Магнитосфера
Магнитосфе́ра — область пространства вокруг небесного тела, в которой поведение окружающей тело плазмы определяется магнитным полем этого тела.
Альтернативное определение: Магнитосфе́ра — область пространства вокруг планеты или другого намагниченного небесного тела, которая образуется, когда поток заряженных частиц, например солнечного ветра, отклоняется от своей первоначальной траектории под воздействием внутреннего магнитного поля этого тела.
Форма и размеры магнитосферы определяются силой внутреннего магнитного поля этого небесного тела и давлением окружающей плазмы (солнечного ветра). Все планеты, имеющие собственное магнитное поле, обладают магнитосферой: Земля, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Меркурий и Марс обладают очень слабыми магнитосферами, а также Ганимед, один из спутников Юпитера (но его магнитосфера целиком находится в пределах магнитосферы Юпитера, что приводит к их сложным внутренним взаимодействиям). Ионосферы слабо намагниченных планет, как например Венера, частично отклоняют поток солнечного ветра, но они не имеют магнитосферы как таковой.
Термин магнитосфера также используется для описания регионов, где доминирует магнитное поле других небесных тел, например звёзд, пульсаров и пр.
Содержание
История открытия
Границы магнитосферы
Граница магнитосферы (магнитопауза) определяется условием равенства давлений магнитного поля и набегающей плазмы, то есть радиус магнитосферы (альвеновский радиус 
) определяется соотношением
,
где 
— магнитное поле небесного тела, 
и 
— соответственно плотность и скорость потока набегающей плазмы.
Магнитосферы планет
В случае набегающего потока плазмы, например, в случае взаимодействия собственного магнитного поля планеты с солнечным ветром, магнитосфера представляет полость достаточно сложной формы, обтекаемую солнечным ветром.
Проникновение плазмы в магнитосферу Земли происходит непосредственно через промежутки между замкнутыми и «разомкнутыми» магнитными силовыми линиями в магнитопаузе, именуемые дневными полярными каспами, или вследствие гидромагнитных эффектов и неустойчивостей. Проникновение плазмы солнечного ветра может сопровождаться дневными полярными сияниями в высокоширотной ионосфере. К развитию таких неустойчивостей приводят, в частности, резкие изменения параметров межпланетной среды. Это проявляется в зависимости частоты и интенсивности полярных сияний от уровня солнечной активности.
Часть плазмы, проникшей в магнитосферу, образует радиационный пояс планеты (пояс Ван Аллена) и плазменный слой.
В Солнечной системе, помимо Земли, магнитосфера имеется у большинства планет.
Магнитосфера Земли
С наличием магнитосферы связаны многие проявления Космической погоды, такие как геомагнитная активность, геомагнитная буря и суббуря.
Общие сведения
Форму, структуру и размеры магнитосферы Земли определяют два главных фактора:
Магнитосферы звезд
Наиболее существенно влияние магнитосфер звезд на процессы аккреции на них. Свободное падение плазмы на звезду останавливается её магнитным полем на расстоянии её альвеновского радиуса, то есть на границе магнитосферы, аккреция при этом направляется на магнитные полюса звезды.
Дело не в ядре: раскрыта тайна магнитного поля Земли
Учёные заглянули в самое начало эволюции планеты и обнаружили, что её знаменитый антирадиационный щит на самом деле возник не так, как мы привыкли думать.
Как устроена магнитосфера Земли
Планета находится в гигантском облаке смертоносных частиц, идущих от Солнца и от всей Галактики в целом. И мы живём на этой планете потому, что данные частицы на нас не обрушиваются: сильное магнитное поле Земли заставляет их огибать её и следовать дальше в космос. Притом мощный солнечный ветер как бы сплющивает магнитосферу с той стороны, которая смотрит на светило. Но даже при этом она простирается на 70 тысяч километров — это добрый десяток радиусов Земли. А с другой стороны магнитное поле образует и вовсе исполинский шлейф на пару сотен земных радиусов.
Что создаёт магнитное поле Земли
В 1905 году Альберт Эйнштейн назвал этот вопрос одной из главных загадок физики XX века. Надо признать, спустя сто лет нельзя сказать, что она разгадана окончательно. Мы знаем, что магнитное поле возникает там, где есть электрический ток. Значит, планета Земля представляет собой гигантский электрогенератор. Спрашивается, как в недрах возникает это электричество? Самой убедительной считают теорию динамо: сначала от трения потоков расплавленное вещество электризуется, возникает ток — и вместе с ним магнитное поле, а потом эти же потоки проходят сквозь поле — и из-за этого опять возникает ток. И так далее бесконечно. А трение возникает, например, потому, что в жидких (или, скорее, вязких) слоях планеты идёт конвекция: более горячее вещество поднимается кверху, менее горячее опускается вниз. К тому же планета вращается вокруг своей оси, а это неизбежно означает какие-то движения в её разнородных недрах.
