Satura rādītājs:

Zemes vairogs: kur mūsu planētai ir magnētiskais lauks?
Zemes vairogs: kur mūsu planētai ir magnētiskais lauks?

Video: Zemes vairogs: kur mūsu planētai ir magnētiskais lauks?

Video: Zemes vairogs: kur mūsu planētai ir magnētiskais lauks?
Video: Why Earth's Magnetic Shield Matters 2024, Marts
Anonim

Magnētiskais lauks aizsargā Zemes virsmu no saules vēja un kaitīgā kosmiskā starojuma. Tas darbojas kā sava veida vairogs - bez tā pastāvēšanas atmosfēra tiktu iznīcināta. Mēs jums pastāstīsim, kā veidojās un mainījās Zemes magnētiskais lauks.

Zemes magnētiskā lauka uzbūve un īpašības

Zemes magnētiskais lauks jeb ģeomagnētiskais lauks ir magnētiskais lauks, ko rada iekšzemes avoti. Ģeomagnētisma izpētes priekšmets. Parādījās pirms 4, 2 miljardiem gadu.

Pašas Zemes magnētisko lauku (ģeomagnētisko lauku) var iedalīt šādās galvenajās daļās:

  • galvenais lauks,
  • pasaules anomāliju lauki,
  • ārējais magnētiskais lauks.

Galvenais lauks

Vairāk nekā 90% no tā veido lauks, kura avots atrodas Zemes iekšienē, šķidrajā ārējā kodolā – šo daļu sauc par galveno, galveno vai parasto lauku.

Tas ir tuvināts virknes formā harmonikās - Gausa virknē, un pirmajā tuvinājumā netālu no Zemes virsmas (līdz trim tās rādiusiem) tas ir tuvu magnētiskajam dipola laukam, tas ir, izskatās pēc zemes. ir lentes magnēts ar asi, kas vērsta aptuveni no ziemeļiem uz dienvidiem.

Pasaules anomāliju lauki

Zemes magnētiskā lauka īstās spēka līnijas, lai arī vidēji tuvu dipola spēka līnijām, atšķiras no tām ar lokāliem nelīdzenumiem, kas saistīti ar magnetizētu iežu klātbūtni garozā, kas atrodas tuvu virsmai.

Šī iemesla dēļ dažās vietās uz zemes virsmas lauka parametri ļoti atšķiras no vērtībām tuvējos apgabalos, veidojot tā sauktās magnētiskās anomālijas. Tie var pārklāties viens ar otru, ja magnetizētie ķermeņi, kas tos izraisa, atrodas dažādos dziļumos.

Ārējais magnētiskais lauks

To nosaka avoti pašreizējo sistēmu veidā, kas atrodas ārpus zemes virsmas, tās atmosfērā. Atmosfēras augšējā daļā (100 km un augstāk) - jonosfērā - tās molekulas jonizējas, veidojot blīvu aukstu plazmu, kas paceļas augstāk, līdz ar to Zemes magnetosfēras daļa virs jonosfēras, sniedzas līdz trīs attālumam. no tā rādiusiem sauc par plazmasfēru.

Plazmu notur Zemes magnētiskais lauks, bet tās stāvokli nosaka mijiedarbība ar Saules vēju – Saules vainaga plazmas plūsma.

Tādējādi lielākā attālumā no Zemes virsmas magnētiskais lauks ir asimetrisks, jo tas tiek izkropļots saules vēja iedarbībā: no Saules tas saraujas, un virzienā no Saules iegūst "taku", kas stiepjas. simtiem tūkstošu kilometru, dodoties tālāk par Mēness orbītu.

Šī savdabīgā "astes" forma rodas, kad Saules vēja un saules korpuskulāro plūsmu plazma, šķiet, plūst ap zemes magnetosfēru - zemei tuvās telpas reģionu, ko joprojām kontrolē Zemes magnētiskais lauks, nevis Saule un citi. starpplanētu avoti.

To no starpplanētu telpas atdala magnetopauze, kur saules vēja dinamisko spiedienu līdzsvaro tā paša magnētiskā lauka spiediens.

