В последние дни на научных информационных сайтах появилось большое количество новостей, посвященных магнитному полю Земли. Например, новость о том, что в последнее время оно существенно изменяется, или о том, что магнитное поле способствует утечке кислорода из земной атмосферы и даже про то, что вдоль линий магнитного поля ориентируются коровы на пастбищах. Что представляет собой магнитное поле и насколько важны все перечисленные новости?
Магнитное поле Земли – это область вокруг нашей планеты, где действуют магнитные силы. Вопрос о происхождении магнитного поля до сих пор окончательно не решен. Однако большинство исследователей сходятся в том, что наличием магнитного поля Земля хотя бы отчасти обязана своему ядру. Земное ядро состоит из твердой внутренней и жидкой наружной частей. Вращение Земли создает в жидком ядре постоянные течения. Как читатель может помнить из уроков физики, движение электрических зарядов приводит к появлению вокруг них магнитного поля.
Одна из самых распространенных теорий, объясняющих природу поля, — теория динамо-эффекта — предполагает, что конвективные или турбулентные движения проводящей жидкости в ядре способствуют самовозбуждению и поддержанию поля в стационарном состоянии.
Землю можно рассматривать как магнитный диполь. Его южный полюс находится на географическом Северном полюсе, а северный, соответственно, на Южном. На самом деле, географический и магнитный полюса Земли не совпадают не только по «направлению». Ось магнитного поля наклонена по отношению к оси вращения Земли на 11,6 градуса. Из-за того что разница не очень существенная, мы можем пользоваться компасом. Его стрелка точно указывает на южный магнитный полюс Земли и почти точно на Северный географический. Если бы компас был изобретен 720 тысяч лет назад, то он бы указывал и на географический и на магнитный северный полюс. Но об этом чуть ниже.
Магнитное поле защищает жителей Земли и искусственные спутники от губительного воздействия космических частиц. К таким частицам относятся, например, ионизированные (заряженные) частицы солнечного ветра. Магнитное поле изменяет траекторию их движения, направляя частицы вдоль линий поля. Необходимость наличия магнитного поля для существования жизни сужает круг потенциально обитаемых планет (если мы исходим из предположения, что гипотетически возможные формы жизни похожи на земных обитателей).
Ученые не исключают, что часть планет земного типа не имеют металлического ядра и, соответственно, лишены магнитного поля. До сих пор считалось, что планеты, состоящие из твердых скальных пород, как и Земля, содержат три основных слоя: твердую кору, вязкую мантию и твердое или расплавленное железное ядро. В недавней работе ученые из Массачусетского технологического института предложили сразу два возможных механизма образования «скалистых» планет без ядра. Если теоретические выкладки исследователей подтвердятся наблюдениями, то формулу для расчета вероятности встретить во Вселенной гуманоидов или хотя бы что-то, напоминающее иллюстрации из учебника биологии, придется переписать.
Земляне тоже могут лишиться своей магнитной защиты. Правда, точно сказать, когда это произойдет, геофизики пока не могут. Дело в том, что магнитные полюса Земли непостоянны. Периодически они меняются местами. Не так давно исследователи установили, что Земля «помнит» о смене полюсов. Анализ таких «воспоминаний» показал, что за последние 160 миллионов лет магнитные север и юг менялись местами около 100 раз. Последний раз это событие произошло около 720 тысяч лет назад.
Смена полюсов сопровождается изменением конфигурации магнитного поля. Во время «переходного периода» на Землю проникает существенно больше космических частиц, опасных для живых организмов. Одна из гипотез, объясняющих исчезновение динозавров, утверждает, что гигантские рептилии вымерли именно во время очередной смены полюсов.
Кроме «следов» плановых мероприятий по смене полюсов исследователи заметили в магнитном поле Земли опасные подвижки. Анализ данных о его состоянии за несколько лет показал, что в последние месяцы в нем начали происходить опасные изменения. Настолько резких «движений» поля ученые не регистрировали уже очень давно. Вызывающая беспокойства исследователей зона находится в южной части Атлантического океана. «Толщина» магнитного поля в этом районе не превышает трети от «нормальной». Исследователи давно обратили внимание на эту «прореху» в магнитном поле Земли. Собранные за 150 лет данные показывают, что за этот период поле здесь ослабло на десять процентов.
