Земля как магнит: геомагнитное поле

В начале XX века сам факт существования геомагнитного поля никак не поддавался объяснению (при том что о его самой парадоксальной особенности тогда просто не подозревали). Было как мы знаем, что магнитные полюса мало перемещаются по земной поверхности, но никто не думал, что они способны к более радикальному поведению, — это открытие было только на подходе
Птичий компас По одной из версий птицы при перелетах ориентируются по горизонтальной и вертикальной компонентам магнитного поля

В том же 1905 году французский геофизик Бернар Брюнес провел в южном департаменте Канталь замеры магнетизма лавовых отложений эры плейстоцена. Вектор намагниченности этих пород составлял практически 180 градусов с вектором планетарного магнитного поля (его соотечественник П. Давид взял подобные результаты кроме того годом раньше).

Брюнес заключил, что три четверти миллиона лет назад на протяжении излияния лавы направление геомагнитных силовых линий было противоположным современному. Так был обнаружен эффект инверсии (обращения полярности) магнитного поля Почвы. В конце 20-х годов выводы Брюнеса подтвердили П.Л.

Меркантон и Монотори Матуяма, но эти идеи взяли признание только к середине столетия.

на данный момент мы знаем, что геомагнитное поле существует не меньше 3,5 млрд лет и за это время магнитные полюса тысячи раз обменивались местами (Брюнес и Матуяма изучили последнюю по времени инверсию, которая на данный момент носит их имена). Время от времени геомагнитное поле сохраняет ориентацию в течение десятков миллионов лет, а время от времени — не более пятисот столетий. Сам процесс инверсии в большинстве случаев занимает пара тысячелетий, и по его завершении напряженность поля, в большинстве случаев, не возвращается к прошлой величине, а изменяется на пара процентов.

Механизм геомагнитной инверсии не в полной мере ясен и поныне, а уж сто лет назад он по большому счету не допускал разумного объяснения. Исходя из этого открытия Брюнеса и Давида лишь подкрепили эйнштейновскую оценку — вправду, земной магнетизм был очень таинствен и непонятен.

А ведь к тому времени его изучили более чем трехсот лет, а в десятнадцатом веке им занимались такие звезды европейской науки, как великий путешественник Александр фон Гумбольдт, очень способный математик Карл Фридрих блестящий физик и Гаусс-экспериментатор Вильгельм Вебер. Так что Эйнштейн воистину смотрел в корень.

Как вы думаете, сколько у отечественной планеты магнитных полюсов? Практически все сообщат, что два — в Антарктике и Арктике. В действительности ответ зависит от определения понятия полюса. Географическими полюсами вычисляют точки пересечения земной оси с поверхностью планеты. Потому, что Почва вращается как жёсткое тело, таких точек всего две и ничего другого придумать запрещено.

А вот с магнитными полюсами дело обстоит большое количество сложнее. К примеру, полюсом возможно счесть маленькую область (в совершенстве опять-таки точку), где магнитные силовые линии перпендикулярны земной поверхности. Но любой магнитометр регистрирует не только планетарное магнитное поле, но и поля местных пород, электрических токов ионосферы, частиц солнечного ветра и других дополнительных источников магнетизма (причем их средняя часть не так уж мелка, порядка нескольких процентов).

Чем правильнее прибор, тем лучше он это делает — и потому все больше затрудняет выделение подлинного геомагнитного поля (его именуют главным), источник которого находится в земных глубинах. Исходя из этого координаты полюса, определенные посредством прямого измерения, не отличаются стабильностью кроме того в течение маленького отрезка времени.

Возможно функционировать в противном случае и установить положение полюса на основании тех либо иных моделей земного магнетизма. В первом приближении отечественную планету можно считать геоцентрическим магнитным диполем, ось которого проходит через ее центр. На данный момент угол между нею и земной осью образовывает 10 градусов (пара десятилетий назад он был больше 11 градусов).

При более правильном моделировании узнается, что дипольная ось смещена относительно центра Почвы в направлении северо-западной части Тихого океана приблизительно на 540 км (это эксцентрический диполь). Имеется и другие определения.

Но это еще не все. Земное магнитное поле реально не владеет дипольной симметрией и потому имеет множественные полюса, причем в огромном количестве. В случае если вычислять Почву магнитным четырехполюсником, квадруполем, нужно будет ввести еще два полюса — в Малайзии и в южной части Атлантического океана.

