Собственное магнитное поле Земли

Для того, чтобы представить себе происхождение собственного магнитного поля Земли, рассмотрим современные представления о её строении.

[4] В центре нашей планеты находится твёрдое ядро, состоящее из железа и никеля. Оно окружено внешним ядром – жидким металлическим слоем (расплавленные железо и никель). Затем идёт нижняя мантия из силикатного вещества, жидкая верхняя мантия и самый верхний слой – кора. Под континентами есть гигантские жёсткие плиты, плавающие в верхней мантии. Основных плит – 10. Конвекция вещества верхней мантии перемещает плиты со скоростью нескольких сантиметров в год. Они сталкиваются, трутся краями, подплывают краями друг под друга, разъезжаются. Результат – перемещение континентов, рождение вулканов, извержения вулканов, землетрясения.

Цикличность образования новых пород на планете определяется положением Солнца в Галактике. Период этого цикла – 400 … 500 млн лет. Между бурными перестройками идёт спокойное, ритмичное существование – ровный геологический пульс Земли.

[3] Собственное магнитное поле Земли по своему происхождению аналогично солнечному. В жидком внешнем ядре расплавленный металл бурлит, образуя мощные турбулентные вихри (гипотеза предложена Л.И.Френкелем в 1948 г.). Небольшое количество радиоактивных веществ, содержащихся в ядре, поддерживает это движение, так как энергия радиоактивного распада создаёт градиент температур. В слабом первичном магнитном поле любого происхождения индуцируются электрические токи. Эти замкнутые вихревые токи создают своё магнитное поле, которое усиливает первичное поле.

Конвекционные вихревые токи разбиваются на ячейки (Бенара). Индукция возникающего магнитного поля: ~ , где N – количество ячеек.

Собственное магнитное поле Земли аналогично полю магнитного диполя - витка с током. [2] Оценим величину кольцевого тока, текущего в плоскости экватора на расстоянии R = 5000 км от центра Земли, если он создаёт вблизи полюса магнитное поле индукцией В = 10^-4 Тл (Рис.10).

Рис.10

 

Индукция магнитного поля на оси кругового тока I на расстоянии h от центра кольца радиуса R

и

В нашем случае R = 5000 км = , h = r_З – радиус Земли, h = , поэтому

А

 

Реально вихревое кольцо наклонено к экватору, поэтому магнитная ось не совпадает с осью вращения Земли. Северный магнитный полюс находится со стороны южного полюса оси вращения Земли.

Качественно силовые линии поля показаны на рис.11. Они выходят из северного магнитного полюса и входят в южный, но не уходят на бесконечность, как у диполя, а обрываются и зависят от времени года (обсудим позже).

Рис.11

Графически магнитное поле Земли изображают с помощью изолиний – линий, соединяющих точки земной поверхности с одинаковыми значениями напряжённости поля Н. Поверхность Земли разбивается изолиниями на ряд областей почти круглой формы, в центре которых магнитная стрелка, подвешенная за центр тяжести, устанавливается вертикально, как будто в центре этой области есть вертикально расположенный магнит. В одних областях он обращён вверх северным концом, в других – южным. Это – магнитные аномалии. Крупных аномалий на Земле 6, одна из них – вблизи Антарктиды – распадается на две. Наиболее интенсивная и правильная по форме – Восточно-Азиатская (Восточно-Сибирская) магнитная аномалия. В западной Африке расположена противоположная по знаку аномалия.

Центр области изолиний является источником силовых линий. Причина аномалий – залегание под их центрами громадных намагниченных масс или мощных вихревых токов.

Вековые вариации имеют период в несколько сотен лет.

[5] Вся планетная система взаимосвязана. Земля резонирует на изменения магнитного состояния Юпитера, Урана. Наиболее мощных магнитных аномалий на Земле четыре. На Юпитере – тоже четыре. У Земли и Юпитера совпадают магнитные оси.

Сейчас идёт инверсия магнитного поля – переполюсовка - и на Юпитере, и на Уране, и на Земле. Южный магнитный полюс Земли (он со стороны северного полюса оси вращения) смещается по направлению к Сибири на 16…17 км в год (обычный дрейф составляет 2…3 см в год). Одновременно с 1986 года (начала очередного солнечного цикла) расширяется полярная щель: обычный угол её раствора составляет 3⁰…6⁰ , а к 1996 году она увеличилась до 45⁰ . (Полярная щель – угол раскрытия силовых линий магнитного поля в районе магнитного полюса). Наращивается мощность Восточно-Сибирской магнитной аномалии, т.е. вертикальная составляющая напряжённости Н увеличивается на 28…32 нТл в год.

