Притягательная планета. Магнитное поле Земли. Зачем нужно магнитное поле планетам Откуда появилось магнитное поле земли

Всегда возникал вопрос, как работает компас? И сегодня мы поговорим о такой вещи, как МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ. И так как, к сожалению, редактор ограничен во времени, а дать что-то интересное хочется, мы расскажем вам о “земном магнетизме” с помощью нескольких различных источников.

Итак:

Магнитное поле Земли долгое время оставалось загадкой, ведь каменных магнитов не бывает, правда? Но как только вы открываете, что внутри Земли имеется колоссальное количество железа, все вроде бы становится на свои места. Железо не образует «постоянный» магнит вроде прикрепленных к пластиковым поросяткам и медвежаткам, которых мы, сами не зная зачем, покупаем, чтобы прицепить на холодильник. Земные недра больше походят на динамо. Кстати, это так и называется – геомагнитное динамо. Как мы уже упоминали, железо в ядре Земли находится по большей части в расплавленном состоянии, за исключением твердого плотного «шарика» в самом центре. Жидкая часть до сих пор продолжает нагреваться. Прежде это явление объясняли тем, что радиоактивные элементы, будучи плотнее всего остального в химическом составе планеты, погрузились в самый центр, оказавшись запертыми там, а тепло дает излучаемая ими радиоактивная энергия. Современная же теория предлагает совершенно иное объяснение: жидкая часть ядра нагревается, поскольку твердая – остывает. Расплавленное железо на контакте с твердым ядром само понемногу застывает, при этом высвобождается тепло. Это тепло должно куда-то деться, оно не может просто исчезнуть, словно дуновение теплого воздуха, – вокруг тысячи миль сплошной горной породы. Тепло передается расплавленному слою ядра, нагревая его.

Возможно, вас удивит факт, что та часть, которая вступает в контакт с твердым ядром, может охлаждаться и затвердевать и, одновременно с этим, нагреваться в процессе этого затвердевания. Объяснение простое: горячее расплавленное железо поднимается вверх по мере разогрева. Вспомните воздушный шар. Когда вы нагреваете воздух, он поднимается. Это происходит потому, что при нагревании воздух расширяется, становится менее плотным, а менее плотные вещества всплывают над более плотными. Воздушный шар удерживает воздух в огромном шелковом мешке, часто ярко окрашенном и разрисованном эмблемами банков или агентств недвижимости, и поднимается вместе с воздухом. Горячее железо ничем не разрисовано, но поднимается точно так же, как горячий воздух, удаляясь от твердого ядра. Оно медленно всплывает, остывая, а потом, когда становится слишком холодным, точнее сравнительно холодным, начинает снова погружаться в глубину. В результате земное ядро находится в непрерывном движении, раскаляясь внутри и остывая снаружи. Оно не может подняться все разом, то есть одни области ядра всплывают, в то время как другие – заново погружаются. Такой вид циркулирующей теплопередачи называется конвекцией.

По мнению физиков, при соблюдении неких трех условий движущиеся жидкости могут создавать магнитное поле. Во?первых, жидкость должна проводить электрический ток, и железо прекрасно с этим справляется. Во?вторых, изначально должно присутствовать хотя бы небольшое магнитное поле, а есть веские основания полагать, что нашей Земле, тогда еще совсем юной, была присуща некая толика личного магнетизма. В?третьих, что-то должно вращать эту жидкость, искажая исходное магнитное поле, и у Земли такое вращение происходит за счет силы Кориолиса, похожей на центробежную силу, однако действующей более слабо и возникающей в результате вращения Земли вокруг своей оси. Грубо говоря, вращение искажает исходно слабое магнитное поле, закручивая его, как спагетти на вилку. Затем магнетизм поднимается наверх, пойманный всплывающими массами железного ядра. В результате всего этого коловращения магнитное поле становится намного сильнее.

Да, в каком-то смысле можно сказать, что Земля ведет себя так, словно внутри у нее имеется огромный магнит, но на самом деле все гораздо сложнее. Чтобы немного конкретизировать нарисованную картину, напомним, что существуют по меньшей мере семь других факторов, обусловливающих наличие у Земли магнитного поля. Так, некоторые составляющие земной коры могут быть постоянными магнитами. Подобно стрелке компаса, указывающей на север, они постепенно выстроились вдоль более сильного геомагнитного динамо, дополнительно усиливая его. В верхних слоях атмосферы имеется слой заряженного ионизированного газа. До того как были изобретены спутники, ионосфера играла важнейшую роль в обеспечении радиосвязи: радиоволны отражались от заряженного газа, а не уходили в космос. Ионосфера находится в движении, а движущееся электричество создает магнитное поле. На высоте примерно 15 000 миль (24 000 км) течет кольцевой ток – слой ионизированных частиц низкой плотности, образующий огромный тор. Это немного ослабляет силу магнитного поля Земли.

Следующие два фактора – это так называемые магнитопауза и магнитный хвост, возникшие под влиянием солнечного ветра на магнитосферу Земли. Солнечный ветер – это постоянный поток частиц, испускаемых гиперактивным Солнцем. Магнитопауза – это головная волна земного магнитного поля, идущая против солнечного ветра, а магнитный хвост – след этой волны с противоположной стороны планеты, где собственное магнитное поле Земли «утекает» наружу, к тому же разрушаясь под воздействием солнечного ветра. Кроме того, солнечный ветер вызывает своеобразную тягу вдоль орбиты Земли, создавая дополнительное искажение линий магнитного поля, известное как продольный ток в магнитосфере. И, наконец, существуют авроральные потоки. Северное сияние, или aurora borealis, – это восхитительные, таинственные полотнища бледного света, переливающиеся в северном полярном небе. Аналогичный спектакль, aurora australis, можно наблюдать неподалеку от Южного полюса. Полярные сияния создаются двумя полосами электрического тока, текущими от магнитопаузы в магнитный хвост. Это, в свою очередь, создает новые магнитные поля и два электрических потока – западный и восточный.

Значит, говорите, Земля – просто большой магнит? Ну да, а океан – это миска с водой.

Магнитные материалы, найденные в древних породах, свидетельствуют, что время от времени магнитное поле Земли меняет свою полярность, северный магнитный полюс становится южным и наоборот. Это происходит примерно один раз в полмиллиона лет, хотя строгую закономерность проследить так и не удалось. Никто точно не знает, почему это происходит, однако математические модели показывают, что магнитное поле Земли может быть ориентировано равновероятно и в том и в другом направлениях, причем ни одно из них не является устойчивым. Любое положение рано или поздно теряет устойчивость и передает эстафетную палочку противоположному. Переходы происходят быстро, в течение примерно 5 тысяч лет, тогда как периоды между ними в сто раз длиннее.

Магнитные поля имеются у большинства планет, и этот факт еще более сложнообъясним, чем земное поле. Нам с вами предстоит еще много узнать о планетарном магнетизме.

Альфред Вегенер

Одно из самых впечатляющих свойств нашей планеты было обнаружено в 1912 году, но не принималось во внимание до 60?х. Наиболее убедительным доказательством в ее пользу стала именно смена магнитных полюсов. Речь идет о том, что земные континенты не стоят на месте, но медленно дрейфуют по поверхности планеты. По мнению немецкого ученого Альфреда Вегенера , первым опубликовавшего свою теорию, нынешние отдельные континенты раньше являлись одним суперматериком, который он назвал Пангея (то есть «Вся земля»). Он существовал около 300 миллионов лет назад.

Наверняка Вегенер не первым додумался до этого. Его идея, по крайней мере отчасти, возникла под влиянием удивительного сходства очертаний берегов Африки и Южной Америки. На карте это особенно бросается в глаза. Естественно, Вегенер опирался и на другие данные. Он был не геологом, а метеорологом, специалистом по древнему климату, и его удивляло то, что в регионах с холодным климатом обнаруживаются горные породы, явно возникшие в регионах с теплым, и наоборот. Например, в Сахаре до сих пор можно отыскать остатки древних ледников, возраст которых 420 миллионов лет, а в Антарктиде – окаменевшие папоротники. В те времена любой бы ему сказал, что просто поменялся климат. Однако Вегенер был убежден, что климат остался практически тем же, за исключением ледникового периода, а изменились, то есть переместились, сами континенты. Он предполагал, что они разделились в результате конвекции в земной мантии, но не был в этом уверен.

Эту идею посчитали безумной, тем более что предложена она была не геологом, и к тому же Вегенер игнорировал все факты, не влезающие в его теорию. И то, что сходство между Африкой и Южной Америкой не столь уж идеальное, и то, что дрейф материков невозможно было объяснить. Конвекция тут явно ни при чем, так как она слишком слаба. Великий А’Туин ( подозревает, что А’Туин – девочка), может, и несет на своей спине целый мир, но он – всего лишь выдумка, а в реальном мире, похоже, такие силы просто немыслимы.

Слово «немыслимы» мы употребили не случайно. Множество блестящих и уважаемых ученых частенько повторяют одну и ту же ошибку. Они путают выражение «Я не понимаю, как это может быть» с «Это совершенно невозможно». Одним из таких, как это ни стыдно признавать одному из нас двоих , был математик, причем великолепный, но когда его расчеты показали, что земная мантия не может перемещать континенты, ему даже не пришло в голову, что теории, на которых строились расчеты, были ошибочны. Звали его сэр Гарольд Джеффрис, и его проблема была в том, что ему явно не хватало полета фантазии, потому что не только очертания материков по обе стороны Атлантики совпадали. С точки зрения геологии и палеонтологии тоже все сходилось. Возьмем, к примеру, окаменевшие останки бестии по имени мезозавр , жившей 270 миллионов лет назад одновременно в Южной Америке и Африке. Вряд ли мезозавр переплыл Атлантический океан, скорее он просто жил на Пангее, успев расселиться по обоим континентам, когда они еще не были разделены.

Однако в 60?х годах ХХ века идею Вегенера признали, и его теория «дрейфа материков» утвердилась в науке. На встрече ведущих геологов некий молодой человек по имени Эдвард Баллард, весьма напоминающий Думминга Тупса, и двое его коллег продемонстрировали возможности нового тогда устройства, называемого компьютером. Они поручили машине отыскать наилучшее соответствие не только между Африкой и Южной Америкой, но и Северной Америкой, а также Европой, учитывая возможные, но небольшие изменения. Вместо того чтобы взять нынешние очертания береговой линии, что с самого начала было не слишком блестящей идеей, позволяя противникам теории дрейфа утверждать, что материки не совпадают, молодые ученые использовали контур, соответствующий глубине 3200 футов (1000 м) ниже уровня моря, поскольку, по их мнению, он меньше подвергся эрозии. Контуры подошли хорошо, а геология так просто великолепно. И хотя люди на конференции все равно не пришли к единому мнению, теория континентального дрейфа получила наконец определенное признание.