Lauka parametri

Zemes lauka magnētiskās indukcijas līniju stāvokļa vizuālu attēlojumu nodrošina magnētiskā adata, kas piestiprināta tā, lai tā varētu brīvi griezties gan ap vertikāli, gan ap horizontālo asi (piemēram, kardānā), - katrā punktā, kas atrodas netālu no Zemes virsmas, tas ir uzstādīts noteiktā veidā pa šīm līnijām.

Tā kā magnētiskie un ģeogrāfiskie poli nesakrīt, magnētiskā adata parāda tikai aptuvenu ziemeļu-dienvidu virzienu.

Vertikālo plakni, kurā uzstādīta magnētiskā adata, sauc par dotās vietas magnētiskā meridiāna plakni, bet līniju, pa kuru šī plakne krustojas ar Zemes virsmu, sauc par magnētisko meridiānu.

Tādējādi magnētiskie meridiāni ir Zemes magnētiskā lauka spēka līniju projekcijas uz tās virsmas, saplūstot ziemeļu un dienvidu magnētiskajos polos. Leņķi starp magnētiskā un ģeogrāfiskā meridiāna virzieniem sauc par magnētisko deklināciju.

Tas var būt rietumu (bieži apzīmēts ar "-" zīmi) vai austrumu ("+" zīme) atkarībā no tā, vai magnētiskās adatas ziemeļpols novirzās no ģeogrāfiskā meridiāna vertikālās plaknes uz rietumiem vai austrumiem.

Turklāt Zemes magnētiskā lauka līnijas, vispārīgi runājot, nav paralēlas tās virsmai. Tas nozīmē, ka Zemes lauka magnētiskā indukcija neatrodas noteiktas vietas horizonta plaknē, bet veido noteiktu leņķi ar šo plakni – to sauc par magnētisko slīpumu. Tas ir tuvu nullei tikai magnētiskā ekvatora punktos - liela apļa apkārtmērā plaknē, kas ir perpendikulāra magnētiskajai asij.

Attēls
Attēls

Zemes magnētiskā lauka skaitliskās modelēšanas rezultāti: pa kreisi - normāli, pa labi - inversijas laikā

Zemes magnētiskā lauka būtība

Pirmo reizi J. Larmors mēģināja izskaidrot Zemes un Saules magnētisko lauku esamību 1919. gadā, piedāvājot dinamo koncepciju, saskaņā ar kuru debess ķermeņa magnētiskā lauka uzturēšana notiek darbības rezultātā. elektriski vadošas vides hidrodinamisko kustību.

Taču 1934. gadā T. Koulings pierādīja teorēmu par asimetriskas magnētiskā lauka uzturēšanas neiespējamību ar hidrodinamiskā dinamo mehānisma palīdzību.

Un tā kā lielākā daļa pētīto debess ķermeņu (un vēl jo vairāk Zeme) tika uzskatīti par aksiāli simetriskiem, pamatojoties uz to, varēja izdarīt pieņēmumu, ka arī to lauks būs aksiāli simetrisks, un pēc tam tā ģenerēšana pēc šī principa tas būtu neiespējami saskaņā ar šo teorēmu.

Pat Alberts Einšteins bija skeptisks par šāda dinamo iespējamību, ņemot vērā vienkāršu (simetrisku) risinājumu neiespējamību. Tikai daudz vēlāk tika parādīts, ka ne visiem vienādojumiem ar aksiālo simetriju, kas apraksta magnētiskā lauka ģenerēšanas procesu, pat pagājušā gadsimta piecdesmitajos gados būs aksiāli simetrisks risinājums. ir atrasti asimetriski risinājumi.

Kopš tā laika dinamo teorija ir veiksmīgi attīstījusies, un mūsdienās vispārpieņemtais visticamākais Zemes un citu planētu magnētiskā lauka rašanās skaidrojums ir pašaizraisošs dinamo mehānisms, kura pamatā ir elektriskās strāvas ģenerēšana vadītājā. kad tas pārvietojas magnētiskajā laukā, ko rada un pastiprina pašas šīs strāvas.

