Магнітне поле Землі

Магнітне поле Землі — структура, функції, фізичні властивості



У деяких регіонах Крайньої Півночі під час довгих ночей природа малює на небі різні візерунки, що світяться жовтими і зеленими кольорами. Градієнт з флуоресцентних відтінків, що спостерігається у високих широтах обох півкуль, називають Авророю або полярним сяйвом.

Це один з найкрасивіших спостережуваних небесних об’єктів. В основі яскравого атмосферного явища лежить не менш дивовижний феномен – магнітне поле Землі.

Магнітне поле Землі, 2014 рік
Магнітне поле Землі, 2014 рік

Історія виявлення та дослідження

В античні часи неподалік від давньогрецького міста Магнісія виявили великі поклади оксиду заліза Fe₃O₄. Було помічено, що цей мінерал має здатність притягатися до заліза.

Вважається, що його назвали магнезитом на честь міста, біля якого знайдено родовище. Перша письмова згадка про це належить відомому грецькому філософу Фалесу Мілетському і датується близько 600 р. до н. е.

Більше тисячі років тому люди на території сучасного Китаю виявили, що якщо кинути в воду плаваючі шматочки мінералу, що сьогодні називається магнезитом, можна спостерігати, як всі вони розташовуються в певному напрямку.

Це відкриття призвело до винаходу першого компаса. Морське судноплавство було поштовхом до повсюдного застосування приладу. Є також неперевірені повідомлення про те, що магнітною навігацією люди користувалися задовго до нашої ери.

Відлік початку досліджень явища геомагнетизму можна почати з моменту, коли в 1600 році англійський лікар і натураліст Вільям Гільберт опублікував роботу, в якій вперше припустив, що причина відхилення стрілки компаса — наша планета.

Подальше пізнання цього явища вченими отримало сильний поштовх в XIX столітті і виглядає так:

  • 1804 рік – Гумбольдт публікує начерк розподілу силових ліній.
  • 1831 рік – перша успішна Експедиція до північного магнітного полюса під керівництвом Росса. У 1903 році Амундсен знайде його в дещо іншому місці.
  • 1832 рік – Гаусс побудував у Геттінгені першу геофізичну лабораторію і створив чутливий магнітометр, а сімома роками пізніше довів внутрішню природу геомагнетизму. Місцем джерела магнетизму він вважав центр планети.
  • 1839 рік – Вебер зумів довести коливання геомагнітного поля.
  • 1919 рік – Лармор припустив, що сонце і Земля являють собою самозбуджувані динамо.

Види магнітного поля

Природа явища

Існує кілька теорій, що пояснюють, як утворюється магнітне поле. За всю історію вивчення магнітного поля вченими було висунуто чимало екзотичних гіпотез про причини явища. Наприклад, в одній з них, що ґрунтується на теорії порожнистої Землі, спостережуване поле належить зірці, укладеної в оболонку з земної кори.

Відповідно до сучасних уявлень силові лінії виходять з ядра Землі, що є величезним електромагнітом. Із законів фізики, що стосуються електромагнітної індукції, відомо, що електричний струм завжди супроводжується магнітним полем.

Генерація землею поля планетарного масштабу відбувається завдяки наступним умовам:

  • Присутності твердого металевого ядра, оточеного великою кількістю електропровідної рідини. Незалежно від складу земного ядра температура його завжди вище точки Кюрі, тому воно не може проявляти феромагнітні властивості. Отже, причиною геомагнетизму може бути тільки рух зарядів навколо твердого сердечника.
  • Наявності джерела енергії, що змушує переміщатися струмопровідний матеріал. Передбачається, що ядро Землі розпечене до декількох тисяч градусів за Цельсієм завдяки радіоактивному розпаду урану і торію. Цієї енергії достатньо для створення конвективних потоків, що переміщують заряджені частинки.
  • Обертанню планети навколо своєї осі і Сонця. Завдяки силі Коріоліса в надрах Землі виникають потужні інерційні потоки навколо твердого внутрішнього ядра.

