Det magnetiske feltet til jordfysikken. Teori om jordens magnetfelt: forekomstmekanisme, struktur, magnetiske stormer, polarisasjonsreversering

Fysikk fungerer

10. klasse elev A

Skole nr 1202

Kruglova Egor

Et magnetfelt

På 1800-tallet ble sammenhengen mellom elektrisitet og magnetisme oppdaget og konseptet om et magnetfelt oppsto. I følge moderne konsepter utøver ledere med strøm en kraft på hverandre ikke direkte, men gjennom magnetfeltene som omgir dem.

Kilder magnetfelt beveger seg elektriske ladninger (strømmer). Et magnetfelt oppstår i rommet rundt strømførende ledere, akkurat som et elektrisk felt oppstår i et rom som omgir ubevegelige elektriske ladninger. Det magnetiske feltet til permanente magneter skapes også av elektriske mikrostrømmer som sirkulerer inne i molekylene til et stoff (Ampères hypotese).

For å beskrive magnetfeltet, er det nødvendig å introdusere kraftkarakteristikken til feltet, som ligner vektoren for den elektriske feltstyrken. En slik karakteristikk er vektoren for magnetisk induksjon. Vektoren for magnetisk induksjon bestemmer kreftene som virker på strømmer eller bevegelige ladninger i et magnetfelt.

Den positive retningen til vektoren tas som retningen fra sørpolen S til nordpolen N til magnetnålen, som er fritt installert i magnetfeltet. Ved å undersøke magnetfeltet skapt av en strøm eller en permanent magnet, ved hjelp av en liten magnetisk nål, er det mulig på hvert punkt i rommet

For å kvantitativt beskrive magnetfeltet, er det nødvendig å indikere en metode for å bestemme ikke bare retningen til vektoren, men også dens modul.

Modulen til den magnetiske induksjonsvektoren er lik forholdet maksimal verdi Amperekraft som virker på en likestrømførende leder til strømstyrken Jeg i lederen og dens lengde Δ l :

Dette forholdet kalles Ampères lov.

I SI-systemet av enheter er enheten for magnetisk induksjon induksjonen av et slikt magnetfelt, der for hver meter av lengden på lederen ved en strøm på 1 A, maksimal styrke En ampere er 1 N. Denne enheten kalles en tesla (T).

Tesla er en veldig stor enhet. Jordens magnetfelt er omtrent lik 0,5·10–4 T. En stor laboratorieelektromagnet kan skape et felt på ikke mer enn 5 T.

Amperekraften er rettet vinkelrett på den magnetiske induksjonsvektoren og retningen til strømmen som flyter gjennom lederen. For å bestemme retningen til Ampères kraft, brukes vanligvis venstrehåndsregelen: hvis du plasserer venstre hand slik at induksjonslinjene kommer inn i håndflaten, og de utstrakte fingrene er rettet langs strømmen, deretter de tildelte tommel angir retningen til kraften som virker på lederen.

Venstrehåndsregel og gimletregel.

Linjer med magnetiske induksjonsfelt permanent magnet og strømspoler

Referanse

Gauss ( Russisk betegnelse Gs, internasjonal - G) - en måleenhet for magnetisk induksjon i CGS-systemet. Den er oppkalt etter den tyske fysikeren og matematikeren Carl Friedrich Gauss.

1 Gs = 100 μT;

1 T = 104 Gs.

Det kan uttrykkes i form av basisenhetene til CGS-systemet som følger: 1 Gs = 1 g 1/2 .cm −1/2 .s −1 .

En opplevelse

Kilde: fysikk lærebøker om magnetisme, Berkeley-kurs.

Emne: m magnetiske felt i materie.

Mål: Finn ut hvordan ulike stoffer reagere på et magnetfelt.

Se for deg noen eksperimenter med et veldig sterkt felt. Anta at vi har laget en solenoid med innvendig diameter 10 cm og 40 cm lang.

1. Utformingen av spolen som skaper et sterkt magnetfelt. vist tverrsnitt vikling som kjølevannet strømmer gjennom. 2. Kurven av størrelsen på feltet B 2 på spolens akse.

Dens ytre diameter er 40 cm og mest av plass er fylt med kobbervikling. En slik spole vil gi et konstant felt på 30.000 gs i sentrum, hvis du tar med 400 til det kW elektrisk kraft og tilførselsvann for ca 120 l minutt for varmeavledning.

Disse spesielle dataene er gitt for å vise at selv om instrumentet ikke er noe utenom det vanlige, er det fortsatt en ganske respektabel laboratoriemagnet.

Feltstyrken i midten av magneten er omtrent 105 ganger jordens magnetfelt, og sannsynligvis 5 eller 10 ganger sterkere felt nær enhver magnetisk jernstang eller hesteskomagnet!

Nær midten av solenoiden er feltet ganske jevnt og avtar med omtrent halvparten på aksen nær endene av spolen.

konklusjoner

Så, som eksperimenter viser, i slike magneter, er størrelsen på feltet (det vil si induksjon eller intensitet) både inne i magneten og utsiden nesten fem størrelsesordener større enn størrelsen på jordens felt.

Dessuten bare to ganger - ikke "til tider!" - den er mindre utenfor magneten.

Og samtidig 5-10 ganger styrken til en vanlig permanent magnet.

Den gjennomsnittlige feltstyrken til jorden på overflaten er omtrent 0,5 Oe (5,10 -5 T)

Imidlertid, allerede noen hundre meter (om ikke ti) fra en slik magnet, reagerer ikke kompassets magnetiske nål på verken å slå på eller slå av strømmen.

Samtidig reagerer den godt på jordens felt eller dens anomalier ved den minste endring i posisjon. Hva står det?

Først og fremst om den åpenbart undervurderte figuren av induksjonen av jordens magnetfelt – altså ikke selve induksjonen, men hvordan vi måler den.

Vi måler sløyfens reaksjon med strøm, vinkelen på dens rotasjon i jordens magnetfelt.

Ethvert magnetometer er bygget på prinsippet om å måle ikke direkte, men indirekte:

Bare av arten av endringen i verdien av spenning;

Bare på jordoverflaten, nær den i atmosfæren og i nærheten av verdensrommet.

Vi kjenner ikke kilden til feltet med et spesifikt maksimum. Vi måler kun forskjellen i feltstyrken i ulike punkter, og intensitetsgradienten endres ikke for mye med høyden. Ingen matematikk med maks definisjon ved bruk klassisk tilnærming ikke jobbe her.

Påvirkningen av magnetfeltet - eksperimenter

Det er kjent at selv sterke magnetiske felt praktisk talt ikke har noen effekt på kjemikaliet og biokjemiske prosesser. Du kan legge hånden (ingen klokke!) i solenoiden med et felt på 30 kgf uten merkbare effekter. Det er vanskelig å si hvilken klasse av stoffer hånden din tilhører - paramagnetisk eller diamagnetisk, men kraften som virker på den vil uansett ikke være mer enn noen få gram. Hele generasjoner av mus har blitt avlet og oppdrettet i sterke magnetiske felt som ikke har hatt noen merkbar effekt på dem. Andre biologiske eksperimenter avslørte heller ikke noen bemerkelsesverdige magnetiske effekter på biologiske prosesser.

Viktig å huske!

Det ville være feil å anta at svake effekter alltid passerer uten konsekvenser. Slike resonnementer kan føre til konklusjonen at tyngdekraften ikke har noen energetisk betydning på molekylær skala, men trær i en åsside vokser likevel vertikalt. Forklaringen ligger tilsynelatende i den totale kraften som virker på et biologisk objekt, hvis dimensjoner er mye større enn dimensjonene til molekylet. Faktisk har et lignende fenomen ("tropisme") blitt demonstrert eksperimentelt i tilfellet med frøplanter som vokser i nærvær av et veldig uensartet magnetfelt.

Forresten, hvis du plasserer hodet i et sterkt magnetfelt og rister det, vil du "smake" en elektrolytisk strøm i munnen, som er bevis på tilstedeværelsen av en indusert elektromotorisk kraft.

Når man samhandler med materie, er rollene til magnetiske og elektriske felt forskjellige. Fordi atomer og molekyler består av sakte bevegelige elektriske ladninger, elektriske krefter i molekylære prosesser dominerer over magnetiske.

konklusjoner

Virkningen av magnetfeltet til en slik magnet på biologiske gjenstander er ikke noe mer enn et myggstikk. Noen skapning eller planten er konstant under påvirkning terrestrisk magnetisme mye kraftigere.

Derfor er effekten av et feil målt felt ikke merkbar.

Beregninger

1 gauss = 1 10 -4 tesla.

Enhet for spenning geomagnetisk felt(T) i C-systemet er ampere per meter (A/m). I magnetisk utforskning ble det også brukt en annen enhet av Oersted (E) eller gamma (G), lik 10 -5 Oe. Den praktisk målte parameteren til magnetfeltet er imidlertid magnetisk induksjon (eller magnetisk flukstetthet). Enheten for magnetisk induksjon i C-systemet er teslaen (T). I magnetisk utforskning brukes en mindre enhet av nanotesla (nT), lik 10 -9 T. Siden for de fleste medier der magnetfeltet studeres (luft, vann, de aller fleste ikke-magnetiske sedimentære bergarter), så kan jordens magnetfelt kvantitativt måles enten i enheter for magnetisk induksjon (i nT), eller i den tilsvarende feltstyrken - gamma.

Figuren viser den totale intensiteten til jordens magnetfelt for epoken 1980. Isoliner T er trukket gjennom 4 μT (fra P. Sharmas bok "Geophysical methods in regional geology").

På denne måten

Ved polene er de vertikale komponentene til den magnetiske induksjonen omtrent lik 60 μT, og de horisontale komponentene er null. Ved ekvator er den horisontale komponenten omtrent 30 µT og den vertikale komponenten er null.

Det er på denne måten at den moderne vitenskapen om geomagnetisme lenge har forlatt det grunnleggende prinsippet om magnetisme, to magneter plassert flatt mot hverandre har en tendens til å koble seg til motsatte poler.

Det vil si at etter den siste setningen ved ekvator å dømme, er det ingen kraft (vertikal komponent) som tiltrekker en magnet til jorden! Hvor frastøtende!

Tiltrekker disse to magnetene hverandre? Det vil si at det ikke er noen tiltrekningskraft, men det er en strekkkraft? Tull!

Men ved polene med dette arrangementet av magneten er det det, men den horisontale kraften forsvinner.

Dessuten er forskjellen bare 2 ganger mellom disse komponentene!

Vi tar ganske enkelt to magneter og sørger for at magneten i en lignende posisjon først utfolder seg og deretter tiltrekker seg. SYDPOLEN til NORDPOLEN!

Disse globale modellene er for eksempel International geomagnetic analytical field (International Geomagnetic Reference Field, IGRF) og World Magnetic Model (WMM)- opprettes av forskjellige internasjonale geofysiske organisasjoner, og hvert 5. år blir oppdaterte sett med Gaussiske koeffisienter godkjent og publisert, som bestemmer alle data om tilstanden til det geomagnetiske feltet og dets parametere. Så, ifølge WMM2015-modellen, er den nordlige geomagnetiske polen (faktisk er det sydpol magnet) har koordinater 80,37 ° N. sh. og 72,62°V D., sørlig geomagnetisk pol - 80,37 ° S. breddegrad, 107,38° E osv., er helningen til dipolaksen i forhold til jordens rotasjonsakse 9,63°.

Felt med verdensanomalier

Ekte kraftlinjer Jordens magnetiske felt, selv om det i gjennomsnitt er nær dipolkraftlinjene, skiller seg fra dem i lokale uregelmessigheter assosiert med tilstedeværelsen av magnetiserte bergarter i jordskorpen, som ligger nær overflaten. På grunn av dette, noen steder jordens overflate Feltparametrene er svært forskjellige fra verdiene i nærliggende områder, og danner de såkalte magnetiske anomaliene. De kan overlappe hverandre hvis de magnetiserte kroppene som forårsaker dem ligger på forskjellige dyp.

Eksistensen av magnetiske felt i utvidede lokale regioner av de ytre skallene fører til det faktum at sanne magnetiske poler- punkter (eller rettere sagt, små områder) der magnetfeltlinjene er absolutt vertikale - faller ikke sammen med geomagnetiske, mens de ikke ligger på selve jordens overflate, men under den. Koordinatene til de magnetiske polene på et eller annet tidspunkt beregnes også innenfor rammen av ulike modeller av det geomagnetiske feltet ved å finne alle koeffisientene i Gaussserien ved en iterativ metode. I henhold til den nåværende WMM-modellen var den nordmagnetiske polen i 2015 på 86° N. breddegrad, 159° V D., og den sørlige - 64 ° S. breddegrad, 137° E Verdiene til den nåværende IGRF12-modellen er litt forskjellige: 86,3°N. breddegrad, 160° W for nordpolen, 64,3°S w., 136,6 ° E for den sørlige.

Henholdsvis magnetisk akse- en rett linje som går gjennom de magnetiske polene - går ikke gjennom jordens sentrum og er ikke dens diameter.

Posisjonene til alle polene skifter stadig - den geomagnetiske polen presesserer i forhold til den geografiske med en periode på rundt 1200 år.

Eksternt magnetfelt

Det bestemmes av kilder i form av strømsystemer plassert utenfor jordens overflate i atmosfæren. I den øvre delen av atmosfæren (100 km og over) - ionosfæren - ioniseres dens molekyler og danner plasma, derfor kalles denne delen av jordens magnetosfære, som strekker seg til en avstand på opptil tre av dens radier. plasmasfære. Plasmaet holdes av jordas magnetfelt, men dets tilstand bestemmes av samspillet med solvinden - plasmastrømmen til solkoronaen.

Således, i større avstand fra jordoverflaten, er magnetfeltet asymmetrisk, siden det er forvrengt under påvirkning av sol-vind: fra siden av solen trekker den seg sammen, og i retning fra solen får den en "hale", som strekker seg hundretusenvis av kilometer, og går utover månens bane. Denne typen "hale"-form oppstår når plasmaet til solvinden og sollegemer strømmer rundt jordoverflaten, som det var. magnetosfære- regionen i det ytre rom nær jorden, fortsatt kontrollert av jordens magnetfelt, og ikke av solen og andre interplanetære kilder; det skiller seg fra det interplanetære rommet magnetopause, hvor det dynamiske trykket til solvinden balanseres av trykket fra dets eget magnetfelt. Det subsolare punktet til magnetosfæren er i gjennomsnitt i en avstand på 10 jordradii * R⊕; med svak solvind når denne avstanden 15-20 R ⊕ , og i perioden med magnetiske forstyrrelser på jorden kan magnetopausen gå utover den geostasjonære banen (6,6 R ⊕) . Den langstrakte halen på nattsiden er omtrent 40 R⊕ i diameter og over 900 R⊕ lang; starter fra en avstand på ca. 8 R ⊕, er den delt i deler av et flatt nøytralt lag, der feltinduksjonen er nær null.

Det geomagnetiske feltet, på grunn av den spesifikke konfigurasjonen av induksjonslinjene, skaper en magnetisk felle for ladede partikler - protoner og elektroner. Den fanger og holder et stort antall av dem, slik at magnetosfæren er et slags reservoar av ladede partikler. Deres totale masse, ifølge forskjellige estimater, varierer fra 1 kg til 10 kg. De danner den såkalte strålingsbelte omslutter jorden på alle sider unntatt polare regioner. Den er betinget delt inn i to - intern og ekstern. Den nedre grensen til det indre beltet ligger i en høyde på omtrent 500 km, tykkelsen er flere tusen kilometer. Det ytre beltet ligger i en høyde på 10-15 tusen km. Partikler av strålingsbeltet under påvirkning av Lorentz-kraften utfører komplekse periodiske bevegelser fra den nordlige halvkule til den sørlige og tilbake, mens den sakte beveger seg rundt jorden i asimut. Avhengig av energien de lager full sving rundt jorden i løpet av flere minutter til et døgn.

Magnetosfæren tillater ikke strømmer til jorden kosmiske partikler. Men i halen, i store avstander fra jorden, svekkes styrken til det geomagnetiske feltet, og dermed dets beskyttende egenskaper, og noen partikler av solplasmaet får muligheten til å komme inn i magnetosfæren og magnetiske feller av strålingen. belter. Halen fungerer dermed som et sted for dannelse av strømmer av utfellende partikler som forårsaker nordlys og nordlys. I de polare områdene invaderer en del av solplasmastrømmen de øvre lagene av atmosfæren fra jordens strålingsbelte og kolliderer med oksygen- og nitrogenmolekyler, eksiterer eller ioniserer dem, og under den omvendte overgangen til den ueksiterte tilstanden avgir oksygenatomer. fotoner med λ = 0,56 μm og λ \u003d 0,63 μm, mens ioniserte nitrogenmolekyler under rekombinasjon fremhever de blå og fiolette båndene i spekteret. Samtidig observeres nordlys, spesielt dynamiske og lyse under magnetiske stormer. De oppstår under forstyrrelser i magnetosfæren forårsaket av en økning i tettheten og hastigheten til solvinden med økt solaktivitet.

Feltalternativer

En visuell representasjon av posisjonen til linjene for magnetisk induksjon av jordens felt er gitt av en magnetisk nål, festet på en slik måte at den fritt kan rotere både rundt den vertikale og rundt den horisontale aksen (for eksempel i en gimbals) - på hvert punkt nær jordoverflaten er den installert på en bestemt måte langs disse linjene.

Fordi de magnetiske og geografiske polene ikke stemmer overens, indikerer magnetnålen nord-sør-retningen bare omtrentlig. Det vertikale planet som den magnetiske nålen er installert i kalles planet til den magnetiske meridianen til det gitte stedet, og linjen langs hvilken dette planet skjærer jordens overflate kalles magnetisk meridian. Således er magnetiske meridianer projeksjoner av jordens magnetiske feltlinjer på overflaten, som konvergerer ved nord- og sørmagnetpolene. Vinkelen mellom retningene til de magnetiske og geografiske meridianene kalles magnetisk deklinasjon. Det kan være vestlig (ofte indikert med "-"-tegnet) eller østlig (angitt med "+"-tegnet), avhengig av om nordpolen til magnetnålen avviker mot vest eller øst fra vertikalplanet til den geografiske meridianen .

Videre er linjene i jordens magnetiske felt generelt sett ikke parallelle med overflaten. Dette betyr at den magnetiske induksjonen av jordas felt ikke ligger i horisontplanet til et gitt sted, men danner en viss vinkel med dette planet – det kalles magnetisk helning. Den er nær null bare på punkter magnetisk ekvator- omkretsen til en storsirkel i et plan som er vinkelrett på den magnetiske aksen.

Magnetisk deklinasjon og magnetisk helning bestemmer retningen til den magnetiske induksjonen av jordas felt på hvert bestemt sted. Og den numeriske verdien av denne mengden kan bli funnet ved å kjenne til hellingen og en av projeksjonene til den magnetiske induksjonsvektoren B (\displaystyle \mathbf (B) )- på en vertikal eller horisontal akse (sistnevnte er mer praktisk i praksis). Dermed er disse tre parameterne den magnetiske deklinasjonen, inklinasjonen og modulen til den magnetiske induksjonsvektoren B (eller magnetfeltstyrkevektoren H (\displaystyle \mathbf (H) )) - fullt ut karakterisere det geomagnetiske feltet på et gitt sted. Deres presise kunnskap for maksimalt et stort antall punkter på jorden er ekstremt viktig. Spesielle magnetiske kort tegnes opp, hvorpå isogoner(linjer med lik deklinasjon) og isokliner(linjer med lik helning) kreves for orientering med et kompass.

I gjennomsnitt varierer intensiteten til jordens magnetfelt fra 25 000 til 65 000 nT (0,25 - 0,65 gauss) og er svært avhengig av geografisk plassering. Dette tilsvarer en gjennomsnittlig feltstyrke på ca. 0,5 (40 /) . Ved den magnetiske ekvator er verdien omtrent 0,34, ved de magnetiske polene er den omtrent 0,66 Oe. I noen områder ( magnetiske anomalier) intensiteten øker kraftig: i området av Kursk magnetiske anomali når den 2 Oe.

Naturen til jordens magnetfelt

For første gang forsøkte J. Larmor å forklare eksistensen av jordas og solens magnetiske felt i 1919 ved å foreslå konseptet om en dynamo, ifølge hvilken magnetfeltet til et himmellegeme opprettholdes under påvirkning av hydrodynamisk bevegelse av et elektrisk ledende medium. Imidlertid i 1934 T. Cowling beviste et teorem om umuligheten av å opprettholde et aksesymmetrisk magnetfelt ved hjelp av en hydrodynamisk dynamomekanisme. Og siden de fleste av elevene himmellegemer(og enda mer Jorden) ble ansett for å være aksialt symmetrisk, på grunnlag av dette kunne det antas at deres felt også ville være aksialt symmetrisk, og da ville dets generering i henhold til dette prinsippet være umulig i henhold til denne teoremet. Senere ble det vist at ikke alle ligninger med aksial symmetri som beskriver prosessen med å generere et magnetfelt har en aksialsymmetrisk løsning, og på 1950-tallet. asymmetriske løsninger er funnet.

Siden den gang har dynamoteorien blitt utviklet med suksess, og i dag er den mest sannsynlige forklaringen på opprinnelsen til magnetfeltet til jorden og andre planeter en selveksitert dynamomekanisme basert på generasjonen elektrisk strøm i en leder når den beveger seg i et magnetfelt som genereres og forsterkes av disse strømmene selv. De nødvendige forholdene skapes i jordens kjerne: i den flytende ytre kjernen, som hovedsakelig består av jern ved en temperatur på ca. 4-6 tusen kelvin, som leder strømmen perfekt, skapes konveksjonsstrømmer som fjerner varme fra den faste indre kjernen (generert pga. til forfall av radioaktive elementer eller frigjøring av latent varme under størkning av materie ved grensen mellom den indre og ytre kjernen når planeten gradvis avkjøles). Coriolis-kreftene vri disse strømmene til karakteristiske spiraler, og danner de såkalte taylor søyler. På grunn av friksjonen til lagene får de en elektrisk ladning, og danner sløyfestrømmer. Dermed skapes et strømsystem som sirkulerer langs en ledende krets i ledere som beveger seg i et (til å begynne med, om enn svært svakt) magnetfelt, som i en Faraday-disk. Det skaper et magnetfelt, som, med gunstig geometri av strømmene, forsterker startfeltet, og dette forsterker igjen strømmen, og forsterkningsprosessen fortsetter til tapene på grunn av Joule-varme, som øker med økende strøm, balanserer energitilførselen på grunn av hydrodynamiske bevegelser.

Matematisk beskrives denne prosessen differensial ligning

∂ 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))),

hvor u- væskestrømningshastighet, B- magnetisk induksjon , η = 1/μσ - magnetisk viskositet, σ er den elektriske ledningsevnen til væsken, og μ er den magnetiske permeabiliteten, som praktisk talt ikke er forskjellig for slike høy temperatur kjerner fra μ 0 - vakuumpermeabilitet.

Imidlertid for fullstendig beskrivelse det er nødvendig å skrive ned systemet med magnetohydrodynamiske ligninger. I Boussinesq-tilnærmingen (innenfor hvilke alle fysiske egenskaper væsker antas å være konstant, bortsett fra Arkimedes-kraften, i beregningen av hvilken endringer i tetthet på grunn av temperaturforskjeller tas i betraktning) er:

Navier - Stokes-ligningen som inneholder termer som uttrykker den kombinerte virkningen av rotasjon og magnetfelt:

ρ 0 (∂ u ∂ t + u ⋅ ∇ u) = − ∇ P + ρ 0 ν ∇ 2 u + ρ g ¯ − 2 ρ 0 Ω × u + J × B (\displaystyle \rho _(0)\venstre ((\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) ).

Ligning termisk ledningsevne, som uttrykker loven bevaringsenergien:

∂ 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 ),

Et gjennombrudd i denne forbindelse ble oppnådd i 1995 av grupper fra Japan og USA. Fra dette øyeblikket gjengir resultatene av en rekke numeriske simuleringer tilfredsstillende de kvalitative egenskapene til det geomagnetiske feltet i dynamikk, inkludert reverseringer.

Endringer i jordens magnetfelt

Dette bekreftes også av den nåværende økningen i åpningsvinkelen til cuspene (polare spor i magnetosfæren i nord og sør), som nådde 45° på midten av 1990-tallet. Strålingsmaterialet til solvinden, det interplanetære rommet og kosmiske stråler, som et resultat av dette stor kvantitet materie og energi, noe som kan føre til ekstra oppvarming polare capser [ ] .

Geomagnetiske koordinater (koordinater McIlvine)

I fysikken til kosmiske stråler er spesifikke koordinater i det geomagnetiske feltet mye brukt, oppkalt etter vitenskapsmannen Carl McIlwain ( Carl McIlwain), som var den første som foreslo bruken, siden de er basert på invariantene av partikkelbevegelse i et magnetfelt. Et punkt i et dipolfelt er karakterisert ved to koordinater (L, B), der L er det såkalte magnetiske skallet, eller McIlwain-parameteren (eng. L-skall, L-verdi, McIlwain L-parameter), B er magnetfeltinduksjonen (vanligvis i G). Verdien L tas vanligvis som parameteren til det magnetiske skallet, lik forholdet mellom den gjennomsnittlige avstanden til det virkelige magnetiske skallet fra jordens sentrum i planet til den geomagnetiske ekvator til jordens radius. .

Forskningshistorie

For noen tusen år siden i Det gamle Kina det var kjent at magnetiserte objekter er plassert i en bestemt retning, spesielt kompassnålen inntar alltid en viss posisjon i rommet. Takket være dette har menneskeheten lenge vært i stand til å bruke en slik pil (kompass) for å navigere det åpne havet langt fra kysten. Men før reisen til Columbus fra Europa til Amerika (1492) spesiell oppmerksomhet ingen viste et slikt fenomen til studien, siden forskere på den tiden trodde at det oppstår som et resultat av tiltrekningen av pilen av Polar Star. I Europa og havene rundt det ble kompasset på den tiden installert nesten langs den geografiske meridianen. Ved kryssing Atlanterhavet Columbus la merke til at omtrent halvveis mellom Europa og Amerika avvek kompassnålen nesten 12° mot vest. Dette faktum ga umiddelbart opphav til tvil om riktigheten av den forrige hypotesen om tiltrekningen av pilen av Polar Star, ga impulsen til en seriøs studie av den nye åpent fenomen: Navigatører trengte informasjon om jordas magnetfelt. Fra det øyeblikket startet vitenskapen om jordmagnetisme, utbredte målinger av magnetisk deklinasjon, det vil si vinkelen mellom den geografiske meridianen og aksen til den magnetiske nålen, det vil si den magnetiske meridianen, begynte. I 1544 en tysk vitenskapsmann Georg Hartman oppdaget et nytt fenomen: den magnetiske nålen avviker ikke bare fra den geografiske meridianen, men har en tendens til å stå i en viss vinkel i forhold til horisontalplanet, kalt magnetisk helning, suspendert av tyngdepunktet.

Fra det øyeblikket, sammen med studiet av fenomenet avbøyning, begynte forskere også å studere tilbøyeligheten til den magnetiske nålen. José de Acosta (en av grunnleggerne av geofysikk, ifølge Humboldt) i sin Historier(1590) dukket først opp teorien om fire linjer uten magnetisk deklinasjon. Han beskrev bruken av kompasset, avviksvinkelen, forskjellene mellom den magnetiske og nordpolen, og fluktuasjonen av avvik fra ett punkt til et annet, identifiserte steder med null avvik, for eksempel på Azorene.

Som følge av observasjoner ble det funnet at både deklinasjon og inklinasjon har ulike betydninger i forskjellige punkter jordens overflate. Samtidig følger deres endringer fra punkt til punkt et komplekst mønster. Forskningen hennes tillot hofflegen til den engelske dronning Elizabeth og naturfilosofen William Gilbert å fremsette i 1600 i sin bok "On the Magnet" ("De Magnete") hypotesen om at jorden er en magnet, hvis poler faller sammen. med geografiske poler. Med andre ord, W. Gilbert mente at feltet til jorden ligner feltet til en magnetisert kule. W. Hilbert baserte sin uttalelse på et eksperiment med en modell av planeten vår, som er en magnetisert jernkule, og en liten jernpil. Hovedargumentet til fordel for hypotesen hans, Gilbert mente at den magnetiske helningen målt på en slik modell viste seg å være nesten den samme som helningen observert på jordoverflaten. Hilbert forklarte avviket mellom jordens deklinasjon og deklinasjonen til modellen ved kontinentenes avbøyningsvirkning på den magnetiske nålen. Selv om mange fakta etablert senere ikke falt sammen med Hilberts hypotese, har den ikke mistet sin betydning til i dag. Hilberts grunnleggende idé om at årsaken til jordisk magnetisme skulle søkes inne i jorden viste seg å være riktig, så vel som det faktum at jorden i den første tilnærmingen faktisk er en stor magnet, som er en jevnt magnetisert ball.

I 1634 en engelsk astronom Henry Gellibrand?! fant at den magnetiske deklinasjonen i London endres med tiden. Dette var det første registrerte beviset på sekulære variasjoner - regelmessige (fra år til år) endringer i gjennomsnittlige årlige verdier av komponentene i det geomagnetiske feltet.

Deklinasjons- og helningsvinklene bestemmer retningen i rommet av intensiteten til jordens magnetfelt, men kan ikke gi dens numeriske verdi. Fram til slutten av XVIII århundre. målinger av størrelsen på intensiteten ble ikke gjort av den grunn at lovene for vekselvirkning mellom magnetfeltet og magnetiserte legemer ikke var kjent. Først etter i 1785-1789. Den franske fysikeren Charles Coulomb etablerte en lov oppkalt etter ham, og muligheten for slike målinger dukket opp. Siden slutten av 1700-tallet, sammen med observasjonen av deklinasjon og inklinasjon, begynte utbredte observasjoner av den horisontale komponenten, som er projeksjonen av magnetfeltstyrkevektoren på horisontalplanet (ved å vite deklinasjonen og helningen, kan man også beregne størrelsen på den totale magnetiske feltstyrkevektoren).

