Магнитное поле земли физика. Теория магнитного поля Земли: механизм возникновения, структура, магнитные бури, переполяризация

Работа по физике

Ученика 10 класса А

Школы №1202

Круглова Егора

Магнитное поле

В XIX веке была обнаружена связь между электричеством и магнетизмом и возникло представление о магнитном поле. По современным представлениям, проводники с током оказывают силовое действие друг на друга не непосредственно, а через окружающие их магнитные поля.

Источниками магнитного поля являются движущиеся электрические заряды (токи) . Магнитное поле возникает в пространстве, окружающем проводники с током, подобно тому, как в пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды, возникает электрическое поле. Магнитное поле постоянных магнитов также создается электрическими микротоками, циркулирующими внутри молекул вещества (гипотеза Ампера).

Для описания магнитного поля необходимо ввести силовую характеристику поля, аналогичную вектору напряженности электрического поля. Такой характеристикой является вектор магнитной индукции Вектор магнитной индукции определяет силы, действующие на токи или движущиеся заряды в магнитном поле.

За положительное направление вектора принимается направление от южного полюса S к северному полюсу N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле. Таким образом, исследуя магнитное поле, создаваемое током или постоянным магнитом, с помощью маленькой магнитной стрелки, можно в каждой точке пространства

Для того, чтобы количественно описать магнитное поле, нужно указать способ определения не только направления вектора но и его модуля.

Модуль вектора магнитной индукции равен отношению максимального значения силы Ампера, действующей на прямой проводник с током, к силе тока I в проводнике и его длине Δl :

Это соотношение принято называть законом Ампера.

В системе единиц СИ за единицу магнитной индукции принята индукция такого магнитного поля, в котором на каждый метр длины проводника при силе тока 1 А действует максимальная сила Ампера 1 Н. Эта единица называется тесла (Тл).

Тесла – очень крупная единица. Магнитное поле Земли приблизительно равно 0,5·10–4 Тл. Большой лабораторный электромагнит может создать поле не более 5 Тл.

Сила Ампера направлена перпендикулярно вектору магнитной индукции и направлению тока, текущего по проводнику. Для определения направления силы Ампера обычно используют правило левой руки: если расположить левую руку так, чтобы линии индукции входили в ладонь, а вытянутые пальцы были направлены вдоль тока, то отведенный большой палец укажет направление силы, действующей на проводник.

Правило левой руки и правило буравчика.

Линии магнитной индукции полей постоянного магнита и катушки с током

Справка

Гаусс (русское обозначение Гс, международное - G) - единица измерения магнитной индукции в системе СГС. Названа в честь немецкого физика и математика Карла Фридриха Гаусса.

1 Гс = 100 мкТл;

1 Тл = 104 Гс.

Может быть выражена через основные единицы измерения системы СГС следующим образом: 1 Гс = 1 г 1/2 .см −1/2 .с −1 .

Опыт

Источник: учебники физики по магнетизму, берклиевский курс.

Тема: м агнитные поля в веществе.

Цель: выяснить, как различные вещества реагируют на магнитное поле.

Представим себе некоторые опыты с очень сильным полем. Предположим, что мы сделали соленоид с внутренним диаметром 10 см и длиной 40 см.

1. Конструкция катушки, создающей сильное магнитное поле. Показано поперечное сечение обмотки, по которой течет охлаждающая вода. 2. Кривая величины поля В 2 на оси катушки.

Его внешний диаметр равен 40 см и большая часть пространства заполнена медной обмоткой. Такая катушка обеспечит постоянное поле в 30 000 гс в центре, если к ней подвести 400 квт электрической мощности и снабжать водой около 120 л в минуту для отвода тепла.

Эти конкретные данные приводятся с целью показать, что хотя прибор и не представляет собой ничего необыкновенного, он является все же довольно почтенным лабораторным магнитом.

Величина поля в центре магнита приблизительно в 10 5 раз больше магнитного поля Земли и, вероятно, в 5 или 10 раз сильнее поля вблизи любого магнитного железного стержня или подковообразного магнита!

Вблизи центра соленоида поле довольно однородно и уменьшается приблизительно вдвое на оси вблизи концов катушки.

Выводы

Итак, как показывают опыты, у подобных магнитов величина поля (то есть индукция или напряженность) как внутри магнита, так и снаружи чуть ли не на пять порядков превышает величину поля Земли.

Также, всего в два раза - не «в разы!» - она меньше снаружи магнита.

И в то же время в 5-10 раз больше силы обычного постоянного магнита.

Средняя напряженность поля земли на поверхности составляет около 0,5Э (5.10 -5 Тл)

Тем не менее, уже в нескольких сотнях метров (если не десятков) от такого магнита магнитная стрелка компаса не реагирует ни на включение, ни на выключение тока.

При этом она хорошо реагирует на поле земли или его аномалии при малейшем изменении положения. О чем это говорит?

Прежде всего, о явно заниженной цифре индукции магнитного поля земли - то есть не саму индукцию, а то, как мы ее измеряем.

Мы измеряем реакцию рамки с током, угол ее поворота в магнитном поле земли.

Любой магнитометр построен на принципе измерения не напрямую, а косвенно:

Только по характеру изменения значения напряженности;

Только на поверхности земли, возле нее в атмосфере и в ближнем космосе.

Источника поля с конкретным максимумом мы не знаем. Мы измеряем всего лишь разницу величины поля в различных точках, причем градиент напряженности не слишком сильно изменяется с высотой. Никакие математические выкладки с определением максимума при использовании классического подхода здесь не работают.