Сибирская сила. Что на самом деле сдвигает «северный» магнитный полюс
Где рождается земной магнетизм
До сих пор мы были уверены, что, разумеется, в ядре. Оно состоит из двух частей: внешней жидкой оболочки из расплавленного железа и сердцевины — она тоже железная, но из-за неимоверного давления твёрдая. И вот при взаимодействии твёрдой и жидкой частей возникает теплообмен, конвективные потоки и, как следствие, электричество. Как известно, железо прекрасно проводит ток, так что всё сходится.
Впрочем, как выясняется, всё, да не всё. Дело в том, что сердцевина стала твёрдой сравнительно недавно — полтора миллиарда лет назад. Но учёные убеждены, что магнитное поле Земли возникло никак не позже 4,2 миллиарда лет назад. По сути, оно родилось вскоре после самой планеты — ей как раз примерно четыре с половиной миллиарда лет. Возник вопрос, что создавало магнетизм на ранних этапах эволюции Земли.
Зацепка появилась в 2007 году. Тогда французские учёные заявили, что нижний слой земной мантии оставался жидким примерно пару миллиардов лет. Сейчас, надо сказать, мантия почти вся твёрдая, опять же из-за давления. Лишь в самой верхней части остаётся вязкая магма, которая иногда вырывается на поверхность из жерл вулканов.
Проблема в том, что даже в виде пластичной жижи мантийное вещество всегда считали очень плохим проводником электричества. Но дело в том, что тестировать его где-то в лаборатории — это совсем не то, что понаблюдать за ним в недрах Земли. Поэтому учёные из Калифорнийского университета в Сан-Диего решили всё выяснить самым, вероятно, продвинутым на сегодняшний день способом — путём вычислений, основанных на принципах квантовой механики. Это позволило смоделировать поведение вещества не здесь, на поверхности, а именно у самого земного ядра. Так вот, выяснилось, что на такой глубине мантия вполне себе электропроводна — во всяком случае, динамо поддерживать может.
Значит, именно мантия изначально защищала Землю своим покрывалом. И без неё жизни на планете могло и не быть.
Самое интересное из мира науки и технологий — в телеграм-канале автора.
Магнитосфера Земли
Геомагнитное поле (магнитосфера Земли) формируется в результате вращения жидкого внешнего ядра Земли, которое является хорошим проводником электрического тока, так как состоит в основном из железа и никеля. Ось геомагнитного поля не совпадает с географическими полюсами планеты.
Общие сведения о магнитосфере Земли
Упрощенная схема геомагнитного поля
Геомагнитное поле защищает нашу планету от роя заряженных частиц солнечного происхождения (солнечного ветра). Благодаря геомагнитному полю, наша планета теряет гораздо меньше атмосферы по сравнению с другими телами Солнечной Системы, где отсутствует подобное магнитное поле (к примеру, Марс и Венера). Форму поля задаёт солнечный ветер: в направлении Солнца его радиус минимален, в то время, в тени Солнца следы поля протягиваются на миллионы километров. Заряженные элементарные частицы солнечного ветра вместе с космическими лучами после отклонения геомагнитным полем скапливаются в определенных областях, которые называются радиационными поясами Земли. В западной литературе эти пояса часто называются поясами Ван Аллена, в честь американского физика, который впервые их заподозрил в 1958 году на основе измерений спутника “Экспловер-1”. Радиационные пояса представляют собой большую опасность для электроники и электросистем космических аппаратов, в связи с этим инженеры стараются минимизировать их нахождение внутри поясов.
Данные пояса делятся на две области: внешние и внутренние пояса
Первые расположены на высоте около 17 тысячах км от поверхности Земли и состоят в основном из отрицательно заряженных элементарных частиц (электронов), вторые находятся в 4 тысячах км от поверхности Земли и состоят в основном из положительно заряженных частиц (протонов). Расстояние радиационных поясов от поверхности Земли находится в сильной зависимости от географического положения. Ближе всего к поверхности Земли радиационные пояса проходят над Бразилией (Южно-Атлантическая геомагнитная аномалия или Бразильская геомагнитная аномалия).
Карта плотности заряженных элементарных частиц на высоте около 0,5 тысяч км от поверхности Земли по данным спутника ROSAT
На вышеприведенной карте хорошо видно, что наибольшая плотность таких частиц наблюдается как раз над Бразилией. В этой области сила геомагнитного поля на уровне моря подобна характеристикам геомагнитного поля над другими областями на высоте около тысячи километров.
Регулярные наблюдения за аномалией показывают снижение в ней интенсивности геомагнитного поля при одновременном увеличении её площади
Южная Атлантическая геомагнитная аномалия создаёт значительные помехи в работе низкоорбитальных телескопов. Так телескоп “Хаббл” не осуществляет наблюдения в этой области, а на снимках телескопа WISE в этой области наблюдается множество артефактов (следов от заряженных частиц), на которые часто обращали внимание участники волонтерского проекта по поиску гипотетической девятой планеты.
