Земля — большой магнит

Просмотров: 5433

Намагниченный брусок имеет два магнитных полюса — северный и южный. Магнитное поле такого бруска является дипольным, то есть полем с двумя полюсами («ди» означает два) . Форму его можно увидеть с помощью железных опилок. Силовые линии этого поля проходят так, как ориентируются опилки. Каждая опилка является стрелкой компаса. Она ориентируется вдоль магнитного поля, по касательной силовой линии магнитного поля.

Земля тоже намагничена. Она имеет свое магнитное поле с двумя полюсами, вокруг глобуса можно создать такое магнитное поле, если внутрь полюса поместить намагниченный брусок. Но как? Вначале его надо разместить вдоль оси вращения Земли. Половина бруска в северном полушарии, а другая половина в южном.

Южный магнитный полюс надо направить к северному географическому полюсу. Тогда северный магнитный полюс бруска будет совпадать с южным географическим полюсом.

После этого надо брусок отклонить от оси вращения Земли на 11°. Надо отклонить его так, чтобы он своим южным магнитным полюсом упирался в город Туле (Гренландия). Тогда магнитное поле бруска, «привязанное» таким образом к Земле, будет похоже на магнитное поле Земли.

Магнитное поле земного диполя одинаковое со всех сторон: с дневной, ночной, утренней и вечерней. Оно не зависит от положения Солнца. Над магнитным экватором оно проходит горизонтально. Над магнитными полюсами силовые линии магнитного поля Земли направлены вертикально. Принято считать, что магнитное поле направлено от северного магнитного полюса к южному. Значит, силовые линии магнитного поля Земли направлены в южном полушарии снизу вверх, а в северном— сверху вниз. Силовые линии, выходящие из северного магнитного полюса (в южном полушарии), входят в южный магнитный полюс в северном полушарии.

Чтобы не было путаницы из-за того, что северный магнитный полюс находится в южном полушарии, а южный— в северном, договорились называть магнитный полюс в северном полушарии северным геомагнитным полюсом. Стрелка компаса поворачивается на север своим северным магнитным полюсом. Это и происходит потому, что на севере находится южный магнитный полюс. МЫ будем придерживаться терминологии, принятой учеными. Будем считать, что северный геомагнитный полюс находится в северном полушарии (вблизи Туле). Но будем помнить, что там на самом деле южный магнитный полюс. От этого зависит направление силовых линий магнитного поля.

Действительно ли магнитное поле Земли является полем диполя? В принципе да, а в деталях — нет. Эти детали тем не менее очень важны. Их удалось установить только сравнительно недавно, когда космические аппараты позволили измерять магнитное поле далеко за пределами Земли. Эти измерения позволили установить, какова на самом деле форма магнитного поля Земли в деталях.

Оказалось, что магнитное поле Земли со стороны Солнца не такое, как с противоположной (ночной) стороны.

В области, примыкающей к Земле, магнитное поле является дипольным и не зависит от положения и даже наличия Солнца. В более удаленной от Земли области, на расстояниях, больших чем три радиуса Земли, различие в магнитных полях очень существенное. Оно состоит в следующем.

Магнитное поле диполя характеризуется «воронками» над магнитными полями. У реального магнитного поля Земли эти воронки находятся не над магнитными полюсами, а смещаются в сторону экватора примерно на 1000 км от полюсов. Кроме того, форма магнитных силовых линий на дневной стороне очень сильно отличается от таковой на ночной стороне. Поскольку это зависит от положения Солнца, то именно Солнце «виновато» в этом различии. Как понять суть этого влияния— влияния Солнца на форму магнитного поля Земли?

Солнечный ветер и магнитосфера Земли

Как Солнце может подействовать на магнитное поле Земли? Совершенно очевидно, что оно не может действовать на магнитное поле своим притяжением. Не может действовать на магнитное поле и солнечный свет, а также рентгеновское, инфракрасное и гамма-излучение. То же самое относится и к радиоволнам, которые излучает Солнце. Они тоже должны быть исключены из тех факторов, от которых зависит форма магнитного поля Земли. Что же остается? Заряженные частицы, которые выбрасываются из атмосферы Солнца и уходят в межпланетное пространство. Мы уже говорили об этих частицах. Они обладают различными энергиями, а значит и разными скоростями. Заряженные частицы с небольшими скоростями, которые непрерывно исходят из Солнца во все страны, называют солнечным ветром. Потоки высокоэнергичных заряженных частиц выбрасываются из солнечной атмосферы время от времени. Они обладают большими скоростями и достигают Земли быстрее частиц солнечного ветра.

Можно считать, что агент, который определяет форму магнитного поля Земли, а точнее деформацию магнитного диполя Земли, найден. Это солнечные заряженные частицы. Остается выяснить, как заряженные частицы это делают. Чтобы в этом разобраться, надо вспомнить, как заряженные частицы взаимодействуют с магнитным полем.

Если заряженная частица движется в магнитное поле, то ее движение зависит от этого поля. Исключением является только один случай — когда заряженная частица движется строго вдоль силовой линии магнитного поля. В этом случае заряженная частица не чувствует наличия магнитного поля, она движется так, как будто магнитного поля и вовсе нет. Если заряженная частица движется поперек магнитного поля, то траектория меняется: вместо прямой линии до вхождения в поле она становится окружностью. Чем сильнее магнитное поле, тем меньше эта окружность (у той же частицы) . Но с другой стороны, чем больше энергия летящей частицы, тем труднее магнитному полю согнуть ее траекторию в маленькую окружность.

Имеется некоторое условие баланса. Для того, чтобы изменить траекторию заряженных частиц с определенной энергией, магнитное поле должно иметь определенную величину и быть направлено перпендикулярно движению частиц. Если это условие выполняется, то заряженные частицы начинают вращаться вокруг силовых линий. Скорость их вращения и радиусы окружностей, по которым они вращаются, зависят от величины магнитного поля и энергии частиц. Положительно заряженные частицы вращаются в одну сторону, а отрицательно заряженные— в противоположную. Солнечные заряженные частицы подходят к магнитному полю Земли под разными углами: и продольно, и перпендикулярно, и косо. Те из частиц, которые подходят вдоль силовых линий (над магнитными полюсами), должны беспрепятственно проникать внутрь магнитной оболочки Земли (магнитосферы) . Те частицы, которые подходят к силовым линиям перпендикулярно, далеко вглубь магнитосферы не пройдут. Их траектории закручиваются вокруг силовой линии магнитного поля. Что же будет с частицами, которые косо падают на магнитное поле? Это тем более важно знать, что таких частиц большинство.

Когда заряженная частица движется под некоторым углом (но не прямым) к силовой линии магнитного поля, то это ее движение можно разложить на два: вдоль поля и поперек него. Собственно, в данном случае мы вектор скорости частицы раскладываем на составляющие— вдоль магнитного поля и поперек него. Движение такой частицы в магнитном поле станет движением по спирали. Частица будет вращаться вокруг силовой линии и одновременно смещаться вдоль силовой линии. Траектория частицы будет иметь форму спирали.

Радиус этой спирали и ее шаг будут неизменными в том случае, если будут оставаться неизменными энергия частицы и форма и напряженность магнитного поля. Это значит, что силовые линии магнитного поля должны быть прямыми, расстояние между которыми неизменно в направлении движения частицы. Это условие однородности магнитного поля. Но этот случай однородного магнитного поля для нас мало интересен. Ведь магнитное поле Земли неоднородно. Как в этом случае будут двигаться частицы?

Если силовые линии магнитного поля сходятся, то есть частица, двигаясь по спирали, продвигается во все более сильное магнитное поле, то ее продвижение в это поле постепенно замедляется. Магнитное поле противодействует продвижению частицы. Оно беспрепятственно пропускает частицу внутрь только в том случае, если она движется строго вдоль силовой линии магнитного поля. Двигаясь по спирали в сторону более сильного магнитного поля, заряженная частица на каком-то расстоянии перестает углубляться. После этого момента она постепенно (тоже по спирали) движется в противоположную сторону. Магнитное поле выталкивает заряженную частицу в сторону более слабого поля.

Магнитное поле Земли неоднородно. Это видно по форме силовых линий. По мере движения от экватора к полюсам вдоль силовых линий видно, что они сгущаются все больше и больше. Это значит, что магнитное поле увеличивается. В таком магнитном поле, которое увеличивается в обоих направлениях от экватора, заряженная частица оказывается пойманной, захваченной. Вращаясь по спиралям, заряженные частицы движутся в таком поле последовательно, отражаясь от более сильного поля попеременно то в южном, то в северном полушарии. При этом заряженные частицы находятся выше земной атмосферы. Такие заряженные частицы действительно были измерены в магнитосфере Земли. Их назвали поясами радиации.