На данный момент трудно сказать, чем это грозит человечеству. Одним из последствий ослабления напряженности поля может стать увеличение (пусть и незначительное) содержания кислорода в земной атмосфере. Связь между магнитным полем Земли и этим газом была установлена с помощью системы спутников Cluster – проекта Европейского космического агентства. Ученые выяснили, что магнитное поле ускоряет ионы кислорода и «выбрасывает» их в космическое пространство.
Несмотря на то, что магнитное поле нельзя увидеть, обитатели Земли хорошо его чувствуют. Перелетные птицы, например, отыскивают дорогу, ориентируясь именно на него. Существует несколько гипотез, объясняющих, как именно они ощущают поле. Одна из последних предполагает, что птицы воспринимают магнитное поле визуально. Особые белки – криптохромы – в глазах перелетных птиц способны менять свое положение под воздействием магнитного поля. Авторы теории считают, что криптохромы могут выполнять роль компаса.
Кроме птиц магнитное поле Земли вместо GPS используют морские черепахи. И, как показал анализ спутниковых фотографий, представленных в рамках проекта Google Earth, коровы. Изучив фотографии 8510 коров в 308 районах мира, ученые заключили, что эти животные предпочтительно ориентируют свои тела с севера на юг (или с юга на север). Причем «реперными точками» для коров служат не географические, а именно магнитные полюса Земли. Механизм восприятия коровами магнитного поля и причины именно такой реакции на него остаются неясными.
Кроме перечисленных замечательных свойств магнитное поле способствует появлению полярных сияний. Они возникают в результате резких изменений поля, происходящих в удаленных регионах поля.
Магнитное поле не обошли своим вниманием сторонники одной из «теорий заговора» – теории о лунной мистификации. Как уже упоминалось выше, магнитное поле защищает нас от космических частиц. «Собранные» частицы скапливаются в определенных частях поля – так называемых радиационных поясах Ван Алена. Скептики, не верящие в реальность высадок на Луну, считают, что во время пролета сквозь радиационные пояса астронавты получили бы смертельную дозу радиации.
Магнитное поле Земли — удивительное следствие законов физики, защитный щит, ориентир и создатель полярных сияний. Если бы не оно, жизнь на Земле, возможно, выглядела бы совсем иначе. В общем, если бы магнитного поля не было — его необходимо было бы придумать.
Магнитное поле Земли
Секция: Физико-математические науки
XLI Студенческая международная заочная научно-практическая конференция «Молодежный научный форум: технические и математические науки»
Магнитное поле Земли
Земля – это гигантский магнит, около которого возникает магнитное поле. Оно окружает нашу планету с самого момента ее появления и значительно влияет на живые организмы, находящиеся на ней, а также на природные явления. Положение магнитных и географических полюсов Земли не совпадает друг с другом. Неподалеку от северного географического полюса Земли расположен южный магнитный полюс. Поэтому северный конец стрелки компаса, поворачиваясь к южному магнитному полюсу Земли, указывает на географический север. Силовые линии, соединяющие два магнитных полюса, называются магнитными меридианами. Ось магнитного поля наклонена под углом в 12 градусов к оси вращения.
Еще задолго до нашей эры люди нашли применение магнитным свойствам. Самым первым изобретением был компас – простейший навигационный прибор.
Магнитное поле Земли включает в себя 3 главные части:
1. Основное магнитное поле – заключено внутри Земли, очень медленно изменяется во времени.
2. Переменное магнитное поле или внешнее – за пределами земной поверхности и в атмосфере.
3. Мировые аномалии – резкое увеличение напряженности поля на отдельных участках земной поверхности.
