X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Геомагнитное поле (ГП) генерируется источниками, расположенными внутри Земли, а также в магнитосфере и ионосфере. Оно защищает планету и жизнь на ней от пагубного влияния космической радиации. Его присутствие наблюдал каждый, кто держал компас и видел, как один конец стрелки указывает на юг, а другой – на север. Благодаря магнитосфере были совершены великие открытия в физике, и до сих пор ее наличие используется для морской, подводной, авиационной и космической навигации.

Общая характеристика

Наша планета – это громадный магнит. Северный его полюс находится в «верхней» части Земли, неподалеку от географического полюса, а южный – рядом с соответствующим географическим полюсом. Из этих точек на многие тысячи километров в Космос простираются силовые магнитные линии, составляющие собственно магнитосферу.

Магнитные и географические полюса достаточно удалены друг от друга. Если провести чёткую грань между магнитными полюсами, в итоге можно получить магнитную ось с углом наклона в 11,3° к оси вращения. Эта величина непостоянна, а всё потому, что магнитные полюса перемещаются относительно поверхности планеты, ежегодно меняя своё местоположение.

Природа геомагнитного поля

Магнитный экран генерируется электрическими токами (движущимися зарядами), которые рождаются во внешнем жидком ядре, расположенном внутри Земли на очень приличной глубине. Это текучий металл, и он перемещается. Данный процесс именуется конвекцией. Движущееся вещество ядра образует токи и, как следствие, магнитные поля.

Магнитный экран надежно защищает Землю от космической радиации. Основной её источник – солнечный ветер – движение ионизированных частиц, истекающих из солнечной короны. Магнитосфера отклоняет этот непрерывный поток, перенаправляя его вокруг Земли, благодаря чему жёсткая радиация не оказывает губительного влияния на всё живое голубой планеты. Если бы у Земли не было геомагнитного поля, то солнечный ветер лишил бы её атмосферы. По одной из гипотез, именно это и случилось на Марсе. Солнечный ветер – далеко не единственная угроза, поскольку Солнце также высвобождает большое количество вещества и энергии в виде корональных выбросов, сопровождающихся сильнейшим потоком радиоактивных частиц. Однако и в этих случаях магнитное поле Земли защищает её, отклоняя эти течения от планеты. Магнитный экран меняет свои полюса приблизительно раз в 250 000 лет. Северный магнитный полюс становится на место южного, и наоборот. У учёных нет четкого объяснения, почему такое происходит.

История исследования

Знакомство людей с удивительными свойствами земного магнетизма произошло ещё на заре цивилизации. Уже во времена античности человечеству был известен магнитный железняк – магнетит. Однако кто и когда выявил, что природные магниты одинаково ориентируются в пространстве по отношению к географическим полюсам планеты, неизвестно. По одной из версий, китайцы были знакомы с этим явлением уже в 1100 году, однако использовать его на практике начали лишь спустя два века. В Западной Европе магнитный компас начали использовать в навигации в 1187 году.

Магнитное поле Земли можно разделить на:

главное магнитное поле (95 %), источники которого находятся во внешнем, проводящем электроток ядре планеты;

аномальное магнитное поле (4 %), создаваемое горными породами в верхнем слое Земли с хорошей магнитной восприимчивостью (одна из самых мощных – Курская магнитная аномалия);

внешнее магнитное поле (также называемое переменным, 1 %), связанное с солнечно-земными взаимодействиями.

Регулярные геомагнитные вариации

Изменения геомагнитного поля во времени под влиянием как внутренних, так и внешних (по отношению к поверхности планеты) источников называют магнитными вариациями. Они характеризуются отклонением составляющих ГП от среднего значения в месте наблюдения. Магнитные вариации имеют непрерывную перестройку во времени, при этом зачастую такие перемены носят периодический характер.

Регулярные вариации, повторяющиеся ежесуточно, – это изменения магнитного поля, связанные с солнечно- и лунно-суточными изменениями напряжённости ГП. Вариации достигают максимума днём и при лунном противостоянии.