Сегодня у нас имеется куда больше доказательств и четкое представление о механизме дрейфа. В центральной части Атлантического океана, на полпути между Южной Америкой и Африкой, с юга на север протянулся один из срединных океанических хребтов (такие, кстати, есть и во всех других океанах). Вулканические материалы поднимаются из недр вдоль всего хребта, а затем растекаются по его склонам. И так происходит уже в течение 200 миллионов лет. Можно даже отправить подводную лодку и просто понаблюдать за процессом. Конечно, всей человеческой жизни не хватит, чтобы это заметить, однако Америка удаляется от Африки со скоростью 3/4 дюйма (2 см) в год. Примерно с такой же скоростью растут наши ногти, тем не менее современная аппаратура способна регистрировать эти изменения.

Наиболее яркое доказательство континентального дрейфа получено благодаря магнитному полю Земли: горные породы по обе стороны хребтов имеют любопытный узор из магнитных полос, меняющих полярность с севера на юг и обратно, причем узор на обоих склонах симметричен. Это означает, что полоски застыли в магнитном поле по мере остывания. Когда время от времени земное динамо меняло свою полярность, горные породы хребта намагничивались в его поле. Затем, после разъединения намагниченных пород, одинаковые узоры оказались по разные стороны хребта.

Поверхность Земли – это не твердая сфера. И континенты, и океанское ложе плавают на огромных, особенно твердых плитах, которые могут разъехаться в стороны, когда между ними просачивается магма. (Причем чаще всего это происходит из-за конвекции в мантии. Просто Джеффрис не знал о движении мантии всего того, что знаем мы.) Существует около десятка плит, шириной от шестисот (1000 км) до шести тысяч (10 000 км) миль, и они все время поворачиваются. Там, где их границы соприкасаются, трутся и скользят, постоянно происходят землетрясения и извержения вулканов. Особенно в Тихоокеанском огненном поясе, протянувшемся по всему периметру Тихого океана и включающему в себя западное побережье Чили, Центральную Америку, США и дальше Японские острова и Новую Зеландию. Все они находятся на краю одной гигантской плиты. Там, где плиты сталкиваются, возникают горы: одна плита оказывается под другой и приподнимает ее, дробя и сминая ее край. Индия – это вовсе не часть Азиатского континента, она просто врезалась в него, сотворив высочайшие в мире горы – Гималаи. Она так разогналась, что до сих пор продолжает свое движение, и Гималаи растут.

(с) Наука Плоского мира, Терри Пратчетт, Джек Коэн, Айан Стюарт (Вообще, почитайте эту книжку, лучшего пособия в развлекательной форме не найти (но перед этим ознакомьтесь в принципе с серией “Плоского мира” Пратчетта в библиографическом НЕ КАК ПОПАЛЬНОМ порядке)).

Видео Магнитного поля от Роскосмоса:

Как работает компас

Кто не видел компас? Небольшая такая вещица, похожая на часы с одной стрелкой. Крутишь ее, вертишь, а стрелка упрямо разворачивается в одну сторону. Стрелка компаса представляет собой магнит, свободно вращающийся на игле. Принцип действия магнитного компаса основан на притяжении-отталкивании двух магнитов. Противоположные полюса магнитов притягиваются, одноименные – отталкиваются. Наша планета также является таким магнитом. Сила его невелика, ее недостаточно, что бы проявиться на тяжелом магните. Однако легкая стрелка компаса, уравновешенная на игле поворачивается и под влиянием небольшого магнитного поля.

спортивный компас

Что бы стрелка компаса не болталась, а четко показывала направление вне зависимости от тряски, она должна быть достаточно сильно намагничена. В спортивных компасах колбу со стрелкой заливают жидкостью. Неагрессивной для пластмассовых и металлических частей, не замерзающей при зимних температурах. Пузырек воздуха, оставленный в колбе, несет в себе функции указателя уровня, для ориентации компаса в горизонтальной плоскости.

Первенство в изучении магнитного поля Земли принадлежит английскому ученому Уильяму Гильберту. В своей книге «О магните, магнитных телах и большом магните – Земле», изданной в 1600 году он представил Землю в виде гигантского постоянного магнита, ось которого не совпадает с осью вращения Земли. Угол между осью вращения и магнитной осью называют магнитным склонением.

В результате такого несовпадения, говорить, что стрелка компаса всегда указывает на север, не совсем верно. Она указывает на точку, находящуюся на расстоянии в 2100 км от северного полюса, на острове Соммерсет (его координаты 75°,6 с. ш., 101° з. д. – данные на 1965 г.) Магнитные полюса Земли медленно дрейфуют. Кроме такой ошибки в направлении стрелки (будем называть ее систематической), нельзя также забывать о других причинах неправильной работы компаса:

Металлические предметы или магниты, находящиеся вблизи компаса отклоняют его стрелку
Электронные приборы, являющиеся источниками электромагнитных полей
Залежи полезных ископаемых – металлических руд
Магнитные бури, происходящие в годы сильной активности солнца, искажают магнитное поле Земли.

А теперь, попробуйте ответить на вопросы для сообразительных:

А пока Вы размышляете, приведу несколько интересных фактов о магнитном поле Земли.

Оказывается, оно ослабевает примерно на 0,5% каждые 10 лет. По различным подсчетам, оно исчезнет через 1-2 тысячи лет. Предполагается, что в этот момент будет происходить переполюсовка магнита – Земли. После чего поле снова начнет нарастать, но северный и южный магнитный полюса поменяются местами. Считается, что такое с нашей планетой происходило уже огромное количество раз.

Оказывается, что перелетные птицы также ориентируются “по компасу”, точнее, магнитное поле Земли служит им ориентиром. Недавно ученые узнали, что у птиц в области глаз располагается маленький магнитный “компас” - крохотное тканевое поле, в котором расположены кристаллы магнетита, обладающие способностью намагничиваться в магнитном поле.

Простейший компас можно изготовить самостоятельно. Для этого надо оставить рядом с магнитом швейную иглу на несколько дней. После этого игла намагнитится. Смочив ее жиром или маслом, аккуратно опустите иглу на поверхность налитой в чашку воды. Жир не даст ей утонуть, и игла развернется с севера на юг (ну или наоборот:).

Впечатлились? Вот теперь, можете проверить свои ответы на вопросы:

Как вы думаете, куда будет указывать стрелка компаса, если Вы находитесь между северным географическим полюсом и северным магнитным полюсом?
– Северный конец стрелки будет показывать.. на юг, а южный – на север!
Куда показывает стрелка, когда компас находится в районе магнитного полюса?
– оказывается, стрелка, подвешенная на нити в районе магнитного полюса стремится развернуться… вниз, вдоль магнитных линий Земли!
Если, руководствуясь компасом очень долго идти все время строго на северо-восток, то куда придешь?
– придешь на северный магнитный полюс! Попробуйте проследить свой путь на глобусе, очень интересный маршрут получается.

а так мог выглядеть морской компас на корабле Колумба

Надеемся, вам понравился этот материал. Если да, то будем делать больше таких разных!

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

Просмотры: 367

Библиографическое описание: Коробко П. И., Фролова В. М., Лобанов И. А., Титова Н. А., Паньшина С. Г., Паньшин Е. А. Использование магнитного поля Земли в решении проблем районов Крайнего Севера // Юный ученый. 2016. №5. С. 62-68..06.2019).

Для большинства территорий Крайнего Севера единственный возможный способ транспортного сообщения - это самолет. Морское сообщение в сезон летней навигации используется только для доставки грузов. Пассажирское сообщение отсутствует по причине большой протяженности морских трасс. Железнодорожного и автомобильного сообщения с «большой землей» в принципе нет.

Другой очень острой проблемой районов Крайнего Севера является энергетика. Если в других более теплых регионах страны энергетические проблемы успешно решаются эксплуатацией гидроэлектростанций, то в районах, прилегающих к побережью Северного Ледовитого океана подобный вариант теряет свои преимущества (из-за замерзания зимой рек), а местами неосуществим из-за слишком малого перепада высот (необходимого для деятельности гидростанции).

Строительство электростанций на органическом топливе в условиях полярного климата и вечной мерзлоты экономически неоправданно, слишком долог срок их окупаемости, кроме того месторождения нефти и газа могут находится на значительном удалении от мест, где требуется электроэнергия. Таким образом, во многие прибрежные районы топливо завозится морем.

Очевидно, что зависимость района от периодических поставок топлива и от нерегулярного пассажирского и грузового сообщения не может позволить регионам развиваться в полную силу. В рамках данной статьи предлагается техническое решение для транспортного сообщения между населенными пунктами Салехард - Анадырь, а также способы получения энергии непосредственно в нуждающихся областях, что позволит открыть новые перспективы развития объектов, расположенных на Крайнем Севере.

Характеристики, которым должно отвечать разрабатываемое средство передвижения:

– использование возобновляемых, безопасных, экологическая чистых и обладающие большим потенциалом источников энергии. При этом следует отдавать предпочтение более дорогостоящему, но работающему на основе возобновляемых ресурсов и экологически чистому источнику энергии;

– использование новейших технологий и инновационных решений.

Для реализации данного проекта нами проведены следующие исследования:

– анализ географических и климатических особенностей территорий, по которым должен пролегать маршрут «Анадырь - Салехард»;

– анализ используемого транспорта на территории предполагаемого маршрута;

– поиск возможных для использования возобновляемых источников энергии.

Прежде чем приступить к разработке технического решения для транспортного сообщения между населенными пунктами Салехард - Анадырь, мы провели анализ географических и климатических особенностей территорий, по которым должен пролегать маршрут «Анадырь - Салехард». Кратко можно сказать, что города Анадырь и Салехард находятся примерно на одной географической широте. Вероятный маршрут пролегает через полярную зону с субарктическим климатом. Эта территория входит в зону полярных сияний. Небольшой приток солнечной радиации, равнинный рельеф, открытый для вторжения воздушных масс с Арктики в летнее время и переохлажденных континентальных масс зимой, определяют резкую континентальность и суровость климата.

Многолетняя мерзлота, обилие болот, озер и рек. Длительная зима, короткое прохладное лето, сильные ветры, незначительная мощность снежного покрова - все это способствует промерзанию почвы на большую глубину.

Проведенный анализ транспорта, используемого на территории предполагаемого маршрута показал, что из-за неустойчивой погоды имеющую склонность к дождям, снегопадам и сильному ветру рейсы самолетов могут задерживаться или совсем отменяться. Весной и осенью в определенные промежутки самолеты не летают совсем. Существующее морское сообщение в сезон летней навигации используется только для доставки грузов. Пассажирское сообщение отсутствует по причине большой протяженности морских трасс. Железнодорожного и автомобильного сообщения с «большой землей» в принципе нет.

Нашей группой был проведен анализ новейших достижений науки и техники в области транспорта и использования новых видов энергии, которые можно будет использовать для воплощения проекта.

