PAŃSTWOWY INSTYTUT PEDAGOGICZNY W LIPIECKU

ZAKŁAD FIZYKI TEORETYCZNEJ I OGÓLNEJ

Zajęcia z fizyki.

WYZNACZANIE SKŁADOWEJ POZIOMEJ POLA MAGNETYCZNEGO ZIEMI.

Ukończył uczeń grupy FPO-3

Kazantsev N.N.

Kierownik nadzwyczajny Katedry Floty Pacyfiku

Gryzow Yu.V.

LIPIECK

2. Pole magnetyczne.

Pole magnetyczne jest specjalną formą materii, poprzez którą zachodzi interakcja pomiędzy poruszającymi się elektrycznie naładowanymi cząstkami.

Główne właściwości pola magnetycznego:

pole magnetyczne jest generowane przez prąd elektryczny (ruchome ładunki).

Pole magnetyczne jest wykrywane poprzez wpływ na prąd elektryczny (ruchome ładunki).

Pole magnetyczne zostało odkryte w 1820 roku przez duńskiego fizyka H.K. Ersted.

Pole magnetyczne ma charakter kierunkowy i musi być charakteryzowane wielkością wektorową. Wartość ta jest zwykle oznaczona literą W . Byłoby to logiczne, przez analogię z siłą pola elektrycznego mi nazwa W siła pola magnetycznego. Jednak ze względów historycznych nazwano główną charakterystykę mocy pola magnetycznego Indukcja magnetyczna . Nazwę „natężenie pola magnetycznego” przypisano charakterystyce pomocniczej D pole elektryczne.

Pole magnetyczne, w przeciwieństwie do pola elektrycznego, nie ma wpływu na ładunek w spoczynku. Siła powstaje tylko wtedy, gdy ładunek się porusza.

Zatem poruszające się ładunki (prądy) zmieniają właściwości otaczającej przestrzeni - wytwarzają w niej pole magnetyczne. Przejawia się to w tym, że na poruszające się w nim ładunki (prądy) działają siły.

Doświadczenie daje. Co dotyczy magnesu i elektryczności zasada superpozycji:

poleW , generowany przez kilka poruszających się ładunków (prądów), jest równa sumie wektorów pólB I generowane przez każdy ładunek (prąd) oddzielnie:

II. Ogólna charakterystyka pola magnetycznego Ziemi.

Ziemia jako całość jest ogromnym, kulistym magnesem. Ludzkość zaczęła wykorzystywać ziemskie pole magnetyczne już dawno temu. Już na początku XII-XIII wieku. kompas jest szeroko stosowany w nawigacji. Jednak w tamtych czasach wierzono, że gwiazda polarna i jej magnetyzm orientują igłę kompasu. Założenie o istnieniu ziemskiego pola magnetycznego po raz pierwszy wyraził w 1600 roku angielski przyrodnik Gilbert.

W dowolnym punkcie przestrzeni otaczającej Ziemię i na jej powierzchni wykrywane jest działanie sił magnetycznych. Innymi słowy, w przestrzeni otaczającej Ziemię powstaje pole magnetyczne, którego linie sił pokazano na ryc. 1.

Bieguny magnetyczne i geograficzne Ziemi nie pokrywają się ze sobą. północny biegun magnetyczny N leży na półkuli południowej, w pobliżu wybrzeży Antarktydy i południowego bieguna magnetycznego S położony na półkuli północnej, w pobliżu północnego wybrzeża Wyspy Wiktorii (Kanada). Obydwa bieguny poruszają się w sposób ciągły (dryfują) po powierzchni Ziemi z prędkością około 5 rocznie na skutek zmienności procesów wytwarzających pole magnetyczne. Ponadto oś pola magnetycznego nie przechodzi przez środek Ziemi, ale pozostaje w tyle za nim o 430 km. Pole magnetyczne Ziemi nie jest symetryczne. Dzięki temu, że oś pola magnetycznego przebiega jedynie pod kątem 11,5 stopnia do osi obrotu planety, możemy posługiwać się kompasem.

Według współczesnych poglądów, główna część ziemskiego pola magnetycznego ma pochodzenie wewnątrzziemskie. Pole magnetyczne Ziemi tworzone jest przez jej jądro. Zewnętrzne jądro Ziemi jest płynne i metaliczne. Metal jest substancją przewodzącą i gdyby w ciekłym rdzeniu istniały prądy stałe, wówczas odpowiadający im prąd elektryczny wytworzyłby pole magnetyczne. Z powodu obrotu Ziemi takie prądy w jądrze istnieją, ponieważ Ziemia w pewnym przybliżeniu jest dipolem magnetycznym, tj. rodzaj magnesu z dwoma biegunami: południowym i północnym.

Nieznaczna część pola magnetycznego (około 1%) ma pochodzenie pozaziemskie. Powstanie tej części przypisuje się prądom elektrycznym płynącym w przewodzących warstwach jonosfery i powierzchni Ziemi. Ta część ziemskiego pola magnetycznego podlega niewielkim zmianom w czasie, co nazywa się zmianami świeckimi. Przyczyny istnienia prądów elektrycznych w odmianach świeckich są nieznane.

W idealnym i hipotetycznym założeniu, w którym Ziemia byłaby sama w przestrzeni kosmicznej, linie pola magnetycznego planety ułożone były w taki sam sposób, jak linie pola zwykłego magnesu ze szkolnego podręcznika fizyki, tj. w postaci symetrycznych łuków rozciągających się od bieguna południowego na północ. Gęstość linii (natężenie pola magnetycznego) będzie malała wraz z odległością od planety. W rzeczywistości ziemskie pole magnetyczne oddziałuje z polami magnetycznymi Słońca, planet i strumieniami naładowanych cząstek emitowanych w dużych ilościach przez Słońce. Jeśli można pominąć wpływ samego Słońca, a tym bardziej planet, ze względu na oddalenie, to w przypadku przepływów cząstek, w przeciwnym razie nie można tego zrobić za pomocą wiatru słonecznego. Wiatr słoneczny to strumień cząstek pędzących z prędkością około 500 km/s emitowany przez atmosferę słoneczną. W momentach rozbłysków słonecznych, a także podczas powstawania grupy dużych plam na Słońcu, gwałtownie wzrasta liczba wolnych elektronów bombardujących atmosferę ziemską. Prowadzi to do zakłócenia prądów płynących w jonosferze Ziemi i w związku z tym następuje zmiana pola magnetycznego Ziemi. Występują burze magnetyczne. Przepływy takie generują silne pole magnetyczne, które oddziałuje z polem Ziemi, silnie je deformując. Ziemia, dzięki swojemu polu magnetycznemu, utrzymuje cząsteczki wiatru słonecznego uwięzione w tzw. pasach radiacyjnych, uniemożliwiając im przedostanie się do atmosfery ziemskiej, a tym bardziej na powierzchnię. Cząsteczki wiatru słonecznego byłyby bardzo szkodliwe dla wszystkich żywych istot. Oddziaływanie wspomnianych pól tworzy granicę, po której stronie znajduje się zaburzone (podlegające zmianom pod wpływem czynników zewnętrznych) pole magnetyczne cząstek wiatru słonecznego, a po drugiej stronie zaburzone pole Ziemi. Granicę tę należy uznać za granicę przestrzeni okołoziemskiej, granicę magnetosfery i atmosfery. Poza tą granicą dominuje wpływ zewnętrznych pól magnetycznych. W kierunku Słońca magnetosfera Ziemi zostaje spłaszczona pod naporem wiatru słonecznego i rozciąga się tylko do 10 promieni planety. W przeciwnym kierunku następuje wydłużenie do 1000 promieni Ziemi.

Główna część ziemskiego pola magnetycznego wykrywa anomalie w różnych obszarach powierzchni Ziemi. Anomalie te najwyraźniej należy przypisać obecności mas ferromagnetycznych w skorupie ziemskiej lub różnicom we właściwościach magnetycznych skał. Dlatego badanie anomalii magnetycznych ma praktyczne znaczenie w badaniu minerałów.

Istnienie pola magnetycznego w dowolnym punkcie Ziemi można ustalić za pomocą igły magnetycznej. Jeśli powiesisz igłę magnetyczną NS na nitce l (rys. 2) tak, aby punkt zawieszenia pokrywał się ze środkiem ciężkości strzałki, wówczas strzałka zostanie ustawiona w kierunku stycznej do linii siły pola magnetycznego Ziemi.

Na półkuli północnej południowy kraniec będzie nachylony w stronę Ziemi, a strzałka będzie z horyzontem kąt nachyleniaQ (na równiku magnetycznym nachylenie Q równa się zeru). Pionowa płaszczyzna, w której znajduje się strzałka, nazywana jest płaszczyzną południka magnetycznego. Wszystkie płaszczyzny południków magnetycznych przecinają się w linii prostej NS , a ślady południków magnetycznych na powierzchni Ziemi zbiegają się na biegunach magnetycznych N I S . Ponieważ bieguny magnetyczne nie pokrywają się z biegunami geograficznymi, igła zostanie odchylona od południka geograficznego. Kąt, jaki tworzy płaszczyzna pionowa przechodząca przez strzałkę (tj. południk magnetyczny) z południkiem geograficznym, nazywa się deklinacja magnetyczna A(ryc. 2). Wektor

pola natężenia pola magnetycznego Ziemi można rozłożyć na dwie składowe: poziomą i pionową (rys. 3). Wartość kątów nachylenia i deklinacji oraz składowej poziomej pozwalają określić wielkość i kierunek całkowitego natężenia pola magnetycznego Ziemi w danym punkcie. Jeżeli igła magnetyczna może swobodnie obracać się tylko wokół osi pionowej, wówczas zostanie zainstalowana pod wpływem składowej poziomej ziemskiego pola magnetycznego w płaszczyźnie południka magnetycznego. Składowa pozioma, deklinacja magnetyczna A i nachylenie Q nazywane są elementami ziemskiego magnetyzmu. Wszystkie elementy ziemskiego magnetyzmu zmieniają się w czasie.

Rozumiemy razem, czym jest pole magnetyczne. W końcu wiele osób zajmuje się tą dziedziną przez całe życie i nawet o tym nie myśli. Czas to naprawić!

Pole magnetyczne

Pole magnetyczne jest szczególnym rodzajem materii. Przejawia się w działaniu na poruszające się ładunki elektryczne i ciała posiadające własny moment magnetyczny (magnesy trwałe).

Ważne: pole magnetyczne nie działa na ładunki stacjonarne! Pole magnetyczne jest również wytwarzane przez poruszające się ładunki elektryczne, zmienne w czasie pole elektryczne lub momenty magnetyczne elektronów w atomach. Oznacza to, że każdy drut, przez który przepływa prąd, staje się również magnesem!

Ciało posiadające własne pole magnetyczne.

Magnes ma bieguny zwane północnym i południowym. Oznaczenia „północny” i „południowy” podano jedynie dla wygody (jako „plus” i „minus” w elektryczności).

Pole magnetyczne jest reprezentowane przez linie magnetyczne siły. Linie sił są ciągłe i zamknięte, a ich kierunek zawsze pokrywa się z kierunkiem sił pola. Jeśli wokół magnesu trwałego zostaną rozsiane wióry metalu, cząstki metalu pokażą wyraźny obraz linii pola magnetycznego wychodzących z północy i wchodzących do bieguna południowego. Charakterystyka graficzna pola magnetycznego - linie siły.

Charakterystyka pola magnetycznego

Główne cechy pola magnetycznego to Indukcja magnetyczna, strumień magnetyczny I przenikalność magnetyczna. Ale porozmawiajmy o wszystkim w porządku.

Od razu zauważamy, że w systemie podane są wszystkie jednostki miary SI.

Indukcja magnetyczna B - wektorowa wielkość fizyczna, która jest główną charakterystyką mocy pola magnetycznego. Oznaczone literą B . Jednostka miary indukcji magnetycznej - Tesla (tł).

Indukcja magnetyczna wskazuje siłę pola poprzez określenie siły, z jaką działa ono na ładunek. Ta siła nazywa się Siła Lorentza.

Tutaj Q - opłata, w - jego prędkość w polu magnetycznym, B - wprowadzenie, F jest siłą Lorentza, z jaką pole działa na ładunek.

F- wielkość fizyczna równa iloczynowi indukcji magnetycznej przez obszar konturu i cosinus między wektorem indukcji a normalną do płaszczyzny konturu, przez który przepływa przepływ. Strumień magnetyczny jest skalarną cechą pola magnetycznego.

Można powiedzieć, że strumień magnetyczny charakteryzuje liczbę linii indukcji magnetycznej przenikających przez jednostkę powierzchni. Strumień magnetyczny mierzy się w Weberacha (WB).

Przepuszczalność magnetyczna jest współczynnikiem określającym właściwości magnetyczne ośrodka. Jednym z parametrów, od którego zależy indukcja magnetyczna pola, jest przenikalność magnetyczna.

Nasza planeta jest ogromnym magnesem od kilku miliardów lat. Indukcja pola magnetycznego Ziemi zmienia się w zależności od współrzędnych. Na równiku jest to około 3,1 razy 10 do minus piątej potęgi Tesli. Ponadto występują anomalie magnetyczne, gdzie wartość i kierunek pola znacznie różnią się od sąsiednich obszarów. Jedna z największych anomalii magnetycznych na planecie - Kursk I Brazylijska anomalia magnetyczna.

Pochodzenie ziemskiego pola magnetycznego wciąż pozostaje dla naukowców tajemnicą. Zakłada się, że źródłem pola jest rdzeń Ziemi z ciekłego metalu. Rdzeń się porusza, co oznacza, że ​​porusza się stopiony stop żelaza z niklem, a ruchem naładowanych cząstek jest prąd elektryczny, który generuje pole magnetyczne. Problem w tym, że to teoria geodynamo) nie wyjaśnia, w jaki sposób pole jest utrzymywane na stałym poziomie.

Ziemia jest ogromnym dipolem magnetycznym. Bieguny magnetyczne nie pokrywają się z biegunami geograficznymi, chociaż znajdują się blisko siebie. Co więcej, bieguny magnetyczne Ziemi poruszają się. Ich wysiedlenia rejestrowane są od 1885 roku. Na przykład w ciągu ostatnich stu lat biegun magnetyczny na półkuli południowej przesunął się o prawie 900 kilometrów i obecnie znajduje się na Oceanie Południowym. Biegun półkuli arktycznej przemieszcza się przez Ocean Arktyczny w kierunku wschodnio-syberyjskiej anomalii magnetycznej, prędkość jego ruchu (według danych z 2004 r.) wynosiła około 60 kilometrów rocznie. Teraz następuje przyspieszenie ruchu biegunów - prędkość rośnie średnio o 3 kilometry rocznie.

Jakie znaczenie ma dla nas pole magnetyczne Ziemi? Po pierwsze, ziemskie pole magnetyczne chroni planetę przed promieniami kosmicznymi i wiatrem słonecznym. Naładowane cząstki z kosmosu nie spadają bezpośrednio na ziemię, ale są odchylane przez gigantyczny magnes i poruszają się wzdłuż jego linii siły. W ten sposób wszystkie żywe istoty są chronione przed szkodliwym promieniowaniem.

W historii Ziemi było ich kilka inwersje(zmiany) biegunów magnetycznych. Inwersja bieguna jest wtedy, gdy zmieniają miejsce. Ostatni raz zjawisko to miało miejsce około 800 tysięcy lat temu, a w historii Ziemi było ponad 400 odwróceń geomagnetycznych. Niektórzy naukowcy uważają, że biorąc pod uwagę obserwowane przyspieszenie ruchu biegunów magnetycznych, kolejne odwrócenie biegunów powinno nastąpić spodziewać się w ciągu najbliższych kilku tysięcy lat.

Na szczęście w naszym stuleciu nie należy spodziewać się odwrócenia biegunów. Możesz więc myśleć o przyjemnym i cieszyć się życiem w starym, dobrym stałym polu Ziemi, biorąc pod uwagę główne właściwości i cechy pola magnetycznego. A żebyście mogli to zrobić, są nasi autorzy, którym z pewnością można powierzyć część problemów edukacyjnych z wiarą w sukces! oraz inne rodzaje prac można zamówić pod linkiem.

Takie zjawisko jak magnetyzm jest znane ludzkości od bardzo dawna. Swoją nazwę zawdzięcza miastu Magnetia, które znajduje się w Azji Mniejszej. To właśnie tam odkryto ogromne ilości rudy żelaza. Pierwszą wzmiankę o unikatowości znajdziemy w dziełach Tytusa Lukrecjusza Cary, który pisał o tym w wierszu „O naturze rzeczy”, około I wieku p.n.e.

Już w starożytności ludzie wykorzystywali wyjątkowe właściwości rudy żelaza. Jednym z najpowszechniejszych urządzeń, którego działanie opierało się na przyciąganiu metali, był kompas. Obecnie bardzo trudno wyobrazić sobie różne gałęzie przemysłu, w których nie używano by prostych magnesów i elektromagnesów.

Pole magnetyczne Ziemi to obszar wokół planety, który chroni ją przed szkodliwym działaniem materiałów radioaktywnych.Naukowcy wciąż spierają się o pochodzenie tego pola. Jednak większość z nich uważa, że ​​powstał dzięki temu, że centrum naszej planety ma płynny składnik zewnętrzny i stały składnik wewnętrzny. Podczas obrotu porusza się płynna część jądra, poruszają się ubrane cząstki elektryczne i powstaje tzw. Pole magnetyczne.

Pole magnetyczne Ziemi nazywane jest także magnetosferą. Pojęcie „magnetyzmu” jest wszechstronną i globalną właściwością natury. W tej chwili niemożliwe jest stworzenie całkowicie gotowej teorii przyciągania Słońca i Ziemi, ale teraz nauka stara się wiele zrozumieć i udaje jej się dość przekonująco wyjaśnić różne aspekty tego złożonego zjawiska.

Ostatnio naukowcy i zwykli obywatele są w dużym stopniu zaniepokojeni faktem, że ziemskie pole magnetyczne stopniowo słabnie. Udowodniono naukowo, że w ciągu ostatnich 170 lat pole magnetyczne stale słabło. To zastanawia, ponieważ jest to rodzaj tarczy, która chroni Ziemię i dziką przyrodę przed strasznymi skutkami promieniowania promieni słonecznych. opiera się przepływowi wszystkich takich cząstek, które lecą w kierunku biegunów. Wszystkie te strumienie pozostają w górnych warstwach atmosfery na biegunach, tworząc piękne zjawisko – zorzę polarną.

Jeśli nagle pole magnetyczne Ziemi zniknie lub znacznie osłabnie, wówczas wszystko na planecie znajdzie się pod bezpośrednim wpływem promieniowania kosmicznego i słonecznego. To z kolei doprowadzi do chorób popromiennych i uszkodzeń wszystkich żywych organizmów. Konsekwencją takiej katastrofy będą straszliwe mutacje lub całkowita śmierć. Ku mojej wielkiej uldze taki rozwój wydarzeń jest mało prawdopodobny.

Paleomagnetolodzy byli w stanie dostarczyć dość wiarygodne dane, że pole magnetyczne stale się zmienia, a okres takich wahań jest inny. Zrobili także przybliżoną krzywą fluktuacji pola i odkryli, że w tej chwili pole jest w pozycji dolnej i będzie się zmniejszać przez kolejne kilka tysięcy lat. Potem będzie wzrastać ponownie przez 4 tysiące lat. Ostatnia maksymalna wartość przyciągania pola magnetycznego wystąpiła na początku obecnej ery. Przyczyny takiej niestabilności są przedstawiane na różne sposoby, ale nie ma na ten temat konkretnej teorii.

Od dawna wiadomo, że wiele pól magnetycznych ma negatywny wpływ na organizmy żywe. Na przykład eksperymenty na zwierzętach wykazały, że zewnętrzne pole magnetyczne może opóźniać rozwój, spowalniać wzrost komórek, a nawet zmieniać skład krwi. Dlatego prowadzą do pogorszenia stanu zdrowia osób zależnych od pogody.

Dla człowieka bezpieczne pole magnetyczne Ziemi to pole o wartości siły nie większej niż 700 oerstedów. Warto zauważyć, że nie mówimy o rzeczywistym polu magnetycznym Ziemi, ale o polach elektromagnetycznych, które powstają podczas pracy dowolnego urządzenia radiowego i elektrycznego.

Fizyczna strona procesu oddziaływania ziemskiego pola magnetycznego na człowieka wciąż nie jest do końca jasna. Udało nam się jednak dowiedzieć, że wpływa to na rośliny: kiełkowanie i dalszy wzrost nasion zależą bezpośrednio od ich początkowej orientacji względem pola magnetycznego. Co więcej, jego zmiana może przyspieszyć lub spowolnić rozwój rośliny. Niewykluczone, że kiedyś nieruchomość ta będzie wykorzystywana w rolnictwie.

Ziemia jest siłą przyciągania. W niektórych miejscach waha się, ale średnia wynosi 0,5 oersteda. W niektórych miejscach (w tzw. napięciu wzrasta do 2 Oe.

W 1905 roku Einstein nazwał przyczynę ziemskiego magnetyzmu jedną z pięciu głównych tajemnic współczesnej fizyki.

Również w 1905 roku francuski geofizyk Bernard Brunhes zmierzył magnetyzm plejstoceńskich złóż lawy w południowym departamencie Cantal. Wektor namagnesowania tych skał wynosił prawie 180 stopni z wektorem planetarnego pola magnetycznego (podobne wyniki uzyskał jego rodak P. David jeszcze rok wcześniej). Brunhes doszedł do wniosku, że trzy czwarte miliona lat temu, podczas wylewu lawy, kierunek linii pola geomagnetycznego był przeciwny do współczesnego. W ten sposób odkryto efekt inwersji (odwrócenia polaryzacji) ziemskiego pola magnetycznego. W drugiej połowie lat dwudziestych wnioski Brunhesa potwierdzili P. L. Mercanton i Monotori Matuyama, jednak idee te zostały uznane dopiero w połowie stulecia.

Obecnie wiemy, że pole geomagnetyczne istnieje od co najmniej 3,5 miliarda lat i w tym czasie bieguny magnetyczne zamieniały się miejscami tysiące razy (Brunhes i Matuyama badali ostatnie odwrócenie, które obecnie nosi ich imiona). Czasami pole geomagnetyczne zachowuje swoją orientację przez dziesiątki milionów lat, a czasami nie dłużej niż pięćset wieków. Sam proces odwracania trwa zwykle kilka tysiącleci, a po jego zakończeniu natężenie pola z reguły nie wraca do poprzedniej wartości, lecz zmienia się o kilka procent.

Mechanizm odwrócenia geomagnetycznego nie jest do końca jasny nawet dzisiaj, a nawet sto lat temu w ogóle nie pozwalał na rozsądne wyjaśnienie. Dlatego odkrycia Brunhesa i Davida tylko wzmocniły ocenę Einsteina - rzeczywiście ziemski magnetyzm był niezwykle tajemniczy i niezrozumiały. Ale do tego czasu badano go przez ponad trzysta lat, a w XIX wieku zajmowały się nim takie gwiazdy nauki europejskiej, jak wielki podróżnik Alexander von Humboldt, genialny matematyk Carl Friedrich Gauss i genialny fizyk eksperymentalny Wilhelm Weber. Zatem Einstein naprawdę przyjrzał się korzeniowi.

Jak myślisz, ile biegunów magnetycznych ma nasza planeta? Prawie każdy powie, że dwa są w Arktyce i Antarktydzie. Tak naprawdę odpowiedź zależy od definicji pojęcia słupa. Za bieguny geograficzne uważa się punkty przecięcia osi Ziemi z powierzchnią planety. Ponieważ Ziemia obraca się jako ciało sztywne, są tylko dwa takie punkty i nic więcej nie da się wymyślić. Ale w przypadku biegunów magnetycznych sytuacja jest znacznie bardziej skomplikowana. Na przykład biegun można uznać za mały obszar (najlepiej ponownie punkt), w którym linie sił magnetycznych są prostopadłe do powierzchni ziemi. Jednak każdy magnetometr rejestruje nie tylko planetarne pole magnetyczne, ale także pola lokalnych skał, prądy elektryczne jonosfery, cząstki wiatru słonecznego i inne dodatkowe źródła magnetyzmu (a ich średni udział nie jest tak mały, rzędu kilka procent). Im dokładniejsze urządzenie, tym lepiej to robi – dlatego coraz trudniej jest wyizolować prawdziwe pole geomagnetyczne (nazywane głównym), którego źródło znajduje się w głębi ziemi. Dlatego współrzędne bieguna wyznaczone w drodze bezpośredniego pomiaru nie są stabilne nawet przez krótki okres czasu.

Można postępować inaczej i ustalić położenie bieguna na podstawie pewnych modeli ziemskiego magnetyzmu. W pierwszym przybliżeniu naszą planetę można uznać za geocentryczny dipol magnetyczny, którego oś przechodzi przez jego środek. Obecnie kąt pomiędzy nim a osią Ziemi wynosi 10 stopni (kilkadziesiąt lat temu było to ponad 11 stopni). Przy dokładniejszym modelowaniu okazuje się, że oś dipola jest przesunięta od środka Ziemi w kierunku północno-zachodniego Pacyfiku o około 540 km (jest to dipol mimośrodowy). Istnieją również inne definicje.

Ale to nie wszystko. Ziemskie pole magnetyczne tak naprawdę nie ma symetrii dipolowej i dlatego ma wiele biegunów, i to w ogromnych ilościach. Jeśli uznamy Ziemię za kwadrupol magnetyczny, kwadrupol, będziemy musieli wprowadzić jeszcze dwa bieguny - w Malezji i w południowej części Oceanu Atlantyckiego. Model ośmiobiegunowy określa osiem biegunów itd. Najbardziej zaawansowane współczesne modele ziemskiego magnetyzmu operują aż 168 biegunami. Należy zauważyć, że podczas inwersji chwilowo zanika jedynie składowa dipolowa pola geomagnetycznego, natomiast pozostałe zmieniają się znacznie słabiej.

Bieguny są odwrócone

Wiele osób wie, że ogólnie przyjęte nazwy biegunów są dokładnie odwrotne. W Arktyce znajduje się biegun, na który wskazuje północny koniec igły magnetycznej, dlatego należy go uznać za południowy (bieguny o tej samej nazwie odpychają się, przeciwne przyciągają!). Podobnie północny biegun magnetyczny znajduje się na dużych szerokościach geograficznych półkuli południowej. Jednak tradycyjnie nazywamy bieguny według położenia geograficznego. Fizycy od dawna zgadzają się, że linie siły wychodzą z północnego bieguna każdego magnesu i kierują się na południe. Wynika z tego, że linie ziemskiego magnetyzmu opuszczają południowy biegun geomagnetyczny i kierują się na północ. Taka jest konwencja i nie warto jej łamać (czas przypomnieć sobie smutne przeżycia Panikowskiego!).

Biegun magnetyczny, jakkolwiek go zdefiniujesz, nie stoi w miejscu. Biegun północny dipola geocentrycznego w 2000 roku miał współrzędne 79,5 N i 71,6 W, a w 2010 - 80,0 N i 72,0 W. Prawdziwy biegun północny (ten, który ujawniają pomiary fizyczne) przesunął się od 2000 roku z 81,0 N i 109,7 W do 85,2 N i 127,1 W. Przez niemal cały XX wiek pokonywał nie więcej niż 10 km rocznie, jednak po 1980 roku nagle zaczął poruszać się znacznie szybciej. Na początku lat 90. jego prędkość przekraczała 15 km rocznie i nadal rośnie.

Lawrence Newitt, były szef laboratorium geomagnetycznego w Kanadyjskiej Służbie Geologicznej, powiedział Popular Mechanics, że prawdziwy biegun wędruje obecnie na północny zachód, pokonując 50 km rocznie. Jeśli wektor jego ruchu nie zmieni się przez kilka dziesięcioleci, to w połowie XXI wieku znajdzie się na Syberii. Według rekonstrukcji dokonanej kilka lat temu przez tego samego Newita, w XVII i XVIII wieku północny biegun magnetyczny przesunął się głównie na południowy wschód, a dopiero około 1860 roku skręcił na północny zachód. Prawdziwy południowy biegun magnetyczny od 300 lat przemieszcza się w tym samym kierunku, a jego średnie roczne przemieszczenie nie przekracza 10–15 km.

Skąd pochodzi pole magnetyczne Ziemi? Jedno z możliwych wyjaśnień jest po prostu uderzające. Ziemia ma wewnętrzny stały rdzeń żelazowo-niklowy, którego promień wynosi 1220 km. Skoro te metale są ferromagnetykami, dlaczego nie założyć, że rdzeń wewnętrzny ma namagnesowanie statyczne, które zapewnia istnienie pola geomagnetycznego? Wielobiegunowość ziemskiego magnetyzmu można przypisać asymetrii rozkładu domen magnetycznych wewnątrz rdzenia. Migrację biegunów i odwrócenie pola geomagnetycznego trudniej jest wyjaśnić, ale może można spróbować.

Jednak nic z tego nie wynika. Wszystkie ferromagnetyki pozostają ferromagnetykami (to znaczy zachowują spontaniczne namagnesowanie) dopiero poniżej pewnej temperatury - punktu Curie. Dla żelaza wynosi ona 768°C (dla niklu znacznie niżej), a temperatura wewnętrznego jądra Ziemi znacznie przekracza 5000 stopni. Dlatego musimy rozstać się z hipotezą o statycznym geomagnetyzmie. Możliwe jest jednak, że w kosmosie znajdują się chłodzone planety z rdzeniami ferromagnetycznymi.

Rozważmy inną możliwość. Nasza planeta posiada również płynne jądro zewnętrzne o grubości około 2300 km. Składa się ze stopu żelaza i niklu z domieszką lżejszych pierwiastków (siarki, węgla, tlenu i być może radioaktywnego potasu – nikt nie jest tego pewien). Temperatura dolnej części jądra zewnętrznego prawie pokrywa się z temperaturą jądra wewnętrznego, a w górnej strefie na granicy z płaszczem spada do 4400°C. Dlatego całkiem naturalne jest założenie, że w wyniku obrotu Ziemi powstają tam prądy kołowe, które mogą być przyczyną pojawienia się ziemskiego magnetyzmu.

dynamo konwekcyjne

„Aby wyjaśnić pojawienie się pola poloidalnego, należy wziąć pod uwagę pionowe przepływy materii w jądrze. Powstają w wyniku konwekcji: podgrzany stop żelaza i niklu wypływa z dolnej części rdzenia w kierunku płaszcza. Dżety te są skręcone przez siłę Coriolisa, podobnie jak prądy powietrza w cyklonach. Prądy wstępujące obracają się zgodnie z ruchem wskazówek zegara na półkuli północnej i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara na półkuli południowej, wyjaśnia profesor Uniwersytetu Kalifornijskiego Gary Glatzmayer. - Zbliżając się do płaszcza, substancja rdzenia ochładza się i rozpoczyna ruch wsteczny w głąb. Pola magnetyczne prądów wstępujących i opadających znoszą się wzajemnie i dlatego pole nie jest ustalane pionowo. Inaczej jest jednak w górnej części strumienia konwekcyjnego, gdzie tworzy on pętlę i przez krótki czas porusza się poziomo. Na półkuli północnej linie pola skierowane na zachód przed wzniesieniem konwekcyjnym obracają się o 90 stopni w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara i orientują się na północ. Na półkuli południowej skręcają ze wschodu w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara i również kierują się na północ. W rezultacie na obu półkulach generowane jest pole magnetyczne skierowane z południa na północ. Choć nie jest to bynajmniej jedyne możliwe wyjaśnienie występowania pola poloidalnego, uważa się je za najbardziej prawdopodobne.

To właśnie ten schemat był omawiany przez geofizyków około 80 lat temu. Uważali, że przepływy cieczy przewodzącej jądra zewnętrznego, dzięki swojej energii kinetycznej, generują prądy elektryczne otaczające oś Ziemi. Prądy te wytwarzają pole magnetyczne przeważnie typu dipolowego, którego linie sił na powierzchni Ziemi są wydłużone wzdłuż południków (takie pole nazywamy poloidalnym). Mechanizm ten związany jest z działaniem dynama, stąd jego nazwa.

Opisany schemat jest piękny i ilustracyjny, ale niestety jest błędny. Opiera się na założeniu, że ruch materii w jądrze zewnętrznym jest symetryczny względem osi Ziemi. Jednak w 1933 roku angielski matematyk Thomas Cowling udowodnił twierdzenie, zgodnie z którym żaden przepływ osiowosymetryczny nie może zapewnić istnienia długotrwałego pola geomagnetycznego. Nawet jeśli się pojawi, jego wiek będzie krótki, dziesiątki tysięcy razy krótszy niż wiek naszej planety. Potrzebujemy bardziej złożonego modelu.

„Nie wiemy dokładnie, kiedy powstał ziemski magnetyzm, ale mogło to nastąpić wkrótce po uformowaniu się płaszcza i jądra zewnętrznego” – mówi David Stevenson, jeden z czołowych ekspertów w dziedzinie magnetyzmu planetarnego, profesor w California Institute of Technology. - Do włączenia geodynama potrzebne jest zewnętrzne pole siewne, niekoniecznie mocne. Tę rolę mogłoby pełnić na przykład pole magnetyczne Słońca lub pola prądów generowanych w rdzeniu na skutek efektu termoelektrycznego. Ostatecznie nie jest to zbyt ważne, źródeł magnetyzmu było wystarczająco dużo. W obecności takiego pola i ruchu kołowego przepływu płynu przewodzącego wyzwolenie wewnątrzplanetarnego dynama stało się po prostu nieuniknione.”

Ochrona magnetyczna

Monitoring magnetyzmu ziemskiego prowadzony jest za pomocą rozbudowanej sieci obserwatoriów geomagnetycznych, których tworzenie rozpoczęło się w latach trzydziestych XIX wieku.

Do tych samych celów wykorzystuje się instrumenty okrętowe, lotnicze i kosmiczne (na przykład magnetometry skalarne i wektorowe duńskiego satelity Oersted, które działają od 1999 r.).

Natężenie pola geomagnetycznego waha się od około 20 000 nanotesli u wybrzeży Brazylii do 65 000 nanotesli w pobliżu południowego bieguna magnetycznego. Od 1800 r. jego składowa dipolowa zmniejszyła się o prawie 13% (a od połowy XVI w. o 20%), natomiast składowa kwadrupolowa nieznacznie wzrosła. Badania paleomagnetyczne pokazują, że przez kilka tysiącleci przed początkiem naszej ery natężenie pola geomagnetycznego uparcie rosło, a następnie zaczęło spadać. Niemniej jednak obecny moment dipolowy planety jest znacznie wyższy od jego średniej wartości z ostatnich stu pięćdziesięciu milionów lat (w 2010 roku opublikowano pomiary paleomagnetyczne wskazujące, że 3,5 miliarda lat temu ziemskie pole magnetyczne było dwukrotnie słabsze od obecnego) . Oznacza to, że cała historia społeczeństw ludzkich od powstania pierwszych państw do naszych czasów przypadała na lokalne maksimum ziemskiego pola magnetycznego. Warto zastanowić się, czy miało to wpływ na postęp cywilizacyjny. Takie założenie przestaje wydawać się fantastyczne, biorąc pod uwagę, że pole magnetyczne chroni biosferę przed promieniowaniem kosmicznym.

I tu jest kolejna okoliczność, na którą warto zwrócić uwagę. W młodości, a nawet w okresie dojrzewania naszej planety, cała substancja jej jądra znajdowała się w fazie ciekłej. Stały rdzeń wewnętrzny powstał stosunkowo niedawno, być może zaledwie miliard lat temu. Kiedy to nastąpiło, prądy konwekcyjne stały się bardziej uporządkowane, co spowodowało bardziej stabilną pracę geodynama. Z tego powodu pole geomagnetyczne zyskało na wielkości i stabilności. Można przypuszczać, że okoliczność ta korzystnie wpłynęła na ewolucję organizmów żywych. W szczególności wzrost geomagnetyzmu poprawił ochronę biosfery przed promieniowaniem kosmicznym, a tym samym ułatwił pojawienie się życia z oceanu na ląd.

Oto ogólnie przyjęte wyjaśnienie takiego uruchomienia. Niech dla uproszczenia pole nasion będzie prawie równoległe do osi obrotu Ziemi (właściwie wystarczy, jeśli ma w tym kierunku niezerową składową, co jest prawie nieuniknione). Prędkość obrotu substancji jądra zewnętrznego maleje wraz ze zmniejszaniem się głębokości, a ze względu na jego wysoką przewodność elektryczną linie pola magnetycznego poruszają się wraz z nim - jak mówią fizycy, pole jest „zamrażane” w ośrodku. Dlatego linie sił pola siewnego będą się wyginać, przesuwając się do przodu na większych głębokościach i pozostając w tyle na płytszych. W końcu rozciągną się i odkształcą tak bardzo, że utworzą pole toroidalne, czyli okrągłe pętle magnetyczne, które owijają się wokół osi Ziemi i są skierowane w przeciwne strony na półkuli północnej i południowej. Mechanizm ten nazywany jest efektem w.

Według profesora Stevensona bardzo ważne jest zrozumienie, że pole toroidalne jądra zewnętrznego powstało w wyniku poloidalnego pola zarodkowego i z kolei dało początek nowemu polu poloidalnemu obserwowanemu na powierzchni Ziemi: „Obydwa typy geodynama planetarnego pola są ze sobą powiązane i nie mogą istnieć bez siebie”.

15 lat temu Gary Glatzmaier wraz z Paulem Robertsem opublikowali bardzo piękny model komputerowy pola geomagnetycznego: „W zasadzie do wyjaśnienia geomagnetyzmu od dawna istnieje odpowiedni aparat matematyczny - równania magnetohydrodynamiki plus równania opisujące siłę grawitacja i przepływ ciepła wewnątrz jądra Ziemi. Modele oparte na tych równaniach są w swojej pierwotnej formie bardzo złożone, jednakże można je uprościć i zaadaptować do obliczeń komputerowych. To jest dokładnie to, co Roberts i ja zrobiliśmy. Praca na superkomputerze umożliwiła skonstruowanie spójnego opisu długoterminowej ewolucji prędkości, temperatury i ciśnienia przepływów materii w jądrze zewnętrznym oraz ewolucji powiązanych z nimi pól magnetycznych. Odkryliśmy również, że jeśli przeprowadzimy symulację w odstępach czasu rzędu dziesiątek i setek tysięcy lat, nieuchronnie nastąpi odwrócenie pola geomagnetycznego. Pod tym względem nasz model całkiem nieźle radzi sobie z przedstawianiem historii magnetycznej planety. Istnieje jednak problem, który nie został jeszcze rozwiązany. Parametry substancji rdzenia zewnętrznego uwzględniane w takich modelach są w dalszym ciągu zbyt odległe od warunków rzeczywistych. Na przykład musieliśmy zaakceptować, że jego lepkość jest bardzo duża, w przeciwnym razie zasoby najpotężniejszych superkomputerów nie wystarczą. W rzeczywistości tak nie jest, istnieją podstawy, aby sądzić, że prawie pokrywa się to z lepkością wody. Nasze obecne modele nie są w stanie uwzględnić turbulencji, które niewątpliwie mają miejsce. Ale komputery z roku na rok nabierają rozpędu, a za dziesięć lat symulacje będą znacznie bardziej realistyczne.

„Praca geodynama nieuchronnie wiąże się z chaotycznymi zmianami przepływów stopionego żelaza i niklu, które przekształcają się w wahania pola magnetycznego” – dodaje profesor Stevenson. - Inwersje magnetyzmu ziemskiego to po prostu najsilniejsze możliwe fluktuacje. Ponieważ mają one charakter stochastyczny, trudno je przewidzieć z wyprzedzeniem – w każdym razie nie możemy.

Ziemskie pole magnetyczne jest formacją wytwarzaną przez źródła znajdujące się na planecie. Jest przedmiotem badań odpowiedniej sekcji geofizyki. Następnie przyjrzyjmy się bliżej, czym jest pole magnetyczne Ziemi i jak ono powstaje.

informacje ogólne

Niedaleko powierzchni Ziemi, w przybliżeniu w odległości trzech jej promieni, linie siły pola magnetycznego układają się w układ „dwóch ładunków polarnych”. Oto obszar zwany „sferą plazmową”. Wraz z odległością od powierzchni planety wzrasta wpływ przepływu zjonizowanych cząstek z korony słonecznej. Prowadzi to do kompresji magnetosfery od strony Słońca i odwrotnie, ziemskie pole magnetyczne jest wyciągane z przeciwnej, zacienionej strony.

kula plazmowa

Wymierny wpływ na powierzchniowe pole magnetyczne Ziemi wywiera ukierunkowany ruch naładowanych cząstek w górnych warstwach atmosfery (jonosferze). Lokalizacja tego ostatniego wynosi sto kilometrów i więcej od powierzchni planety. Ziemskie pole magnetyczne utrzymuje plazmosferę. Jednak jego struktura jest silnie uzależniona od aktywności wiatru słonecznego i jego interakcji z warstwą oporową. A częstotliwość burz magnetycznych na naszej planecie wynika z rozbłysków słonecznych.

Terminologia

Istnieje koncepcja „osi magnetycznej Ziemi”. Jest to linia prosta przechodząca przez odpowiednie bieguny planety. „Równik magnetyczny” to okrąg wielki płaszczyzny prostopadłej do tej osi. Wektor na nim ma kierunek zbliżony do poziomego. Średnie natężenie pola magnetycznego Ziemi jest w istotny sposób zależne od położenia geograficznego. Jest w przybliżeniu równy 0,5 Oe, czyli 40 A / m. Na równiku magnetycznym ten sam wskaźnik wynosi około 0,34 Oe, a w pobliżu biegunów jest bliski 0,66 Oe.W niektórych anomaliach planety, na przykład w obrębie anomalii Kurska, wskaźnik wzrasta i wynosi 2 Oe. Pole linie magnetosfery Ziemi o złożonej strukturze, rzutowane na jej powierzchnię i zbiegające się na jej własnych biegunach, nazywane są „południkami magnetycznymi”.