Как деформируется магнитное поле Земли солнечными частицами? Поскольку заряженные частицы взаимодействуют с магнитным полем, то они могут это поле деформировать. Поток заряженных частиц, пролетающий от Солнца, взаимодействует с самыми внешними силовыми линиями магнитосферы Земли. Концы силовых линий остаются на прежнем месте, в Земле. А сами линии «выворачиваются» и вытягиваются потоком заряженных частиц на ночную сторону. Они прикрывают магнитные полюса, и воронки над полюсами исчезают. Зато образуются новые воронки на полуденном меридиане. Новые воронки удалены от полюсов примерно на 1000 км.

Очень важно, что эти воронки могут смещаться. Чем сильнее энергия солнечного потока заряженных частиц, тем больше силовых линий он выворачивает с дневной стороны на ночную. Тем больше воронка удаляется от полюса.

Под действием солнечных заряженных частиц с дневной стороны магнитосфера Земли ограничена определенным расстоянием от поверхности Земли. Когда Солнце спокойно, это расстояние равно примерно десяти земным радиусам. Во время солнечных бурь поток солнечных частиц усиливается и поджимает магнитосферу с солнечной стороны ближе к Земле. В это время воронки смещаются еще дальше от полюса. При очень сильных солнечных бурях магнитосфера на дневной стороне может быть сжата до трех земных радиусов. Тогда воронки смещаются от полюса.

Под действием солнечных заряженных частиц меняется не только положение воронок, которые у диполя находятся над полюсами.

Воронки не только смещаются по направлению к экватору. Они при этом меняют свою форму. Каждая воронка при этом превращается в сплюснутую воронку-щель, в форме подковы. Она охватывает определенную область на дневной стороне магнитосферы.

Ночная часть магнитосферы мало похожа на дневную. Если на дневной стороне магнитное поле Земли простирается максимум на расстояние в десять земных радиусов, то на ночной стороне оно имеется на огромном расстоянии, равном ста радиусам Земли и более. Силовые линии магнитного поля Земли вытягиваются в направлении движения солнечных частиц, то есть от Земли. Так образуется шлейф силовых линий магнитосферы Земли. Специалисты его называют хвостом магнитосферы.

Заряженные частицы беспрепятственно движутся вдоль силовых линий магнитного поля. Это значит, что солнечные заряженные частицы через воронки на дневной стороне могут проникать сквозь магнитосферу к Земле, к ее атмосфере. Но внутри магнитосферы находятся заряженные частицы, которые там захвачены. В хвосте магнитосферы также имеются заряженные частицы. Они отсюда движутся вдоль силовых линий магнитного поля. Куда они попадут? Можно проследить, что они попадут в Арктику и Антарктику.

Если проследить за путем заряженных частиц на дневной и ночной сторонах магнитосферы, то окажется, что они приходят как раз в то кольцо (овал) , которое светится полярным сиянием. Это что, случайность или закономерность?

onua.org

Почему Земля ведет себя как магнит?

Вы видели когда-нибудь стержневой магнит — прямоугольный кусок железа с северным и южным полюсами? Если накрыть магнит листом бумаги и высыпать на него железные стружки или маленькие железные гвозди, вы увидите невидимые глазу силовые линии. Кусочки стружки выстроятся дугой вокруг магнита, концы этих дуг будут приходиться на полюсы магнита. Планета Земля тоже ведет себя как огромный магнит. Северный и южный магнитные полюсы (лежащие неподалеку от географических Южного и Северного полюсов) подобны концам стержневого магнита.

Выходя из полюсов, невидимые магнитные поля распространяются дугообразно на тысячи километров над Землей.

Все магнитные поля, будь то излучение от двери холодильника или целой планеты, создаются электрическим током — движущимися электронами. Электроны, вращающиеся по орбите вокруг ядра атома, имеют отрицательный электрический заряд. Движущийся электрон создает вокруг себя собственное магнитное поле. (Например, очень слабые магнитные поля окружают провод, по которому течет ток в электрическом шнуре вашей настольной лампы, если она включена.)

Ученые считают, что магнетизм Земли также обусловлен электрическими токами. Дело в том, что ядро нашей планеты состоит в основном из железа. Самый центр ядра твердый, а вокруг твердого железного шара находится расплавленное железо. При вращении Земли ядро также вращается, и в расплавленном металле возникают электрические токи, которые и превращают нашу планету в один большой магнит.

Магнитное поле Земли слишком слабое, чтобы железные гвозди и сковородки по-прилипали к ее поверхности. Самое сильное поле у магнитных полюсов, но даже там оно составляет всего лишь крохотную часть (вероятно, около 1/2000) от силы игрушечной го подковообразного магнитика. (Вы можете увидеть сами, насколько магнитное поле Земли слабое если поднесете магнитик к стрелке компаса. Он сpaзу уведет стрелку в сторону от настоящего северного магнитного полюса, и это наглядно доказывает, насколько сильнее маленький магнит.)

Однако магнитное поле Земли достаточно сильное, чтобы изменить пути заряженных частиц в космосе. Лучше всего магнетизм Земли демонстрирует ослепительное природное световое шоу под названием полярное, или северное, сияние. Мерцающий занавес голубого и зеленого цветов с полосами розового и красного простирается на, расстояния более 160 км в вечернем небе на севере и юге. Если бы магнетизм Земли удалось каким-то образом отключить, то северное сияние исчезло бы, и вот почему.

Солнце постоянно испускает протоны и электроны — частицы атомов плазмы солнечной короны. Это явление называют солнечным ветром. Когда эти электрически заряженные частицы пролетают около Земли, они попадают под воздействие магнитного поля нашей планеты.

Ученые считают, что птицы чувствуют линии магнитного поля Земли и это помогает им ориентироваться в далеких перелетах.

Магнитное поле притягивает их и захватывает. Захваченные таким образом частицы путешествуют по «лучам» вдоль силовых линий магнитного поля. Ближе к полюсам эти линии снова спускаются к Земле и в области полюсов входят в атмосферу.

Соударяясь с этими частицами в верхних слоях атмосферы, атомы азота и кислорода излучают фотоны различных цветов спектра. А мы видим изумительное полярное сияние.

Поделиться ссылкой

sitekid.ru

ЗЕМЛЯ — БОЛЬШОЙ МАГНИТ — Строение земли

Удивительная способность магнита притягивать железо была известна еще в глубокой древности. Свойство магнита указывать юг и север было открыто позже.
Еще в III в. изготовляли особые «югоуказатели» в виде маленького человечка с вытянутой рукой.
Эта фигурка — древнейший компас—укреплялась на вращающемся магните.
Значительно позднее (в VIII — IX вв.) арабы стали применять компас для мореплавания. В то время арабские торговые корабли часто плавали из Азии в Европу.
Европейские мореплаватели пользовались компасом примерно с ХШ в., но не знали, так же как китайцы и арабы, почему один конец магнитной стрелки показывает на север, а другой — на юг.
Вплоть до начала XIX в. на вопрос о причине земного магнетизма часто отвечали так: Земля сама большой магнит. Внутри Земли как бы «спрятан» очень сильный магнит. Он и управляет поведением стрелки компаса, заставляя ее устанавливаться вдоль магнитных силовых линий, опоясывающих земной шар и создающих магнитное поле Земли.
Направление этих силовых линий и указывает стрелка компаса.
Мореплаватели, правда, давно уже заметили, что северный конец стрелки не совсем точно указывает на север, а южный — на юг. Еще Колумб, когда плыл в Америку, обнаружил, что географический меридиан не совпа-дает с магнитным, вдоль которого устанавливается стрелка компаса. Угол между этими двумя направлениями называется магнитным склонением. Каждое место на Земле имеет свой угол склонения, и штурман корабля или самолета должен иметь точную карту магнитных склонений. Такая карта составляется по показаниям компаса. Известно, например, что в районе Москвы угол склонения равен 7° к востоку, а в Якутске — около 17° к западу. Это значит, что северный конец стрелки компаса в Москве отклоняется на 7° вправо от географического меридиана, проходящего через Москву, а в Якутске — на 17° влево от соответствующего меридиана.
Магнитная ось Земли наклонена к географической примерно под углом в 11°,5, поэтому географические по-люсы также не совпадают с магнитными.
Магнитную стрелку можно заставить колебаться и не на острие, как это делается в компасе. Ее можно закре-пить на горизонтальной оси, тогда она будет качаться в вертикальной плоскости. Такую стрелку называют стрелкой наклонения. Действительно, она показывает, под каким углом к горизонту действует на нее в данном месте магнитная сила Земли, т. е. каково магнитное наклонение. На Северном и Южном магнитных полюсах острие стрелки направлено прямо вниз: магнитное наклонение здесь наибольшее— оно равно 90°. Углы магнитного наклонения хорошо изучены на всей Земле. Если обнаруживаются резкие изменения углов наклонения, то это указывает, что в данном месте под поверхностью Земли скрыты намагниченные горные породы или железные руды.

kaldera.info

Как работает магнитное поле Земли

У Йорика всегда возникал вопрос, как работает компас? И сегодня мы поговорим о такой вещи, как МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ. И так как, к сожалению, редактор ограничен во времени, а дать что-то интересное хочется, мы расскажем вам о “земном магнетизме” с помощью нескольких различных источников. 

