Что такое магнитное поле Земли: составляющие, работа и изменения

Магнитное поле Земли — настоящая загадка для ученых. Несмотря на то, что основным теориям о происхождении и механизме действия чуть более века, полностью объяснить процессы внутри планеты пока не удалось. Попробуем вместе разобраться в неизвестном.

Строение и характеристики магнитного поля Земли

Геомагнитное поле неоднородно. В зависимости от особенностей формирования и механизмов работы исследователи выделяют 3 основные его части. Но каждая функционирует как часть единой системы — магнитосферы, неотделимой от других составляющих магнитного поля Земли.

Главное поле

Это поле, которое формируется во внешнем ядре из жидкого железа на планете и составляет около 90% мощности. Фактически, вы можете представить себе всю планету как огромный стержневой магнит с силовыми линиями, уходящими в космос. Ось проходит близко к ядру и наклонена примерно на 10° к планетарной.

Там, где воображаемая линия выходит из земли, находятся полюса магнитного поля:

1. Северный движется по Канаде. С 2015 по 2020 год его географическое положение было установлено на острове Эсмир.
2. Южный «сбежал» от берегов Антарктиды в районе станции «Восток» и постепенно движется по морю Моусона в Индийском океане в Австралию.

Учитывая, что источник поля жидкий и постоянно находится в движении, геомагнитные полюса смещаются примерно на 2 мм в секунду. Поэтому Национальное агентство геопространственной разведки США (NOAA) ежегодно публикует данные об изменениях. Последние правки магнитной карты были внесены 16 декабря 2021 года.

Поля мировых аномалий

В отличие от обычного стержневого магнита, силовые линии вокруг планеты не распространяются идеально в соответствии с математической моделью диполя. Их «возмущает» ряд аномалий, провоцирующих локальное изменение магнитного поля Земли.

Исследователи делят их на 3 типа по площади:

1. Местный. Это районы площадью до 1000 км2. Они появляются из-за отложений магнитных пород, ударов молнии и падения метеоритов. Они оказывают минимальное влияние на глобальную геомагнитную картину.
2. Региональный. Их длина может достигать 10 000 км2. Это аномалии, связанные с намагничиванием кристаллического фундамента земной коры, извержениями базальтовых магматических пород при смещении тектонических плит. Создавать сложные магнитные взаимодействия с основным полем по принципу суперпозиции.
3. Континентальный. Это аномалии площадью до 100 000 км2. Они уже по сути являются мини-версиями основного поля планеты. Континентальные аномалии представляют собой диполи и образуются за счет токовых вихрей во внешнем ядре.

Источники магнитных аномалий находятся на разной глубине. Поэтому их силовые линии взаимодействуют, пересекаются и перекрываются, что только усложняет общую картину.

Внешнее магнитное поле

Электрические токи в ионосфере планеты также формируют постоянное магнитное поле Земли. Молекулы воздуха выше 100 км от поверхности ионизируются и превращаются в плазму. Поэтому эту часть магнитосферы еще называют плазмосферой. Он удерживается основным полем планеты и действует как щит от солнечной плазмы. Внешний слой находится на расстоянии 3 земных радиусов.

Магнитосфера планеты простирается дальше в область, называемую магнитопаузой. В нем уравновешивается магнетическое влияние солнца и земли.

Из-за влияния солнечного ветра из космоса магнитосфера напоминает комету. Со стороны звезды ее предел находится на расстоянии от 6 до 20 земных радиусов, в зависимости от интенсивности излучения арматуры. Сзади остается хвост длиной до 900 планетарных радиусов.

Заряженные частицы солнечного ветра обтекают магнитосферу, но часть из них захватывается в области хвоста. Эти частицы образуют вокруг планеты 2 радиационных пояса: внутренний на высоте 500 км и внешний на высоте 10 000 км. Когда частицы из радиационного пояса попадают в нижние слои атмосферы, возникают полярные сияния. Обычно это происходит только в районе магнитных полюсов.

Характеристики поля

Обычно при изучении и определении физических показателей магнитного поля Земли в отдельных точках используют трехмерную схему.

Он формируется на основании данных о:

1. Напряжение, измеряемое в Гауссах или микротеслах. Она уменьшается от полюсов к экватору. Исследователи также обнаружили, что существует временной цикл изменения напряжения с шагом в 200 миллионов лет.
2. Настроение. Источник поля находится под землей. Поэтому силовые линии не проходят строго по поверхности планеты. Ученые используют вертикальный угол для определения уклона. На магнитном полюсе он равен 90°. На экваторе — 0°.
3. Склонение. Это параметр, показывающий, куда и насколько сдвинут магнитный полюс по отношению к географическому.

Если брать физические данные об индукции, напряженности и других показателях магнитного поля Земли, то обычно используют средние показатели за конкретный год.

