Земен щит: Къде нашата планета има магнитно поле?

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-16 15:58

Магнитното поле предпазва земната повърхност от слънчевия вятър и вредното космическо излъчване. Работи като един вид щит – без съществуването му атмосферата би била унищожена. Ще ви разкажем как се формира и променя магнитното поле на Земята.

Структурата и характеристиките на магнитното поле на Земята

Магнитното поле на Земята или геомагнитното поле е магнитно поле, генерирано от вътрешноземни източници. Предмет на изучаване на геомагнетизма. Появи се преди 4, 2 милиарда години.

Собственото магнитно поле на Земята (геомагнитното поле) може да бъде разделено на следните основни части:

• основно поле,
• полета на световни аномалии,
• външно магнитно поле.

Основно поле

Повече от 90% от него се състои от поле, чийто източник е вътре в Земята, в течното външно ядро - тази част се нарича основно, основно или нормално поле.

Апроксимира се под формата на поредица в хармоници - гаусов ред и в първо приближение близо до земната повърхност (до три от нейните радиуса) е близо до магнитното диполно поле, тоест изглежда като земята е лентов магнит с ос, насочена приблизително от север на юг.

Полета на световни аномалии

Реалните силови линии на магнитното поле на Земята, макар и средно близки до силовите линии на дипола, се различават от тях по локални неравности, свързани с наличието на магнетизирани скали в кората, разположена близо до повърхността.

Поради това на някои места по земната повърхност параметрите на полето са много различни от стойностите в близките райони, образувайки така наречените магнитни аномалии. Те могат да се припокриват един друг, ако намагнетизираните тела, които ги причиняват, лежат на различни дълбочини.

Външно магнитно поле

Определя се от източници под формата на текущи системи, разположени извън земната повърхност, в нейната атмосфера. В горната част на атмосферата (100 км и повече) - йоносферата - нейните молекули се йонизират, образувайки плътна студена плазма, която се издига по-високо, следователно част от земната магнитосфера над йоносферата, простираща се на разстояние до три от нейните радиуси, се нарича плазмосфера.

Плазмата се задържа от магнитното поле на Земята, но състоянието й се определя от взаимодействието й със слънчевия вятър – плазмения поток на слънчевата корона.

По този начин, на по-голямо разстояние от земната повърхност, магнитното поле е асиметрично, тъй като се изкривява под действието на слънчевия вятър: от Слънцето се свива и в посока от Слънцето придобива "следа", която се простира на стотици хиляди километри, излизайки отвъд орбитата на Луната.

Тази особена "опашата" форма възниква, когато плазмата на слънчевия вятър и слънчевите корпускуларни потоци изглежда текат около земната магнитосфера - областта на околоземното пространство, все още контролирана от магнитното поле на Земята, а не от Слънцето и други междупланетни източници.

Той е отделен от междупланетното пространство с магнитопауза, където динамичното налягане на слънчевия вятър се балансира от налягането на собственото му магнитно поле.

Параметри на полето

Визуално представяне на положението на линиите на магнитна индукция на земното поле се осигурява от магнитна игла, фиксирана по такъв начин, че да може свободно да се върти както около вертикалната, така и около хоризонталната ос (например в кардан), - във всяка точка близо до повърхността на Земята, той е инсталиран по определен начин по тези линии.

Тъй като магнитният и географският полюси не съвпадат, магнитната стрелка показва само приблизителна посока север-юг.

Вертикалната равнина, в която е монтирана магнитната стрелка, се нарича равнината на магнитния меридиан на даденото място, а линията, по която тази равнина се пресича със земната повърхност, се нарича магнитен меридиан.

По този начин магнитните меридиани са проекции на силовите линии на магнитното поле на Земята върху нейната повърхност, сближаващи се на северния и южния магнитни полюси. Ъгълът между посоките на магнитния и географския меридиани се нарича магнитна деклинация.

Тя може да бъде западна (често обозначена със знак "-") или източна (знак "+"), в зависимост от това дали северният полюс на магнитната стрелка се отклонява от вертикалната равнина на географския меридиан на запад или изток.