Итак:

Магнитное поле Земли долгое время оставалось загадкой, ведь каменных магнитов не бывает, правда? Но как только вы открываете, что внутри Земли имеется колоссальное количество железа, все вроде бы становится на свои места. Железо не образует «постоянный» магнит вроде прикрепленных к пластиковым поросяткам и медвежаткам, которых мы, сами не зная зачем, покупаем, чтобы прицепить на холодильник. Земные недра больше походят на динамо. Кстати, это так и называется – геомагнитное динамо. Как мы уже упоминали, железо в ядре Земли находится по большей части в расплавленном состоянии, за исключением твердого плотного «шарика» в самом центре. Жидкая часть до сих пор продолжает нагреваться. Прежде это явление объясняли тем, что радиоактивные элементы, будучи плотнее всего остального в химическом составе планеты, погрузились в самый центр, оказавшись запертыми там, а тепло дает излучаемая ими радиоактивная энергия. Современная же теория предлагает совершенно иное объяснение: жидкая часть ядра нагревается, поскольку твердая – остывает. Расплавленное железо на контакте с твердым ядром само понемногу застывает, при этом высвобождается тепло. Это тепло должно куда-то деться, оно не может просто исчезнуть, словно дуновение теплого воздуха, – вокруг тысячи миль сплошной горной породы. Тепло передается расплавленному слою ядра, нагревая его.

Возможно, вас удивит факт, что та часть, которая вступает в контакт с твердым ядром, может охлаждаться и затвердевать и, одновременно с этим, нагреваться в процессе этого затвердевания. Объяснение простое: горячее расплавленное железо поднимается вверх по мере разогрева. Вспомните воздушный шар. Когда вы нагреваете воздух, он поднимается. Это происходит потому, что при нагревании воздух расширяется, становится менее плотным, а менее плотные вещества всплывают над более плотными. Воздушный шар удерживает воздух в огромном шелковом мешке, часто ярко окрашенном и разрисованном эмблемами банков или агентств недвижимости, и поднимается вместе с воздухом. Горячее железо ничем не разрисовано, но поднимается точно так же, как горячий воздух, удаляясь от твердого ядра. Оно медленно всплывает, остывая, а потом, когда становится слишком холодным, точнее сравнительно холодным, начинает снова погружаться в глубину. В результате земное ядро находится в непрерывном движении, раскаляясь внутри и остывая снаружи. Оно не может подняться все разом, то есть одни области ядра всплывают, в то время как другие – заново погружаются. Такой вид циркулирующей теплопередачи называется конвекцией.

По мнению физиков, при соблюдении неких трех условий движущиеся жидкости могут создавать магнитное поле. Во?первых, жидкость должна проводить электрический ток, и железо прекрасно с этим справляется. Во?вторых, изначально должно присутствовать хотя бы небольшое магнитное поле, а есть веские основания полагать, что нашей Земле, тогда еще совсем юной, была присуща некая толика личного магнетизма. В?третьих, что-то должно вращать эту жидкость, искажая исходное магнитное поле, и у Земли такое вращение происходит за счет силы Кориолиса, похожей на центробежную силу, однако действующей более слабо и возникающей в результате вращения Земли вокруг своей оси. Грубо говоря, вращение искажает исходно слабое магнитное поле, закручивая его, как спагетти на вилку. Затем магнетизм поднимается наверх, пойманный всплывающими массами железного ядра. В результате всего этого коловращения магнитное поле становится намного сильнее.

Да, в каком-то смысле можно сказать, что Земля ведет себя так, словно внутри у нее имеется огромный магнит, но на самом деле все гораздо сложнее. Чтобы немного конкретизировать нарисованную картину, напомним, что существуют по меньшей мере семь других факторов, обусловливающих наличие у Земли магнитного поля. Так, некоторые составляющие земной коры могут быть постоянными магнитами. Подобно стрелке компаса, указывающей на север, они постепенно выстроились вдоль более сильного геомагнитного динамо, дополнительно усиливая его. В верхних слоях атмосферы имеется слой заряженного ионизированного газа. До того как были изобретены спутники, ионосфера играла важнейшую роль в обеспечении радиосвязи: радиоволны отражались от заряженного газа, а не уходили в космос. Ионосфера находится в движении, а движущееся электричество создает магнитное поле. На высоте примерно 15 000 миль (24 000 км) течет кольцевой ток – слой ионизированных частиц низкой плотности, образующий огромный тор. Это немного ослабляет силу магнитного поля Земли.

Следующие два фактора – это так называемые магнитопауза и магнитный хвост, возникшие под влиянием солнечного ветра на магнитосферу Земли. Солнечный ветер – это постоянный поток частиц, испускаемых гиперактивным Солнцем. Магнитопауза – это головная волна земного магнитного поля, идущая против солнечного ветра, а магнитный хвост – след этой волны с противоположной стороны планеты, где собственное магнитное поле Земли «утекает» наружу, к тому же разрушаясь под воздействием солнечного ветра. Кроме того, солнечный ветер вызывает своеобразную тягу вдоль орбиты Земли, создавая дополнительное искажение линий магнитного поля, известное как продольный ток в магнитосфере. И, наконец, существуют авроральные потоки. Северное сияние, или aurora borealis, – это восхитительные, таинственные полотнища бледного света, переливающиеся в северном полярном небе. Аналогичный спектакль, aurora australis, можно наблюдать неподалеку от Южного полюса. Полярные сияния создаются двумя полосами электрического тока, текущими от магнитопаузы в магнитный хвост. Это, в свою очередь, создает новые магнитные поля и два электрических потока – западный и восточный.

Значит, говорите, Земля – просто большой магнит? Ну да, а океан – это миска с водой.

Магнитные материалы, найденные в древних породах, свидетельствуют, что время от времени магнитное поле Земли меняет свою полярность, северный магнитный полюс становится южным и наоборот. Это происходит примерно один раз в полмиллиона лет, хотя строгую закономерность проследить так и не удалось. Никто точно не знает, почему это происходит, однако математические модели показывают, что магнитное поле Земли может быть ориентировано равновероятно и в том и в другом направлениях, причем ни одно из них не является устойчивым. Любое положение рано или поздно теряет устойчивость и передает эстафетную палочку противоположному. Переходы происходят быстро, в течение примерно 5 тысяч лет, тогда как периоды между ними в сто раз длиннее.

Магнитные поля имеются у большинства планет, и этот факт еще более сложнообъясним, чем земное поле. Нам с вами предстоит еще много узнать о планетарном магнетизме.

Альфред Вегенер

Одно из самых впечатляющих свойств нашей планеты было обнаружено в 1912 году, но не принималось во внимание до 60?х. Наиболее убедительным доказательством в ее пользу стала именно смена магнитных полюсов. Речь идет о том, что земные континенты не стоят на месте, но медленно дрейфуют по поверхности планеты. По мнению немецкого ученого Альфреда Вегенера, первым опубликовавшего свою теорию, нынешние отдельные континенты раньше являлись одним суперматериком, который он назвал Пангея (то есть «Вся земля»). Он существовал около 300 миллионов лет назад.

Наверняка Вегенер не первым додумался до этого. Его идея, по крайней мере отчасти, возникла под влиянием удивительного сходства очертаний берегов Африки и Южной Америки. На карте это особенно бросается в глаза. Естественно, Вегенер опирался и на другие данные. Он был не геологом, а метеорологом, специалистом по древнему климату, и его удивляло то, что в регионах с холодным климатом обнаруживаются горные породы, явно возникшие в регионах с теплым, и наоборот. Например, в Сахаре до сих пор можно отыскать остатки древних ледников, возраст которых 420 миллионов лет, а в Антарктиде – окаменевшие папоротники. В те времена любой бы ему сказал, что просто поменялся климат. Однако Вегенер был убежден, что климат остался практически тем же, за исключением ледникового периода, а изменились, то есть переместились, сами континенты. Он предполагал, что они разделились в результате конвекции в земной мантии, но не был в этом уверен.

