Что известно о природе геомагнитного поля

Геомагнитное поле и его основные свойства

Натрадзе, А. Т. Геомагнитное поле и его основные свойства / А. Т. Натрадзе, А. А. Ярошенко. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2018. — № 25 (211). — С. 132-134. — URL: https://moluch.ru/archive/211/51687/ (дата обращения: 16.03.2024).

Магнитное поле Земли или геомагнитное поле — магнитное поле, генерируемое внутри земными источниками. Геомагнитное поле оказывает довольно глубокое воздействие на геофизические, биофизические и экологические процессы на Земле. Оно сыграло выдающуюся роль в эволюции Земли, в происхождении и защите жизни на Земле.

Геомагнитное поле пронизывает все три оболочки Земли: литосферу, гидросферу и атмосферу, воздействует на живую и неживую природу, на все четыре царства природы: растительное, животное, минеральное и, конечно, человеческое. Магнитное поле Земли также оказывает существенное влияние на климат и погоду. Изменения его интенсивности могут привести к значительным колебаниям в температуре, в атмосферном давлении и в частоте выпадения осадков, а также к бурям, ураганам и другим стихийным бедствиям.

Геомагнитное поле намагничивает все минералы и горные породы. Магнитную память о древнем геомагнитном поле сохраняют входящие в состав всех горных пород ферримагнитные минералы. Их естественная остаточная намагниченность появляется во время их образования и сохраняется полностью или частично до нашего времени [1–2].

Геомагнитное поле состоит из главного геомагнитного поля, источники которого находятся во внешнем электропроводящем ядре Земли, аномального, создаваемого намагниченными горными породами, и внешнего геомагнитных полей. В соответствии с общей теорией геомагнетизма Гаусса главное геомагнитное поле состоит из дипольной и недипольной частей. В первом приближении теории геомагнитное поле является полем диполя, наклоненного к оси вращения Земли на угол 10–12 градусов. Аномальное поле составляет около 3 % геомагнитного поля, а внешнее, связанное с солнечно-земными взаимодействиями, — менее 1 %. Измерения магнитного поля Земли выполняются на магнитных обсерваториях, магнитные съемки бывают сухопутными, водными, воздушными и спутниковыми [2].

Силовые линии и напряжённость геомагнитного поля находятся в непрерывном изменении. Изменения (вариации) геомагнитного поля имеют периоды как в сотни и тысячи лет, так и от нескольких месяцев, до долей секунд. Кроме того, имеется тенденция смещения силовых линий геомагнитного поля на запад со скоростью 0.2 градуса в год (так называемый западный дрейф). Длиннопериодные вариации с периодом от 60 до 1800 и более лет называются «вековыми», короткопериодные (с периодом меньше одного года) очень различны как по своим периодам, так и по своей природе. Источники вековых вариаций, по современным представлениям, находятся в ядре Земли, источники короткопериодных — в верхних слоях атмосферы, в ионосфере и магнитосфере. Интенсивность короткопериодных вариаций зависит от активности солнечно-земных взаимодействий.

На Земной поверхности существуют так называемые магнитные аномалии, напряженность которых существенно превышает среднее аномальное геомагнитное поле. Магнитные аномалии во многих случаях связаны с залежами полезных ископаемых. Таким образом, непосредственные измерения геомагнитного поля прямо связаны с поиском полезных ископаемых (включая алмазы) как на суше, так и на дне мирового океана.

Геомагнитное поле, в первом приближении, можно рассматривать как магнитное поле однородно намагниченного шара — планеты Земля. Такое представление утвердилось в науке с 1600 г. — со времени выхода в свет книги В. Гильберта «О магнитах, магнитных телах и большом магните Земля, новая физиология, доказываемая множеством опытов и рассуждений» и удовлетворительно отражает характер изменения магнитного поля Земли на акватории Мирового океана [3].

Для описания глобальных явлений вблизи земной поверхности и геомагнитного поля, в частности, обычно используется система ортогональных сферических географических координат, несколько отличная от сферической системы координат. В этой системе координат r — расстояние до центра Земли (на земной поверхности r  R₀ — радиус Земли), — географическая широта и  — географическая долгота, при этом = 0 на экваторе,   на северном полюсе, =-/2 на южном;    на Гринвичском меридиане и    на тихоокеанском меридиане, лежащим в одной плоскости с Гринвичским. Декартова система координат Земли ₁ ₂ ₃, с центром в центре Земли, ось ₁ которой направлена вдоль оси вращения Земли к северному полюсу, а ось ₂ в точку пересечения Гринвичского меридиана и экватора, связана с системой сферических географических координат следующими соотношениями:

В декартовой системе координат Земли скалярный потенциал () магнитного поля Земли, рассматриваемой как равномерно намагниченный шар, при , представляет собой потенциал точечного магнитного диполя с магнитным моментом , расположенного в начале координат:

, (1)

где _i — направляющие косинусы вектора магнитного момента ;

— его компоненты; .

