Магнитное поле земли - структура, функции и физические свойства

История обнаружения и исследования
В античные времена неподалёку от древнегреческого города Магнисия обнаружили большие залежи оксида железа Fe3O4. Было замечено, что этот минерал обладает способностью притягиваться к железу. Считается, что его назвали магнезитом в честь города, возле которого найдено месторождение. Первое письменное упоминание об этом принадлежит известному греческому философу Фалесу Милетскому и датируется около 600 г. до н. э.
Более тысячи лет назад люди на территории современного Китая обнаружили, что если бросить в воду плавающие кусочки минерала, называемого сегодня магнезитом, можно наблюдать, как все они располагаются в определённом направлении. Это открытие привело к изобретению первого компаса. Морское судоходство было толчком к повсеместному применению прибора. Есть также непроверенные сообщения о том, что магнитной навигацией люди пользовались задолго до нашей эры.
Отсчёт начала исследований явления геомагнетизма можно начать с момента, когда в 1600 г. английский врач и естествоиспытатель Уильям Гильберт опубликовал работу, в которой впервые предположил, что причина отклонения стрелки компаса — наша планета. Дальнейшее познание учёными этого явления получило сильный толчок в XIX веке и выглядит так:

- 1804 г. — Гумбольдт публикует набросок распределения силовых линий.
- 1831 г. — первая успешная экспедиция к Северному магнитному полюсу под руководством Росса. В 1903 году Амундсен найдёт его в несколько другом месте.
- 1832 г. — Гаусс построил в Геттингене первую геофизическую лабораторию и создал чувствительный магнитометр, а семью годами позже доказал внутреннюю природу геомагнетизма. Местом источника он считал центр планеты.
- 1839 г. — Вебер сумел доказать колебания геомагнитного поля.
- 1919 г. — Лармор предположил, что Солнце и Земля представляют собой самовозбуждающиеся динамо.
Природа явления
Существует несколько теорий, объясняющих, как создаётся магнитное поле. За всю историю изучения магнитного поля учёными было выдвинуто немало экзотических гипотез о причинах явления. Например, в одной из них, основывающейся на теории полой Земли, наблюдаемое поле принадлежит звезде, заключённой в оболочку из земной коры.
В соответствии с современными представлениями силовые линии исходят из ядра Земли, являющегося огромным электромагнитом. Из законов физики, касающихся электромагнитной индукции, известно, что электрический ток всегда сопровождается магнитным полем. Генерация Землёй поля планетарного масштаба происходит благодаря следующим условиям:


- Присутствию твёрдого металлическое ядра, окружённого большим количеством электропроводящей жидкости. Независимо от состава земного ядра температура его всегда выше точки Кюри, поэтому оно не может проявлять ферромагнитные свойства. Следовательно, причиной геомагнетизма может быть только движение зарядов вокруг твёрдого сердечника.
- Наличию источника энергии, заставляющей перемещаться токопроводящий материал. Предполагается, что ядро Земли раскалено до нескольких тысяч градусов по Цельсию благодаря радиоактивному распаду урана и тория. Этой энергии достаточно для создания конвективных потоков, перемещающих заряженные частицы.
- Вращению планеты вокруг своей оси и Солнца. Благодаря силе Кориолиса в недрах Земли возникают мощные инерционные потоки вокруг твёрдого внутреннего ядра.
Таким образом, основа геомагнетизма — конвекция во внешнем жидком ядре планеты, поддерживаемая за счёт разницы температур между твёрдым внутренним ядром и мантией. Объём жидкого металла, участвующего в процессе, больше Луны в шесть раз. В соответствии с динамоэлектрическим эффектом электрический ток, индуцированный движением проводящего расплава в слабом поле, создаёт новое магнитное поле. Благодаря индукции процесс нарастает до тех пор, пока приток энергии вращения не уравновесится потерями тепла на сопротивление растущим токам.
Исходящие от Луны и Солнца приливные силы также играют роль в образовании электромагнитного поля у нашей планеты. Притяжение других тел действует на мантию сильнее, чем на ядро. Следствием торможения мантии является более быстрое вращение железного сердечника Земли, индуцирующего электрический ток. В настоящее время почти доказано, что твёрдое ядро делает относительно мантии один дополнительный полный оборот приблизительно за 900 лет.
Расположение и изменение полюсов