Эту идею посчитали безумной, тем более что предложена она была не геологом, и к тому же Вегенер игнорировал все факты, не влезающие в его теорию. И то, что сходство между Африкой и Южной Америкой не столь уж идеальное, и то, что дрейф материков невозможно было объяснить. Конвекция тут явно ни при чем, так как она слишком слаба. Великий А’Туин (Йорик подозревает, что А’Туин – девочка), может, и несет на своей спине целый мир, но он – всего лишь выдумка, а в реальном мире, похоже, такие силы просто немыслимы.

Слово «немыслимы» мы употребили не случайно. Множество блестящих и уважаемых ученых частенько повторяют одну и ту же ошибку. Они путают выражение «Я не понимаю, как это может быть» с «Это совершенно невозможно». Одним из таких, как это ни стыдно признавать одному из нас двоих, был математик, причем великолепный, но когда его расчеты показали, что земная мантия не может перемещать континенты, ему даже не пришло в голову, что теории, на которых строились расчеты, были ошибочны. Звали его сэр Гарольд Джеффрис, и его проблема была в том, что ему явно не хватало полета фантазии, потому что не только очертания материков по обе стороны Атлантики совпадали. С точки зрения геологии и палеонтологии тоже все сходилось. Возьмем, к примеру, окаменевшие останки бестии по имени мезозавр, жившей 270 миллионов лет назад одновременно в Южной Америке и Африке. Вряд ли мезозавр переплыл Атлантический океан, скорее он просто жил на Пангее, успев расселиться по обоим континентам, когда они еще не были разделены.

Однако в 60?х годах ХХ века идею Вегенера признали, и его теория «дрейфа материков» утвердилась в науке. На встрече ведущих геологов некий молодой человек по имени Эдвард Баллард, весьма напоминающий Думминга Тупса, и двое его коллег продемонстрировали возможности нового тогда устройства, называемого компьютером. Они поручили машине отыскать наилучшее соответствие не только между Африкой и Южной Америкой, но и Северной Америкой, а также Европой, учитывая возможные, но небольшие изменения. Вместо того чтобы взять нынешние очертания береговой линии, что с самого начала было не слишком блестящей идеей, позволяя противникам теории дрейфа утверждать, что материки не совпадают, молодые ученые использовали контур, соответствующий глубине 3200 футов (1000 м) ниже уровня моря, поскольку, по их мнению, он меньше подвергся эрозии. Контуры подошли хорошо, а геология так просто великолепно. И хотя люди на конференции все равно не пришли к единому мнению, теория континентального дрейфа получила наконец определенное признание.

Сегодня у нас имеется куда больше доказательств и четкое представление о механизме дрейфа. В центральной части Атлантического океана, на полпути между Южной Америкой и Африкой, с юга на север протянулся один из срединных океанических хребтов (такие, кстати, есть и во всех других океанах). Вулканические материалы поднимаются из недр вдоль всего хребта, а затем растекаются по его склонам. И так происходит уже в течение 200 миллионов лет. Можно даже отправить подводную лодку и просто понаблюдать за процессом. Конечно, всей человеческой жизни не хватит, чтобы это заметить, однако Америка удаляется от Африки со скоростью 3/4 дюйма (2 см) в год. Примерно с такой же скоростью растут наши ногти, тем не менее современная аппаратура способна регистрировать эти изменения.

Наиболее яркое доказательство континентального дрейфа получено благодаря магнитному полю Земли: горные породы по обе стороны хребтов имеют любопытный узор из магнитных полос, меняющих полярность с севера на юг и обратно, причем узор на обоих склонах симметричен. Это означает, что полоски застыли в магнитном поле по мере остывания. Когда время от времени земное динамо меняло свою полярность, горные породы хребта намагничивались в его поле. Затем, после разъединения намагниченных пород, одинаковые узоры оказались по разные стороны хребта.

Поверхность Земли – это не твердая сфера. И континенты, и океанское ложе плавают на огромных, особенно твердых плитах, которые могут разъехаться в стороны, когда между ними просачивается магма. (Причем чаще всего это происходит из-за конвекции в мантии. Просто Джеффрис не знал о движении мантии всего того, что знаем мы.) Существует около десятка плит, шириной от шестисот (1000 км) до шести тысяч (10 000 км) миль, и они все время поворачиваются. Там, где их границы соприкасаются, трутся и скользят, постоянно происходят землетрясения и извержения вулканов. Особенно в Тихоокеанском огненном поясе, протянувшемся по всему периметру Тихого океана и включающему в себя западное побережье Чили, Центральную Америку, США и дальше Японские острова и Новую Зеландию. Все они находятся на краю одной гигантской плиты. Там, где плиты сталкиваются, возникают горы: одна плита оказывается под другой и приподнимает ее, дробя и сминая ее край. Индия – это вовсе не часть Азиатского континента, она просто врезалась в него, сотворив высочайшие в мире горы – Гималаи. Она так разогналась, что до сих пор продолжает свое движение, и Гималаи растут.

(с) Наука Плоского мира, Терри Пратчетт, Джек Коэн, Айан Стюарт (Вообще, почитайте эту книжку, лучшего пособия в развлекательной форме не найти (но перед этим ознакомьтесь в принципе с серией “Плоского мира” Пратчетта в библиографическом НЕ КАК ПОПАЛЬНОМ порядке)).

Видео Магнитного поля от Роскосмоса:

 

Как работает компас

Кто не видел компас? Небольшая такая вещица, похожая на часы с одной стрелкой. Крутишь ее, вертишь, а стрелка упрямо разворачивается в одну сторону. Стрелка компаса представляет собой магнит, свободно вращающийся на игле. Принцип действия магнитного компаса основан на притяжении-отталкивании двух магнитов. Противоположные полюса магнитов притягиваются, одноименные – отталкиваются. Наша планета также является таким магнитом. Сила его невелика, ее недостаточно, что бы проявиться на тяжелом магните. Однако легкая стрелка компаса, уравновешенная на игле поворачивается и под влиянием небольшого магнитного поля.

спортивный компас

Что бы стрелка компаса не болталась, а четко показывала направление вне зависимости от тряски, она должна быть достаточно сильно намагничена. В спортивных компасах колбу со стрелкой заливают жидкостью. Неагрессивной для пластмассовых и металлических частей, не замерзающей при зимних температурах. Пузырек воздуха, оставленный в колбе, несет в себе функции указателя уровня, для ориентации компаса в горизонтальной плоскости.

Первенство в изучении магнитного поля Земли принадлежит английскому ученому Уильяму Гильберту. В своей книге «О магните, магнитных телах и большом магните – Земле», изданной в 1600 году он представил Землю в виде гигантского постоянного магнита, ось которого не совпадает с осью вращения Земли. Угол между осью вращения и магнитной осью называют магнитным склонением.

В результате такого несовпадения, говорить, что стрелка компаса всегда указывает на север, не совсем верно. Она указывает на точку, находящуюся на расстоянии в 2100 км от северного полюса, на острове Соммерсет (его координаты 75°,6 с. ш., 101° з. д. – данные на 1965 г.) Магнитные полюса Земли медленно дрейфуют. Кроме такой ошибки в направлении стрелки (будем называть ее систематической), нельзя также забывать о других причинах неправильной работы компаса:

• Металлические предметы или магниты, находящиеся вблизи компаса отклоняют его стрелку
• Электронные приборы, являющиеся источниками электромагнитных полей
• Залежи полезных ископаемых – металлических руд
• Магнитные бури, происходящие в годы сильной активности солнца, искажают магнитное поле Земли.

А теперь, попробуйте ответить на вопросы для сообразительных:

• Как вы думаете, куда будет указывать стрелка компаса, если Вы находитесь между северным географическим полюсом и северным магнитным полюсом?
• Куда показывает стрелка, когда компас находится в районе магнитного полюса?
• Если, руководствуясь компасом очень долго идти все время строго на северо-восток, то куда придешь?

А пока Вы размышляете, приведу несколько интересных фактов о магнитном поле Земли.

Оказывается, оно ослабевает примерно на 0,5% каждые 10 лет. По различным подсчетам, оно исчезнет через 1-2 тысячи лет. Предполагается, что в этот момент будет происходить переполюсовка магнита – Земли. После чего поле снова начнет нарастать, но северный и южный магнитный полюса поменяются местами. Считается, что такое с нашей планетой происходило уже огромное количество раз.

