Материалы по теме "Магнитное поле"

МАГНИТОСФЕРА ЗЕМЛИ

Земля в целом ведет себя как огромный магнит (рис. 1). Впервые это доказал английский естествоиспытатель Уильям Гильберт приблизительно в 1600 году, хотя эффекты земного магнетизма использовались намного ранее в компасах.

Рис. 1. Магнитное поле Земли

Магнитные полюса Земли не совпадают с географическими полюсами и постоянно перемещаются. Северный магнитный полюс находится недалеко от северо-западной части Канады. Южный магнитный полюс расположен на краю континента Антарктида.

Рис. 2. Движение магнитных полюсов Земли

Северный магнитный полюс Земли, как минимум 400 лет «принадлежавший» Канаде, «покинул» эту страну. Он вышел за пределы 200-мильной зоны Канады (рис. 2).

Рис. 3. Ускорение перемещения северного магнитного полюса

Со второй половины ХХ века Северный полюс довольно быстро движется в сторону Таймыра. В 2009 году скорость движения Северного полюса составляла примерно 64 км в год и постоянно растет (рис. 3). Предполагают, что сравнительно скоро (по геологических меркам) Северный полюс окажется в северной Сибири.

Происхождение магнитного поля Земли. Исследования древних вулканических пород показывают, что при охлаждении и кристаллизации они как бы заморозили в себе магнитное поле, существовавшее в момент их затвердевания. Исследование таких минералов по всему миру дает возможность проследить историю магнитного поля Земли. Северный магнитный полюс 500 млн лет назад, например, находился на юге Гавайских островов. Исследования остаточного магнетизма в горных породах и магнитных аномалий на дне океанов показали, что магнитное поле Земли меняло полярность, по крайней мере, 170 раз за последние 100 млн лет.

Рассматривались различные причины возникновения магнитного поля Земли. На рис. 4 показаны конфигурации магнитного поля Земли для различных систем токов и магнитов.

Первоначально предполагалось, что магнитное поле Земли определяется намагниченностью сферы из магнетита в центре Земли. Однако железо не сохраняет ферромагнитные свойства при высокой температуре. Точка Кюри для железа равна приблизительно 770°С (такая температура в толще Земли достигается на глубине порядка 200 км), а температура в центре Земли выше 6 000°C. Наконец, постоянная намагниченность ядра не может согласовываться с вековыми вариациями магнитного поля Земли.

Рис. 4. Магнитное поле различных систем:

а) магнитный диполь в центре Земли;

б) однородно намагниченное ядро;

в) однородно намагниченная Земля;

г) система электрических токов в ядре Земли

В настоящее время считается, что происхождение главного магнитного поля Земли связано с течениями вещества в жидком внешнем ядре, которые сопровождаются процессами, аналогичными тем, которые имеют место в динамо-машине.

В теории «динамо» объясняется, как течения проводящего вещества (жидкого железа с примесью никеля и некоторых других элементов) в жидком ядре, причиной которых может быть тепловая конвекция, приводят к самовозбуждению и поддержанию магнитного поля. При движении проводящего вещества в слабом магнитном поле возникает разность потенциалов, приводящая к возникновению электрического тока, создающего магнитное поле, усиливающее первичное поле. Таким образом, «динамо» самовозбуждается и поддерживает свое собственное магнитное поле.

В рамках теории «динамо» можно объяснить и вековые вариации магнитного поля Земли.  Наиболее важной особенностью вековых вариаций является описанная ранее периодическая смена полярности главного магнитного поля. Теория и экспериментальные данные для самовозбуждающегося «динамо» показывают, что инверсия магнитного поля может быть связана с нестабильностью самого механизма «динамо» или с изменением в структуре течений во внешнем ядре (к примеру, из-за неправильной внутренней поверхности литосферы).

Проведен ряд модельных экспериментов, результаты которых подтверждают теорию «динамо».

Характеристики магнитного поля Земли. Собственное магнитное поле Земли без учета короткопериодичных флуктуаций, связанных с влиянием излучения Солнца и других процессов может быть представлено в виде суммы четырех слагаемых:

,

где H₀ — магнитодипольная составляющая поля Земли (~85-90% от суммарного магнитного поля); H_m — магнитное поле крупномасштабных аномалий размерами в тысячи километров (~10%); H_ан — магнитное поле локальных, региональных аномалий (например, Курская магнитная аномалия, где напряженность магнитного поля достигает 2 эрстед); dH — вековые изменения магнитного поля Земли, связанные с изменением конвекционных токов внутри Земли, циклами активности Солнца (~5% в сумме с полем локальных аномалий).