Октупольная модель задает восьмерку полюсов и т. д. Современные самый продвинутые модели земного магнетизма оперируют аж 168 полюсами. Необходимо подчеркнуть, что на протяжении инверсии временно исчезает только дипольная компонента геомагнитного поля, а другие изменяются большое количество не сильный.

Магнитный полюс, как его ни определяй, не следует 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. Подлинный Северный полюс (тот, что 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 практически всего ХХ века он делал не более десяти километров в год, но по окончании 1980 года внезапно начал двигаться значительно стремительнее. В первой половине 90-х годов двадцатого века его скорость превысила 15 км в год и увеличивается.

Как поведал «Популярной механике» занимаюший ранее пост руководителя геомагнитной лаборатории канадской Работы геологических изучений Лоуренс Ньюитт, на данный момент подлинный полюс мигрирует на северо-запад, перемещаясь каждый год на 50 км. В случае если вектор его перемещения не изменится на протяжении многих лет, то к середине XXI столетия он окажется в Сибири.

В соответствии с реконструкции, выполненной пара лет назад тем же Ньюиттом, в XVII и XVIII столетиях северный магнитный полюс в основном смещался на юго-восток и только приблизительно в первой половине 60-ых годов девятнадцатого века развернул на северо-запад. Подлинный южный магнитный полюс последние 300 лет движется в эту же сторону, причем его среднегодичное смещение не превышает 10−15 км.

Откуда по большому счету у Почвы магнитное поле? Одно из вероятных объяснений в глаза. Почва владеет внутренним жёстким железо-никелевым ядром, радиус которого образовывает 1220 км. Потому, что эти металлы ферромагнитны, из-за чего бы не высказать предположение, что внутреннее ядро имеет статическую намагниченность, которая и снабжает существование геомагнитного поля? Мультиполярность земного магнетизма возможно списать на несимметричность распределения магнитных доменов в ядра.

инверсии и Миграцию полюсов геомагнитного поля растолковать сложнее, но, возможно, постараться возможно.

Но из этого ничего не получается. Все ферромагнетики остаются таковыми (другими словами сохраняют самопроизвольную намагниченность) только ниже определенной температуры — точки Кюри. Для железа она равна 768 °C (у никеля большое количество ниже), а температура внутреннего ядра Почвы существенно превышает 5000 градусов. Исходя из этого с догадкой статического геомагнетизма приходится расстаться.

Но нельзя исключать, что в космосе имеются остывшие планеты с ферромагнитными ядрами.

Разглядим другую возможность. Отечественная планета кроме этого владеет жидким внешним ядром толщиной примерно в 2300 км. Оно складывается из никеля и расплава железа с примесью более легких элементов (серы, углерода, кислорода и, быть может, радиоактивного калия — в точности не знает никто).

Температура нижней части внешнего ядра практически сходится с температурой внутреннего ядра, а в верхней территории на границе с мантией понижается до 4400 °C. Исходя из этого в полной мере конечно высказать предположение, что благодаря вращению Почвы в том месте формируются круговые течения, каковые могут быть обстоятельством происхождения земного магнетизма.

Как раз такую схему ученые-геофизики обсуждали лет 80 назад. Они считали, что потоки проводящей жидкости внешнего ядра за счет собственной кинетической энергии порождают электрические токи, охватывающие земную ось. Эти токи генерируют магнитное поле в основном дипольного типа, силовые линии которого на поверхности Почвы вытянуты на протяжении меридианов (такое поле именуется полоидальным).

Данный механизм приводит к ассоциации с работой динамо-машины, из этого и случилось его наименование.

Обрисованная схема прекрасна и наглядна, но ошибочна. Она основана на предположении, что перемещение вещества внешнего ядра симметрично довольно земной оси. Но в первой половине 30-ых годов XX века британский математик Томас Каулинг доказал теорему, в соответствии с которой никакие осесимметричные потоки не могут обеспечить существование долгосрочного геомагнитного поля. Кроме того если оно и покажется, то век его окажется недолог, в десятки тысяч раз меньше возраста отечественной планеты.

Нужна модель посложнее.

