Что такое магнитное поле земли

Основные сведения о магнитном поле Земли

Магнитное поле Земли — это пространство, созданное внутриземными источниками, подверженное действию магнитных сил.

По сравнению с изученным Ньютоном гравитационным полем, магнитное является более слабым. Но оно имеет огромное значение для планеты и ее развития: оберегает нас от космического излучения, мощного потока исходящих от Солнца и других небесных тел заряженных частиц. Также известно, что магнитосфера является ориентиром для перелетных птиц, значимым фактором для нашего здоровья: прогнозы касательно геомагнитной обстановки учитывают врачи и чувствительные к геомагнитным бурям люди. Примечание

Толщина магнитосферы Земли с солнечной стороны обычно составляет 75–80 тысяч километров. Эта же величина в противоположном направлении достигает миллионов километров.

1. Генерирование поля за счет постоянного вращения металлического ядра планеты.
2. Самовозбуждающееся динамо.

Первая теория сейчас подвергается резкой критике, так как по математическим формулам, применимым к данной ситуации, получается, что магнитное поле не может иметь ту конфигурацию, которую демонстрирует сегодня.

Вторая теория, по мнению ученых, более обоснована, может служить основой для дальнейших изысканий. Согласно ей источником магнитосферы является окружающее твердое ядро расплавленное проводящее вещество.

При движении оно создает слабые магнитные поля. Вращаясь в этих полях, вещество образует индукционные электрические токи. Токи усиливают поле и, соответственно, усиливают индукцию, порождая новые электромагнитные поля.

Усиление мощности магнитного поля могло бы быть бесконечным. Но процесс ограничивается поступлением определенного объема энергии, скоростью вращения планеты.

Строение и характеристики магнитного поля Земли

Строение магнитного поля представляет собой совокупность трех элементов:

• главного поля, характеристики которого определяются процессами, происходящими в жидком внешнем ядре планеты;
• полей мировых аномалий — областей, подвергающихся влиянию намагниченных пород земной коры;
• внешнего магнитного поля, находящегося под воздействием солнечного ветра.

Со стороны Солнца внешнее магнитное поле сжимается, в противоположном направлении обретает «шлейф».

Расположение и изменение полюсов

Ось магнитного поля не совпадает с осью, относительно которой Земля вращается в пространстве. Ее центр смещен относительно центра планеты, а угол наклона отличается на 10%. На такой же угол отстоят друг от друга географические и геомагнитные полюса.

Точки пересечения оси вращения планеты с ее поверхностью называются географическими полюсами. Места пересечения оси магнитного поля с поверхностью Земли называются геомагнитными полюсами.

Географические полюса могут служить лишь примерным ориентиром для нахождения геомагнитных полюсов, так как последние постоянно смещаются. Причиной этого явления служит прецессия — смена вектора оси вращения.

История исследований

Свойства магнита были известны еще в Древнем Китае. Уже в ту эпоху люди знали, что намагниченные предметы всегда занимают определенное положение: именно так появился компас и возможность его использования в морских рейдах. Однако способность притягивать стрелку приписывали расположенной вблизи Северного полюса Полярной звезде.

Первым подверг сомнению эту версию пересекавший Атлантический океан Колумб. Он заметил, что на полпути из Европы в Америку стрелка компаса на 12 градусов отклонилась в западном направлении.

Следующим шагом в поиске истины стало открытие магнитного отклонения — угла, на который стрелка отклоняется в вертикальной плоскости под воздействием магнитного поля планеты. Выяснилось, что в различных точках Земли образуются разные углы отклонения. При этом графика изменений показала наличие сложных закономерностей.

В 1600 году англичанин Уильям Гильберт выдвинул гипотезу о том, что наша планета является магнитом. Он предположил, что полюса магнита совпадают с географическими полюсами Земли.