Влияние магнитного поля - эксперименты

Известно, что даже сильные магнитные поля не имеют практически никакого влияния на химические и биохимические процессы. Вы можете поместить руку (без ручных часов!) в соленоид с полем в 30 кгс без каких-либо заметных последствий. Трудно сказать, к какому классу веществ относится ваша рука - к парамагнетикам или диамагнетикам, но сила, действующая на нее, будет составлять, в любом случае, не больше нескольких граммов. Целые поколения мышей выводились и выращивались в сильных магнитных полях, которые не оказывали на них заметного влияния. Другие биологические эксперименты также не обнаружили достойных внимания магнитных воздействий на биологические процессы.

Важно помнить!

Будет не верно считать, что слабые эффекты всегда проходят без последствий. Подобные рассуждения могли бы привести к выводу, что тяжесть не имеет энергетического значения в молекулярном масштабе, но, тем не менее, деревья на склоне холма растут вертикально. Объяснение, по-видимому, заключается в суммарной силе, действующей на биологический объект, размеры которого много больше размеров молекулы. Действительно, аналогичное явление («тропизм») было экспериментально продемонстрировано в случае сеянцев, произрастающих в присутствии очень неоднородного магнитного поля.

Между прочим, если вы поместите голову в сильное магнитное поле и покачаете ею, то вы почувствуете «вкус» электролитического тока во рту, что является доказательством присутствия индуцированной электродвижущей силы.

При взаимодействии с веществом роли магнитного и электрического полей различны. Поскольку атомы и молекулы состоят из медленно движущихся электрических зарядов, электрические силы при молекулярных процессах доминируют над магнитными.

Выводы

Воздействие магнитного поля такого магнита на биологические объекты не более чем укус комара. Любое живое существо или растение постоянно находятся под воздействием земного магнетизма куда более сильного.

Поэтому и не заметно действие неверно измеряемого поля.

Расчеты

1 гаусс=1 10 -4 тесла.

Единицей напряженности геомагнитного поля (Т) в системе Си является ампер на метр (А/м). В магниторазведке применялась и другая единица Эрстед (Э) или гамма (Г), равная 10 -5 Э. Однако практически измеряемым параметром магнитного поля является магнитная индукция (или плотность магнитного потока). Единицей магнитной индукции в системе Си является тесла (Тл). В магниторазведке используется более мелкая единица нанотесла (нТл), равная 10 -9 Тл. Так как для большинства сред, в которых изучается магнитное поле (воздух, вода, абсолютное большинство немагнитных осадочных пород), то количественно магнитное поле Земли можно измерять либо в единицах магнитной индукции (в нТл), либо в соответствующей ей напряженности поля - гамма.

На рисунке представлена полная напряженность магнитного поля Земли для эпохи 1980 г. Изолинии Т проведены через 4 мкТл (из книги П.Шарма "Геофизические методы в региональной геологии").

Таким образом

На полюсах вертикальные составляющие магнитной индукции примерно равны 60 мкТл, а горизонтальные - нулю. На экваторе горизонтальная составляющая приблизительно равна 30 мкТл, а вертикальная - нулю.

Именно таким образом современная наука о геомагнетизме давно отказалась от основного принципа магнетизма, два магнита, расположенные плашмя друг к другу, стремятся соединиться разноименными полюсами.

То есть, судя по последней фразе на экваторе силы (вертикальной составляющей), притягивающей магнит к земле нет! Как и отталкивающей!

Такие два магнита не притягиваются? То есть, нет силы притяжения, а есть сила растяжения? Нонсенс!

Зато на полюсах при таком расположении магнита она есть, но горизонтальная сила пропадает.

Причем разница всего-то в 2 раза, между этими составляющими!

Попросту берем два магнита и убеждаемся, что при подобном положении магнит сначала разворачивает, а затем притягивает. Южный ПОЛЮС к северному ПОЛЮСУ!

Эти глобальные модели - такие как Международное геомагнитное аналитическое поле (International Geomagnetic Reference Field, IGRF) и Всемирная магнитная модель (World Magnetic Model, WMM) - создаются различными международными геофизическими организациями, и каждые 5 лет утверждаются и публикуются обновлённые наборы коэффициентов Гаусса, определяющих все данные о состоянии геомагнитного поля и его параметрах . Так, согласно модели WMM2015, северный геомагнитный полюс (по сути это южный полюс магнита) имеет координаты 80,37° с. ш. и 72,62° з. д., южный геомагнитный полюс - 80,37° ю. ш., 107,38° в. д., наклон оси диполя относительно оси вращения Земли - 9,63° .

Поля мировых аномалий

Реальные силовые линии магнитного поля Земли, хотя в среднем и близки к силовым линиям диполя, отличаются от них местными нерегулярностями, связанными с наличием намагниченных пород в коре , расположенных близко к поверхности. Из-за этого в некоторых местах на земной поверхности параметры поля сильно отличаются от значений в близлежащих районах, образуя так называемые магнитные аномалии . Они могут накладываться одна на другую, если вызывающие их намагниченные тела залегают на разных глубинах .

Существование магнитных полей протяжённых локальных областей внешних оболочек приводит к тому, что истинные магнитные полюса - точки (вернее, небольшие области), в которых силовые линии магнитного поля абсолютно вертикальны, - не совпадают с геомагнитными, при этом они лежат не на самой поверхности Земли, а под ней . Координаты магнитных полюсов на тот или иной момент времени также вычисляются в рамках различных моделей геомагнитного поля путём нахождения итеративным методом всех коэффициентов в ряду Гаусса. Так, согласно актуальной модели WMM, в 2015 г. северный магнитный полюс находился в точке 86° с. ш., 159° з. д., а южный - 64° ю. ш., 137° в.д . Значения актуальной модели IGRF12 немного отличаются: 86,3° с. ш., 160° з. д., для северного полюса, 64,3° ю. ш., 136,6° в.д для южного .