«Мы не знаем совершенно верно, в то время, когда появился земной магнетизм, но это имело возможность случиться практически сразу после внешнего ядра и формирования мантии, — говорит один из наибольших экспертов по планетарному магнетизму, доктор наук Калифорнийского технологического университета Дэвид Стивенсон. — Для включения геодинамо требуется внешнее затравочное поле, причем не обязательно замечательное. Эту роль, например, имело возможность взять на себя магнитное поле Солнца либо поля токов, порожденных в ядре за счет термоэлектрического результата.

В конечном итоге это не через чур принципиально важно, источников магнетизма хватало. При наличии кругового движения и такого поля потоков проводящей жидкости запуск внутрипланетной динамомашины становился легко неизбежным».

Вот общепринятое объяснение для того чтобы запуска. Пускай для простоты затравочное поле практически параллельно оси вращения Почвы (в действительности достаточно, если оно имеет ненулевую компоненту в этом направлении, что фактически 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.

Исходя из этого силовые линии затравочного поля будут изгибаться, уходя вперед на громадных глубинах и отставая на меньших. В итоге они растянутся и деформируются так, что дадут начало тороидальному полю, круговым магнитным петлям, охватывающим земную ось и направленным в противоположные стороны в северном и южном полушариях. Данный механизм именуется w-эффектом.

По словам доктора наук Стивенсона, крайне важно понимать, что тороидальное поле внешнего ядра появилось благодаря полоидальному затравочному полю и, со своей стороны, породило новое полоидальное поле, замечаемое у земной поверхности: «Оба типа полей планетарного геодинамо взаимосвязаны и не смогут существовать приятель без приятеля».

15 лет назад Гэри Глатцмайер вместе с Полом Робертсом опубликовал прекрасную компьютерную модель геомагнитного поля: «В принципе для объяснения геомагнетизма в далеком прошлом имелся тождественный математический аппарат — уравнения магнитной гидродинамики плюс уравнения, обрисовывающие силу тяготения и тепловые потоки в земного ядра. Модели, основанные на этих уравнениях, в первозданном виде весьма сложны, но их возможно упростить и приспособить для компьютерных вычислений.

Именно это и проделали мы с Робертсом. Прогон на суперкомпьютере разрешил выстроить самосогласованное описание долгосрочной эволюции скорости, давления и температуры потоков вещества внешнего ядра и связанной с ними эволюции магнитных полей. Мы кроме этого узнали, что в случае если проигрывать симуляцию на временных промежутках сотен тысяч и порядка десятков лет, то с неизбежностью появляются инверсии геомагнитного поля.

Так что в этом отношении отечественная модель хорошо передает магнитную историю планеты. Но имеется затруднение, которое до тех пор пока еще не удалось устранить. Параметры вещества внешнего ядра, каковые закладывают в подобные модели, все еще через чур далеки от настоящих условий. К примеру, нам было нужно принять, что его вязкость весьма громадна, в противном случае не хватит ресурсов самых замечательных суперкомпьютеров.

В действительности это не верно, имеется все основания считать, что она практически сходится с вязкостью воды. Отечественные нынешние модели бессильны учесть и турбулентность, которая без сомнений имеет место. Но компьютеры из года в год набирают силу, и лет через десять покажутся значительно более реалистичные симуляции».

«Работа геодинамо неизбежно связана с хаотическими трансформациями потоков железо-никелевого расплава, каковые оборачиваются флуктуациями магнитных полей, — додаёт доктор наук Стивенсон. — Инверсии земного магнетизма — это легко сильнейшие из вероятных флуктуаций. Потому, что они стохастичны по собственной природе, вряд ли их возможно предвещать заблаговременно — по крайней мере мы этого не можем».

Полюса напротив

Магнитосфера Почвы простирается более чем на десять радиусов отечественной планеты. Она является естественным щитом, защищающим население от губительных космических лучей

Многие знают, что общепринятые заглавия полюсов верны с точностью до напротив. В Арктике расположен полюс, на что показывает северный финиш магнитной стрелки, — следовательно, его необходимо вычислять южным (одноименные полюса отталкиваются, разноименные притягиваются!). Подобно, северный магнитный полюс базируется в высоких широтах Южного полушария. Однако по традиции мы именуем полюса в соответствии с географией.