Итак, по данным NOAA за 2015 год:

Характеристики магнитного поля Земли

Природа магнитного поля Земли

Основная теория, объясняющая образование геомагнитного поля, была изобретена в 1919 году ирландцем Джозефом Лармором. Предполагается, что причиной образования поля является геодинамо. То есть процесс, вероятно, выглядит так.

Твердое внутреннее ядро ​​​​вырабатывает тепло в результате ядерных реакций деления. Затем внешний слой жидкого железа отводит тепло. Токи закручиваются в спирали за счет силы Кориолиса и образуют так называемые столбы Тейлора — огромные спиральные токи внутри планеты.

Токи во внешнем ядре создают трение и генерируют электрический ток, усиливая небольшое естественное магнитное поле металлов. Это провоцирует увеличение токов и выделение все большего количества тепла, пока процесс не стабилизируется.

Также существует версия, что магнитное поле формируется за счет вращения Земли на основе приливных сил. Но она менее распространена, и наиболее важной в настоящее время считается теория геодинамо.

Изменения магнитного поля Земли

Каждый год магнитные полюса постепенно смещаются. При этом, согласно отчетам NOAA, этот процесс ускоряется. Так вместо запланированного с 2015 по 2018 год сдвига на 5° магнитные полюса сместились на 8°.

Параллельно с этим происходит постепенное, ускоряющееся ослабление поля. По данным научного журнала Scientific American в 20 веке процесс продолжался со скоростью 5% в столетие. В 2014 году он ускорился в 10 раз до 5% за десятилетие.

Любители конца света тут же заявили, что все вокруг будет уничтожено, ведь магнитные полюса вот-вот поменяются местами, а поле исчезнет.

Среди наиболее популярных теорий катастроф можно выделить следующие:

1. Солнечный ветер уничтожит всю электронику на планете. Даже провода сгорят. Технологическое развитие будет отброшено на 200 лет назад.
2. Животные потеряют ориентацию и сойдут с ума. Например, перелетные птицы при миграции ориентируются по магнитным полюсам, а пчелы строят свои соты по изолиниям.
3. Все живое погибнет из-за солнечной радиации. Альтернативой является то, что все потеряют память.

Но согласно статье НАСА, эти теории необоснованны. При смене полюсов магнитные потоки будут смешиваться, и компасы действительно перестанут работать должным образом. Но защитное поле магнитосферы никуда не денется. Максимальное влияние на жизнь человека, которое окажет такой процесс, — это возможность полюбоваться северным сиянием в разных местах планеты.

Смещение магнитных полюсов Земли

Это естественный и неправильный процесс для планеты, но он отражается в строении геологических пород. Поэтому исследователям удалось получить некоторые данные о ходе. Так за последние 83 миллиона лет магнитные полюса уже менялись местами 184 раза. Периодичность инверсий различна; между событиями были обнаружены перерывы от 100 тысяч до 50 миллионов лет. В среднем на полную смену полюсов планете требуется от 2000 до 12000 лет.

Последняя инверсия называется аранжировкой Брюнеса-Матуямы. Произошло это 781 000 лет назад и заняло, по разным оценкам, от 100 до 22 000 лет. Последняя неполная конверсия (экскурсия) произошла не так давно — 42 000 лет назад. Это называется событием Лашана, и оно произошло как раз в последний ледниковый период.

Ученые еще не разработали единую теорию, объясняющую, как происходит смена полюсов и что ее вызывает.

На данный момент существует 3 версии изменения работы магнитного поля Земли:

1. Неорганизованное динамо. Согласно компьютерным моделям, столбцы Тейлора могут случайным образом перекрываться и запутываться. Это приводит к реорганизации токов и смещению магнитных полюсов. Подобные процессы с возникающей инверсией магнитного поля регулярно наблюдаются на Солнце.
2. Внешняя и внутренняя оппозиция. Дэвид Габбинс считает, что изменение токов внутри внешнего ядра вызывает отклонения и, если подземная буря также затрагивает внутреннее ядро, изменение направления магнитного поля и полный сдвиг полюсов.
3. Внешний драйвер. Американский ученый Ричард Мюллер считает, что инверсии и экскурсии нерегулярны, потому что они вызваны внешними событиями. Он считает, что смещение полюсов связано с изменением токов во внешнем ядре, вызванным падением метеорита или тектоническими сдвигами. В то же время оно всегда должно сопровождаться глобальным изменением климата.

Последние научные данные свидетельствуют о том, что отклонения и инверсии могут быть связаны с ледниковыми периодами и вымираниями. Но пока достоверной статистической информации нет. Например, в Новой Зеландии была обнаружена окаменелость дерева каури, которому как раз удалось пережить Лашанское событие и ледниковый период.

Геомагнитные координаты (координаты Мак-Илвейна)

Систему изобрел малоизвестный американский ученый Карл МакИлвейн (или Илвейн в некоторых источниках). Он предложил управлять движением заряженных частиц в магнитном поле в соответствии с его индукцией и параметром Макилвейна. Это помогает анализировать радиационные пояса вокруг планеты и обнаруживать новые скопления заряженных частиц.