Освен това линиите на магнитното поле на Земята, най-общо казано, не са успоредни на нейната повърхност. Това означава, че магнитната индукция на земното поле не лежи в равнината на хоризонта на дадено място, а образува определен ъгъл с тази равнина – нарича се магнитен наклон. Той е близо до нула само в точките на магнитния екватор - обиколката на голям кръг в равнина, която е перпендикулярна на магнитната ос.

Резултати от числено моделиране на магнитното поле на Земята: отляво - нормално, отдясно - по време на инверсия

Природата на земното магнитно поле

За първи път Дж. Лармор се опитва да обясни съществуването на магнитните полета на Земята и Слънцето през 1919 г., като предлага концепцията за динамо, според която поддържането на магнитното поле на небесно тяло става под действието на хидродинамичното движение на електропроводима среда.

Въпреки това през 1934 г. Т. Каулинг доказва теоремата за невъзможността да се поддържа осесиметрично магнитно поле посредством хидродинамичен динамо механизъм.

И тъй като повечето от изследваните небесни тела (и още повече Земята) се считат за аксиално симетрични, въз основа на това беше възможно да се направи предположението, че тяхното поле също ще бъде аксиално симетрично, а след това генерирането му според този принцип би било невъзможно според тази теорема.

Дори Алберт Айнщайн беше скептичен относно осъществимостта на такова динамо, като се има предвид невъзможността за съществуване на прости (симетрични) решения. Едва много по-късно беше показано, че не всички уравнения с аксиална симетрия, описващи процеса на генериране на магнитно поле, ще имат аксиално симетрично решение дори през 50-те години на миналия век. са открити асиметрични решения.

Оттогава теорията за динамо се развива успешно и днес общоприетото най-вероятно обяснение за произхода на магнитното поле на Земята и други планети е самовъзбуждащ се динамо механизъм, основан на генериране на електрически ток в проводник когато се движи в магнитно поле, генерирано и усилено от самите тези токове.

В ядрото на Земята се създават необходимите условия: в течното външно ядро, състоящо се предимно от желязо с температура около 4-6 хиляди Келвина, което перфектно провежда ток, се създават конвективни потоци, които отстраняват топлината от твърдото вътрешно ядро (генерирани поради разпадането на радиоактивни елементи или отделянето на латентна топлина по време на втвърдяване на материята на границата между вътрешното и външното ядро, когато планетата постепенно се охлажда).

Силите на Кориолис усукват тези течения в характерни спирали, които образуват така наречените стълбове на Тейлър. Поради триенето на слоевете те придобиват електрически заряд, образувайки контурни токове. Така се създава система от токове, които циркулират по проводяща верига в проводници, движещи се в (първоначално присъстващо, макар и много слабо) магнитно поле, както в диск на Фарадей.

Създава магнитно поле, което при благоприятна геометрия на потоците засилва първоначалното поле, а това от своя страна усилва тока и процесът на усилване продължава, докато загубите от джаулова топлина, нарастващи с увеличаване на тока, балансират енергийни потоци, дължащи се на хидродинамични движения.

Предполага се, че динамото може да се възбуди поради прецесия или приливни сили, тоест източникът на енергия е въртенето на Земята, но най-разпространената и развита хипотеза е, че това е именно термохимична конвекция.

Промени в магнитното поле на Земята

Инверсията на магнитното поле е промяна в посоката на магнитното поле на Земята в геоложката история на планетата (определена чрез палеомагнитния метод).

При инверсия магнитният север и магнитният юг се обръщат и стрелката на компаса започва да сочи в обратната посока. Инверсията е сравнително рядко явление, което никога не се е случвало по време на съществуването на Homo sapiens. Предполага се, че последният път се е случило преди около 780 хиляди години.

Обръщанията на магнитното поле се случват на интервали от време от десетки хиляди години до огромни интервали на тихо магнитно поле от десетки милиони години, когато обръщанията не се случват.