По современным данным магнитный момент Земли равен M₀ = 8.25 10 22 А∙м 2 . Направляющие косинусы определяют декартовы координаты Северного магнитного полюса Земли:

который находится в Антарктиде и определяется условием ортогональности направления геомагнитного поля поверхности Земли, при этом:

где — географические координаты Северного магнитного полюса.

В сферической географической системе координат скалярный потенциал будет иметь вид:

(2)

где cos = sin₀ sin + cos₀ coscos ( — ₀),

Орты сферической системы координат в каждой точке пространства образуют ортогональную систему и направлены. В этих ортах напряженность геомагнитного поля, определяемого скалярным потенциалом (2) будет равна:

где — элементы длины вдоль направлений , соответственно. Компоненты напряженности:

(3)

Величина радиуса Земли R₀ несоизмеримо велика по сравнению с размерами зданий, кораблей и других сооружений и объектов, создаваемых человеком, поэтому для описания координат точек этих объектов обычно пользуются локальной географической системой декартовых координат, начало которой обычно помещают в центр тяжести объекта, ось х направляется на географический север по касательной к меридиану, проходящему через данную точку, ось у — на восток по касательной к широтной линии, ось z — вертикально вниз по направлению к центру Земли. Эта локальная географическая система координат является правой, и ее орты связаны с ортами глобальной сферической системы в точке расположения ее центра следующим образом:

следовательно, в локальной географической системе координат:

Формулы (3) при в локальной географической системе координат удобно представить в виде:

(4)

где коэффициенты определяются следующими выражениями:

(5)

В ряде случаев удобно пользоваться локальной геомагнитной декартовой системой координат, которая получается из локальной географической поворотом на угол D вокруг оси Z, так, что ось Х геомагнитной системы совпадает с направлением горизонтальной проекции вектора , или, как иногда говорят, с направлением магнитного меридиана.

Несмотря на простейшие предположения о геомагнитном поле как о поле равномерно намагниченного шара, на основании которых были написаны формулы (1) — (4), эти формулы позволяют описывать геомагнитное поле на акватории океана и на тех участках суши, на которых нет выходов магнитных руд, с погрешностью порядка 25 %, т. е. вполне удовлетворительно передают характер глобального изменения компонент геомагнитного поля как функции  и . Например, согласно (4), на магнитных полюсах получаем = 49.70 А/м в то время как среднее значение на полюсах составляет 50.9 А/м; на магнитном экваторе , в то время как максимальное значение на магнитном экваторе составляет 32.6 А/м (погрешность 23 %).

Следует отметить, что согласно (4) изменение при перемещении точки на 1 км составляет величину порядка 8·10– 3 А/м, таким образом, в пределах рукотворных объектов геомагнитное поле можно считать практически однородным [2–3].

Как уже отмечалось ранее, фундаментальный вклад в описание геомагнитного поля был сделан великим немецким математиком К. Ф. Гауссом, в 1839г. построившим аналитическую модель геомагнитного поля, существенно уточнившую простейшую модель, основанную на представлении магнитного потенциала Земли в виде (4).

Таким образом, Геомагнитное поле является одним из обязательных условий существования и развития жизни на Земле, потому что, как уже было сказано выше, оно, наравне с атмосферой, защищает Землю от пагубного разрушительного воздействия солнечного ветра и космических лучей. Более того, жизнь на Земле могла возникнуть только после дифференциации вещества Земли, возникновения ядра и, соответственно, геомагнитного поля.

Дема Р. Р., Молочкова О. С., Нефедьев С. П. «Материаловедение», 2014.
Краснов И. П. «Основы классической теории намагничения тел» намагничения тел» Центральный НИИ им. академика А. Н. Крылова. — СПб., 2008.
Сандомирский С. Г. «Магнитный контроль структуры стальных и чугунных изделий. Современное состояние». Литье и металлургия, 2008.

Основные термины (генерируются автоматически): геомагнитное поле, магнитное поле Земли, локальная географическая система, Земля, земная поверхность, координата, намагниченный шар, скалярный потенциал, центр Земли, Гринвичский меридиан.

Год науки и технологий 2021

Что будет, когда Северный и Южный полюсы поменяются местами?

10 октября в рамках фестиваля «NAUKA 0+» в Фундаментальной библиотеке МГУ прошла лекция «Планета Земля и её удивительный магнетизм». Спикером выступил Роман Веселовский, доктор геолого-минералогических наук, профессор РАН, доцент геологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.

