Магнитное поле Земли

Земля – большой магнит. Её магнитное поле имеет и внутреннее и внешнее происхождение и непрерывно изменяется во времени – от часа к часу, из года в год.

[3] Собственное магнитное поле меняется медленно. Это изменение называется постоянным, вековым (вековые вариации). Источник быстрых вариаций – электрические токи в верхних слоях атмосферы – ионосфере.

1. Собственное магнитное поле Земли

Для того, чтобы представить себе происхождение собственного магнитного поля Земли, рассмотрим современные представления о её строении.

[4] В центре нашей планеты находится твёрдое ядро, состоящее из железа и никеля. Оно окружено внешним ядром – жидким металлическим слоем (расплавленные железо и никель). Затем идёт нижняя мантия из силикатного вещества, жидкая верхняя мантия и самый верхний слой – кора. Под континентами есть гигантские жёсткие плиты, плавающие в верхней мантии. Основных плит – 10. Конвекция вещества верхней мантии перемещает плиты со скоростью нескольких сантиметров в год. Они сталкиваются, трутся краями, подплывают краями друг под друга, разъезжаются. Результат – перемещение континентов, рождение вулканов, извержения вулканов, землетрясения.

Цикличность образования новых пород на планете определяется положением Солнца в Галактике. Период этого цикла – 400 … 500 млн лет. Между бурными перестройками идёт спокойное, ритмичное существование – ровный геологический пульс Земли.

[3] Собственное магнитное поле Земли по своему происхождению аналогично солнечному. В жидком внешнем ядре расплавленный металл бурлит, образуя мощные турбулентные вихри (гипотеза предложена Л.И.Френкелем в 1948 г.). Небольшое количество радиоактивных веществ, содержащихся в ядре, поддерживает это движение, так как энергия радиоактивного распада создаёт градиент температур. В слабом первичном магнитном поле любого происхождения индуцируются электрические токи. Эти замкнутые вихревые токи создают своё магнитное поле, которое усиливает первичное поле.

Конвекционные вихревые токи разбиваются на ячейки (Бенара). Индукция возникающего магнитного поля: ~ , где N – количество ячеек.

Собственное магнитное поле Земли аналогично полю магнитного диполя - витка с током. [2] Оценим величину кольцевого тока, текущего в плоскости экватора на расстоянии R = 5000 км от центра Земли, если он создаёт вблизи полюса магнитное поле индукцией В = 10^-4 Тл (Рис.10).

Рис.10

Индукция магнитного поля на оси кругового тока I на расстоянии h от центра кольца радиуса R

и

В нашем случае R = 5000 км = , h = r_З – радиус Земли, h = , поэтому

А

Реально вихревое кольцо наклонено к экватору, поэтому магнитная ось не совпадает с осью вращения Земли. Северный магнитный полюс находится со стороны южного полюса оси вращения Земли.

Качественно силовые линии поля показаны на рис.11. Они выходят из северного магнитного полюса и входят в южный, но не уходят на бесконечность, как у диполя, а обрываются и зависят от времени года (обсудим позже).

Рис.11

Графически магнитное поле Земли изображают с помощью изолиний – линий, соединяющих точки земной поверхности с одинаковыми значениями напряжённости поля Н. Поверхность Земли разбивается изолиниями на ряд областей почти круглой формы, в центре которых магнитная стрелка, подвешенная за центр тяжести, устанавливается вертикально, как будто в центре этой области есть вертикально расположенный магнит. В одних областях он обращён вверх северным концом, в других – южным. Это – магнитные аномалии. Крупных аномалий на Земле 6, одна из них – вблизи Антарктиды – распадается на две. Наиболее интенсивная и правильная по форме – Восточно-Азиатская (Восточно-Сибирская) магнитная аномалия. В западной Африке расположена противоположная по знаку аномалия.

Центр области изолиний является источником силовых линий. Причина аномалий – залегание под их центрами громадных намагниченных масс или мощных вихревых токов.

Вековые вариации имеют период в несколько сотен лет.

[5] Вся планетная система взаимосвязана. Земля резонирует на изменения магнитного состояния Юпитера, Урана. Наиболее мощных магнитных аномалий на Земле четыре. На Юпитере – тоже четыре. У Земли и Юпитера совпадают магнитные оси.

Сейчас идёт инверсия магнитного поля – переполюсовка - и на Юпитере, и на Уране, и на Земле. Южный магнитный полюс Земли (он со стороны северного полюса оси вращения) смещается по направлению к Сибири на 16…17 км в год (обычный дрейф составляет 2…3 см в год). Одновременно с 1986 года (начала очередного солнечного цикла) расширяется полярная щель: обычный угол её раствора составляет 3⁰…6⁰ , а к 1996 году она увеличилась до 45⁰ . (Полярная щель – угол раскрытия силовых линий магнитного поля в районе магнитного полюса). Наращивается мощность Восточно-Сибирской магнитной аномалии, т.е. вертикальная составляющая напряжённости Н увеличивается на 28…32 нТл в год.

Состояние природы новое, все живые существа реагируют на него. Наша кровеносная система – магнитная антенна. Больше всего магниточувствительных элементов находится в крови. Раньше других почувствовали усиление магнитного поля новорожденные. В Красноярске стали рождаться дети с пониженным количеством железа в крови. Кровь при новом его содержании выполняет свои функции при росте и организации сознания ребёнка. Когда врачи забили тревогу и стали вводить детям железо, они начали болеть.

Итак, собственное магнитное поле Земли создаётся вихревыми токами в ядре планеты (геомагнитное поле). Как влияют на него внешние причины, прежде всего Солнце?