Совсем недавно, в конце прошлого столетия (1986 г) был открыт новый вид сверхпроводников, которые не нуждались в условиях очень низких температур на тот момент известные сверхпроводники - ртуть и свинец обретали свойства сверхпроводимости при температурах до -270°С. В настоящее время керамические проводники приобретают свойства сверхпроводимости при температуре от -191°С до -183°С. Эту температуру можно поддерживать при помощи жидкого азота (он образуется при температуре -195,75°С). Это открытие резко снизило стоимость сверхпроводников.

Это открытие позволит создавать мощные супермагниты, удерживающие в воздухе транспортные средства наподобие поезда.

Для того, чтобы привести в движение поезд на магнитной подушке достаточно струи сжатого воздуха для преодоления силы сопротивления воздуха .

Но для использования жидкого азота необходимо холодильное оборудование. А для работы холодильного оборудования необходим источник энергии. Где его взять в тундре? Необходим источник энергии.

Поиск источников энергии.

При рассмотрении климатических и географических особенностей территории предполагаемого маршрута мы выяснили, что маршрут находится в зоне полярных сияний.

Полярное сияние - самое грандиозное явление, которое человек может наблюдать на Земле. Но полярное сияние не только грандиозное и красивое зрелище. Оно является единственным проявлением воздействия солнечной радиации на околоземное космическое пространство и земную атмосферу, которое можно увидеть невооруженным глазом.

Полярное сияние - это свечение земной атмосферы под воздействием потоков солнечных частиц, которые вторгаются в атмосферу.

Солнечные потоки подходя к Земле, обтекают ее, так как Земля защищена от этих частиц собственным магнитным полем. Однако конфигурация магнитного поля Земли такова, что часть этих частиц проникает внутрь магнитосферы, а из нее в верхнюю атмосферу. Обладая большим количеством энергии и проникая в атмосферу Земли эти частицы сталкиваясь с атомами и молекулами верхней атмосферы вызывают ее свечение.

Полярное сияние можно сравнить с Жар-птицей из народных преданий и сказок. Оказывается, наши ученые уже придумали как поймать эту Жар-птицу за хвост. И если в этом проекте мы используем это, то мы дадим жизнь уникальному изобретению российского физика Данилкина Н. П. («Институт прикладной геофизики имени академика Е. К. Федорова». Им был изобретен уникальный метод получения электрической энергии из верхних слоев атмосферы в зоне полярных сияний, называемой ионосферой .

Суть метода в следующем.

Предполагается использовать возможность извлечения электрической энергии из ионосферы, где протекают токи на высотах более 100 км над поверхностью Земли. Такая электростанция должна располагаться на поверхности Земли и будет черпать энергию из околоземного космического пространства, используя преобразование электромагнитной энергии, являющейся следствием работы сил планетарного характера, в электрический ток технического назначения.

Оказывается, что основная «перекачка» энергии по цепочке солнечно-земных связей происходит в результате солнечных вспышек, которые сопровождаются магнитными бурями. Однако в зоне полярных сияний и в спокойном состоянии, а тем более в периоды магнитных бурь, напряженность магнитного поля на поверхности Земли претерпевает непрерывные изменения.

Поэтому, если на поверхности Земли расположить однопроводный контур, то в таком контуре в период изменения напряженности магнитного поля в соответствии законами физики возникает электродвижущая сила, вызывающая электрический ток.

Суммарная мощность токов, постоянно текущих в ионосфере Земли, значительно превышает потребности человечества. Если технологически грамотно научиться подсоединяться к этим токам, то весь процесс окажется экологически чистым и безопасным.

Для того чтобы увеличить мощность такой электростанции, параллельно этому контуру можно подключить необходимое количество контуров.

Имеется еще путь уменьшения электрического сопротивления контура за счет использования явления сверхпроводимости.

Конечно же прежде чем строить электростанции и прокладывать путепровод для поезда на магнитной подушке необходимо провести множество серьёзных расчетов, экспериментов и опытно-конструкторских работ. Несмотря на это уже существуют факты, доказывающие технологическую возможность и потенциал такой электростанции. Например, это хорошо иллюстрируется событиями, случившимися в провинции Квебек (Канада) 13–14 марта 1989 г. . В это время после мощной вспышки на Солнце и прохождения большого заряда энергии по цепочке процессов на линии «Солнце–Земля» характеристики поля электромагнитной индукции в данной зоне оказались расположенными таким образом, что в высоковольтных линиях электропередачи возникли сильные индукционные токи. При этом мощность этих токов оказалась такова, что предохранители отключили 40 % мощности всей энергосистемы «Гидро-Квебек», что составило 9 ГВт. Отметим, что эти мощные индукционные токи возникли в системе, не ориентированной на их получение!

Другое известное событие произошло 1–2 сентября 1859 года. Это была мощнейшая за историю наблюдений геомагнитная буря. Комплекс событий, включающий в себя как геомагнитную бурю, так и вызвавшие её мощные активные явления на Солнце, иногда называют «Событием Кэррингтона»

С 28 августа по 2 сентября на Солнце наблюдались многочисленные пятна и вспышки. Сразу после полудня 1 сентября британский астроном Ричард Кэррингтон наблюдал наибольшую вспышку, которая вызвала крупный выброс массы солнечной радиации. Он устремился к Земле и достиг её через 18 часов, что очень быстро, так как это расстояние обычно проходится выбросом за 3–4 дня. Выброс двигался так быстро потому, что предыдущие выбросы расчистили ему путь. Началась крупнейшая за всю историю регистрации геомагнитная буря, вызвавшая отказ телеграфных систем по всей Европе и Северной Америке. Северные сияния наблюдались по всему миру, даже над Карибами;

В результате 1 и 2 сентября 1859 года отказала вся телеграфная система в Северной Америке и по всей Европе: искрили линии передач, спонтанно возгоралась телеграфная бумага, а некоторые устройства, например телеграф, невозмутимо продолжали свою работу, будучи уже отключенными от источника питания.

Из расчетов российского физика Данилкина Н. П. (Институт прикладной геофизики им. академика Е. К. Федорова) можно сделать два вывода:

– предложенный метод способен извлечь из ионосферы достаточную для промышленных целей электроэнергию;

– ионосфера и магнитосфера обладают достаточным для указанных целей запасом энергии.

Главными недостатками данного способа получения энергии на уровне современной технологии являются весьма внушительные размеры работающего контура и очевидная дороговизна его создания. Однако достоинства метода могут превысить эти недостатки, особенно, если будут открыты новые удобные для решения данной задачи материалы.

К числу преимуществ этой электростанции следует отнести:

– такая станция, будучи однажды построенной, не будет изнашиваться и теоретически будет функционировать столько, сколько светит Солнце и работает цепочка связей «Солнце - Земля»;

– технологический процесс извлечения энергии из ионосферы оказывается экологически чистым и безопасным, и даже теоретической возможности вызвать катастрофу не существует.

Вывод.

Экспериментальное подтверждение разрабатываемого проекта в лабораторных условиях .

Для того чтобы получить экспериментальное подтверждение идее получения электричества из ионосферы достаточно проделать опыт, демонстрируемый в школьном курсе физики.

Проделав этот опыт, мы рассмотрели, что представляет собой явление электромагнитной индукции. Для опыта нам понадобился гальванометр, постоянный магнит и катушка с намотанной на нее проволокой. Концы проволоки соединили с катушкой. Когда мы вдвигали внутрь катушки постоянный магнит, гальванометр отклонялся. Это означает, что в цепи возник электрический ток.

Так как никакого источника тока у нас в цепи нет, то логично предположить, что ток возникает вследствие появления магнитного поля внутри катушки. Когда мы будем вытаскивать магнит обратно из катушки, мы увидим, что снова изменятся показания гальванометра, но его стрелка при этом отклонится в противоположную сторону. Мы опять получили ток, но уже направленный в другую сторону.

Рис. .1 Явление электромагнитной индукции

После этого мы проделали похожий опыт с теми же элементами, только при этом зафиксировали магнит неподвижно. Теперь мы снимали и надевали на магнит саму катушку, подсоединенную к гальванометру. В результате мы получили аналогичные события. Отклоняясь, стрелка гальванометра показывала нам появление тока в цепи. При этом, когда магнит был неподвижен, тока в цепи не было - стрелка стояла на ноле.

Рис. 2. Проведение эксперимента проекта в лабораторных условиях

Катушку можно заменить проводящим контуром и проделать опыты по перемещению и вращению самого контура в постоянном магнитном поле, либо же магнита внутри неподвижного контура. Результаты будут те же - появление тока в цепи при движении магнита или контура.

Таким образом, проведенный эксперимент позволяет сделать вывод:

При всяком изменении магнитного потока, пронизывающего контур замкнутого проводника, возникает электрический ток в этом проводнике. При этом электрический ток существует в течение всего процесса изменения магнитного потока.

Этот же принцип используется и в методе получения электроэнергии из ионосферы. Наша планета Земля - это огромный магнит, обладающий постоянным магнитным полем. Вследствие воздействия на нашу планету солнечной радиации магнитное поле Земли претерпевает постоянные изменения. Особенно большие значения вариаций магнитного поля наблюдаются в зоне полярных сияний. Там часто можно наблюдать магнитные бури и суббури.

Описание технического решения.

После проведения запланированных исследований подготовлено следующее решение:

Транспорт, соединяющий два региона в условиях Крайнего Севера должен представлять из себя комфортабельный поезд на магнитной подушке с использование сверхпроводников последнего поколения. В случае, если не получится практически воплотить идею использования сверхпроводников, использовать свойство отталкивание одноименных полюсов магнитов.

Рис. 3. Схема проекта

1) Энергию, необходимую для питания путепровода и поезда на магнитной подушке получать с помощью метода получения электроэнергии из ионосферы. Кроме того, по всему маршруту можно расставить мощные ветрогенераторы и использовать энергию сильных ветров в этих местах.

2) Если платформу, от которой должен отправляться поезд установить на высоте 400 метров, и потом дорогу, по которой будет скользить поезд на магнитной подушке проложить под уклон, то к моменту достижения уровня Земли поезд будет иметь скорость около 310 км/ч. Приближаясь к станции назначения дорога, по которой движется поезд, медленно начнет подниматься до 400 м. И в пункте прибытия поезд остановится. Если же ему не хватит скорости на каком-либо участке, с помощью струи сжатого воздуха поезду будет сообщена необходимая скорость.

Рис. 4. Схема платформы отправления и прибытия

План выполнения предполагаемого проекта.

Для реализации проекта необходимо:

1) Проведение научно-исследовательской работы по разработке транспорта на магнитной подушке с использованием электрической энергии, получаемой из верхних слоев атмосферы в зоне полярных сияний, называемой ионосферой (срок выполнения работ по оценке специалистов 2–3 года);

2) Проведение опытно-конструкторской работы по созданию транспорта на магнитной подушке с использованием электрической энергии, получаемой из верхних слоев атмосферы в зоне полярных сияний, называемой ионосферой. Результат работы: опытный образец участка дороги с поездом на магнитной подушке с использованием электроэнергии, получаемой из верхних слоев атмосферы в зоне полярных сияний, называемой ионосферой (срок выполнения работ по оценке специалистов 5–7 лет).