Состояние природы новое, все живые существа реагируют на него. Наша кровеносная система – магнитная антенна. Больше всего магниточувствительных элементов находится в крови. Раньше других почувствовали усиление магнитного поля новорожденные. В Красноярске стали рождаться дети с пониженным количеством железа в крови. Кровь при новом его содержании выполняет свои функции при росте и организации сознания ребёнка. Когда врачи забили тревогу и стали вводить детям железо, они начали болеть.

Итак, собственное магнитное поле Земли создаётся вихревыми токами в ядре планеты (геомагнитное поле). Как влияют на него внешние причины, прежде всего Солнце?

 

1. Магнитосфера Земли

[6] Земля окружена магнитосферой – областью, занятой геомагнитным полем. Если бы не было внешнего влияния, оно имело бы характер поля магнитного диполя – магнитосфера простиралась бы до бесконечности.

Но межпланетное пространство заполнено потоком горячей плазмы от Солнца – солнечным ветром. Характерная скорость движения плазменных выбросов порядка 1000 км/ с, поэтому они летят до орбиты Земли примерно 50 часов:

часов.

Концентрация протонов и электронов в них от нескольких единиц до нескольких десятков в 1 см³ .

Вместе с плазмой выносится и солнечное магнитное поле, силовые линии которого за счёт вращения Солнца принимают форму спиралей.

Солнечный ветер определяет структуру и динамику магнитосферы Земли. Силовые линии межпланетного магнитного поля, «вмороженные» в его плазму, переносятся вместе с нею, обволакивая магнитосферу. Солнечный ветер ограничивает её размеры. Со стороны Солнца (на дневной стороне) она простирается на 100 тыс. км, а с противоположной стороны вытянута значительно дальше, образуя длинный геомагнитный хвост (Рис.12).

 

Рис.12

Итак, земная магнитосфера – это магнитное поле Земли, деформированное солнечным ветром. Земля окружена магнитной оболочкой, отражающей заряженные частицы, идущие от Солнца и из космоса (космические лучи – неизменные во времени и изотропные в пространстве потоки стабильных частиц: протонов, электронов, позитронов, частиц, квантов).

Поверхность, отделяющая магнитосферу от солнечного ветра, называется магнитопаузой. Она находится там, где сила давления солнечного ветра на магнитное поле Земли Р_м уравновешивается силой сопротивления геомагнитного поля. Чем больше Р_м , тем ближе к Земле граница. На ночной стороне солнечный ветер дует в сторону от Земли. Расстояние до неё с дневной стороны 8…14 земных радиусов, с ночной – магнитный хвост в несколько сотен R_З .

Перед магнитопаузой расположен фронт ударной волны, возникающей вследствие обтекания магнитосферы сверхзвуковым потоком солнечного ветра (Рис.13)

Рис.13

От фронта ударной волны вдоль силовых линий в обратном направлении движется поток отражённых частиц (причина пока неизвестна). Неустойчивость этого потока возбуждает магнитогидродинамические волны (МГД-волны, на рис.14 – волнистые линии). Это – наблюдаемые на дневной стороне Земли пульсации магнитного поля с периодами от долей секунды до нескольких минут.

[3] Магнитосфера содержит плазму и энергичные протоны и электроны радиационных поясов (см. ниже). Ближе к Земле, на высотах от 100 до 300 км, находится ионосфера – слои частично ионизованного воздуха. Ионизируют его ультрафиолетовое и корпускулярное излучения Солнца.

На высотах 100 … 120 км (слой Е) ионосфера состоит из молекул азота N₂ и кислорода О₂ . Выше 120 км начинается диссоциация кислорода (слой F), и в составе ионосферы начинает преобладать атомарный кислород О. Поэтому принято считать, что слой Е состоит из ионизированного азота N₂ и ионизированного кислорода О₂ , а слой F – из ионизированных О и N₂ . Выше начинается диссоциация азота и начинает играть роль атомарный азот N.

Для ионизации молекул или атомов кислорода и азота требуется энергия (ионизационный потенциал). Они получают её от Солнца в корпускулярном и волновом виде. Роль корпускул (частиц) незначительна, проявляется лишь при повышенной солнечной деятельности. В спокойные дни основную энергию дают ультрафиолетовые волны с от 850 до 1000 ангстрем.