Соответственно, магнитная ось - прямая, проходящая через магнитные полюса, - не проходит через центр Земли и не является её диаметром .

Положения всех полюсов постоянно смещаются - геомагнитный полюс прецессирует относительно географического с периодом около 1200 лет .

Внешнее магнитное поле

Оно определяется источниками в виде токовых систем, находящимися за пределами земной поверхности в её атмосфере . В верхней части атмосферы (100 км и выше) - ионосфере - её молекулы ионизируются, формируя плазму , поэтому эта часть магнитосферы Земли, простирающаяся на расстояние до трёх её радиусов, называется плазмосферой . Плазма удерживается магнитным полем Земли, но её состояние определяется его взаимодействием с солнечным ветром - потоком плазмы солнечной короны .

Таким образом, на большем удалении от поверхности Земли магнитное поле несимметрично, так как искажается под действием солнечного ветра: со стороны Солнца оно сжимается, а в направлении от Солнца приобретает «шлейф», который простирается на сотни тысяч километров, выходя за орбиту Луны . Эта своеобразная «хвостатая» форма возникает, когда плазма солнечного ветра и солнечных корпускулярных потоков как бы обтекают земную магнитосферу - область околоземного космического пространства, ещё контролируемая магнитным полем Земли, а не Солнца и других межпланетных источников ; она отделяется от межпланетного пространства магнитопаузой , где динамическое давление солнечного ветра уравновешивается давлением собственного магнитного поля. Подсолнечная точка магнитосферы в среднем находится на расстоянии 10 земных радиусов * R ⊕ ; при слабом солнечном ветре это расстояние достигает 15-20 R ⊕ , а в период магнитных возмущений на Земле магнитопауза может заходить за геостационарную орбиту (6,6 R ⊕) . Вытянутый хвост на ночной стороне имеет диаметр около 40 R ⊕ и длину более 900 R ⊕ ; начиная с расстояния примерно 8 R ⊕ , он разделен на части плоским нейтральным слоем, в котором индукция поля близка к нулю .

Геомагнитное поле вследствие специфической конфигурации линий индукции создает для заряженных частиц - протонов и электронов - магнитную ловушку. Оно захватывает и удерживает огромное их количество, так что магнитосфера является своеобразным резервуаром заряженных частиц. Общая их масса, по различным оценкам, составляет от 1 кг до 10 кг. Они формируют так называемый радиационный пояс , охватывающий Землю со всех сторон, кроме приполярных областей. Его условно разделяют на два - внутренний и внешний. Нижняя граница внутреннего пояса находится на высоте около 500 км, его толщина - несколько тысяч километров. Внешний пояс находится на высоте 10-15 тыс. км. Частицы радиационного пояса под действием силы Лоренца совершают сложные периодические движения из Северного полушария в Южное и обратно, одновременно медленно перемещаясь вокруг Земли по азимуту. В зависимости от энергии они совершают полный оборот вокруг Земли за время от нескольких минут до суток .

Магнитосфера не подпускает к земле потоки космических частиц . Однако в её хвосте, на больших расстояниях от Земли напряженность геомагнитного поля, а следовательно, и его защитные свойства, ослабляются, и некоторые частицы солнечной плазмы получают возможность попасть вовнутрь магнитосферы и магнитных ловушек радиационных поясов. Хвост таким образом служит местом формирования потоков высыпающихся частиц, вызывающих полярные сияния и авроральные токи . В полярных областях часть потока солнечной плазмы вторгается в верхние слои атмосферы из радиационного пояса Земли и, сталкиваясь с молекулами кислорода и азота, возбуждает их или ионизирует, а при обратном переходе в невозбужденное состояние атомы кислорода излучают фотоны с λ = 0,56 мкм и λ = 0,63 мкм, ионизированные же молекулы азота при рекомбинации высвечивают синие и фиолетовые полосы спектра. При этом наблюдаются полярные сияния, особенно динамичные и яркие во время магнитных бурь . Они происходят при возмущениях в магнитосфере, вызванных увеличением плотности и скорости солнечного ветра при усилении солнечной активности .

Параметры поля

Наглядное представление о положении линий магнитной индукции поля Земли даёт магнитная стрелка, закреплённая таким образом, что может свободно вращаться и вокруг вертикальной, и вокруг горизонтальной оси (например, в кардановом подвесе), - в каждой точке вблизи поверхности Земли она устанавливается определённым образом вдоль этих линий.

Поскольку магнитные и географические полюса не совпадают, магнитная стрелка указывает направление с севера на юг только приблизительно. Вертикальную плоскость, в которой устанавливается магнитная стрелка, называют плоскостью магнитного меридиана данного места, а линию, по которой эта плоскость пересекается с поверхностью Земли, - магнитным меридианом . Таким образом, магнитные меридианы - это проекции силовых линий магнитного поля Земли на её поверхность, сходящиеся в северном и южном магнитных полюсах . Угол между направлениями магнитного и географического меридианов называют магнитным склонением . Оно может быть западным (часто обозначается знаком «-») или восточным (обозначается знаком «+»), в зависимости от того, к западу или востоку отклоняется северный полюс магнитной стрелки от вертикальной плоскости географического меридиана .

Далее, линии магнитного поля Земли, вообще говоря, не параллельны её поверхности. Это означает, что магнитная индукция поля Земли не лежит в плоскости горизонта данного места, а образует с этой плоскостью некий угол - он называется магнитным наклонением . Оно близко к нулю лишь в точках магнитного экватора - окружности большого круга в плоскости, которая перпендикулярна к магнитной оси .