– реализация проекта на участке Анадырь-Салехард. (срок выполнения работ по оценке специалистов 25–30 лет).

Оценка эффективности и результативности.

Вывод

На Земле имеется альтернативный, экологически чистый и возобновляемый источник планетарной электромагнитной энергии, непрерывно пополняемый процессами, берущими начало на Солнце и приходящими к Земле по цепочке солнечно-земных связей. Современный технологический уровень позволяет использовать эту энергию.

Недостатки проекта

– внушительные размеры

– дороговизна его создания.

Преимущества проекта:

– износостойкость электростанции;

– неисчерпаемый источник энергии (Солнце);

– экологичность;

– рентабельность, за счет бесплатной электроэнергии;

– имея такой источник электроэнергии можно развивать инфраструктуру на всей территории, где пролегает путепровод для поезда.

– перспектива освоения новых территорий.

Литература:

Каку М. Физика будущего. Перевод с английского. Москва 2014 г.;
Данилкин Н. П. «О возможности получения электрической энергии из ионосферы» «Электричество». 1996, № 4, с. 71–75;
Дмитриев А. Н., Шитов А. В., Техногенное воздействие на природные процессы Земли. Горно-Алтайск, 2001 с. 9;
Dokumentika.org[Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://dokumentika.org/zemli/solnechnaya-burya-1859-goda.

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

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

Магнитные полюса Земли

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

Рис. 1. Строение магнитного поля Земли

Рис. 2. Строение магнитосферы

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

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

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

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

Смена магнитных полюсов Земли называется инверсией магнитного поля .

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

В 1905 году Эйнштейн назвал одной из пяти главных загадок тогдашней физики причину земного магнетизма.

В том же 1905 году французский геофизик Бернар Брюнес провел в южном департаменте Канталь замеры магнетизма лавовых отложений эпохи плейстоцена. Вектор намагниченности этих пород составлял почти 180 градусов с вектором планетарного магнитного поля (его соотечественник П. Давид получил аналогичные результаты даже годом раньше). Брюнес пришел к заключению, что три четверти миллиона лет назад во время излияния лавы направление геомагнитных силовых линий было противоположным современному. Так был обнаружен эффект инверсии (обращения полярности) магнитного поля Земли. Во второй половине 1920-х годов выводы Брюнеса подтвердили П. Л. Меркантон и Монотори Матуяма, но эти идеи получили признание лишь к середине столетия.

Сейчас мы знаем, что геомагнитное поле существует не менее 3,5 млрд лет и за это время магнитные полюса тысячи раз обменивались местами (Брюнес и Матуяма исследовали последнюю по времени инверсию, которая сейчас носит их имена). Иногда геомагнитное поле сохраняет ориентацию в течение десятков миллионов лет, а иногда - не более пятисот веков. Сам процесс инверсии обычно занимает несколько тысячелетий, и по его завершении напряженность поля, как правило, не возвращается к прежней величине, а изменяется на несколько процентов.

Механизм геомагнитной инверсии не вполне ясен и поныне, а уж сто лет назад он вообще не допускал разумного объяснения. Поэтому открытия Брюнеса и Давида только подкрепили эйнштейновскую оценку - действительно, земной магнетизм был крайне загадочен и непонятен. А ведь к тому времени его исследовали свыше трехсот лет, а в XIX веке им занимались такие звезды европейской науки, как великий путешественник Александр фон Гумбольдт, гениальный математик Карл Фридрих Гаусс и блестящий физик-экспериментатор Вильгельм Вебер. Так что Эйнштейн воистину глядел в корень.

Как вы думаете, сколько у нашей планеты магнитных полюсов? Почти все скажут, что два - в Арктике и Антарктике. На самом деле ответ зависит от определения понятия полюса. Географическими полюсами считают точки пересечения земной оси с поверхностью планеты. Поскольку Земля вращается как твердое тело, таких точек всего две и ничего другого придумать нельзя. А вот с магнитными полюсами дело обстоит много сложнее. Например, полюсом можно счесть небольшую область (в идеале опять-таки точку), где магнитные силовые линии перпендикулярны земной поверхности. Однако любой магнитометр регистрирует не только планетарное магнитное поле, но и поля местных пород, электрических токов ионосферы, частиц солнечного ветра и прочих дополнительных источников магнетизма (причем их средняя доля не так уж мала, порядка нескольких процентов). Чем точнее прибор, тем лучше он это делает - и потому все больше затрудняет выделение истинного геомагнитного поля (его называют главным), источник которого находится в земных глубинах. Поэтому координаты полюса, определенные с помощью прямого измерения, не отличаются стабильностью даже в течение короткого отрезка времени.

Можно действовать иначе и установить положение полюса на основании тех или иных моделей земного магнетизма. В первом приближении нашу планету можно считать геоцентрическим магнитным диполем, ось которого проходит через ее центр. В настоящее время угол между нею и земной осью составляет 10 градусов (несколько десятилетий назад он был больше 11 градусов). При более точном моделировании выясняется, что дипольная ось смещена относительно центра Земли в направлении северо-западной части Тихого океана примерно на 540 км (это эксцентрический диполь). Есть и другие определения.

Но это еще не все. Земное магнитное поле реально не обладает дипольной симметрией и потому имеет множественные полюса, причем в огромном количестве. Если считать Землю магнитным четырехполюсником, квадруполем, придется ввести еще два полюса - в Малайзии и в южной части Атлантического океана. Октупольная модель задает восьмерку полюсов и т. д. Современные наиболее продвинутые модели земного магнетизма оперируют аж 168 полюсами. Стоит отметить, что в ходе инверсии временно исчезает лишь дипольная компонента геомагнитного поля, а прочие изменяются много слабее.

Полюса наоборот

Многие знают, что общепринятые названия полюсов верны с точностью до наоборот. В Арктике расположен полюс, на который указывает северный конец магнитной стрелки, - следовательно, его стоило бы считать южным (одноименные полюса отталкиваются, разноименные притягиваются!). Аналогично, северный магнитный полюс базируется в высоких широтах Южного полушария. Тем не менее по традиции мы именуем полюса в соответствии с географией. Физики давно условились, что силовые линии выходят из северного полюса любого магнита и входят в южный. Отсюда следует, что линии земного магнетизма покидают южный геомагнитный полюс и стягиваются к северному. Такова конвенция, и нарушать ее не стоит (самое время припомнить печальный опыт Паниковского!).

Магнитный полюс, как его ни определяй, не стоит на месте. Северный полюс геоцентрического диполя в 2000 году имел координаты 79,5 N и 71,6 W, а в 2010-м - 80,0 N и 72,0 W. Истинный Северный полюс (тот, который выявляют физические замеры) с 2000 года сместился с 81,0 N и 109,7 W к 85,2 N и 127,1 W. В течение почти всего ХХ века он делал не более 10 км в год, но после 1980 года вдруг начал двигаться гораздо быстрее. В начале 1990-х годов его скорость превысила 15 км в год и продолжает расти.

Как рассказал «Популярной механике» бывший руководитель геомагнитной лаборатории канадской Службы геологических исследований Лоуренс Ньюитт, сейчас истинный полюс мигрирует на северо-запад, перемещаясь ежегодно на 50 км. Если вектор его движения не изменится в течение нескольких десятилетий, то к середине XXI столетия он окажется в Сибири. Согласно реконструкции, выполненной несколько лет назад тем же Ньюиттом, в XVII и XVIII веках северный магнитный полюс преимущественно смещался на юго-восток и лишь примерно в 1860 году повернул на северо-запад. Истинный южный магнитный полюс последние 300 лет движется в эту же сторону, причем его среднегодичное смещение не превышает 10–15 км.

Откуда вообще у Земли магнитное поле? Одно из возможных объяснений просто бросается в глаза. Земля обладает внутренним твердым железо-никелевым ядром, радиус которого составляет 1220 км. Поскольку эти металлы ферромагнитны, почему бы не предположить, что внутреннее ядро имеет статическую намагниченность, которая и обеспечивает существование геомагнитного поля? Мультиполярность земного магнетизма можно списать на несимметричность распределения магнитных доменов внутри ядра. Миграцию полюсов и инверсии геомагнитного поля объяснить сложнее, но, наверное, попытаться можно.

Однако из этого ничего не получается. Все ферромагнетики остаются таковыми (то есть сохраняют самопроизвольную намагниченность) лишь ниже определенной температуры - точки Кюри. Для железа она равна 768°C (у никеля много ниже), а температура внутреннего ядра Земли значительно превышает 5000 градусов. Поэтому с гипотезой статического геомагнетизма приходится расстаться. Однако не исключено, что в космосе имеются остывшие планеты с ферромагнитными ядрами.

Рассмотрим другую возможность. Наша планета также обладает жидким внешним ядром толщиной приблизительно в 2300 км. Оно состоит из расплава железа и никеля с примесью более легких элементов (серы, углерода, кислорода и, возможно, радиоактивного калия - в точности не знает никто). Температура нижней части внешнего ядра почти совпадает с температурой внутреннего ядра, а в верхней зоне на границе с мантией понижается до 4400°C. Поэтому вполне естественно предположить, что благодаря вращению Земли там формируются круговые течения, которые могут оказаться причиной возникновения земного магнетизма.

Конвективное динамо

«Чтобы объяснить возникновение полоидального поля, необходимо принять во внимание вертикальные потоки вещества ядра. Они образуются благодаря конвекции: нагретый железно-никелевый расплав всплывает из нижней части ядра по направлению к мантии. Эти струи закручиваются силой Кориолиса подобно воздушным потокам циклонов. В Северном полушарии восходящие потоки вращаются по часовой стрелке, а в Южном - против, - объясняет профессор Калифорнийского университета Гэри Глатцмайер. - При подходе к мантии вещество ядра остывает и начинает обратное движение вглубь. Магнитные поля восходящих и нисходящих потоков гасят друг друга, и поэтому по вертикали поле не устанавливается. А вот в верхней части конвекционной струи, там, где она образует петлю и недолго движется по горизонтали, ситуация иная. В Северном полушарии силовые линии, которые до конвекционного восхождения смотрели на запад, поворачиваются по часовой стрелке на 90 градусов и ориентируются на север. В Южном полушарии они поворачиваются с востока против часовой стрелки и тоже направляются на север. В результате в обоих полушариях генерируется магнитное поле, указывающее с юга на север. Хоть это отнюдь не единственное возможное объяснение возникновения полоидального поля, его считают самым вероятным».

Именно такую схему ученые-геофизики обсуждали лет 80 назад. Они считали, что потоки проводящей жидкости внешнего ядра за счет своей кинетической энергии порождают электрические токи, охватывающие земную ось. Эти токи генерируют магнитное поле преимущественно дипольного типа, силовые линии которого на поверхности Земли вытянуты вдоль меридианов (такое поле называется полоидальным). Этот механизм вызывает ассоциацию с работой динамо-машины, отсюда и произошло его название.