Zemes kodolā tiek radīti nepieciešamie apstākļi: šķidrajā ārējā kodolā, kas sastāv galvenokārt no dzelzs aptuveni 4-6 tūkstošu kelvinu temperatūrā, kas lieliski vada strāvu, tiek radītas konvekcijas plūsmas, kas noņem siltumu no cietā iekšējā kodola. (radīts radioaktīvo elementu sabrukšanas vai latenta siltuma izdalīšanās dēļ matērijas sacietēšanas laikā uz robežas starp iekšējo un ārējo kodolu, planētai pakāpeniski atdziestot).

Koriolisa spēki savērpj šīs straumes raksturīgās spirālēs, kas veido tā sauktos Teilora pīlārus. Slāņu berzes dēļ tie iegūst elektrisko lādiņu, veidojot cilpas strāvas. Tādējādi tiek izveidota strāvu sistēma, kas cirkulē pa vadošu ķēdi vadītājos, kas pārvietojas (sākotnēji esošajā, lai arī ļoti vājā) magnētiskajā laukā, piemēram, Faradeja diskā.

Tas rada magnētisko lauku, kas ar labvēlīgu plūsmu ģeometriju pastiprina sākotnējo lauku, un tas savukārt pastiprina strāvu, un pastiprināšanas process turpinās, līdz džoula siltuma zudumi, palielinoties strāvai, līdzsvaro enerģijas pieplūdums hidrodinamisko kustību dēļ.

Tika ierosināts, ka dinamo var uzbudināt precesijas vai paisuma spēku dēļ, tas ir, ka enerģijas avots ir Zemes rotācija, tomēr visizplatītākā un attīstītākā hipotēze ir, ka tā ir tieši termoķīmiskā konvekcija.

Izmaiņas Zemes magnētiskajā laukā

Magnētiskā lauka inversija ir Zemes magnētiskā lauka virziena maiņa planētas ģeoloģiskajā vēsturē (nosaka ar paleomagnētisko metodi).

Inversijā magnētiskie ziemeļi un magnētiskie dienvidi tiek apgriezti, un kompasa adata sāk rādīt pretējā virzienā. Inversija ir salīdzinoši reta parādība, kas nekad nav notikusi Homo sapiens pastāvēšanas laikā. Jādomā, ka pēdējo reizi tas notika pirms aptuveni 780 tūkstošiem gadu.

Magnētiskā lauka maiņa notika laika intervālos no desmitiem tūkstošu gadu līdz milzīgiem klusa magnētiskā lauka intervāliem desmitiem miljonu gadu, kad maiņa nenotika.

Tādējādi polu maiņas periodiskums netika konstatēts, un šis process tiek uzskatīts par stohastisku. Ilgiem klusa magnētiskā lauka periodiem var sekot vairāku apgriezienu periodi ar dažādu ilgumu un otrādi. Pētījumi liecina, ka magnētisko polu izmaiņas var ilgt no vairākiem simtiem līdz pat vairākiem simtiem tūkstošu gadu.

Džona Hopkinsa universitātes (ASV) eksperti norāda, ka apvērsumu laikā Zemes magnetosfēra tik ļoti novājinājusies, ka kosmiskais starojums varētu sasniegt Zemes virsmu, līdz ar to šī parādība varētu kaitēt planētas dzīviem organismiem, un nākamā polu maiņa varētu novest pie vēl vairāk. nopietnas sekas cilvēcei līdz pat globālai katastrofai.

Zinātniskais darbs pēdējos gados ir parādījis (tostarp eksperimentā) iespējamību nejauši mainīt magnētiskā lauka virzienu ("lec") stacionārā turbulentā dinamo. Pēc Zemes Fizikas institūta ģeomagnētisma laboratorijas vadītāja Vladimira Pavlova teiktā, inversija pēc cilvēka standartiem ir diezgan ilgs process.

Līdsas universitātes ģeofiziķi Yon Mound un Phil Livermore uzskata, ka pēc pāris tūkstošiem gadu notiks Zemes magnētiskā lauka inversija.