«Все обычно носят с собой телефоны, а я ношу очень модный аксессуар – компас»

Как можно узнать, что у Земли есть магнитное поле, ведь органам чувств человека оно не подвластно? У Романа Витальевича Веселовского есть ответ на этот вопрос. Наличие магнитного поля в определённом месте вычисляется с помощью компаса. Он был изобретён ещё до нашей эры в Китае и до сих пор активно используется. 400 лет назад у учёных было предположение, что стрелка магнитного компаса притягивается к некой Магнитной горе, которая находится на Северном полюсе. Магнитная гора интересовала всех, к ней хотели приблизиться и изучить её особенности, однако экспедиции достигли этих мест относительно недавно – около 200 лет назад. В 1831 году экспедицией Джона и Джеймса Россов был достигнут Северный магнитный полюс. Изучая фьорды Канадского архипелага, они добрались до той точки, где стрелка компаса показала ровно вниз, то есть вертикально, и это не ошибка. Обычные компасы ориентируются только в горизонтальной плоскости – измеряют магнитное склонение, но специальные приборы, способные ориентироваться в вертикальной плоскости, вычисляют магнитное наклонение. Его можно измерить и в домашних условиях: подвесить магнитную стрелку на ниточке и дать спокойно сориентироваться в пространстве. Таким образом, магнитный полюс определяется магнитным наклонением: на Северном полюсе стрелка компаса будет смотреть вертикально вниз, а на Южном – вверх. Южный полюс был достигнут экспедицией Джеймса Росса в 1839-1843 годах, но мореплаватели не смогли добраться до точного места, где он располагался: до заветной точки не хватило около 200 километров. В 1843 году Джеймс Росс математически вычислил местоположение Южного магнитного полюса, с этого времени стали известны точные координаты обоих полюсов.

«Пока я с вами разговариваю и читаю лекцию, магнитный полюс перемещается из одного конца конференц-зала в другой»

Издавна люди заметили, что если на долгое время положить компас на одно место и не давать ему двигаться, то его стрелка изменяет своё направление. Сейчас это называется дрейфом магнитного поля. За несколько лет можно заметить, что стрелка значительно меняет своё направление, следовательно, то место, куда она показывала, перемещается, то есть магнитный полюс перемещается в пространстве с течением времени. Сложно ожидать от инертной на первый взгляд Земли настолько быстрый дрейф магнитного полюса – за последние 20 лет он пробежал расстояние около 1000 километров. За каждый год магнитный полюс в среднем пробегает около 50 километров.

«Земля работает как огромная тепловая машина, что способствует образованию магнитного поля»

В дискуссиях об изменении магнитного поля родились вопросы: «Откуда берётся магнитное поле? Что является источником магнитного поля у Земли?» Физик Уильям Гильберт предположил, что Земля – это однородно намагниченная сфера. Эта гипотеза основывалась на том, что магнитная сфера, как и магнитный брусок, создаёт вокруг себя магнитное поле той же конфигурации, что мы наблюдаем посредством измерения магнитного поля компасом. Концентрические силовые линии магнитного поля нельзя увидеть, их возможно определить с помощью специального прибора. Эти линии имеют такую же конфигурацию, что и у магнитного диполя (прим. ред. диполя — маленького плоский витка с током; размеры витка намного меньше расстояния, на котором наблюдается его магнитное поле) . Однако дальнейшие исследования показали, что Земля не может быть однородно намагниченной сферой, поэтому следующим направлением в исследовании магнитного поля нашей планеты был поиск механизма внутри Земли, генерирующего магнитное поле по принципу катушки с током, поскольку она создаёт такие же по конфигурации силовые линии. Если смотреть на внутреннее строение Земли, внешнее ядро планеты – единственная её часть, которая находится в жидком состоянии; следовательно, от него можно ожидать быстрых изменений и процессов. Течение вещества во внешнем ядре происходит буквально на наших глазах, поэтому, возможно, генерация магнитного поля происходит именно в нём. Два главных условия существования магнитного поля на Земле: её быстрое вращение вокруг своей оси и конвекция (прим. ред. конвекция — это явление переноса теплоты в жидкостях или газах, или сыпучих средах потоками вещества) во внешнем ядре. В результате кристаллизации внутреннего ядра, его увеличения и роста выделяется большое тепло, передающееся веществу внешнего ядра, оно подогревается и в нем происходит тепловая конвекция. Эти особенности были выявлены с помощью численного моделирования магнитного геодинамо (прим. ред. геодинамо — это эффект самогенерации магнитного поля при определённом движении проводящей жидкости) Земли.

«Однажды мне позвонили с НТВ и спросили: «Нас ждёт инверсия? Мы все умрём или как?»

