Магнитосфера Земли

Магнитное поле. Присутствие магнитного поля Земли наблюдал каждый, кто брал в руки компас и видел, как один конец стрелки, указывает на север, другой — на юг.

Различают два вида магнитного поля Земли: постоянное (главное) и переменное. Природа и происхождение их различны, но между ними существует взаимосвязь. Формированию постоянного магнитного поля способствуют внутренние источники — электрические токи, возникающие на поверхности уплотненного ядра Земли из-за различия температур в его частях, что предположительно связано с динамическими процессами в мантии и ядре. Они создают устойчивое магнитное поле, простирающееся на 20— 25 земных радиусов, разное по напряжению в различных точках земной поверхности и подверженное лишь медленным колебаниям. Переменное поле создается внешними источниками, находящимися за пределами планеты — электрическими токами в верхних слоях атмосферы. Пришедшие из глубин Вселенной лучи и частицы вызывают многие известные явления — полярные сияния, магнитные бури, ионизацию воздуха, переход атмосферного кислорода и азота из молекулярного в атомарное состояние и др. Переменное магнитное поле примерно в 100 раз слабее постоянного и характеризуется колебаниями, различными по происхождению и продолжительности действия: регулярными (суточные, сезонные), имеющими, главным образом, солнечную природу, и нерегулярными (магнитные бури).

Магнитное поле Земли имеет дипольную составляющую, в которой есть ось с северным и южным магнитными полюсами, на-клоненная под углом 11,5° к оси вращения. Магнитное поле ориентирует стрелку компаса в направлении магнитных силовых линий. Плоскость большого круга, в которой находится магнитная стрелка, называется магнитным меридианом. Магнитные меридианы, как и географические, сходятся в двух точках — магнитных полюсах. Магнитные полюса не совпадают с географическими, и их координаты меняются в пространстве: северный полюс — 75°42' с.ш., 101^о30' з.д. (1970г.); 77°36' с.ш., 102°48' з.д. (1985 г.), южный полюс — 65°30' ю.ш., 140°18' в.д. и 65° 06' ю.ш., 139° в.д. (1985 г.). Северный магнитный полюс дрейфует со скоростью 5—6 км/год, но к 2002 г. его скорость возросла до 40 км/год.

Магнитное поле Земли характеризуется следующими показателями: магнитным склонением, магнитным наклонением и напряженностью.

Магнитное склонение — угол между истинным направлением на север, т.е. географическим меридианом, и направлением северного конца магнитной стрелки. Его значение изменяется от 0° до ±180°. Линии одинакового магнитного склонения называют изогонами.

Магнитное наклонение — угол между горизонтальной плоскостью и магнитной стрелкой, свободно подвешенной на горизонтальной оси. Его значение изменяется от 0° до (±90)°. Оно бывает положительным в северном геомагнитном полушарии и отрицательным — в южном. Линии одинакового магнитного наклонения называют изоклинами.

Напряженность характеризует силу магнитного поля и ее величина возрастает с широтой.

Изменение характеристик магнитного поля во времени происходит прежде всего за счет его смещения относительно земного шара — западного дрейфа.

В истории Земли отмечены смены полярности магнитного диполя. Полярность, когда северный конец магнитной стрелки направлен к северу, называют прямой (как сейчас), в противоположном случае говорят об обратной намагниченности земного диполя.

Наблюдения за магнитным полем Земли ведут многие обсерватории мира и по их измерениям строятся геомагнитные карты, которые показывают, что в ряде районов земного шара напряженность магнитного поля и магнитные силовые линии из-за неоднородности внутреннего строения Земли и остаточной намагниченности горных пород отклоняются от нормального. Такие отклонения называют магнитными аномалиями. Некоторые аномалии используются в качестве поисковых признаков полезных ископаемых.

Рис. 4.8. Меридиональное сечение магнитосферы, по данным спутниковых измерений (по К. А. Куликову и Н.С. Сидоренкову): 1 — плазменный слой («хвост») магнитосферы; 2 — полярная щель; 3— радиационный пояс; 4— плазмосфера; 5— плазменная мантия; 6 — магнитопауза; 7 — фронт ударной волны; 8 — «солнечный ветер»

Магнитосфера. Солнце и планеты Солнечной системы обладают магнитным полем, которое создает вокруг каждого из небесных тел особую внешнюю оболочку — магнитосферу. Это область околоземного пространства (средний диаметр магнитосферы превышает 90 тыс. км в сечении), физические свойства которой определяются магнитным полем Земли и его взаимодействием с потоками заряженных частиц (корпускул) космического происхождения.