Описанная схема красива и наглядна, но, к сожалению, ошибочна. Она основана на предположении, что движение вещества внешнего ядра симметрично относительно земной оси. Однако в 1933 году английский математик Томас Каулинг доказал теорему, согласно которой никакие осесимметричные потоки не способны обеспечить существование долговременного геомагнитного поля. Даже если оно и появится, то век его окажется недолог, вдесятки тысяч раз меньше возраста нашей планеты. Нужна модель посложнее.

«Мы не знаем точно, когда возник земной магнетизм, однако это могло произойти вскоре после формирования мантии и внешнего ядра, - говорит один из крупнейших специалистов по планетарному магнетизму, профессор Калифорнийского технологического института Дэвид Стивенсон. - Для включения геодинамо требуется внешнее затравочное поле, причем не обязательно мощное. Эту роль, к примеру, могло взять на себя магнитное поле Солнца или поля токов, порожденных в ядре за счет термоэлектрического эффекта. В конечном счете это не слишком важно, источников магнетизма хватало. При наличии такого поля и кругового движения потоков проводящей жидкости запуск внутрипланетной динамомашины становился просто неизбежным».

Магнитная защита

Мониторинг земного магнетизма производят с помощью обширной сети геомагнитных обсерваторий, создание которой началось еще в 1830-х годах.

Для этих же целей используют корабельные, авиационные и космические приборы (к примеру, скалярный и векторный магнитометры датского спутника «Эрстед», работающие с 1999 года).

Напряженность геомагнитного поля варьирует приблизительно от 20 000 нанотесла вблизи побережья Бразилии до 65 000 нанотесла в районе южного магнитного полюса. С 1800 года его дипольная компонента сократилась почти на 13% (а с середины XVI века - на 20%), в то время как квадрупольная несколько возросла. Палеомагнитные исследования показывают, что в течение нескольких тысячелетий перед началом нашей эры напряженность геомагнитного поля упорно лезла вверх, а потом начала снижаться. Тем не менее нынешний планетарный дипольный момент значительно превышает свое среднее значение за последние полтораста миллионов лет (в 2010 году были опубликованы результаты палеомагнитных измерений, свидетельствующие, что 3,5 млрд лет назад земное магнитное поле было вдвое слабее нынешнего). Это означает, что вся история человеческих обществ от возникновения первых государств до нашего времени пришлась на локальный максимум земного магнитного поля. Интересно задуматься над тем, повлияло ли это на прогресс цивилизации. Такое предположение перестает казаться фантастическим, если учесть, что магнитное поле защищает биосферу от космического излучения.

И вот еще одно обстоятельство, которое стоит отметить. В юности и даже отрочестве нашей планеты все вещество ее ядра пребывало в жидкой фазе. Твердое внутреннее ядро сформировалось сравнительно недавно, возможно, всего лишь миллиард лет назад. Когда это произошло, конвекционные потоки стали более упорядоченными, что привело к более устойчивой работе геодинамо. Из-за этого геомагнитное поле выиграло в величине и стабильности. Можно предположить, что это обстоятельство благоприятно сказалось на эволюции живых организмов. В частности, усиление геомагнетизма улучшило защиту биосферы от космических излучений и тем самым облегчило выход жизни из океана на сушу.

Вот общепринятое объяснение такого запуска. Пусть для простоты затравочное поле почти параллельно оси вращения Земли (на самом деле достаточно, если оно имеет ненулевую компоненту в этом направлении, что практически неизбежно). Скорость вращения вещества внешнего ядра убывает по мере уменьшения глубины, причем из-за его высокой электропроводности силовые линии магнитного поля движутся вместе с ним - как говорят физики, поле «вморожено» в среду. Поэтому силовые линии затравочного поля будут изгибаться, уходя вперед на больших глубинах и отставая на меньших. В конце концов они вытянутся и деформируются настолько, что дадут начало тороидальному полю, круговым магнитным петлям, охватывающим земную ось и направленным в противоположные стороны в северном и южном полушариях. Этот механизм называется w-эффектом.

По словам профессора Стивенсона, очень важно понимать, что тороидальное поле внешнего ядра возникло благодаря полоидальному затравочному полю и, в свою очередь, породило новое полоидальное поле, наблюдаемое у земной поверхности: «Оба типа полей планетарного геодинамо взаимосвязаны и не могут существовать друг без друга».

15 лет назад Гэри Глатцмайер вместе с Полом Робертсом опубликовал очень красивую компьютерную модель геомагнитного поля: «В принципе для объяснения геомагнетизма давно имелся адекватный математический аппарат - уравнения магнитной гидродинамики плюс уравнения, описывающие силу тяготения и тепловые потоки внутри земного ядра. Модели, основанные на этих уравнениях, в первозданном виде очень сложны, однако их можно упростить и адаптировать для компьютерных вычислений. Именно это и проделали мы с Робертсом. Прогон на суперкомпьютере позволил построить самосогласованное описание долговременной эволюции скорости, температуры и давления потоков вещества внешнего ядра и связанной с ними эволюции магнитных полей. Мы также выяснили, что если проигрывать симуляцию на временных промежутках порядка десятков и сотен тысяч лет, то с неизбежностью возникают инверсии геомагнитного поля. Так что в этом отношении наша модель неплохо передает магнитную историю планеты. Однако есть затруднение, которое пока еще не удалось устранить. Параметры вещества внешнего ядра, которые закладывают в подобные модели, все еще слишком далеки от реальных условий. Например, нам пришлось принять, что его вязкость очень велика, иначе не хватит ресурсов самых мощных суперкомпьютеров. На самом деле это не так, есть все основания полагать, что она почти совпадает с вязкостью воды. Наши нынешние модели бессильны учесть и турбулентность, которая несомненно имеет место. Но компьютеры с каждым годом набирают силу, и лет через десять появятся гораздо более реалистичные симуляции».

«Работа геодинамо неизбежно связана с хаотическими изменениями потоков железо-никелевого расплава, которые оборачиваются флуктуациями магнитных полей,– добавляет профессор Стивенсон. - Инверсии земного магнетизма - это просто сильнейшие из возможных флуктуаций. Поскольку они стохастичны по своей природе, вряд ли их можно предсказывать заранее - во всяком случае мы этого не умеем».

Большинство планет Солнечной системы в той или иной степени обладают магнитными полями.
Специальный раздел геофизики, изучающий происхождение и природу магнитного поля Земли называется геомагнетизмом. Геомагнетизм рассматривает проблемы возникновения и эволюции основной, постоянной составляющей геомагнитного поля, природа переменной составляющей (примерно 1% от основного поля), а так же структура магнитосферы – самых верхних намагниченных плазменных слоев земной атмосферы, взаимодействующих с солнечным ветром и защищающих Землю от космического проникающего излучения. Важной задачей является изучение закономерностей вариаций геомагнитного поля, поскольку они обусловлены внешними воздействиями, связанными в первую очередь с солнечной активностью.

Это может быть удивительно, но сегодня нет единой точки зрения на механизм возникновения магнитного поля планет, хотя почти общепризнанной является гипотеза магнитного гидродинамо, основанная на признании существования токопроводящего жидкого внешнего ядра. Тепловая конвекция, то есть перемешивание вещества во внешнем ядре, способствует образованию кольцевых электрических токов. Скорость перемещения вещества в верхней части жидкого ядра будет несколько меньше, а нижних слоев – больше относительно мантии в первом случае и твердого ядра – во втором. Подобные медленные течения вызывают формирование кольцеобразных (тороидальных) замкнутых по форме электрических полей, не выходящих за пределы ядра. Благодаря взаимодействию тороидальных электрических полей с конвективными течениями во внешнем ядре возникает суммарное магнитное поле дипольного характера, ось которого примерно совпадает с осью вращения Земли. Для “запуска” подобного процесса необходимо начальное, хотя бы очень слабое, магнитное поле, которое может генерироваться гиромагнитным эффектом, когда вращающееся тело намагничивается в направлении оси его вращения.

Не последнюю роль играет и солнечный ветер – поток заряжённых частиц, в основном протонов и электронов, идущих от Солнца. Для Земли солнечный ветер представляет собой поток заряженных частиц постоянного направления, а это не что иное, как электрический ток.

Согласно определению направления тока он направлен в сторону, противоположную движению отрицательно заряженных частиц (электронов), т.е. от Земли к Солнцу. Частицы образующие солнечный ветер, обладающие массой и зарядом, увлекаются верхними слоями атмосферы в сторону вращения Земли. В 1958 году был открыт радиационный пояс Земли. Это огромная зона в космосе, охватывающая Землю в области экватора. В радиационном поясе основными носителями зарядов являются электроны. Их плотность на 2 – 3 порядка превышает плотность других носителей зарядов. И таким образом существует электрический ток вызванный направленным круговым движением частиц солнечного ветра, увлекаемых круговым движением Земли, порождающий электромагнитное “вихревое” поле.

Следует отметить, что магнитный поток, вызванный током солнечного ветра, пронизывает и вращающийся вместе с Землей поток раскаленной лавы внутри нее. В результате этого взаимодействия в ней наводится электродвижущая сила, под действием которой течет ток, который так же создает магнитное поле. Вследствие этого магнитное поле Земли является результирующим полем от взаимодействия тока ионосферы и тока лавы.

Реально существующая картина магнитного поля Земли зависит не только от конфигурации токового слоя, но и от магнитных свойств земной коры, а так же от относительного расположения магнитных аномалий. Здесь можно провести аналогию с контуром с током при наличии ферромагнитного сердечника и без него. Известно, что ферромагнитный сердечник не только меняет конфигурацию магнитного поля, но и значительно усиливает его.

Достоверно установлено что магнитное поле Земли реагирует на солнечную активность, однако если связывать возникновение магнитного поля планет только с токовыми слоями в жидком ядре, взаимодействующими с солнечным ветром, то можно сделать заключение, что планеты солнечной системы, имеющие одинаковое направление вращения, должны иметь одинаковое направление магнитных полей. Однако, например, Юпитер опровергает это утверждение.

Интересно, что при взаимодействии солнечного ветра с возбужденным магнитным полем Земли, на Землю действует вращающий момент, направленный в сторону вращения Земли. Таким образом, Земля относительно солнечного ветра проявляет себя аналогично двигателю постоянного тока с самовозбуждением. Источником энергии (генератором) в данном случае является Солнце. Поскольку и магнитное поле, и вращающий момент, действующий на землю, зависят от тока Солнца, а последний от степени солнечной активности, то при увеличении солнечной активности должен увеличиваться вращающий момент, действующий на Землю и увеличиваться скорость ее вращения.

Составляющие геомагнитного поля

Собственное магнитное поле Земли (геомагнитное поле) можно разделить на cледующие три основные части – основное (внутреннее) магнитное поле Земли , включая мировые аномалии, магнитные поля локальных областей внешних оболочек, переменное (внешнее) магнитное поле Земли.

1. ОСНОВНОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ (внутреннее) , испытывающее медленные изменения во времени (вековые вариации) с периодами от 10 до 10 000 лет, сосредоточенными в интервалах 10–20, 60–100, 600–1200 и 8000 лет. Последний связан с изменением дипольного магнитного момента в 1,5–2 раза.

Магнитные силовые линии, созданные на компьютерной модели геодинамо, показывают, насколько структура магнитного поля Земли проще за ее пределами, чем внутри ядра (спутанные трубочки в центре). На поверхности Земли большая часть линий магнитного поля выходит изнутри (длинные желтые трубочки) у Южного полюса и входит внутрь (длинные голубые трубочки) около Северного.

Большинство людей обычно не задумываются, почему стрелка компаса показывает на север или юг. Но магнитные полюса планеты не всегда располагались так, как сегодня.

Исследования минералов показывают, что магнитное поле Земли за 4-5 млрд. лет существования планеты меняло свою ориентацию с севера на юг и обратно сотни раз. Однако в течение последних 780 тыс. лет ничего подобного не происходило, несмотря на то, что средний период смены магнитных полюсов – 250 тыс. лет. Кроме того, геомагнитное поле ослабло почти на 10% с тех пор, как оно впервые было измерено в 30-х гг. XIX в. (т.е. почти в 20 раз быстрее, чем если бы, лишившись источника энергии, оно снизило свою силу естественным путем). Грядет ли следующая смена полюсов?

Источник колебаний магнитного поля спрятан в центре Земли. Наша планета, подобно другим телам Солнечной системы, создает свое магнитное поле с помощью внутреннего генератора, принцип работы которого такой же, как и обычного электрического, преобразующего кинетическую энергию своих движущихся частиц в электромагнитное поле. В электрогенераторе движение происходит в витках катушки, а внутри планеты или звезды – в проводящей жидкой субстанции. Огромная масса расплавленного железа объемом в 5 раз больше Луны циркулирует в сердцевине Земли, образуя так называемое геодинамо.

За последние десять лет ученые разработали новые подходы к исследованию работы геодинамо и его магнитных свойств. Спутники передают четкие моментальные фотоснимки геомагнитного поля на поверхности Земли, а современные методы компьютерного моделирования и созданные в лабораториях физические модели помогают интерпретировать данные орбитальных наблюдений. Проведенные эксперименты натолкнули ученых на новое объяснение того, как происходила переполяризация в прошлом и как она может начаться в будущем.

Во внутреннем строении Земли выделяется расплавленное внешнее ядро, где сложная турбулентная конвекция генерирует геомагнитное поле.

Энергия геодинамо

Что же приводит в действие геодинамо. К 40-м гг. прошлого столетия физики признавали три необходимых условия образования магнитного поля планеты, и последующие научные построения исходили из данных положений. Первое условие – большой объем электропроводящей жидкой массы, насыщенной железом, образующей внешнее ядро Земли. Под ним расположено внутреннее ядро Земли, состоящее почти из чистого железа, а над ним – 2900 км твердых пород плотной мантии и тонкой земной коры, образующей континенты и ложе океана. Давление на ядро, создаваемое земной корой и мантией, в 2 млн. раз выше, чем на поверхности Земли. Температура ядра также крайне высока – около 5000о по Цельсию, как и температура поверхности Солнца.

Вышеописанные параметры экстремальной среды предопределяют второе требование к работе геодинамо: необходимость источника энергии для приведения в движение жидкой массы. Внутренняя энергия отчасти термального, отчасти химического происхождения создает внутри ядра условия выталкивания. Ядро больше разогревается внизу, чем наверху. (Высокие температуры “замурованы” внутри него со времен образования Земли.) Это означает, что более разогретая, менее плотная металлическая составляющая ядра стремится вверх. Когда жидкая масса достигает верхних слоев, она теряет часть своего тепла, отдавая его вышележащей мантии. Затем жидкое железо остывает, становясь плотнее, чем окружающая масса, и опускается. Процесс перемещения тепла путем поднятия и опускания жидкой массы получил название тепловой конвекции.

Третье необходимое условие поддержания магнитного поля – вращение Земли. Возникающая при этом сила Кориолиса отклоняет движение поднимающейся жидкой массы внутри Земли так же, как она поворачивает океанические течения и тропические циклоны, вихри перемещения которых видны на космических снимках. В центре Земли сила Кориолиса закручивает поднимающуюся жидкую массу в штопор или спираль, подобно оторвавшейся пружине.

Земля обладает насыщенной железом жидкой массой, сосредоточенной в ее центре, энергией, достаточной для поддержания конвекции, и силой Кориолиса, закручивающей конвекционные потоки. Данный фактор крайне важен для поддержания работы геодинамо на протяжении миллионов лет. Но нужны новые знания, чтобы ответить на вопрос о том, как образуется магнитное поле и почему время от времени полюса меняются местами.

Переполяризация

Ученые давно задавались вопросом, почему магнитные полюса Земли время от времени меняются местами. Последние исследования вихревых перемещений расплавленных масс внутри Земли позволяют понять, как происходит переполяризация.

Магнитное поле, значительно интенсивнее и сложнее поля ядра, внутри которого и образуются магнитные колебания, было обнаружено на границе мантии и ядра. Возникающие в сердцевине электротоки препятствуют непосредственным измерениям его магнитного поля.

Важно, что большая часть геомагнитного поля образуется только в четырех обширных областях на границе ядра и мантии. Хотя геодинамо продуцирует очень сильное магнитное поле, только 1% его энергии распространяется за пределами ядра. Общая конфигурация магнитного поля, измеренного на поверхности, носит название диполя, который большую часть времени ориентирован по земной оси вращения. Как и в поле линейного магнита, основной геомагнитный поток направлен от центра Земли в Южном полушарии и к центру – в Северном. (Стрелка компаса указывает на северный географический полюс, поскольку рядом находится южный магнитный полюс диполя.) Космические наблюдения показали, что магнитный поток имеет неравномерное глобальное распределение, наибольшая напряженность прослеживается на Антарктическом побережье, под Северной Америкой и Сибирью.

Ульрих Кристенсен (Ulrich R. Christensen) из Научно-исследовательского института Солнечной системы Макса Планка в Катленбурге-Линдау, Германия, считает, что эти обширные участки земли существуют тысячи лет и поддерживаются постоянно развивающейся конвекцией внутри ядра. Могут ли аналогичные явления быть причиной смены полюсов? Историческая геология свидетельствует, что смены полюсов происходили в относительно короткие промежутки времени – от 4 тыс. до 10 тыс. лет. Если бы геодинамо прекратило свою работу, то диполь существовал бы еще 100 тыс. лет. Быстрая же смена полярности дает основание полагать, что некое неустойчивое положение нарушает первоначальную полярность и вызывает новую смену полюсов.

В отдельных случаях таинственная неустойчивость может объясняться некоторым хаотическим изменением структуры магнитного потока, которое лишь случайно приводит к переполяризации. Однако частота смены полярности, проявляющаяся все более устойчиво за последние 120 млн. лет, говорит о возможности внешнего регулирования. Одной из причин его может быть перепад температуры в нижнем слое мантии, и вследствие этого – изменение в характере излияний ядра.

Некоторые симптомы переполяризации были выявлены при анализе карт, которые были сделаны со спутников Magsat и Oersted. Готье Гюло (Gauthier Hulot) и его коллеги из Парижского геофизического института отметили, что длительные изменения геомагнитного поля возникают на границе ядра и мантии в тех местах, где направление геомагнитного потока обратно нормальному для данного полушария. Наибольший из так называемых участков обратного магнитного поля протянулся из южной оконечности Африки на запад к Южной Америке. На данном участке магнитный поток направлен внутрь, к ядру, в то время как большая часть его в Южном полушарии направлена из центра.

Районы, где магнитное поле направлено в противоположную для данного полушария сторону, возникают при случайном прорыве закрученных и петляющих линий магнитного поля за пределы ядра Земли. Участки обратного магнитного поля могут существенно ослабить магнитное поле на поверхности Земли, называемое диполем, и свидетельствовать о начале смены земных полюсов. Они появляются, когда поднимающаяся жидкая масса проталкивает горизонтальные магнитные линии вверх в расплавленном внешнем ядре. Такое конвективное излияние иногда закручивает и выдавливает магнитную линию (а). Одновременно силы вращения Земли вызывают винтовую циркуляцию расплава, которая может затянуть петлю на выдавленной магнитной линии (б). Когда выталкивающая сила достаточно велика, чтобы выбросить петлю из ядра, на границе ядро-мантия образуется пара участков магнитного потока.

Самое серьезное открытие, сделанное при сравнении последних измерений, полученных с Oersted, и проведенных в 1980 г., заключалось в том, что новые участки обратного магнитного поля продолжают формироваться, например, на границе ядро-мантия под восточным побережьем Северной Америки и Арктикой. Более того, ранее выявленные участки выросли и немного сдвинулись в сторону полюсов. В конце 80-х гг. XX в. Дэвид Габбинс (David Gubbins) из Лидского университета в Англии, изучая старые карты геомагнитного поля, отметил, что распространение, рост и смещение в сторону полюсов участков обратного магнитного поля объясняет снижение силы диполя в историческом времени.

Согласно теоретическим положениям о силовых магнитных линиях, возникающие в жидкой среде ядра под действием силы Кориолиса малые и большие вихри закручивают силовые линии в узел. Каждый поворот собирает все больше силовых линий в ядре, усиливая таким образом энергию магнитного поля. Если процесс продолжается беспрепятственно, то магнитное поле усиливается бесконечно. Однако электрическое сопротивление рассеивает и выравнивает витки силовых линий настолько, чтобы остановить самопроизвольный рост магнитного поля и продолжить воспроизводство внутренней энергии.

Участки с интенсивным магнитным нормальным и обратным полем формируются на границе ядро-мантия, где малые и большие завихрения взаимодействуют с магнитными полями восточно-западного направления, описываемыми как тороидальные, которые проникают внутрь ядра. Турбулентные жидкостные перемещения могут закручивать линии тороидальных полей в петли, называемые полоидальными полями, имеющими ориентацию север-юг. Иногда закручивание происходит при поднятии текучей массы. Если такое излияние достаточно мощно, то вершина полоидальной петли выталкивается из ядра (см. врезку слева). В результате такого выталкивания образуются два участка, на которых петля пересекает границу ядро-мантия. На одном из них возникает направление магнитного потока, совпадающее с общим направлением поля диполя в данном полушарии; на другом же участке поток направлен противоположно.

Когда вращение относит участок обратного магнитного поля ближе к географическому полюсу, чем участок с нормальным потоком, наблюдается ослабление диполя, который наиболее уязвим вблизи своих полюсов. Таким образом можно объяснить обратное магнитное поле на юге Африки. При глобальном наступлении смены полюсов участки обратного магнитного поля могут разрастаться по всему региону вблизи географических полюсов.