Напряженность и индукция магнитного поля Земли измеряется в единицах СИ (А/м и Тесла) или в единицах гауссовой системы (эрстед и гаусс). Внесистемной единицей, применяемой для измерения магнитного поля Земли и других планет, является  гамм (g): 1 гамм = 10^-5 эрстед.

Напряженность магнитного поля Земли варьируется в зависимости от места. К примеру, в районе южно-атлантической аномалии она составляет около 0,24 эрстед, в Антарктиде вблизи полюса — 0,68 эрстед, в среднем — около 0,5 эрстед.

Основная составляющая магнитного поля Земли H₀ достаточно точно совпадает с магнитным полем магнитного диполя, расположенного на расстоянии около 400 км от центра Земли, ось которого наклонена примерно на 10° относительно оси вращения. Такая конфигурация магнитного поля сохраняется до расстояний около трех радиусов Земли; далее магнитное поле имеет более сложную структуру и сильно подвержено влиянию Солнца.

Модуль вектора напряженности магнито-дипольной составляющей магнитного поля Земли H₀ может быть вычислен по формуле:

,

где p_m » 6,5×10²¹ А×м² — магнитный момент Земли; R — расстояние до центра магнитного момента Земли; j — магнитная широта (магнитное поле имеет цилиндрическую симметрию и не зависит от магнитной долготы). 

Вектор напряженности геомагнитного поля в любой точке Земли может быть задан тремя величинами: вертикальной составляющей, горизонтальной составляющей и магнитным склонением — углом между направлением на Северный географический полюс и направлением горизонтальной составляющей. У магнитных полюсов вектор напряженности почти вертикален, и определить направление с помощью магнитного компаса невозможно. Вблизи от экватора магнитное поле практически горизонтально.

Вариации магнитного поля Земли связаны и с процессами, происходящими внутри Земли, и с влиянием Солнца. Вековые вариации магнитного поля связаны с изменениями конвективных токов в жидком внешнем ядре Земли и с 11-летним циклом активности Солнца (вариации порядка 100 g). Короткопериодные вариации имеют величину порядка 15-30 g и связаны с вращением Земли вокруг Солнца, вокруг собственной оси (соответственно, суточные и сезонные вариации), с 27-дневным циклом солнечной активности (вращение Солнца).

Очень часто в поведении магнитной стрелки наблюдаются быстрые неправильные колебания с весьма большой амплитудой, часто начинающиеся внезапно и длящиеся в течение суток или нескольких суток. Это так называемые магнитные бури. От вариаций магнитного поля магнитные бури отличаются внезапным началом и резким протеканием. Обычно при магнитной буре изменение магнитного поля Земли составляет порядка 100 g, при сильных магнитных бурях — до 1000 g и более (максимальное зарегистрированное значение составляет 10 000 g, или одну пятую средней величины напряженности магнитного поля Земли).

Магнитное поле Земли оказывает значительное влияние на процессы, происходящие в околоземном пространстве. В частности, магнитное поле является щитом, защищающим поверхность Земли от воздействий потоков высокоэнергетических заряженных частиц, исходящих от Солнца, а также космического излучения. Магнитное поле Земли является ловушкой для заряженных частиц (в основном электронов и протонов), создавая магнитные пояса Земли.

В последние десятилетия при измерении магнитного поля Земли замечено, что магнитное поле Земли ослабевает. В некоторых областях возникло явление инверсии магнитного поля – силовые линии магнитного поля направлены в направлении, противоположном нормальному (рис. 5). Особенно известна южно-атлантическая магнитная аномалия размерами в тысячи километров. В этой области магнитное поле Земли ослаблено, что приводит к повышенной корпускулярной радиации в этом районе.

Рис. 5.  Изменение магнитного поля Земли

Возможно через некоторое время (пока неясно, через какое) произойдет переполюсовка: магнитные полюса поменяются местами. При этом в течение какого-то времени магнитное поле Земли будет иметь хаотическую структуру и будет значительно слабее, чем в сейчас. В этот период магнитный щит Земли практически не будет действовать. Такая переполюсовка, как следует из геологических данных, происходила на Земле неоднократно.