Det første teoretiske arbeidet om hva som utgjør jordens magnetfelt, det vil si hva som er størrelsen og retningen på dets intensitet ved hvert punkt på jordoverflaten, tilhører den tyske matematikeren Karl Gauss. I 1834 ga han et matematisk uttrykk for spenningskomponentene som funksjon av koordinater - bredde- og lengdegraden til observasjonsstedet. Ved å bruke dette uttrykket er det mulig å finne verdiene for hvert punkt på jordoverflaten til noen av komponentene som kalles elementene i jordens magnetisme. Dette og andre verk av Gauss ble grunnlaget som bygningen til den moderne vitenskapen om jordmagnetisme er bygget på. Spesielt i 1839 beviste han at hoveddelen av magnetfeltet kommer ut av jorden, og årsaken til små, korte avvik i verdiene må søkes i eksternt miljø.

I 1831 oppdaget den engelske polfareren John Ross den nordmagnetiske polen i den kanadiske skjærgården - området der den magnetiske nålen inntar en vertikal posisjon, det vil si helningen er 90 °. Og i 1841 nådde James Ross (nevø av John Ross) den andre magnetiske polen på jorden, som ligger i Antarktis.

se også

Intermagnet (Engelsk)

Notater

Forskere i USA har funnet ut at jordens magnetfelt er 700 millioner år eldre enn man trodde
Edward Kononovich. Jordens magnetfelt (ubestemt) . http://www.krugosvet.ru/. Encyclopedia Around the World: Universal populærvitenskapelig nettleksikon. Hentet 2017-04-26.
Geomagnetisme Ofte Spørsmål(Engelsk) . https://www.ngdc.noaa.gov/ngdc.html. Nasjonale sentre for miljøinformasjon (NCEI). Hentet 23. april 2017.
A. I. Dyachenko. Jordens magnetiske poler. - Moscow: Publishing House of the Moscow Center for Continuous Mathematical Education, 2003. - 48 s. - ISBN 5-94057-080-1.
A. V. Vikulin. VII. Jordens geomagnetiske felt og elektromagnetisme// Introduksjon til jordens fysikk. Opplæringen for geofysiske spesialiteter ved universiteter.. - Forlag i Kamchatka-staten Pedagogisk universitet, 2004. - 240 s. - ISBN 5-7968-0166-X.

Strukturen og egenskapene til jordens magnetfelt

I en liten avstand fra jordens overflate, omtrent tre av dens radier, har magnetfeltlinjer et dipollignende arrangement. Dette området kalles plasmasfære Jord.

Når du beveger deg bort fra jordoverflaten, øker effekten av solvinden: fra siden av solen komprimeres det geomagnetiske feltet, og fra motsatt nattside trekkes det inn i en lang "hale".

plasmasfære

En merkbar effekt på magnetfeltet på jordoverflaten utøves av strømmer i ionosfæren. Dette er en region i den øvre atmosfæren som strekker seg fra høyder på omtrent 100 km og oppover. Inneholder et stort antall ioner. Plasmaet holdes av jordens magnetfelt, men tilstanden bestemmes av samspillet mellom jordens magnetfelt og solvinden, noe som forklarer sammenhengen mellom magnetiske stormer på jorden og solutbrudd.

Feltalternativer

Punktene på jorden der magnetfeltstyrken har en vertikal retning kalles magnetiske poler. Det er to slike punkter på jorden: den magnetiske nordpolen og den magnetiske sørpolen.

Den rette linjen som går gjennom de magnetiske polene kalles jordens magnetiske akse. Omkretsen til en storsirkel i et plan som er vinkelrett på den magnetiske aksen kalles den magnetiske ekvator. Magnetfeltvektoren ved punktene til den magnetiske ekvator har en tilnærmet horisontal retning.

Jordens magnetfelt er preget av forstyrrelser som kalles geomagnetiske pulsasjoner på grunn av eksitasjon av hydromagnetiske bølger i jordens magnetosfære; frekvensområdet til krusningene strekker seg fra millihertz til én kilohertz.

magnetisk meridian

Magnetiske meridianer er projeksjonene av kraftlinjene til jordens magnetfelt på overflaten; komplekse kurver som konvergerer ved jordens nord- og sørmagnetiske poler.

Hypoteser om naturen til jordens magnetfelt

PÅ i det siste Det ble utviklet en hypotese som forbinder fremveksten av jordens magnetfelt med strømmen av strømmer i en flytende metallkjerne. Det anslås at sonen der den "magnetiske dynamo"-mekanismen opererer ligger i en avstand på 0,25-0,3 av jordens radius. En lignende mekanisme for feltgenerering kan også finne sted på andre planeter, spesielt i kjernene til Jupiter og Saturn (ifølge noen antakelser består de av flytende metallisk hydrogen).

Endringer i jordens magnetfelt

Dette bekreftes også av den nåværende økningen i åpningsvinkelen til cuspene (polare spor i magnetosfæren i nord og sør), som nådde 45° på midten av 1990-tallet. Strålingsmaterialet fra solvinden, det interplanetære rommet og de kosmiske strålene stormet inn i de utvidede hullene, som et resultat av at en større mengde materie og energi kommer inn i polområdene, noe som kan føre til ytterligere oppvarming av polarhettene.

Geomagnetiske koordinater (McIlwain-koordinater)

I fysikken til kosmiske stråler er spesifikke koordinater i det geomagnetiske feltet mye brukt, oppkalt etter vitenskapsmannen Carl McIlwain ( Carl McIlwain), som var den første som foreslo bruken, siden de er basert på invariantene av partikkelbevegelse i et magnetfelt. Et punkt i et dipolfelt er karakterisert ved to koordinater (L, B), der L er det såkalte magnetiske skallet, eller McIlwain-parameteren (eng. L-skall, L-verdi, McIlwain L-parameter ), B er magnetfeltinduksjonen (vanligvis i G). Verdien L tas vanligvis som parameteren til det magnetiske skallet, lik forholdet mellom den gjennomsnittlige avstanden til det virkelige magnetiske skallet fra jordens sentrum i planet til den geomagnetiske ekvator til jordens radius. .

Forskningshistorie

Evnen til magnetiserte objekter til å lokaliseres i en bestemt retning var kjent for kineserne for flere årtusener siden.

I 1544 oppdaget den tyske forskeren Georg Hartmann magnetisk tilbøyelighet. Magnetisk helning er vinkelen der pilen under påvirkning av jordens magnetfelt avviker fra horisontalplanet opp eller ned. På halvkulen nord for den magnetiske ekvator (som ikke sammenfaller med den geografiske ekvator), avviker den nordlige enden av pilen nedover, i den sørlige - omvendt. Ved selve den magnetiske ekvator er magnetfeltlinjene parallelle med jordoverflaten.

For første gang ble antagelsen om tilstedeværelsen av jordens magnetfelt, som forårsaker en slik oppførsel av magnetiserte objekter, uttrykt av Engelsk lege og naturfilosof William Gilbert. William Gilbert) i 1600 i sin bok "On the Magnet" ("De Magnete"), der han beskrev et eksperiment med en ball av magnetisk malm og en liten jernpil. Gilbert kom til den konklusjonen at Jorden er en stor magnet. Observasjonene til den engelske astronomen Henry Gellibrand Henry Gellibrand) viste at det geomagnetiske feltet ikke er konstant, men endres sakte.

Vinkelen som magnetnålen avviker fra nord-sør-retningen kalles magnetisk deklinasjon. Christopher Columbus oppdaget at magnetisk deklinasjon ikke forblir konstant, men endres med endring. geografiske koordinater. Oppdagelsen av Columbus fungerte som en drivkraft for en ny studie av jordens magnetfelt: sjømenn trengte informasjon om det. Russisk vitenskapsmann M. V. Lomonosov i 1759 i rapporten "Diskurs om høy nøyaktighet sjøveien” ga verdifulle råd om hvordan man kan øke nøyaktigheten til kompassavlesningene. For å studere jordmagnetisme anbefalte M. V. Lomonosov å organisere et nettverk av permanente punkter (observatorier) der man kan gjøre systematiske magnetiske observasjoner; slike observasjoner bør også utføres i stor utstrekning til sjøs. Lomonosovs idé om å organisere magnetiske observatorier ble realisert bare 60 år senere i Russland.

I 1831 oppdaget den engelske polfareren John Ross den magnetiske polen i den kanadiske skjærgården - området der den magnetiske nålen inntar en vertikal posisjon, det vil si at helningen er 90 °. I 1841 nådde James Ross (nevø av John Ross) den andre magnetiske polen på jorden, som ligger i Antarktis.

Carl Gauss (tysk) Carl Friedrich Gauss) la frem en teori om opprinnelsen til jordens magnetfelt og beviste i 1839 at hoveddelen kommer ut av jorden, og årsaken til små, korte avvik i verdiene må søkes i det ytre miljøet.

se også

Intermagnet ( Engelsk)

Notater

Litteratur

Sivukhin D.V. Generelt kurs i fysikk. - Ed. 4., stereotypisk. - M .: Fizmatlit; MIPT Publishing House, 2004. - Vol. III. Elektrisitet. - 656 s. - ISBN 5-9221-0227-3; ISBN 5-89155-086-5.
Koshkin N.I., Shirkevitsj M.G. Oppslagsverk elementær fysikk. - M .: Nauka, 1976.
N.V. Koronovsky Magnetfeltet til jordens geologiske fortid. Soros Educational Journal, N5, 1996, s. 56-63

Linker

Kart over forskyvningen av jordens magnetiske poler for perioden fra 1600 til 1995

Annen relatert informasjon

Magnetiske feltreverseringer i jordens geologiske historie
Påvirkning av magnetfeltreversering på klima og utvikling av livet på jorden

Wikimedia Foundation. 2010 .

Se hva "Jordens magnetfelt" er i andre ordbøker:

Til avstand? 3R= (R= jordens radius) tilsvarer omtrent feltet til en jevnt magnetisert ball med feltstyrke? 55 7 A/m (0,70 Oe) ved jordens magnetiske poler og 33,4 A/m (0,42 Oe) ved den magnetiske ekvator. Ved avstander på 3R, magnetfeltet ... ... Stor encyklopedisk ordbok

plass rundt Kloden, der kraften til jordisk magnetisme avsløres. Jordens magnetfelt er preget av en styrkevektor, magnetisk inklinasjon og magnetisk deklinasjon. Edwart. Explanatory Naval Dictionary, 2010 ... Marine Dictionary

I følge moderne konsepter ble den dannet for rundt 4,5 milliarder år siden, og fra det øyeblikket er planeten vår omgitt av et magnetfelt. Alt på jorden, inkludert mennesker, dyr og planter, påvirkes av det.

Magnetfeltet strekker seg opp til en høyde på ca. 100 000 km (fig. 1). Den avleder eller fanger opp solvindpartikler som er skadelige for alle levende organismer. Disse ladede partiklene dannes strålingsbelte Jorden, og hele området av det nær-jordiske rommet der de befinner seg kalles magnetosfære(Fig. 2). På den siden av jorden som er opplyst av solen, er magnetosfæren avgrenset av en sfærisk overflate med en radius på omtrent 10-15 jordradier, og på motsatt side er den forlenget som en komethale til en avstand på opptil flere tusen. Jordradier, som danner en geomagnetisk hale. Magnetosfæren er atskilt fra det interplanetære feltet med et overgangsområde.

Jordens magnetiske poler

Aksen til jordmagneten er skråstilt i forhold til jordens rotasjonsakse med 12°. Den ligger omtrent 400 km unna jordens sentrum. Punktene der denne aksen skjærer overflaten av planeten er magnetiske poler. Jordens magnetiske poler faller ikke sammen med de sanne geografiske polene. For tiden er koordinatene til de magnetiske polene som følger: nord - 77 ° N.L. og 102°V; sørlige - (65 ° S og 139 ° E).

Ris. 1. Strukturen til jordens magnetfelt

Ris. 2. Struktur av magnetosfæren

Kraftlinjene som går fra den ene magnetiske polen til den andre kalles magnetiske meridianer. Det dannes en vinkel mellom magnetiske og geografiske meridianer, kalt magnetisk deklinasjon. Hvert sted på jorden har sin egen deklinasjonsvinkel. I Moskva-regionen er deklinasjonsvinkelen 7° mot øst, og i Yakutsk, omtrent 17° mot vest. Dette betyr at den nordlige enden av kompasset i Moskva avviker med T til høyre for den geografiske meridianen som går gjennom Moskva, og i Yakutsk - med 17 ° til venstre for den tilsvarende meridianen.