Магнитное склонение и магнитное наклонение определяют направление магнитной индукции поля Земли в каждом конкретном месте. А численное значение этой величины можно найти, зная наклонение и одну из проекций вектора магнитной индукции B {\displaystyle \mathbf {B} } - на вертикальную или горизонтальную ось (последнее оказывается более удобным на практике). Таким образом, три этих параметра - магнитное склонение, наклонение и модуль вектора магнитной индукции B (либо вектора напряжённости магнитного поля H {\displaystyle \mathbf {H} } ) - полностью характеризуют геомагнитное поле в данном месте. Их точное знание для максимально большого числа пунктов на Земле имеет чрезвычайно важное значение . Составляются специальные магнитные карты, на которых нанесены изогоны (линии одинакового склонения) и изоклины (линии одинакового наклонения), необходимые для ориентации с помощью компаса .

В среднем интенсивность магнитного поля Земли колеблется от 25,000 до 65,000 нТл (0,25 - 0,65 Гс) и сильно зависит от географического положения . Это соответствует средней напряжённости поля около 0,5 (40 /) . На магнитном экваторе её величина - около 0,34 , у магнитных полюсов - около 0,66 Э. В некоторых районах (магнитных аномалий) напряжённость резко возрастает: в районе Курской магнитной аномалии она достигает 2 Э .

Природа магнитного поля Земли

Впервые объяснить существование магнитных полей Земли и Солнца попытался Дж. Лармор в 1919 году , предложив концепцию динамо , согласно которой поддержание магнитного поля небесного тела происходит под действием гидродинамического движения электропроводящей среды. Однако в 1934 году Т. Каулинг доказал теорему о невозможности поддержания осесимметричного магнитного поля посредством гидродинамического динамо-механизма. А поскольку большинство изучаемых небесных тел (и тем более Земля) считались аксиально-симметричными, на основании этого можно было сделать предположение, что их поле тоже будет аксиально-симметричным, и тогда его генерация по такому принципу будет невозможна согласно этой теореме. Позже было показано, что не у всех уравнений с аксиальной симметрией, описывающих процесс генерации магнитного поля, решение будет аксиально-симметричным, и в 1950-х гг. несимметричные решения были найдены .

С тех пор теория динамо успешно развивается, и на сегодняшний день общепринятым наиболее вероятным объяснением происхождения магнитного поля Земли и других планет является самовозбуждающийся динамо-механизм, основанный на генерации электрического тока в проводнике при его движении в магнитном поле, порождаемом и усиливаемом самими этими токами. Необходимые условия создаются в ядре Земли : в жидком внешнем ядре , состоящем в основном из железа при температуре порядка 4-6 тысяч кельвин, которое отлично проводит ток, создаются конвективные потоки, отводящие тепло от твёрдого внутреннего ядра (генерируемого благодаря распаду радиоактивных элементов либо освобождению скрытой теплоты при затвердевании вещества на границе между внутренним и внешним ядром по мере постепенного остывания планеты). Силы Кориолиса закручивают эти потоки в характерные спирали, образующие так называемые столбы Тейлора . Благодаря трению слоёв они приобретают электрический заряд, формируя контурные токи. Таким образом, создаётся система токов, циркулирующих по проводящему контуру в движущихся в (изначально присутствующем, пусть и очень слабом) магнитном поле проводниках, как в диске Фарадея . Она создает магнитное поле, которое при благоприятной геометрии течений усиливает начальное поле, а это, в свою очередь, усиливает ток, и процесс усиления продолжается до тех пор, пока растущие с увеличением тока потери на джоулево тепло не уравновесят притоки энергии, поступающей за счет гидродинамических движений .

Математически этот процесс описывается дифференциальным уравнением

∂ B ∂ t = η ∇ 2 B + ∇ × (u × B) {\displaystyle {\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}=\eta \mathbf {\nabla } ^{2}\mathbf {B} +\mathbf {\nabla } \times (\mathbf {u} \times \mathbf {B})} ,

где u - скорость потока жидкости, B - магнитная индукция , η = 1/μσ - магнитная вязкость , σ - электропроводность жидкости, а μ - магнитная проницаемость , практически не отличающаяся при такой высокой температуре ядра от μ 0 - проницаемости вакуума.

Однако для полного описания необходимо записать систему магнитогидродинамических уравнений. В приближении Буссинеска (в рамках которого все физические характеристики жидкости полагаются постоянными, кроме силы Архимеда , при расчёте которой учитываются изменения плотности вследствие разности температур) это :

Уравнение Навье - Стокса , содержащее члены, выражающие совокупное действие вращения и магнитного поля:

ρ 0 (∂ u ∂ t + u ⋅ ∇ u) = − ∇ P + ρ 0 ν ∇ 2 u + ρ g ¯ − 2 ρ 0 Ω × u + J × B {\displaystyle \rho _{0}\left({\frac {\partial \mathbf {u} }{\partial t}}+\mathbf {u} \cdot \mathbf {\nabla } \mathbf {u} \right)=-\nabla \mathbf {P} +\rho _{0}\nu \mathbf {\nabla } ^{2}\mathbf {u} +\rho {\bar {\mathbf {g} }}-2\rho _{0}\mathbf {\Omega } \times \mathbf {u} +\mathbf {J} \times \mathbf {B} } .

