Работает магнитное поле земли. Что такое магнитное поле Земли? Магнитное поле: интересный факт

Библиографическое описание: Коробко П. И., Фролова В. М., Лобанов И. А., Титова Н. А., Паньшина С. Г., Паньшин Е. А. Использование магнитного поля Земли в решении проблем районов Крайнего Севера // Юный ученый. 2016. №5. С. 62-68..06.2019).

Для большинства территорий Крайнего Севера единственный возможный способ транспортного сообщения - это самолет. Морское сообщение в сезон летней навигации используется только для доставки грузов. Пассажирское сообщение отсутствует по причине большой протяженности морских трасс. Железнодорожного и автомобильного сообщения с «большой землей» в принципе нет.

Другой очень острой проблемой районов Крайнего Севера является энергетика. Если в других более теплых регионах страны энергетические проблемы успешно решаются эксплуатацией гидроэлектростанций, то в районах, прилегающих к побережью Северного Ледовитого океана подобный вариант теряет свои преимущества (из-за замерзания зимой рек), а местами неосуществим из-за слишком малого перепада высот (необходимого для деятельности гидростанции).

Строительство электростанций на органическом топливе в условиях полярного климата и вечной мерзлоты экономически неоправданно, слишком долог срок их окупаемости, кроме того месторождения нефти и газа могут находится на значительном удалении от мест, где требуется электроэнергия. Таким образом, во многие прибрежные районы топливо завозится морем.

Очевидно, что зависимость района от периодических поставок топлива и от нерегулярного пассажирского и грузового сообщения не может позволить регионам развиваться в полную силу. В рамках данной статьи предлагается техническое решение для транспортного сообщения между населенными пунктами Салехард - Анадырь, а также способы получения энергии непосредственно в нуждающихся областях, что позволит открыть новые перспективы развития объектов, расположенных на Крайнем Севере.

Характеристики, которым должно отвечать разрабатываемое средство передвижения:

– использование возобновляемых, безопасных, экологическая чистых и обладающие большим потенциалом источников энергии. При этом следует отдавать предпочтение более дорогостоящему, но работающему на основе возобновляемых ресурсов и экологически чистому источнику энергии;

– использование новейших технологий и инновационных решений.

Для реализации данного проекта нами проведены следующие исследования:

– анализ географических и климатических особенностей территорий, по которым должен пролегать маршрут «Анадырь - Салехард»;

– анализ используемого транспорта на территории предполагаемого маршрута;

– поиск возможных для использования возобновляемых источников энергии.

Прежде чем приступить к разработке технического решения для транспортного сообщения между населенными пунктами Салехард - Анадырь, мы провели анализ географических и климатических особенностей территорий, по которым должен пролегать маршрут «Анадырь - Салехард». Кратко можно сказать, что города Анадырь и Салехард находятся примерно на одной географической широте. Вероятный маршрут пролегает через полярную зону с субарктическим климатом. Эта территория входит в зону полярных сияний. Небольшой приток солнечной радиации, равнинный рельеф, открытый для вторжения воздушных масс с Арктики в летнее время и переохлажденных континентальных масс зимой, определяют резкую континентальность и суровость климата.

Многолетняя мерзлота, обилие болот, озер и рек. Длительная зима, короткое прохладное лето, сильные ветры, незначительная мощность снежного покрова - все это способствует промерзанию почвы на большую глубину.

Проведенный анализ транспорта, используемого на территории предполагаемого маршрута показал, что из-за неустойчивой погоды имеющую склонность к дождям, снегопадам и сильному ветру рейсы самолетов могут задерживаться или совсем отменяться. Весной и осенью в определенные промежутки самолеты не летают совсем. Существующее морское сообщение в сезон летней навигации используется только для доставки грузов. Пассажирское сообщение отсутствует по причине большой протяженности морских трасс. Железнодорожного и автомобильного сообщения с «большой землей» в принципе нет.

Нашей группой был проведен анализ новейших достижений науки и техники в области транспорта и использования новых видов энергии, которые можно будет использовать для воплощения проекта.

Совсем недавно, в конце прошлого столетия (1986 г) был открыт новый вид сверхпроводников, которые не нуждались в условиях очень низких температур на тот момент известные сверхпроводники - ртуть и свинец обретали свойства сверхпроводимости при температурах до -270°С. В настоящее время керамические проводники приобретают свойства сверхпроводимости при температуре от -191°С до -183°С. Эту температуру можно поддерживать при помощи жидкого азота (он образуется при температуре -195,75°С). Это открытие резко снизило стоимость сверхпроводников.

Это открытие позволит создавать мощные супермагниты, удерживающие в воздухе транспортные средства наподобие поезда.

Для того, чтобы привести в движение поезд на магнитной подушке достаточно струи сжатого воздуха для преодоления силы сопротивления воздуха .

Но для использования жидкого азота необходимо холодильное оборудование. А для работы холодильного оборудования необходим источник энергии. Где его взять в тундре? Необходим источник энергии.

Поиск источников энергии.

При рассмотрении климатических и географических особенностей территории предполагаемого маршрута мы выяснили, что маршрут находится в зоне полярных сияний.

Полярное сияние - самое грандиозное явление, которое человек может наблюдать на Земле. Но полярное сияние не только грандиозное и красивое зрелище. Оно является единственным проявлением воздействия солнечной радиации на околоземное космическое пространство и земную атмосферу, которое можно увидеть невооруженным глазом.

Полярное сияние - это свечение земной атмосферы под воздействием потоков солнечных частиц, которые вторгаются в атмосферу.