Нерегулярные геомагнитные вариации

Данные изменения возникают в результате влияния солнечного ветра на земную магнитосферу, изменений внутри самой магнитосферы и её взаимодействия с ионизированным верхним слоем атмосферы. Двадцатисемидневные вариации существуют как закономерность к повторному росту магнитной возмущённости через каждые 27 суток, соответствующих периоду вращения главного небесного светила относительно земного наблюдателя. Данная тенденция обусловлена существованием активных областей-долгожителей на нашей родной звезде, наблюдаемых в течение нескольких её оборотов. Проявляется она в виде 27-суточной повторяемости геомагнитной возмущённости и магнитных бурь. Одиннадцатилетние вариации связаны с периодичностью пятнообразовательной деятельностью Солнца. Выявлено, что в годы наибольшего скопления тёмных областей на солнечном диске магнитная активность также достигает своего максимума, однако рост геомагнитной активности отстаёт от роста солнечной в среднем – на год. Сезонные вариации имеют два максимума и два минимума, соответствующие периодам равноденствий и времени солнцеворота. Вековые, в отличие от вышеперечисленных, – внешнего происхождения, образуются в результате движения вещества и волновых процессов в жидком электропроводящем ядре планеты и являются главным источником информации об электрической проводимости нижней мантии и ядра, о физических процессах, приводящих к конвекции вещества, а также о механизме генерации геомагнитного поля Земли. Это самые медленные вариации – с периодами от нескольких лет до года.

Влияние магнитного поля на живой мир

Несмотря на то, что магнитный экран нельзя увидеть, обитатели планеты прекрасно его ощущают. К примеру, перелётные птицы строят свой маршрут, ориентируясь именно на него. Учёные выдвигают несколько гипотез относительно данного явления. Одна из них предполагает, что пернатые воспринимают его визуально. В глазах перелетных птиц имеются особые белки (криптохромы), которые способны менять своё положение под влиянием геомагнитного поля. Авторы данной гипотезы уверены, что криптохромы могут выполнять роль компаса. Однако не только птицы, но и морские черепахи используют магнитный экран в качестве GPS-навигатора.

Воздействие магнитного экрана на человека

Влияние геомагнитного поля на человека принципиально отличается от любого иного, будь то радиация или опасный ток, поскольку оно воздействует на человеческий организм полностью. Учёные считают, что геомагнитное поле действует в ультранизком диапазоне частот, в результате чего отвечает основным физиологическим ритмам: дыхательному, сердечному и мозговому. Человек может и не ощущать ничего, но организм при этом все же реагирует на него функциональными изменениями нервной, сердечнососудистой систем и деятельности мозга. Психиатры уже много лет отслеживают взаимосвязь между всплесками интенсивности геомагнитного поля и обострением психических недугов, часто приводящих к суициду.

«Индексирование» геомагнитной активности

Возмущения магнитного поля, связанные с изменениями магнитосферно-ионосферной токовой системы, называются геомагнитной активностью (ГА). Для определения её уровня используются два индекса – А и К. Последний показывает величину ГА. Он высчитывается на основе измерений магнитного экрана, осуществляемых ежедневно с трёхчасовым интервалом, начиная с 00:00 UTC (всемирное координированное время). Наибольшие показатели магнитного возмущения сопоставляются со значениями геомагнитного поля спокойного дня для определенного научного учреждения, при этом в расчёт принимаются максимальные величины из наблюдаемых отклонений. На основе полученных данных исчисляется индекс К. В силу того, что он является квазилогарифмической величиной (т.е. увеличивается на единицу при увеличении возмущенности примерно в 2 раза), его нельзя усреднять с целью получения долгосрочной исторической картины состояния геомагнитного поля планеты. Для этого имеется индекс А, представляющий собой дневное среднее значение. Определяется он достаточно просто – каждое измерение индекса К преобразуется в эквивалентный индекс. Значения К, полученные на протяжении всего дня, усредняются, благодаря чему удаётся получить индекс А, значение которого в обычные дни не превышает порог в 100, а в период серьезнейших магнитных бурь может переваливать за 200. Поскольку возмущения геомагнитного поля в разных точках планеты проявляются неодинаково, то значения индекса А из разных научных источников могут заметно разниться. Для того чтобы не было такого разбега, индексы А, полученные обсерваториями, сводятся к среднему и появляется глобальный индекс Ар. То же самое и с индексом Кр, который представляет собой дробную величину в интервале 0–9. Его значение от 0 до 1 говорит о том, что геомагнитное поле в норме, а значит, сохраняются оптимальные условия для прохождения на коротковолновых диапазонах. Конечно, при условии довольно интенсивного потока солнечного излучения. Геомагнитное поле в 2 балла характеризуется как умеренное магнитное возмущение, что немного усложняет прохождение дециметровых волн. Значения от 5 и до 7 говорят о наличии геомагнитных бурь, создающих серьёзные помехи упомянутому диапазону, а при сильном шторме (8–9 баллов) делают прохождение коротких волн невозможным.

Метозависимым людям, а также тем, кто страдает хроническими болезнями, необходимо отслеживать информацию о геомагнитном поле на неделю, чтобы при возможном приближении магнитных бурь исключить физические и эмоциональные нагрузки, а также любые действия и события, способные привести к стрессу.

Строение и характеристики магнитного поля Земли

На небольшом удалении от поверхности Земли, порядка трёх её радиусов, магнитные силовые линии имеют диполеподобное расположение. Эта область называется плазмосферой Земли.

По мере удаления от поверхности Земли усиливается воздействие солнечного ветра: со стороны Солнца геомагнитное поле сжимается, а с противоположной, ночной стороны, оно вытягивается в длинный «хвост».

Плазмосфера

Заметное влияние на магнитное поле на поверхности Земли оказывают токи в ионосфере. Эта область верхней атмосферы, простирающаяся от высот порядка 100 км и выше. Содержит большое количество ионов. Плазма удерживается магнитным полем Земли, но её состояние определяется взаимодействием магнитного поля Земли с солнечным ветром, чем и объясняется связь магнитных бурь на Земле с солнечными вспышками.

Параметры поля

Точки Земли, в которых напряжённость магнитного поля имеет вертикальное направление, называют магнитными полюсами. Таких точек на Земле две: северный магнитный полюс и южный магнитный полюс.

Прямая, проходящая через магнитные полюсы, называется магнитной осью Земли. Окружность большого круга в плоскости, которая перпендикулярна к магнитной оси, называется магнитным экватором. Напряжённость магнитного поля в точках магнитного экватора имеет приблизительно горизонтальное направление.

Средняя напряжённость поля на поверхности Земли составляет около 0,5 Э (40 А/м) и сильно зависит от географического положения. Напряжённость магнитного поля на магнитном экваторе около 0,34 Э (Эрстед), у магнитных полюсов около 0,66 Э. В некоторых районах (в так называемых районах магнитных аномалий) напряжённость резко возрастает. В районе Курской магнитной аномалии она достигает 2 Э.

Дипольный магнитный момент Земли на 2015 год составлял 7,72×10²⁵ Гс·см³ (или 7,72×10²² А·м²), уменьшаясь в среднем за последние десятилетия на 0,007×10²⁵ Гс·см³ или на 1/4000 в год.

Распространена аппроксимация магнитного поля Земли в виде ряда по гармоникам – ряд Гаусса.

Для магнитного поля Земли характерны возмущения, называемые геомагнитными пульсациями вследствие возбуждения гидромагнитных волн в магнитосфере Земли; частотный диапазон пульсаций простирается от миллигерц до одного килогерца.

Магнитный меридиан

Магнитными меридианами называются проекции силовых линий магнитного поля Земли на её поверхность; сложные кривые, сходящиеся в северном и южном магнитных полюсах Земли^[3].

Гипотезы о природе магнитного поля Земли

В последнее время получила развитие гипотеза, связывающая возникновение магнитного поля Земли с протеканием токов в жидком металлическом ядре. Подсчитано, что зона, в которой действует механизм «магнитное динамо», находится на расстоянии 0,25–0,3 радиуса Земли. Аналогичный механизм генерации поля может иметь место и на других планетах, в частности, в ядрах Юпитера и Сатурна (по некоторым предположениям, состоящих из жидкого металлического водорода).