Колебания геомагнитного поля и их влияние на биосферу
Так как солнечный ветер является переменным по интенсивности и составу элементарных частиц (наиболее сильные ливни рождаются в мощных солнечных вспышках), то и геомагнитное поле испытывает постоянные колебания. Во время особо сильных вспышек на Солнце частицы солнечного ветра могут проникать в верхние слои атмосферы и вызывать сияния в виде зеленоватых всполохов (полярные сияния). Чаще всего это происходит в полярных регионах Земли, где геомагнитное поле является наиболее слабым (именно там находятся геомагнитные полюса). Хотя при особо сильных солнечных вспышках полярные сияния наблюдаются даже в тропиках (к примеру, во время геомагнитной бури 1859 года полярные сияния наблюдались в тропическом Карибском море). Возмущения геомагнитного поля Земли вызывают не только полярные сияния, но и могут приводить к сбоям электроники, авариям на линиях электропередач и даже к катастрофам (к примеру, вызвать отказ навигационных систем самолета или выключение системы аварийной защиты атомной электростанции). В дополнение на тему влияния геомагнитного поля на земную жизнь можно отметить, что многие животные на Земле используют геомагнитное поле для навигации (к примеру, перелетные птицы). Очевидно, что геомагнитные возмущения оказывают влияние и на центральную нервную систему человека (в человеческом организме присутствует небольшое количество железа, именно благодаря ему, кровь человека обладает красным цветом, а нервная система представляет собой инфраструктуру для передачи электромагнитных импульсов). Художественную иллюстрацию о том, какое сильное влияние геомагнитное поле оказывает на биосферу Земли, можно посмотреть в фильмах-катастрофах “Земное ядро” и “Знамение”.
Изменения в геомагнитном поле происходят не только по причине колебаний в интенсивности солнечного ветра. Другой причиной подобных изменений являются слабоизученные процессы, которые происходят в ядре нашей планеты.
Открытие геомагнитного поля
Впервые закономерность того, что намагниченные предметы располагаются в строгом направлении, было открыто в Китае ещё несколько тысяч лет назад. Это открытие привело к изобретению компаса, который оказал важнейшее влияние на морскую навигацию во времена Великих географических открытий (навигация по астрономическим объектам затруднена из-за частой облачности). Первоначально считалось, что северный геомагнитный полюс совпадает с направлением на Полярную звезду. Однако во время плавания Колумба к берегам Американского континента было отмечено, что эти направления различаются на 12 градусов.
В месте расположения геомагнитных полюсов стрелка компаса может принимать вертикальное положение. В северном геомагнитном полюсе стрелка компаса направлена вниз, а в южном геомагнитном полюсе наоборот вверх. В связи с асимметричностью геомагнитного поля, прямая линия, которая соединяет геомагнитные полюса не проходит через центр Земли.
Северный геомагнитный полюс был впервые обнаружен в 1831 году английским мореплавателем Джоном Россом, южный геомагнитный полюс соответственно в 1841 году его племянником (Джеймсом Россом). С тех пор исследования показали, что оба полюса испытывают ежегодные перемещения по поверхности Земли.
Северный геомагнитный полюс за последние 500 лет переместился из района Канадского архипелага в район Центральной Арктики.
Инверсия геомагнитного поля
Аномально высокая скорость движения северного геомагнитного полюса и уменьшение интенсивности геомагнитного поля в последние годы порождают спекуляции на тему скорой инверсии геомагнитного поля. Инверсией геомагнитного поля называют процесс перестановки местами южного и северного геомагнитного полюсов. В нормальном состоянии геомагнитного поля северный геомагнитный полюс находится вблизи северного географического полюса. В обратном состоянии же наблюдается противоположная картина: северный геомагнитный полюс находится вблизи южного географического полюса.
Во времени наступления инверсий не обнаружено никакой периодичности (в отличие от, к примеру, 22-летней периодичности в инверсиях магнитного поля Солнца, которая равна двухкратному периоду солнечной активности).
Типичное время между инверсиями составляет от 0.1 до 1 миллиона лет, сами инверсии длятся между 1 и 10 тысячами лет. Предполагается, что во время инверсий происходит очень сильное ослабление геомагнитного поля, и, следовательно, создаётся нешуточная угроза земной жизни (частицы солнечного ветра в больших количествах проникают в земную атмосферу). В тоже время не отмечено никакой корреляции между массовыми вымираниями земных видов и периодами инверсий геомагнитного поля.