Солнечные потоки подходя к Земле, обтекают ее, так как Земля защищена от этих частиц собственным магнитным полем. Однако конфигурация магнитного поля Земли такова, что часть этих частиц проникает внутрь магнитосферы, а из нее в верхнюю атмосферу. Обладая большим количеством энергии и проникая в атмосферу Земли эти частицы сталкиваясь с атомами и молекулами верхней атмосферы вызывают ее свечение.

Полярное сияние можно сравнить с Жар-птицей из народных преданий и сказок. Оказывается, наши ученые уже придумали как поймать эту Жар-птицу за хвост. И если в этом проекте мы используем это, то мы дадим жизнь уникальному изобретению российского физика Данилкина Н. П. («Институт прикладной геофизики имени академика Е. К. Федорова». Им был изобретен уникальный метод получения электрической энергии из верхних слоев атмосферы в зоне полярных сияний, называемой ионосферой .

Суть метода в следующем.

Предполагается использовать возможность извлечения электрической энергии из ионосферы, где протекают токи на высотах более 100 км над поверхностью Земли. Такая электростанция должна располагаться на поверхности Земли и будет черпать энергию из околоземного космического пространства, используя преобразование электромагнитной энергии, являющейся следствием работы сил планетарного характера, в электрический ток технического назначения.

Оказывается, что основная «перекачка» энергии по цепочке солнечно-земных связей происходит в результате солнечных вспышек, которые сопровождаются магнитными бурями. Однако в зоне полярных сияний и в спокойном состоянии, а тем более в периоды магнитных бурь, напряженность магнитного поля на поверхности Земли претерпевает непрерывные изменения.

Поэтому, если на поверхности Земли расположить однопроводный контур, то в таком контуре в период изменения напряженности магнитного поля в соответствии законами физики возникает электродвижущая сила, вызывающая электрический ток.

Суммарная мощность токов, постоянно текущих в ионосфере Земли, значительно превышает потребности человечества. Если технологически грамотно научиться подсоединяться к этим токам, то весь процесс окажется экологически чистым и безопасным.

Для того чтобы увеличить мощность такой электростанции, параллельно этому контуру можно подключить необходимое количество контуров.

Имеется еще путь уменьшения электрического сопротивления контура за счет использования явления сверхпроводимости.

Конечно же прежде чем строить электростанции и прокладывать путепровод для поезда на магнитной подушке необходимо провести множество серьёзных расчетов, экспериментов и опытно-конструкторских работ. Несмотря на это уже существуют факты, доказывающие технологическую возможность и потенциал такой электростанции. Например, это хорошо иллюстрируется событиями, случившимися в провинции Квебек (Канада) 13–14 марта 1989 г. . В это время после мощной вспышки на Солнце и прохождения большого заряда энергии по цепочке процессов на линии «Солнце–Земля» характеристики поля электромагнитной индукции в данной зоне оказались расположенными таким образом, что в высоковольтных линиях электропередачи возникли сильные индукционные токи. При этом мощность этих токов оказалась такова, что предохранители отключили 40 % мощности всей энергосистемы «Гидро-Квебек», что составило 9 ГВт. Отметим, что эти мощные индукционные токи возникли в системе, не ориентированной на их получение!

Другое известное событие произошло 1–2 сентября 1859 года. Это была мощнейшая за историю наблюдений геомагнитная буря. Комплекс событий, включающий в себя как геомагнитную бурю, так и вызвавшие её мощные активные явления на Солнце, иногда называют «Событием Кэррингтона»

С 28 августа по 2 сентября на Солнце наблюдались многочисленные пятна и вспышки. Сразу после полудня 1 сентября британский астроном Ричард Кэррингтон наблюдал наибольшую вспышку, которая вызвала крупный выброс массы солнечной радиации. Он устремился к Земле и достиг её через 18 часов, что очень быстро, так как это расстояние обычно проходится выбросом за 3–4 дня. Выброс двигался так быстро потому, что предыдущие выбросы расчистили ему путь. Началась крупнейшая за всю историю регистрации геомагнитная буря, вызвавшая отказ телеграфных систем по всей Европе и Северной Америке. Северные сияния наблюдались по всему миру, даже над Карибами;

В результате 1 и 2 сентября 1859 года отказала вся телеграфная система в Северной Америке и по всей Европе: искрили линии передач, спонтанно возгоралась телеграфная бумага, а некоторые устройства, например телеграф, невозмутимо продолжали свою работу, будучи уже отключенными от источника питания.

Из расчетов российского физика Данилкина Н. П. (Институт прикладной геофизики им. академика Е. К. Федорова) можно сделать два вывода:

– предложенный метод способен извлечь из ионосферы достаточную для промышленных целей электроэнергию;

– ионосфера и магнитосфера обладают достаточным для указанных целей запасом энергии.

Главными недостатками данного способа получения энергии на уровне современной технологии являются весьма внушительные размеры работающего контура и очевидная дороговизна его создания. Однако достоинства метода могут превысить эти недостатки, особенно, если будут открыты новые удобные для решения данной задачи материалы.

К числу преимуществ этой электростанции следует отнести:

– такая станция, будучи однажды построенной, не будет изнашиваться и теоретически будет функционировать столько, сколько светит Солнце и работает цепочка связей «Солнце - Земля»;

– технологический процесс извлечения энергии из ионосферы оказывается экологически чистым и безопасным, и даже теоретической возможности вызвать катастрофу не существует.

Вывод.

