Žemės skydas: kur mūsų planetoje yra magnetinis laukas?

2024 Autorius: Seth Attwood | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-16 16:11

Magnetinis laukas saugo Žemės paviršių nuo saulės vėjo ir kenksmingos kosminės spinduliuotės. Jis veikia kaip savotiškas skydas – be jo egzistavimo atmosfera būtų sunaikinta. Papasakosime, kaip susiformavo ir keitėsi Žemės magnetinis laukas.

Žemės magnetinio lauko sandara ir charakteristikos

Žemės magnetinis laukas, arba geomagnetinis laukas, yra magnetinis laukas, sukurtas vidinių žemėje esančių šaltinių. Geomagnetizmo tyrimo objektas. Atsirado prieš 4,2 milijardus metų.

Pačios Žemės magnetinis laukas (geomagnetinis laukas) gali būti suskirstytas į šias pagrindines dalis:

• pagrindinė sritis,
• pasaulio anomalijų laukai,
• išorinis magnetinis laukas.

Pagrindinė sritis

Daugiau nei 90% jo sudaro laukas, kurio šaltinis yra Žemės viduje, skystoje išorinėje šerdyje – ši dalis vadinama pagrindiniu, pagrindiniu arba normaliu lauku.

Jis aproksimuojamas harmonikų serijos forma - Gauso serija, o pirmuoju aproksimavimu netoli Žemės paviršiaus (iki trijų jos spindulių) yra arti magnetinio dipolio lauko, tai yra, atrodo kaip žemė. yra juostinis magnetas, kurio ašis nukreipta maždaug iš šiaurės į pietus.

Pasaulio anomalijų laukai

Tikrosios Žemės magnetinio lauko jėgos linijos, nors ir vidutiniškai artimos dipolio jėgos linijoms, skiriasi nuo jų vietiniais nelygumais, susijusiais su įmagnetintų uolienų buvimu plutoje, esančioje arti paviršiaus.

Dėl šios priežasties kai kuriose žemės paviršiaus vietose lauko parametrai labai skiriasi nuo reikšmių netoliese esančiose vietose, todėl susidaro vadinamosios magnetinės anomalijas. Jie gali sutapti vienas su kitu, jei juos sukeliantys įmagnetinti kūnai yra skirtinguose gyliuose.

Išorinis magnetinis laukas

Jį lemia šaltiniai srovės sistemų, esančių už žemės paviršiaus, jos atmosferoje, pavidalu. Viršutinėje atmosferos dalyje (100 km ir aukščiau) - jonosferoje - jos molekulės jonizuojasi, sudarydamos tankią šaltą plazmą, kuri pakyla aukščiau, todėl virš jonosferos Žemės magnetosferos dalis, besitęsianti iki trijų atstumo. jos spindulių, vadinama plazmosfera.

Plazmą sulaiko Žemės magnetinis laukas, tačiau jos būseną lemia sąveika su saulės vėju – Saulės vainiko plazmos srautas.

Taigi didesniu atstumu nuo Žemės paviršiaus magnetinis laukas yra asimetriškas, nes veikiant saulės vėjui jis iškreipiamas: nuo Saulės susitraukia, o kryptimi nuo Saulės įgauna „taką“, kuris tęsiasi. šimtus tūkstančių kilometrų, už Mėnulio orbitos ribų.

Ši savotiška „uodeginė“forma atsiranda tada, kai Saulės vėjo ir saulės korpusinių srautų plazma tarsi teka aplink Žemės magnetosferą – artimos žemei erdvės sritį, kurią vis dar valdo Žemės magnetinis laukas, o ne Saulė ir kt. tarpplanetiniai šaltiniai.

Nuo tarpplanetinės erdvės ją skiria magnetopauzė, kur dinaminis saulės vėjo slėgis yra subalansuotas jo paties magnetinio lauko slėgiu.

