Земята като магнит: геомагнитно поле

През същата 1905 г. френският геофизик Бернар Брунес извършва измервания на магнетизма на лава отлагания от плейстоценската ера в южния отдел на Кантал. Векторът на намагнитване на тези скали беше почти 180 градуса с вектора на планетарното магнитно поле (неговият сънародник П. Дейвид получи подобни резултати дори една година по-рано). Брунес заключи, че преди три четвърти милион години, по време на изтичане на лава, посоката на геомагнитните силови линии е обратна на съвремието. Така беше открит ефектът на инверсия (обръщане на полярността) на магнитното поле на Земята. През втората половина на 20-те години заключенията на Брунес са потвърдени от P.L. Меркантън и Монотори Матуяма, но тези идеи получиха признание едва в средата на века.

Сега знаем, че геомагнитното поле съществува от поне 3, 5 милиарда години и през това време магнитните полюси са разменяли места хиляди пъти (Брунес и Матуяма изследвали последната инверсия, която сега носи техните имена). Понякога геомагнитното поле запазва ориентация в продължение на десетки милиони години, а понякога не повече от петстотин века. Самият процес на инверсия обикновено отнема няколко хилядолетия и при завършване силата на полето, като правило, не се връща към предишната си стойност, а се променя с няколко процента.


В началото на XX век самият факт за съществуването на геомагнитно поле не се поддава на обяснение (въпреки факта, че тогава просто не се подозираше за най-парадоксалната му характеристика). Знаеше се, че магнитните полюси се движат малко по земната повърхност, но никой не предположи, че са способни на по-радикално поведение - това откритие беше само на път.

Механизмът на геомагнитната инверсия все още не е ясен и дори преди сто години той не позволяваше разумно обяснение. Следователно откритията на Брунес и Дейвид само затвърдиха оценката на Айнщайн - наистина земният магнетизъм беше изключително загадъчен и неразбираем. Но по това време тя се е изучавала повече от триста години и през XIX век в нея са се занимавали такива звезди на европейската наука като великият пътешественик Александър фон Хумболт, гениалният математик Карл Фридрих Гаус и блестящият експериментален физик Вилхелм Вебер. Така Айнщайн наистина погледна корена.

168 магнитни полюса

Колко магнитни полюса има нашата планета? Почти всички ще кажат, че двама са в Арктика и Антарктида. Всъщност отговорът зависи от определението на концепцията за полюса. Географските полюси са точките на пресичане на земната ос с повърхността на планетата. Тъй като Земята се върти като твърдо, има само две такива точки и нищо друго не може да бъде измислено. Но с магнитни полюси ситуацията е много по-сложна. Например, малка област може да се счита за полюс (в идеалния случай отново точка), където магнитните силови линии са перпендикулярни на земната повърхност. Въпреки това, всеки магнитометър открива не само планетарно магнитно поле, но и полетата от местни скали, електрически токове на йоносферата, частици от слънчевия вятър и други допълнителни източници на магнетизъм (а средната им фракция не е толкова малка, от порядъка на няколко процента). Колкото по-точно е устройството, толкова по-добре го прави - и следователно затруднява идентифицирането на истинското геомагнитно поле (нарича се основното), чийто източник е разположен в земните дълбини. Следователно координатите на полюса, определени чрез директно измерване, не са стабилни дори за кратък период от време.

Дълбоководни тайни: Как са нанесени океаните


Полюси обратното

Много хора знаят, че общоприетите имена на полюсите са верни точно обратното. В Арктика има полюс, насочен към северния край на магнитната игла - следователно би струвало да се има предвид югът (едноименните стълбове отблъскват, противоположностите привличат!). По същия начин магнитният северен полюс се основава на високите ширини на южното полукълбо. Въпреки това, според традицията, ние наричаме полюсите според географията. Физиците отдавна са съгласни, че силовите линии излизат от северния полюс на всеки магнит и влизат в южния. От това следва, че линиите на земния магнетизъм напускат южния геомагнитен полюс и се изтеглят заедно на север. Такава е конвенцията и не си струва да я нарушавате (време е да си припомним тъжния опит на Паниковски!).