Оказывается, что перелетные птицы также ориентируются “по компасу”, точнее, магнитное поле Земли служит им ориентиром. Недавно ученые узнали, что у птиц в области глаз располагается маленький магнитный “компас” — крохотное тканевое поле, в котором расположены кристаллы магнетита, обладающие способностью намагничиваться в магнитном поле.

Простейший компас можно изготовить самостоятельно. Для этого надо оставить рядом с магнитом швейную иглу на несколько дней. После этого игла намагнитится. Смочив ее жиром или маслом, аккуратно опустите иглу на поверхность налитой в чашку воды. Жир не даст ей утонуть, и игла развернется с севера на юг (ну или наоборот :).

Впечатлились? Вот теперь, можете проверить свои ответы на вопросы:

• Как вы думаете, куда будет указывать стрелка компаса, если Вы находитесь между северным географическим полюсом и северным магнитным полюсом?
  – Северный конец стрелки будет показывать.. на юг, а южный – на север!
• Куда показывает стрелка, когда компас находится в районе магнитного полюса?
  – оказывается, стрелка, подвешенная на нити в районе магнитного полюса стремится развернуться… вниз, вдоль магнитных линий Земли!
• Если, руководствуясь компасом очень долго идти все время строго на северо-восток, то куда придешь?
  – придешь на северный магнитный полюс! Попробуйте проследить свой путь на глобусе, очень интересный маршрут получается.

а так мог выглядеть морской компас на корабле Колумба

Надеемся, вам понравился этот материал. Если да, то будем делать больше таких разных!

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Просмотры: 362

yorick.kz

Земля — Большой Магнит | Детская Энциклопедия том 1

Автор статьи: И. М. Меттер

Удивительная способность магнита притягивать железо была известна еще в глубокой древности. Свойство магнита указывать юг и север было открыто позже.

Еще в III в. изготовляли особые «югоуказатели» в виде маленького человечка с вытянутой рукой.

Эта фигурка — древнейший компас—укреплялась на вращающемся магните.

Значительно позднее (в VIII — IX вв.) арабы стали применять компас для мореплавания. В то время арабские торговые корабли часто плавали из Азии в Европу.

Европейские мореплаватели пользовались компасом примерно с ХШ в., но не знали, так же как китайцы и арабы, почему один конец магнитной стрелки показывает на север, а другой — на юг.

Вплоть до начала XIX в. на вопрос о причине земного магнетизма часто отвечали так: Земля сама большой магнит. Внутри Земли как бы «спрятан» очень сильный магнит. Он и управляет поведением стрелки компаса, заставляя ее устанавливаться вдоль магнитных силовых линий, опоясывающих земной шар и создающих магнитное поле Земли.

Направление этих силовых линий и указывает стрелка компаса.

Мореплаватели, правда, давно уже заметили, что северный конец стрелки не совсем точно указывает на север, а южный — на юг. Еще Колумб, когда плыл в Америку, обнаружил, что географический меридиан не совпадает с магнитным, вдоль которого устанавливается стрелка компаса. Угол между этими двумя направлениями называется магнитным склонением. Каждое место на Земле имеет свой угол склонения, и штурман корабля или самолета должен иметь точную карту магнитных склонений. Такая карта составляется по показаниям компаса. Известно, например, что в районе Москвы угол склонения равен 7^° к востоку, а в Якутске — около 17^° к западу. Это значит, что северный конец стрелки компаса в Москве отклоняется на 7^° вправо от географического меридиана, проходящего через Москву, а в Якутске — на 17^° влево от соответствующего меридиана.

Магнитная ось Земли наклонена к географической примерно под углом в 11.5^°, поэтому географические полюсы также не совпадают с магнитными.

Магнитную стрелку можно заставить колебаться и не на острие, как это делается в компасе. Ее можно закрепить на горизонтальной оси, тогда она будет качаться в вертикальной плоскости. Такую стрелку называют стрелкой наклонения. Действительно, она показывает, под каким углом к горизонту действует на нее в данном месте магнитная сила Земли, т. е. каково магнитное наклонение. На Северном и Южном магнитных полюсах острие стрелки направлено прямо вниз: магнитное наклонение здесь наибольшее— оно равно 90^°. Углы магнитного наклонения хорошо изучены на всей Земле. Если обнаруживаются резкие изменения углов наклонения, то это указывает, что в данном месте под поверхностью Земли скрыты намагниченные горные породы или железные руды.

Рис. Земля представляет собой большой магнит, от полюсов которого расходятся силовые линии магнитного поля. Стрелки компаса на поверхности Земли ориентируются по направлению к магнитным полюсам.

Магнитная разведка (см. стр. 99) залежей железа или других магнитных руд в сущности сводится к поискам мест резких магнитных аномалий, т. е. таких мест, где магнитная сила земного поля по величине или направлению резко отклоняется от нормы. Сейчас магнитную разведку ведут даже с самолетов. Под Курском, в Сибири, на Урале, на Кольском п-ове обнаружены сильные магнитные аномалии, там же найдены залежи железных руд.

Стрелка компаса в течение суток ведет себя неспокойно. Она сдвигается немного в сторону, колеблясь в общем около положения равновесия. Это значит, что магнитное поле Земли за сутки немного меняется. Суточные колебания магнитной стрелки всегда больше летом, чем зимой.

Причина этих изменений магнитного поля Земли — электрические токи, текущие в атмосфере на большой высоте. Вызваны они солнечным излучением.

Иногда электрические токи в атмосфере становятся особенно сильными. Происходит это, когда с поверхности Солнца с огромными скоростями выбрасываются потоки мельчайших частиц. Они проникают в земную атмосферу и порождают в ней электрический ток. Стрелка компаса начинает вздрагивать и все больше и больше отходит от положения равновесия. Такое явление называют магнитной бурей. Она может продолжаться несколько часов и даже суток. Когда магнитная буря утихает, стрелка компаса возвращается к положению равновесия. Во время сильных магнитных бурь нарушается нормальная работа телеграфа, телефона и радио.

Магнитные бури часто наблюдаются на широте 66-67^° (в зоне полярных сияний) и часто возникают одновременно с полярными сияниями. По-видимому, оба эти явления вызваны одними и теми же причинами.

За изменениями земного магнитного поля нужно постоянно наблюдать. Для этого организована специальная Служба земного магнетизма. Вот уже более ста лет по данным многочисленных экспедиций и по измерениям на магнитных станциях составляются подробные карты магнитного склонения и наклонения и таблицы суточного и годового хода изменений магнитного поля Земли.

Многолетние наблюдения показали, что положение магнитной стрелки по отношению к географическому меридиану также со временем меняется: конец стрелки медленно перемещается к западу или востоку. Это так называемые вековые изменения магнитного поля Земли. Их всегда приходится учитывать при составлении магнитных карт.

Для вождения кораблей и самолетов, разведки полезных ископаемых и для очень многих научных целей нужны точные карты магнитного склонения и наклонения.

Магнитные бури и суточные изменения магнитного поля объясняются, как мы знаем, солнечным излучением и выбрасыванием мощных фонтанов частиц с поверхности Солнца. Но до сих пор остается невыясненной основная причина, создающая постоянный магнетизм Земли. Наша планета действительно ведет себя как большой магнит.

В средние века поведение магнитной стрелки объяснялось силами, идущими с неба, при этом Полярной звезде приписывалось главное влияние на магнитную стрелку.

Серьезные исследования магнетизма начались позднее. В 1600 г. в Англии были опубликованы шесть книг Вильяма Джильберта «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле». Джильберт намагнитил металлический шар (он назвал его терреллой) и исследовал показания стрелки компаса возле него. И все же ответа на основной вопрос, почему Земля намагничена, Джильберт дать не мог.

В начале XIX в. французский физик Ампер высказал интересную догадку. Он знал, что электрический ток может влиять на магнитную стрелку. Ампер первый понял, что, если внутри Земли будет течь электрический ток с востока на запад, тогда вокруг Земли появится магнитное поле и земной шар будет похож на джильбертовскую терреллу. Но течет ли на самом деле ток в Земле и какая причина делает его постоянным?

Чтобы ответить на эти вопросы, геофизики зарывали глубоко в землю металлические пластины и при помощи телеграфных проводов соединяли их над землей, включив в эту цепь гальванометр. Прибор действительно обнаруживал ток, но чрезвычайно слабый и к тому же непостоянный. Тогда для объяснения источника земного магнетизма попытались привлечь на помощь атмосферные электрические токи. Они текут из воздуха в Землю. Однако известно, что на 1 км² Земли приходит атмосферный ток силой всего в 0,000001 ампера. Даже если учесть, что в каждую секунду над всей Землей происходит 100 разрядов молний, все равно постоянное магнитное поле Земли такими причинами невозможно объяснить.

Рис. Глубоко под землей закопаны две металлические пластины, соединенные проводами с телеграфной линией. К одному из проводов, ведущих к пластине, подключен миллиамперметр.

Рис. Условное изображение атомов в виде колец. Стрелками показано направление осей электронных орбит. В ненамагниченном состоянии атомы и оси орбит электронов расположены беспорядочно.

Теоретически удалось доказать, что на 99% магнитное поле Земли вызывают причины, скрытые внутри планеты. Внешние электрические токи могут помочь объяснить лишь различные малые изменения земного магнитного поля.

В самом начале XX в. делалась попытка объяснить магнетизм Земли ее суточным вращением. Известно, что Земля заряжена отрицательным электричеством. Ее вращение создает ток, а электрический ток всегда окружен магнитным полем. Но теоретически вычисленная напряженность такого поля оказалась в десятки миллионов раз слабее истинного магнитного поля Земли.

И все же физики попытались спасти гипотезу о самонамагничивании Земли из-за ее вращения. Для этого они привлекли на помощь новые сведения о строении атома. Как известно, электроны в атомах вращаются по замкнутым орбитам. Оси этих орбит по-разному наклонены в различных атомах. На рисунке показано, как они расположены внутри ненамагниченного металлического стерженька. Но если стержень привести в быстрое вращение, то оси электронных орбит будут стремиться стать параллельно друг другу — совершенно так же, как, подчиняясь законам механики, это делают обычные волчки, запущенные внутри вращающейся коробки. В таком случае быстро вращающийся стержень должен намагнититься, так как электронные токи в атомах окажутся из-за поворота осей одинаково направленными. Их магнитные поля будут складываться, усиливая друг друга, и на концах стержня появятся магнитные полюсы.

В 1919 г. удалось намагнитить стержень, быстро его вращая.

Рис. Внутри коробки запущены детские волчки. Слева — коробка неподвижна. Справа — коробка вращается. Оси волчков в ней стали параллельно оси вращения коробки.

Не происходит ли то же самое в металлах, находящихся в земной коре? Ведь суточное вращение Земли может «навести порядок» в расположении орбит атомов магнитных веществ земной коры. Электронные орбиты должны, повидимому, повернуться так, чтобы стать параллельными плоскости экватора. Легко было проверить, что при этом Южный магнитный полюс появится на географическом севере, как это имеет место на Земле.

Зная скорость вращения нашей планеты и примерное распределение магнитных материалов в Земле, удалось подсчитать интенсивность намагничивания.

Она оказалась в миллиарды раз меньше действительной. Так еще одна гипотеза потерпела неудачу.

В 1939 г. американский физик Эльзассер предложил новую теорию происхождения земного магнетизма: Земля намагничена термоэлектрическими токами, текущими в жидком земном ядре.

Температура в нем достигает нескольких тысяч градусов, а давление доходит до миллионов атмосфер.

Рис. Когда быстро вращают металлический стержень, то внутри него атомы располагаются так, что оси электронных орбит становятся параллельными друг другу и оси вращения стержня. Вокруг стержня идут силовые линии магнитного поля.

Известно, что термоэлектрический ток возникает, когда один спай двух металлов нагрет больше, чем другой. По мнению Эльзассера, в земном ядре имеются подходящие условия для возникновения термотока. В ядре перемешаны различные металлы, так что всегда имеется контакт двух металлов — хотя и в жидком состоянии. Кроме того, температура на различных глубинах в ядре, несомненно, разная. А это как раз и нужно для поддержания термотока в земном ядре: соприкосновение разнородных металлов и перепад температуры.

Струи расплавленного металла текут из центра ядра по радиусам к поверхности. Вращение Земли искривляет путь струи, превращая ее в кольцо, охватывающее земную ось. Механики называют силу, искривляющую путь такой струи из-за вращения Земли, кориолисовой силой.

Эльзассер пытался доказать, что вдоль вихря расплавленного металла должен течь с востока на запад термоэлектрический ток, подмагничивающий Землю.

На самом деле сложное движение вещества ядра Земли и циркулирующих в нем термотоков пока не поддается точному расчету. Да и не все предположения Эльзассера достаточно обоснованы. И хотя он на протяжении многих лет пробовал улучшить методы расчета, задача все-таки оказалась до конца не решенной. Тем не менее она подготовила появление современной, более совершенной теории земного магнетизма, предложенной в 1947 г. советским физиком Я. Френкелем. Ученый нашел сходство между процессами, происходящими в земном ядре, и работой динамо-машины с самовозбуждением. Когда такая динамо-машина начинает работать, ее магнит (он называется статором) совсем слабо намагничен. Но по мере того как якорь машины, на котором намотаны витки проволоки, быстро вращается в слабом поле статора, в нем возникает индукционный ток. Он мал и непригоден еще для использования. Его заставляют течь по обмотке машины так, чтобы он намагничивал, т. е. усиливал, поле статора. Витки якоря продолжают вращаться, но теперь уже в более сильном магнитном поле, и в них наводится более сильный индукционный ток. С каждым новым оборотом машины происходит «подхлестывание», или самоусиление, поля.

Как снежный ком, который катится с горы и разрастается до размеров огромной лавины, так и динамо-машина с самовозбуждением доводит поле своего магнита до предельного постоянного состояния. С этого момента машина начинает нормально работать.

Если якорь машины вращает газовая или водяная турбина, то все устройство в целом называют турбогенератором.

Рис. Внутри Земли как бы действует турбогенератор.

Френкель считает, что земное ядро является своеобразным природным турбогенератором. Роль турбины в нем играют тепловые потоки: они поднимают из недр ядра во все стороны большие массы расплавленного металла, обладающего свойством жидкости. Кориолисова сила «закручивает» их вокруг земной оси, образуя, таким образом, гигантские витки внутри «земной динамо-машины». В этих замкнутых потоках горячего металла, как и в витках проволоки на якоре обычной динамо-машины, должен был когда-то давно возникнуть индукционный ток. Он постепенно подмагничивал земное ядро. Первоначальное очень слабое магнитное поле усиливалось до тех пор, пока с течением времени не дошло до своего предельного значения. Этот предел был достигнут в далеком прошлом. И хотя земной турбогенератор продолжает свою работу, кинетическая энергия бурных потоков жидкого металла тратится теперь не на подмагничивание земного ядра, а целиком превращается в теплоту.

Что касается слабого начального магнитного поля, без которого земной турбогенератор не смог бы начать работать, то его происхождение обосновать нетрудно. Для этого достаточно вспомнить попытку объяснить магнетизм Земли ее суточным вращением. Она была признана неудачной только потому, что давала земному шару ничтожно малое намагничивание. Но в природном «турбогенераторе» начальное поле может быть как угодно малым, ведь со временем оно увеличится до необходимых размеров.

Еще не все трудности новой теории преодолены. Не удается, например, подсчитать величину индукционного тока в земном ядре, Не выяснено пока, до какого предела должно усиливаться магнитное поле в ядре. Мало известны еще законы движения хорошо проводящего электрический ток металла в магнитном поле земного ядра.

Тем не менее идея внутриземного «турбогенератора» привлекла много последователей. Настойчиво эту теорию в последние годы разрабатывает и Эльзассер.

Теория Френкеля особенно заманчива потому, что она пригодна для объяснения магнитных полей любых космических тел: Солнца, звезд, планет, туманностей и т. д. Быть может, внутри всех этих небесных тел также работают «космические турбогенераторы» с самовозбуждением.

Интерес к магнитным полям небесных тел чрезвычайно большой.

Именно они управляют движением заряженных частиц, пересекающих огромные просторы Вселенной.

За пределами земной атмосферы, в магнитных полях далеких туманностей, приобретают колоссальные скорости ядра легких атомов — водорода, гелия, лития и др. Происхождение космических лучей связано именно с этими частицами.

Вот почему в контейнере ракеты, посланной на Луну в 1959 г., и на борту третьего спутника, запущенного в 1958 г., были установлены сверхчувствительные магнитометры. Они могли измерять магнитные поля на громадных расстояниях от Земли.

Магнитометры работали в полете и передавали сведения при помощи телеметрической аппаратуры.

Так, например, было обнаружено, что Луна не намагничена.

Ученым еще не удалось полностью разгадать истинную причину магнетизма Земли и других небесных тел.

Но можно с уверенностью сказать, что сейчас наука близко подошла к решению этой трудной задачи.

 

 

 

www.wherefore.ru

Земля как магнит: Геомагнитное поле

Алексей Левин
«Популярная механика» №9, 2010

В 1905 году Эйнштейн назвал одной из пяти главных загадок тогдашней физики причину земного магнетизма.