Уравнение теплопроводности , выражающее закон сохранения энергии :

∂ T ∂ t + u ⋅ ∇ T = κ ∇ 2 T + ϵ {\displaystyle {\frac {\partial T}{\partial t}}+\mathbf {u} \cdot \mathbf {\nabla } T=\kappa \mathbf {\nabla } ^{2}T+\epsilon } ,

Прорыв в этом отношении был достигнут в 1995 году в работах групп из Японии и Соединённых Штатов . Начиная с этого момента, результаты ряда работ численного моделирования удовлетворительно воспроизводят качественные характеристики геомагнитного поля в динамике, в том числе инверсии .

Изменения магнитного поля Земли

Это подтверждается и текущим возрастанием угла раствора каспов (полярных щелей в магнитосфере на севере и юге), который к середине 1990-х годов достиг 45°. В расширившиеся щели устремился радиационный материал солнечного ветра, межпланетного пространства и космических лучей, вследствие чего в полярные области поступает большее количество вещества и энергии, что может привести к дополнительному разогреву полярных шапок [ ] .

Геомагнитные координаты (координаты Мак-Илвайна)

В физике космических лучей широко используются специфические координаты в геомагнитном поле, названные в честь учёного Карла Мак-Илвайна (Carl McIlwain ), первым предложившего их использование , так как они основаны на инвариантах движения частиц в магнитном поле. Точка в дипольном поле характеризуется двумя координатами (L, B), где L - так называемая магнитная оболочка, или параметр Мак-Илвайна (англ. L-shell, L-value, McIlwain L-parameter ), B - магнитная индукция поля (обычно в Гс). За параметр магнитной оболочки обычно принимается величина L, равная отношению среднего удаления реальной магнитной оболочки от центра Земли в плоскости геомагнитного экватора, к радиусу Земли. .

История исследований

Ещё несколько тысячелетий назад в Древнем Китае было известно, что намагниченные предметы располагаются в определённом направлении, в частности стрелка компаса всегда занимает определённое положение в пространстве. Благодаря этому человечество с давних пор получило возможность при помощи такой стрелки (компаса) ориентироваться в открытом море вдали от берегов. Однако до плавания Колумба из Европы в Америку (1492 г.) особого внимания к исследованию такого явления никто не проявлял, так как ученые того времени полагали, что оно происходит в результате притяжения стрелки Полярной звездой . В Европе и омывающих её морях компас в то время устанавливался почти по географическому меридиану. При пересечении же Атлантического океана Колумб заметил, что примерно на полпути между Европой и Америкой стрелка компаса отклонилась почти на 12° к западу. Этот факт сразу же породил сомнение в правильности прежней гипотезы о притяжении стрелки Полярной звездой, дал толчок к серьезному изучению вновь открытого явления: сведения о магнитном поле Земли были нужны мореплавателям. С этого момента и получила свое начало наука о земном магнетизме, начались повсеместные измерения магнитного склонения , то есть угла между географическим меридианом и осью магнитной стрелки, то есть магнитным меридианом. В 1544 году немецкий учёный Георг Хартман открыл новое явление: магнитная стрелка не только отклоняется от географического меридиана, но, будучи подвешена за центр тяжести, стремится встать под некоторым углом к горизонтальной плоскости, названным магнитным наклонением .

С этого момента наряду с изучением явления отклонения ученые начали также исследовать и наклонение магнитной стрелки. У Хосе де Акосты (одного из основателей геофизики , по словам Гумбольдта) в его Истории (1590) впервые появилась теория о четырёх линиях без магнитного склонения. Он описал использование компаса, угол отклонения, различия между Магнитным и Северным полюсом, а также колебание отклонений от одной точки до другой, идентифицировал места с нулевым отклонением, например, на Азорских островах .

В результате наблюдений было установлено, что как склонение, так и наклонение имеют различные значения в разных точках земной поверхности. При этом их изменения от точки к точке подчиняются некоторой сложной закономерности. Её исследование позволило придворному врачу английской королевы Елизаветы и натурфилософу Уильяму Гильберту выдвинуть в 1600 году в своей книге «О магните» («De Magnete») гипотезу о том, что Земля представляет собой магнит, полюсы которого совпадают с географическими полюсами. Другими словами, У. Гильберт полагал, что поле Земли подобно полю намагниченной сферы. Свое утверждение У. Гильберт основывал на опыте с моделью нашей планеты, представляющей собой намагниченный железный шар, и маленькой железной стрелкой. Главным аргументом в пользу своей гипотезы Гильберт считал, что магнитное наклонение, измеренное на такой модели, оказалось почти одинаковым с наклонением, наблюдавшимся на земной поверхности. Несоответствие же земного склонения со склонением на модель Гильберт объяснял отклоняющим действием материков на магнитную стрелку. Хотя многие факты, установленные позднее, не совпадали с гипотезой Гильберта, она не теряет своего значения и до сих пор. Основная мысль Гильберта о том, что причину земного магнетизма следует искать внутри Земли, оказалась правильной, равно как и то, что в первом приближении Земля действительно является большим магнитом, представляющим собой однородно намагниченный шар .

В 1634 году английский астроном Генри Геллибранд ?! установил, что магнитное склонение в Лондоне меняется со временем. Это стало первым зафиксированным свидетельством вековых вариаций - регулярных (от года к году) изменений средних годовых значений компонентов геомагнитного поля .

Углы склонения и наклонения определяют направление в пространстве напряженности магнитного поля Земли, но не могут дать её численного значения. До конца XVIII в. измерения величины напряженности не производились по той причине, что не были известны законы взаимодействия между магнитным полем и намагниченными телами. Лишь после того, как в 1785-1789 гг. французским физиком Шарлем Кулоном был установлен закон, названный его именем , появилась возможность таких измерений. С конца XVIII в., наряду с наблюдением склонения и наклонения, начались повсеместные наблюдения горизонтальной составляющей, представляющей собой проекцию вектора напряженности магнитного поля на горизонтальную плоскость (зная же склонение и наклонение, можно рассчитать и величину полного вектора напряженности магнитного поля) .