Экспериментальное подтверждение разрабатываемого проекта в лабораторных условиях .

Для того чтобы получить экспериментальное подтверждение идее получения электричества из ионосферы достаточно проделать опыт, демонстрируемый в школьном курсе физики.

Проделав этот опыт, мы рассмотрели, что представляет собой явление электромагнитной индукции. Для опыта нам понадобился гальванометр, постоянный магнит и катушка с намотанной на нее проволокой. Концы проволоки соединили с катушкой. Когда мы вдвигали внутрь катушки постоянный магнит, гальванометр отклонялся. Это означает, что в цепи возник электрический ток.

Так как никакого источника тока у нас в цепи нет, то логично предположить, что ток возникает вследствие появления магнитного поля внутри катушки. Когда мы будем вытаскивать магнит обратно из катушки, мы увидим, что снова изменятся показания гальванометра, но его стрелка при этом отклонится в противоположную сторону. Мы опять получили ток, но уже направленный в другую сторону.

Рис. .1 Явление электромагнитной индукции

После этого мы проделали похожий опыт с теми же элементами, только при этом зафиксировали магнит неподвижно. Теперь мы снимали и надевали на магнит саму катушку, подсоединенную к гальванометру. В результате мы получили аналогичные события. Отклоняясь, стрелка гальванометра показывала нам появление тока в цепи. При этом, когда магнит был неподвижен, тока в цепи не было - стрелка стояла на ноле.

Рис. 2. Проведение эксперимента проекта в лабораторных условиях

Катушку можно заменить проводящим контуром и проделать опыты по перемещению и вращению самого контура в постоянном магнитном поле, либо же магнита внутри неподвижного контура. Результаты будут те же - появление тока в цепи при движении магнита или контура.

Таким образом, проведенный эксперимент позволяет сделать вывод:

При всяком изменении магнитного потока, пронизывающего контур замкнутого проводника, возникает электрический ток в этом проводнике. При этом электрический ток существует в течение всего процесса изменения магнитного потока.

Этот же принцип используется и в методе получения электроэнергии из ионосферы. Наша планета Земля - это огромный магнит, обладающий постоянным магнитным полем. Вследствие воздействия на нашу планету солнечной радиации магнитное поле Земли претерпевает постоянные изменения. Особенно большие значения вариаций магнитного поля наблюдаются в зоне полярных сияний. Там часто можно наблюдать магнитные бури и суббури.

Описание технического решения.

После проведения запланированных исследований подготовлено следующее решение:

Транспорт, соединяющий два региона в условиях Крайнего Севера должен представлять из себя комфортабельный поезд на магнитной подушке с использование сверхпроводников последнего поколения. В случае, если не получится практически воплотить идею использования сверхпроводников, использовать свойство отталкивание одноименных полюсов магнитов.

Рис. 3. Схема проекта

1) Энергию, необходимую для питания путепровода и поезда на магнитной подушке получать с помощью метода получения электроэнергии из ионосферы. Кроме того, по всему маршруту можно расставить мощные ветрогенераторы и использовать энергию сильных ветров в этих местах.

2) Если платформу, от которой должен отправляться поезд установить на высоте 400 метров, и потом дорогу, по которой будет скользить поезд на магнитной подушке проложить под уклон, то к моменту достижения уровня Земли поезд будет иметь скорость около 310 км/ч. Приближаясь к станции назначения дорога, по которой движется поезд, медленно начнет подниматься до 400 м. И в пункте прибытия поезд остановится. Если же ему не хватит скорости на каком-либо участке, с помощью струи сжатого воздуха поезду будет сообщена необходимая скорость.

Рис. 4. Схема платформы отправления и прибытия

План выполнения предполагаемого проекта.

Для реализации проекта необходимо:

1) Проведение научно-исследовательской работы по разработке транспорта на магнитной подушке с использованием электрической энергии, получаемой из верхних слоев атмосферы в зоне полярных сияний, называемой ионосферой (срок выполнения работ по оценке специалистов 2–3 года);

2) Проведение опытно-конструкторской работы по созданию транспорта на магнитной подушке с использованием электрической энергии, получаемой из верхних слоев атмосферы в зоне полярных сияний, называемой ионосферой. Результат работы: опытный образец участка дороги с поездом на магнитной подушке с использованием электроэнергии, получаемой из верхних слоев атмосферы в зоне полярных сияний, называемой ионосферой (срок выполнения работ по оценке специалистов 5–7 лет).

– реализация проекта на участке Анадырь-Салехард. (срок выполнения работ по оценке специалистов 25–30 лет).

Оценка эффективности и результативности.

Вывод

На Земле имеется альтернативный, экологически чистый и возобновляемый источник планетарной электромагнитной энергии, непрерывно пополняемый процессами, берущими начало на Солнце и приходящими к Земле по цепочке солнечно-земных связей. Современный технологический уровень позволяет использовать эту энергию.

Недостатки проекта

– внушительные размеры

– дороговизна его создания.

Преимущества проекта:

– износостойкость электростанции;

– неисчерпаемый источник энергии (Солнце);

– экологичность;

– рентабельность, за счет бесплатной электроэнергии;

– имея такой источник электроэнергии можно развивать инфраструктуру на всей территории, где пролегает путепровод для поезда.

– перспектива освоения новых территорий.