Таким чином, основа геомагнетизму – це конвекція в зовнішньому рідкому ядрі планети, підтримувана внаслідок різниці температур між твердим внутрішнім ядром і мантією.

Об’єм рідкого металу, що бере участь в процесі, більше Місяця в шість разів. Відповідно до динамоелектричного ефекту електричний струм, індукований рухом провідного розплаву в слабкому полі, створює нове магнітне поле. Завдяки індукції процес наростає до тих пір, поки приплив енергії обертання не врівноважиться втратами тепла на опір зростаючих струмів.

Вихідні від Місяця і Сонця приливні сили також грають роль в утворенні електромагнітного поля Землі. Тяжіння інших тіл діє на мантію сильніше, ніж на ядро. Наслідком гальмування мантії є швидке обертання залізного сердечника Землі, що індукує електричний струм.

Що таке магнітне поле

Зараз майже доведено, що тверде ядро робить відносно мантії один додатковий повний оборот приблизно за 900 років.

У загальному сенсі можна сказати, що земний магнетизм породжується кінетичною енергією ядра планети внаслідок обертання рідкої його частини, яка прагне зберегти первісний напрямок подібно маятнику Фуко.

Таке визначення пояснює розташування магнітних полюсів в безпосередній близькості від географічних. І перші, і другі позначаються у вигляді N і S.

Через постійний дрейф будь-які координати магнітних полюсів тимчасові. Наприклад, північний зміщується в рік приблизно на 10 км і знаходиться приблизно в радіусі 85 км від середнього положення в залежності від геомагнітних збурень.

У 1906 році французький фізик Брюнес виявив породи з намагніченістю, що була орієнтована протилежно полю Землі. Він допустив, що такі характеристики вони придбали до того моменту, коли магнітні полюси мали орієнтацію, зворотну сучасній.

Ідея отримала підтримку і деякі дослідники знайшли підтвердження того, що подібне явище відбувалося кілька разів за всю історію планети.

Сьогодні на підставі накопичених даних можна стверджувати, що було не менше 9 змін полюсів за останні 3,6 млн років.

Відповідно до комп’ютерного моделювання, зсув полюсів займає близько 10 тис. років. Порушення в геодинамічній машині починаються зі зняття первісної полярності. Розвороти полюсів протягом останніх 100 мільйонів років вивчені добре. Є кілька фактів, що дають підстави припускати, що в найближчі 3-4 тисячі років може статися черговий реверс:

  • зміна полюсів відбувається приблизно раз на 250 тис. років;
  • остання “переполюсовка” відбулася приблизно 780 тис. років тому;
  • спостерігається помітне зменшення магнітного моменту протягом останніх 150 років.

Точна причина такої властивості магнітного поля Землі досі невідома. Сучасні гіпотези припускають, що змінні полюси — це результат внутрішніх процесів, а не зовнішніх впливів, наприклад, сплесків сонячної активності.

Силові лінії магнітного поля

Вплив на біосферу

Велика частина спостережуваних явищ геомагнетизму пояснюється аналогією з моделлю з гіпотетичного стрижневого магніту, розміщеного з нахилом близько 11 градусів всередині нашої планети.

Максимальна індукція (вимірюється в гаусах і теслах) знаходиться в зовнішньому ядрі Землі. Граничний параметр відомий розрахунково і становить близько 25 Гс, що приблизно у 25 разів більше, ніж на поверхні планети.

Ця величина коливається на поверхні і становить:

  • 0,3 Гс на більшій частині Південної Америки і Південної Африки;
  • 0,6 Гс навколо магнітних полюсів на півночі Канади, півдні Австралії і в частині Сибіру.

Основною особливістю, що відрізняє Землю від стрижневого магніту, є наявність магнітосфери.

Так називається простір навколо планети, утворений полем планети і його взаємодією з зарядженими частинками з космосу. Сонячний вітер деформує магнітосферу, але не може повністю прорватися крізь неї до поверхні.