Одновременно происходит и рекомбинация ионов, и тем быстрее, чем плотнее атмосфера. На высоте примерно 100 км равновесие устанавливается быстро, поэтому плотность ионизации (число свободных электронов в 1 см³ ) является функцией высоты Солнца. На больших высотах из-за малой плотности атмосферы рекомбинация запаздывает.

Ионосфера возникает потому, что на этих высотах интенсивность солнечного излучения ещё достаточна для ионизации, а концентрация нейтральных частиц уже достаточно велика. Так как плотность атмосферы уменьшается с высотой, а ионизирующее излучение не может проникать в низкие слои, то на некоторой высоте должна образовываться максимальная плотность ионизации, что приводит к слоистой структуре ионосферы. (Наличие нескольких слоёв объясняется сложным составом атмосферы и различным распределением по высоте различных элементов.)

Время жизни ионов и электронов до их рекомбинации различно на разных высотах: на высоте 100 км это минуты, а 400 км – уже часы. Освещённость поверхности Земли меняется в течение суток. На высоте 100 км за ночь рекомбинируют все ионы и электроны, на 200…400 км – не успевают.

В магнитосфере Земли есть радиационные пояса – две разграниченные области с сильно повышенной интенсивностью космического ионизирующего излучения (см. рис.12). Здесь магнитное поле Земли захватывает и удерживает заряженные частицы. Внутренний радиационный пояс содержит, в основном, протоны высоких энергий. Внешний – электроны солнечного происхождения. В радиационных поясах частицы под действием магнитного поля движутся по сложным траекториям из северного полушария в южное и обратно.

Солнечный ветер и магнитосфера изменчивы, так как непостоянна солнечная активность. С магнитными возмущениями – магнитными бурями - связаны полярные сияния на Земле. Значит, причины общие – энергия, излучаемая Солнцем.

Вычислим, сколько энергии требуется на образование магнитных бурь. Плотность энергии магнитного поля , приращение её при изменении Н на dH:

.

Средняя плотность энергии для одной определённой магнитной бури, за которой вели наблюдение, была dw = 10^-6 Дж / м³ . Сколько энергии во время магнитной бури содержит сфера, включающая в себя и Землю и пространство вокруг неё? Её объём примем равным м³ . Тогда в ней содержится энергия Дж. Продолжительность магнитной бури составляла 28 часов. Значит, её мощность была

 

Дж/ с.

Энергия, получаемая от Солнца Землёй, равна Дж/ с, т.е. на образование магнитных бурь требуется ничтожная часть общей энергии, получаемой от Солнца:

 

%

Полярные сияния происходят в основном в высоких широтах, вблизи магнитного полюса. Направление их лучей совпадает с направлением силовых линий магнитного поля Земли. Значит, их причина – движение зарядов в высоких слоях атмосферы под действием магнитного поля Земли; магнитная сила Лоренца придаёт ему вращательный характер. Линии, по которым могут двигаться заряженные частицы в магнитном поле Земли (силовые линии), соприкасаются с Землёй лишь в ограниченной части её поверхности, вблизи северного и южного магнитных полюсов. Частицы движутся по спиралям к Земле, могут отражаться то на юге, то на севере; обойдут Землю и вернутся, – т.е. магнитное поле Земли захватывает их. Но частицы могут высыпаться в атмосферу Земли – происходит ионизация воздуха и полярное сияние. Это, в основном, свечение атомарного кислорода и молекулярного азота, из которых состоит ионосфера.

Форма полярных сияний различна; в них есть длины волн и в видимой, и в ультрафиолетовой и в инфракрасной областях спектра.

Мощные магнитные бури, полярные сияния, усиление радиационных поясов – это всё влияние Солнца на магнитосферу.

 

Литература:

 

1. Ю.А.Бирзвалн. Знание.Физика. Магнитная гидродинамика. №2, 1979

1. В.К.Воронов, М.В.Гречнева, Р.З.Сагдеев. Основы современного естествознания.М.,В.Ш.1999
2. Б.М.Яновский. Земной магнетизм. М.ГИТТЛ, 1953
3. Доклад Ю.А.Шуколюкова на кафедре экспериментальной физики 3 декабря 2003 г.
4. Конференция в Новосибирске в 1997 г.
5. А.В.Гульельми. Новый взгляд на происхождение геомагнитных пульсаций. Природа, №4,1985