Литература:

Каку М. Физика будущего. Перевод с английского. Москва 2014 г.;
Данилкин Н. П. «О возможности получения электрической энергии из ионосферы» «Электричество». 1996, № 4, с. 71–75;
Дмитриев А. Н., Шитов А. В., Техногенное воздействие на природные процессы Земли. Горно-Алтайск, 2001 с. 9;
Dokumentika.org[Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://dokumentika.org/zemli/solnechnaya-burya-1859-goda.

100 великих тайн Земли Волков Александр Викторович

Как возникает магнитное поле Земли?

Если бы у Земли не было магнитного поля, то и сама она, и мир живых организмов, населяющих ее, выглядели бы совсем иначе. Магнитосфера, словно громадный защитный экран, оберегает планету от космического излучения, которое беспрерывно обрушивается на нее. О мощности потока заряженных частиц, исходящего не только от Солнца, но и от других небесных тел, можно судить по тому, как деформировано магнитное поле Земли. Например, под напором солнечного ветра силовые линии поля с той его стороны, что обращена к Солнцу, прижаты к Земле, а с противоположной стороны развеваются, словно кометный хвост. Как показывают наблюдения, магнитосфера простирается на 70-80 тысяч километров в сторону Солнца и на многие миллионы километров в противоположном от него направлении.

Надежнее всего этот экран выполняет свои функции там, где он менее всего деформирован, где он располагается параллельно поверхности Земли или слегка наклонен к ней: в районе экватора или в умеренных широтах. А вот ближе к полюсам в нем обнаруживаются изъяны. Космическое излучение проникает к поверхности Земли и, сталкиваясь в ионосфере с заряженными частицами (ионами) воздушной оболочки, порождает красочный эффект – сполохи полярного сияния. Если бы этого экрана не было, космическая радиация беспрерывно бы проникала к поверхности планеты и вызывала мутации генетического наследия живых организмов. Лабораторные эксперименты показывают также, что отсутствие земного магнетизма отрицательно сказывается на формировании и росте живых тканей.

Загадки магнитного поля Земли тесно связаны с его происхождением. Наша планета вовсе не напоминает собой стержневой магнит. Ее магнитное поле устроено гораздо сложнее. Есть разные теории, объясняющие, почему Земля обладает этим полем. Ведь для того, чтобы оно существовало, необходимо, чтобы было выполнено одно из двух условий: либо внутри планеты располагается громадный «магнит» – некое намагниченное тело (долгое время ученые так и считали), либо там протекает электрический ток.

В последнее время наиболее популярна теория земной «динамо-машины». Еще в середине 1940-х годов ее предложил советский физик Я.И. Френкель. На 90 с лишним процентов магнитное поле Земли генерируется за счет работы этой «динамо-машины». Оставшуюся его часть создают намагниченные минералы, содержащиеся в земной коре.

Компьютерная модель магнитного поля Земли

Как же возникает магнитное поле Земли? На расстоянии примерно 2900 километров от ее поверхности начинается земное ядро – та область планеты, до которой никогда не удастся добраться исследователям. Ядро состоит из двух частей: твердого внутреннего ядра, спрессованного под давлением 2 миллиона атмосфер и содержащего в основном железо, а также расплавленной внешней части, которая ведет себя очень хаотично. Этот расплав железа и никеля постоянно пребывает в движении. Магнитное поле и создается за счет конвективных потоков во внешнем ядре. Эти потоки поддерживаются благодаря заметному перепаду температур между твердым внутренним ядром и мантией Земли.

Внутренняя часть ядра вращается быстрее внешней и играет роль ротора – вращающейся части электрогенератора, в то время как внешняя – роль статора (его неподвижной части). В расплавленном веществе внешнего ядра возбуждается электрический ток, который, в свою очередь, порождает мощное магнитное поле. Это и есть принцип динамо-машины. Иными словами, земное ядро представляет собой громадный электромагнит. Силовые линии созданного им магнитного поля начинаются в районе одного полюса Земли и заканчиваются в районе другого полюса. Форма и интенсивность этих линий варьируются.

Зародилось же магнитное поле Земли, как полагают ученые, еще в ту пору, когда только шло формирование планеты. Возможно, решающую роль сыграло Солнце. Оно запустило эту природную «динамо-машину», которая продолжает свою работу и теперь.

Ядро окружено мантией. Ее нижние слои находятся под большим давлением и разогреты до очень высоких температур. На границе, разделяющей мантию и ядро, протекают интенсивные процессы теплообмена. Перенос тепла играет ключевую роль. К более холодной мантии притекает тепло из раскаленного ядра Земли, и это сказывается на конвективных потоках в самом ядре, меняет их.

В зонах субдукции, например, участки морского дна опускаются в глубь Земли, почти достигая границы, разделяющей мантию и ядро. Эти куски литосферных плит, «отправленные» на переплавку в недра планеты, заметно холоднее той части мантии, где оказались. Они охлаждают окружающие их области мантии, и сюда начинает перетекать тепло со стороны ядра Земли. Процесс этот очень длительный. Расчеты показывают, что порой лишь по прошествии сотен миллионов лет температура охлажденных областей мантии выравнивается.

В свою очередь, раскаленное вещество, поднимаясь в виде громадных струй от границы, разделяющей мантию и ядро, достигает поверхности планеты. Этот круговорот вещества, эти сложные процессы перетекания вверх-вниз, на «лифте Земли» то раскаленного, то очень холодного вещества, несомненно, влияют на работу природной «динамо-машины». Рано или поздно она сбивается с привычного ритма, и тогда создаваемое ею магнитное поле начинает меняться. Компьютерные модели показывают, что время от времени все может кончиться сменой магнитных полюсов.