Физики в далеком прошлом условились, что силовые линии выходят из северного полюса любого магнита и входят в южный. Из этого следует, что линии земного магнетизма покидают южный геомагнитный полюс и стягиваются к северному. Такова конвенция, и нарушать ее не следует (самое время припомнить печальный опыт Паниковского!).

Конвективное динамо

Смена ориентиров — итог компьютерного моделирования инверсии геомагнитного поля в модели Робертса и Глатцмайера на промежутках в сотни и десятки тысяч лет.

«Дабы растолковать происхождение полоидального поля, нужно учесть 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, — растолковывает доктор наук Калифорнийского университета Гэри Глатцмайер. — При подходе к мантии вещество ядра остывает и начинает обратное перемещение вглубь. Магнитные поля восходящих и нисходящих потоков гасят друг друга, и исходя из этого по вертикали поле не устанавливается. А вот в верхней части конвекционной струи, в том месте, где она образует петлю и недолго движется по горизонтали, обстановка другая.

В Северном полушарии силовые линии, каковые до конвекционного восхождения наблюдали на запад, поворачиваются по часовой стрелке на 90 градусов и ориентируются на север. В Южном полушарии они поворачиваются с востока против часовой стрелки и также направляются на север. В следствии в обоих полушариях генерируется магнитное поле, показывающее с юга на север.

Хоть это отнюдь не единственное вероятное объяснение происхождения полоидального поля, его вычисляют самым возможным».

Магнитная защита

Полярное сияние порождается сотрудничеством воздуха и заряженных частиц, захваченных магнитным полем Почвы, которое в приполярных областях перпендикулярно поверхности

Мониторинг земного магнетизма создают посредством широкой сети геомагнитных обсерваторий, создание которой началось еще в 1830-х годах

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

Напряженность геомагнитного поля варьирует примерно от 20 000 нанотесла вблизи побережья Бразилии до 65 000 нанотесла в районе южного магнитного полюса. С 1800 года его дипольная компонента сократилась практически на 13 процентов (а с середины XVI века — на 20 процентов), тогда как квадрупольная пара возросла. Палеомагнитные изучения говорят о том, что в течение нескольких тысячелетий перед началом отечественной эры напряженность геомагнитного поля настойчиво лезла вверх, а позже начала понижаться.

Однако сегодняшний планетарный дипольный момент существенно превышает собственный 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 в два раза не сильный нынешнего). Это указывает, что вся история людских обществ от происхождения первых стран до отечественного времени пришлась на локальный максимум земного магнитного поля.

Весьма интересно задуматься над тем, повлияло ли это на прогресс цивилизации. Такое предположение перестает казаться фантастическим, в случае если учесть, что магнитное поле защищает биосферу от космического излучения.

И вот еще одно событие, которое необходимо подчеркнуть. В молодости а также отрочестве отечественной планеты все вещество ее ядра пребывало в жидкой фазе. Жёсткое внутреннее ядро сформировалось недавно, быть может, всего лишь миллиард лет назад.

В то время, когда это случилось, конвекционные потоки стали более упорядоченными, что стало причиной более устойчивой работе геодинамо. Вследствие этого геомагнитное поле победило в стабильности и величине. Возможно высказать предположение, что это событие благоприятно сказалось на эволюции живых организмов.

В частности, усиление геомагнетизма улучшило защиту биосферы от космических излучений и тем самым облегчило выход судьбы из океана на сушу.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№95, сентябрь 2010).

Случайные записи:

• 10 Невероятных инопланетных бурь
• 10 Теоретически пригодных для жизни планет

Тайны магнитного поля Земли. Магнитные полюса и жизнь на Земле

Похожие статьи, которые вам понравятся:

• Что происходит внутри земли?

  Внутреннее ядро Почвы в один момент плавится и мёрзнет из-за циркуляции тепла в вышележащей жёсткой мантии, говорится в новом изучении Университета Лидс….

• Почему земля такая сухая?

  Может показаться необычным, но Почва в действительности есть достаточно сухой планетой. Не обращая внимания на то, что поверхность отечественной планеты…

• Найдена самая похожая на землю экзопланета

  Ученые нашли таинственную планету вне отечественной Нашей системы, которая по составу и размерам больше всего похожа на Землю, но на ней через чур горячо…

• У земли было две луны

  Ученые узнали, что у отечественной планеты когда-то было две Луны. Меньший по размеру двойник Луны просуществовал всего пара миллионов лет, а после этого…