Последняя достоверная инверсия геомагнитного поля случилась 780 тысяч лет назад. Её длительность составила от 1200 до 10000 лет в зависимости от географического положения изученных пород с остаточной намагниченностью. С другой стороны изучается возможность более свежей кратковременной инверсии геомагнитного поля, которая случилась всего 41 тысячу лет назад. Событие получило название Laschamp, так как впервые было обнаружено в 60х годах 20 века в остаточной намагниченности лавового потока с таким названием во Франции. Позже следы этой инверсии были обнаружены и в других местах Земли. Длительность инверсии составила 250-440 лет, во время неё геомагнитное поле было ослаблено на 75%.
Схема движения геомагнитных полюсов во время этой инверсии
В тоже время в спокойные периоды геомагнитные полюсы испытывают лишь хаотичный дрейф вблизи географических полюсов.
Пример вероятного движения северного геомагнитного полюса после 200 года нашей эры
Кроме того можно отметить, что текущее ослабление геомагнитного поля за последние 180 лет на 10% не является уникальным. Изучение остаточной намагниченности пород в Ливане показывает, что 2500 лет назад геомагнитное поле было в 2.5 раза сильнее, чем сейчас, после чего оно ослабло сразу почти на 30% всего за 180 лет.
Магнитные поля у других тел Солнечной Системы
Кроме Земли мощное магнитное поле в Солнечной Системе наблюдается у Солнца,
Сравнительная таблица характеристик магнитных полей у Солнца, планет или лун Солнечной Системы
1 Гс – это системная единица измерения силы магнитного поля (названа в честь великого математика Карла Фридриха Гаусса). 1 Гс в 10 тысяч раз меньше, чем одна Тесла. Одна Тесла соответствует мощности такого магнитного поля, в котором на 1 метр длины проводника электрического поля, которое перпендикулярно направлению магнитной индукции, с током силой 1 ампер действует сила в 1 ньютон.
Сравнение магнитных полей у Земли, Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна
Отсутствие магнитного поля на Венере (планете, которая очень близка к Земле по массе и размеру) объясняется небольшой угловой скоростью вращения планеты (около 243 земных суток). Другим объяснением этого феномена является отсутствие на Венере тектонической активности плит, что приводит к слабым конвективным потокам в ядре. Отсутствие тектонической активности на Венере объясняется дефицитом воды (которая может играть роль смазки) или высокими температурами на поверхности (невозможностью нормального затвердевания коры или повышенной активностью местных вулканов).
Магнитные поля ледяных гигантов (Урана и Нептуна), в отличие от других планет, обладают сразу четырьмя магнитными полюсами (по два северных и южных магнитных полюса). Теоретики предполагают, что магнитные поля ледяных гигантов образуются на небольших глубинах, к примеру, в океане жидкого аммиака.
Магнитное поле ближайшей к нам звезды было открыто в начале 20 века через регистрацию зеемановского расщепления спектральных линий в солнечных пятнах. В вышеприведенной таблице указано, что индукция магнитного поля на Солнце составляет около 4 тысяч гаусс. С другой стороны в 2014 году японские астрофизики зарегистрировали у одной из светлых областей солнечной поверхности диаметром около 1000 км рекордную величину индукции в рекордные 6250 Гаусс.
Магнитные поля белых карликов и нейтронных звезд
Ещё более сильные магнитные поля наблюдаются у звездных остатков (белых карликов и нейтронных звезд), которые отличаются крайне высокой угловой скоростью вращения. Оценки индукции их магнитных полей достигают 10 12 Гаус. Измерение магнитных полей у подобных объектов стало возможным через регистрацию поляризации. Одновременно проводятся попытки измерения магнитных полей аккреционных дисков черных дыр также через регистрацию приходящего излучения. В настоящее время в этом направлении получены противоречивые результаты. Измерения, опубликованные в конце прошлого года и выполненные с рекордно высокой точностью показали, что величина индукции магнитного поля у аккреционного диска черной дыры лишь в несколько сотен раз больше, чем аналогичный показатель у Солнца (461 ± 12 гауссов). Прошлые оценки предполагали, что этот показатель у черных дыр должен быть в 400 раз выше. Новая оценка стала возможной благодаря сильной вспышке у V404 Лебедя, которая случилась 15 июня 2015 года и наблюдалась практически во всем диапазоне электромагнитного спектра (от рентгеновских лучей до радиоизлучения). Новая оценка ставит перед теоретиками серьезную проблему: наблюдаемая индукция не может полностью объяснить формирование мощных полярных джетов аккреционного диска черной дыры – следовательно, в их образовании участвует какой-то ещё механизм.
Похожие статьи
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!
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
Магнитное поле Земли, или геомагнитное поле — магнитное поле, генерируемое внутриземными источниками. Предмет изучения геомагнетизма. Появилось 4,2 млрд лет назад.
Собственное магнитное поле Земли (геомагнитное поле) можно разделить на cледующие основные части:
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.