Магнитное поле фиксируется на протяжении нескольких сотен лет, а что было до этого – неизвестно. Одна из наиболее неисследованных особенностей магнитного поля – это переполюсовка, или инверсия. Два года назад в СМИ по поводу инверсии поднялся шум, эта тема привлекла большое внимание. Поскольку Северный полюс перемещается очень быстро, это может являться скорым предвестником переполюсовки магнитного поля. Помимо того, что быстро перемещается магнитный полюс, ещё и напряжённость магнитного поля сильно падает. Длина магнитного поля измеряется магнитометрами, она и характеризует его напряжённость. Её показатели показывают, что магнитное поле стало резко сокращаться, если так пойдёт и дальше, то, чисто теоретически, через тысячу лет магнитное поле может исчезнуть. Эти смелые предположения взволновали общество. Инверсия магнитного поля действительно существует. Эти процессы наблюдались в прошлом: последняя инверсия магнитного поля произошла 780 тысяч лет назад. Всего за историю Земли мы знаем несколько сотен, если не тысяч инверсий магнитного поля. За последние 5 млн лет произошло 20 инверсий. Следовательно, инверсия – это такое свойство магнитного поля, которое мы должны учитывать в своих моделях, уметь прогнозировать её в будущем и изучать её влияние на живые организмы. Об инверсии стало известно благодаря так называемому дну океанов. В 50-е годы двадцатого века было доказано, что дно океанов расширяется, и при внедрении магматических пород в срединно-океанических хребтах формируется запись магнитного поля Земли на тот момент, когда вводились эти магматические породы. Эти записи показывают неоднократные инверсии на Земле, к тому же по ним можно определить, что инверсии происходили нерегулярно. Кроме того, интервалы времени, когда Земля имела одинаковую полярность, имели совсем разную продолжительность: от нескольких десятков тысяч до десятков миллионов лет. Из этого следует интересный вывод: мы не знаем, когда произойдёт следующая инверсия.

Считается, что, так как инверсия не фиксировалась уже 780 тысяч лет, она должна скоро произойти, на это указывает и быстрое смещение полюса; однако историки магнитного поля говорят, что такие быстрые смещения полюса тоже происходили в прошлом, и далеко не каждое ускорение перемещения магнитных полюсов заканчивалось инверсией. Поле может остановиться, замедлиться, вернуться назад. По современным представлениям, инверсия – это не просто переворот магнитного поля на 180 градусов. Магнитное поле ослабевает почти до нуля, а потом снова возникает в обратном направлении. Момент, когда поле ослабевает почти до нуля, волнует практически всех, поскольку в это время наша Земля теряет свой магнитоэкран, магнитосферу. Планета становится более уязвимой, так как радиационный фон от Солнца увеличивается. Однако недавно учёные с Физического факультета МГУ посчитали, что при выключении магнитного поля радиационный фон на Земле увеличится всего лишь в два-три раза, что не представляет никакой опасности для живых организмов, пострадают только космонавты на МКС, так как на высоте примерно 400 километров фон увеличится раз в 20-25 – это уже серьёзно. В науке нет данных о том, что инверсии влекли за собой изменения в жизни биосферы Земли.

«То время, которое люди живут на Земле, — это ничто для геологической истории планеты»

Магнитное поле детально изучается последние 100 лет, что представляет собой момент для геологической науки, однако непонятно, как оно выглядело в момент появления Земли. Реконструкцией вида магнитного поля несколько миллионов или даже миллиардов лет назад занимается специальная наука – палеомагнитология. Магнитные минералы, наиболее часто встречающийся из них в природе – магнетит, или магнитный железняк, фиксируют и хранят магнитный сигнал. Если горная порода после своего образования не нагревается, не деформируется и не испытывает химических превращений, то она может записать, сохранить и донести до наших дней сведения о магнитном поле Земли в прошлом вплоть до 4 млрд лет. Палеомагнитология занимается считыванием информации с этих горных пород. Самый яркий выход из палеомагнитных исследований – восстановление облика Земли в прошлом. Это важно для того, чтобы спрогнозировать положение континентов в будущем. Пангея Проксима, объединяющая практически все континенты, – модель внешнего облика Земли через 250 млн лет. Детально реконструировать магнитное поле можно с помощью археомагнетизма, то есть артефактов – черепков, обожжённой керамики. В них присутствуют магнитные материалы, поэтому, выпилив из этих артефактов кубики, можно считывать с этих предметов магнитную информацию, реконструировать поведение магнитного поля в прошлом с точностью до определённого возраста этой керамики.

«Магнитное поле могут определять не только птицы и рыбы, но и бактерии!»

Биомагнетизм – особое направление науки. Человек не может осязать магнитное поле, но, как выяснилось, у многих мигрирующих представителей биосферы – рыб, птиц, бабочек, китов, дельфинов – имеются такие рецепторы, они ощущают его. Например, у голубей в ухе обнаружены клетки, которые особым образом определяют направление магнитного поля земли. Такие же клетки есть у рыб и других перечисленных ранее животных. Даже такие простейшие одноклеточные вещества, как магнитотактические бактерии, могут ориентироваться по магнитному полю Земли.