В этой смене полюсов нет ничего необычного. В истории нашей планеты такое происходило часто. Однако были эпохи, когда смена полюсов прекращалась. Например, в меловом периоде они не менялись местами на протяжении почти 40 миллионов лет.

Пытаясь объяснить этот феномен, французские исследователи во главе с Франсуа Петрели обратили внимание на положение континентов относительно экватора. Оказалось, чем больше континентов лежит в одном из полушарий Земли, тем чаще ее магнитное поле меняет свое направление. Если же, наоборот, континенты располагаются симметрично относительно экватора, то на протяжении многих миллионов лет магнитное поле остается стабильным.

Так, может быть, положение континентов влияет на конвективные потоки во внешней части ядра? В таком случае это влияние осуществляется через зоны субдукции. Когда почти все континенты находятся в одном из полушарий, там будет и больше зон субдукции. Массивная, холодная кора будет всё опускаться к границе, разделяющей мантию и ядро, и скапливаться там. Образовавшиеся заторы, несомненно, нарушат тепловой обмен между мантией и ядром. Компьютерная модель показывает, что конвективные потоки во внешнем ядре из-за этого тоже смещаются. Теперь уже и они асимметричны относительно экватора. Очевидно, при таком их расположении земную «динамо-машину» легче вывести из равновесия. Она, словно человек, вставший на одну ногу и готовый потерять равновесие от легкого толчка. Вот и магнитное поле внезапно «переворачивается».

Итак, весьма вероятно, что на смену магнитных полюсов влияют тектонические процессы, протекающие на нашей планете, и, прежде всего, движение континентов. Прояснить это могут дальнейшие палеомагнитные исследования, В любом случае ученые обнаруживают все больше фактов, которые свидетельствуют о том, что между движением литосферных плит на поверхности Земли и «динамо-машиной», создающей магнитное поле Земли и расположенной в самом центре планеты, есть определенная связь.

Из книги Большая Советская Энциклопедия (ВР) автора БСЭ

Из книги Большая Советская Энциклопедия (ГР) автора БСЭ

Из книги Большая Советская Энциклопедия (КР) автора БСЭ

Из книги Большая Советская Энциклопедия (МА) автора БСЭ

Из книги Большая Советская Энциклопедия (МЕ) автора БСЭ

Из книги Большая Советская Энциклопедия (ЭЛ) автора БСЭ

Из книги Новейшая книга фактов. Том 3 [Физика, химия и техника. История и археология. Разное] автора Кондрашов Анатолий Павлович

Из книги Все обо всем. Том 3 автора Ликум Аркадий

При каких условиях возникает мираж? Мираж – оптическое явление в атмосфере, состоящее в том, что вместе с отдаленным предметом (или участком неба) видно его мнимое изображение, смещенное относительно предмета. Если предмет находится под горизонтом, видно только мнимое

Из книги Как написать повесть автора Воттс Найджел

Отчего возникает паротит? Паротит - это инфекционная болезнь, при которой распухают слюнные железы. При этом в основном затрагиваются околоушные слюнные железы. Причина возникновения паротита - вирус, проникающий в эти железы. А распространяется эта болезнь почти

Из книги Запоры: маленькие трагедии и большие проблемы автора Буторова Людмила Ивановна

Как возникает сцена В каждой сцене пытайся найти драматизм, и то, что привлечет внимание. Если этих элементов нет, поищи их. В некоторых случаях сцены нужны только для того, чтобы читатель с их помощью получил необходимую информацию. Проверь, не удастся ли такую сцену

Из книги Лучшее для здоровья от Брэгга до Болотова. Большой справочник современного оздоровления автора Моховой Андрей

Из книги 100 великих загадок астрономии автора Волков Александр Викторович

Из книги Мир вокруг нас автора Ситников Виталий Павлович

Таинственная геология Луны: магнитное поле, извержения вулканов, сейсмическая активность Одна за другой к Луне устремляются автоматические станции. Всякий раз они прибывают к планете, которую мы, оказывается, не знаем. Мы побывали на ней, но не добыли всех ее секретов. Как

Из книги Кто есть кто в мире природы автора Ситников Виталий Павлович

Отчего возникает гроза? Вид на грозу со спутникаГроза – это не только дождь, гром и молнии. Недаром о грозе люди говорят, что она «налетает». Гроза налетает вместе с сильным, порывистым ветром, кружатся вихри, ветер рвет ветки деревьев, как будто хочет вырвать их с корнем

Из книги Простые вопросы. Книга, похожая на энциклопедию автора Антонец Владимир Александрович

Как возникает люминесценция? Некоторые вещества способны к свечению под воздействием какого-либо источника энергии. Если таким источником является электроразряд, то это электролюминесценция. Люминесцентные трубки используются для освещения домов и для световой

Из книги автора

Как возникает смех? Наверное, нет людей, которые не любят смеяться. Известно много, правда, не очень достоверных свидетельств о пользе смеха для здоровья. Но откуда же он берется? Наука всерьез занимается этим вопросом. Существует даже международное общество по изучению

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 образования "скалистых" планет без ядра. Если теоретические выкладки исследователей подтвердятся наблюдениями, то 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 . 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 . 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 (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 . 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.

В прошлом веке разными учеными было выдвинуто несколько предположений о том, магнитное поле Земли. Согласно одному из них, поле появляется в результате вращения планеты вокруг своей оси.