Можете да действате по различен начин и да установите позицията на полюса въз основа на различни модели на земния магнетизъм. В първо приближение нашата планета може да се счита за геоцентричен магнитен дипол, оста на който минава през центъра му. В момента ъгълът между него и земната ос е 10 градуса (преди няколко десетилетия той беше повече от 11 градуса). По-точна симулация разкрива, че диполната ос е изместена спрямо центъра на Земята към северозападната част на Тихия океан с около 540 км (това е ексцентричен дипол). Има и други определения.

Но това не е всичко. Магнитното поле на Земята всъщност няма диполна симетрия и затова има множество полюси и в голям брой. Ако разгледаме Земята като магнитен квадрупол, квадрупол, ще е необходимо да се въведат още два полюса - в Малайзия и в южната част на Атлантическия океан. Моделът octupole определя осемте полюса и пр. Съвременните най-модерни модели на наземния магнетизъм работят с 168 полюса. Трябва да се отбележи, че по време на инверсията временно изчезва само диполният компонент на геомагнитното поле, докато другите се променят много по-слабо.

Магнитният полюс, независимо как го определяте, не стои неподвижно. През 2000 г. северният полюс на геоцентричния дипол е имал координати 79, 5 N и 71, 6 W, а през 2010 г. - 80, 0 N и 72, 0 W. Истинският Северен полюс (този, засечен чрез физически измервания) се измества от 2000 г. от 81, 0 N и 109, 7 W до 85, 2 N и 127, 1 W. Почти през целия 20 век той прави не повече от 10 км годишно, но след 1980 г. изведнъж започва да се движи много по-бързо. В началото на 90-те години скоростта му надхвърля 15 км годишно и продължава да расте.

Резултатът от компютърната симулация на инверсията на геомагнитното поле в модела на Робъртс и Глацмайер на интервали от десетки и стотици хиляди години.

Както каза бившият ръководител на геомагнитната лаборатория на канадската служба за геоложки изследвания Лорънс Нюит пред Popular Mechanics, истинският полюс се пренася на северозапад, като се движи 50 км годишно. Ако векторът на неговото движение не се промени за няколко десетилетия, то до средата на XXI век той ще бъде в Сибир. Според реконструкцията, извършена преди няколко години от същия Нюит, през XVII и XVIII век северният магнитен полюс предимно се измести на югоизток и едва около 1860 г. се обърна на северозапад. Истинският южен магнитен полюс се движи в същата посока през последните 300 години, а средното му годишно изместване не надвишава 10-15 км.

Желязно динамо

Защо Земята изобщо има магнитно поле? Едно възможно обяснение е поразително. Земята има вътрешна твърда желязо-никелова сърцевина, радиусът на която е 1220 км. Тъй като тези метали са феромагнитни, защо да не приемем, че вътрешното ядро ​​има статично намагнетизиране, което осигурява съществуването на геомагнитно поле? Многополюсността на земния магнетизъм може да се дължи на асиметрията на разпределението на магнитните домейни вътре в ядрото. Миграцията на полюсите и инверсията на геомагнитното поле е по-трудно обяснима, но, вероятно, можете да опитате.

От това обаче не идва нищо. Всички феромагнетици остават такива (тоест запазват спонтанно намагнетизиране) само под определена температура - точка Кюри. За желязото е равно на 768 ° C (никелът е много по-нисък), а температурата на вътрешното ядро ​​на Земята е много по-висока от 5000 градуса. Затова трябва да се разделим с хипотезата за статичния геомагнетизъм. Възможно е обаче в космоса да има охладени планети с феромагнитни ядра.

Помислете за друга възможност. Нашата планета също има течно външно ядро ​​с дебелина около 2300 км. Състои се от стопилка желязо и никел, смесени с по-леки елементи (сяра, въглерод, кислород и евентуално радиоактивен калий - никой не знае със сигурност). Температурата на долната част на външната сърцевина почти съвпада с температурата на вътрешното ядро, а в горната зона на границата с мантията намалява до 4400 ° C. Затова е естествено да се предположи, че благодарение на въртенето на Земята там се образуват кръгови течения, които може да се окажат причина за наземния магнетизъм.

Това е схемата, която геофизиците обсъждаха преди около 80 години. Те вярвали, че потоците на проводимата течност на външното ядро ​​поради тяхната кинетична енергия генерират електрически токове, обхващащи земната ос. Тези токове генерират магнитно поле с предимно диполен тип, чиито силови линии върху земната повърхност са удължени по протежение на меридианите (това поле се нарича полоидно). Този механизъм се свързва с работата на динамото, откъдето идва и името.

Описаната схема е красива и визуална, но, за съжаление, е погрешна. Тя се основава на предположението, че движението на веществото от външната сърцевина е симетрично около земната ос. Въпреки това през 1933 г. английският математик Томас Коулинг доказва теорема, според която никакви осесиметрични потоци не могат да гарантират съществуването на дългосрочно геомагнитно поле. Дори и да се появи, тогава векът му ще бъде краткотраен, десетки хиляди пъти по-малък от възрастта на нашата планета. Нуждаете се от по-сложен модел.

Цялата сила в конвекция

„Не знаем точно кога е възникнал земният магнетизъм, но това може да се случи малко след образуването на мантията и външното ядро“, казва Дейвид Стивънсън, професор от Калифорнийския технологичен институт, един от най-големите специалисти по планетарен магнетизъм. - За да се даде възможност на геодинамото изисква външно поле за семена и не непременно мощно. Тази роля, например, може да бъде поета от магнитното поле на Слънцето или полето на токове, генерирани в ядрото поради термоелектричния ефект. В крайна сметка това не е твърде важно, имаше достатъчно източници на магнетизъм. При наличието на такова поле и кръгово движение на токопроводната течност, изстрелването на междупланетен динамо става просто неизбежно. "

Аврората се генерира от взаимодействието на атмосферата и заредените частици, улавени от магнитното поле на Земята, което в полярните области е перпендикулярно на повърхността.

Ето често обяснение за такова изстрелване. За простота, нека полето на семената да бъде почти успоредно на оста на въртене на Земята (всъщност е достатъчно, ако има ненулев компонент в тази посока, което е почти неизбежно). Скоростта на въртене на веществото от външната сърцевина намалява с намаляваща дълбочина и поради високата си електрическа проводимост линиите на магнитното поле се движат с него - както казват физиците, полето се „замразява“ в средата. Следователно силовите линии на полето за семена ще се огъват, продължавайки напред на големи дълбочини и изоставайки при по-плитките. В крайна сметка те са разтегнати и деформирани дотолкова, че пораждат тороидално поле, кръгли магнитни бримки, покриващи земната ос и насочени в противоположни посоки в северното и южното полукълбо. Този механизъм се нарича w-ефект.

Според проф. Стивънсън е много важно да се разбере, че тороидалното поле на външното ядро ​​се е породило поради полоидното семево поле и от своя страна е генерирало ново полоидно поле, наблюдавано на земната повърхност: „И двата типа планетарни геодинамични полета са взаимосвързани и не могат да съществуват едно без друго“,