«Магнитное поле для человека – шестое чувство?»

Палеомагнитолог из Калифорнийского университета Джо Киршвинг интересуется тем, может ли всё-таки человек распознать магнитное поле. Он посадил себя в кольца Гельмгольца, которые могут создавать магнитное поле определённого направления и напряжённости в определённом объёме пространства, надел много датчиков и попытался найти в себе шестое чувство – способность определять магнитное поле Земли. Киршвинг предположил, что у некоторых людей есть этот дар. Например, у своего студента, которого он посадил за эту установку, он не нашёл его, а у себя что-то обнаружил: при изменении магнитного поля в мозге учёного что-то шевелилось. Джо Киршвинг продолжает эксперименты, может быть, это выльется в новое научное открытие.

Щит для Земли: зачем нашей планете магнитное поле и как оно изменяется?

Магнитное поле защищает поверхность Земли от солнечного ветра и вредного космического излучения. Оно работает как своеобразный щит — без его существования атмосфера была бы разрушена. Рассказываем, как формировалось и менялось магнитное поле Земли.

Читайте «Хайтек» в

Строение и характеристики магнитного поля Земли

главное поле,
поля мировых аномалий,
внешнее магнитное поле.

Главное поле

Более чем на 90% оно состоит из поля, источник которого находится внутри Земли, в жидком внешнем ядре, — эта часть называется главным, основным или нормальным полем.

Оно аппроксимируется в виде ряда по гармоникам — ряда Гаусса, а в первом приближении вблизи поверхности Земли (до трех ее радиусов) близко к полю магнитного диполя, то есть имеет такой вид, как будто земной шар представляет собой полосовой магнит с осью, направленной приблизительно с севера на юг.

Реальные силовые линии магнитного поля Земли, хотя в среднем и близки к силовым линиям диполя, отличаются от них местными нерегулярностями, связанными с наличием намагниченных пород в коре, расположенных близко к поверхности.

Из-за этого в некоторых местах на земной поверхности параметры поля сильно отличаются от значений в близлежащих районах, образуя так называемые магнитные аномалии. Они могут накладываться одна на другую, если вызывающие их намагниченные тела залегают на разных глубинах.

Оно определяется источниками в виде токовых систем, находящимися за пределами земной поверхности, в ее атмосфере. В верхней части атмосферы (100 км и выше) — ионосфере — ее молекулы ионизируются, формируя плотную холодную плазму, поднимающуюся выше, поэтому часть магнитосферы Земли выше ионосферы, простирающаяся на расстояние до трех ее радиусов, называется плазмосферой.

Плазма удерживается магнитным полем Земли, но ее состояние определяется его взаимодействием с солнечным ветром — потоком плазмы солнечной короны.

Таким образом, на большем удалении от поверхности Земли магнитное поле несимметрично, так как искажается под действием солнечного ветра: со стороны Солнца оно сжимается, а в направлении от Солнца приобретает «шлейф», который простирается на сотни тысяч километров, выходя за орбиту Луны.

Эта своеобразная «хвостатая» форма возникает, когда плазма солнечного ветра и солнечных корпускулярных потоков как бы обтекают земную магнитосферу — область околоземного космического пространства, еще контролируемую магнитным полем Земли, а не Солнца и других межпланетных источников.

Она отделяется от межпланетного пространства магнитопаузой, где динамическое давление солнечного ветра уравновешивается давлением собственного магнитного поля.

Наглядное представление о положении линий магнитной индукции поля Земли дает магнитная стрелка, закрепленная таким образом, что может свободно вращаться и вокруг вертикальной, и вокруг горизонтальной оси (например, в кардановом подвесе), — в каждой точке вблизи поверхности Земли она устанавливается определённым образом вдоль этих линий.

Поскольку магнитные и географические полюса не совпадают, магнитная стрелка указывает направление с севера на юг только приблизительно.

Вертикальную плоскость, в которой устанавливается магнитная стрелка, называют плоскостью магнитного меридиана данного места, а линию, по которой эта плоскость пересекается с поверхностью Земли, — магнитным меридианом.

Таким образом, магнитные меридианы — это проекции силовых линий магнитного поля Земли на ее поверхность, сходящиеся в северном и южном магнитных полюсах. Угол между направлениями магнитного и географического меридианов называют магнитным склонением.

Оно может быть западным (часто обозначается знаком «−») или восточным (знак «+») в зависимости от того, к западу или востоку отклоняется северный полюс магнитной стрелки от вертикальной плоскости географического меридиана.

Далее линии магнитного поля Земли, вообще говоря, не параллельны ее поверхности. Это означает, что магнитная индукция поля Земли не лежит в плоскости горизонта данного места, а образует с этой плоскостью некий угол — он называется магнитным наклонением. Оно близко к нулю лишь в точках магнитного экватора — окружности большого круга в плоскости, которая перпендикулярна к магнитной оси.