Контурные карты магнитного поля Земли на границе ядро-мантия, составленные по измерениям, сделанным со спутника, показывают, что большая часть магнитного потока направлена от центра Земли в Южном полушарии и к центру в Северном. Но в некоторых районах складывается обратная картина. Участки обратного магнитного поля росли в числе и размерах между 1980 и 2000 г. Если они заполонят все пространство у обоих полюсов, то может произойти переполяризация.

Модели cмены полюсов

На картах магнитного поля представлено, как при нормальной полярности большая часть магнитного потока направлена от центра Земли (желтый цвет) в Южном полушарии и к ее центру (голубой цвет) в Северном (а). Начало переполяризации отмечается появлением нескольких ареалов обратного магнитного поля (голубой цвет в Южном полушарии и желтый в Северном), напоминающих об образовании его участков на границе ядро-мантия. Приблизительно за 3 тыс. лет они уменьшили напряженность поля диполя, которое сменилось более слабым, но более сложным переходным полем на границе ядро-мантия (б). Смена полюсов стала частым явлением через 6 тыс. лет, когда на границе ядро-мантия стали преобладать участки обратного магнитного поля (в). К этому времени полная смена полюсов проявилась и на поверхности Земли. Но только еще через 3 тыс. лет произошла полная замена диполя, включая ядро Земли (г).

Что же происходит с внутренним магнитным полем сегодня?

Большинство из нас знает, что географические полюса постоянно совершают сложные петлеобразные движения в направлении суточного вращения Земли (прецессия оси с периодом периодом в 25776 лет). Обычно эти перемещения протекают вблизи воображаемой оси вращения Земли и не приводят к заметному изменению климата. Подробнее о смещении полюсов. Hо мало кто обратил внимание, что в конце 1998 года общая составляющая этих перемещений сместилась. В течении месяца полюс сместился в сторону Канады на 50 километров. В настоящее время северный полюс “ползет” вдоль 120 параллели западной долготы. Можно предположить, что если нынешняя тенденция в перемещении полюсов продолжится до 2010, то северный полюс может сместиться на 3-4 тысячи километров. Конечная точка дрейфа – Большие Медвежьи озера в Канаде. Южный полюс, соответственно, сместится из центра Антарктиды к Индийскому океану.

Смещение магнитных полюсов регистрируется с 1885 г. За последние 100 лет магнитный полюс в южном полушарии переместился почти на 900 км и вышел в Индийский океан. Новейшие данные по состоянию арктического магнитного полюса (движущегося по направлению к Восточно-Сибирской мировой магнитной аномалии через Ледовитый океан): показали что с 1973 по 1984 гг.его пробег составил 120 км, с 1984 по 1994 гг. – более 150 км. Характерно, что эти данные расчетные, но они подтвердились конкретными замерами и северного магнитного полюса По данным на начало 2002-го года скорость дрейфа северного магнитного полюса увеличилась с 10 км/год в 70-х годах, до 40 км/год в 2001-м году.

Кроме того, падает напряжённость земного магнитного поля, причём весьма неравномерно. Так, за последние 22 года она уменьшилась в среднем на 1,7 процента, а в некоторых регионах – например, в южной части Атлантического океана, – на 10 процентов. Впрочем кое-где на нашей планете напряжённость магнитного поля, вопреки общей тенденции, даже слегка возросла.

Подчеркнем, что ускорение движения полюсов (в среднем на 3 км/год за десятилетие) и движение их по коридорам инверсии магнитных полюсов (более 400 палеоинверсий позволили выявить эти коридоры) заставляет подозревать нас о том, что в данном перемещении полюсов следует усматривать не экскурс, а переполюсовку магнитного поля Земли.

Ускорение может довести перемещение полюсов до 200 км в год, так что инверсия осуществится гораздо быстрее, чем это предполагается исследователями далекими от профессиональных оценок реальных процессов переполюсовки.

В истории Земли изменения положения географических полюсов происходили неоднократно, и с этим явлением, в первую очередь, связывают оледенение обширных областей суши и кардинальные перемены климата всей планеты. Но отголоски в человеческой истории получила только последняя катастрофа, скорее всего связанная со сдвигом полюсов, произошедшая около 12-ти тысяч лет назад. Все мы знаем – Мамонты вымерли. Но всё было гораздо серьёзнее.

Исчезновении сотен видов животных не подлежит сомнению. О Всемирном Потопе и Гибели Атлантиды ведутся дискуссии. Но одно несомненно – отголоски величайшей катастрофа на памяти человечества имеют под собой реальную основу. И вызвана, скорее всего, смещением полюсов всего на 2000 км.

На модели ниже представлены магнитное поле внутри ядра (пучок силовых линий в центре) и появление диполя (длинные изогнутые линии) за 500 лет (а) до середины переполяризации (б) магнитного диполя и спустя 500 лет на этапе ее завершения (в).

Магнитное поле геологического прошлого Земли

За последние 150 млн. лет переполяризация происходила сотни раз, о чем свидетельствуют минералы, намагниченные полем Земли во время разогрева горных пород. Затем породы остыли, а минералы сохранили прежнюю магнитную ориентацию.

Шкалы инверсий магнитного поля: I – за последние 5 млн. лет; II – за последние 55 млн. лет. Черный цвет – нормальная намагниченность, белый цвет – обратная намагниченность (по У.У. Харленду и др., 1985)

Инверсии магнитного поля – это смена знака осей симметричного диполя. В 1906 году Б. Брюн, измеряя магнитные свойства неогеновых, сравнительно молодых лав в центральной Франции, обнаружил, что их намагниченность противоположна по направлению современному геомагнитному полю, то есть Северный и Южный магнитные полюса как бы поменялись местами. Наличие обратно намагниченных горных пород является следствием не каких-то необычных условий в момент ее образования, а результатом инверсии магнитного поля Земли в данный момент. Обращение полярности геомагнитного поля – важнейшее открытие в палеомагнитологии, позволившее создать новую науку магнитостратиграфию, изучающую расчленение отложений горных пород на основе их прямой или обращенной намагниченности. И главное здесь заключается в доказательстве синхронности этих обращений знака в пределах всего земного шара. В таком случае в руках геологов оказывается весьма действенный метод корреляции отложений и событий.

В реальном магнитном поле Земли время, в течение которого происходит изменение знака полярности, может быть как коротким, вплоть до тысячи лет, так и составлять миллионы лет.
Временные интервалы преобладания какой-либо одной полярности получили название геомагнитных эпох, и части из них присвоены имена выдающихся геомагнитологов Брюнесса, Матуямы, Гаусса и Гильберта. В пределах эпох выделяются меньшие по длительности интервалы той или иной полярности, называемые геомагнитными эпизодами. Наиболее эффектно выявление интервалов прямой и обратной полярности геомагнитного поля было проведено для молодых в геологическом смысле лавовых потоков в Исландии, Эфиопии и других местах. Недостаток этих исследований заключается в том, что процесс излияния лав был прерывистым процессом, поэтому вполне возможен пропуск какого-либо магнитного эпизода.

Когда появилась возможность по отобранным породам одного возраста, но взятым на разных континентах, определять положение палеомагнитных полюсов интересующего нас временного интервала, то оказалось, что вычисленный осредненный полюс, скажем, по верхнеюрским породам (170 – 144 млн. лет) Северной Америки и такой же полюс по таким же породам Европы будут находиться в разных местах. Получалось как бы два Северных полюса, чего при дипольной системе быть не может. Для того чтобы Северный полюс был один,следовало изменить положение континентов на поверхности Земли. В нашем случае это означало сближение Европы и Северной Америки до совпадения их бровок шельфа, то есть до глубин океана примерно в 200 м. Иными словами, двигаются не полюсы, а континенты.

Применение палеомагнитного метода позволило осуществить детальные реконструкции раскрытия относительно молодых Атлантического, Индийского, Северного Ледовитого океанов и понять историю развития более древнего Тихого океана. Современное расположение континентов – это результат раскола суперконтинента Пангея, начавшегося около 200 млн. лет тому назад. Линейное магнитное поле океанов дает возможность определить скорость движения плит, а его рисунок дает наилучшую информацию для проведения геодинамического анализа.

Благодаря палеомагнитным исследованиям установили, что раскол Африки и Антарктиды произошел 160 млн. лет назад. Наиболее древние аномалии с возрастом 170 млн. лет (средняя юра) обнаружены по краям Атлантики у берегов Северной Америки и Африки. Это и есть время начала распада суперматерика. Южная Атлантика возникла 120 – 110 млн. лет назад, а Северная значительно позже (80 – 65 млн. лет назад) и т.д. Подобные примеры можно привести по любому из океанов и, как бы “читая” палеомагнитную летопись, реконструировать историю их развития и перемещение литосферных плит.

Мировые аномалии – отклонения от эквивалентного диполя до 20% напряженности отдельных областей с характерными размерами до10 000 км. Эти аномальные поля испытывают вековые вариации, приводящие к изменениям со временем в течение многих лет и столетий. Примеры аномалий: Бразильская, Канадская, Сибирская, Курская. В ходе вековых вариаций мировые аномалии смещаются, распадаются и возникают вновь. На низких широтах имеется западный дрейф по долготе со скоростью 0,2° в год.

2. МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ ЛОКАЛЬНЫХ ОБЛАСТЕЙ внешних оболочек с протяженностью от нескольких до сотен км. Они обусловлены намагниченностью горных пород в верхнем слое Земли, слагающих земную кору и расположенных близко к поверхности. Одна из наиболее мощных – Курская магнитная аномалия.

3. ПЕРЕМЕННОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ (так же называемое внешним) определяется источниками в виде токовых систем, находящимися за пределами земной поверхности и в ее атмосфере. Основными источниками таких полей и их изменений являются корпускулярные потоки замагниченной плазмы, приходящие от Солнца вместе с солнечным ветром, и формирующие структуру и форму земной магнитосферы.

Прежде всего видно, что эта структура имеет «слоистую» форму. Однако иногда можно наблюдать «разрыв» верхних слоев, очевидно, происходящий под влиянием усиления солнечного ветра. Например как здесь:

При этом от скорости и плотности Солнечного ветра в такой момент зависит степень величины «нагрева», отражается в цветовой гамме от желтого до фиолетового, что в действительности отражает величину давления на магнитное поле в этой зоне (правый верхий рисунок).

Структура магнитного поля земной атмосферы (внешнего магнитного поля Земли)

Земное магнитное поле находится под воздействием потока намагниченной солнечной плазмы. В результате взаимодействия с полем Земли образуется внешняя граница околоземного магнитного поля, называемая магнитопаузой . Она ограничивает земную магнитосферу. Из-за воздействия солнечных корпускулярных потоков размеры и форма магнитосферы постоянно меняются, и возникает переменное магнитное поле, определяемое внешними источниками. Его переменность обязана своим происхождением токовым системам, развивающимся на различных высотах от нижних слоев ионосферы до магнитопаузы. Изменения магнитного поля Земли во времени, вызванные различными причинами, называются геомагнитными вариациями, которые различаются как по своей длительности, так и по локализации на Земле и в ее атмосфере.