Більшість заряджених частинок мігрує вздовж силових ліній на протилежну Сонцю сторону Землі. Завдяки такій оболонці планета значною мірою захищена від космічного іонізуючого випромінювання. Коливання швидкості, щільності і напрямку сонячного вітру роблять сильний вплив на земне життя.

Схема захисту Землі від сонячної радіації

Переважна частина космічних променів являє собою шкідливі для біосфери форми випромінювання з позитивно заряджених частинок. Результатом їх впливу на тварин і рослини можуть бути численні мутації, подібні до тих, що відбуваються в зонах техногенних катастроф, викликаних необережним поводженням з ядерним паливом.

Саме по собі явище геомагнетизму вкрай важливо для тварин, що мігрують на великі відстані.

Багато з них володіють відповідними органами чуттів, що допомагають їм визначати напрямок на полюси. Біологи довели, що перелітні птахи орієнтуються саме за допомогою магнітного поля Землі.

Полярне сяйво

Полярне сяйво

ПОлярне сяйво – це цікаве і красиве явище, що спостерігається під час магнітних бур на сонці. Сильні спалахи на поверхні зірки характеризуються потужними викидами заряджених частинок з високою енергією.

Коли порція сонячного вітру такої щільності досягає околиць Землі, завдяки ковзанню по силовим лініям магнітосфери вона потрапляє у верхні шари атмосфери в районі магнітних полюсів.

Взаємодія заряджених частинок з атомами азоту і кисню змушує останні випромінювати кванти світла.

Аврора спостерігається у вигляді:

  • кольорових дуг;
  • променів;
  • смуг;
  • візерунків.

Проте вчені досі не знають, чому Полярне сяйво приймає овальну форму або стає схожим на завісу. У більшості випадків явище складається з окремих смуг, ніби згенерованих пучком променів від фар.

Є кілька гіпотез, що пояснюють ці факти. Більшість дослідників схиляються до думки, що спостережуваний ефект — це результат постійних електричних напружень, утворених між різними шарами атмосфери.

Цікавий факт про магнітне поле

Наявність магнітного поля у інших планет

Відповідно до характеристик магнітне поле у планет в більшості випадків має схожу природу з геомагнетизмом. Якщо різниця температур між рідким ядром і корою досить велика для запуску теплової конвекції, то механізм утворення поля називають термічним динамо. Такий принцип має низьку ефективність і активний тільки на ранніх етапах розвитку планети.

Якщо після вирівнювання температур мантії і ядра він не буде замінений на інший спосіб генерації, тоді магнітне поле зникає.

Коли умови (температура, тиск, хімічний склад) дозволяють ядру затвердіти, поле може утворитися за допомогою механізму так званого термохімічного динамо. Цей принцип значно ефективніше. Саме він створює сильне магнітне поле навколо Землі ось уже більше 4 мільярдів років.

Перелік полів і їх властивостей у деяких об’єктів Сонячної системи виглядає так:

  • Меркурій. Генерується аналогічно земному з яскраво вираженими приливними явищами.
  • Венера. Дуже слабке. Можлива причина – повільне обертання, недостатнє для самозбудження внутрішнього динамо з рідкого металу.
  • Марс. Мале. Ймовірно, володів сильною генерацією магнітного поля в перші кілька мільйонів років після формування. Невідома подія зруйнувала поле.
  • Юпітер. Планета з найбільшою магнітосферою в Сонячній системі.
  • Сатурн. Найслабше поле серед газових гігантів. Генерується, як і у Юпітера, ядром з металевого водню.
  • Уран і Нептун. Володіють чотирма полюсами. Джерело невідоме.

Без магнітосфери, ймовірно, не було б життя на Землі.

Вона беззахисна перед космічним випромінюванням. У разі втрати поля планетою тварини і рослини, швидше за все, загинуть через деякий час. Можливо, колись подібна трагедія трапилася з Марсом.

Leave a Reply

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *