Магнітне поле ЗЕМЛІ

1. Походження магнітного поля.
2. Складові геомагнітного поля.
3. Структура магнітного поля земної атмосфери.
4. Сонячний вітер -
5. Магнітна буря.
6. Геомагнітні варіації.
7. Радіаційні пояса і космічні промені.

Магнітне поле ЗЕМЛІ. Більшість планет Сонячної системи в тій чи іншій мірі володіють магнітними полями. За зменшенням дипольного магнітного моменту на першому місці Юпітер і Сатурн, а за ними слідують Земля, Меркурій і Марс, причому по відношенню до магнітного моменту Землі значення їх моментів становить 20 000, 500, 1, 3/5000 3/10000. Дипольний магнітний момент Землі на 1970 складала 7,98 · 1025 Гс / см3 (або 8,3 • 1022 А.м2), зменшуючись за десятиліття на 0,04 · 1025 Гс / см3. Середня напруженість поля на поверхні становить близько 0,5 Е (5 · 10-5 Тл). За формою основне магнітне поле Землі до відстаней менше трьох радіусів близько до поля еквівалентного магнітного диполя. Його центр зміщений щодо центру Землі в напрямку на 18 ° пн.ш. і 147,8 ° ст. д. Ось цього диполя нахилена до осі обертання Землі на 11,5 °. На такий же кут геомагнітні полюси відстоять від відповідних географічних полюсів. При цьому південний геомагнітний полюс знаходиться в північній півкулі. В даний час він розташований недалеко від 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 Cеверного магнітного полюса j = 75 ° пд.ш., l = 120,4 ° східної довготи (В Антарктиді). Реальні магнітні силові лінії магнітного поля Землі в середньому близькі до силових ліній цього диполя, відрізняючись від них місцевими нерегулярно, пов'язаними з наявністю намагнічених порід в корі. В результаті вікових варіацій геомагнітний полюс прецессирует щодо географічного полюса з періодом близько 1200 років. На великих відстанях магнітне поле Землі несиметрично. Під дією вихідного від Сонця потоку плазми (сонячного вітру) 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 і природу магнітного поля Землі називається геомагнетизм . Геомагнетизм розглядає проблеми виникнення і еволюції основний, постійної составляющейгеомагнітного поля, природа змінної складової (приблизно 1% від основного поля), а так само структура магнітосфери -Сам верхніх намагнічених плазмових шарів земної атмосфери, що взаємодіють з сонячним ветромі захищають Землю від космічного проникаючого випромінювання. Важливим завданням є вивчення закономірностей варіацій геомагнітного поля, оскільки вони обумовлені зовнішніми впливами, пов'язаними в першу чергу з сонячною активністю.

Походження магнітного поля.

Спостережувані властивості магнітного поля Землі узгоджуються з поданням про його виникненні завдяки механізму гідромагнітного динамо. У цьому процесі первинне магнітне поле посилюється в результаті рухів (зазвичай конвективних або турбулентних) електропровідного речовини в рідкому ядрі планети або в плазмі зірки. При температурі речовини в кілька тисяч До його провідність досить висока, щоб конвективні руху, що відбуваються навіть в слабо намагніченою середовищі, могли порушувати змінюються електричні струми, здатні, відповідно до законів електромагнітної індукції, створювати нові магнітні поля. Загасання цих полів або створює теплову енергію (за законом Джоуля), або призводить до виникнення нових магнітних полів. Залежно від характеру рухів ці поля можуть або послаблювати, або посилювати вихідні поля. Для посилення поля досить певної асиметрії рухів. Таким чином, необхідною умовою гідромагнітного динамо є сама наявність рухів в провідному середовищі, а достатнім - наявність певної асиметрії (спіральності) внутрішніх потоків середовища. При виконанні цих умов процес посилення триває до тих пір, поки ростуть зі збільшенням сили струмів втрати на джоулево тепло не урівноважать приплив енергії, що надходить за рахунок гідродинамічних рухів.

Динамо-ефект - самозбудження і підтримку 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 і планет, а також їх локальні поля, наприклад, поля плям і активних областей.

Складові геомагнітного поля.

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

1. Основне магнітне поле Землі, що відчуває повільні зміни в часі (вікові варіації) з періодами від 10 до 10 000 років, зосередженими в інтервалах 10-20, 60-100, 600-1200 та 8000 років. Останній пов'язаний зі зміною дипольного магнітного моменту в 1,5-2 рази.

2. Світові аномалії - відхилення від еквівалентного диполя до 20% напруженості окремих областей з характерними розмірами до10 000 км. Ці аномальні поля відчувають вікові варіації, що призводять до змін з часом протягом багатьох років і століть. Приклади аномалій: Бразильська, Канадська, Сибірська, Курська. В ході вікових варіацій світові аномалії зміщуються, розпадаються і виникають знову. На низьких широтах є західний дрейф по довготі зі швидкістю 0,2 ° в рік.

3. Магнітні поля локальних областей зовнішніх оболонок з протяжністю від декількох до сотень км. Вони обумовлені намагниченностью гірських порід в верхньому шарі Землі, що складають земну кору і розташованих близько до поверхні. Одна з найбільш потужних - Курська магнітна аномалія.

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

Структура магнітного поля земної атмосфери.

Земне магнітне поле знаходиться під впливом потоку намагніченою сонячної плазми. В результаті взаємодії з полем Землі утворюється зовнішня межа навколоземного магнітного поля, яка називається магнітопауза. Вона обмежує земну магнітосферу. Через впливу сонячних корпускулярних потоків розміри і форма магнітосфери постійно змінюються, і виникає змінне магнітне поле, яке 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 в часі, викликані різними причинами, називаються геомагнітними варіаціями, які розрізняються як за тривалістю, так і по локалізації на Землі і в її атмосфері.

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

Хвіст магнітосфери образовансіловимі лініями магнітного поля Землі, що виходять з полярних областей і витягнутих під дією сонячного вітру на сотні земних радіусів від Сонця в нічну сторону Землі. В результаті плазма сонячного вітру і сонячних корпускулярних потоків як би обтікають земну магнітосферу, 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 всередину земної магнітосфери і магнітних пасток радіаційних поясів. Проникаючи в головну частину магнітосфери в область овалів полярних сіянійпод дією змінюється тиску сонячного вітру і міжпланетного поля, хвіст служить місцем формування потоків висипати часток, що викликають полярні сяйва і авроральной струми. Магнітосфера відокремлена від міжпланетного простору магнітопауза. Уздовж магнітопаузи частки корпускулярних потоків обтікають магнітосферу. Вплив сонячного вітру на земне магнітне поле іноді буває дуже сильним. Магнітопауза-зовнішній кордон магнітосфери Землі (або планети), на якій 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 на Землі магнітопауза може заходити за геостаціонарну орбіту (6,6 радіусів Землі). При слабкому сонячному вітрі соняшникова точка знаходиться на відстані 15-20 радіусів Землі.

Сонячний вітер -

витікання плазми сонячної корони в міжпланетний простір. На рівні орбіти Землі середня швидкість часток сонячного вітру (протонів і електронів) близько 400 км / с, число частинок - кілька десятків в 1 см3.

Магнітна буря.

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

Геомагнітні варіації.

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

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

Нерегулярні варіації. Нерегулярні варіації магнітного поля виникають внаслідок впливу потоку сонячної плазми (солнечноговетра) на магнітосферу Землі, а так же змін всередині магнітосфери і взаємодії магнітосфери з іоносферою.

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

Сезонні варіації. Сезонні варіації магнітної активності впевнено виявляються на підставі середньомісячних даних про магнітну активності, отриманих шляхом обробки спостережень за кілька років. Їх амплітуда збільшується зі зростанням загальної магнітної активності. Знайдено, що сезонні варіації магнітної активності мають два максимуми, що відповідають періодам рівнодення, і два мінімуму, відповідні періодам сонцестояння. Причиною цих варіацій є утворення активних областей на Сонці, які групуються в зонах від 10 до 30 ° північної і південної геліографічних широт. Тому в періоди рівнодення, коли площини земної і сонячного екватора збігаються, Земля найбільш схильна до дії активних областей на Сонці.

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

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

Радіаційні пояса і космічні промені.

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

У них зосереджені величезні потоки протонів і електронів, захоплених дипольним магнітним полем Землі. Магнітне поле Землі впливає на електрично заряджені частинки, які рухаються в навколоземному космічному просторі. Є два основних джерела виникнення цих частинок: космічні промені, тобто енергійні (від 1 до 12 ГеВ) електрони, протони і ядра важких елементів, що приходять з 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 по спіралі; траєкторія частки як би навивається на циліндр, по осі якого проходить силова лінія. Радіус цього уявного циліндра залежить від напруженості поля і енергії частинки. Чим більше енергія частинки, тим при даній напруженості поля радіус (він називається ларморовським) більше. Якщо ларморовской радіус багато менше, ніж радіус Землі, частка не досягає її поверхні, а захоплюється магнітним полем Землі. Якщо ларморовской радіус багато більше, ніж радіус Землі, частинка рухається так, як ніби-то магнітного поля немає, частинки проникають крізь магнітне поле Землі в екваторіальних районах, якщо їх енергія більше 109 ев. Такі частинки вторгаються в атмосферу і викликають при зіткненні з її атомами ядерні перетворення, які дають певні кількості вторинних космічних променів. Ці вторинні космічні промені вже реєструються на поверхні Землі. Для дослідження космічних променів в їхній первісній формі (первинних космічних променів) апаратуру піднімають на ракетах і штучних супутниках Землі. Приблизно 99% енергійних частинок, «пробивають» магнітний екран Землі, є космічними променями галактичного походження і лише близько 1% утворюється на Сонце. Магнітне поле Землі утримує величезну кількість енергійних частинок, як електронів, так і протонів. Їх енергія і концентрація залежать від відстані до Землі і геомагнітної широти. Частинки заповнюють як би величезні кільця або пояса, що охоплюють Землю навколо геомагнітного екватора.

Едвард Кононович