В том же 1905 году французский геофизик Бернар Брюнес провел в южном департаменте Канталь замеры магнетизма лавовых отложений эпохи плейстоцена. Вектор намагниченности этих пород составлял почти 180 градусов с вектором планетарного магнитного поля (его соотечественник П. Давид получил аналогичные результаты даже годом раньше). Брюнес пришел к заключению, что три четверти миллиона лет назад во время излияния лавы направление геомагнитных силовых линий было противоположным современному. Так был обнаружен эффект инверсии (обращения полярности) магнитного поля Земли. Во второй половине 1920-х годов выводы Брюнеса подтвердили П. Л. Меркантон и Монотори Матуяма, но эти идеи получили признание лишь к середине столетия.

Сейчас мы знаем, что геомагнитное поле существует не менее 3,5 млрд лет и за это время магнитные полюса тысячи раз обменивались местами (Брюнес и Матуяма исследовали последнюю по времени инверсию, которая сейчас носит их имена). Иногда геомагнитное поле сохраняет ориентацию в течение десятков миллионов лет, а иногда — не более пятисот веков. Сам процесс инверсии обычно занимает несколько тысячелетий, и по его завершении напряженность поля, как правило, не возвращается к прежней величине, а изменяется на несколько процентов.

Механизм геомагнитной инверсии не вполне ясен и поныне, а уж сто лет назад он вообще не допускал разумного объяснения. Поэтому открытия Брюнеса и Давида только подкрепили эйнштейновскую оценку — действительно, земной магнетизм был крайне загадочен и непонятен. А ведь к тому времени его исследовали свыше трехсот лет, а в XIX веке им занимались такие звезды европейской науки, как великий путешественник Александр фон Гумбольдт, гениальный математик Карл Фридрих Гаусс и блестящий физик-экспериментатор Вильгельм Вебер. Так что Эйнштейн воистину глядел в корень.

Как вы думаете, сколько у нашей планеты магнитных полюсов? Почти все скажут, что два — в Арктике и Антарктике. На самом деле ответ зависит от определения понятия полюса. Географическими полюсами считают точки пересечения земной оси с поверхностью планеты. Поскольку Земля вращается как твердое тело, таких точек всего две и ничего другого придумать нельзя. А вот с магнитными полюсами дело обстоит много сложнее. Например, полюсом можно счесть небольшую область (в идеале опять-таки точку), где магнитные силовые линии перпендикулярны земной поверхности. Однако любой магнитометр регистрирует не только планетарное магнитное поле, но и поля местных пород, электрических токов ионосферы, частиц солнечного ветра и прочих дополнительных источников магнетизма (причем их средняя доля не так уж мала, порядка нескольких процентов). Чем точнее прибор, тем лучше он это делает — и потому все больше затрудняет выделение истинного геомагнитного поля (его называют главным), источник которого находится в земных глубинах. Поэтому координаты полюса, определенные с помощью прямого измерения, не отличаются стабильностью даже в течение короткого отрезка времени.

Можно действовать иначе и установить положение полюса на основании тех или иных моделей земного магнетизма. В первом приближении нашу планету можно считать геоцентрическим магнитным диполем, ось которого проходит через ее центр. В настоящее время угол между нею и земной осью составляет 10 градусов (несколько десятилетий назад он был больше 11 градусов). При более точном моделировании выясняется, что дипольная ось смещена относительно центра Земли в направлении северо-западной части Тихого океана примерно на 540 км (это эксцентрический диполь). Есть и другие определения.

Но это еще не все. Земное магнитное поле реально не обладает дипольной симметрией и потому имеет множественные полюса, причем в огромном количестве. Если считать Землю магнитным четырехполюсником, квадруполем, придется ввести еще два полюса — в Малайзии и в южной части Атлантического океана. Октупольная модель задает восьмерку полюсов и т. д. Современные наиболее продвинутые модели земного магнетизма оперируют аж 168 полюсами. Стоит отметить, что в ходе инверсии временно исчезает лишь дипольная компонента геомагнитного поля, а прочие изменяются много слабее.

Магнитный полюс, как его ни определяй, не стоит на месте. Северный полюс геоцентрического диполя в 2000 году имел координаты 79,5 N и 71,6 W, а в 2010-м — 80,0 N и 72,0 W. Истинный Северный полюс (тот, который выявляют физические замеры) с 2000 года сместился с 81,0 N и 109,7 W к 85,2 N и 127,1 W. В течение почти всего ХХ века он делал не более 10 км в год, но после 1980 года вдруг начал двигаться гораздо быстрее. В начале 1990-х годов его скорость превысила 15 км в год и продолжает расти.

Как рассказал «Популярной механике» бывший руководитель геомагнитной лаборатории канадской Службы геологических исследований Лоуренс Ньюитт, сейчас истинный полюс мигрирует на северо-запад, перемещаясь ежегодно на 50 км. Если вектор его движения не изменится в течение нескольких десятилетий, то к середине XXI столетия он окажется в Сибири. Согласно реконструкции, выполненной несколько лет назад тем же Ньюиттом, в XVII и XVIII веках северный магнитный полюс преимущественно смещался на юго-восток и лишь примерно в 1860 году повернул на северо-запад. Истинный южный магнитный полюс последние 300 лет движется в эту же сторону, причем его среднегодичное смещение не превышает 10–15 км.

Откуда вообще у Земли магнитное поле? Одно из возможных объяснений просто бросается в глаза. Земля обладает внутренним твердым железо-никелевым ядром, радиус которого составляет 1220 км. Поскольку эти металлы ферромагнитны, почему бы не предположить, что внутреннее ядро имеет статическую намагниченность, которая и обеспечивает существование геомагнитного поля? Мультиполярность земного магнетизма можно списать на несимметричность распределения магнитных доменов внутри ядра. Миграцию полюсов и инверсии геомагнитного поля объяснить сложнее, но, наверное, попытаться можно.

Однако из этого ничего не получается. Все ферромагнетики остаются таковыми (то есть сохраняют самопроизвольную намагниченность) лишь ниже определенной температуры — точки Кюри. Для железа она равна 768°C (у никеля много ниже), а температура внутреннего ядра Земли значительно превышает 5000 градусов. Поэтому с гипотезой статического геомагнетизма приходится расстаться. Однако не исключено, что в космосе имеются остывшие планеты с ферромагнитными ядрами.

Рассмотрим другую возможность. Наша планета также обладает жидким внешним ядром толщиной приблизительно в 2300 км. Оно состоит из расплава железа и никеля с примесью более легких элементов (серы, углерода, кислорода и, возможно, радиоактивного калия — в точности не знает никто). Температура нижней части внешнего ядра почти совпадает с температурой внутреннего ядра, а в верхней зоне на границе с мантией понижается до 4400°C. Поэтому вполне естественно предположить, что благодаря вращению Земли там формируются круговые течения, которые могут оказаться причиной возникновения земного магнетизма.

Именно такую схему ученые-геофизики обсуждали лет 80 назад. Они считали, что потоки проводящей жидкости внешнего ядра за счет своей кинетической энергии порождают электрические токи, охватывающие земную ось. Эти токи генерируют магнитное поле преимущественно дипольного типа, силовые линии которого на поверхности Земли вытянуты вдоль меридианов (такое поле называется полоидальным). Этот механизм вызывает ассоциацию с работой динамо-машины, отсюда и произошло его название.

Описанная схема красива и наглядна, но, к сожалению, ошибочна. Она основана на предположении, что движение вещества внешнего ядра симметрично относительно земной оси. Однако в 1933 году английский математик Томас Каулинг доказал теорему, согласно которой никакие осесимметричные потоки не способны обеспечить существование долговременного геомагнитного поля. Даже если оно и появится, то век его окажется недолог, вдесятки тысяч раз меньше возраста нашей планеты. Нужна модель посложнее.

«Мы не знаем точно, когда возник земной магнетизм, однако это могло произойти вскоре после формирования мантии и внешнего ядра, — говорит один из крупнейших специалистов по планетарному магнетизму, профессор Калифорнийского технологического института Дэвид Стивенсон. — Для включения геодинамо требуется внешнее затравочное поле, причем не обязательно мощное. Эту роль, к примеру, могло взять на себя магнитное поле Солнца или поля токов, порожденных в ядре за счет термоэлектрического эффекта. В конечном счете это не слишком важно, источников магнетизма хватало. При наличии такого поля и кругового движения потоков проводящей жидкости запуск внутрипланетной динамомашины становился просто неизбежным».

