У чомусь проявляється магнітне поле землі. Магнітне поле землі. Радіаційні пояси та космічні промені

Зміст статті

МАГНІТНЕ ПОЛЕ ЗЕМЛІ.Більшість планет Сонячна систематією чи іншою мірою мають магнітні поля. За спаданням дипольного магнітного моменту першому місці Юпітер і Сатурн, а й йдуть Земля, Меркурій і Марс, причому стосовно магнітному моменту Землі значення їх моментів становить 20 000, 500, 1, 3/5000 3/10000. Дипольний магнітний момент Землі на 1970 становив 7,98 10 25 Гс/см 3 (або 8,3 10 22 А.м 2), зменшуючись за десятиліття на 0,04 10 25 Гс/см 3 . Середня напруженість поля лежить на поверхні становить близько 0,5 Е (5·10 –5 Тл). Формою основне магнітне поле Землі до відстаней менше трьох радіусів близько до поля еквівалентного магнітного диполя. Його центр зміщений щодо центру Землі у напрямі на 18° пн.ш. та 147,8° ст. д. Ось цього диполя нахилена до осі обертання Землі на 11,5 °. На такий самий кут геомагнітні полюси відстоять від відповідних географічних полюсів. При цьому південний геомагнітний полюс знаходиться у північній півкулі. В даний час він розташований неподалік північного географічного полюса Землі в Північній Гренландії. Його координати j = 78,6 + 0,04 ° Т пн.ш., l = 70,1 + 0,07 ° T з.д., де Т - число десятиліть від 1970. У північного магнітного полюса j = 75 ° пд.ш., l = 120,4 ° с.д. (В Антарктиді). Реальні магнітні силові лінії магнітного поляЗемлі в середньому близькі до силових ліній цього диполя, відрізняючись від них місцевими нерегулярностями, пов'язаними з наявністю порід намагнічених в корі. Внаслідок вікових варіацій геомагнітний полюс прецесує щодо географічного полюса з періодом близько 1200 років. На великих відстанях магнітне поле Землі несиметричне. Під дією потоку плазми (сонячного вітру), що виходить від Сонця, магнітне поле Землі спотворюється і набуває «шлейф» у напрямку від Сонця, який простягається на сотні тисяч кілометрів, виходячи за орбіту Місяця.

Спеціальний розділ геофізики, що вивчає походження та природу магнітного поля Землі називається геомагнетизмом. Геомагнетизм розглядає проблеми виникнення та еволюції основної, постійної складової геомагнітного поля, природа змінної складової (приблизно 1% від основного поля), а також структура магнітосфери – найвищих намагнічених плазмових шарів земної атмосфери, що взаємодіють із сонячним вітром та захищають Землю від космічного проникаючого випромінювання. Важливим завданням є вивчення закономірностей варіацій геомагнітного поля, оскільки вони зумовлені зовнішніми впливами, пов'язаними насамперед із сонячною активністю .

Походження магнітного поля.

Спостерігаються властивості магнітного поля Землі узгоджуються з уявленням про його виникнення завдяки механізму гідромагнітного динамо. У цьому процесі початкове магнітне поле посилюється в результаті рухів (зазвичай конвективних або турбулентних) електропровідної речовини рідкому ядрі планети або в плазмі зірки. При температурі речовини в кілька тисяч До його провідність досить висока, щоб конвективні рухи, що відбуваються навіть у слабко намагніченому середовищі, могли збуджувати мінливі електричні струмиздатні, відповідно до законів електромагнітної індукції, створювати нові магнітні поля. Згасання цих полів або створює теплову енергію(за законом Джоуля) або призводить до виникнення нових магнітних полів. Залежно від характеру рухів ці поля можуть послаблювати, або посилювати вихідні поля. Для посилення поля досить певної асиметрії рухів. Таким чином, необхідною умовою гідромагнітного динамо є сама наявність рухів у провідному середовищі, а достатньою – наявність певної асиметрії (спіральності) внутрішніх потоків середовища. При виконанні цих умов процес посилення триває доти, доки зростання зі збільшенням сили струмів втрати на джоулеве тепло не врівноважать приплив енергії, що надходить за рахунок гідродинамічних рухів.

Динамо-ефект - самозбудження та підтримання в стаціонарному стані магнітних полів внаслідок руху провідної рідини або газової плазми. Його механізм подібний до генерації електричного струму і магнітного поля в динамо-машині з самозбудженням. З динамо-ефектом пов'язують походження власних магнітних полів Сонця Землі та планет, а також їх локальні поля, наприклад поля плям і активних областей.

Складові геомагнітного поля.

Власне магнітне поле Землі (геомагнітне поле) можна розділити на наступні три основні частини.

1. Основне магнітне поле Землі, що зазнає повільних змін у часі (вікові варіації) з періодами від 10 до 10 000 років, зосередженими в інтервалах 10-20, 60-100, 600-1200 і 8000 років. Останній пов'язаний із зміною дипольного магнітного моменту у 1,5–2 рази.

2. Світові аномалії - відхилення від еквівалентного диполя до 20% напруженості окремих областей з характерними розмірами до 10 000 км. Ці аномальні поля зазнають вікових варіацій, що призводять до змін згодом протягом багатьох років і століть. Приклади аномалій: Бразильська, Канадська, Сибірська, Курська. У ході вікових варіацій світові аномалії зміщуються, розпадаються та виникають знову. На низьких широтах є західний дрейф довготи зі швидкістю 0,2° на рік.

3. Магнітні поля локальних областей зовнішніх оболонок з довжиною від кількох до сотень км. Вони обумовлені намагніченістю гірських поріду верхньому шарі Землі, що становлять земну кору і розташовані близько до поверхні. Одна з найпотужніших – Курська магнітна аномалія.

4. Змінне магнітне поле Землі (так само зване зовнішнім) визначається джерелами у вигляді струмових систем, що знаходяться за межами земної поверхні та в її атмосфері. Основними джерелами таких полів та їх змін є корпускулярні потоки замагніченої плазми, що надходять від Сонця разом із сонячним вітром, і формують структуру і форму земної магнітосфери.

Структура магнітного поля земної атмосфери.

Земне магнітне поле знаходиться під впливом потоку сонячної намагніченої плазми. Внаслідок взаємодії з полем Землі утворюється зовнішня межа навколоземного магнітного поля, яка називається магнітопаузою. Вона обмежує земну магнітосферу. Через вплив сонячних корпускулярних потоків розміри та форма магнітосфери постійно змінюються, і виникає змінне магнітне поле, що визначається зовнішніми джерелами. Його змінність зобов'язана своїм походженням струмовим системам, що розвиваються на різних висотах від нижніх шарів іоносфери до магнітопаузи. Зміни магнітного поля Землі у часі, спричинені різними причинами, називаються геомагнітними варіаціями, які різняться як за своєю тривалістю, і по локалізації Землі та її атмосфері.

Магнітосфера – область навколоземного космічного простору, контрольована магнітним полем Землі. Магнітосфера формується внаслідок взаємодії сонячного вітру з плазмою верхніх шарів атмосфери та магнітним полем Землі. За формою магнітосфера є каверною і довгим хвістом, які повторюють форму магнітних силових ліній. Соняшникова точка в середньому знаходиться на відстані 10 земних радіусів, а хвіст магнітосфери тягнеться за орбіту Місяця. Топологія магнітосфери визначається областями вторгнення сонячної плазми всередину магнітосфери та характером струмових систем.

Хвіст магнітосфери утворений силовими лініями магнітного поля Землі, що виходять із полярних областей і витягнутих під дією сонячного вітру на сотні земних радіусів від Сонця в нічний бік Землі. Через війну плазма сонячного вітру і сонячних корпускулярних потоків хіба що обтікають земну магнитосферу, надаючи їй своєрідну хвостату форму. У хвості магнітосфери, на великих відстанях від Землі, напруженість магнітного поля Землі, а отже і їх захисні властивості, послаблюються, і деякі частинки сонячної плазми отримують можливість проникнути і потрапити у земну магнітосферу і магнітних пасток радіаційних поясів. Проникаючи в головну частину магнітосфери в область овалів полярних сяйв під дією змінного тиску сонячного вітру і міжпланетного поля, хвіст служить місцем формування потоків частинок, що висипаються, викликають полярні сяйва і авроральні струми. Магнітосфера відокремлена від міжпланетного простору магнітопаузою. Уздовж магнітопаузи частки корпускулярних потоків обтікають магнітосферу. Вплив сонячного вітру на магнітне поле іноді буває дуже сильним. Магнітопауза – зовнішня межа магнітосфери Землі (чи планети), де динамічний тиск сонячного вітру врівноважується тиском власного магнітного поля. При типових параметрах сонячного вітру соняшникова точка віддалена від центру Землі на 9–11 земних радіусів. У період магнітних збурень Землі магнітопауза може заходити за геостаціонарну орбіту (6,6 радіусів Землі). За слабкого сонячного вітру соняшникова точка знаходиться на відстані 15–20 радіусів Землі.

Сонячний вітер -

закінчення плазми сонячної корони в міжпланетний простір. На рівні орбіти Землі середня швидкість частинок сонячного вітру (протонів та електронів) близько 400 км/с, число частинок – кілька десятків 1 см 3 .

Магнітна буря.

Локальні характеристики магнітного поля змінюються і коливаються іноді протягом багатьох годин, а потім відновлюються до попереднього рівня. Це явище називається магнітною бурею. Магнітні бурі часто починаються раптово і одночасно по всій земній кулі.

Геомагнітні варіації.

Зміна магнітного поля Землі у часі під дією різних факторівназиваються геомагнітними варіаціями. Різниця між спостерігається величиною напруженості магнітного поля і середнім її значенням за будь-який тривалий проміжок часу, наприклад, місяць або рік, називається геомагнітною варіацією. Згідно зі спостереженнями, геомагнітні варіації безперервно змінюються в часі, причому такі зміни часто мають періодичний характер.

Добові варіації. Добові варіації геомагнітного поля виникають регулярно переважно рахунок струмів в іоносфері Землі, викликаних змінами освітленості земної іоносфери Сонцем протягом доби.

Нерегулярні варіації. Нерегулярні варіації магнітного поля виникають унаслідок впливу потоку сонячної плазми (сонячного вітру) на магнітосферу Землі, а також змін усередині магнітосфери та взаємодії магнітосфери з іоносферою.

27-денні варіації. 27-денні варіації існують як тенденція до повторення збільшення геомагнітної активності через кожні 27 днів, що відповідають періоду обертання Сонця щодо земного спостерігача. Ця закономірність пов'язана з існуванням довгоживучих активних областей на Сонці, що спостерігаються протягом кількох обертів Сонця. Ця закономірність проявляється у вигляді 27-денної повторюваності магнітної активності та магнітних бур.

Сезонні варіації. Сезонні варіації магнітної активності впевнено виявляються виходячи з середньомісячних даних про магнітної активності, отриманих шляхом обробки спостережень кілька років. Їхня амплітуда збільшується зі зростанням загальної магнітної активності. Знайдено, що сезонні варіації магнітної активності мають два максимуми, що відповідають періодам рівнодення, та два мінімуми, що відповідають періодам сонцестоянь. Причиною цих варіацій є утворення активних областей на Сонці, які групуються в зонах від 10 до 30 ° північної та південної геліографічних широт. Тому в періоди рівнодення, коли площини земного та сонячного екваторів збігаються, Земля найбільш схильна до дії активних областей на Сонці.

11-річні варіації. Найбільш яскраво зв'язок між сонячною активністю та магнітною активністю проявляється при зіставленні довгих рядів спостережень, кратних 11-річним періодам сонячної активності. Найбільш відомою мірою сонячної активності є кількість сонячних плям. Знайдено, що в роки максимальної кількості сонячних плям магнітна активність також досягає найбільшої величини, проте зростання магнітної активності дещо запізнюється по відношенню до зростання сонячної, тому в середньому це запізнення становить один рік.

Вікові варіації- Повільні варіації елементів земного магнетизму з періодами від декількох років і більше. На відміну від добових, сезонних та інших варіацій зовнішнього походження, вікові варіації пов'язані з джерелами, що лежать усередині земного ядра. Амплітуда вікових варіацій досягає десятків нТл/рік, зміни середньорічних значень таких елементів названі віковим ходом. Ізолінії вікових варіацій концентруються навколо кількох точок – центри чи фокуси вікового ходу, у цих центрах величина вікового ходу сягає максимальних значень.

Радіаційні пояси та космічні промені.

Радіаційні пояси Землі – дві області найближчого навколоземного космічного простору, які у вигляді замкнутих магнітних пасток оточують Землю.

Вони зосереджені величезні потоки протонів і електронів, захоплених дипольним магнітним полем Землі. Магнітне поле Землі сильно впливає на електрично заряджені частинки, що рухаються в навколоземному космічному просторі. Існують два основних джерела виникнення цих частинок: космічні промені, тобто. енергійні (від 1 до 12 ГеВ) електрони, протони та ядра важких елементів, що приходять із майже світловими швидкостями, головним чином, з інших частин Галактики. І корпускулярні потоки менш енергійних заряджених частинок (105-106 еВ), викинутих Сонцем. У магнітному полі електричні частинки рухаються спіраллю; траєкторія частки як би навівається на циліндр, по осі якого проходить силова лінія. Радіус цього уявного циліндра залежить від напруженості поля та енергії частки. Чим більша енергія частки, тим за цієї напруженості поля радіус (він називається ларморівським) більше. Якщо ларморовский радіус набагато менше, ніж радіус Землі, частка не досягає її поверхні, а захоплюється магнітним полем Землі. Якщо ларморовский радіус набагато більше, ніж радіус Землі, частка рухається так, ніби магнітного поля немає, частки проникають крізь магнітне поле Землі в екваторіальних районах, якщо їх енергія більша за 10 9 ев. Такі частки вторгаються в атмосферу і викликають при зіткненні з атомами ядерні перетворення, які дають певні кількості вторинних космічних променів. Ці вторинні космічні промені вже реєструються на Землі. Для дослідження космічних променів у їхній початковій формі (первинних космічних променів) апаратуру піднімають на ракетах і штучних супутникахЗемлі. Приблизно 99% енергійних частинок, що «пробивають» магнітний екран Землі, є космічними променями галактичного походження і лише близько 1% утворюється на Сонці. Магнітне поле Землі утримує величезну кількість енергійних частинок, як електронів, і протонів. Їхня енергія та концентрація залежать від відстані до Землі та геомагнітної широти. Частинки заповнюють ніби величезні кільця або пояси, що охоплюють Землю навколо геомагнітного екватора.

Едвард Кононович

1905 року Ейнштейн назвав однією з п'яти головних загадок тогочасної фізики причину земного магнетизму.

У тому ж 1905 року французький геофізик Бернар Брюнес провів у південному департаменті Канталь виміри магнетизму лавових відкладень доби плейстоцену. Вектор намагніченості цих порід становив майже 180 градусів із вектором планетарного магнітного поля (його співвітчизник П. Давид отримав аналогічні результати навіть роком раніше). Брюнес дійшов висновку, що три чверті мільйона років тому під час виливу лави напрямок геомагнітних силових ліній був протилежним сучасному. Так було виявлено ефект інверсії (звернення полярності) магнітного поля Землі. У другій половині 1920-х років висновки Брюнеса підтвердили П. Л. Меркантон та Моноторі Матуяма, але ці ідеї отримали визнання лише до середини сторіччя.

Зараз ми знаємо, що геомагнітне поле існує не менше 3,5 млрд років і за цей час магнітні полюси тисячі разів обмінювалися місцями (Брюнес і Матуяма досліджували останню інверсію, яка зараз носить їхні імена). Іноді геомагнітне поле зберігає орієнтацію протягом десятків мільйонів років, інколи ж - не більше п'ятисот століть. Сам процес інверсії зазвичай займає кілька тисячоліть, і після його завершення напруженість поля, зазвичай, повертається до колишньої величині, а змінюється кілька відсотків.

Механізм геомагнітної інверсії не зовсім зрозумілий і донині, а вже сто років тому він взагалі не допускав розумного пояснення. Тому відкриття Брюнеса та Давида лише підкріпили ейнштейнівську оцінку – справді, земний магнетизм був вкрай загадковий та незрозумілий. Адже на той час його досліджували понад триста років, а в XIX столітті ним займалися такі зірки європейської науки, як великий мандрівник Олександр фон Гумбольдт, геніальний математик Карл Фрідріх Гаус і блискучий фізик-експериментатор Вільгельм Вебер. Отже, Ейнштейн воістину дивився в корінь.

Як ви вважаєте, скільки у нашої планети магнітних полюсів? Майже всі скажуть, що два – в Арктиці та Антарктиці. Насправді відповідь залежить від визначення поняття полюса. Географічними полюсами вважають точки перетину земної осі із поверхнею планети. Оскільки Земля обертається як тверде тіло, Таких точок всього дві і нічого іншого придумати не можна. А ось з магнітними полюсами справа набагато складніша. Наприклад, полюсом можна вважати невелику область (в ідеалі знову-таки точку), де магнітні силові лінії перпендикулярні земній поверхні. Однак будь-який магнітометр реєструє не тільки планетарне магнітне поле, а й поля місцевих порід, електричних струмів іоносфери, частинок сонячного вітру та інших додаткових джерел магнетизму (причому їхня середня частка не така вже й мала, близько кількох відсотків). Чим точніше прилад, краще він це робить - і тому дедалі більше утрудняє виділення істинного геомагнітного поля (його називають головним), джерело якого перебуває у земних глибинах. Тому координати полюса, визначені за допомогою прямого виміру, не відрізняються стабільністю протягом короткого відрізка часу.

Можна діяти інакше і встановити положення полюса виходячи з тих чи інших моделей земного магнетизму. У першому наближенні нашу планету можна вважати геоцентричним магнітним диполем, вісь якого проходить її центр. В даний час кут між нею та земною віссю становить 10 градусів (кілька десятиліть тому він був більше 11 градусів). При точнішому моделюванні з'ясовується, що дипольная вісь зміщена щодо центру Землі у бік північно-західної частини Тихого океану приблизно 540 км (це ексцентричний диполь). Є й інші визначення.

Але це ще не все. Земне магнітне поле реально не має дипольної симетрії і тому має множинні полюси, причому у величезній кількості. Якщо вважати Землю магнітним чотириполюсником, квадруполем, доведеться запровадити ще два полюси – у Малайзії та у південній частині Атлантичного океану. Октупольна модель задає вісімку полюсів і т. д. Сучасні найпросунутіші моделі земного магнетизму оперують аж 168 полюсами. Варто зазначити, що в ході інверсії тимчасово зникає лише дипольна компонента геомагнітного поля, а інші змінюються набагато слабше.

Полюси навпаки

Багато хто знає, що загальноприйняті назви полюсів вірні з точністю навпаки. В Арктиці розташований полюс, який вказує північний кінець магнітної стрілки, - отже, його варто було б вважати південним (одноіменні полюси відштовхуються, різноіменні притягуються!). Аналогічно, північний магнітний полюс базується на високих широтах Південної півкулі. Проте за традицією ми називаємо полюси відповідно до географії. Фізики давно домовилися, що силові лінії виходять із північного полюса будь-якого магніту та входять до південного. Звідси випливає, що лінії земного магнетизму залишають південний геомагнітний полюс та стягуються до північного. Така конвенція, і порушувати її не варто (саме час пригадати сумний досвід Паніковського!).

Магнітний полюс, хоч як його визначай, не стоїть на місці. Північний полюс геоцентричного диполя у 2000 році мав координати 79,5 N та 71,6 W, а у 2010-му – 80,0 N та 72,0 W. Справжній Північний полюс (той, який виявляють фізичні виміри) з 2000 року змістився з 81,0 N та 109,7 W до 85,2 N та 127,1 W. Протягом майже всього ХХ століття він робив не більше 10 км на рік, але після 1980 року раптом почав рухатися набагато швидше. На початку 1990-х його швидкість перевищила 15 км на рік і продовжує зростати.

Як розповів «Популярній механіці» колишній керівник геомагнітної лабораторії канадської Служби геологічних досліджень Лоуренс Ньюіт, зараз справжній полюс мігрує на північний захід, переміщуючись щороку на 50 км. Якщо вектор руху не зміниться протягом кількох десятиліть, то до середини XXI століття він опиниться в Сибіру. Згідно з реконструкцією, виконаною кілька років тому тим самим Ньюіттом, у XVII і XVIII століттяхпівнічний магнітний полюс переважно зміщувався на південний схід і лише приблизно 1860 повернув на північний захід. Справжній південний магнітний полюс останні 300 років рухається в цей же бік, причому його середньорічне усунення не перевищує 10-15 км.

Звідки взагалі Земля має магнітне поле? Одне з можливих пояснень просто впадає у вічі. Земля має внутрішнім твердим залізо-нікелевим ядром, радіус якого становить 1220 км. Оскільки ці метали феромагнітні, чому б не припустити, що внутрішнє ядро ​​має статичну намагніченість, яка забезпечує існування геомагнітного поля? Мультиполярність земного магнетизму можна списати на несиметричність розподілу магнітних доменів усередині ядра. Міграцію полюсів та інверсії геомагнітного поля пояснити складніше, але, напевно, можна спробувати.

Однак із цього нічого не виходить. Усі феромагнетики залишаються такими (тобто зберігають мимовільну намагніченість) лише нижче за певну температуру - точки Кюрі. Для заліза вона дорівнює 768 ° C (у нікелю набагато нижче), а температура внутрішнього ядра Землі значно перевищує 5000 градусів. Тому з гіпотезою статичного геомагнетизму доводиться розлучитися. Однак не виключено, що в космосі є охолілі планети з феромагнітними ядрами.

Розглянемо іншу можливість. Наша планета також володіє рідким зовнішнім ядром товщиною приблизно 2300 км. Воно складається з розплаву заліза та нікелю з домішкою легших елементів (сірки, вуглецю, кисню та, можливо, радіоактивного калію – точно не знає ніхто). Температура нижньої частини зовнішнього ядра майже збігається з температурою внутрішнього ядра, а верхній зоні на кордоні з мантією знижується до 4400°C. Тому цілком природно припустити, що завдяки обертанню Землі там формуються кругові течії, які можуть стати причиною виникнення земного магнетизму.

Конвективне динамо

«Щоб пояснити виникнення полоидального поля, необхідно взяти до уваги вертикальні потоки речовини ядра. Вони утворюються завдяки конвекції: нагрітий залізно-нікелевий розплав виринає з нижньої частини ядра у напрямку мантії. Ці струмені закручуються силою Коріоліса подібно до повітряних потоків циклонів. У Північній півкулі висхідні потоки обертаються за годинниковою стрілкою, а в Південній проти, - пояснює професор Каліфорнійського університету Гері Глатцмайєр. - При підході до мантії речовина ядра остигає і починає зворотний рух углиб. Магнітні поля висхідних і низхідних потоків гасять одне одного, і тому по вертикалі поле не встановлюється. А ось у верхній частині конвекційного струменя, там, де він утворює петлю і недовго рухається горизонталлю, ситуація інша. У Північній півкулі силові лінії, які до конвекційного сходження дивилися на захід, повертаються за годинниковою стрілкою на 90 градусів та орієнтуються на північ. У Південній півкулі вони повертаються зі сходу проти годинникової стрілки і теж прямують на північ. В результаті в обох півкуль генерується магнітне поле, що вказує з півдня на північ. Хоча це аж ніяк не єдине можливе пояснення виникнення полоідального поля, його вважають найвірогіднішим».

Саме таку схему вчені-геофізики обговорювали 80 років тому. Вони вважали, що потоки рідини зовнішнього ядра, що проводить, за рахунок своєї кінетичної енергії породжують електричні струми, що охоплюють земну вісь. Ці струми генерують магнітне поле переважно дипольного типу, силові лінії якого на поверхні Землі витягнуті вздовж меридіанів (таке поле називається полоідальним). Цей механізм викликає асоціацію з роботою динамо-машини, звідси й походить його назва.

Описана схема красива та наочна, але, на жаль, помилкова. Вона полягає в припущенні, що рух речовини зовнішнього ядра симетрично щодо земної осі. Однак у 1933 році англійський математик Томас Каулінг довів теорему, за якою ніякі осесиметричні потоки не здатні забезпечити існування довготривалого геомагнітного поля. Навіть якщо воно і з'явиться, то вік його виявиться недовгим, десятки тисяч разів меншим за вік нашої планети. Потрібна модель складніша.

«Ми не знаємо точно, коли виник земний магнетизм, проте це могло статися невдовзі після формування мантії та зовнішнього ядра, – каже один із найбільших фахівців із планетарного магнетизму, професор Каліфорнійського технологічного інституту Девід Стівенсон. - Для включення геодинамо потрібне зовнішнє затравальне поле, причому не обов'язково потужне. Цю роль, наприклад, могло взяти він магнітне полі Сонця чи поля струмів, породжених у ядрі з допомогою термоелектричного ефекту. Зрештою, це не надто важливо, джерел магнетизму вистачало. За наявності такого поля та кругового руху потоків провідної рідини запуск внутрішньопланетної динамомашини ставав просто неминучим».

Магнітний захист

Моніторинг земного магнетизму виробляють з допомогою широкій мережі геомагнітних обсерваторій, створення якої розпочалося ще 1830-х роках.

Для цих цілей використовують корабельні, авіаційні та космічні прилади (наприклад, скалярний і векторний магнітометри датського супутника «Ерстед», що працюють з 1999 року).

Напруженість геомагнітного поля варіює приблизно від 20 000 нанотесла поблизу узбережжя Бразилії до 65 000 нанотесла у районі південного магнітного полюса. З 1800 його дипольна компонента скоротилася майже на 13% (а з середини XVI століття - на 20%), в той час як квадрупольна дещо зросла. Палеомагнітні дослідження показують, що протягом кількох тисячоліть перед початком нашої ери напруженість геомагнітного поля вперто лізла вгору, а потім почала знижуватися. Проте нинішній планетарний дипольний момент значно перевищує своє середнє значення за останні півтораста мільйонів років (у 2010 році були опубліковані результати палеомагнітних вимірів, які свідчать, що 3,5 млрд років тому земне магнітне поле було вдвічі слабшим від нинішнього). Це означає, що історія людських суспільств від виникнення перших держав до нашого часу припала на локальний максимум земного магнітного поля. Цікаво замислитися над тим, чи це вплинуло на прогрес цивілізації. Таке припущення перестає здаватися фантастичним, зважаючи на те, що магнітне поле захищає біосферу від космічного випромінювання.

І ось ще одна обставина, яку варто відзначити. У юності і навіть підлітковому віці нашої планети вся речовина її ядра перебувала в рідкій фазі. Тверде внутрішнє ядро ​​сформувалося порівняно недавно, можливо, лише мільярд років тому. Коли це сталося, конвекційні потоки стали впорядкованішими, що призвело до більш стійкої роботи геодинамо. Через це геомагнітне поле виграло у величині та стабільності. Можна припустити, що ця обставина сприятливо позначилася на еволюції живих організмів. Зокрема, посилення геомагнетизму покращило захист біосфери від космічних випромінювань і полегшило вихід життя з океану на сушу.

Ось узвичаєне пояснення такого запуску. Нехай для простоти затравувальне поле майже паралельно осі обертання Землі (насправді достатньо, якщо воно має ненульову компоненту в цьому напрямку, що практично неминуче). Швидкість обертання речовини зовнішнього ядра зменшується в міру зменшення глибини, причому через його високу електропровідність силові лінії магнітного поля рухаються разом з ним - як кажуть фізики, поле «вморожене» в середу. Тому силові лінії затравочного поля згинаються, йдучи вперед на великих глибинах і відстаючи на менших. Зрештою вони витягнуть і деформуються настільки, що дадуть початок тороїдальному полю, круговим магнітним петлям, що охоплюють земну вісь і спрямованим у протилежні сторони в північній та південній півкулях. Цей механізм називається w-ефектом.

За словами професора Стівенсона, дуже важливо розуміти, що тороїдальне поле зовнішнього ядра виникло завдяки полоідальному затравочному полю і, у свою чергу, породило нове полоідальне поле, що спостерігається біля земної поверхні: «Обидва типи полів планетарного геодинамо взаємопов'язані і не можуть існувати один без одного» .

15 років тому Гері Глатцмайєр разом із Полом Робертсом опублікував дуже гарну комп'ютерну модель геомагнітного поля: «У принципі для пояснення геомагнетизму давно був адекватний математичний апарат – рівняння магнітної гідродинаміки плюс рівняння, що описують силу тяжіння та теплові потоки всередині земного ядра. Моделі, засновані на цих рівняннях, у первозданному вигляді дуже складні, проте їх можна спростити та адаптувати до комп'ютерних обчислень. Саме це й зробили ми з Робертсом. Прогін на суперкомп'ютері дозволив побудувати самоузгоджений опис довготривалої еволюції швидкості, температури та тиску потоків речовини зовнішнього ядра та пов'язаної з ними еволюції магнітних полів. Ми також з'ясували, що якщо програвати симуляцію на тимчасових проміжках десятків і сотень тисяч років, то з неминучістю виникають інверсії геомагнітного поля. Тож у цьому плані наша модель непогано передає магнітну історію планети. Однак є труднощі, які поки що не вдалося усунути. Параметри речовини зовнішнього ядра, які закладають у подібні моделі, ще дуже далекі від реальних умов. Наприклад, нам довелося прийняти, що його в'язкість дуже велика, інакше не вистачить ресурсів найпотужніших суперкомп'ютерів. Насправді це не так, є всі підстави вважати, що вона майже збігається із в'язкістю води. Наші нинішні моделі безсилі врахувати та турбулентність, яка безсумнівно має місце. Але комп'ютери з кожним роком набирають сили, і років за десять з'являться набагато реалістичніші симуляції».

«Робота геодинамо неминуче пов'язана з хаотичними змінами потоків залізо-нікелевого розплаву, що обертаються флуктуаціями магнітних полів, – додає професор Стівенсон. – Інверсії земного магнетизму – це просто найсильніші з можливих флуктуацій. Оскільки вони стохастичні за своєю природою, навряд чи можна їх передбачати заздалегідь - у разі ми цього не вміємо».

Більшість планет Сонячної системи тією чи іншою мірою мають магнітні поля.
Спеціальний розділ геофізики, що вивчає походження та природу магнітного поля Землі, називається геомагнетизмом. Геомагнетизм розглядає проблеми виникнення та еволюції основної, постійної складової геомагнітного поля, природа змінної складової (приблизно 1% від основного поля), а так само структура магнітосфери – найвищих намагнічених плазмових шарів земної атмосфери, що взаємодіють із сонячним вітром і захищають Землю . Важливим завданням є вивчення закономірностей варіацій геомагнітного поля, оскільки вони зумовлені зовнішніми впливами, пов'язаними насамперед із сонячною активністю.

Це може бути дивно, але сьогодні немає єдиної точки зору на механізм виникнення магнітного поля планет, хоча майже загальновизнаною є гіпотеза магнітного гідродинамо, заснована на визнанні існування струмопровідного рідкого зовнішнього ядра. Теплова конвекція, тобто перемішування речовини у зовнішньому ядрі, сприяє утворенню кільцевих електричних струмів. Швидкість переміщення речовини у верхній частині рідкого ядра буде дещо меншою, а нижніх шарів – більше щодо мантії у першому випадку та твердого ядра – у другому. Подібні повільні течії викликають формування кільцеподібних (тороїдальних) замкнутих за формою електричних полів, що не виходять за межі ядра. Завдяки взаємодії тороїдальних електричних полів із конвективними течіями у зовнішньому ядрі виникає сумарне магнітне поле дипольного характеру, вісь якого приблизно збігається з віссю обертання Землі. Для "запуску" подібного процесу необхідне початкове, хоча б дуже слабке, магнітне поле, яке може генеруватися гіромагнітним ефектом, коли тіло, що обертається, намагнічується в напрямку осі його обертання.

Не останню роль грає і сонячний вітер – потік заряджених частинок, переважно протонів та електронів, що йдуть від Сонця. Для Землі сонячний вітер є потік заряджених частинок постійного напрямку, а це не що інше, як електричний струм.

Відповідно до визначення напрями струму він спрямований у бік, протилежну руху негативно заряджених частинок (електронів), тобто. від Землі до Сонця. Частинки, що утворюють сонячний вітер, що володіють масою та зарядом, захоплюються верхніми шарами атмосфери у бік обертання Землі. У 1958 році було відкрито радіаційний пояс Землі. Це величезна зона в космосі, що охоплює Землю у сфері екватора. У радіаційному поясі основними носіями зарядів є електрони. Їхня щільність на 2 – 3 порядку перевищує щільність інших носіїв зарядів. І таким чином існує електричний струм, викликаний спрямованим круговим рухом частинок сонячного вітру, що захоплюються круговим рухом Землі, що породжує електромагнітне "вихрове" поле.

Слід зазначити, що магнітний потік, викликаний струмом сонячного вітру, пронизує і потік розжареної лави, що обертається разом із Землею всередині неї. Внаслідок цієї взаємодії в ній наводиться електрорушійна сила, під дією якої тече струм, який створює магнітне поле. Внаслідок цього магнітне поле Землі є результуючим полем від взаємодії струму іоносфери та струму лави.

Реально існуюча картина магнітного поля Землі залежить не тільки від конфігурації струмового шару, а й від магнітних властивостей земної кориа також від відносного розташування магнітних аномалій. Тут можна провести аналогію з контуром зі струмом за наявності феромагнітного сердечника і без нього. Відомо, що феромагнітний сердечник як змінює конфігурацію магнітного поля, а й значно посилює його.

Достовірно встановлено, що магнітне поле Землі реагує на сонячну активність, проте якщо пов'язувати виникнення магнітного поля планет тільки з струмовими шарами в рідкому ядрі, що взаємодіють із сонячним вітром, то можна зробити висновок, що планети сонячної системи, що мають однаковий напрямок обертання, повинні мати однаковий напрямок. магнітних полів Однак, наприклад, Юпітер спростовує це твердження.

Цікаво, що при взаємодії сонячного вітру зі збудженим магнітним полем Землі, на Землю діє крутний момент, спрямований у бік обертання Землі. Таким чином, Земля щодо сонячного вітру поводиться аналогічно двигуну постійного струму з самозбудженням. Джерелом енергії (генератором) у разі є Сонце. Оскільки і магнітне поле, і момент, що обертає, що діє на землю, залежать від струму Сонця, а останній від ступеня сонячної активності, то при збільшенні сонячної активності повинен збільшуватися момент, що діє на Землю і збільшуватися швидкість її обертання.

Складові геомагнітного поля

Власне магнітне поле Землі (геомагнітне поле) можна розділити на наступні три основні частини – основне (внутрішнє) магнітне поле Землі, включаючи світові аномалії, магнітні поля локальних областей зовнішніх оболонок; змінне (зовнішнє) магнітне поле Землі.

1. ОСНОВНЕ МАГНІТНЕ ПОЛЕ ЗЕМЛІ (внутрішнє) , що зазнає повільних змін у часі (вікові варіації) з періодами від 10 до 10 000 років, зосередженими в інтервалах 10-20, 60-100, 600-1200 і 8000 років. Останній пов'язаний із зміною дипольного магнітного моменту у 1,5–2 рази.

Магнітні силові лінії, створені на комп'ютерній моделі геодинамо, показують, наскільки структура магнітного поля Землі простіше її межами, ніж усередині ядра (сплутані трубочки у центрі). На поверхні Землі більшість ліній магнітного поля виходить зсередини (довгі жовті трубочки) біля Південного полюса і входить всередину (довгі блакитні трубочки) біля Північного.

Більшість людей зазвичай не замислюються, чому стрілка компаса показує північ чи південь. Але магнітні полюси планети не завжди розташовувалися так, як сьогодні.

Дослідження мінералів показують, що магнітне поле Землі за 4-5 млрд. років існування планети змінювало свою орієнтацію з півночі на південь та назад сотні разів. Однак протягом останніх 780 тис. років нічого подібного не відбувалося, незважаючи на те, що середній періодзміни магнітних полюсів – 250 тис. Років. Крім того, геомагнітне поле ослабло майже на 10% з того часу, як воно вперше було виміряно в 30-х роках. ХІХ ст. (Тобто майже в 20 разів швидше, ніж якби, втративши джерело енергії, воно знизило свою силу природним шляхом). Чи наступна зміна полюсів?

Джерело коливань магнітного поля заховано у центрі Землі. Наша планета, подібно до інших тіл Сонячної системи, створює своє магнітне поле за допомогою внутрішнього генератора, принцип роботи якого такий же, як і звичайного електричного, що перетворює кінетичну енергію своїх частинок, що рухаються в електромагнітне поле. У електрогенераторі рух відбувається у витках котушки, а всередині планети чи зірки – у провідній рідкій субстанції. Величезна маса розплавленого заліза об'ємом у 5 разів більше Місяцяциркулює у серцевині Землі, утворюючи так зване геодинамо.

За останні десять років вчені розробили нові підходи до дослідження роботи геодінамо та його магнітних властивостей. Супутники передають чіткі моментальні фотографії геомагнітного поля на поверхні Землі, а сучасні методикомп'ютерного моделювання та створені у лабораторіях фізичні моделі допомагають інтерпретувати дані орбітальних спостережень. Проведені експерименти наштовхнули вчених на нове пояснення того, як відбувалася переполяризація у минулому та як вона може розпочатись у майбутньому.

У внутрішній будівлі Землі виділяється розплавлене зовнішнє ядро, де складна турбулентна конвекція генерує геомагнітне поле.

Енергія геодинамо

Що ж приводить у дію геодинамо. До 40-х років. минулого століття фізики визнавали три необхідні умови утворення магнітного поля планети, і подальші наукові побудови виходили з цих положень. Перша умова – великий обсяг електропровідної рідкої маси, насиченої залізом, що утворює зовнішнє ядро ​​Землі. Під ним розташоване внутрішнє ядро ​​Землі, що складається майже із чистого заліза, а над ним – 2900 км твердих порід щільної мантії та тонкої земної кори, що утворює континенти та ложе океану. Тиск на ядро, створюване земною корою та мантією, у 2 млн. разів вище, ніж на Землі. Температура ядра також дуже висока – близько 5000о за Цельсієм, як і температура поверхні Сонця.

Вищеописані параметри екстремального середовища визначають другу вимогу до роботи геодинамо: необхідність джерела енергії для приведення в рух рідкої маси. Внутрішня енергія термального, хімічного походження створює всередині ядра умови виштовхування. Ядро більше розігрівається унизу, ніж нагорі. (Високі температури "замуровані" всередині нього з часів утворення Землі.) Це означає, що більш розігріта, менш щільна металева складова ядра прагне вгору. Коли рідка маса досягає верхніх шарів, вона втрачає частину свого тепла, віддаючи його мантії. Потім рідке залізо остигає, стаючи щільнішим, ніж навколишня маса, і опускається. Процес переміщення тепла шляхом підняття та опускання рідкої маси отримав назву теплової конвекції.

Третя необхідна умова підтримки магнітного поля – обертання Землі. Виникаюча при цьому сила Коріоліса відхиляє рух рідкої маси, що піднімається всередині Землі так само, як вона повертає океанічні течії і тропічні циклони, вихори переміщення яких видно на космічних знімках. У центрі Землі сила Коріоліса закручує рідку масу, що піднімається, у штопор або спіраль, подібно до відірваної пружини.

Земля має насичену залізом рідку масу, зосереджену в її центрі, енергію, достатню для підтримки конвекції, і силу Коріоліса, що закручує конвекційні потоки. Цей чинник украй важливий підтримки роботи геодинамо протягом мільйонів років. Але потрібні нові знання, щоб відповісти на питання про те, як утворюється магнітне поле і чому час від часу полюси міняються місцями.

Переполяризація

Вчені давно задавалися питанням, чому магнітні полюси Землі іноді міняються місцями. Останні дослідження вихрових переміщень розплавлених мас усередині Землі дозволяють зрозуміти, як відбувається переполяризація.

Магнітне поле, значно інтенсивніше і складніше поля ядра, всередині якого і утворюються магнітні коливання, було виявлено на межі мантії та ядра. Виникають у серцевині електроструми перешкоджають безпосереднім вимірюванням його магнітного поля.

Важливо, що більшість геомагнітного поля утворюється лише чотирьох великих областях межі ядра і мантії. Хоча геодинамо продукує дуже сильне магнітне поле, лише 1% його енергії поширюється поза ядра. Загальна конфігурація магнітного поля, виміряного на поверхні, зветься диполя, який більшу частину часу орієнтований по земній осі обертання. Як і в полі лінійного магніту, основний геомагнітний потік спрямований від центру Землі у Південній півкулі та до центру – у Північній. (Стрілка компаса вказує на північний географічний полюс, оскільки поруч знаходиться південний магнітний полюс диполя.) Космічні спостереження показали, що магнітний потік має нерівномірний глобальний розподіл, найбільша напруженість простежується на Антарктичному узбережжі, під Північною Америкою та Сибіром.

Ульріх Крістенсен (Ulrich R. Christensen) з Науково-дослідного інституту Сонячної системи Макса Планка в Катленбурзі-Ліндау, Німеччина, вважає, що ці великі ділянки землі існують тисячі років і підтримуються конвекцією всередині ядра, що постійно розвивається. Чи можуть аналогічні явища бути причиною зміни полюсів? Історична геологія свідчить, що зміни полюсів відбувалися відносно короткі проміжки часу – від 4 тис. до 10 тис. років. Якби геодинамо припинило свою роботу, диполь існував би ще 100 тис. років. Швидка зміна полярності дає підстави вважати, що якесь нестійке становище порушує початкову полярність і викликає нову зміну полюсів.

В окремих випадках таємнича нестійкість може пояснюватись деякою хаотичною зміною структури магнітного потоку, яка лише випадково призводить до переполяризації. Проте частота зміни полярності, що проявляється дедалі стійкіше протягом останніх 120 млн. років, свідчить про можливості зовнішнього регулювання. Однією з причин його може бути перепад температури в нижньому шарімантії, і внаслідок цього – зміна характері виливів ядра.

Деякі симптоми переполяризації були виявлені під час аналізу карт, які були зроблені з супутників Magsat та Oersted. Готьє Гюло (Gauthier Hulot) та його колеги з Паризького геофізичного інституту відзначили, що тривалі зміни геомагнітного поля виникають на межі ядра та мантії в тих місцях, де напрямок геомагнітного потоку назад нормальному для цієї півкулі. Найбільша з так званих ділянок зворотного магнітного поля простяглася з південного краю Африки на захід до Південній Америці. На цій ділянці магнітний потік спрямований всередину, до ядра, тоді як більшість його в Південній півкулі спрямована з центру.

Райони, де магнітне поле спрямоване в протилежну для цієї півкулі сторону, виникають при випадковому прориві закручених і петляючих ліній магнітного поля за межі ядра Землі. Ділянки зворотного магнітного поля можуть істотно послабити магнітне поле лежить на поверхні Землі, зване диполем, і свідчити початку зміни земних полюсів. Вони з'являються, коли рідка маса, що піднімається, проштовхує горизонтальні магнітні лінії вгору в розплавленому зовнішньому ядрі. Такий конвективний вилив іноді закручує та видавлює магнітну лінію (а). Одночасно сили обертання Землі викликають гвинтову циркуляцію розплаву, яка може затягнути петлю на магнітній лінії, що видавлена ​​(б). Коли сила виштовхує досить велика, щоб викинути петлю з ядра, на межі ядро-мантія утворюється пара ділянок магнітного потоку.

Найсерйозніше відкриття, зроблене при порівнянні останніх вимірювань, отриманих з Oersted, і проведених в 1980 р., полягало в тому, що нові ділянки зворотного магнітного поля продовжують формуватися, наприклад, на межі ядро-мантії під східним узбережжям Північної Америки та Арктикою. Більше того, раніше виявлені ділянки виросли і трохи зрушили у бік полюсів. Наприкінці 80-х років. XX ст. Девід Габбінс (David Gubbins) з Лідського університету в Англії, вивчаючи старі карти геомагнітного поля, зазначив, що поширення, зростання та зміщення у бік полюсів ділянок зворотного магнітного поля пояснює зниження сили диполя в історичному часі.

Згідно з теоретичними положеннями про силові магнітні лінії, що виникають в рідкому середовищі ядра під дією сили Коріоліса малі і великі вихори закручують силові лінії у вузол. Кожен поворот збирає все більше силових ліній у ядрі, посилюючи таким чином енергію магнітного поля. Якщо процес триває безперешкодно, магнітне поле посилюється нескінченно. Однак електричний опір розсіює і вирівнює витки силових ліній настільки, щоб зупинити мимовільне зростання магнітного поля та продовжити відтворення внутрішньої енергії.

Ділянки з інтенсивним магнітним нормальним та зворотним полем формуються на межі ядро-мантія, де малі та великі завихрення взаємодіють з магнітними полями східно-західного напрямку, що описуються як тороїдальні, які проникають усередину ядра. Турбулентні рідинні переміщення можуть закручувати лінії тороїдальних полів у петлі, які називаються полоідальними полями, що мають орієнтацію північ-південь. Іноді закручування відбувається під час підняття текучої маси. Якщо такий вилив досить потужний, то вершина петлі полоидальной виштовхується з ядра (див. врізання зліва). Внаслідок такого виштовхування утворюються дві ділянки, на яких петля перетинає межу ядро-мантія. На одному з них виникає напрямок магнітного потоку, що збігається із загальним напрямом поля диполя в даній півкулі; на іншій же ділянці потік спрямований протилежно.

Коли обертання відносить ділянку зворотного магнітного поля ближче до географічного полюса, ніж ділянку з нормальним потоком, спостерігається ослаблення диполя, який найбільше вразливий поблизу своїх полюсів. Таким чином, можна пояснити зворотне магнітне поле на півдні Африки. При глобальному наступі зміни полюсів ділянки зворотного магнітного поля можуть розростатися по всьому регіону поблизу географічних полюсів.

Контурні карти магнітного поля Землі на межі ядро-мантія, складені за вимірюваннями, зробленими з супутника, показують, що більшість магнітного потоку спрямована від центру Землі в Південній півкулі та до центру в Північній. Але у деяких районах складається зворотна картина. Ділянки зворотного магнітного поля росли в числі і розмірах між 1980 і 2000 р. Якщо вони заповнять весь простір в обох полюсів, то може статися переполяризація.

Моделі зміни полюсів

На картах магнітного поля представлено, як із нормальної полярності більшість магнітного потоку спрямовано від центру Землі (жовтий колір) у Південній півкулі і до її центру (блакитний колір) у Північному (а). Початок переполяризації відзначається появою кількох ареалів зворотного магнітного поля (блакитний колір у Південній півкулі та жовтий у Північній), що нагадують про утворення його ділянок на межі ядро-мантія.

Приблизно за 3 тис. років вони зменшили напруженість поля диполя, яке змінилося слабшим, але складнішим перехідним полем межі ядро-мантія (б). Зміна полюсів стала частим явищем через 6 тис. років, коли межі ядро-мантія стали переважати ділянки зворотного магнітного поля (в). На той час повна зміна полюсів виявилася і поверхні Землі. Але тільки через 3 тис. років відбулася повна заміна диполя, включаючи ядро ​​Землі (г).

Що ж відбувається із внутрішнім магнітним полем сьогодні?

Більшість із нас знає, що географічні полюси постійно здійснюють складні петлеподібні рухи у напрямку добового обертання Землі (прецесія осі з періодом у 25776 років). Зазвичай, ці переміщення протікають поблизу уявної осі обертання Землі і не призводять до помітної зміни клімату. Докладніше про зміщення полюсів. Але мало хто звернув увагу, що наприкінці 1998 року загальна складова цих переміщень змістилася. Упродовж місяця полюс змістився у бік Канади на 50 кілометрів. Нині північний полюс "повзе" вздовж 120 паралелі західної довготи. Можна припустити, що якщо нинішня тенденція у переміщенні полюсів триватиме до 2010 року, то північний полюс може зміститися на 3-4 тисячі кілометрів. Кінцева точка дрейфу – Великі Ведмежі озера у Канаді. Південний полюс відповідно зміститься з центру Антарктиди до Індійського океану.

З іншого боку, падає напруженість земного магнітного поля, причому дуже нерівномірно. Так, за останні 22 роки вона зменшилася в середньому на 1,7 відсотка, а в деяких регіонах – наприклад, у південній частині Атлантичного океану – на 10 відсотків. Втім, подекуди на нашій планеті напруженість магнітного поля, попри загальну тенденцію, навіть трохи зросла.

Підкреслимо, що прискорення руху полюсів (у середньому на 3 км/рік за десятиліття) та рух їх коридорами інверсії магнітних полюсів (більше 400 палеоінверсій дозволили виявити ці коридори) змушує підозрювати нас про те, що в даному переміщенні полюсів слід вбачати не екскурс. а переполюсування магнітного поля Землі.

Прискорення може довести переміщення полюсів до 200 км на рік, тому інверсія здійсниться набагато швидше, ніж це передбачається дослідниками далекими від професійних оцінок реальних процесів переполюсування.

В історії Землі зміни положення географічних полюсів відбувалися неодноразово, і з цим явищем насамперед пов'язують заледеніння великих областей суші та кардинальні зміни клімату всієї планети. Але відлуння в людській історії отримала лише остання катастрофа, швидше за все пов'язана зі зрушенням полюсів, що сталася близько 12 тисяч років тому. Усі ми знаємо – Мамонти вимерли. Але все було набагато серйозніше.

Зникнення сотень видів тварин не підлягає сумніву. Про Всесвітній Потоп і Загибель Атлантиди точаться дискусії. Але одне безперечно – відлуння найбільшої катастрофи на пам'яті людства мають під собою реальну основу. І викликана, швидше за все, усуненням полюсів всього на 2000 км.

На моделі нижче представлені магнітне поле всередині ядра (пучок силових ліній у центрі) та поява диполя (довгі вигнуті лінії) за 500 років (а) до середини переполяризації (б) магнітного диполя та через 500 років на етапі її завершення (в).

Магнітне поле геологічного минулого Землі

За останні 150 млн років переполяризація відбувалася сотні разів, про що свідчать мінерали, намагнічені полем Землі під час розігріву гірських порід. Потім породи охолонули, а мінерали зберегли колишню магнітну орієнтацію.

Шкали інверсій магнітного поля: I – останні 5 млн. років; ІІ – за останні 55 млн. років. Чорний колір - нормальна намагніченість, білий колір - зворотна намагніченість (за У.У. Харленд та ін, 1985)

Інверсії магнітного поля – зміна знака осей симетричного диполя. У 1906 Б. Брюн, вимірюючи магнітні властивостіНеогенових, порівняно молодих лав у центральній Франції, виявив, що їх намагніченість протилежна у напрямку сучасного геомагнітного поля, тобто Північний і Південний магнітні полюси хіба що змінилися місцями. Наявність намагнічених гірських порід є наслідком не якихось незвичайних умов у момент її утворення, а результатом інверсії магнітного поля Землі в даний момент. Звернення полярності геомагнітного поля – найважливіше відкриття палеомагнітології, що дозволило створити нову наукумагнітостратиграфію, що вивчає розчленовування відкладень гірських порід на основі їх прямої або зверненої намагніченості. І головне тут полягає у доказі синхронності цих звернень знака в межах усієї земної кулі. У разі в руках геологів виявляється дуже дієвий метод кореляції відкладень і подій.

У реальному магнітному полі Землі час, протягом якого відбувається зміна знака полярності, то, можливо як коротким, до тисячі років, і становити мільйони років.
Тимчасові інтервали переважання якоїсь однієї полярності отримали назву геомагнітних епох, і частини з них присвоєно імена видатних геомагнітологів Брюнеса, Матуями, Гауса та Гільберта. У межах епох виділяються менші за тривалістю інтервали тієї чи іншої полярності, які називаються геомагнітними епізодами. Найбільш ефектно виявлення інтервалів прямої та зворотної полярності геомагнітного поля було проведено для молодих у геологічному сенсі лавових потоків в Ісландії, Ефіопії та інших місцях. Недолік цих досліджень полягає в тому, що процес виливу лав був уривчастим процесом, тому цілком можливий пропуск будь-якого магнітного епізоду.

Коли з'явилася можливість по відібраним породам одного віку, але взятим на різних континентах, визначати положення палеомагнітних полюсів тимчасового інтервалу, що цікавить нас, то виявилося, що обчислений середній полюс, скажімо, по верхньоюрських породах (170 - 144 млн. років) Північної Америки і такий же полюс за такими ж породами Європи будуть перебувати в різних місцях. Виходило як би два Північні полюси, чого при дипольній системі бути не може. Щоб Північний полюс був один, слід змінити положення континентів лежить на Землі. У нашому випадку це означало зближення Європи та Північної Америки до збігу їх бровок шельфу, тобто до глибин океану приблизно 200 м. Іншими словами, рухаються не полюси, а континенти.

Застосування палеомагнітного методу дозволило здійснити детальні реконструкції розкриття щодо молодих Атлантичного, Індійського, Північного Льодовитого океанів та зрозуміти історію розвитку більш древнього Тихого океану. Сучасне розташування континентів – це результат розколу суперконтиненту Пангея, який розпочався близько 200 млн років тому. Лінійне магнітне поле океанів дає можливість визначити швидкість руху плит, яке малюнок дає найкращу інформацію щодо геодинамічного аналізу.

Завдяки палеомагнітним дослідженням встановили, що розкол Африки та Антарктиди відбувся 160 млн років тому. Найбільш давні аномалії з віком 170 млн. років (середня юра) виявлені по краях Атлантики біля берегів Північної Америки та Африки. Це і час початку розпаду суперматерика. Південна Атлантика виникла 120 - 110 млн. років тому, а Північна значно пізніше (80 - 65 млн. Років тому) і т.д. Подібні прикладиможна привести по кожному з океанів і, як би “читаючи” палеомагнітний літопис, реконструювати історію їх розвитку та переміщення літосферних плит.

Світові аномалії- Відхилення від еквівалентного диполя до 20% напруженості окремих областей з характерними розмірами до 10 000 км. Ці аномальні поля зазнають вікових варіацій, що призводять до змін згодом протягом багатьох років і століть. Приклади аномалій: Бразильська, Канадська, Сибірська, Курська. У ході вікових варіацій світові аномалії зміщуються, розпадаються та виникають знову. На низьких широтах є західний дрейф довготи зі швидкістю 0,2° на рік.

2. МАГНІТНІ ПОЛЯ ЛОКАЛЬНИХ ОБЛАСТВ зовнішніх оболонокз довжиною від кількох до сотень км. Вони обумовлені намагніченістю гірських порід у верхньому шарі Землі, що становлять земну кору і розташовані близько до поверхні. Одна з найпотужніших – Курська магнітна аномалія.

3. ЗМІННЕ МАГНІТНЕ ПОЛЕ ЗЕМЛІ (Так само зване зовнішнім) визначається джерелами у вигляді струмових систем, що знаходяться за межами земної поверхні та в її атмосфері. Основними джерелами таких полів та їх змін є корпускулярні потоки замагніченої плазми, що надходять від Сонця разом із сонячним вітром, і формують структуру і форму земної магнітосфери.

Насамперед видно, що ця структура має «шарувату» форму. Однак іноді можна спостерігати «розрив» верхніх шарів, що, очевидно, відбувається під впливом посилення сонячного вітру. Наприклад, як тут:

При цьому від швидкості та щільності Сонячного вітру в такий момент залежить ступінь величини «нагріву», що відображається в кольоровій гамі від жовтого до фіолетового, що насправді відображає величину тиску на магнітне поле в цій зоні (правий верхній малюнок).

Структура магнітного поля земної атмосфери (зовнішнього магнітного поля Землі)

Земне магнітне поле знаходиться під впливом потоку сонячної намагніченої плазми. Внаслідок взаємодії з полем Землі утворюється зовнішня межа навколоземного магнітного поля, звана магнітопаузою. Вона обмежує земну магнітосферу. Через вплив сонячних корпускулярних потоків розміри та форма магнітосфери постійно змінюються, і виникає змінне магнітне поле, що визначається зовнішніми джерелами. Його змінність зобов'язана своїм походженням струмовим системам, що розвиваються на різних висотах від нижніх шарів іоносфери до магнітопаузи. Зміни магнітного поля Землі у часі, спричинені різними причинами, називаються геомагнітними варіаціями, які різняться як за своєю тривалістю, і по локалізації Землі та її атмосфері.

Магнітосфера – область навколоземного космічного простору, контрольована магнітним полем Землі. Магнітосфера формується внаслідок взаємодії сонячного вітру з плазмою верхніх шарів атмосфери та магнітним полем Землі. За формою магнітосфера є каверною і довгим хвістом, які повторюють форму магнітних силових ліній. Соняшникова точка в середньому знаходиться на відстані 10 земних радіусів, а хвіст магнітосфери тягнеться за орбіту Місяця. Топологія магнітосфери визначається областями вторгнення сонячної плазми всередину магнітосфери та характером струмових систем.

Хвіст магнітосфери утворений силовими лініями магнітного поля Землі, що виходять із полярних областей і витягнутих під дією сонячного вітру на сотні земних радіусів від Сонця в нічний бік Землі. Через війну плазма сонячного вітру і сонячних корпускулярних потоків хіба що обтікають земну магнитосферу, надаючи їй своєрідну хвостату форму.
У хвості магнітосфери, на великих відстанях від Землі, напруженість магнітного поля Землі, а отже і їх захисні властивості, послаблюються, і деякі частинки сонячної плазми отримують можливість проникнути і потрапити у земну магнітосферу і магнітних пасток радіаційних поясів. Проникаючи в головну частину магнітосфери в область овалів полярних сяйв під дією змінного тиску сонячного вітру і міжпланетного поля, хвіст служить місцем формування потоків частинок, що висипаються, що викликають полярні сяйва і авроральні струми. Магнітосфера відокремлена від міжпланетного простору магнітопаузою. Уздовж магнітопаузи частки корпускулярних потоків обтікають магнітосферу. Вплив сонячного вітру на магнітне поле іноді буває дуже сильним. Магнітопауза – зовнішня межа магнітосфери Землі (або планети), де динамічний тиск сонячного вітру врівноважується тиском власного магнітного поля. При типових параметрах сонячного вітру соняшникова точка віддалена від центру Землі на 9–11 земних радіусів. У період магнітних збурень Землі магнітопауза може заходити за геостаціонарну орбіту (6,6 радіусів Землі). За слабкого сонячного вітру соняшникова точка знаходиться на відстані 15–20 радіусів Землі.

Геомагнітні варіації

Зміна магнітного поля Землі у часі під впливом різних чинників називаються геомагнітними варіаціями. Різниця між спостерігається величиною напруженості магнітного поля і середнім її значенням за будь-який тривалий проміжок часу, наприклад, місяць або рік, називається геомагнітною варіацією. Згідно зі спостереженнями, геомагнітні варіації безперервно змінюються в часі, причому такі зміни часто мають періодичний характер.

Добові варіації Геомагнітні поля виникають регулярно в основному за рахунок струмів в іоносфері Землі, викликаних змінами освітленості земної іоносфери Сонцем протягом доби.

Добова геомагнітна варіація за період 19.03.2010 12:00 до 21.03.2010 00:00

Магнітне поле Землі описується сімома параметрами. Для вимірювання земного магнітного поля в будь-якій точці ми повинні виміряти напрямок і напруженість поля. Параметри, що описують напрямок магнітного поля: відмінювання (D), спосіб (I). D та I вимірюються в градусах. Напруженість загального поля (F) описується горизонтальною компонентою (H), вертикальною компонентою (Z) та північною (X) та східною (Y) компонентами горизотальної напруженості. Ці комопненти можуть бути виміряні в Ерстедах (1 Ерстед = 1 гаусса), але зазвичай - в нанотесла (1нТ х 100 000 = 1 ерстеда).

Нерегулярні варіації магнітного поля виникають внаслідок впливу потоку сонячної плазми (сонячного вітру) на магнітосферу Землі, а також змін усередині магнітосфери та взаємодії магнітосфери з іоносферою.

На малюнку нижче видно (зліва направо) зображення поточних – магнітного поля, тиску, конвекційних потоків в іоносфері, а також графіки зміни величин швидкості та щільності сонячного вітру (V, Dens) та величин вертикальної та східної компонент зовнішнього магнітного поля Землі.

27-денні варіації існують як тенденція до повторення збільшення геомагнітної активності через кожні 27 днів, що відповідають періоду обертання Сонця щодо земного спостерігача. Ця закономірність пов'язана з існуванням довгоживучих активних областей на Сонці, що спостерігаються протягом кількох обертів Сонця. Ця закономірність проявляється у вигляді 27-денної повторюваності магнітної активності та магнітних бур.

Сезонні варіації магнітної активності впевнено виявляються виходячи з середньомісячних даних про магнітної активності, отриманих шляхом обробки спостережень кілька років. Їхня амплітуда збільшується зі зростанням загальної магнітної активності. Знайдено, що сезонні варіації магнітної активності мають два максимуми, що відповідають періодам рівнодення, та два мінімуми, що відповідають періодам сонцестоянь. Причиною цих варіацій є утворення активних областей на Сонці, які групуються в зонах від 10 до 30 ° північної та південної геліографічних широт. Тому в періоди рівнодення, коли площини земного та сонячного екваторів збігаються, Земля найбільш схильна до дії активних областей на Сонці.

11-річні варіації. Найбільш яскраво зв'язок між сонячною активністю та магнітною активністю проявляється при зіставленні довгих рядів спостережень, кратних 11-річним періодам сонячної активності. Найбільш відомою мірою сонячної активності є кількість сонячних плям. Знайдено, що в роки максимальної кількості сонячних плям магнітна активність також досягає найбільшої величини, проте зростання магнітної активності дещо запізнюється по відношенню до зростання сонячної, тому в середньому це запізнення становить один рік.

Вікові варіації - Повільні варіації елементів земного магнетизму з періодами від декількох років і більше. На відміну від добових, сезонних та інших варіацій зовнішнього походження, вікові варіації пов'язані з джерелами, що лежать усередині земного ядра. Амплітуда вікових варіацій досягає десятків нТл/рік, зміни середньорічних значень таких елементів названі віковим ходом. Ізолінії вікових варіацій концентруються навколо кількох точок – центри чи фокуси вікового ходу, у цих центрах величина вікового ходу сягає максимальних значень.

Магнітна буря – вплив на організм людини

Локальні характеристики магнітного поля змінюються і коливаються іноді протягом багатьох годин, а потім відновлюються до попереднього рівня. Це називається магнітної бурею. Магнітні бурі часто починаються раптово і одночасно по всій земній кулі.

Ударна хвиля сонячного вітру через добу після спалаху на Сонці досягає орбіти Землі та починається магнітна буря. Тяжкохворі явно реагують з перших годин після спалаху на Сонці, решта – з початку бурі на Землі. Загальне для всіх – зміна біоритмів у ці години. Число випадків інфаркту міокарда збільшується наступного дня після спалаху (приблизно в 2 рази більше в порівнянні з магнітоспокійними днями). Цього ж дня починається магнітосферна буря, спричинена спалахом. У абсолютно здорових – активується імунна система, можливо збільшення працездатності, поліпшення настрою.

Примітка:геомагнітний штиль, що триває поспіль кілька днів або більше, діє на організм міського жителя, за багатьма параметрами, як і буря – пригнічуючи, викликаючи депресію та ослаблення імунітету. Легкий "брязкіт" магнітного поля в межах Кр = 0 - 3 допомагає легше переносити перепади атмосферного тиску та інших метеофакторів.

Прийнято наступну градацію величин Kp-індексу:

Kp = 0-1 - геомагнітна обстановка спокійна (штиль);

Kp = 1-2 – геомагнітна обстановка від спокійної до слабкозмущеної;

Kp = 3-4 - від слабообуреної до обуреної;

Kp = 5 і вище – слабка магнітна буря (рівень G1);

Kp = 6 і від – середня магнітна буря (рівень G2);

Kp = 7 і від – сильна магнітна буря (рівень G3); можливі аварії, погіршення самопочуття у метеозалежних людей

Kp = 8 і вище - дуже сильна магнітна буря (рівень G4);

Kp = 9 – екстремально сильна магнітна буря (рівень G5) – максимально можлива величина.

Он-лайн спостереження за станом магнітосфери та магнітними бурями тут:

Внаслідок численних досліджень, що проводилися в Інституті космічних досліджень(ІКІ), Інституті земного магнетизму, іоносфери та поширення радіохвиль (ІЗМІРАН), Медичної академії ім. І.М. Сєченова та Інституту медико-біологічних проблем РАН, з'ясувалося, що під час геомагнітних бур у пацієнтів з патологією серцево-судинної системи, особливо у перенесли інфаркт міокарда, підскакувало артеріальний тиск, помітно збільшувалася в'язкість крові, уповільнювалася швидкість її течії в капілярах, змінювався судинний тонус та активізувалися стресорні гормони.

В організмі деяких здорових людей теж відбувалися зміни, але вони викликали в основному втому, ослаблення уваги, головний біль, запаморочення та серйозну небезпеку не становили. Дещо сильніше на зміни реагував організм космонавтів: у них виникали аритмії та змінювався судинний тонус. Експерименти на орбіті також показали, що стан людини негативно впливають саме електромагнітні поля, а не інші фактори, що діють на Землі, але виключені у космосі. Крім того, було виявлено ще одну “групу ризику” – здорові людиз перенапруженою адаптаційною системою, пов'язаної з впливом додаткового стресу (в даному випадку - невагомості, що також впливає на серцево-судинну систему).

Дослідники дійшли висновку, що геомагнітні бурі викликають такий адаптаційний стрес, як і різка зміна часових поясів, що збиває біологічні добові ритми людини. Раптові спалахи на Сонці та інші прояви сонячної активності різко змінюють щодо регулярні ритми геомагнітного поля Землі, що викликає у тварин і людей збій їх власних ритмів і породжує адаптаційний стрес.

Здорові люди з ним справляються відносно легко, але для людей з патологією серцево-судинної системи, з перенапруженою адаптаційною системою і для новонароджених потенційно небезпечний.

Передбачити реакцію у відповідь неможливо. Все залежить від багатьох факторів: стану людини, від характеру бурі, від частотного спектра електромагнітних коливань і т.д. Поки невідомо, як зміни геомагнітного поля впливають на біохімічні та біофізичні процеси, що відбуваються в організмі: що являють собою приймачі геомагнітних сигналів-рецепторів, чи людина реагує на вплив електромагнітного випромінювання всім організмом, окремими органами або навіть окремими клітинами. В даний час з метою вивчення впливу сонячної активності на людей відкривається геліобіологічна лабораторія в Інституті космічних досліджень.

9. Н.В.Короновський. МАГНІТНЕ ПОЛЕ ГЕОЛОГІЧНОГО МИНУЛОГО ЗЕМЛІ // Московський державний університетім. М.В.Ломоносова. Соросовський Освітній Журнал, N5, 1996, стор. 56-63

Згідно з сучасними уявленнями, утворилася приблизно 4,5 млрд. років тому, і з цього моменту нашу планету оточує магнітне поле. Все, що знаходиться на Землі, у тому числі люди, тварини та рослини, піддаються його впливу.

Магнітне поле тягнеться до висоти близько 100 000 км (рис. 1). Воно відхиляє чи захоплює частки сонячного вітру, згубні всім живих організмів. Ці заряджені частинки утворюють радіаційний пояс Землі, а вся область навколоземного простору, де вони знаходяться, називають магнітосферою(Рис. 2). З освітленої Сонцем сторони Землі магнітосфера обмежена сферичною поверхнею з радіусом приблизно 10-15 радіусів Землі, а з протилежного боку вона витягнута подібно до кометного хвоста на відстань до декількох тисяч радіусів Землі, утворюючи геомагнітний хвіст. Магнітосфера відокремлена від міжпланетного поля перехідною областю.

Магнітні полюси Землі

Вісь земного магніту нахилена до осі обертання Землі на 12°. Вона знаходиться приблизно на 400 км осторонь центру Землі. Точки, в яких ця вісь перетинає поверхню планети, - магнітні полюси.Магнітні полюси Землі не збігаються з істинними географічними полюсами. В даний час координати магнітних полюсів такі: північний - 77 ° пн.ш. та 102° з.д.; південний - (65 ° пд.ш. і 139 ° с.д.).

Мал. 1. Будова магнітного поля Землі

Мал. 2. Будова магнітосфери

Силові лінії, що йдуть від одного магнітного полюса до іншого, називаються магнітними меридіанами. Між магнітним та географічним меридіаном утворюється кут, званий магнітним відмінюванням. Кожне місце Землі має свій кут відмінювання. У районі Москви кут відмінювання дорівнює 7° на схід, а Якутську — близько 17° на захід. Це означає, що північний кінець стрілки компаса у Москві відхиляється на Т вправо від географічного меридіана, що проходить через Москву, а Якутську — на 17° ліворуч від відповідного меридіана.

Вільно підвішена магнітна стрілка розташовується горизонтально тільки лінії магнітного екватора, який збігається з географічним. Якщо рухатися на північ від магнітного екватора, північний кінець стрілки буде поступово опускатися. Кут, утворений магнітною стрілкою та горизонтальною площиною, називають магнітним способом. На Північному та Південному магнітних полюсах магнітний спосіб найбільший. Воно дорівнює 90 °. На Північному магнітному полюсі вільно підвішена магнітна стрілка встановиться вертикально північним кінцем вниз, а Південному магнітному полюсі її південний кінець опуститься вниз. Таким чином, магнітна стрілка показує напрямок силових ліній магнітного нуля над земною поверхнею.

З часом положення магнітних полюсів щодо земної поверхні змінюється.

Магнітний полюс був відкритий дослідником Джеймсом К. Россом у 1831 р. за сотні кілометрів від його нинішнього місцезнаходження. У середньому протягом року він переміщається на 15 км. Останніми роками швидкість переміщення магнітних полюсів різко зросла. Наприклад, Північний магнітний полюс зараз переміщається із швидкістю близько 40 км на рік.

Зміна магнітних полюсів Землі називається інверсією магнітного поля.

Протягом геологічної історії нашої планети земне магнітне поле змінювало свою полярність понад сто разів.

Магнітне поле характеризується напруженістю. У деяких місцях Землі магнітні силові лінії відхиляються від нормального поля, утворюючи аномалії. Наприклад, в районі Курської магнітної аномалії (КМА) напруженість поля вчетверо вища за норму.

Існують добові зміни магнітного поля Землі. Причина цих змін магнітного поля Землі — електричні струми, що витікають в атмосфері на великій висоті. Викликані вони сонячним випромінюванням. Підлога дією сонячного вітру магнітне поле Землі спотворюється і набуває «шлейф» у напрямку від Сонця, який простягається на сотні тисяч кілометрів. Основною причиною виникнення сонячного вітру, як ми вже знаємо, є грандіозні викиди речовини з корони Сонця. Під час руху до Землі вони перетворюються на магнітні хмари і призводять до сильних, іноді екстремальних збурень на Землі. Особливо сильні обурення магнітного поля Землі. магнітні бурі.Деякі магнітні бурі починаються несподівано майже одночасно по всій Землі, а інші розвиваються поступово. Вони можуть тривати кілька годин і навіть доби. Часто магнітні бурі відбуваються через 1-2 дні після сонячного спалаху через проходження Землі через потік частинок, викинутих Сонцем. Виходячи з часу запізнення швидкість такого корпускулярного потоку оцінюють кілька мільйонів км/год.

Під час сильних магнітних бур порушується нормальна робота телеграфу, телефону та радіо.

Магнітні бурі часто спостерігаються на широті 66-67 ° (в зоні полярних сяйв) і виникають одночасно з полярними сяйвами.

Будова магнітного поля Землі змінюється залежно від широти. Проникність магнітного поля збільшується у бік полюсів. Над полярними областями силові лінії магнітного поля більш менш перпендикулярні земної поверхні і мають воронкоподібну конфігурацію. Через них частина сонячного вітру з денного боку проникає у магнітосферу, а потім і у верхню атмосферу. Сюди ж у період магнітних бур спрямовуються частинки з хвостової частини магнітосфери, досягаючи меж верхньої атмосфери у високих широтах Північної та Південної півкуль. Саме це заряджені частинки викликають тут полярні сяйва.

Отже, магнітні бурі та добові зміни магнітного нуля пояснюються, як ми вже з'ясували, сонячним випромінюванням. Але якою є основна причина, що створює постійний магнетизм Землі? Теоретично вдалося довести, що у 99 % магнітне полі Землі викликають джерела, приховані всередині планети. Головне магнітне поле обумовлено джерелами, які у глибинах Землі. Їх можна умовно поділити на дві групи. Основна їх частина пов'язана з процесами в земному ядрі, де внаслідок безперервних та регулярних переміщень електропровідної речовини створюється система електричних струмів. Інша пов'язана з тим, що гірські породи земної кори, намагнічуючись головним електричним полем (полем ядра), створюють власне магнітне поле, яке підсумовується з магнітним полем ядра.