Первым теоретическим трудом, содержание которого отобразило понятные представления о физической величине и направлении напряженности, стала работа немецкого математика Карла Гаусса. В ней ученый привел математическое выражение, посредством которого можно вычислить значения любой составляющей земного магнетизма.

Это было в 1834 году. А в 1839 году Гаусс доказал, что основная часть магнитного поля выходит из недр планеты, а причину кратковременных изменений нужно искать во внешней среде.

Примечание

Примерно в это же время английский путешественник Джон Росс обнаружил на Канадском архипелаге Северный магнитный полюс — место, где стрелка образует угол, равный 90 градусам. В 1841 году племянник Джона Росса — Джеймс Росс — рассчитал точку, где отклонение от прямого угла должно исчезнуть в противоположном направлении. И позже во время путешествия зафиксировал другой полюс в Антарктиде.

Что такое магнитное поле Земли

Магнитное поле Земли — это гигантское магнитное силовое поле, окружающее всю Землю, которое защищает планету от космического излучения; это магнитосфера Земли.

Магнитное поле Земли также называют геомагнитным полем.

Это силовое поле можно представить, будто через ядро Земли проходит длинный намагниченный стержень. Северный полюс магнита расположен около географического Северного полюса (Земли), а южный полюс магнита — около Южного полюса.

Их называют геомагнитными полюсами Земли. Но они не находятся прямо у полюсов. Например, северный магнитный полюс отходит от северного географического полюса на 1400 км.

Это силовое поле простирается дальше, в космос на десятки тысяч километров.

На данный момент магнитное поле Земли ослабевает со скоростью в 5% каждые 100 лет.

Значимость магнитного поля

Учёные уверены, что магнитное поле Земли играет важную роль в том, чтобы наша планета была пригодной для жизни. Магнитное поле защищает поверхность Земли от солнечного ветра и вредного космического излучения. Оно работает как своеобразный щит — без его существования атмосфера была бы разрушена.

Как появляется магнитное поле Земли

До конца ещё неизвестно правда это или нет, но учёные считают, что магнитное поле генерируется глубоко в ядре Земли.

По словам учёных, прямо в центре Земли есть твёрдое внутреннее ядро, которое состоит в основном из железа. Это железо имеет температуру в 5700° С, но сокрушительное давление (вызванное силой тяжести) не даёт ему превратиться в жидкость.

Вокруг него находится внешнее ядро — слой железа, никеля и других металлов. У него более низкое давление, чем у внутреннего ядра, т. е. металл здесь жидкий.

Существуют различия между этими двумя слоями (в температуре, давлении, составе). Таким образом, во внешнем ядре происходят конвекционные токи (перемещение электрических зарядов) в жидком металле. Тёплое и обладающее меньшей плотностью вещество поднимается, и наоборот — более холодное и плотное погружается вниз.

Потом заряженные металлы проходят через созданные поля и продолжают создавать уже собственные электрические токи, и этот бесконечный цикл продолжается. Этот цикл называется геодинамо.

Из чего состоит магнитное поле Земли

Геомагнитное поле состоит из:

• главного геомагнитного поля (производится во внешнем ядре Земли);
• аномального геомагнитного поля (производится намагниченными горными породами);
• внешнего геомагнитного поля (производится взаимодействиями между Солнцем и Землёй).

Виды магнитных полей Земли

Магнитное поле Земли делится на четыре вида:

• дипольное поле;
• поле материковых аномалий;
• поле региональных аномалий;
• поле локальных аномалий.

Как магнитное поле измеряется?

Измерения магнитного поля Земли наблюдаются в магнитных обсерваториях. Для измерения поля в магнитных обсерваториях используются различные магнитометры.

Магнитные съёмки можно сделать по-разному: на суше, на воде, по воздуху или спутником.

Магнитное поле Земли в Гауссах

Индукция магнитного поля Земли составляет примерно 0,5 Гаусса (эта величина варьируется от 0,3 до 0,6 Гс).