Вот общепринятое объяснение такого запуска. Пусть для простоты затравочное поле почти параллельно оси вращения Земли (на самом деле достаточно, если оно имеет ненулевую компоненту в этом направлении, что практически неизбежно). Скорость вращения вещества внешнего ядра убывает по мере уменьшения глубины, причем из-за его высокой электропроводности силовые линии магнитного поля движутся вместе с ним — как говорят физики, поле «вморожено» в среду. Поэтому силовые линии затравочного поля будут изгибаться, уходя вперед на больших глубинах и отставая на меньших. В конце концов они вытянутся и деформируются настолько, что дадут начало тороидальному полю, круговым магнитным петлям, охватывающим земную ось и направленным в противоположные стороны в северном и южном полушариях. Этот механизм называется w-эффектом.

По словам профессора Стивенсона, очень важно понимать, что тороидальное поле внешнего ядра возникло благодаря полоидальному затравочному полю и, в свою очередь, породило новое полоидальное поле, наблюдаемое у земной поверхности: «Оба типа полей планетарного геодинамо взаимосвязаны и не могут существовать друг без друга».

15 лет назад Гэри Глатцмайер вместе с Полом Робертсом опубликовал очень красивую компьютерную модель геомагнитного поля: «В принципе для объяснения геомагнетизма давно имелся адекватный математический аппарат — уравнения магнитной гидродинамики плюс уравнения, описывающие силу тяготения и тепловые потоки внутри земного ядра. Модели, основанные на этих уравнениях, в первозданном виде очень сложны, однако их можно упростить и адаптировать для компьютерных вычислений. Именно это и проделали мы с Робертсом. Прогон на суперкомпьютере позволил построить самосогласованное описание долговременной эволюции скорости, температуры и давления потоков вещества внешнего ядра и связанной с ними эволюции магнитных полей. Мы также выяснили, что если проигрывать симуляцию на временных промежутках порядка десятков и сотен тысяч лет, то с неизбежностью возникают инверсии геомагнитного поля. Так что в этом отношении наша модель неплохо передает магнитную историю планеты. Однако есть затруднение, которое пока еще не удалось устранить. Параметры вещества внешнего ядра, которые закладывают в подобные модели, все еще слишком далеки от реальных условий. Например, нам пришлось принять, что его вязкость очень велика, иначе не хватит ресурсов самых мощных суперкомпьютеров. На самом деле это не так, есть все основания полагать, что она почти совпадает с вязкостью воды. Наши нынешние модели бессильны учесть и турбулентность, которая несомненно имеет место. Но компьютеры с каждым годом набирают силу, и лет через десять появятся гораздо более реалистичные симуляции».

«Работа геодинамо неизбежно связана с хаотическими изменениями потоков железо-никелевого расплава, которые оборачиваются флуктуациями магнитных полей,– добавляет профессор Стивенсон. — Инверсии земного магнетизма — это просто сильнейшие из возможных флуктуаций. Поскольку они стохастичны по своей природе, вряд ли их можно предсказывать заранее — во всяком случае мы этого не умеем».

elementy.ru

3.1 Земной шар — большой магнит

«Легко быть философом, выуча наизусть три слова: бог так сотворил» – эти слова принадлежат нашему гениальному соотечественнику М.В. Ломоносову. Накопление фактических сведений о различных проявлениях и воздействиях электричества и магнетизма неизбежно поставило вопрос о постижении глубинной сущности этих явлений. Поэтому все настойчивее формулировалась задача о познании законов, которым они строго подчиняются. Мы сейчас, говоря об электричестве и магнетизме, мысленно связываем эти явления, поскольку законы этих связей уже знаем. На заре же их разгадывания эти явления воспринимались всеми, как ничем не связанные, как, например, толщина льда на полюсе земли и цена на картошку. Это обстоятельство распыляло средства и усилия исследователей. Но настойчивая работа велась. Жизнь неумолимо подталкивала человека к познанию сути явлений, поскольку без этого невозможно было осознанно использовать их в практических целях. Это хорошо видно на примере судьбы учений Месмера.

Наиболее знаменательные результаты раньше других были получены Гильбертом — гениальным англичанином. Он жил в одно время с Вильямом Шекспиром. Вильям Гильберт, в год рождения Шекспира праздновал свое 20-тилетие (XVI век). Это было удивительное время новой волны расцвета искусства и науки. Посвятив себя полностью науке, Гильберт на всю жизнь остался холостяком. Закончив Кембриджский колледж, он стал молодым доктором медицины и был призван на службу в качестве лейб-медика английской королевы.

Почему он написал научную работу по магнетизму и электричеству? Используя для лечения толченый магнит приемом вовнутрь, он пришел к выводу, что «природа магнита двойственная и больше – зловредная и пагубная». Но он был очень дружен с известными тогда корсарами Френсисом Дрейком и Генри Кавендишем. Именно они сообщили Гильберту, что и в северном и южном полушариях стрелка компаса указывает на север. Они совместно составили карту мира с уникальными замерами магнитного склонения по разным морям и землям. Перенеся эти картинки на глобус, Гильберт пришел к выводу, что Земля является одним большим магнитом.

В то время понятие о взаимном притяжении и отталкивании одноименных полюсов люди уже знали. Официально это было установлено в 1269 году Пьером Перегрином из Марикурта. Его вывод: «южная сторона притягивается к той, которая имеет свойства и природу севера, хотя они обе имеют одну и ту же специфическую форму». Но эти «перлы» знаний буквально тонули в горах схоластических измыслов. Гильберту понадобилось 18 лет упорной работы, чтобы поставить тысячи экспериментов, сделать их тщательный анализ. Многолетний труд завершился книгой «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле. Новая физиология, доказанная множеством аргументов и опытов» (Был 1600-й год). В отличие от старой, схоластической науки, для которой главным аргументом служила ссылка на авторитет (труд античного классика или Священное Писание) новая наука о Земле опиралась на наблюдение, эксперимент и математический расчет. Трактат Гильберта содержал подробное описание более 600 опытов, лично проведенных автором. В результате их анализа Гильберт пришел к выводу, что магнит всегда содержит два полюса: северный и южный. Даже распилив магнит пополам, невозможно получить магнит только с одним полюсом. При этом одноименные полюса отталкиваются, а разноименные – притягиваются.

Это – первый по-настоящему научный труд. Он был признан подавляющим числом ученых тоговремени. Гильберт первым провозгласил опыт критерием истины. Чтобы

написать такой трактат о магнетизме во время разгула инквизиции и процветания мистицизма, требовалось очень много выдающихся человеческих качеств, научной добросовестности и гражданского мужества.

Через год после издания книги Гильберта В. Шекспир создает «Гамлета». По иронии судьбы оба эти труда долго приписывались философу Фрэнсису Бэкону. И это потому, что последний считается родоначальником индуктивного метода в науке. Хотя Гильберт отстаивал этот метод в борьбе со схоластами задолго до Бэкона, ему принадлежит множество открытий, некоторые из них опережали время и не могли быть восприняты научной общественностью той эпохи.

Гильберт нагрел магнит и установил, что при некоторой температуре он теряет магнитные свойства. Для железа — +588^ос. Эта цифра впоследствии названа точкой Кюри. Гильберт открыл, что при приближении к магниту куска железа оно начинает другим концом притягивать, подобно магниту. Он открыл экранирующий эффект железа. Впервые приспособил к полюсу магнита «концентратор» магнитного поля из мягкого железа и увеличил его подъемную силу. Догадался и объявил, что действие магнита распространяется подобно свету.

Не владея знаниями других законов природы и научными методами нашего времени, Гильберт сделал гениальные открытия, хотя и давал им зачастую наивное объяснение. Так, природу магнетизма он объяснял наличием «души магнита». Таких примеров много.

Но ведь всегда несложно судить предшественников с позиций сегодняшних знаний. «Гильбертом» названа единица напряженности магнитного поля в системе СИ. Это – дань потомков лондонскому лекарю за его гениальные открытия в физике. Он был убежденным исследователем. Само слово «электрика» введено в науку именно Гильбертом. Вот эта первая формулировка, где встречается это понятие, как научная категория:

«Электрические тела – те, которые притягивают таким же образом, как янтарь». Гильберт выявил множество других веществ, которые электризовались и притягивались так же, как янтарь. Он же разделил наблюдаемые явления на электрические и магнитные, как не имющие ничего общего. Забегая вперед, отметим, что только через 200 лет Эрстед и Ампер вновь объединили эти явления в одно целое. Картину объединения завершил Максвелл, назвав явление электромагнитным.

Гильберт умер через 3 года после выхода в свет его знаменитой книги. Умер от чумы. Но его чудо с земным шаром до наших времен определяет наше представление об окружающем мире.

studfiles.net