Lauko parametrai

Žemės lauko magnetinės indukcijos linijų padėties vizualinis vaizdas pateikiamas magnetine adata, pritvirtinta taip, kad ji galėtų laisvai suktis tiek aplink vertikalią, tiek aplink horizontalią ašį (pavyzdžiui, kardane)., - kiekviename taške, esančiame šalia Žemės paviršiaus, jis įrengiamas tam tikru būdu išilgai šių linijų.

Kadangi magnetinis ir geografinis poliai nesutampa, magnetinė adata rodo tik apytikslę šiaurės-pietų kryptį.

Vertikali plokštuma, kurioje įtaisyta magnetinė adata, vadinama nurodytos vietos magnetinio dienovidinio plokštuma, o linija, išilgai kurios ši plokštuma kertasi su Žemės paviršiumi, vadinama magnetiniu dienovidiniu.

Taigi magnetiniai dienovidiniai yra Žemės magnetinio lauko jėgos linijų projekcijos į jos paviršių, susiliejančios šiauriniame ir pietiniame magnetiniame poliuose. Kampas tarp magnetinio ir geografinio dienovidinio krypčių vadinamas magnetine deklinacija.

Jis gali būti vakarinis (dažnai žymimas „-“ženklu) arba rytinis (ženklas „+“), priklausomai nuo to, ar magnetinės adatos šiaurinis polius nukrypsta nuo vertikalios geografinio dienovidinio plokštumos į vakarus ar į rytus.

Be to, Žemės magnetinio lauko linijos, paprastai kalbant, nėra lygiagrečios jos paviršiui. Tai reiškia, kad Žemės lauko magnetinė indukcija glūdi ne tam tikros vietos horizonto plokštumoje, o sudaro tam tikrą kampą su šia plokštuma – tai vadinama magnetiniu polinkiu. Jis artimas nuliui tik magnetinio pusiaujo taškuose – didžiojo apskritimo apskritimo plokštumoje, statmenoje magnetinei ašiai.

Žemės magnetinio lauko skaitmeninio modeliavimo rezultatai: kairėje - normalus, dešinėje - inversijos metu

Žemės magnetinio lauko prigimtis

Pirmą kartą J. Larmoras bandė paaiškinti Žemės ir Saulės magnetinių laukų egzistavimą 1919 m., pasiūlydamas dinamo koncepciją, pagal kurią dangaus kūno magnetinio lauko palaikymas vyksta veikiant. elektrai laidžios terpės hidrodinaminis judėjimas.

Tačiau 1934 m. T. Cowlingas įrodė teoremą apie tai, kad neįmanoma išlaikyti ašiesimetrinio magnetinio lauko naudojant hidrodinaminį dinamo mechanizmą.

Ir kadangi dauguma tirtų dangaus kūnų (o juo labiau Žemė) buvo laikomi ašiškai simetriškais, tai remiantis buvo galima daryti prielaidą, kad jų laukas taip pat bus ašies simetriškas, o vėliau jo generavimas pagal šį principą. pagal šią teoremą būtų neįmanoma.

Net Albertas Einšteinas skeptiškai vertino tokio dinamo pagrįstumą, atsižvelgiant į tai, kad neįmanoma egzistuoti paprastų (simetriškų) sprendimų. Tik daug vėliau buvo parodyta, kad net šeštajame dešimtmetyje ne visos ašinės simetrijos lygtys, apibūdinančios magnetinio lauko susidarymo procesą, turės ašies simetrišką sprendimą. buvo rasti asimetriniai sprendimai.

Nuo to laiko dinamo teorija sėkmingai vystėsi, o šiandien visuotinai pripažintas labiausiai tikėtinas Žemės ir kitų planetų magnetinio lauko kilmės paaiškinimas yra savaime sužadinamas dinamo mechanizmas, pagrįstas elektros srovės generavimu laidininke. kai jis juda pačių šių srovių sukurtame ir sustiprintame magnetiniame lauke.