Земля постоянно подвергается воздействию корпускулярного излучения Солнца — солнечного ветра. Солнечный ветер распространяется от солнечной короны с большой скоростью (400 км/с). Он состоит из протонов и электронов. При взаимодействии солнечного ветра с магнитным полем Земли образуется ударная волна (рис. 4.8), за которой следует переходная область, где магнитное поле солнечной плазмы становится неупорядоченным. Переходная область примыкает к магнитосфере Земли, граница которой — магнитопауза — проходит там, где динамическое давление солнечного ветра уравновешивается давлением магнитного поля Земли.

Внутри ударной волны находятся радиационные пояса, в которых заряженные частицы — электроны и протоны — перемещаются по спиральным траекториям в направлении магнитных силовых линий. Взаимодействуя с верхними слоями атмосферы, эти частицы ионизируют ее и вызывают полярные сияния.

Геомагнитное поле, взаимодействуя с солнечным ветром, и образует магнитосферу. Под ударами солнечного ветра она сжата со стороны Солнца и сильно вытянута в противосолнечном направлении, образуя хвост длиной до 900—1050 земных радиусов.

Магнитосфера не относится к геосферам планеты, но играет важную роль в формировании многих свойств географической оболочки. Она является главным препятствием для проникновения в географическую оболочку губительного для живого вещества корпускулярного излучения Солнца. По мнению С. В. Калесника, геомагнитное поле наряду с атмосферой образует «броневой заслон» планеты — захватывает подлетающие к Земле космические частицы и мешает им ускользнуть обратно в межпланетное пространство или проникнуть в нижние слои атмосферы. Беспрепятственно вторгаться в атмосферу космические частицы могут лишь в районе магнитных полюсов.

Одновременно магнитосфера пропускает к поверхности планеты рентгеновские и ультрафиолетовые лучи, радиоволны и лучистую энергию, которая служит основным источником тепла и энергетической базой происходящих в географической оболочке процессов.

Накоплено много фактов о высокой чувствительности к магнитным полям насекомых, рыб, птиц, моллюсков, черепах, червей и даже водорослей, а также человека. Экспериментально доказана зависимость между различными функциями растений и животных и их ориентацией в магнитном поле. Это явление получило название магнитотропизма.

Палеомагнетизм. Магнитное поле Земли существует с незапамятных времен и отражается в результатах процессов и явлений, происходивших на планете в далеком прошлом. Исследование древних горных пород, содержащих частицы магнетита, гематита или других оксидов железа, показало наличие в них остаточной намагниченности, имеющей направление магнитного поля Земли соответствующей эпохи. Изучение первичной намагниченности горных пород разного возраста позволило получить данные (отчасти дискуссионные) о временных изменениях магнитного поля Земли, а при проведении исследований в разных регионах — его пространственное распределение. Согласно этим данным, магнитное поле характеризуется медленным направленным изменением и неоднократно претерпевало инверсии, когда северный полюс становился южным и наоборот. В кайнозойскую эру средним состоянием земного магнитного поля является поле диполя, ориентированного по оси вращения планеты, а сама современная эпоха считается положительной. Палеомагнитные данные для палеозойской эры согласуются между собой только при дополнительном предположении о миграции магнитного полюса относительно земной поверхности. Пути миграции магнитного полюса, вычисленные для разных континентов, существенно различаются, что объясняется их перемещениями во времени и пространстве.

Планетарный характер земного магнетизма и изменений его элементов в геологическом прошлом обусловливает принципиальную возможность возрастной корреляции событий и образований географической оболочки и строгую изохронность выделяемых единиц. Отмеченные зависимости в настоящее время широко используют при сопоставлении разновозрастных базальтов океанического дна, а также для корреляции молодых континентальных образований, практически лишенных палеонтологического материала. Полосчатое строение (полосы прямой и обратной намагниченности чередуются между собой) этих горных пород обусловлено ориентацией железосодержащих минералов в соответствии с направлением магнитных силовых линий, существующих в момент их образования.