Радиационные пояса Земли. В магнитосфере Земли находятся радиационные пояса (рис. 6), обнаруженные в 1958 году с помощью искусственных спутников. Радиационные пояса Земли и некоторых других планет – это внутренние области планетных магнитосфер, в которых собственное магнитное поле планеты удерживает заряженные частицы (протоны, электроны), обладающие большой кинетической энергией.

Рис. 6. Магнитосфера Земли

В однородном магнитном поле заряженная частица движется по спирали, навитой на силовую линию магнитного поля. Характеристики спирали зависят от индукции магнитного поля, скорости и угла влета частицы.

Рис. 7. Движение заряженных частиц в геомагнитной ловушке

Силовые линии магнитного поля Земли, близкого к полю витка с током, сгущаются у полюсов, где напряженность магнитного поля больше (рис. 7). При приближении заряженной частицы к месту сгущения силовых линий возникает возвращающая составляющая силы Лоренца, уменьшающая составляющую скорости частицы вдоль направления силовой линии. При определенном соотношении между продольной и поперечной составляющими скорости частица, приблизившись на определенное расстояние к полюсу, поворачивает назад. В результате заряженные частицы оказываются в естественной магнитной ловушке. Таким образом, в радиационных поясах частицы под действием магнитного поля движутся по сложным траекториям из северного полушария в южное и обратно.

У Земли обычно выделяют внутренний и внешний радиационные пояса.

Внутренний радиационный пояс Земли характеризуется наличием протонов высоких энергий (от 20 до 800 МэВ) с максимумом плотности потока протонов до 10⁴ протон/(см²·сек·стер) на расстоянии L ~ 1,5 (L – расстояние, выраженное в радиусах Земли). Во внутреннем поясе присутствуют также электроны с энергиями от 20—40 кэВ до 1 МэВ; плотность потока электронов составляет в максимуме ~ 10⁶—10⁷ электрон/(см²·сек·стер).

Ближе всего к поверхности Земли (на высоты до 200–300 км) внутренний пояс подходит вблизи Бразильской магнитной аномалии, где магнитное поле сильно ослаблено; над географическим экватором нижняя граница внутреннего пояса отстоит от Земли на 600 км над Америкой и до 1 600 км над Австралией. На нижней границе внутреннего пояса частицы, испытывая частые столкновения с атомами и молекулами атмосферных газов, теряют свою энергию, рассеиваются и «поглощаются» атмосферой.

Внешний радиационный пояс Земли заключён между магнитными оболочками c L ~ 3 и L ~ 6 с максимальной плотностью потока частиц на L ~ 4,5. Для внешнего пояса характерны электроны с энергиями 40—100 кэВ, поток которых в максимуме достигает 10⁶—10⁷ электрон/(см²·сек·стер). В периоды повышенной солнечной активности во внешнем поясе присутствуют также электроны больших энергий (до 1 МэВ и выше).

Рис. 8. Возникновение полярных сияний

Во время магнитных бурь радиационные пояса, форма которых связана с конфигурацией магнитного поля Земли, могут в приполярных областях проникать в верхние слои атмосферы. В результате взаимодействия заряженных частиц с атомами воздуха на высотах 90-1000 км возникает быстроменяющееся свечение отдельных участков ночного неба, называемое полярным сиянием (рис. 8).

Изредка полярные сияния могут возникать и более низких широтах. При происходящем  в настоящее время ослаблении магнитного поля потоки заряженных частиц могут проникать в области ослабленного поля и также вызывать «полярные» сияния.

Радиационные пояса Земли могут быть созданы также искусственным образом, например, при взрыве ядерного заряда на больших высотах. После американского ядерного взрыва (9 июля 1962 года) во внутренний пояс было инжектировано около 10²⁵ электронов с энергией ~ 1 МэВ, что на два-три порядка превысило интенсивность потока электронов естественного происхождения. Остатки этих электронов наблюдались в поясах в течение почти 10-летнего периода.

Радиационные пояса Земли представляют собой серьёзную опасность при длительных полётах в околоземном пространстве. Потоки протонов малых энергий могут вывести из строя солнечные батареи и вызвать помутнение тонких оптических покрытий. Длительное пребывание во внутреннем поясе может привести к лучевому поражению живых организмов внутри космического корабля под воздействием протонов высоких энергий.