Она основана на любопытном эффекте Барнета-Энштейна, который заключается в том, что при вращении любого тела возникает магнитное поле. Атомы в этом эффекте имеют свой магнитный момент, так как вращаются вокруг своей оси. Так появляется магнитное поле Земли. Однако эта гипотеза не выдержала экспериментальных проверок. Оказалось, что магнитное поле, полученное таким нетривиальным образом, в несколько миллионов раз слабее реального.

Другая гипотеза основана на появлении магнитного поля вследствие кругового движения заряженных частиц (электронов) на поверхности планеты. Она тоже оказалась несостоятельной. Движение электронов способно вызвать появление очень слабого поля, к тому же эта гипотеза не объясняет инверсии магнитного поля Земли. Известно, что северный магнитный полюс не совпадает с северным географическим.

Солнечный ветер и токи мантии

Механизм образования магнитного поля Земли и других планет Солнечной системы до конца не изучен и пока что остается загадкой для ученых. Тем не менее, одна предложенная гипотеза довольно хорошо объясняет инверсию и величину индукции реального поля. Она основана на работе внутренних токов Земли и солнечного ветра.

Внутренние токи Земли протекают в мантии, которая состоит из веществ, обладающих очень хорошей проводимостью. Источником тока выступает ядро. Энергия от ядра к поверхности земли передается с помощью конвекции. Таким образом, в мантии наблюдается постоянное движение вещества, которое и образует магнитное поле по известному закону движения заряженных частиц. Если связывать его появление только с внутренними токами, получается, что все планеты, у которых направление вращения совпадает с направлением вращения Земли, должны иметь идентичное магнитное поле. Однако это не так. У Юпитера северный географический полюс совпадает с северным магнитным.

В образовании магнитного поля Земли участвуют не только внутренние токи. Давно известно, что оно реагирует на солнечный ветер, поток высокоэнергетических частиц, идущих от Солнца в результате реакций, происходящих на его поверхности.

Солнечный ветер по своей природе представляет собой электрический ток (движение заряженных частиц). Увлекаемый вращением Земли, он создает круговой ток, который приводит к появлению магнитного поля Земли.

Содержание статьи

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ. Большинство планет Солнечной системы в той или иной степени обладают магнитными полями. По убыванию дипольного магнитного момента на первом месте Юпитер и Сатурн, а за ними следуют Земля, Меркурий и Марс, причем по отношению к магнитному моменту Земли значение их моментов составляет 20 000, 500, 1, 3/5000 3/10000. Дипольный магнитный момент Земли на 1970 составлял 7,98·10 25 Гс/см 3 (или 8,3·10 22 А.м 2), уменьшаясь за десятилетие на 0,04·10 25 Гс/см 3 . Средняя напряженность поля на поверхности составляет около 0,5 Э (5·10 –5 Тл). По форме основное магнитное поле Земли до расстояний менее трех радиусов близко к полю эквивалентного магнитного диполя. Его центр смещен относительно центра Земли в направлении на 18° с.ш. и 147,8° в. д. Ось этого диполя наклонена к оси вращения Земли на 11,5°. На такой же угол геомагнитные полюса отстоят от соответствующих географических полюсов. При этом южный геомагнитный полюс находится в северном полушарии. В настоящее время он расположен недалеко от северного географического полюса Земли в Северной Гренландии. Его координаты j = 78,6 + 0,04° Т с.ш., l = 70,1 + 0,07° T з.д., где Т – число десятилетий от 1970. У cеверного магнитного полюса j = 75° ю.ш., l = 120,4° в.д. (в Антарктиде). Реальные магнитные силовые линии магнитного поля Земли в среднем близки к силовым линиям этого диполя, отличаясь от них местными нерегулярностями, связанными с наличием намагниченных пород в коре. В результате вековых вариаций геомагнитный полюс прецессирует относительно географического полюса с периодом около 1200 лет. На больших расстояниях магнитное поле Земли несимметрично. Под действием исходящего от Солнца потока плазмы (солнечного ветра) магнитное поле Земли искажается и приобретает «шлейф» в направлении от Солнца, который простирается на сотни тысяч километров, выходя за орбиту Луны.

Специальный раздел геофизики, изучающий происхождение и природу магнитного поля Земли называется геомагнетизмом . Геомагнетизм рассматривает проблемы возникновения и эволюции основной, постоянной составляющей геомагнитного поля, природа переменной составляющей (примерно 1% от основного поля), а так же структура магнитосферы – самых верхних намагниченных плазменных слоев земной атмосферы, взаимодействующих с солнечным ветром и защищающих Землю от космического проникающего излучения. Важной задачей является изучение закономерностей вариаций геомагнитного поля, поскольку они обусловлены внешними воздействиями, связанными в первую очередь с солнечной активностью.

Происхождение магнитного поля.

Наблюдаемые свойства магнитного поля Земли согласуются с представлением о его возникновении благодаря механизму гидромагнитного динамо. В этом процессе первоначальное магнитное поле усиливается в результате движений (обычно конвективных или турбулентных) электропроводящего вещества в жидком ядре планеты или в плазме звезды. При температуре вещества в несколько тысяч К его проводимость достаточно высока, чтобы конвективные движения, происходящие даже в слабо намагниченной среде, могли возбуждать изменяющиеся электрические токи, способные, в соответствии с законами электромагнитной индукции, создавать новые магнитные поля. Затухание этих полей либо создает тепловую энергию (по закону Джоуля), либо приводит к возникновению новых магнитных полей. В зависимости от характера движений эти поля могут либо ослаблять, либо усиливать исходные поля. Для усиления поля достаточно определенной асимметрии движений. Таким образом, необходимым условием гидромагнитного динамо является само наличие движений в проводящей среде, а достаточным – наличие определенной асимметрии (спиральности) внутренних потоков среды. При выполнении этих условий процесс усиления продолжается до тех пор, пока растущие с увеличением силы токов потери на джоулево тепло не уравновесят приток энергии, поступающей за счет гидродинамических движений.