В общем смысле можно сказать, что земной магнетизм порождается кинетической энергией ядра планеты за счёт вращения жидкой его части, стремящейся сохранить первоначальное направление подобно маятнику Фуко. Такое определение объясняет расположение магнитных полюсов в непосредственной близости от географических. И первые, и вторые обозначаются в виде N и S.
Из-за постоянного дрейфа любые координаты магнитных полюсов временны. Например, северный смещается в год приблизительно на 10 км и находится примерно в радиусе 85 км от среднего положения в зависимости от геомагнитных возмущений.
В 1906 году французский физик Брюнес обнаружил породы с намагниченностью, ориентированной противоположно полю Земли. Он допустил, что такие характеристики они приобрели до того момента, когда магнитные полюсы имели ориентацию, обратную современной. Идея получила поддержку, и некоторые исследователи нашли подтверждение тому, что подобное явление происходило несколько раз за всю историю планеты. Сегодня на основании накопленных данных можно утверждать, что было не меньше 9 смен полюсов за последние 3,6 млн лет.
В соответствии с компьютерным моделированием сдвиг полюсов занимает около 10 тыс. лет. Нарушения в геодинамической машине начинаются со снятия первоначальной полярности. Развороты полюсов на протяжении последних 100 миллионов лет изучены хорошо. Есть несколько фактов, дающих основания предполагать, что в ближайшие 3—4 тысячи лет может произойти очередной реверс:
- смена полюсов происходит приблизительно раз в 250 тыс. лет;
- последняя переполюсовка состоялась примерно 780 тыс. лет назад;
- наблюдается заметное уменьшение магнитного момента на протяжении последних 150 лет.
Точная причина такого свойства магнитного поля Земли до сих пор неизвестна. Современные гипотезы предполагают, что переменные полюсы — это результат внутренних процессов, а не внешних воздействий, например, всплесков солнечной активности.
Влияние на биосферу
Бо́льшая часть наблюдаемых явлений геомагнетизма объясняется аналогией с моделью из гипотетического стержневого магнита, размещённого с наклоном около 11 градусов внутри нашей планеты. Максимальная индукция (измеряется в гауссах и теслах) находится во внешнем ядре Земли. Предельный параметр известен расчётно и составляет около 25 Гс, что приблизительно в 25 раз больше, чем на поверхности планеты. Эта величина колеблется на поверхности и составляет:
- 0,3 Гс на большей части Южной Америки и Южной Африки;
- 0,6 Гс вокруг магнитных полюсов на севере Канады, юге Австралии и в части Сибири.

Основной особенностью, отличающей Землю от стержневого магнита, является наличие магнитосферы. Так называется пространство вокруг планеты, образованное полем планеты и его взаимодействием с заряженными частицами из космоса. Солнечный ветер деформирует магнитосферу, но не может полностью прорваться сквозь неё к поверхности.
Большинство заряженных частиц мигрирует вдоль силовых линий на противоположную светилу сторону Земли. Благодаря такой оболочке планета в значительной степени защищена от космического ионизирующего излучения. Колебания скорости, плотности и направления солнечного ветра оказывают сильное влияние на земную жизнь.
Подавляющая часть космических лучей представляет собой вредные для биосферы формы излучения из положительно заряженных частиц. Результатом их воздействия на животных и растения могут быть многочисленные мутации, подобные тем, что происходят в зонах техногенных катастроф, вызванных неосторожным обращением с ядерным топливом.
Само по себе явление геомагнетизма крайне важно для мигрирующих на большие расстояния животных. Многие из них обладают соответствующими органами чувств, помогающими им определять направление на полюса. Биологи доказали, что перелётные птицы ориентируются с помощью магнитного поля Земли.
Полярное сияние

Это интересное и красивое явление наблюдается во время магнитных бурь на Солнце. Сильные вспышки на поверхности звезды характеризуются мощными выбросами заряженных частиц с высокой энергией. Когда порция солнечного ветра такой плотности достигает окрестностей Земли, благодаря скольжению по силовым линиям магнитосферы она попадает в верхние слои атмосферы в районе магнитных полюсов. Взаимодействие заряженных частиц с атомами азота и кислорода заставляет последние излучать кванты света.
Аврора наблюдается в виде цветных дуг, лучей, полос и узоров. Тем не менее учёные до сих пор не знают, почему полярное сияние принимает овальную форму или становится похожим на занавес. В большинстве случаев явление состоит из отдельных полос, будто сгенерированных пучком лучей от фар.
Есть несколько гипотез, объясняющих эти факты. Многие исследователи склоняются к мнению, что наблюдаемый эффект — результат постоянных электрических напряжений, образуемых между различными слоями атмосферы.
Наличие поля у других планет
В соответствии с характеристиками магнитное поле у планет в большинстве случаев имеет похожую природу с геомагнетизмом. Если разность температур между жидким ядром и корой довольно велика для запуска тепловой конвекции, то механизм образования поля называют термическим динамо. Такой принцип обладает низкой эффективностью и активен только на ранних этапах развития планеты.
Если после выравнивания температур мантии и ядра он не будет заменён на другой способ генерации, тогда магнитное поле исчезает. Когда условия (температура, давление, химический состав) позволяет ядру затвердеть, поле может образоваться с помощью механизма так называемого термохимического динамо. Этот принцип значительно эффективнее. Именно он создаёт сильное магнитное поле вокруг Земли вот уже более 4 миллиардов лет. Перечень полей и их свойств у некоторых объектов солнечной системы выглядит так:

- Меркурий. Генерируется аналогично земному с ярко выраженными приливными явлениями.
- Венера. Очень слабое. Возможная причина — медленное вращение, недостаточное для самовозбуждения внутреннего динамо из жидкого металла.
- Марс. Слабое. Вероятно, обладал сильной генерацией в первые несколько миллионов лет после формирования. Неизвестное событие разрушило поле.
- Юпитер. Планета с крупнейшей магнитосферой в Солнечной системе.
- Сатурн. Самое слабое поле среди газовых гигантов. Генерируется, как и у Юпитера, ядром из металлического водорода.
- Уран и Нептун. Обладают четырьмя полюсами. Источник неизвестен.
Без магнитосферы, вероятно, не было бы жизни на Земле. Она беззащитна перед космическим излучением. В случае потери поля планетой животные и растения, скорее всего, погибнут через некоторое время. Возможно, когда-то подобная трагедия случилась с Марсом.
Школьная программа без скуки: смысл произведений за 3 минуты, тесты на знание классики и ловушки русского языка. Короткие статьи, которых нет на сайте.
Перемена: игры на пять минут
Все тесты
- Английский язык
- Биология
- Химия
- География
- Окружающий мир
- История
- Русский язык
- Литература
- Биографии
- Краткие содержания
- Анализ стихотворений
- Орфография
- Правоведение
- Пунктуация
- Математика
- Подготовка к ЕГЭ
- Помощь студенту
- Физкультура
- Экономика
- ОБЖ
- Сочинения
- Обществознание
- Стихи
- Физика
- Информатика
- Религия
- Фонетический разбор
- Тест на тему To be going to: значение, правила употребления 5 вопросов
- Тест на тему Конструкция go on: значения, правила употребления, примеры 5 вопросов
- Тест на тему Be familiar with: значение и правила употребления 5 вопросов
- Тест на тему Британский vs американский английский: в чем разница? 5 вопросов
- Тест на тему Be mad about - как переводится и как использовать в речи 5 вопросов
- Тест на тему Be hooked on в английском языке: значение и примеры предложений 5 вопросов
- Тест на тему История сибирской язвы и как она стала оружием 5 вопросов
- Тест на тему Что такое “железное легкое” и как жилось узникам аппарата 5 вопросов
- Тест на тему Суть и методы клеточной инженерии 5 вопросов
- Тест на тему Злаковые растения - общая характеристика, признаки и список представителей 7 вопросов
- Тест на тему Семейство бобовые - общая характеристика, строение и представители 7 вопросов
- Тест на тему Суровый климат тайги: особенности, влияние на природу 10 вопросов
- Тест на тему Острова и полуострова Зарубежной Европы 10 вопросов
- Тест на тему Уровень урбанизации Африки: города растут, вызовы множатся 5 вопросов
- Тест на тему Уровень и особенности урбанизации Канады 5 вопросов
- Тест на тему Как найти полярную звезду и зачем ее искать? 5 вопросов
- Тест на тему Что нужно знать про контурные карты 5 вопросов
- Тест на тему Сколько в нашем мире языков? 10 вопросов
- Тест на тему Золото: сколько его осталось на планете и что это значит для нас? 10 вопросов
- Тест на тему Русские по всему земному шару: сколько нас на самом деле? 10 вопросов
- Тест на тему Сколько всего в мире фамилий? 10 вопросов
- Тест на тему Сколько всего в мире самолетов? 10 вопросов
- Тест на тему Сколько всего в мире денег? 10 вопросов
- Тест на тему Команда реформ: сподвижники Петра I 10 вопросов
- Тест на тему Экономика и управление: реформы Афанасия Ордина-Нащокина 10 вопросов
- Тест на тему Положение крестьян и указ Павла I о трехдневной барщине 10 вопросов
- Тест на тему Программа Южного общества и декабрист П. И. Пестель 10 вопросов
- Тест на тему Комитет общественного блага или Негласный комитет 10 вопросов
- Тест на тему Планы переустройства России: «Конституция» Муравьева 10 вопросов
- Тест на тему Как выполнить разбор наречия по составу 5 вопросов
- Тест на тему Правила правописания суффиксов наречий 5 вопросов
- Тест на тему Морфологический признак наречий: неизменяемость 5 вопросов
- Тест на тему Чем отличаются и как найти тему и рему в тексте? 5 вопросов
- Тест на тему Способы и примеры образования наречий 5 вопросов
- Тест на тему Особенности и применение составных предлогов 5 вопросов