Первая теоретическая работа о том, что представляет собой магнитное поле Земли, то есть каковы величина и направление его напряженности в каждой точке земной поверхности, принадлежит немецкому математику Карлу Гауссу . В 1834 г. он дал математическое выражение для составляющих напряженности как функции координат - широты и долготы места наблюдения. Пользуясь этим выражением, можно для каждой точки земной поверхности найти значения любой из составляющих, которые носят названия элементов земного магнетизма. Эта и другие работы Гаусса стали фундаментом, на котором построено здание современной науки о земном магнетизме . В частности, в 1839 году он доказал, что основная часть магнитного поля выходит из Земли, а причину небольших, коротких отклонений его значений необходимо искать во внешней среде .

В 1831 году английским полярным исследователем Джоном Россом в Канадском архипелаге был открыт северный магнитный полюс - область, где магнитная стрелка занимает вертикальное положение, то есть наклонение равно 90°. А в 1841 г. Джеймс Росс (племянник Джона Росса) достиг другого магнитного полюса Земли , находящегося в Антарктиде .

См. также

Intermagnet (англ. )

Примечания

Ученые в США выяснили, что магнитное поле Земли на 700 млн лет старше, чем считалось
Эдвард Кононович. Магнитное поле Земли (неопр.) . http://www.krugosvet.ru/ . Энциклопедия Кругосвет: Универсальная научно-популярная онлайн-энциклопедия. Проверено 2017-04-26 .
Geomagnetism Frequently Asked Questions (англ.) . https://www.ngdc.noaa.gov/ngdc.html . National Centers for Environmental Information (NCEI). Проверено 23 апреля 2017.
А. И. Дьяченко. Магнитные полюса Земли . - Москва: Издательство Московского центра непрерывного математического образования, 2003. - 48 с. - ISBN 5-94057-080-1 .
А. В. Викулин. VII. Геомагнитное поле и электромагнетизм Земли // Введение в физику Земли. Учебное пособие для геофизических специальностей вузов.. - Издательство Камчатского государственного педагогического университета, 2004. - 240 с. - ISBN 5-7968-0166-X .

Строение и характеристики магнитного поля Земли

На небольшом удалении от поверхности Земли, порядка трёх её радиусов, магнитные силовые линии имеют диполеподобное расположение. Эта область называется плазмосферой Земли.

По мере удаления от поверхности Земли усиливается воздействие солнечного ветра : со стороны Солнца геомагнитное поле сжимается, а с противоположной, ночной стороны, оно вытягивается в длинный «хвост».

Плазмосфера

Заметное влияние на магнитное поле на поверхности Земли оказывают токи в ионосфере . Это область верхней атмосферы, простирающаяся от высот порядка 100 км и выше. Содержит большое количество ионов . Плазма удерживается магнитным полем Земли, но её состояние определяется взаимодействием магнитного поля Земли с солнечным ветром, чем и объясняется связь магнитных бурь на Земле с солнечными вспышками.

Параметры поля

Точки Земли, в которых напряжённость магнитного поля имеет вертикальное направление, называют магнитными полюсами . Таких точек на Земле две: северный магнитный полюс и южный магнитный полюс .

Прямая, проходящая через магнитные полюсы, называется магнитной осью Земли. Окружность большого круга в плоскости, которая перпендикулярна к магнитной оси, называется магнитным экватором. Вектор магнитного поля в точках магнитного экватора имеет приблизительно горизонтальное направление.

Для магнитного поля Земли характерны возмущения, называемые геомагнитными пульсациями вследствие возбуждения гидромагнитных волн в магнитосфере Земли; частотный диапазон пульсаций простирается от миллигерц до одного килогерца .

Магнитный меридиан

Магнитными меридианами называются проекции силовых линий магнитного поля Земли на её поверхность; сложные кривые, сходящиеся в северном и южном магнитных полюсах Земли .

Гипотезы о природе магнитного поля Земли

В последнее время получила развитие гипотеза, связывающая возникновение магнитного поля Земли с протеканием токов в жидком металлическом ядре. Подсчитано, что зона, в которой действует механизм «магнитное динамо », находится на расстоянии 0,25-0,3 радиуса Земли . Аналогичный механизм генерации поля может иметь место и на других планетах, в частности, в ядрах Юпитера и Сатурна (по некоторым предположениям, состоящих из жидкого металлического водорода).

Изменения магнитного поля Земли

Геомагнитные координаты (координаты Мак-Илвайна)

В физике космических лучей широко используются специфические координаты в геомагнитном поле, названные в честь учёного Карла Мак-Илвайна (Carl McIlwain ), первым предложившего их использование , так как они основаны на инвариантах движения частиц в магнитном поле. Точка в дипольном поле характеризуется двумя координатами (L, B), где L - так называемая магнитная оболочка, или параметр Мак-Илвайна (англ. L-shell, L-value, McIlwain L-parameter ), B - магнитная индукция поля (обычно в Гс). За параметр магнитной оболочки обычно принимается величина L, равная отношению среднего удаления реальной магнитной оболочки от центра Земли в плоскости геомагнитного экватора, к радиусу Земли. .

История исследований

О способности намагниченных предметов располагаться в определённом направлении было известно ещё китайцам несколько тысячелетий назад.