Магнитосфера – область околоземного космического пространства, контролируемая магнитным полем Земли. Магнитосфера формируется в результате взаимодействия солнечного ветра с плазмой верхних слоев атмосферы и магнитным полем Земли. По форме магнитосфера представляет собой каверну и длинный хвост, которые повторяют форму магнитных силовых линий. Подсолнечная точка в среднем находится на расстоянии 10 земных радиусов, а хвост магнитосферы простирается за орбиту Луны. Топология магнитосферы определяется областями вторжения солнечной плазмы внутрь магнитосферы и характером токовых систем.

Хвост магнитосферы образован силовыми линиями магнитного поля Земли, выходящими из полярных областей и вытянутых под действием солнечного ветра на сотни земных радиусов от Солнца в ночную сторону Земли. В итоге плазма солнечного ветра и солнечных корпускулярных потоков как бы обтекают земную магнитосферу, придавая ей своеобразную хвостатую форму.
В хвосте магнитосферы, на больших расстояниях от Земли, напряженность магнитного поля Земли, а следовательно и их защитные свойства, ослабляются, и некоторые частицы солнечной плазмы получают возможность проникнуть и попасть во внутрь земной магнитосферы и магнитных ловушек радиационных поясов. Проникая в головную часть магнитосферы в область овалов полярных сияний под действием изменяющегося давления солнечного ветра и межпланетного поля, хвост служит местом формирования потоков высыпающихся частиц, вызывающих полярные сияния и авроральные токи. Магнитосфера отделена от межпланетного пространства магнитопаузой. Вдоль магнитопаузы частицы корпускулярных потоков обтекают магнитосферу. Влияние солнечного ветра на земное магнитное поле иногда бывает очень сильным. Магнитопауза – внешняя граница магнитосферы Земли (или планеты), на которой динамическое давление солнечного ветра уравновешивается давлением собственного магнитного поля. При типичных параметрах солнечного ветра подсолнечная точка удалена от центра Земли на 9–11 земных радиусов. В период магнитных возмущений на Земле магнитопауза может заходить за геостационарную орбиту (6,6 радиусов Земли). При слабом солнечном ветре подсолнечная точка находится на расстоянии 15–20 радиусов Земли.

Геомагнитные вариации

Изменение магнитного поля Земли во времени под действием различных факторов называются геомагнитными вариациями. Разность между наблюдаемой величиной напряженности магнитного поля и средним ее значением за какой-либо длительный промежуток времени, например, месяц или год, называется геомагнитной вариацией. Согласно наблюдениям, геомагнитные вариации непрерывно изменяются во времени, причем такие изменения часто носят периодический характер.

Cуточные вариации геомагнитного поля возникают регулярно в основном за счет токов в ионосфере Земли, вызванных изменениями освещенности земной ионосферы Солнцем в течение суток.

Суточная геомагнитная вариация за период 19.03.2010 12:00 по 21.03.2010 00:00

Магнитное поле Земли описывается семью параметрами. Для измерения земного магнитного поля в любой точке, мы должны измерить направление и напряжённость поля. Параметры, описывающие направление магнитного поля: склонение (D), наклонение (I). D и I измеряются в градусах. Напряженность общего поля (F) описывается горизонтальной компонентой (H), вертикальной компонентой (Z) и северной (X) и восточной (Y) компонентами горизотальной напряженности. Эти комопненты могут быть измерены в Эрстедах (1 Эрстед=1 гауссу), но обычно – в наноТеслах (1нТ х 100 000 = 1 эрстеду).

Нерегулярные вариации магнитного поля возникают вследствие воздействия потока солнечной плазмы (солнечного ветра) на магнитосферу Земли, а так же изменений внутри магнитосферы и взаимодействия магнитосферы с ионосферой.

На рисунке ниже видны (слева направо) изображения текущих – магнитного поля, давления, конвекционных потоков в ионосфере, а также графики изменения величин скорости и плотности солнечного ветра (V, Dens) и величин вертикальной и восточной компонент внешнего магнитного поля Земли.

27-дневные вариации существуют как тенденция к повторению увеличения геомагнитной активности через каждые 27 дней, соответствующих периоду вращения Солнца относительно земного наблюдателя. Эта закономерность связана с существованием долгоживущих активных областей на Солнце, наблюдаемых в течении нескольких оборотов Солнца. Эта закономерность проявляется в виде 27-дневной повторяемости магнитной активности и магнитных бурь.

Сезонные вариации магнитной активности уверенно выявляются на основании среднемесячных данных о магнитной активности, полученных путем обработки наблюдений за несколько лет. Их амплитуда увеличивается с ростом общей магнитной активности. Найдено, что сезонные вариации магнитной активности имеют два максимума, соответствующие периодам равноденствий, и два минимума, соответствующие периодам солнцестояний. Причиной этих вариаций является образование активных областей на Солнце, которые группируются в зонах от 10 до 30° северной и южной гелиографических широт. Поэтому в периоды равноденствий, когда плоскости земного и солнечного экваторов совпадают, Земля наиболее подвержена действию активных областей на Солнце.

11-летние вариации. Наиболее ярко связь между солнечной активностью и магнитной активностью проявляется при сопоставлении длинных рядов наблюдений, кратных 11 летним периодам солнечной активности. Наиболее известной мерой солнечной активности является число солнечных пятен. Найдено, что в годы максимального количества солнечных пятен магнитная активность также достигает наибольшей величины, однако возрастание магнитной активности несколько запаздывает по отношению к росту солнечной, так что в среднем это запаздывание составляет один год.

Вековые вариации – медленные вариации элементов земного магнетизма с периодами от нескольких лет и более. В отличии от суточных, сезонных, и других вариаций внешнего происхождения, вековые вариации связаны с источниками, лежащими внутри земного ядра. Амплитуда вековых вариаций достигает десятков нТл/год, изменения среднегодовых значений таких элементов, названы вековым ходом. Изолинии вековых вариаций концентрируются вокруг нескольких точек – центры или фокусы векового хода, в этих центрах величина векового хода достигает максимальных значений.

Магнитная буря – влияние на организм человека

Локальные характеристики магнитного поля изменяются и колеблются иногда в течение многих часов, а потом восстанавливаются до прежнего уровня. Это явление называется магнитной бурей. Магнитные бури часто начинаются внезапно и одновременно по всему земному шару.

Ударная волна солнечного ветра через сутки после вспышки на Солнце достигает орбиты Земли и начинается магнитная буря. Тяжелобольные явно реагируют с первых часов после вспышки на Солнце, остальные – с момента начала бури на Земле. Общее для всех – изменение биоритмов в эти часы. Число случаев инфаркта миокарда увеличивается на следующий день после вспышки (примерно в 2 раза больше по сравнению с магнитоспокойными днями). В этот же день начинается магнитосферная буря, вызванная вспышкой. У абсолютно здоровых – активируется иммунная система, может быть увеличение работоспособности, улучшение настроения.

Примечание: геомагнитный штиль, продолжающийся подряд несколько дней или больше, действует на организм городского жителя, по многим параметрам, как и буря – угнетающе, вызывая депрессию и ослабление иммунитета. Лёгкий “дребезг” магнитного поля в пределах Кр = 0 – 3 помогает легче переносить перепады атмосферного давления и других метеофакторов.

Принята следущая градация величин Kp-индекса:

Kp = 0-1 – геoмaгнитнaя oбстaнoвкa спoкoйнaя (штиль);

Kp = 1-2 – геoмaгнитнaя oбстaнoвкa oт спoкoйнoй дo слaбoвoзмущеннoй;

Kp = 3-4 – oт слaбoвoзмущеннoй дo вoзмущеннoй;

Kp = 5 и выше – слабая магнитная буря (уровень G1);

Kp = 6 и выше – средняя магнитная буря (уровень G2);

Kp = 7 и выше – сильная магнитная буря (уровень G3); возможны аварии, ухудшение самочувствия у метеозависимых людей

Kp = 8 и выше – очень сильная магнитная буря (уровень G4);

Kp = 9 – экстремально сильная магнитная буря (уровень G5) – максимально возможная величина.

Он-лайн наблюдение за состоянием магнитосферы и магнитными бурями здесь:

В результате многочисленных исследований, проводившихся в Институте космических исследований (ИКИ), Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн (ИЗМИРАН), Медицинской академии им. И.М. Сеченова и Института медико-биологических проблем РАН, выяснилось, что во время геомагнитных бурь у пациентов с патологией сердечно- сосудистой системы, особенно у перенесших инфаркт миокарда, подскакивало артериальное давление, заметно увеличивалась вязкость крови, замедлялась скорость ее течения в капиллярах, изменялся сосудистый тонус и активизировались стрессорные гормоны.

В организме некоторых здоровых людей тоже происходили изменения, но они вызывали в основном усталость, ослабление внимания, головные боли, головокружения и серьезной опасности не представляли. Несколько сильнее на изменения реагировал организм космонавтов: у них возникали аритмии и изменялся сосудистый тонус. Эксперименты на орбите также показали, что на состояние человека негативно влияют именно электромагнитные поля, а не другие факторы, которые действуют на Земле, но исключены в космосе. Кроме того, была выявлена еще одна “группа риска” – здоровые люди с перенапряженной адаптационной системой, связанной с воздействием дополнительного стресса (в данном случае – невесомости, также влияющей на сердечно-сосудистую систему).

Исследователи пришли к выводу, что геомагнитные бури вызывают такой же адаптационный стресс, как и резкая смена часовых поясов, сбивающая биологические суточные ритмы человека. Внезапные вспышки на Солнце и прочие проявления солнечной активности резко меняют относительно регулярные ритмы геомагнитного поля Земли, что вызывает у животных и у людей сбой их собственных ритмов и порождает адаптационный стресс.

Здоровые люди с ним справляются относительно легко, но для людей с патологией сердечно-сосудистой системы, с перенапряженной адаптационной системой и для новорожденных он потенциально опасен.

Предвидеть ответную реакцию невозможно. Все зависит от многих факторов: от состояния человека, от характера бури, от частотного спектра электромагнитных колебаний и т.д. Пока неизвестно, как изменения геомагнитного поля влияют на биохимические и биофизические процессы, происходящие в организме: что представляют собой приемники геомагнитных сигналов-рецепторов, реагирует ли человек на воздействие электромагнитное излучение всем организмом, отдельными органами или даже отдельными клетками. В настоящее время с целью изучения влияния солнечной активности на людей открывается лаборатория гелиобиологии в Институте космических исследований.

9. Н.В.Короновский. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО ПРОШЛОГО ЗЕМЛИ // Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова. Соросовский Образовательный Журнал, N5, 1996, cтр. 56-63