- Тест на тему История создания рассказа «Матренин двор» А. Солженицына 5 вопросов
- Тест на тему История создания песни «Смуглянка» 5 вопросов
- Тест на тему История создания поэмы “Кому на Руси жить хорошо” Н. Некрасова 5 вопросов
- Тест на тему История создания романа “Как закалялась сталь” Н. Островского 5 вопросов
- Тест на тему История создания оперы М. Глинки «Иван Сусанин» 5 вопросов
- Тест на тему История создания знаменитой песни “Катюша” 5 вопросов
- Тест на тему Биография Владимира Вольфовича Жириновского 5 вопросов
- Тест на тему Биография поэта и писателя Льва Рубинштейна 5 вопросов
- Тест на тему Биография президента Белоруссии Александра Лукашенко 5 вопросов
- Тест на тему 10 интересных фактов про Афанасия Фета 5 вопросов
- Тест на тему 10 интересных фактов про Ивана Тургенева 5 вопросов
- Тест на тему Биография писателя и поэта Вячеслава Урюпина 5 вопросов
- Тест на тему Краткое содержание повести «А тем временем где-то» А. Алексина 5 вопросов
- Тест на тему Краткое содержание комедии «Мнимый больной» Жана-Батиста Мольера 5 вопросов
- Тест на тему Краткое содержание комедии “Доходное место” А. Островского 5 вопросов
- Тест на тему Краткое содержание новеллы “Падение дома Ашеров” Эдгара По 5 вопросов
- Тест на тему Краткое содержание рассказа “Крепкий мужик” В. Шукшина 5 вопросов
- Тест на тему Краткое содержание пьесы «Золотая карета» Л. Леонова 5 вопросов
- Тест на тему Анализ стихотворения “Каким бы малым ни был...” К. Кулиева 5 вопросов
- Тест на тему Анализ стихотворения «Цицерон» Ф. Тютчева 5 вопросов
- Тест на тему Анализ стихотворения “Поэт” М. Лермонтова 5 вопросов
- Тест на тему Анализ стихотворения “Пора, мой друг, пора” А. Пушкина 5 вопросов
- Тест на тему Анализ стихотворения «Шестое чувство» Н. Гумилева 5 вопросов
- Тест на тему Анализ стихотворения “Юбилейное” В. Маяковского 5 вопросов
- Тест на тему Особенности раздельного написания местоимений с предлогами 5 вопросов
- Тест на тему Правописание падежных окончаний прилагательных 5 вопросов
- Тест на тему Правописание слов с непроверяемой безударной гласной в корне 5 вопросов
- Тест на тему Нужно ли ставить запятую к фразе - "с уважением"? 5 вопросов
- Тест на тему «Во-вторых» или «во вторых» – как правильно пишется? 5 вопросов
- Тест на тему "Нету" или "нет" - как правильно писать и говорить? 5 вопросов
- Тест на тему Что нужно сдавать на бухгалтера? 5 вопросов
- Тест на тему Какие предметы нужно сдавать на пилота 5 вопросов
- Тест на тему Какие экзамены нужно сдавать на фотографа? 5 вопросов
- Тест на тему Какие предметы нужно сдавать на хореографа? 5 вопросов
- Тест на тему Какие предметы нужно сдавать на актера? 5 вопросов
- Тест на тему Какие предметы нужно сдавать на режиссера? 5 вопросов
- Тест на тему Реферат по физкультуре на тему: «Здоровое питание» 5 вопросов
- Тест на тему История развития лыжного спорта в разных странах - классификация и интересные факты 6 вопросов
- Тест на тему Важность самоконтроля при занятиях спортом 5 вопросов
- Тест на тему Как выполняются прыжки через козла? 5 вопросов
- Тест на тему Что такое здоровый образ жизни? 5 вопросов
- Тест на тему Как правильно выполнять кувырки? 5 вопросов
- Тест на тему Образ Шарикова в повести «Собачье сердце» М. Булгакова 5 вопросов
- Тест на тему Образы героев в повести «Невский проспект» Н. Гоголя 5 вопросов
- Тест на тему Московские главы в романе «Мастер и Маргарита» Булгакова 7 вопросов
- Тест на тему Описание образа бирюка из рассказа И. Тургенева 7 вопросов
- Тест на тему Образы героев в романе «Отцы и дети» И. Тургенева 7 вопросов
- Тест на тему Образы героев в повести «Котлован» А. Платонова 7 вопросов
- Тест на тему "Банты" - как правильно ставить ударение в слове? 5 вопросов
- Тест на тему «Конечно же» - выделяется ли слово запятыми? 5 вопросов
- Тест на тему «Подчеркивать» – как правильно ставить ударение в слове? 5 вопросов
- Тест на тему «Лифты» – как правильно ставить ударение в слове? 5 вопросов
- Тест на тему «Строку» – как правильно ставить ударение в слове? 5 вопросов
- Тест на тему «Апостроф» – как правильно ставить ударение в слове? 5 вопросов