В 1544 году немецкий учёный Георг Гартман открыл магнитное наклонение . Магнитным наклонением называют угол, на который стрелка под действием магнитного поля Земли отклоняется от горизонтальной плоскости вниз или вверх. В полушарии севернее магнитного экватора (который не совпадает с географическим экватором) северный конец стрелки отклоняется вниз, в южном - наоборот. На самом магнитном экваторе линии магнитного поля параллельны поверхности Земли.

Впервые предположение о наличии магнитного поля Земли, которое и вызывает такое поведение намагниченных предметов, высказал английский врач и натурфилософ Уильям Гильберт (англ. William Gilbert ) в 1600 году в своей книге «О магните» («De Magnete»), в которой описал опыт с шаром из магнитной руды и маленькой железной стрелкой. Гильберт пришел к заключению, что Земля представляет собой большой магнит. Наблюдения английского астронома Генри Геллибранда (англ. Henry Gellibrand ) показали, что геомагнитное поле не постоянно, а медленно изменяется.

Угол, на который отклоняется магнитная стрелка от направления север - юг, называют магнитным склонением. Христофор Колумб открыл, что магнитное склонение не остается постоянным, а претерпевает изменения с изменением географических координат. Открытие Колумба послужило толчком к новому изучению магнитного поля Земли: сведения о нём были нужны мореплавателям. Русский ученый М. В. Ломоносов в 1759 г. в докладе «Рассуждение о большой точности морского пути» дал ценные советы, позволяющие увеличить точность показаний компаса. Для изучения земного магнетизма М. В. Ломоносов рекомендовал организовать сеть постоянных пунктов (обсерваторий), в которых производить систематические магнитные наблюдения; такие наблюдения необходимо широко проводить и на море. Мысль Ломоносова об организации магнитных обсерваторий была осуществлена лишь спустя 60 лет в России.

В 1831 г. английским полярным исследователем Джоном Россом в Канадском архипелаге был открыт магнитный полюс - область, где магнитная стрелка занимает вертикальное положение, то есть наклонение равно 90°. В 1841 г. Джеймс Росс (племянник Джона Росса) достиг другого магнитного полюса Земли, находящегося в Антарктиде.

Карл Гаусс (нем. Carl Friedrich Gauß ) выдвинул теорию о происхождении магнитного поля Земли и в 1839 году доказал, что основная его часть выходит из Земли, а причину небольших, коротких отклонений его значений необходимо искать во внешней среде.

См. также

Intermagnet (англ. )

Примечания

Литература

Сивухин Д. В. Общий курс физики. - Изд. 4-е, стереотипное. - М .: Физматлит ; Изд-во МФТИ, 2004. - Т. III. Электричество. - 656 с. - ISBN 5-9221-0227-3 ; ISBN 5-89155-086-5 .
Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. - М .: Наука, 1976.
Н. В. Короновский Магнитное поле геологического прошлого Земли. Соросовский образовательный журнал, N5, 1996, с. 56-63

Ссылки

Карты смещения магнитных полюсов Земли за период с 1600 по 1995 год

Прочая информация по теме

Инверсии магнитного поля в геологической истории Земли
Влияние инверсии магнитного поля на климат и эволюцию жизни на Земле

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Магнитное поле Земли" в других словарях:

До расстояний? 3R= (R= радиус Земли) соответствует приблизительно полю однородно намагниченного шара с напряженностью поля? 55 7 А/м (0,70 Э) у полюсов магнитных Земли и 33,4 А/м (0,42 Э) на магнитном экваторе. На расстояниях 3R магнитное поле… … Большой Энциклопедический словарь

Пространство вокруг земного шара, в котором обнаруживается сила земного магнетизма. Магнитное поле Земли характеризуется вектором напряженности, магнитным наклонением и магнитным склонением. EdwART. Толковый Военно морской Словарь, 2010 … Морской словарь

Согласно современным представлениям, образовалась примерно 4,5 млрд лет назад, и с этого момента нашу планету окружает магнитное поле. Все, что находится на Земле, в том числе люди, животные и растения, подвергаются его воздействию.

Магнитное поле простирается до высоты около 100 000 км (рис. 1). Оно отклоняет или захватывает частицы солнечного ветра, губительные для всех живых организмов. Эти заряженные частицы образуют радиационный пояс Земли, а вся область околоземного пространства, в которой они находятся, называют магнитосферой (рис. 2). С освещенной Солнцем стороны Земли магнитосфера ограничена сферической поверхностью с радиусом примерно 10-15 радиусов Земли, а с противоположной стороны она вытянута подобно кометному хвосту на расстояние вплоть до нескольких тысяч радиусов Земли, образуя геомагнитный хвост. Магнитосфера отделена от межпланетного поля переходной областью.

Магнитные полюса Земли

Ось земного магнита наклонена по отношению к оси вращения Земли на 12°. Она располагается примерно на 400 км в стороне от центра Земли. Точки, в которых эта ось пересекает поверхность планеты, - магнитные полюса. Магнитные полюсаЗемли не совпадают с истинными географическими полюсами. В настоящее время координаты магнитных полюсов следующие: северный — 77° с.ш. и 102° з.д.; южный — (65° ю.ш. и 139° в.д.).

Рис. 1. Строение магнитного поля Земли

Рис. 2. Строение магнитосферы

Силовые линии, идущие от одного магнитного полюса к другому, называются магнитными меридианами . Между магнитным и географическим меридианом образуется угол, называемый магнитным склонением . Каждое место на Земле имеет свой угол склонения. В районе Москвы угол склонения равен 7° к востоку, а в Якутске — около 17° к западу. Это значит, что северный конец стрелки компаса в Москве отклоняется на Т вправо от географического меридиана, проходящего через Москву, а в Якутске — на 17° влево от соответствующего меридиана.