Для того, чтобы объяснить происхождение основного магнитного поля Земли выдвигалось множество всевозможных гипотез. С точки зрения ученых, именно тот факт, что внешнее ядро жидкое, помогает понять природу магнетизма на Земле. Так как само ядро немагнитно, источником поля должны являться электрические токи в нём. Но для того, чтобы поддерживать ток в ядре, нужен источник энергии. Если источника не будет, то ток пропадет через определенное время t, определяемое по формуле t
σL 2 (σ – электропроводность ядра, L – длина). В ядре «источником энергии» служит термоэлектрический эффект – 2 проводника с различными температурами соприкасаются в 2-х точках – возникает ЭДС и течет ток. Следовательно, на границе мантия – внешнее ядро из-за разницы температур возникает слабый ток и слабое магнитное поле. Это магнитное поле усиливается, т.к. при движении жидкой части ядра в магнитном поле (хоть и слабом) индуцируются токи и магнитное поле большей силы. В результате возникает подобие динамо-машины, в которой происходит самовозбуждение электрических токов, которые создают магнитное поле Земли.
Магнитное поле распределяется неравномерно относительно оси. По направлению к Солнцу достигает 10 радиусов, а с ночной стороны Земли образуется так называемый хвост магнитосферы. Силовые линии хвоста вытянуты приблизительно на 1000 радиусов, причиной тому является солнечный ветер.
В каждой точке планеты магнитное поле можно охарактеризовать: вектором напряженности Н, который определяется тремя составляющими х – северной, y – восточной, и z – вертикальной (прямоугольная система координат). Также тремя элементами – горизонтальной составляющей напряженности Н, магнитным склонением D и магнитным наклонением I (угол между Т и плоскостью горизонта). Также следует отметить, что склонение имеет величину не более 20°, на восток – положительное, на запад – отрицательное. В точке пространства, где магнитное наклонение 90°, находится магнитный полюс; а там, где оно равно 0 – магнитный экватор.
Следующая характеристика – напряженность. Её среднее значение на поверхности Земли составляет примерно 0,45 Эрстед. Но все зависит от географического положения (например, 0,66 Эрстед – магнитный полюс, 0,34 Эрстед – экватор). Существуют такие места, которые называют районами магнитных аномалий, где значение напряженности очень велико и превосходит среднюю напряженность почти в 3 раза. Примером является Курская магнитная аномалия, напряженность равна 2 Эрстед. Наличие таких аномальных зон связывают с залежами большого количества пород, содержащих магнетит. На графике показано, как убывает напряженность магнитного поля с увеличением расстояния от центра Земли.
Основная функция магнитного поля – защитная. Оно образует защитный экран и ограждает атмосферу нашей планеты от солнечного ветра – потока мегаионизированных частиц, которые с огромной скоростью движутся от Солнца. Такое излучение крайне опасно для всего живого на Земле.
Так как роль магнитного поля Земли очень велика для всего живого и для процессов биосферы, то большое внимание уделяется особенностям изменения его состояния. Любые изменения магнитного поля повлекут за собой или изменение условий жизни на нашей планете или даже прекращение существования жизни. Эти изменения, называемые геомагнитными вариациями, зависят от многих факторов. Например, от солнечного ветра, от токов в ионосфере и магнитосфере, от лунных и солнечных приливов и т.д. Период изменений также различен – от нескольких секунд до миллионов лет. Изучив намагниченность горных пород прошлого (наз. палеомагнитные данные), ученые пришли к выводу, что все изменения магнитного поля нашей планеты – нормальное явление.
Во-первых, со временем меняется положение магнитных полюсов поля. Неоднократно происходила инверсия поля – магнитные полюса планеты менялись местами. Причем это изменение происходит во времени без какой-либо закономерности: период может составлять примерно 200 тыс. лет, 50 тыс. лет. За 76 млн. лет инверсия магнитного поля произошла 171 раз.
Во-вторых, уменьшается напряженность магнитного поля Земли, магнитный момент поля. Исследования магнитного поля, проведенные учеными за 200 лет, показывают, что с 1829 г. до 1960 г. магнитный момент Земли (интегральная характеристика) описывается следующим выражением: М=(8,27-0,004t)∙10 15 Тл∙м 3 , где t – время в годах.
Напряженность земного поля падает, и происходит это неравномерно. Всего за 450 лет напряженность уменьшилась почти на 20%. В одних местах она значительно снижается, например, в Атлантическом океане – 10%, а других наоборот возрастает.
Земля и Солнце очень тесно взаимодействуют друг с другом магнитными полями, эти взаимосвязи и обусловливают все природные явления на планете. Например, солнечный ветер проявляется на Земле в виде полярных сияний – это свечение верхних слоев атмосферы. Стихийные явления происходят из-за избытка солнечной энергии, полученной от Солнца, в магнитной сфере Земли. Также происходящие магнитные бури могут вызывать помехи в коротковолновой радиосвязи, поломки спутников, выход из строя электросетей, изменение метеоусловий (образование циклонов).
На влияние магнитного поля Земли (естественного поля) организм человека настроился на протяжении всего процесса эволюции – воспринимает его частоту как нормальную. Но когда влияние оказывают какие-то другие магнитные поля или изменение магнитного поля Земли значительно (например, магнитные бури), то происходят изменения в функционировании систем организма. Отмечалось особое влияние магнитного поля на нервную и кровеносно-сосудистую системы. Незначительно, но реагируют на изменение магнитного поля и дыхательная, пищеварительная, эндокринная, костно-мышечная системы. Наблюдения показали, что в день магнитной бури и в течение ближайших двух дней возрастало количество обращений людей с сердечнососудистыми заболеваниями. Врачи утверждают, что организм реагирует на изменение магнитного поля спустя сутки после начала магнитной бури. Мы не в силах предотвратить и уменьшить вредное влияние магнитных бурь на собственный организм. Но следует отметить, что здоровый человек воспринимает негативное влияние магнитного поля легче.
На протяжении геологической истории нашей планеты магнитное поле неоднократно снижало свою напряженность, несколько раз происходила и инверсия поля. Как нам уже известно, в настоящее время напряженность магнитного поля падает, вместе с этим ослабевают его защитные свойства, что приводит к следующим последствиям. Все больше солнечного излучения будет проникать на поверхность планеты, будет повышаться уровень радиации, вследствие чего все больше людей могут быть подвержены онкологическим или хроническим заболеваниям. Негативно сказывается падение напряженности и на животном мире. Исследования показывают, что птицы осуществляют дальние полеты, ориентируясь по магнитным полям.
Полученные в процессе исследования результаты показывают важную роль магнитного поля для всего живого на Земле. Так как изменения, происходящие с магнитным полем Земли, отражаются и на состоянии здоровья людей, и на работе спутников, систем радиосвязи и т.д., то более углубленное изучение данного вопроса поможет человеку найти новые способы и возможности уменьшения воздействия изменений поля в будущем.
NG: С точки зрения науки: Дело о планете Земля: Магнитное поле Земли (2009)
Солнечная система — это враждебная среда. Земля находиться под воздействием смертоносного космического излучения. Жизнь на ней существует только потому, что ее защищает магнитосфера. Это невидимое силовое поле, образует кокон, который окружает планету. Но новые данные говорят о том, что жизненно важный экран ослабевает. В области над южной Атлантикой, излучение достигло опасно высокого уровня. Теряет ли Земля свой магнитный экран? Если действительно исчезнет магнитное поле, как это отразится на жизни на Земле.
Оригинальное название: Naked Science: Earth’s Invisible Shield
Режиссер / Телекомпания: Caius Julyan, National Geographic
Год выпуска: 2009
Жанр: Документальный
Видео NG: С точки зрения науки: Дело о планете Земля: Магнитное поле Земли (2009) канала Скоро Рассвет!
Магнитное поле Земли
Магнитное поле Земли
- http://nauchforum.ru/studconf/tech/xli/16222
- http://salda.ws/video.php?id=Nn73vBq_QT0
- http://www.grandars.ru/shkola/estestvoznanie/magnitnoe-pole-zemli.html
- http://nauchforum.ru/studconf/tech/xli/16222
- http://bugaga.ru/interesting/1146767108-top-10-voshititelnye-fakty-pro-magnitnoe-pole-zemli.html