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:

1. 1804 г. — Гумбольдт публикует набросок распределения силовых линий.
2. 1831 г. — первая успешная экспедиция к Северному магнитному полюсу под руководством Росса. В 1903 году Амундсен найдёт его в несколько другом месте.
3. 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.
4. 1839 г. — Вебер сумел доказать колебания геомагнитного поля.
5. 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:

1. 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.
2. 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.
3. 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:

1. Меркурий. Генерируется аналогично земному с ярко выраженными приливными явлениями.
2. Венера. Очень слабое. Возможная причина — медленное вращение, недостаточное для самовозбуждения внутреннего динамо из жидкого металла.
3. Марс. Слабое. Вероятно, обладал сильной генерацией в первые несколько миллионов лет после формирования. Неизвестное событие разрушило поле.
4. Юпитер. Планета с крупнейшей магнитосферой в Солнечной системе.
5. Сатурн. Самое слабое поле среди газовых гигантов. Генерируется, как и у Юпитера, ядром из металлического водорода.
6. 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.