Žemės šerdyje sukuriamos reikalingos sąlygos: skystoje išorinėje šerdyje, daugiausia sudarytoje iš maždaug 4-6 tūkstančių kelvinų temperatūros geležies, kuri puikiai praleidžia srovę, susidaro konvekciniai srautai, pašalinantys šilumą iš kietos vidinės šerdies. (susikuria dėl radioaktyviųjų elementų irimo arba latentinės šilumos išsiskyrimo kietėjant medžiagai ties vidinio ir išorinio branduolių riba, planetai palaipsniui vėsstant).

Koriolio jėgos susuka šias sroves į būdingas spirales, kurios sudaro vadinamuosius Teiloro stulpus. Dėl sluoksnių trinties jie įgauna elektros krūvį, suformuodami kilpų sroves. Taigi sukuriama srovių sistema, kuri cirkuliuoja išilgai laidžios grandinės laidininkais, judančiais (iš pradžių esančiame, nors ir labai silpname) magnetiniame lauke, kaip Faradėjaus diske.

Jis sukuria magnetinį lauką, kuris, esant palankiai srautų geometrijai, sustiprina pradinį lauką, o tai savo ruožtu sustiprina srovę, o stiprinimo procesas tęsiasi tol, kol džaulio šilumos nuostoliai, didėjant srovei, subalansuoja energijos įplaukos dėl hidrodinaminių judesių.

Buvo pasiūlyta, kad dinamas gali būti sužadintas dėl precesijos ar potvynių jėgų, tai yra, kad energijos šaltinis yra Žemės sukimasis, tačiau labiausiai paplitusi ir išplėtota hipotezė yra ta, kad tai yra būtent termocheminė konvekcija.

Žemės magnetinio lauko pokyčiai

Magnetinio lauko inversija – tai Žemės magnetinio lauko krypties pasikeitimas planetos geologinėje istorijoje (nustatomas paleomagnetiniu metodu).

Atliekant inversiją, magnetinė šiaurė ir magnetinė pietinė yra atvirkščiai, o kompaso rodyklė pradeda rodyti priešinga kryptimi. Inversija yra gana retas reiškinys, kuris niekada nebuvo įvykęs per Homo sapiens egzistavimą. Manoma, kad paskutinį kartą tai įvyko maždaug prieš 780 tūkst.

Magnetinio lauko apsisukimai vyko laiko intervalais nuo dešimčių tūkstančių metų iki didžiulių tylaus magnetinio lauko intervalų, trunkančių dešimtis milijonų metų, kai apsisukimų neįvyko.

Taigi, poliaus apsisukimo periodiškumo nerasta, ir šis procesas laikomas stochastiniu. Po ilgų tylaus magnetinio lauko periodų gali sekti daugkartinių skirtingos trukmės apsisukimų periodai ir atvirkščiai. Tyrimai rodo, kad magnetinių polių pasikeitimas gali trukti nuo kelių šimtų iki kelių šimtų tūkstančių metų.

Johnso Hopkinso universiteto (JAV) ekspertai teigia, kad vykstant apsisukimams Žemės magnetosfera taip susilpnėjo, kad kosminė spinduliuotė galėjo pasiekti Žemės paviršių, todėl šis reiškinys gali pakenkti gyviems planetos organizmams, o kitas polių pasikeitimas gali sukelti dar daugiau. rimtų pasekmių žmonijai iki pasaulinės katastrofos.

Pastarųjų metų moksliniai darbai parodė (taip pat ir eksperimentinį) galimybę atsitiktinai keisti magnetinio lauko kryptį ("šuolius") stacionariame turbulentiniame diname. Pasak Žemės fizikos instituto Geomagnetizmo laboratorijos vadovo Vladimiro Pavlovo, inversija pagal žmogaus standartus yra gana ilgas procesas.

Lidso universiteto geofizikai Yon Mound ir Philas Livermore'as mano, kad po poros tūkstančių metų įvyks Žemės magnetinio lauko inversija.