Изменения магнитного поля Земли

Образование полосовых магнитных аномалий при спрединге.

Исследования остаточной намагниченности, приобретённой изверженными горными породами при остывании их ниже точки Кюри, свидетельствуют о неоднократных инверсиях магнитного поля Земли, зафиксированных в полосовых магнитных аномалиях океанической коры, параллельные осям срединных океанических хребтов.

Смещение магнитных полюсов Земли

Смещение магнитных полюсов регистрируется с 1885 года. За последние 100 лет магнитный полюс в южном полушарии переместился почти на 900 км и вышел в Индийский океан. Новейшие данные по состоянию арктического магнитного полюса (движущегося по направлению к Восточно-Сибирской мировой магнитной аномалии через 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 расчётные, они подтверждены замерами северного магнитного полюса. По данным на начало 2007 года, скорость дрейфа северного магнитного полюса увеличилась с 10 км/год в 1970-х годах до 60 км/год в 2004 году.

Напряжённость земного магнитного поля падает, причём 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 напряжённость магнитного поля, вопреки общей тенденции, даже возросла.

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

Это подтверждается и текущим возрастанием угла раствора каспов (полярных щелей в магнитосфере на севере и юге), который к середине 1990-х годов достиг 45°. В расширившиеся щели устремился радиационный материал солнечного ветра, межпланетного пространства и космических лучей, вследствие чего в полярные области поступает большее количество вещества и энергии, что может привести к дополнительному разогреву полярных шапок.

В прошлом инверсии магнитных полюсов происходили многократно и жизнь сохранилась. Вопрос в том, какой ценой. Если, как утверждается в некоторых гипотезах, во время перестановки полюсов магнитосфера Земли на некоторое время исчезнет, то на Землю обрушится поток космических лучей, что представляет опасность для обитателей суши и тем большую, если исчезновение магнитосферы будет сопряжено с истощением озонового слоя. Обнадёживает тот факт, что во время инверсии магнитного поля Солнца, произошедшего в марте 2001 года, полного исчезновения солнечной магнитосферы зафиксировано не было. Полный цикл обращения магнитного поля Солнца составляет 22 года.

Синдром дефицита магнитного поля

Ослабление геомагнитного поля в помещениях (гипогеомагнитное поле) возникает из-за конструктивных особенностей различных строений, материалов стен, а также намагниченных конструкций. При нахождении в помещении с ослабленным ГП нарушается кровообращение, поставка кислорода и питательных веществ к тканям и органам. Ослабление магнитного экрана также влияет на нервную, сердечнососудистую, эндокринную, дыхательную, костную и мышечную системы.

Японский врач Накагава «обозвал» данное явление «синдромом дефицита магнитного поля человека». По своей значимости это понятие вполне может конкурировать с дефицитом витаминов и минералов.

Основными симптомами, указывающими на наличие данного синдрома, являются:

повышенная утомляемость;

снижение работоспособности;

бессонница;

головная и суставные боли;

гипо- и гипертония;

сбои в пищеварительной системе;

нарушения в работе сердечнососудистой системы.

Список использованных источников

1. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. – М.: Наука, 1976.

2. Магнитное поле Земли // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B5_%D0%97%D0%B5%D0%BC%D0%BB%D0%B8#Параметры_поля.

3. Москвичева Р. Геомагнитное поле: особенности, строение, характеристики и история исследований [Электронный ресурс, 15.06.2017]. Режим доступа: http://fb.ru/article/320944/geomagnitnoe-pole-osobennosti-stroenie-harakteristiki-i-istoriya-issledovaniy.

4. Сивухин Д.В. Общий курс физики. – Изд. 4-е, стереотипное. – М.: Физматлит; Изд-во МФТИ, 2004. – Т. III. Электричество. – 656 с.

5. Трофимова Т.И. Курс физики: Пособие для вузов. – 7-е изд. – М.: Высш. шк., 2002. – 542 с.

6. Френкель, Е.Н. Концепции современного естествознания : физические, химические и биологические концепции : учеб. пособие / Е.Н. Френкель. – Ростов н/Д : Феникс, 2014. – 246 с.

Код для цитирования: Скопировать