Zemes magnētisko polu pārvietošanās

Pirmo reizi magnētiskā pola koordinātas ziemeļu puslodē tika noteiktas 1831. gadā, vēlreiz - 1904. gadā, pēc tam 1948. un 1962., 1973., 1984., 1994. gadā; dienvidu puslodē - 1841. gadā, atkal - 1908. gadā. Magnētisko polu nobīde reģistrēta kopš 1885. gada. Pēdējo 100 gadu laikā magnētiskais pols dienvidu puslodē ir pārvietojies gandrīz 900 km un iekļuvis Dienvidu okeānā.

Jaunākie dati par Arktikas magnētiskā pola stāvokli (virzoties uz Austrumsibīrijas pasaules magnētisko anomāliju pāri Ziemeļu Ledus okeānam) liecināja, ka no 1973. līdz 1984. gadam tā nobraukums bija 120 km, no 1984. līdz 1994. gadam - vairāk nekā 150 km. Lai gan šie skaitļi ir aprēķināti, tos apstiprina ziemeļu magnētiskā pola mērījumi.

Pēc 1831. gada, kad staba novietojums tika fiksēts pirmo reizi, 2019. gadā stabs jau bija nobīdījies par vairāk nekā 2300 km uz Sibīriju un turpina kustēties ar paātrinājumu.

Tā braukšanas ātrums palielinājās no 15 km gadā 2000. gadā līdz 55 km gadā 2019. gadā. Šī straujā novirze rada nepieciešamību biežāk pielāgot navigācijas sistēmas, kas izmanto Zemes magnētisko lauku, piemēram, kompasus viedtālruņos vai rezerves navigācijas sistēmas kuģiem un lidmašīnām.

Zemes magnētiskā lauka stiprums samazinās, turklāt nevienmērīgi. Pēdējo 22 gadu laikā tas ir samazinājies vidēji par 1,7%, bet atsevišķos reģionos, piemēram, Atlantijas okeāna dienvidu daļā, par 10%. Vietām magnētiskā lauka stiprums pretēji vispārējai tendencei pat palielinājās.

Polu kustības paātrinājums (vidēji par 3 km/gadā) un to kustība pa magnētisko polu inversiju koridoriem (šie koridori ļāva atklāt vairāk nekā 400 paleoinversijas) liecina, ka šajā polu kustībā viens. vajadzētu redzēt nevis ekskursiju, bet kārtējo Zemes magnētiskā lauka inversiju.

Kā radās zemes magnētiskais lauks?

Eksperti no Scripps Okeanogrāfijas institūta un Kalifornijas universitātes izteikuši pieņēmumu, ka planētas magnētisko lauku veidojusi mantija. Amerikāņu zinātnieki ir izstrādājuši hipotēzi, ko pirms 13 gadiem izvirzīja pētnieku grupa no Francijas.

Ir zināms, ka ilgu laiku profesionāļi apgalvoja, ka Zemes ārējais kodols radīja magnētisko lauku. Bet tad eksperti no Francijas ierosināja, ka planētas mantija vienmēr bija cieta (no tās dzimšanas brīža).

Šis secinājums lika zinātniekiem domāt, ka magnētisko lauku var veidot nevis kodols, bet gan apakšējā apvalka šķidrā daļa. Mantijas sastāvs ir silikāta materiāls, kas tiek uzskatīts par sliktu vadītāju.

Bet, tā kā apakšējai mantijai bija jāpaliek šķidrai miljardiem gadu, šķidruma kustība tajā neradīja elektrisko strāvu, un patiesībā bija vienkārši jāģenerē magnētiskais lauks.

Mūsdienu profesionāļi uzskata, ka mantija varēja būt jaudīgāka caurule, nekā tika uzskatīts iepriekš. Šis speciālistu secinājums pilnībā attaisno agrīnās Zemes stāvokli. Silikāta dinamo ir iespējams tikai tad, ja tā šķidrās daļas elektrovadītspēja bija daudz augstāka un tai bija zems spiediens un temperatūra.

Ieteicams: