5.3.2 Магнитное поле Земли и его изменения

Земля- гигантский магнит. Ее магнитное поле можно уподобить полю, создаваемому полосовым постоянным магнитом (намагниченным стержнем). Такой стержень называется магнитным диполем. Так что магнитное поле Земли подобно полю магнитного диполя. Описывая таким образом магнитное поле Земли мы не должны забывать, что это лишь упрощенная модель. Модель была бы совсем простой, если бы ось магнитного диполя проходила через центр Земли и совпадала бы с осью вращения Земли. Но это не так. Ось воображаемого стержня отстоит от центра Земли на 0.07 R_ 460 км, а ее направление не совпадает с осьювращения Земли. Поэтому и магнитные полюса Земли не совпадают с ее северным и южным полюсами. Один магнитный полюс находится в Гренландии, а другой- в Антарктиде. Причем на севере, в Гренландии, находится южный полюс магнита, а в Антарктиде- северный. Распределение магнитного поля по поверхности Земли показано на карте (рис.).

Рис.41: Карта "полной силы " (модуля вектора магнитной индукции B) магнитного поля на поверхности Земли. Нанесены линии равных значений B. Числа приведены в единицах 10^-4 Тл

На этом трудности с описанием магнитного поля Земли не заканчиваются. На структуру крупномасштабного поля Земли заметно влияет солнечный ветер.

Солнечный ветер- это поток плазмы, непрерывно исходящий от Солнца во все стороны. Частицы солнечного ветра (электроны, протоны,  -частицы) движутся вдоль магнитных силовых линий межпланетного магнитного поля. Средняя скорость солнечного ветра в окрестностях Земли составляет 400 км/с. Солнечный ветер сильно искажает симметричную картину магнитных силовых линий. На рис. показано, как выглядит магнитное поле Земли. Фигура, которую образует магнитное поле Земли в результате взаимодействия с солнечным ветром, называется магнитосферой Земли. С освещенной (дневной) стороны, то есть со стороны Солнца, линии сжимаются ветром- поле усиливается, с темной (ночной) стороны линии сдуваются, разрежаются- поле ослабляется.

Рис.42: Магнитосфера Земли (меридиональное сечение): маленький черно-белый шарик в центре- сама Земля; 1- солнечный ветер; 2- ударный фронт; 3- магнитная полость; 4- магнитопауза; 5- верхняя граница полярной магнитосферной щели; 6- плазменная мантия; 7- внешний радиационный пояс; 8- внутренний радиационный пояс или плазмосфера; 9- нейтральный слой; 10- плазменный слой

А внутри всей этой сложной структуры вращается планета Земля вместе со всеми ее обитателями. Выходит, что для жителя Земли, участвующего в суточном вращении, конфигурация и напряженность магнитного поля непрерывно меняется в характерном суточном ритме. На эти изменения накладываются 27-суточные периодические вариации, связанные с вращением Солнца и секторной структурой межпланетного поля. Поясним эти понятия.

Солнце вращается дифференциально, то есть периоды вращения на разных широтах не одинаковы. Период вращения на экваторе Солнца (гелиографическая широта 0^ ) составляет примерно 25 суток, на более высоких широтах период вращения больше: на широте 75^ он достигает 32 земных суток. Линейнаяскорость вращения на солнечном экваторе составляет примерно 2 км/с (в 4 раза больше, чем на экваторе Земли).

Мы смотрим на Солнце с Земли, которая вместе с нами обращается вокруг Солнца, причем в том же направлении, в каком вращается само Солнце. Поэтому с Земли нам кажется, будто Солнце вращается немного медленнее. Синодический (видимый с Земли) период вращения Солнца составляет приблизительно 27 суток.

Вместе с Солнцем вращается и его магнитное поле. Оно простирается далеко от Солнца и на больших расстояниях от него образует так называемую секторную структуру. На рис. дан вид "сверху " на солнечную систему и ее магнитное поле. Круг радиуса 1 а.е. показывает орбиту Земли. Стрелки указывают направление магнитных силовых линий магнитного поля. В заштрихованных секторах стрелки направлены к Солнцу- это одна полярность магнитного поля. В незаштрихованных секторах полярность солнечного магнитного поля меняется на противоположную. За 27 суток Земля побывает во всех секторах. Переходы из сектора в сектор сопровождаются возмущениями в магнитном поле Земли.

Рис.43: Вид "сверху " на солнечную систему и солнечное магнитное поле. Круг радиуса 1 а.е.- орбита Земли. Стрелки указывают направление магнитных силовых линий солнечного магнитного поля. В заштрихованных и незаштрихованных секторах противоположная полярность магнитного поля

Магнитосфера Земли выполняет важнейшие защитные функции. Она перехватывает или отклоняет вредоносные космические лучи и частицы солнечного ветра. Однако некоторые наиболее энергичные частицы могут проникать через щели в магнитосфере, то есть участки, где поле слабее всего. Эти частицы ответственны за разрушение ионосферы Земли и, следовательно, за нарушения радиосвязи.

Около магнитных полюсов силовые линии геомагнитного поля расположены ближе к поверхности Земли (рис.42). Заряженные частицы солнечного ветра, двигась вдоль магнитных силовых линий, проникают в районах магнитных полюсов более глубоко в атмосферу и, взаимодействуя там с атомами и молекулами, передают им часть своей энергии. Из-за этого в верхней атмосфере возбуждается свечение, и мы можем наблюдать одно из самых красивых явлений природы- полярные сияния. На рис. схематично показан вид полярного сияния из космоса. Обычно две-три дуги полярного сияния тянутся рядом на тысячи километров на ночной (неосвещенной) стороне земного шара.

Рис.44: Схематическая планетарная картина полярного сияния.

Что произойдет, если магнитное поле Земли вдруг "выключится "? Тогда у Земли не станет защитной оболочки- магнитосферы. Энергичные частицы солнечного ветра и космические лучи галактического происхождения смогут беспрепятственно бомбардировать верхние слои атмосферы. До поверхности они не долетят, но из-за столкновений этих частиц с молекулами воздуха образуются настоящие "ливни " вторичных частиц. Это приведет к повышению уровня радиации на поверхности Земли (правда, незначительному). Важнее то, что облучение верхней атмосферы космическими частицами уничтожит слой озона O₃, защищающий все живое на Земле от губительного ультрафиолетового излучения Солнца ¹⁹ Сильная солнечная вспышка, порождающая космические лучи, уничтожает такое количество озона, что уровень ультрафиолетового излучения на поверхности Земли после вспышки превышает нормальный примерно на 15%.

Но возможно ли такое- исчезновение магнитного поля Земли? Да, в истории Земли были такие периоды.

Проследить изменения магнитного поля Земли в глубоком прошлом можно с помощью непосредственных измерений. Для этого применяют палеомагнитный методизучения "истории " магнитного поля Земли. Палеомагнитный метод основан на том, что большинство горных пород содержат от 0.1 до 10% мелких зерен так называемых магнитоупорядоченных веществ, которые в момент своего возникновения намагничиваются и "запоминают " на тысячи и миллионы лет направление магнитного поля Земли.

Обработка палеомагнитных измерений, выполненных поперек горных хребтов, показала, что в прошлом магнитное поле Земли много раз меняло свое направление на противоположное. И наоборот, геологические образцы, отобранные в разных местах планеты, но так, что все они относились к одной и той же геологической эпохе, показали полностью согласующиеся между собой направления магнитного поля.

Оказалось, что за последние 70 млн. лет инверсии (изменения знака) магнитного поля Земли происходили не менее трех раз за каждый миллион лет. Самые короткие из обнаруженных периодов с постоянным направлением поля- около 50 тыс. лет. Однако существовали и длительные периоды постоянного знака поля. Например, в период, близкий к меловому (более 70 млн лет назад) знак полярности оставался неизменным, вероятно, многие миллионы лет.

На рис. показано, как менялся знак магнитного поля Земли на протяжении последних 4 млн лет. В зависимости от времени (отсчет времени на рисунке идет от настоящего в прошлое) меняется наклонение магнитного поля.

Рис.45: Изменения полярности магнитного поля Земли в прошлом. Отсчет времени идет от настоящего в прошлое

Периоды смены полярности характеризуются исчезновением магнитного поля. В эти сравнительно короткие периоды отсутствия, "выключения " магнитосферы должны были происходить все описанные выше явления. Можно ли чем-нибудь подтвердить эти предположения? Исследовались ископаемые отложения, в частности ископаемый планктон, найденный в кернах на дне океанов. Было установлено, что вымирание нескольких видов радиолярий происходило именно в периоды смены полярности магнитного поля Земли. Известно также, что около трети всех видов живых организмов вымерли в период, близкий к меловому, когда после очень длительного периода стабильной полярности снова возобновились частые смены полярности геомагнитного поля.