Магнитна защита

Земният магнетизъм се следи с помощта на обширна мрежа от геомагнитни обсерватории, създаването на които започва през 1830-те. За същите цели се използват корабни, авиационни и космически устройства (например скаларни и векторни магнитометри на датския спътник Oersted, работещи от 1999 г.). Силата на геомагнитното поле варира от приблизително 20 000 наноразмери близо до брега на Бразилия до 65 000 наноразмери в Южния магнитен полюс. От 1800 г. нейният диполен компонент е намалял с почти 13% (а от средата на 16 век - с 20%), докато квадруполният компонент се е увеличил леко. Палеомагнитните изследвания показват, че в продължение на няколко хилядолетия преди началото на нашата ера геомагнитното поле упорито се изкачва и след това започва да намалява. Въпреки това, настоящият планетарен диполен момент значително надвишава средната му стойност през последните един и половина милиона години (през 2010 г. бяха публикувани резултатите от палеомагнитни измервания, което показва, че преди три и половина милиарда години магнитното поле на Земята е било наполовина по-слабо от сегашното). Това означава, че цялата история на човешките общества от появата на първите състояния до нашето време е паднала върху локалния максимум на магнитното поле на Земята. Интересно е да се помисли дали това е повлияло на прогреса на цивилизацията. Такова предположение престава да изглежда фантастично, като се има предвид, че магнитното поле защитава биосферата от космическо излъчване. И ето още едно обстоятелство, което си заслужава да се отбележи. В младостта и дори в юношеството на нашата планета цялото вещество на нейното ядро ​​е било в течна фаза. Солидно вътрешно ядро ​​се е образувало сравнително наскоро, може би само преди милиард години. Когато това се случи, конвекционните потоци станаха по-опростени, което доведе до по-стабилна работа на геодинамото. Поради това геомагнитното поле спечели по величина и стабилност. Може да се предположи, че това обстоятелство благоприятно повлия на еволюцията на живите организми. По-специално, засиленият геомагнетизъм подобри защитата на биосферата от космическо излъчване и по този начин улесни бягството на живота от океана към сушата.

Непредсказуем магнетизъм

Преди петнадесет години Гари Глацмайер, заедно с Пол Робъртс, публикува много красив компютърен модел на геомагнитното поле: „По принцип имаше адекватен математически апарат за обяснение на геомагнетизма - уравненията на магнитната хидродинамика плюс уравненията, описващи силата на гравитацията и топлинните потоци вътре в земното ядро. Моделите, базирани на тези уравнения в първоначалния им вид, са много сложни, но те могат да бъдат опростени и адаптирани за компютърни изчисления. Точно това направихме аз и Робъртс. Работата на суперкомпютър даде възможност да се конструира самостоятелно описание на дългосрочната еволюция на скоростта, температурата и налягането на потоците на веществото от външното ядро ​​и на еволюцията на магнитни полета, свързани с тях. Също така открихме, че ако загубите симулацията на интервали от време от порядъка на десетки и стотици хиляди години, неизбежно ще има инверсии на геомагнитното поле. Така че в това отношение, нашият модел предава добре магнитната история на планетата. Има обаче трудност, която все още не е решена. Параметрите на веществото на външната сърцевина, които са положени в такива модели, все още са твърде далеч от реалните условия. Например трябваше да приемем, че вискозитетът му е много висок, в противен случай ресурсите на най-мощните суперкомпютри няма да са достатъчни. Всъщност това не е така; има всички основания да се смята, че почти съвпада с вискозитета на водата. Нашите сегашни модели са безсилни да вземат предвид турбуленцията, която несъмнено се случва. Но компютрите набират сила всяка година и след десет години ще се появят много по-реалистични симулации. “

„Работата на геодинамото неизбежно е свързана с хаотични промени в потоците от стопено желязо-никел, които водят до колебания в магнитните полета“, добавя професор Стивънсън. - Инверсиите на земния магнетизъм са просто най-силните възможни колебания. Тъй като са стохастични по природа, трудно могат да бъдат предсказани предварително - във всеки случай не знаем как. “

Статията „Земята като магнит“ е публикувана в списанието Popular Mechanics (№ 9, септември 2010 г.). Харесва ли ви статията?

Най-интересните новини от света на науката: свежи открития, снимки и невероятни факти във вашата поща. добре Съгласен съм с правилата на сайта Благодаря. Изпратихме потвърждение на вашия имейл.

Препоръчано

Как да напука парола на iPhone?
2019
Мечове, изработени от лед, мечове за роботи и други необичайни мечове
2019
Актуализираният Tesla Model S разбива рекорда на Laguna Seca: видео
2019