Динамо-эффект – самовозбуждение и поддержание в стационарном состоянии магнитных полей вследствие движения проводящей жидкости или газовой плазмы. Его механизм подобен генерации электрического тока и магнитного поля в динамо-машине с самовозбуждением. С динамо-эффектом связывают происхождение собственных магнитных полей Солнца Земли и планет, а также их локальные поля, например, поля пятен и активных областей.

Составляющие геомагнитного поля.

Собственное магнитное поле Земли (геомагнитное поле) можно разделить на cледующие три основные части.

1. Основное магнитное поле Земли, испытывающее медленные изменения во времени (вековые вариации) с периодами от 10 до 10 000 лет, сосредоточенными в интервалах 10–20, 60–100, 600–1200 и 8000 лет. Последний связан с изменением дипольного магнитного момента в 1,5–2 раза.

2. Мировые аномалии – отклонения от эквивалентного диполя до 20% напряженности отдельных областей с характерными размерами до10 000 км. Эти аномальные поля испытывают вековые вариации, приводящие к изменениям со временем в течение многих лет и столетий. Примеры аномалий: Бразильская, Канадская, Сибирская, Курская. В ходе вековых вариаций мировые аномалии смещаются, распадаются и возникают вновь. На низких широтах имеется западный дрейф по долготе со скоростью 0,2° в год.

3. Магнитные поля локальных областей внешних оболочек с протяженностью от нескольких до сотен км. Они обусловлены намагниченностью горных пород в верхнем слое Земли, слагающих земную кору и расположенных близко к поверхности. Одна из наиболее мощных – Курская магнитная аномалия.

4. Переменное магнитное поле Земли (так же называемое внешним) определяется источниками в виде токовых систем, находящимися за пределами земной поверхности и в ее атмосфере. Основными источниками таких полей и их изменений являются корпускулярные потоки замагниченной плазмы, приходящие от Солнца вместе с солнечным ветром, и формирующие структуру и форму земной магнитосферы.

Структура магнитного поля земной атмосферы.

Земное магнитное поле находится под воздействием потока намагниченной солнечной плазмы. В результате взаимодействия с полем Земли образуется внешняя граница околоземного магнитного поля, называемая магнитопаузой. Она ограничивает земную магнитосферу. Из-за воздействия солнечных корпускулярных потоков размеры и форма магнитосферы постоянно меняются, и возникает переменное магнитное поле, определяемое внешними источниками. Его переменность обязана своим происхождением токовым системам, развивающимся на различных высотах от нижних слоев ионосферы до магнитопаузы. Изменения магнитного поля Земли во времени, вызванные различными причинами, называются геомагнитными вариациями, которые различаются как по своей длительности, так и по локализации на Земле и в ее атмосфере.

Магнитосфера – область околоземного космического пространства, контролируемая магнитным полем Земли. Магнитосфера формируется в результате взаимодействия солнечного ветра с плазмой верхних слоев атмосферы и магнитным полем Земли. По форме магнитосфера представляет собой каверну и длинный хвост, которые повторяют форму магнитных силовых линий. Подсолнечная точка в среднем находится на расстоянии 10 земных радиусов, а хвост магнитосферы простирается за орбиту Луны. Топология магнитосферы определяется областями вторжения солнечной плазмы внутрь магнитосферы и характером токовых систем.

Хвост магнитосферы образован силовыми линиями магнитного поля Земли, выходящими из полярных областей и вытянутых под действием солнечного ветра на сотни земных радиусов от Солнца в ночную сторону Земли. В итоге плазма солнечного ветра и солнечных корпускулярных потоков как бы обтекают земную магнитосферу, придавая ей своеобразную хвостатую форму. В хвосте магнитосферы, на больших расстояниях от Земли, напряженность магнитного поля Земли, а следовательно и их защитные свойства, ослабляются, и некоторые частицы солнечной плазмы получают возможность проникнуть и попасть во внутрь земной магнитосферы и магнитных ловушек радиационных поясов. Проникая в головную часть магнитосферы в область овалов полярных сияний под действием изменяющегося давления солнечного ветра и межпланетного поля, хвост служит местом формирования потоков высыпающихся частиц, вызывающих полярные сияния и авроральные токи. Магнитосфера отделена от межпланетного пространства магнитопаузой. Вдоль магнитопаузы частицы корпускулярных потоков обтекают магнитосферу. Влияние солнечного ветра на земное магнитное поле иногда бывает очень сильным. Магнитопауза – внешняя граница магнитосферы Земли (или планеты), на которой динамическое давление солнечного ветра уравновешивается давлением собственного магнитного поля. При типичных параметрах солнечного ветра подсолнечная точка удалена от центра Земли на 9–11 земных радиусов. В период магнитных возмущений на Земле магнитопауза может заходить за геостационарную орбиту (6,6 радиусов Земли). При слабом солнечном ветре подсолнечная точка находится на расстоянии 15–20 радиусов Земли.

Солнечный ветер –

истечение плазмы солнечной короны в межпланетное пространство. На уровне орбиты Земли средняя скорость частиц солнечного ветра (протонов и электронов) около 400 км/с, число частиц – несколько десятков в 1 см 3 .

Магнитная буря.