Крім магнітного поля навколо Землі є й інші поля: а) гравітаційне; б) електричне; в) теплове.

Гравітаційним полемЗемлі називають полем сили тяжіння. Вона спрямована по схилу перпендикулярно до поверхні геоїду. Якби в Землі була фігура еліпсоїда обертання і в ньому рівномірно розподілялися б маси, то вона мала нормальне гравітаційне поле. Різниця між напруженістю реального гравітаційного поля та теоретичного – аномалія тяжкості. Різний речовий склад, густина гірських порід викликають ці аномалії. Але можливі інші причини. Їх можна пояснити наступним процесом — врівноваження твердої та відносно легкої земної кори на важчій верхній мантії, де й відбувається вирівнювання тиску вищих шарів. Ці течії викликають тектонічні деформації, рух літосферних плит і цим створюють макрорельєф Землі. Сила тяжіння утримує атмосферу, гідросферу, людей, тварин Землі. Силу тяжкості потрібно обов'язково враховувати щодо процесів у географічній оболонці. Терміном « геотропізм» називають ростові рухи органів рослин, які під впливом сили земного тяжіння завжди забезпечують вертикальний напрямок зростання первинного кореня перпендикулярно поверхні Землі. Гравітаційна біологія використовує рослини як експериментальні об'єкти.

Якщо не зважати на силу тяжкості, неможливо розрахувати вихідні дані для запуску ракет і космічних кораблів, зробити гравіметричну розвідку рудних копалин і, нарешті, неможливий подальший розвиток астрономії, фізики та інших наук.

Спочатку розглянемо, що являє собою магнітне поле Землі. Адже насамперед від нього залежить ступінь впливу космічних факторів на земну атмосферу, а також на життя та здоров'я людини.

Магнітосфера Землі оточена інтенсивною радіацією, яка за короткий строкздатна розкласти на іони та електрони все повітря в атмосфері Землі та призвести до інших незворотних наслідків у біосфері та літосфері Землі, після чого життя на Землі було б неможливим. Захищає нас від цієї радіації магнітне поле Землі. Власне, іншого захисту від високоенергійної корпускулярної радіації у природі немає. Якби цей захист був бездоганним, то тут ми могли б докладніше і не описувати, як влаштована захисна оболонка Землі. Але виявляється, що в магнітному полі Землі є слабкі місця, або дефекти, через які частина сонячної радіації все ж таки потрапляє в її атмосферу. Ці дефекти в магнітній оболонці Землі характерні для певних зон, розташування яких залежить від природи та зміни магнітного поля Землі. Зони характеризуються особливим космічним кліматом, а космічна погода у цих зонах істотно відрізняється від такої в інших частинах земної кулі.

Що являє собою магнітне поле Землі? Ми знаємо, що брусок намагнічений завжди має два полюси - північний і південний або, іншими словами, є диполем. Конфігурацію магнітного поля прийнято характеризувати магнітними силовими лініями, які мають певний напрямок (який позначається стрілкою), а щільність цих ліній визначається величиною магнітного поля. Щоб визначити напрямок силової лінії магнітного поля, треба розташовувати компас різних точкахпростір навколо магніту. Напрямок стрілки щоразу і показуватиме напрямок силової лінії магнітного поля. Хто з нас не пам'ятає шкільні досліди з магнітами і металевими тирсою? Тут кожна тирса - магнітна стрілка. У цих дослідах магнітне поле диполя виглядає так: силові лінії магнітного поля виходять із одного полюса магніту і входять до іншого полюса. У міру віддалення від бруска напруженість магнітного поля дуже швидко зменшується.

Тепер уявімо, що такий брусок ми помістили всередину шкільного глобуса південним магнітним полюсом вгору (тобто північному географічному полюсу), а північним вниз. Далі цей магнітний брусок нахилимо щодо географічної осі так, щоб між ними утворився кут в 11°, іншими словами, розведемо географічні та геомагнітні полюси приблизно на 1100 км на земній кулі. Після такої маніпуляції вийде магнітний диполь, схожий на земний. Щоправда, реальний земний магнітний диполь зміщує не лише полюси. Центр диполя мало не збігається з центром земної кулі, але для цієї проблеми це несуттєво. Дипольне поле Землі показано на рис 1. Магнітне поле такого диполя досить легко розрахувати.

Рис 1. Схема дипольного магнітного поля Землі. Вісь Землі (СЮ) та вісь магнітного диполя (П ЗП Ю) не збігаються. Магнітні меридіани йдуть від одногомагнітного полюси до іншого.

(Увага!!! У цьому малюнку помилка. Див. коментарі внизу. Правильний малюнок наприкінці сторінки.- Прим. адміна.)

Але реальне магнітне поле Землі відрізняється від поля диполя. Це спричинено дією на нього сонячної корпускулярної радіації.

В екваторіальній площині (посередині диполя) магнітні силові лінії йдуть паралельно поверхні Землі, тоді як ближче до полюсів вони виходять із Землі на півдні та входять до Землі на півночі. Ця відмінність у напрямі силових ліній магнітного поля є важливим. Від того, як вони спрямовані, залежить, наскільки здатні протистояти сонячній корпускулярній радіації.

Щоб магнітне поле служило захистом від сонячної корпускулярної радіації та взагалі від будь-яких частинок, які мають негативний чи позитивний електричний заряд, Треба, щоб воно було спрямоване поперек напряму радіації. У низьких широтах магнітне поле Землі спрямоване впоперек потоку радіації, і воно є добрим захистом від неї. На жаль, чим ближче до полюсів, тим цей захист менш надійний. Там, де силові лінії магнітного поля вертикальні (на полюсах), вони не здатні протидіяти радіації, і вона без перешкод може "скочуватися" вздовж силових ліній в атмосферу Землі.

Все було б точно так, як тут описано, якби магнітне поле Землі було точно полем диполя. Насправді земний магнітний диполь розташовується над порожнечі і навколо нього течуть електричні струми, які змінюють його магнітне полі. Ззовні на магнітне поле Землі діє сила тиску сонячного вітру, тобто сонячної плазми.

Що являє собою сонячна корпускулярна радіація, ми розглянемо трохи далі. Тут скажемо тільки, що з поверхні Сонця безперервно радіально на всі боки поширюється плазма, що складається з ядер легких хімічних елементів, потоки якої назвали сонячним вітром. Цей сонячний вітер, підходячи до магнітного поля Землі, деформує його, як звичайний вітер міг би деформувати надуту повітрям кулю. В результаті магнітне поле Землі з боку Сонця не тягнеться до нескінченності, як це було б у разі ідеального диполя, а стиснуте сонячним вітром до відстані 10 земних радіусів (земний радіус дорівнює 6.370 км).

Таким чином, з денного боку наш земний будинок тягнеться до космосу приблизно на 63.700 км. Далі магнітне поле Землі закінчується і починається справжній космос, властивості якого зовсім інші, ніж у межах магнітної оболонки Землі – магнітосфери. Цей космос усередині магнітосфери прийнято називати ближнім космосом чи навколоземним космічним простором. Цей поділ аж ніяк не умовний, тому що далекий космос має зовсім інші магнітні поля, інші характеристики заряджених частинок і т.д.

Сонячний вітер, який з денного боку підтиснув магнітосферу Землі, змінює силові лінії магнітного поля на нічній стороні і витягує їх у напрямку свого руху від Сонця, як гумку рогатки. Так утворюється шлейф, або хвіст, магнітосфери, що тягнеться на нічному боці Землі на сотні земних радіусів. Таким чином, якщо ідеальний магнітний диполь симетричний щодо магнітної осі, що з'єднує полюса, то магнітне поле Землі дуже сильно деформоване - ближче до Землі (на видаленні 3 - 4 радіусів Землі) диполь залишився майже недоторканим і магнітні силові лінії обертаються разом із Землею, так само як і земна атмосфера, тоді як зовнішні силові лінії, витягнуті в хвіст магнітосфери, що неспроможні обертатися із Землею, завжди витягнуті у нічному напрямі. При цьому приполюсні силові лінії на денному боці сонячний вітер вивертає так, що вони йдуть на ніч через полюс в хвіст магнітосфери.

Якби був відсутній сонячний вітер, то найуразливішими місцями на Землі були області біля полюсів, де магнітні силові лінії вертикальні. Але сонячний вітер хіба що прикриває ці області денними силовими лініями, що він спрямовує через полюси хвіст магнітосфери. При цьому на денному боці залишається найбільш уразливою смуга між силовими лініями, що замикаються через денну та нічну сторони Землі. З якого зрозуміло, що з денного боку є дві області, куди сонячна корпускулярна радіація може прорватися у верхню атмосферу, незважаючи на магнітний захист Землі. Видно також, що полярні шапки (області навколо полюсів) захищені денними магнітними силовими лініями. Наскільки сонячний вітер спотворює магнітне поле Землі, видно зі зіставлення рис. 1 та 2.

На нічній стороні Землі зовнішні силові лінії, за які безпосередньо “чіпляється” сонячний вітер і які витягнуті в хвіст магнітосфери на сотні радіусів Землі, рвуться. Після розриву половинки силової лінії (південна та північна) знову зростаються (або хлопаються) і швидко спрямовуються назад у напрямку Землі, захоплюючи із собою заряджені частки. На місце цих силових ліній у хвіст магнітосфери надходять нові, які щойно були розірвані. Цей процес триває безперервно.

На рис.2 можна побачити, що у нічній боці на широтах 70° півночі і півдня також є силові лінії, які упираються майже вертикально в поверхню Землі і, отже, не перешкоджають вторгнення радіації у верхню атмосферу. Таким чином, можна зробити висновок про те, що у певних областях магнітне поле недостатньо добре захищає Землю та її атмосферу від сонячної корпускулярної радіації. Ці вразливі області є два овали, розташованих навколо північного і південного геомагнітних полюсів, денні частини яких віддалені від магнітного полюса на 10°, а нічні - на 20°. Ширина цього овалу становить лише кілька градусів, тобто кілька сотень кілометрів. Ці два овали є тими місцями, де розташовується кухня космічної погоди, де найчастіше видно північні та південні сяйва, де на висоті 100 км течуть електричні струми завбільшки сотні тисяч ампер, де умови здоров'ю людини у сенсі впливу нього космічної погоди несприятливі.

Ми встановили, де розташовані зони поганої космічної погоди на Землі та з чим пов'язане їхнє таке розташування. Далі необхідно проаналізувати, що являє собою сонячна корпускулярна радіація. Тому перейдемо до розгляду викиду сонячної плазми під час сонячних бур.