Природа магнитного поля Земли

Впервые объяснить существование магнитных полей Земли и Солнца попытался Дж. Лармор в 1919 году, предложив концепцию динамо, согласно которой поддержание магнитного поля небесного тела происходит под действием гидродинамического движения электропроводящей среды.

Однако в 1934 году Т. Каулинг доказал теорему о невозможности поддержания осесимметричного магнитного поля посредством гидродинамического динамо-механизма.

А поскольку большинство изучаемых небесных тел (и тем более Земля) считались аксиально-симметричными, на основании этого можно было сделать предположение, что их поле тоже будет аксиально-симметричным, и тогда его генерация по такому принципу будет невозможна согласно этой теорем.

Даже Альберт Эйнштейн скептически относился к осуществимости такого динамо при условии невозможности существования простых (симметричных) решений. Лишь гораздо позже было показано, что не у всех уравнений с аксиальной симметрией, описывающих процесс генерации магнитного поля, решение будет аксиально-симметричным, и в 1950-х годах. несимметричные решения были найдены.

С тех пор теория динамо успешно развивается, и на сегодняшний день общепринятым наиболее вероятным объяснением происхождения магнитного поля Земли и других планет является самовозбуждающийся динамо-механизм, основанный на генерации электрического тока в проводнике при его движении в магнитном поле, порождаемом и усиливаемом самими этими токами.

Необходимые условия создаются в ядре Земли: в жидком внешнем ядре, состоящем в основном из железа при температуре порядка 4–6 тысяч кельвинов, которое отлично проводит ток, создаются конвективные потоки, отводящие от твердого внутреннего ядра тепло (генерируемое благодаря распаду радиоактивных элементов либо освобождению скрытой теплоты при затвердевании вещества на границе между внутренним и внешним ядром по мере постепенного остывания планеты).

Силы Кориолиса закручивают эти потоки в характерные спирали, образующие так называемые столбы Тейлора. Благодаря трению слоев они приобретают электрический заряд, формируя контурные токи. Таким образом, создается система токов, циркулирующих по проводящему контуру в движущихся в (изначально присутствующем, пусть и очень слабом) магнитном поле проводниках, как в диске Фарадея.

Она создает магнитное поле, которое при благоприятной геометрии течений усиливает начальное поле, а это, в свою очередь, усиливает ток, и процесс усиления продолжается до тех пор, пока растущие с увеличением тока потери на джоулево тепло не уравновесят притоки энергии, поступающей за счет гидродинамических движений.

Высказывались предположения, что динамо может возбуждаться за счет прецессии или приливных сил, то есть что источником энергии является вращение Земли, однако наиболее распространена и разработана гипотеза о том, что это все же именно термохимическая конвекция.

Изменения магнитного поля Земли

Инверсия магнитного поля — изменение направления магнитного поля Земли в геологической истории планеты (определяется палеомагнитным методом).

При инверсии северный магнитный полюс и южный магнитный полюс меняются местами, и стрелка компаса начинает показывать противоположное направление. Инверсия — относительно редкое явление, которое ни разу не происходило за время существования Homo sapiens. Предположительно, последний раз оно произошло около 780 тысяч лет назад.

Инверсии магнитного поля происходили через интервалы времени от десятков тысяч лет до огромных промежутков спокойного магнитного поля в десятки миллионов лет, когда инверсии не происходили.

Таким образом, не обнаружено никакой периодичности в смене полюсов, и этот процесс считается стохастическим. За длительными периодами спокойного магнитного поля могут следовать периоды многократных инверсий с различной длительностью и наоборот. Как показывают исследования, смена магнитных полюсов может длиться от нескольких сотен до нескольких сотен тысяч лет.

Специалисты из Университета Джонса Хопкинса (США) предполагают, что во время инверсий магнитосфера Земли ослабевала настолько, что космическое излучение могло достигать поверхности Земли, поэтому это явление могло наносить вред живым организмам на планете, а очередная смена полюсов может привести к еще более серьезным последствиям для человечества вплоть до глобальной катастрофы.

Научные работы в последние годы показали (в том числе и в эксперименте) возможность случайных изменений направления магнитного поля («перескоков») в стационарном турбулентном динамо. По словам заведующего лабораторией геомагнетизма Института физики Земли Владимира Павлова, инверсия — достаточно длинный по человеческим меркам процесс.

Геофизики из Лидского университета Йон Маунд и Фил Ливермор полагают, что через пару тысяч лет произойдет инверсия магнитного поля Земли.

Смещение магнитных полюсов Земли

Впервые координаты магнитного полюса в Северном полушарии были определены в 1831 году, повторно — в 1904 году, затем в 1948 году и 1962, 1973, 1984, 1994 годах; в Южном полушарии — в 1841 году, повторно — в 1908 году. Смещение магнитных полюсов регистрируется с 1885 года. За последние 100 лет магнитный полюс в Южном полушарии переместился почти на 900 км и вышел в Южный океан.

Новейшие данные по состоянию арктического магнитного полюса (движущегося по направлению к Восточно-Сибирской мировой магнитной аномалии через Северный Ледовитый океан) показали, что с 1973 по 1984 год его пробег составил 120 км, с 1984 по 1994 год — более 150 км. Хотя эти данные расчетные, они подтверждены замерами северного магнитного полюса.

После 1831 года, когда положение полюса было зафиксировано впервые, к 2019 году полюс сместился уже более чем на 2 300 км в сторону Сибири и продолжает двигаться с ускорением.

Скорость его перемещения увеличилась с 15 км в год в 2000 году до 55 км в год в 2019 году. Такой быстрый дрейф приводит к необходимости более частой корректировки навигационных систем, использующих магнитное поле Земли, например, в компасах в смартфонах или в резервных системах навигации кораблей и самолетов.

Напряженность земного магнитного поля падает, причем неравномерно. За последние 22 года она уменьшилась в среднем на 1,7 %, а в некоторых регионах, — например в южной части Атлантического океана, — на 10%. В некоторых местах напряженность магнитного поля, вопреки общей тенденции, даже возросла.

Ускорение движения полюсов (в среднем на 3 км/год) и движение их по коридорам инверсии магнитных полюсов (эти коридоры позволили выявить более 400 палеоинверсий) позволяет предположить, что в данном перемещении полюсов следует усматривать не экскурс, а очередную инверсию магнитного поля Земли.

Как появилось магнитное поле Земли?

Специалисты океанографического Института Скриппса и Калифорнийского Университета предположили, что магнитное поле планеты сформировалось благодаря мантии. Американские ученые развили гипотезу, предложенную 13 лет назад группой исследователей из Франции.

Известно, что в течение долгого времени профессионалы утверждали, что именно внешнее ядро Земли генерировало ее магнитное поле. Но потом специалисты из Франции предположили, что мантия планеты была всегда твердой (с момента своего рождения).

Это заключение и заставило ученых задуматься о том, что не ядро могло формировать магнитное поле, а жидкая часть нижней мантии. Состав мантии представляет собой силикатный материал, который считается плохим проводником.

Но так как нижняя мантия должна была оставаться жидкой в течение миллиардов лет, движения жидкости внутри нее не производило электрического тока, а ведь для генерации магнитного поля он был просто необходим.

Сегодня профессионалы считают, что мантия могла быть более мощным проводником, чем считалось прежде. Такое умозаключение специалистов вполне оправдывает состояние ранней Земли. Силикатное динамо возможно только в том случае, если электропроводность ее жидкой части была намного выше и имела низкие показатели давления и температуры.

Читать далее

Опорный Тюменский индустриальный университет

В Год науки и технологий мы продолжаем рассказывать об известных профессорах и молодых учёных ТИУ, чьи имена прославляют университет на весь мир, об их уникальных разработках. Согласно плану научных мероприятий и заявленной темой апреля «Освоение космоса», мы публикуем в рубрике «Интеллектуальный марафон «Люди, посвятившие себя науке» статью о профессоре Аркадии Дмитриеве и его исследованиях по созданию термоэлектрической модели магнитного поля Земли.

В научных кругах Аркадий Дмитриев известен как специалист в области наук о Земле. В середине восьмидесятых годов ХХ века он разработал технологию поиска месторождений нефти и газа геофизическим методом. Эта технология ему помогла открыть северо-восточную часть нефтяного Приобского месторождения. Также он предложил элементы теории электрохимического образования сульфидных руд, повысив тем самым эффективность поисков и расшифровку генезиса гидротермальных месторождений. Метод Дмитриева стал основополагающим и был рекомендован для распространения по всему Советскому Союзу.

Последние пять лет доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры Прикладной геофизики ТИУ Аркадий Дмитриев работает над научно-экспериментальными исследованиями по созданию термоэлектрической модели магнитного поля Земли и других планет Солнечной системы.

Термоэлектрическая модель магнитного поля Земли Дмитриева

В 1915 году Альберт Энштейн выделил пять вопросов, важных для учёных всего мира, один из них – изучение магнитного поля Земли. Если кто-то изучит, освоит, поймёт это явление – это будет невероятное событие в науке, говорил он.

Сорок с лишним лет Аркадий Дмитриев изучал все модели, предложенные американскими, европейскими, японскими специалистами в области магнитного поля. Термоэлектрическая модель Дмитриева, по его словам, достаточно проста, теория базируется на эффекте Зеебека и предусматривает направленное движение электрических токов в металлическом ядре Земли.