Свободно подвешенная магнитная стрелка располагается горизонтально только на линии магнитного экватора, который не совпадает с географическим. Если двигаться к северу от магнитного экватора, то северный конец стрелки будет постепенно опускаться. Угол, образованный магнитной стрелкой и горизонтальной плоскостью, называют магнитным наклонением . На Северном и Южном магнитных полюсах магнитное наклонение наибольшее. Оно равно 90°. На Северном магнитном полюсе свободно подвешенная магнитная стрелка установится вертикально северным концом вниз, а на Южном магнитном полюсе ее южный конец опустится вниз. Таким образом, магнитная стрелка показывает направление силовых линий магнитного ноля над земной поверхностью.

С течением времени положение магнитных полюсов относительно по земной поверхности меняется.

Магнитный полюс был открыт исследователем Джеймсом К. Россом в 1831 г. в сотнях километров от его нынешнего местонахождения. В среднем за один год он перемещается на 15 км. В последние годы скорость перемещения магнитных полюсов резко возросла. Например, Северный магнитный полюс сейчас перемещается со скоростью около 40 км в год.

Смена магнитных полюсов Земли называется инверсией магнитного поля .

На протяжении геологической истории нашей планеты земное магнитное поле изменяло свою полярность более 100 раз.

Магнитное поле характеризуется напряженностью. В некоторых местах Земли магнитные силовые линии отклоняются от нормального поля, образуя аномалии. Например, в районе Курской магнитной аномалии (КМА) напряженность поля в четыре раза выше нормы.

Существуют суточные изменения магнитного поля Земли. Причина этих изменений магнитного поля Земли — электриче- с кие токи, текущие в атмосфере на большой высоте. Вызваны они солнечным излучением. Пол действием солнечного ветра магнитное поле Земли искажается и приобретает «шлейф» в направлении от Солнца, который простирается на сотни тысяч километров. Основной же причиной возникновения солнечного ветра, как мы уже знаем, являются грандиозные выбросы вещества из короны Солнца. При движении к Земле они превращаются в магнитные облака и приводят к сильным, иногда экстремальным возмущениям на Земле. Особенно сильные возмущения магнитного поля Земли - магнитные бури. Некоторые магнитные бури начинаются неожиданно и почти одновременно по всей Земле, а другие развиваются постепенно. Они могут продолжаться несколько часов и даже суток. Часто магнитные бури происходят через 1-2 дня после солнечной вспышки из-за прохождения Земли через поток частиц, выброшенных Солнцем. Исходя из времени запаздывания скорость такого корпускулярного потока оценивают в несколько миллионов км/ч.

Во время сильных магнитных бурь нарушается нормальная работа телеграфа, телефона и радио.

Магнитные бури часто наблюдаются на широте 66-67° (в зоне полярных сияний) и возникают одновременно с полярными сияниями.

Строение магнитного поля Земли меняется в зависимости от широты местности. Проницаемость магнитного поля увеличивается в сторону полюсов. Над полярными областями силовые линии магнитного поля более или менее перпендикулярны земной поверхности и имеют воронкообразную конфигурацию. Через них часть солнечного ветра с дневной стороны проникает в магнитосферу, а затем и в верхнюю атмосферу. Сюда же в период магнитных бурь устремляются частицы из хвостовой части магнитосферы, достигая границ верхней атмосферы в высоких широтах Северного и Южного полушарий. Именно эти заряженные частицы вызывают здесь полярные сияния.

Итак, магнитные бури и суточные изменения магнитного ноля объясняются, как мы уже выяснили, солнечным излучением. Но какова основная причина, создающая постоянный магнетизм Земли? Теоретически удалось доказать, что на 99 % магнитное поле Земли вызывают источники, скрытые внутри планеты. Главное магнитное поле обусловлено источниками, расположенными в глубинах Земли. Их можно условно разделить на две группы. Основная их часть связана с процессами в земном ядре, где вследствие непрерывных и регулярных перемещений электропроводящего вещества создается система электрических токов. Другая — связана с тем, что горные породы земной коры, намагничиваясь главным электрическим полем (полем ядра), создают собственное магнитное поле, которое суммируется с магнитным полем ядра.

Кроме магнитного поля вокруг Земли существуют и другие поля: а) гравитационное; б) электрическое; в) тепловое.

Гравитационным полем Земли называют поле силы тяжести. Она направлена по отвесу перпендикулярно к поверхности геоида. Если бы у Земли была фигура эллипсоида вращения и в нем равномерно распределялись бы массы, то у нее было нормальное гравитационное поле. Разница между напряженностью реального гравитационного поля и теоретического — аномалия тяжести. Различный вещественный состав, плотность горных пород вызывают эти аномалии. Но возможны и другие причины. Их можно объяснить следующим процессом — уравновешение твердой и относительно легкой земной коры на более тяжелой верхней мантии, где и происходит выравнивание давления вышележащих слоев. Эти течения вызывают тектонические деформации, движение литосферных плит и тем самым создают макрорельеф Земли. Сила тяжести удерживает атмосферу, гидросферу, людей, животных на Земле. Силу тяжести нужно обязательно учитывать при изучении процессов в географической оболочке. Термином «геотропизм » называют ростовые движения органов растений, которые под влиянием силы земного тяготения всегда обеспечивают вертикальное направление роста первичного корня перпендикулярно поверхности Земли. Гравитационная биология использует растения в качестве экспериментальных объектов.

Если не учитывать силу тяжести, невозможно рассчитать исходные данные для запуска ракет и космических кораблей, сделать гравиметрическую разведку рудных ископаемых и, наконец, невозможно дальнейшее развитие астрономии, физики и других наук.