Žemės magnetinių polių poslinkis

Pirmą kartą magnetinio poliaus koordinatės Šiaurės pusrutulyje buvo nustatytos 1831 m., vėl - 1904 m., vėliau 1948 ir 1962, 1973, 1984, 1994 m. Pietų pusrutulyje – 1841 m., vėl – 1908 m. Magnetinių polių poslinkis fiksuojamas nuo 1885 m. Per pastaruosius 100 metų magnetinis polius Pietų pusrutulyje pajudėjo beveik 900 km ir pateko į Pietų vandenyną.

Naujausi duomenys apie Arkties magnetinio poliaus būklę (juda Rytų Sibiro pasaulio magnetinės anomalijos link per Arkties vandenyną) parodė, kad 1973–1984 metais jo rida buvo 120 km, 1984–1994 metais – daugiau nei 150 km. Nors šie skaičiai yra apskaičiuoti, juos patvirtina šiaurinio magnetinio poliaus matavimai.

Po 1831 m., kai pirmą kartą buvo fiksuota stulpo padėtis, 2019 m. stulpas jau buvo pasislinkęs daugiau nei 2300 km Sibiro link ir toliau juda su pagreičiu.

Jo važiavimo greitis padidėjo nuo 15 km per metus 2000 m. iki 55 km per metus 2019 m. Dėl šio greito dreifo reikia dažniau koreguoti navigacijos sistemas, kurios naudoja Žemės magnetinį lauką, pavyzdžiui, kompasus išmaniuosiuose telefonuose arba atsargines laivų ir orlaivių navigacijos sistemas.

Žemės magnetinio lauko stiprumas krenta ir netolygiai. Per pastaruosius 22 metus jis sumažėjo vidutiniškai 1,7 proc., o kai kuriuose regionuose, pavyzdžiui, Pietų Atlanto vandenyne, – 10 proc. Vietomis magnetinio lauko stiprumas, priešingai nei bendra tendencija, net padidėjo.

Polių judėjimo pagreitis (vidutiniškai 3 km per metus) ir judėjimas magnetinių polių inversijų koridoriais (šie koridoriai leido atskleisti daugiau nei 400 paleoinversijų) rodo, kad šiame polių judėjime vienas turėtų pamatyti ne ekskursiją, o dar vieną Žemės magnetinio lauko inversiją.

Kaip atsirado Žemės magnetinis laukas?

Scrippso okeanografijos instituto ir Kalifornijos universiteto ekspertai teigia, kad planetos magnetinį lauką suformavo mantija. Amerikos mokslininkai sukūrė hipotezę, kurią prieš 13 metų pasiūlė tyrėjų grupė iš Prancūzijos.

Yra žinoma, kad ilgą laiką specialistai įrodinėjo, kad jos magnetinį lauką sukuria išorinė Žemės šerdis. Tačiau tada ekspertai iš Prancūzijos pasiūlė, kad planetos mantija visada buvo kieta (nuo gimimo momento).

Ši išvada privertė mokslininkus susimąstyti, kad ne šerdis gali sudaryti magnetinį lauką, o skystoji apatinės mantijos dalis. Mantijos sudėtis yra silikatinė medžiaga, kuri laikoma prastu laidininku.

Bet kadangi apatinė mantija turėjo išlikti skysta milijardus metų, skysčio judėjimas jos viduje nesukėlė elektros srovės, o iš tikrųjų tiesiog reikėjo sukurti magnetinį lauką.

Šiandien profesionalai mano, kad mantija galėjo būti galingesnis kanalas, nei manyta anksčiau. Tokia specialistų išvada visiškai pateisina ankstyvosios Žemės būklę. Silikatinis dinamas įmanomas tik tuo atveju, jei jo skystos dalies elektrinis laidumas buvo daug didesnis ir žemo slėgio bei temperatūros.