«Я взял в проработку все физические процессы, которые присутствуют в космосе. Наткнулся на эффект Зеебека, который заключается в том, что если к металлу (пруту) приложить с одной стороны свечку, с другой холод, то по нему побежит электрический ток, — рассказывает Аркадий Николаевич. — Я начал размышлять. Необходимые условия создаются в ядре Земли, состоящем в основном из железа и никеля при температуре порядка 4-6 тысяч кельвинов. Прикладываем эффект Зеебека – раз металл есть, значит, при разности температур электроны должны двигаться направленно от горячо нагретой части ядра к его более холодной, вследствие чего возникает электрический ток, который и приводит к возникновению магнитного поля».

Совмещение Закона термодинамики и эффекта Зеебека позволило учёному вывести и предложить первоначальную модель, на разработку механизма которой было потрачено еще много лет. Многие промежуточные достижения он подтверждал открытиями других учёных.

Откуда у Земли магнит

Магнитное поле защищает поверхность Земли от солнечного ветра и вредного космического излучения. При отсутствии магнитного поля наша атмосфера разрушилась бы. Как формируется магнитное поле и откуда в Земле магнит, профессор Дмитриев поясняет: «Меня всегда интересовали физические поля нашей планеты, тем более я как геофизик обязан применять гравитационное, магнитное, тепловое поля на практике с помощью приборов. В 70-е годы прошлого столетия меня заинтересовала книга японского астрофизика по электромагнитному полю Земли. Итальянский учёный Анзелини открыл интересное явление – теоретически рассчитал и обнаружил, что внутреннее ядро, состоящее из двух частей: внешнего – расплавленного и внутреннего – твёрдого, постепенно остывает. Другие учёные подтвердили динамику температуры. Ядро находится в динамическом температурном режиме, следовательно, обязательно должны появиться термоэлектрические токи в ядре, причем направленные».

Почему на Земле меняются полюса магнитного поля

Земля меняет свои магнитные полюса местами – северный становится южным, и наоборот. Инверсии магнитного поля происходили через интервалы времени от десятков тысяч лет до огромных промежутков спокойного магнитного поля в десятки миллионов лет, когда инверсии не происходили. В настоящее время северный полюс, по словам профессора Дмитриева, стремительно движется от Канады в сторону России, в то время как южный остаётся малоподвижным.

«Эти процессы циклические и неуправляемые. Всё зависит от внутренних свойств планеты. В представлении обывателя ось жёсткая, следовательно, полюсы должны стоять на месте, — говорит Аркадий Николаевич. — Я доказал обратное. Магнитная ось не является жёсткой, она гибкая и связана с неоднородным распределением электронов за счёт асимметрии центробежной силы. Наша Земля наклонена к орбите, и если посмотреть на ее разрезы, параллельные эклиптике, то можно заметить, что западная часть северного полушария и восточная часть южного полушария более подвержены влиянию центробежной силы. Таким образом, происходит оттягивание электронов от оси вращения планеты, в результате чего образуется смещенная примерно на 11 0 «пустота» — некоторое разреженное от электронов пространство. Этот канал обеспечивает более легкий выход наружу планеты полоидальному (внешнему, дипольному) магнитному полю, порождаемому тороидальным магнитным полем (внутренним), создаваемым внутри ядра термоэлектрическими токами Земли. Следовательно, полоидальное поле и есть магнитное поле нашей Земли.

Проблему смены полюсов Дмитриев объяснил через реверс токов, который происходит от холодной части ядра к более нагретой и, наоборот, за счет их поочередного перегрева джоулевым теплом. Тем самым, он нашёл ответы на вопросы, на которые теория магнитогидродинамо, разрабатываемая на протяжении ста лет, не может доказательно ответить. Также за счет гибкости магнитной оси удается объяснить и ее другие механизмы – экскурсы, джерки.

Материалы на тему научно-экспериментальных исследований по созданию термоэлектрической модели магнитного поля Земли и других планет Солнечной системы Аркадий Дмитриев начал публиковать с 2016 года, больше в зарубежных изданиях. Обоснованность этой модели привлекает ученых, в связи с чем к нему поступают запросы на публикацию статей от редакций ряда журналов Японии, Швейцарии, Швеции, Испании, Финляндии.

«На ближайшее будущее планирую провести лабораторные исследования этого планетарного события. Надеюсь на содружество с научными коллективами, занимающимися подобными задачами и имеющими техническую базу для реализации лабораторного проекта», — отметил Аркадий Дмитриев.

1 мая Аркадий Дмитриев отметит свой 83 день рождения. Он полон сил и идей. Пожелаем же ему крепкого здоровья, долгих лет жизни и новых достижений на благо отечественной науки!

Отдел медиа и внешних коммуникаций