По този начин не е открита периодичност при обръщането на полюса и този процес се счита за стохастичен. Дългите периоди на тихо магнитно поле могат да бъдат последвани от периоди на множество обръщания с различна продължителност и обратно. Проучванията показват, че промяната на магнитните полюси може да продължи от няколкостотин до няколкостотин хиляди години.

Експерти от университета Джон Хопкинс (САЩ) предполагат, че по време на обръщания земната магнитосфера е отслабнала толкова много, че космическата радиация може да достигне земната повърхност, така че това явление може да навреди на живите организми на планетата, а следващата смяна на полюсите може да доведе до още повече сериозни последици за човечеството до глобална катастрофа.

Научната работа през последните години показа (включително експериментално) възможността за произволни промени в посоката на магнитното поле („скокове“) в неподвижно турбулентно динамо. Според ръководителя на лабораторията по геомагнетизъм в Института по физика на Земята Владимир Павлов, инверсията е доста дълъг процес за човешките стандарти.

Геофизиците от университета в Лийдс Йон Маунд и Фил Ливърмор смятат, че след няколко хиляди години ще има инверсия на магнитното поле на Земята.

Изместване на магнитните полюси на Земята

За първи път координатите на магнитния полюс в Северното полукълбо са определени през 1831 г., отново - през 1904 г., след това през 1948 г. и 1962 г., 1973 г., 1984 г., 1994 г.; в Южното полукълбо - през 1841 г., отново - през 1908 г. Изместването на магнитните полюси се регистрира от 1885 г. През последните 100 години магнитният полюс в Южното полукълбо се премести на почти 900 км и навлезе в Южния океан.

Последните данни за състоянието на арктическия магнитен полюс (движещ се към източносибирската световна магнитна аномалия през Северния ледовит океан) показват, че от 1973 до 1984 г. пробегът му е 120 км, от 1984 до 1994 г. - повече от 150 км. Въпреки че тези цифри са изчислени, те се потвърждават от измерванията на северния магнитен полюс.

След 1831 г., когато позицията на полюса е фиксирана за първи път, до 2019 г. полюсът вече се е изместил с повече от 2300 км към Сибир и продължава да се движи с ускорение.

Скоростта му на пътуване се е увеличила от 15 км годишно през 2000 г. на 55 км годишно през 2019 г. Този бърз дрейф налага по-чести настройки на навигационните системи, които използват магнитното поле на Земята, като компаси в смартфони или резервни навигационни системи за кораби и самолети.

Силата на земното магнитно поле пада, и то неравномерно. През последните 22 години той е намалял средно с 1,7%, а в някои региони, като Южния Атлантически океан, с 10%. На места силата на магнитното поле, противно на общата тенденция, дори се увеличи.

Ускоряването на движението на полюсите (средно с 3 км / година) и тяхното движение по коридорите на инверсии на магнитни полюси (тези коридори позволиха да се разкрият повече от 400 палеоинверсии) предполага, че при това движение на полюсите едно трябва да види не екскурзия, а друга инверсия на магнитното поле на Земята.

Как се е появило магнитното поле на Земята?

Експерти от Института по океанография Скрипс и Калифорнийския университет предполагат, че магнитното поле на планетата е образувано от мантията. Американски учени разработиха хипотеза, предложена преди 13 години от група изследователи от Франция.

Известно е, че дълго време професионалистите твърдяха, че външното ядро на Земята генерира нейното магнитно поле. Но тогава експерти от Франция предположиха, че мантията на планетата винаги е била твърда (от момента на нейното раждане).

Това заключение накара учените да мислят, че не ядрото може да образува магнитното поле, а течната част на долната мантия. Съставът на мантията е силикатен материал, който се счита за лош проводник.

Но тъй като долната мантия трябваше да остане течна в продължение на милиарди години, движението на течността вътре в нея не произвеждаше електрически ток и всъщност беше просто необходимо да се генерира магнитно поле.

Професионалистите днес вярват, че мантията би могла да бъде по-мощен проводник, отколкото се смяташе преди. Това заключение на специалистите напълно оправдава състоянието на ранната Земя. Силикатно динамо е възможно само ако електрическата проводимост на неговата течна част е много по-висока и има ниско налягане и температура.