Магнитное поле Земли в Теслах

Величина магнитного поля Земли колеблется между 0,00003 – 0,00005 тесла (на широте 0° будет приблизительно 0,00003 Тл, а на широте 50° — 0,00005 Тл).

Какие изменения наблюдались в магнитном поле Земли

Изменение полярности

По данным NASA, магнитное поле Земли изменило свою полярность уже несколько раз за последние тысячелетия.

Например, если бы мы жили 800 000 лет назад и, с магнитным компасом, направлялись бы на то, что мы сейчас называем севером, стрелка бы указывала на юг. Таким образом, они заявляют, что даже если магнитное поле Земли (опять) изменит свою полярность, никакого конца света от этого не произойдёт.

Они заявляют, что это изменение полярности является даже правилом, а не исключением: за последние три миллиарда лет они менялись сотни раз.

Изменения позиции магнитного полюса

Учёные уже давно выяснили, что магнитный полюс находится в постоянном движении.

В 1831 году британские исследователи Джон Росс и Джеймс Кларк Росс обнаружили координаты Северного магнитного полюса.

В 1904 году норвежский исследователь Руаль Амундсен снова нашёл полюс и понял, что тот сдвинулся за эти 73 года на 50 км.

И это движение полюса не остановилось: он двигался со средней скоростью 10 км/год. Однако недавно, как заявляют учёные, он начал ускоряться, иногда достигая 40 км/год.

Таким образом, они считают, что уже через несколько десятилетий он оставит Северную Америку и достигнет Сибири.

Ещё меняются и показания компаса. Например, в Африке они отклоняются на 1 градус каждые 10 лет.

Магнитное поле ослабевает

Сравнительно с 19-м веком оно стало слабее на 10%. Однако профессор Калифорнийского университета Гари Глатцмайер уверяет, что это довольно незначительные изменения, в сравнении с тем, что происходило с магнитным полем ранее.

Читайте также про:

• Напряженность электрического поля,
• Магнитную индукцию,
• Магнитное поле,
• Северное сияние,
• Атмосферу Земли,
• Озоновый слой
• Циклоны.

Дата обновления 01/06/2021.

Теория магнитного поля и интересные факты о магнитном поле Земли

Давайте вместе разбираться в том, что такое магнитное поле. Ведь многие люди живут в этом поле всю жизнь и даже не задумываются о нем. Пора это исправить!

Магнитное поле

Магнитное поле – особый вид материи. Оно проявляется в действии на движущиеся электрические заряды и тела, которые обладают собственным магнитным моментом (постоянные магниты).

Важно: на неподвижные заряды магнитное поле не действует! Создается магнитное поле также движущимися электрическими зарядами, либо изменяющимся во времени электрическим полем, либо магнитными моментами электронов в атомах. То есть любой провод, по которому течет ток, становится также и магнитом!

Магнит — тело, обладающее собственным магнитным полем.

У магнита есть полюса, называемые северным и южным. Обозначения «северный» и «южный» даны лишь для удобства (как «плюс» и «минус» в электричестве).

Магнитное поле изображается посредством силовых магнитных линий. Силовые линии непрерывны и замкнуты, а их направление всегда совпадает с направлением действия сил поля. Если вокруг постоянного магнита рассыпать металлическую стружку, частицы металла покажут наглядную картину силовых линий магнитного поля, выходящих из северного и входящих в южный полюс. Графическая характеристика магнитного поля — силовые линии.

Характеристики магнитного поля

Основными характеристиками магнитного поля являются магнитная индукция, магнитный поток и магнитная проницаемость. Но давайте обо всем по порядку.

Сразу отметим, что все единицы измерения приводятся в системе СИ.

Магнитная индукция B – векторная физическая величина, являющаяся основной силовой характеристикой магнитного поля. Обозначается буквой B. Единица измерения магнитной индукции – Тесла (Тл).

Магнитная индукция показывает, насколько сильно поле, определяя силу, с которой оно действует на заряд. Данная сила называется силой Лоренца.

