Что такое магнитное поле Земли, как оно создается и в чем его значение. Для чего нужно магнитное поле земли

Предположим, что в прошлом Земля находилась в существующем внешнем магнитном поле. Как описано выше, это магнитное поле создает электрический ток в жидкой части ядра, который, в свою очередь, создает магнитное поле в Земле, противоположное внешнему магнитному полю.

Что такое магнитное поле Земли, как оно создается и в чем его значение?

Давно известно, что магнитная стрелка, свободно вращающаяся вокруг вертикальной оси, всегда расположена в определенном направлении в определенном месте на Земле (если только поблизости нет магнита, проводника или объекта из черного металла). Это объясняется тем, что вокруг Земли существует магнитное поле, и линии магнитного поля расположены вдоль этих линий. На этом основан компас — магнитный указатель, свободно вращающийся вокруг оси.

В этой статье вы узнаете, что такое магнитное поле Земли и как оно создается.

Магнитное поле Земли: простое объяснение

Наша планета Земля окружена магнитным полем, также известным как магнитное поле Земли. Внешне магнитное поле Земли имеет форму стержневого магнита. Это означает, что вы можете представить себе огромный стержневой магнит под поверхностью Земли, наклоненный к оси вращения Земли. Южный полюс этого магнита указывает на географический северный полюс Земли.

Напряженность магнитного поля Земли составляет от 30 микрон (мкТл) до 60 мкТл. Большая часть магнитного поля Земли возникает из жидкого внешнего ядра Земли в результате конвекционных потоков расплавленного железа.

Помимо ориентации по компасу, магнитное поле Земли выполняет еще одну важную задачу. Он защищает солнечные ветры. Другими словами, он защищает нас от опасного излучения из космоса. Помимо электронов и протонов, космическое излучение содержит и другие частицы, которые перемещаются в пространстве с огромными скоростями.

Как создается магнитное поле Земли?

Основная часть магнитного поля исходит изнутри Земли. Поэтому в этом разделе мы сначала покажем, как устроено ядро Земли, а затем кратко обсудим так называемую «теорию динамо».

Структура ядра Земли

Мы можем представить, что Земля разделена на четыре сферические оболочки и одну сферу (см. рис. 1 ниже). Каждая сферическая оболочка изготовлена из разного материала и имеет разную толщину. Сфера находится в центре, а четыре сферические оболочки окружают сферу одна за другой. В приведенном ниже списке показана структура Земли, начиная с ее поверхности и заканчивая ее центром.

• Сферическая оболочка 1 – земная кора: толщина 5 – 70 км.
• Сферическая оболочка 2 – верхняя мантия: глубина около 660 км.
• Сферическая оболочка 3 – нижняя мантия: глубина 660 – 2900 км.
• Сферическая оболочка 4 – внешнее ядро: глубина 2900 – 5150 км.
• Сфера – внутреннее ядро Земли: глубина от 5150 до 6371 км.

Теория динамо

Внешний сердечник состоит в основном из жидкого проводящего железа. Внешний слой внешнего ядра Земли холоднее, чем внутреннее ядро Земли. Эта разница температур приводит к конвекции. Это означает, что расплавленное железо во внешнем ядре сильно движется вперед и назад. К этому движению добавляется вращение Земли.

Следующее наблюдение имело решающее значение для магнитного поля Земли. Это означает, что магнитное поле «заперто» в проводнике. Если проводник движется, магнитное поле должно следовать за ним. Именно это происходит во внешнем ядре Земли. Внешнее магнитное поле входит во внешнее ядро Земли и ограничивается расплавленным железом. Это внешнее магнитное поле следует за движением расплавленного железа.

Внешнее ядро Земли имеет градиент вращения. Чем ближе к внутреннему ядру, тем быстрее Земля вращается вокруг своей оси вращения. При таком уровне вращения под действием сил Кориолиса мокрое железо отклоняется на спиралевидную орбиту. Внешнее магнитное поле следует за этим спиральным движением и образует деформированное кольцо. Это «магнитное кольцо» соответствует электричеству. Затем этот ток создает магнитное поле и усиливает внешнее магнитное поле. В результате создается магнитное поле Земли.

Таким образом, компонентами магнитного поля Земли являются. синагогальные токи, вращение Земли и электропроводящая жидкость земного ядра.