En fritt hengende magnetisk nål er plassert horisontalt bare på linjen til den magnetiske ekvator, som ikke sammenfaller med den geografiske. Hvis du beveger deg nord for den magnetiske ekvator, vil den nordlige enden av pilen gradvis falle. Vinkelen dannet av magnetnålen og horisontalt plan, kalt magnetisk helning. Ved de magnetiske nord- og sørpolene er den magnetiske helningen størst. Det er lik 90°. Ved den magnetiske nordpolen vil en fritt hengende magnetisk nål installeres vertikalt med nordenden ned, og ved den magnetiske sørpolen vil dens sørlige ende gå ned. Dermed viser magnetnålen retningen til magnetfeltlinjene over jordoverflaten.

Over tid endres posisjonen til de magnetiske polene i forhold til jordoverflaten.

Den magnetiske polen ble oppdaget av oppdagelsesreisende James C. Ross i 1831, hundrevis av kilometer fra den nåværende plasseringen. I snitt beveger han seg 15 km i året. PÅ i fjor bevegelseshastigheten til de magnetiske polene har økt dramatisk. For eksempel beveger den magnetiske nordpolen seg for tiden med en hastighet på rundt 40 km per år.

Reversering av jordens magnetiske poler kalles magnetisk feltinversjon.

Gjennom den geologiske historien til planeten vår har jordens magnetfelt endret polaritet mer enn 100 ganger.

Magnetfeltet er preget av intensitet. Noen steder på jorden avviker magnetfeltlinjer fra det normale feltet og danner anomalier. For eksempel, i regionen Kursk Magnetic Anomaly (KMA), er feltstyrken fire ganger høyere enn normalt.

Det er daglige endringer i jordens magnetfelt. Årsaken til disse endringene i jordas magnetfelt er de elektriske strømmene som flyter i atmosfæren for Stor høyde. De kalles solstråling. Under påvirkning av solvinden blir jordens magnetfelt forvrengt og får en "hale" i retning fra solen, som strekker seg over hundretusenvis av kilometer. Hovedårsaken til fremveksten av solvinden, som vi allerede vet, er de grandiose utstøtingene av materie fra Solens korona. Når de beveger seg mot jorden, blir de til magnetiske skyer og fører til sterke, noen ganger ekstreme forstyrrelser på jorden. Spesielt sterke forstyrrelser av jordens magnetfelt - magnetiske stormer. Noen magnetiske stormer begynner uventet og nesten samtidig over hele jorden, mens andre utvikler seg gradvis. De kan vare i timer eller til og med dager. Ofte oppstår magnetiske stormer 1-2 dager etter et solutbrudd på grunn av jordens passasje gjennom en strøm av partikler som skytes ut av solen. Basert på forsinkelsestiden er hastigheten til en slik korpuskulær strømning anslått til flere millioner km/t.

Under sterke magnetiske stormer forstyrres normal drift av telegraf, telefon og radio.

Magnetiske stormer observeres ofte på en breddegrad på 66-67° (i nordlyssonen) og forekommer samtidig med nordlyset.

Strukturen til jordens magnetfelt varierer avhengig av breddegraden til området. Permeabiliteten til magnetfeltet øker mot polene. Over de polare områdene er magnetfeltlinjene mer eller mindre vinkelrett på jordoverflaten og har en traktformet konfigurasjon. Gjennom dem trenger en del av solvinden fra dagsiden inn i magnetosfæren, og deretter inn i den øvre atmosfæren. Partikler fra halen av magnetosfæren skynder seg hit under magnetiske stormer, og når grensene til den øvre atmosfæren på høye breddegrader i den nordlige og Sørlige halvkuler. Det er disse ladede partiklene som forårsaker nordlyset her.

Så magnetiske stormer og daglige endringer i magnetfeltet er forklart, som vi allerede har funnet ut, av solstråling. Men hva er hovedårsaken til at jordens permanente magnetisme skapes? Teoretisk sett var det mulig å bevise at 99 % av jordas magnetfelt er forårsaket av kilder skjult inne i planeten. Det viktigste magnetfeltet skyldes kilder som ligger i jordens dyp. De kan grovt deles inn i to grupper. De fleste av dem er assosiert med prosesser i jordens kjerne, hvor det på grunn av de kontinuerlige og regelmessige bevegelsene til det elektrisk ledende stoffet skapes et system elektriske strømmer. Den andre er knyttet til det faktum at steiner jordskorpen, blir magnetisert av hovednettet elektrisk felt(kjernens felt), lage sitt eget magnetfelt, som legges til magnetfeltet til kjernen.

I tillegg til magnetfeltet rundt jorden, er det andre felt: a) gravitasjons; b) elektrisk; c) termisk.

Tyngdekraftsfelt Jorden kalles gravitasjonsfeltet. Den er rettet langs en loddlinje vinkelrett på overflaten av geoiden. Hvis jorden hadde en revolusjonellipsoide og massene var jevnt fordelt i den, ville den ha et normalt gravitasjonsfelt. Forskjellen mellom intensiteten til det virkelige gravitasjonsfeltet og det teoretiske er tyngdekraftens anomali. Forskjellig materialsammensetning, tetthet av bergarter forårsaker disse anomaliene. Men andre årsaker er også mulige. De kan forklares med følgende prosess - balansen mellom den faste og relativt lette jordskorpen på den tyngre øvre mantelen, hvor trykket i de overliggende lagene utjevnes. Disse strømmene forårsaker tektoniske deformasjoner, bevegelse av litosfæriske plater og skaper dermed jordens makrorelieff. Tyngdekraften holder atmosfæren, hydrosfæren, mennesker, dyr på jorden. Tyngdekraften må tas i betraktning når man studerer prosesser i geografisk konvolutt. Begrepet " geotropisme”kall vekstbevegelsene til planteorganer, som under påvirkning av tyngdekraften alltid gir en vertikal vekstretning av primærroten vinkelrett på jordoverflaten. Gravitasjonsbiologi bruker planter som eksperimentelle objekter.

Hvis tyngdekraften ikke tas i betraktning, er det umulig å beregne de første dataene for utskyting av raketter og romskip, foreta gravimetrisk utforskning av malmmineraler, og til slutt er det umulig videre utvikling astronomi, fysikk og andre vitenskaper.