Здесь q — заряд, v — его скорость в магнитном поле, B — индукция, F — сила Лоренца, с которой поле действует на заряд.

Магнитный поток Ф – физическая величина, равная произведению магнитной индукции на площадь контура и косинус между вектором индукции и нормалью к плоскости контура, через который проходит поток. Магнитный поток — скалярная характеристика магнитного поля.

Можно сказать, что магнитный поток характеризует количество линий магнитной индукции, пронизывающих единицу площади. Магнитный поток измеряется в Веберах (Вб).

Магнитная проницаемость – коэффициент, определяющий магнитные свойства среды. Одним из параметров, от которых зависит магнитная индукция поля, является магнитная проницаемость.

Магнитное поле Земли

Наша планета на протяжении нескольких миллиардов лет является огромным магнитом. Индукция магнитного поля Земли изменяется в зависимости от координат. На экваторе она равна примерно 3,1 на 10 в минус пятой степени Тесла. К тому же существуют магнитные аномалии, где значение и направление поля существенно отличаются от соседних областей. Одни из самых крупных магнитных аномалий на планете — Курская и Бразильская магнитные аномалии.

Происхождение магнитного поля Земли до сих пор остается загадкой для ученых. Предполагается, что источником поля является жидкое металлическое ядро Земли. Ядро движется, значит, движется расплавленный железо-никелевый сплав, а движение заряженных частиц – это и есть электрический ток, порождающий магнитное поле. Проблема в том, что эта теория (геодинамо) не объясняет того, как поле сохраняется устойчивым.

Земля – огромный магнитный диполь. Магнитные полюса не совпадают с географическими, хотя и находятся в непосредственной близости. Более того, магнитные полюса Земли движутся. Их смещение регистрируется с 1885 года. Например, за последние сто лет магнитный полюс в Южном полушарии сместился почти на 900 километров и сейчас находится в Южном океане. Полюс арктического полушария движется через Северный Ледовитый океан к Восточно-Сибирской магнитной аномалии, скорость его передвижения (по данным 2004 года) составила около 60 километров в год. Сейчас наблюдается ускорение движения полюсов — в среднем скорость растет на 3 километра в год.

Каково значение магнитного поля Земли для нас? В первую очередь магнитное поле Земли защищает планету от космических лучей и солнечного ветра. Заряженные частицы из далекого космоса не падают прямо на землю, а отклоняются гигантским магнитом и движутся вдоль его силовых линий. Таким образом, все живое оказывается защищенным от пагубной радиации.

За историю Земли происходило несколько инверсий (смен) магнитных полюсов. Инверсия полюсов – это когда они меняются местами. Последний раз это явление произошло около 800 тысяч лет назад, а всего геомагнитных инверсий в истории Земли было более 400. Некоторые ученые полагают, что с учетом наблюдающегося ускорения движения магнитных полюсов следующей инверсии полюсов следует ожидать в ближайшие пару тысяч лет.

К счастью, в нашем веке смены полюсов пока не ожидается. А значит, можно думать о приятном и наслаждаться жизнью в старом добром постоянном поле Земли, рассмотрев основные свойства и характеристики магнитного поля.

Что такое магнитное поле Земли, как оно создается и в чем его значение?

С древних времен известно, что магнитная стрелка, свободно вращающаяся вокруг своей вертикальной оси, всегда позиционируется в определенном направлении в данном месте Земли (если поблизости нет магнитов, проводников электричества или железных предметов). Этот факт объясняется тем, что вокруг Земли существует магнитное поле, и магнитная стрелка устанавливается вдоль его магнитных линий. На этом основан компас, который представляет собой магнитную стрелку, свободно вращающуюся на оси.

Узнайте, что такое магнитное поле Земли, как оно создается и многое другое в этой статье.

Магнитное поле Земли: простое объяснение

Наша планета Земля окружена магнитным полем, которое также называют магнитным полем Земли. Если смотреть со стороны, то магнитное поле Земли по форме напоминает стержневой магнит. Это означает, что вы можете представить себе огромный стержневой магнит под поверхностью Земли, наклоненный к оси вращения Земли. Южный полюс этого магнита направлен в сторону географического северного полюса Земли.

Магнитное поле Земли имеет интенсивность от 30 микротесла (мкТл) до 60 мкТл. Основная часть магнитного поля Земли возникает в жидком внешнем ядре Земли в результате конвекции расплавленного железа.

Помимо обеспечения ориентации по компасу, магнитное поле Земли выполняет еще одну жизненно важную задачу: экранирует солнечный ветер, то есть защищает нас от опасного излучения из космоса. В состав космического излучения, кроме электронов, протонов, входят и другие частицы, движущиеся в пространстве с огромными скоростями.

Как создается магнитное поле Земли?

Основная часть магнитного поля возникает внутри Земли. Поэтому в этом разделе мы сначала покажем вам, как устроено ядро Земли, а затем кратко остановимся на так называемой «теории динамо».

Структура ядра Земли

Вы можете представить себе Землю, разделенную на четыре сферические оболочки и одну сферу (смотрите рисунок 1 ниже). Каждая сферическая оболочка изготовлена из разных материалов и имеет разную толщину. Сфера находится в центре, а четыре сферические оболочки окружают сферу одна за другой. В следующем списке показана структура Земли, начиная с поверхности Земли и заканчивая ее центром.

• Сферическая оболочка 1 — земная кора: толщина 5 — 70 км.
• Сферическая оболочка 2 — верхняя мантия: глубина около 660 км.
• Сферическая оболочка 3 — нижняя мантия: глубина 660 — 2900 км.
• Сферическая оболочка 4 — внешнее ядро: глубина 2900 — 5150 км.
• Сфера — внутреннее ядро Земли: глубина от 5150 до 6371 км.

Теория динамо

Внешнее ядро состоит в основном из жидкого, электропроводящего железа. Внешний слой внешнего ядра Земли холоднее внутреннего ядра Земли. Эта разница температур приводит к возникновению конвекционных течений. Это означает, что жидкое железо во внешнем ядре сильно перемещается вперед и назад. К этому движению добавляется ещё и вращение земли.

Следующее наблюдение стало решающим для магнитного поля Земли, а именно, магнитное поле «задерживается» в проводнике. Если проводник движется, магнитное поле должно следовать за ним. Именно это и происходит во внешнем ядре Земли. Внешнее магнитное поле попадает в земное ядро и задерживается жидким железом. Затем это внешнее магнитное поле следует за движениями жидкого железа.

Во внешнем ядре Земли существует градиент вращения: чем ближе вы находитесь к внутреннему ядру, тем быстрее вы вращаетесь вокруг оси вращения Земли. Этот градиент вращения заставляет жидкое железо испытывать силу Кориолиса и, таким образом, отклоняться в спиралевидные траектории. Внешнее магнитное поле следует за этим спиральным движением, образуя искаженные кольца. Такое «магнитное кольцо» соответствует электрическому току. Этот электрический ток, в свою очередь, создает магнитное поле, которое усиливает внешнее магнитное поле. Как итог, создается магнитное поле Земли.

Таким образом, составляющие магнитного поля Земли следующие: конвекционные токи, вращение Земли и электропроводящая жидкость в ядре Земли.

Примечание! Основная идея магнитного поля Земли: уже существующее магнитное поле в ядре Земли приводит к электрическому току. Этот электрический ток, в свою очередь, создает магнитное поле, которое усиливает исходное магнитное поле.

Теперь вам может быть интересно, откуда берется внешнее магнитное поле. На самом деле, малейшего теплового движения во внешнем ядре Земли достаточно для возникновения случайного электрического тока. Затем этот электрический ток создает внешнее магнитное поле, которое усиливается динамо-эффектом и формирует магнитное поле Земли.

Индукция и форма магнитного поля Земли

Индукция магнитного поля Земли составляет от 30 до 60 мкТл. Для сравнения: типичный подковообразный магнит имеет индукция магнитного поля 0,1 тесла; а индукция магнитного поля магнитно-резонансного томографа для использования человеком составляет от 0,35 до 3 тесла.

Форма магнитного поля Земли напоминает форму стержневого магнита (см. рисунок 2). Если смотреть со стороны, то кажется, что внутри Земли находится гигантский стержневой магнит. Он наклонен примерно на 11° относительно оси вращения, а его южный полюс направлен в сторону географического северного полюса Земли.

Наблюдения показывают, что по мере приближения Земли к географическому северному полюсу магнитные линии магнитного поля Земли все больше наклоняются к горизонту и становятся вертикальными, входя в Землю примерно на 75° северной широты и 99° западной долготы. Южный магнитный полюс Земли сейчас находится в этой точке, примерно в 2100 км от географического северного полюса.

Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.

Северный магнитный полюс Земли расположен вблизи географического южного полюса, то есть на 66,5° южной широты и 140° восточной долготы. Здесь магнитные линии магнитного поля Земли покидают Землю.

Поэтому магнитные полюса Земли не совпадают с географическими полюсами Земли. По этой причине направление магнитной стрелки не совпадает с направлением географического меридиана. Магнит
Стрелка компаса лишь приблизительно указывает на север.

Есть области земного шара, где направление магнитной стрелки постоянно отклоняется от направления магнитной линии Земли. Эти области называются магнитными аномалиями.

Смена полярности магнитного поля Земли

В этом разделе мы кратко объясним, что имеется в виду под изменением полярности магнитного поля Земли и что это означает для жизни на Земле.

Феномен и значение

Термин «изменение полярности» означает, что положения магнитных полюсов меняются местами. Возьмите стержневой магнит так, чтобы южный полюс был направлен вверх. Теперь поверните стержневой магнит на 180° так, чтобы южный полюс был направлен вниз. Теперь вы успешно изменили полярность магнита.

Исследования горных пород показали, что за последние 84 миллиона лет произошло 183 таких переполюсовки. Последняя смена полюсов произошла 780 000 лет назад. Возможно, сейчас вы спрашиваете себя, не настало ли время для того, чтобы снова произошел разворот полюсов. На самом деле, смена полярности является случайным событием. Это означает, что невозможно точно утверждать, когда это произойдет.

Но предположим, что полярность поменялась. Имеет ли это какое-либо значение для жизни на Земле? В любом случае навигация по компасу вначале работать не будет. У таких животных, как птицы, морские черепахи и киты, вначале также будут проблемы с ориентацией. Но это будет лишь вопросом времени, когда навигация по компасу и ориентация животных снова «выровняются».

Худшие последствия, такие как отказ всех технологий, в настоящее время являются лишь гипотезой. Факт состоит в том, что магнитное поле Земли постепенно ослабевает, а это значит, что всё больше опасной радиации достигает Земли. Однако, точные последствия этого все еще исследуются.

Значение

В этом последнем разделе мы кратко обсудим важные задачи, выполняемые магнитным полем Земли.

Экранирование.

Одной из важнейших задач магнитного поля Земли является защита от солнечного ветра — магнитное поле Земли создает так называемую магнитосферу, которая окружает Землю. Солнечный ветер состоит из высокоэнергетических частиц. Отсутствие экранирования может, например, привести к уменьшению озонового слоя. Этот слой защищает Землю и, соответственно, людей от опасного ультрафиолетового излучения. Поэтому без магнитного поля Земли большее количество такого излучения будет попадать на людей и повышать риск возникновения рака, в том числе.

Ориентация.

Магнитное поле Земли служит не только для защиты, но и для ориентации. Например, с помощью компаса люди могут спланировать свой маршрут через лес. Такие животные, как киты, голуби и медоносные пчелы, используют магнитное поле Земли для ориентации.