Примечание: Основная идея магнитного поля Земли: уже существующее магнитное поле в центре Земли приводит к появлению электричества. Этот ток создает магнитное поле, которое усиливает исходное магнитное поле.

Теперь вы можете задаться вопросом, откуда берется внешнее магнитное поле. На самом деле, незначительных тепловых движений во внешнем ядре Земли достаточно, чтобы создать случайные токи. Этот ток усиливается благодаря явлению динамо, создавая внешнее магнитное поле, которое формирует магнитное поле Земли.

Это невидимое поле может показаться просто стрелкой компаса, смотрящей назад, но на самом деле оно создает для нас множество удивительных функций.

Космическая погода

Солнечный ветер непостоянен, и его колебания могут разрушить магнитосферу во время сильных солнечных вспышек. Это приводит к геомагнитным грозам, которые могут поставить под угрозу космические аппараты, разрушить электростанции, навигационные и электронные системы и повредить электросети.

Кстати, именно это явление вызывает эффектное северное сияние над Землей. Геомагнитные поля слабые и поэтому чаще встречаются в полярных регионах.

Геодинамо

Для общего понимания уточним, что Земля состоит из четырех слоев: кора, мантия (вязкая и теплая смесь расплавленных пород), внешнее ядро из расплавленного железа и горных пород, внутреннее ядро, аналогичной температуры. На поверхности Солнца.

Механизм действия геомагнитного поля подобен кипению воды в тарелке. Силы синагоги постоянно перемешивают расплавленный металл во внешнем ядре. Это движение происходит из-за вращения Земли.

Когда эта масса движется по кругу, она создает течения шириной в сотни километров и скоростью тысячи километров в час. Этот механизм, отвечающий за создание и сохранение магнитного поля Земли, известен как геодинамика.

Как изучают прошлое магнитосферы

Отрасль геофизики, изучающая магнетизм Земли в прошлом, называется палеомагнетизмом. Ученые наблюдали за магнитосферой всего несколько сотен лет, поэтому для изучения прошлого используются косвенные свидетельства событий.

Например, магнитные минералы в древних породах, окаменевшей лаве, морских отложениях и археологических объектах помогают определить силу и направление магнитного поля в определенное время и очертить периоды изменения магнитной полярности. Ученые используют такие элементы для реконструкции эволюционной истории магнитосферы и объединяют их с данными со спутников и геомагнитных станций для создания компьютерных моделей и анализа информации.

Например, срединный хребет, где формируются тектонические плиты, предоставляет ученым 160-миллионнолетний возраст Когда лава взрывалась и стекала с хребта, обилие минералов в ней выравнивалось с геомагнитным полем на севере. Когда лава застыла, сила и направление магнитного поля застыли на камне. Эта запись магнитного поля может быть обнаружена с помощью отбора проб и радиоизотопного датирования.

Сейчас ученые знают, что за последние 200 лет магнитное поле ослабло в среднем на 9%. Однако сегодняшнее поле — одно из самых сильных за последние 100 000 лет, и в настоящее время оно вдвое сильнее, чем было за последний миллион лет.

Когда эта масса движется по кругу, она создает течения шириной в сотни километров и скоростью тысячи километров в час. Этот механизм, отвечающий за создание и сохранение магнитного поля Земли, известен как геодинамика.

Измерения магнитного поля Земли наблюдаются в магнитных обсерваториях. Для измерения магнитного поля обсерватории используются различные магнитометры.

Флюксгейт-магниты из проекта «Аполлон» — Национальный музей природы, Токио, Япония.

Магнитные исследования могут проводиться на суше, воде, в воздухе или на спутниках различными способами.

Магнитное поле Земли в Гауссах

Индуцированное магнитное поле Земли составляет около 0,5 Гаусса (это значение колеблется от 0,3 до 0,6 Гаусса).

Магнитное поле Земли в Теслах

Магнитное поле Земли изменяется в пределах 0,00003-0,00005 тесла (ширина 0° составляет около 0,00003 тесла, а ширина 50° — 0,00005 тесла).

Какие изменения наблюдались в магнитном поле Земли

Изменение полярности

По данным НАСА, за последнее тысячелетие магнитное поле Земли уже несколько раз меняло полярность.

Например, если бы вы жили 800 000 лет назад и использовали магнитный компас для указания того, что сегодня называется севером, стрелка была бы южной. Поэтому они утверждают, что даже если магнитное поле Земли изменит свою полярность (снова), конец света от этого не наступит.

Они утверждают, что такая смена полярности — не исключение, а даже правило. За последние три миллиарда лет они сотни раз меняли направление движения.

Изменения позиции магнитного полюса

Ученые давно обнаружили, что магнитные полюса находятся в постоянном движении.

В 1831 году британские исследователи Джон Росс и Джеймс Кларк Росс обнаружили координаты северного магнитного полюса.

Капитан Джон Росс, около 1830 года.

В 1904 году норвежский исследователь Роальд Амундсен снова нашел полюс и понял, что за эти 73 года он переместился на 50 км.

И движение этого полюса не прекращалось: он двигался со средней скоростью 10 км в год. Но в последнее время, утверждают ученые, она начала ускоряться, иногда со скоростью 40 км в год.

Они считают, что через несколько десятилетий он покинет Северную Америку и достигнет Сибири.

Показания компаса также различаются. В Африке, например, он отклоняется от нормы раз в десятилетие.

Магнитное поле ослабевает

По сравнению с 19-м веком это на 10% меньше. Однако профессор Гэри Глатцмайер из Калифорнийского университета уверяет, что эти изменения совершенно незначительны по сравнению с тем, что происходило в предыдущем магнитном поле.

Индукция магнитного поля Земли составляет от 30 до 60 м. Для сравнения, типичный магнит на лепестке имеет индукцию магнитного поля 0,1 тесла, в то время как индукция магнитного поля при магнитно-резонансной томографии для человека составляет 0,35-3 тесла.

Помогает мигрирующим животным

Миграция журавлей-красавок на Совиный остров. Спонсорство изображения: Mary Nguyen N.G. / shutterstock.com

Возможно, вам всегда было интересно, как они, мигрирующие животные, узнают, куда им следует отправиться. Отчасти их успех объясняется тем, что они чувствуют магнитные полюса. По мнению ученых, эти животные обладают магнитными точками, которые на самом деле являются сверхспособностями. Некоторые животные, такие как зебраспины, обнаруживают магнитное поле Земли с помощью необычного белка cry4 в своих глазах. Этот белок вызывает недоумение. Это означает, что животные могут видеть магнитное поле Земли, воспринимая свет с синей длиной волны. Считается, что некоторые молекулы с такой длиной волны по-разному возникают у перелетных птиц в зависимости от направления магнитного поля. Это позволяет им «видеть», где находится север и куда они мигрируют.

Помогает военным обнаруживать объекты

Спонсорство отличного изображения: noraismail / Shutterstock.com

Армия может использовать магнитные аномалии, например, для обнаружения подводных морей. Подводные лодки обычно изготавливаются из таких материалов, как железо, которое, находясь глубоко в океане, нарушает магнитное поле Земли. Это позволяет обнаружить присутствие вражеских подводных лодок.

Помогает компаниям обнаруживать полезные ископаемые в геофизической разведке

Геофизический институт в Польше. Фотография предоставлена: xato / shutterstock.com

Геофизические поиски включают в себя обследование земли на наличие полезных ископаемых и минерального топлива, а также изучение горных пород на предмет их ценности. Некоторые компании для проведения таких исследований используют магнитное и электромагнитное оборудование для изучения местности. Эти методы могут помочь обнаружить заброшенные шахты, металлические трубы, встроенные в недра, загрязненные почвенные отложения, изменения в геологических аспектах, типах почвы и т.д.

По мнению ученых, в центре Земли находится компактное внутреннее ядро, состоящее в основном из железа. Температура этого железа составляет 5700°C, но давление (вызванное гравитацией) не позволяет превратить его в жидкость.

Магнитное поле

Магнитное поле — это особый тип проблемы. Он влияет на движение электрических грузов и тел с собственным магнитным моментом (постоянные магниты).

Важно: Неподвижные грузы не создают магнитных полей! Магнитное поле также создается изменяющимся во времени электрическим полем или магнитным моментом отдельных электронов, перемещающих электрическую нагрузку. Таким образом, все провода, по которым течет ток, также становятся магнитами!

Магнит — это тело с собственным магнитным полем.

Магниты имеют полюса, называемые «северным» и «южным». Названия «север» и «юг» — это лишь упрощение (как, например, «плюс» и «минус» для электричества).

Магнитные поля представлены магнитными силовыми линиями. Динамические линии непрерывны и замкнуты, а их адрес всегда совпадает с направлением поля. Если вокруг постоянного магнита разбросаны металлические осколки, то частицы металла представляют собой четкую картину линий магнитного поля, выходящих из северного полюса и входящих в южный полюс. Графической характеристикой магнитного поля являются линии поля.

Характеристики магнитного поля

Основными характеристиками магнитных полей являются магнитная индукция, магнитный поток и магнитная проницаемость. Но давайте рассмотрим их по очереди.

С самого начала следует отметить, что все единицы измерения приведены в системе СИ.

Магнитная индукция B — это натуральная величина вектора, основной силы, характеризующей магнитное поле. Он обозначается буквой b. Единицы магнитной индукции выражаются в теслах (ТЛ).

Магнитная индукция показывает, насколько сильным является поле, определяя мощность, действующую на нагрузку. Эта сила называется силой Лоренца.

Здесь q — нагрузка, v — скорость магнитного поля, b — индукция, f — сила Лоренца поля, действующая на нагрузку.

Магнитный поток f перпендикулярен на уровне контура, через который проходит поток, с натуральной величиной, равной произведению площади контура и магнитной индукции на косинус между вектором индукции и направлением перпендикуляра. Магнитный поток — это ступенчатая характеристика магнитных полей.

Магнитный поток можно рассматривать как характеристику количества линий магнитной индукции, пронизывающих единицу поверхности. Магнитный поток измеряется в веберах (VB).

Магнитная проницаемость — это коэффициент, определяющий магнитные свойства среды. Одним из параметров, от которых зависит индукция магнитного поля, является магнитная проницаемость.

Магнитное поле Земли

Наша планета на протяжении миллиардов лет была гигантским магнитом. Индукция магнитного поля Земли зависит от координат. В Эквадоре она составляет около 3,1 раза в 10 раз при пятой основной силе Tesla. Кроме того, существуют магнитные аномалии, где цена и направление поля значительно отличаются от соседних участков. Одними из крупнейших магнитных аномалий на планете являются Курская и Бразильская магнитные аномалии.

Происхождение магнитного поля Земли остается загадкой для ученых. Считается, что источником поля является жидкое металлическое ядро Земли. Ядро движется, расплавленный железо-никелевый сплав движется, а движение заряженных частиц — это ток, создаваемый магнитным полем. Проблема в том, что эта теория (геодинамика) не объясняет, как поле сохраняет стабильность.

Земля является гигантским магнитным диполем. Магнитные полюса не совпадают с географическими полюсами, но находятся в пределах пешей досягаемости. Кроме того, магнитные полюса Земли перемещаются. Например, их смены регистрируются с 1885 года. Например, за последние 100 лет магнитные полюса южного полушария увеличились почти на 900 км и теперь находятся на юге. Полюса Арктического полушария движутся через Северный Ледовитый океан в Восточную Сибирь, где скорость их движения (по данным 2004 года) набирает около 60 километров в год. В настоящее время движение полюсов ускоряется — в среднем скорость увеличивается на 3 километра в год.

Какое значение имеет для нас магнитное поле Земли? Во-первых, магнитное поле Земли защищает планету от космической радиации и солнечного ветра. Заряженные частицы из космоса не падают прямо на Землю, а отводятся огромными магнитами и движутся по их линиям передачи. Таким образом, все живое защищено от вредного излучения.

За всю историю Земли было несколько реверсов (изменений) магнитных полюсов. Переворот полюсов — это когда полюса меняются местами. Последний раз это произошло около 800 000 лет назад, а всего геомагнитных разворотов в истории Земли было более 400. Некоторые ученые считают, что, учитывая наблюдаемое ускоренное движение магнитных полюсов, следует ожидать двух переворотов полюсов в ближайшие 1 000 лет.

К счастью, в нашем столетии не ожидается изменения полюсов. Поэтому мы можем изучить основные свойства и характеристики магнитного поля и наслаждаться и радоваться жизни в старом добром постоянном поле Земли.