Charakter wystąpienia. Założenia i domysły

Nie tak dawno temu założenie o związku pomiędzy powstaniem ziemskiej magnetosfery a przepływem prądu w rdzeniu ciekłego metalu, znajdującym się w odległości jednej czwartej lub jednej trzeciej promienia naszej planety, zyskało prawo do istnienia. Naukowcy mają przypuszczenie o tzw. „prądach tellurycznych” przepływających w pobliżu skorupy ziemskiej. Trzeba powiedzieć, że z biegiem czasu następuje transformacja formacji. Pole magnetyczne Ziemi zmieniało się wielokrotnie w ciągu ostatnich stu osiemdziesięciu lat. Jest to utrwalone w skorupie oceanicznej, czego dowodem są badania magnetyzacji resztkowej. Porównując odcinki po obu stronach grzbietów oceanicznych, określa się czas rozbieżności tych odcinków.

Przesunięcie bieguna magnetycznego Ziemi

Położenie tych części planety nie jest stałe. Fakt ich przesiedleń odnotowywany jest od końca XIX wieku. Na półkuli południowej biegun magnetyczny przesunął się w tym czasie o 900 km i znalazł się na Oceanie Indyjskim. Podobne procesy zachodzą w części północnej. Tutaj biegun przesuwa się w stronę anomalii magnetycznej we wschodniej Syberii. Od 1973 do 1994 roku odległość, jaką przebył tu odcinek, wynosiła 270 km. Te wstępnie obliczone dane zostały później potwierdzone pomiarami. Według najnowszych danych prędkość bieguna magnetycznego półkuli północnej znacznie wzrosła. Wzrosła z 10 km/rok w latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku do 60 km/rok na początku tego stulecia. Jednocześnie siła pola magnetycznego Ziemi maleje nierównomiernie. Tak więc w ciągu ostatnich 22 lat w niektórych miejscach spadło o 1,7%, a gdzieś o 10%, choć są też obszary, w których wręcz przeciwnie, wzrosło. Przyspieszenie przemieszczania się biegunów magnetycznych (o około 3 km rocznie) pozwala przypuszczać, że obserwowany dziś ich ruch nie jest wycieczką, lecz kolejną inwersją.

Pośrednio potwierdza to wzrost tzw. „przerw polarnych” na południu i północy magnetosfery. Zjonizowany materiał korony słonecznej i przestrzeni kosmicznej szybko przenika do powstałych przedłużeń. Z tego powodu coraz większa ilość energii jest gromadzona w subpolarnych obszarach Ziemi, co samo w sobie jest obarczone dodatkowym ogrzewaniem polarnych czap lodowych.

Współrzędne

Nauka badająca promienie kosmiczne wykorzystuje współrzędne pola geomagnetycznego, nazwanego na cześć naukowca McIlwaina. Jako pierwszy zasugerował ich zastosowanie, gdyż opierają się one na zmodyfikowanych wariantach działania naładowanych pierwiastków w polu magnetycznym. Dla punktu używane są dwie współrzędne (L, B). Charakteryzują one powłokę magnetyczną (parametr McIlwaina) oraz indukcję pola L. Ta ostatnia jest parametrem równym stosunkowi średniej odległości kuli od środka planety do jej promienia.

„Nachylenie magnetyczne”

Kilka tysięcy lat temu Chińczycy dokonali niesamowitego odkrycia. Odkryli, że namagnesowane przedmioty można umieszczać w określonym kierunku. A w połowie XVI wieku niemiecki naukowiec Georg Cartmann dokonał kolejnego odkrycia w tej dziedzinie. Tak pojawiło się pojęcie „nachylenia magnetycznego”. Nazwa ta oznacza kąt odchylenia strzałki w górę lub w dół od płaszczyzny poziomej pod wpływem magnetosfery planety.

Z historii badań

W rejonie północnego równika magnetycznego, różniącego się od geograficznego, północny kraniec opada, a na południu wręcz przeciwnie – wznosi się. W 1600 roku angielski lekarz William Gilbert po raz pierwszy poczynił założenia dotyczące obecności ziemskiego pola magnetycznego, powodującego określone zachowanie wstępnie namagnesowanych obiektów. W swojej książce opisał eksperyment z kulą wyposażoną w żelazną strzałę. W wyniku badań doszedł do wniosku, że Ziemia jest dużym magnesem. Eksperymenty przeprowadził także angielski astronom Henry Gellibrant. W wyniku swoich obserwacji doszedł do wniosku, że pole magnetyczne Ziemi podlega powolnym zmianom.

José de Acosta opisał możliwość korzystania z kompasu. Ustalił także różnicę między biegunem magnetycznym a biegunem północnym, a w swojej słynnej Historii (1590) uzasadnił teorię linii bez odchylenia magnetycznego. Znaczący wkład w badanie omawianego zagadnienia wniósł także Krzysztof Kolumb. Jest właścicielem odkrycia niespójności deklinacji magnetycznej. Przekształcenia uzależniamy od zmian współrzędnych geograficznych. Deklinacja magnetyczna to kąt odchylenia strzałki od kierunku północ-południe. W związku z odkryciem Kolumba zintensyfikowano badania. Informacje o tym, czym jest pole magnetyczne Ziemi, były niezwykle potrzebne nawigatorom. Nad tym problemem pracował także M. V. Łomonosow. Do badania magnetyzmu ziemskiego zalecił prowadzenie systematycznych obserwacji z wykorzystaniem do tego stałych punktów (takich jak obserwatoria). Według Łomonosowa bardzo ważne było również przeprowadzenie tego na morzu. Ten pomysł wielkiego naukowca został zrealizowany w Rosji sześćdziesiąt lat później. Odkrycie bieguna magnetycznego na archipelagu kanadyjskim należy do angielskiego polarnika Johna Rossa (1831). A w 1841 roku odkrył także drugi biegun planety, ale już na Antarktydzie. Hipotezę dotyczącą pochodzenia ziemskiego pola magnetycznego wysunął Carl Gauss. Wkrótce udowodnił także, że jego większość zasilana jest ze źródła znajdującego się wewnątrz planety, jednak przyczyną niewielkich odchyleń jest środowisko zewnętrzne.