре Земли существует градиент вращения: чем ближе вы находитесь к внутреннему ядру, тем быстрее вы вращаетесь вокруг оси вращения Земли. Этот градиент вращения заставляет жидкое железо испытывать силу Кориолиса и, таким образом, отклоняться в спиралевидные траектории. Внешнее магнитное поле следует за этим спиральным движением, образуя искаженные кольца. Такое «магнитное кольцо» соответствует электрическому току. Этот электрический ток, в свою очередь, создает магнитное поле, которое усиливает внешнее магнитное поле. Как итог, создается магнитное поле Земли.
Таким образом, составляющие магнитного поля Земли следующие: конвекционные токи, вращение Земли и электропроводящая жидкость в ядре Земли.
Примечание! Основная идея магнитного поля Земли: уже существующее магнитное поле в ядре Земли приводит к электрическому току. Этот электрический ток, в свою очередь, создает магнитное поле, которое усиливает исходное магнитное поле.
Теперь вам может быть интересно, откуда берется внешнее магнитное поле. На самом деле, малейшего теплового движения во внешнем ядре Земли достаточно для возникновения случайного электрического тока. Затем этот электрический ток создает внешнее магнитное поле, которое усиливается динамо-эффектом и формирует магнитное поле Земли.
Индукция и форма магнитного поля Земли
Индукция магнитного поля Земли составляет от 30 до 60 мкТл. Для сравнения: типичный подковообразный магнит имеет индукция магнитного поля 0,1 тесла; а индукция магнитного поля магнитно-резонансного томографа для использования человеком составляет от 0,35 до 3 тесла.
Форма магнитного поля Земли напоминает форму стержневого магнита (см. рисунок 2). Если смотреть со стороны, то кажется, что внутри Земли находится гигантский стержневой магнит. Он наклонен примерно на 11° относительно оси вращения, а его южный полюс направлен в сторону географического северного полюса Земли.
Рис. 2. Стержневой магнит внутри Земли
Наблюдения показывают, что по мере приближения Земли к географическому северному полюсу магнитные линии магнитного поля Земли все больше наклоняются к горизонту и становятся вертикальными, входя в Землю примерно на 75° северной широты и 99° западной долготы. Южный магнитный полюс Земли сейчас находится в этой точке, примерно в 2100 км от географического северного полюса.
Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
Северный магнитный полюс Земли расположен вблизи географического южного полюса, то есть на 66,5° южной широты и 140° восточной долготы. Здесь магнитные линии магнитного поля Земли покидают Землю.
Поэтому магнитные полюса Земли не совпадают с географическими полюсами Земли. По этой причине направление магнитной стрелки не совпадает с направлением географического меридиана. Магнит
Стрелка компаса лишь приблизительно указывает на север.
Есть области земного шара, где направление магнитной стрелки постоянно отклоняется от направления магнитной линии Земли. Эти области называются магнитными аномалиями.
Смена полярности магнитного поля Земли
В этом разделе мы кратко объясним, что имеется в виду под изменением полярности магнитного поля Земли и что это означает для жизни на Земле.
Феномен и значение
Термин «изменение полярности» означает, что положения магнитных полюсов меняются местами. Возьмите стержневой магнит так, чтобы южный полюс был направлен вверх. Теперь поверните стержневой магнит на 180° так, чтобы южный полюс был направлен вниз. Теперь вы успешно изменили полярность магнита.
Рис. 3. Магнитное поле Земли
Исследования горных пород показали, что за последние 84 миллиона лет произошло 183 таких переполюсовки. Последняя смена полюсов произошла 780 000 лет назад. Возможно, сейчас вы спрашиваете себя, не настало ли время для того, чтобы снова произошел разворот полюсов. На самом деле, смена полярности является случайным событием. Это означает, что невозможно точно утверждать, когда это произойдет.
Но предположим, что полярность поменялась. Имеет ли это какое-либо значение для жизни на Земле? В любом случае навигация по компасу вначале работать не будет. У таких животных, как птицы, морские черепахи и киты, вначале также будут проблемы с ориентацией. Но это будет лишь вопросом времени, когда навигация по компасу и ориентация животных снова «выровняются».
Худшие последствия, такие как отказ всех технологий, в настоящее время являются лишь гипотезой. Факт состоит в том, что магнитное поле Земли постепенно ослабевает, а это значит, что всё больше опасной радиации достигает Земли. Однако, точные последствия этого все еще исследуются.
Значение
В этом последнем разделе мы кратко обсудим важные задачи, выполняемые магнитным полем Земли.
Экранирование.
Одной из важнейших задач магнитного поля Земли является защита от солнечного ветра — магнитное поле Земли создает так называемую магнитосферу, которая окружает Землю. Солнечный ветер состоит из высокоэнергетических частиц. Отсутствие экранирования может, например, привести к уменьшению озонового слоя. Этот слой защищает Землю и, соответственно, людей от опасного ультрафиолетового излучения. Поэтому без магнитного поля Земли большее количество такого излучения будет попадать на людей и повышать риск возникновения рака, в том числе.
Ориентация.
Магнитное поле Земли служит не только для защиты, но и для ориентации. Например, с помощью компаса люди могут спланировать свой маршрут через лес. Такие животные, как киты, голуби и медоносные пчелы, используют магнитное поле Земли для ориентации.
Земля как магнит: Геомагнитное поле
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».