Локальные характеристики магнитного поля изменяются и колеблются иногда в течение многих часов, а потом восстанавливаются до прежнего уровня. Это явление называется магнитной бурей . Магнитные бури часто начинаются внезапно и одновременно по всему земному шару.

Геомагнитные вариации.

Изменение магнитного поля Земли во времени под действием различных факторов называются геомагнитными вариациями. Разность между наблюдаемой величиной напряженности магнитного поля и средним ее значением за какой-либо длительный промежуток времени, например, месяц или год, называется геомагнитной вариацией. Согласно наблюдениям, геомагнитные вариации непрерывно изменяются во времени, причем такие изменения часто носят периодический характер.

Cуточные вариации . Cуточные вариации геомагнитного поля возникают регулярно в основном за счет токов в ионосфере Земли, вызванных изменениями освещенности земной ионосферы Солнцем в течение суток.

Нерегулярные вариации . Нерегулярные вариации магнитного поля возникают вследствие воздействия потока солнечной плазмы (солнечного ветра) на магнитосферу Земли, а так же изменений внутри магнитосферы и взаимодействия магнитосферы с ионосферой.

27-дневные вариации . 27-дневные вариации существуют как тенденция к повторению увеличения геомагнитной активности через каждые 27 дней, соответствующих периоду вращения Солнца относительно земного наблюдателя. Эта закономерность связана с существованием долгоживущих активных областей на Солнце, наблюдаемых в течении нескольких оборотов Солнца. Эта закономерность проявляется в виде 27-дневной повторяемости магнитной активности и магнитных бурь.

Сезонные вариации . Сезонные вариации магнитной активности уверенно выявляются на основании среднемесячных данных о магнитной активности, полученных путем обработки наблюдений за несколько лет. Их амплитуда увеличивается с ростом общей магнитной активности. Найдено, что сезонные вариации магнитной активности имеют два максимума, соответствующие периодам равноденствий, и два минимума, соответствующие периодам солнцестояний. Причиной этих вариаций является образование активных областей на Солнце, которые группируются в зонах от 10 до 30° северной и южной гелиографических широт. Поэтому в периоды равноденствий, когда плоскости земного и солнечного экваторов совпадают, Земля наиболее подвержена действию активных областей на Солнце.

11-летние вариации . Наиболее ярко связь между солнечной активностью и магнитной активностью проявляется при сопоставлении длинных рядов наблюдений, кратных 11 летним периодам солнечной активности. Наиболее известной мерой солнечной активности является число солнечных пятен. Найдено, что в годы максимального количества солнечных пятен магнитная активность также достигает наибольшей величины, однако возрастание магнитной активности несколько запаздывает по отношению к росту солнечной, так что в среднем это запаздывание составляет один год.

Вековые вариации – медленные вариации элементов земного магнетизма с периодами от нескольких лет и более. В отличии от суточных, сезонных, и других вариаций внешнего происхождения, вековые вариации связаны с источниками, лежащими внутри земного ядра. Амплитуда вековых вариаций достигает десятков нТл/год, изменения среднегодовых значений таких элементов, названы вековым ходом. Изолинии вековых вариаций концентрируются вокруг нескольких точек – центры или фокусы векового хода, в этих центрах величина векового хода достигает максимальных значений.

Радиационные пояса и космические лучи.

Радиационные пояса Земли – две области ближайшего околоземного космического пространства, которые в виде замкнутых магнитных ловушек окружают Землю.

В них сосредоточены огромные потоки протонов и электронов, захваченных дипольным магнитным полем Земли. Магнитное поле Земли оказывает сильное влияние на электрически заряженные частицы, движущиеся в околоземном космическом пространстве. Есть два основных источника возникновения этих частиц: космические лучи, т.е. энергичные (от 1 до12 ГэВ) электроны, протоны и ядра тяжелых элементов, приходящие с почти световыми скоростями, главным образом, из других частей Галактики. И корпускулярные потоки менее энергичных заряженных частиц (10 5 –10 6 эВ), выброшенных Солнцем. В магнитном поле электрические частицы движутся по спирали; траектория частицы как бы навивается на цилиндр, по оси которого проходит силовая линия. Радиус этого воображаемого цилиндра зависит от напряженности поля и энергии частицы. Чем больше энергия частицы, тем при данной напряженности поля радиус (он называется ларморовским) больше. Если ларморовский радиус много меньше, чем радиус Земли, частица не достигает ее поверхности, а захватывается магнитным полем Земли. Если ларморовский радиус много больше, чем радиус Земли, частица движется так, как будто бы магнитного поля нет, частицы проникают сквозь магнитное поле Земли в экваториальных районах, если их энергия больше 10 9 эв. Такие частицы вторгаются в атмосферу и вызывают при столкновении с ее атомами ядерные превращения, которые дают определенные количества вторичных космических лучей. Эти вторичные космические лучи уже регистрируются на поверхности Земли. Для исследования космических лучей в их первоначальной форме (первичных космических лучей) аппаратуру поднимают на ракетах и искусственных спутниках Земли. Примерно 99% энергичных частиц, «пробивающих» магнитный экран Земли, являются космическими лучами галактического происхождения и лишь около 1% образуется на Солнце. Магнитное поле Земли удерживает огромное число энергичных частиц, как электронов, так и протонов. Их энергия и концентрация зависят от расстояния до Земли и геомагнитной широты. Частицы заполняют как бы огромные кольца или пояса, охватывающие Землю вокруг геомагнитного экватора.

Эдвард Кононович