Переменное и постоянное магнитные поля земли сообщение
Обновлено: 30.06.2024
Магнитное поле Земли - магнитное поле, которое возникает естественным образом внутри и вокруг Земли. Это примерно соответствует полю магнитного диполя с одним геомагнитным полюсом около географического Северного полюса и другим геомагнитным полюсом около Южного полюса . Линия, соединяющая геомагнитные полюса, образует угол 9,98 ° с осью вращения Земли [1] . Магнитное поле простирается на несколько десятков тысяч километров от Земли, а область, в которой оно возникает, называется магнитосферой Земли .
В качестве северного полюса магнитной стрелки (и магнитов в целом ) принято указывать тот на ее концах, который указывает на географический север. Его привлекает обратно поляризованный магнитный полюс Земли, из чего следует, что южный полюс ее магнитного поля находится в северном полушарии, и наоборот: в южном полушарии он находит северный полюс [3] . Тем не менее, часто используется [ кем? ] - обозначение магнитных полюсов Земли согласно названиям географических полюсов и обратно обозначениям магнитных полюсов, используемым в физике.
Магнитные полюса все время движутся по поверхности Земли со скоростью около 15 км в год, образуя круги. Магнитные полюса не лежат точно на противоположных сторонах Земли, их положение во времени представлено в таблице:
| Магнитный Северный полюс [1] | (1965) 75,0 ° с.ш.100,4 ° з. | (1998) 79,5 ° с.ш.106,5 ° з. | (2004) 82,2 ° с.ш.114,0 ° з. | (2010) 84,97 ° с. Ш. 132,35 ° з. Д. [2] |
| Южный магнитный полюс [1] | (1965) 66,0 ° ю.ш. 139,5 ° в.д. | (1998) 64,3 ° ю. Ш. 138,3 ° в. | (2004) 63,5 ° ю. Ш. 138,0 ° в. | (2010) 64,42 ° ю. Ш. 137,34 ° в. Д. [2] |
В каждой точке пространства магнитное поле определяется вектором напряженности магнитного поля. Этот вектор определяется путем задания координат в системе координат Земли путем указания ее северной, восточной и вертикальной составляющих. Цилиндрическая система координат определяет склонение , горизонтальную составляющую и вертикальную составляющую, а сферическая система определяет наклон, склонение и модуль интенсивности.
Наклонение магнитного поля - это угол между его горизонтальной составляющей и географическим меридианом.
Наклон - это угол, под которым вектор напряженности поля образует горизонтальную плоскость.
На картах нанесены линии, соединяющие точки одного склонения, называемые изогонами . Линии, соединяющие точки с одинаковым наклоном, являются изоклинами , а изоклина, соответствующая наклону 0 °, называется магнитным экватором .
Сила магнитного поля была впервые измерена Карлом Фридрихом Гауссом в 1835 году, с тех пор магнитное поле измерялось много раз, а с 20 века оно регулярно измерялось во многих исследовательских центрах. Данные за этот период показывают, что магнитное поле постоянно меняется. Существует переменная составляющая и среднее значение, называемое постоянным магнитным полем. Постоянное магнитное поле также медленно изменяется, теперь экспоненциально уменьшаясь с периодом полураспада примерно 1400 лет. Сейчас он на 10-15% слабее, чем 150 лет назад.
Напряженность магнитного поля в ядре Земли намного больше , чем на ее поверхности. Средняя индукция магнитного поля во внешнем ядре составляет 25 гаусс - в 50 раз больше поверхности Земли [4] .
В настоящее время индукция магнитного поля Земли у поверхности Земли составляет от 30 микротесла (соответствует напряженности магнитного поля 24 А / м) для большинства областей низких и средних широт до 60 микротесла (48 А / м) вокруг магнитного поля. полюса в Северной Канаде, Южной Австралии и некоторых частях Сибири. Среднеквадратичная индукция на поверхности Земли составляет около 45 микротесла и уменьшается со средней скоростью 80 нанотесла в год [5]
Переменное магнитное поле меняет свое значение на 1% от своего значения, иногда это изменение достигает 5%. Основной причиной изменений являются явления, происходящие вокруг Земли, такие как деформация магнитного поля, вызванная солнечным ветром, изменения ионосферы Земли ( атмосферное динамо ). Наблюдаются периодические изменения с наиболее сильным суточным изменением, гораздо более слабым изменением, вызванным положением Луны. Причина повторяющихся суточных изменений - электромагнитное солнечное излучение, влияющее на силу токов в ионосфере. Луна также вызывает приливы и отливы в ионосфере Земли, которая является частью атмосферы.
Солнечная активность в виде корональных выбросов массы и изменения интенсивности солнечного ветра имеют большое влияние на возмущение магнитного поля Земли . Иногда они вызывают большие изменения, главным образом в горизонтальной составляющей, известные как магнитные бури , во время которых возникают нарушения связи, а иногда даже повреждения линий электропередачи. Северное сияние становится ярким, а затем наблюдается в широтах, где его обычно не бывает: даже в Польше или даже южнее.
Классификация изменений магнитного поля Земли
Переменное магнитное поле Земли определяется как разница между наблюдаемым значением составляющих напряженности магнитного поля и средним значением, рассчитанным для фиксированного интервала времени. Мы выделяем следующие временные изменения магнитного поля:
- Долговременные (возрастные) изменения - вызваны медленными изменениями намагниченности недр Земли . Это периодические явления с периодом 500-600 лет. Причина в том, что магнитный полюс Земли смещается по замкнутой кривой.
- Краткосрочные изменения:
- Спокойные (жидкие) изменения подчиняются определенным закономерностям, вызванным приливными движениями ионосферы.
- солнечные суточные изменения,
- ежедневные лунные изменения,
- нерегулярные изменения,
- апериодические изменения,
- нарушенные суточные колебания,
- местные беспорядки,
- нарушения пазух носа (нормальные, но не периодические),
- магнитные бури (вызванные корпускулярным излучением Солнца),
- пульсации (синусоидальные колебания напряженности поля с амплитудой в несколько единиц в течение нескольких минут).
Основываясь на исследованиях вулканической лавы на Гавайях , было обнаружено, что магнитное поле Земли все время меняет свою интенсивность, и каждые десятки тысяч или миллионы лет оно меняет свое направление ( полярность Земли ). Среднее время между разворотами - 250 000. лет, последнее произошло около 780 тыс. много лет назад.
В настоящее время нет четкой теории, описывающей причины изменения полярности.
Самая старая вера в то, что магнитное поле является результатом намагничивания глубоких слоев Земли, подверглась критике в начале 20 века после того, как Пьер Кюри открыл температурный предел, выше которого вещества перестают быть ферромагнитными. Температура недр Земли намного выше температуры Кюри известных веществ.
Сейчас считается, что движущей силой геодинамы являются конвекционные токи в жидком ядре Земли. В этих токах вращение Земли за счет эффекта Кориолиса вызывает вихри, которые действуют как униполярный генератор Фарадея , производя электрический ток, который создает магнитное поле.
Математические модели, построенные на основе магнитогидродинамических динамо, предсказывают изменения магнитного поля и потерю его дипольного характера.
Магнитное поле на поверхности Земли делят на постоянное и переменное. Главная часть постоянного магнитного поля обязана происхождением процессам, протекающим в ядре Земли и на границе ядра и мантии. На эту часть магнитного поля накладывается магнитное поле, созданное породами земной коры.
Постоянное поле не является постоянным в строгом смысле слова. Оно меняется со временем, но изменения эти происходят медленно. Наиболее изученная часть таких изменений — это вековые вариации, они имеют, возможно, период в несколько сотен лет.
Переменное магнитное поле Земли связано с излучением Солнца, благодаря которому в околоземном пространстве в ионосфере и магнитосфере возникают электрические токи. Это поле действительно является переменным, и различные его составляющие имеют периоды изменения от сотых долей секунды до суток.
Постоянное магнитное поле Земли. Точные све дения о магнитном поле Земли имеют большое принципиальное и практическое значение, так как, с одной стороны, позволяют составить представление о строении Земли и о происхождении магнитного поля, а с другой, дают основу для правильного практического применения этих знаний, например, при магнитной разведке полезных ископаемых. Распределение магнитного поля Земли на ее поверхности изображают на картах с помощью изолиний магнитных элементов. К ним относятся магнитное склонение, наклонение, величины горизонтальной и вертикальной составляющих силы геомагнитного поля.
Несмотря на то, что рождением науки о магнитном поле Земли можно считать 1600 г., когда впервые английский физик У. Гильберт доказал, что Земля — огромный магнит, теоретическое развитие этой отрасли геофизики шло крайне медленно. Принципиальные для развития физических представлений о природе магнитного поля сведения о нем, которыми располагало человечество 50 лет назад, сводились к тому, что Земля обладает очень слабым потенциальным постоянным магнитным полем, что главная часть его — поле магнитного диполя, помещенного в центре Земли, и что ось этого диполя наклонена под углом 11°30 к оси вращения Земли. Что касается России, то подробных сведений о распределении магнитного поля на ее огромной территории еще не было, хотя такая крупнейшая особенность, как курские магнитные аномалии (КМА), уже была известна.
Сразу после гражданской войны началось детальное изучение магнитного поля на территории Советской России. С 1931 по 1941 г. вся страна была покрыта сетью магнитных измерений (генеральная магнитная съемка), часть из которых время от временя повторялась, чтобы изучить вековые вариации. Магнитная съемка на территории Советского Союза выявила распределение магнитных аномалий, связанных с особенностями геологии страны. На востоке Сибири была подробно изучена большая, занимающая почти треть азиатского материка аномалия — территория, где магнитное поле заметно отличалось от дипольного. Эта аномалия не имеет отношения к тем магнитным аномалиям, которые связаны с присутствием в верхних частях земной коры различных полезных ископаемых и которые поэтому интенсивно изучаются магнитной разведкой. Аномалии, охватывающие такую большую территорию, это мировые (или континентальные) аномалии и имеют отношение к строению Земли в целом. Некоторые особенности таких аномалий, теоретические расчеты, а также последние наблюдения магнитного поля на высоте, полученные при помощи искусственных спутников Земли, заставляют считать, что причины мировых аномалий находятся на границе земного ядра и оболочки.
Повторные измерения геомагнитного поля на одних и тех же пунктах во многих странах и в том числе в СССР позволили уточнить географическое распространение вековых вариаций. Оказалось, что существовавшее раньше представление о вековых вариациях, как о результате вращения геомагнитной оси вокруг географической, было неточным. Вековые вариации представляют собой усиление магнитного поля в одних местах земного шара и ослабление его в других с периодом порядка 1000 лет; особенно большие изменения происходят в области континентальных аномалий. Одна из /основных особенностей вековых вариаций состоит в том, что места наибольшего изменения магнитного поля, как и центры мировых аномалий, постоянно смещаются к западу — происходит западный дрейф магнитного поля. Западный дрейф этих аномалий доказывает, что они связаны не с неподвижными слоями в одной из твердых оболочек Земли, а с какими-то процессами в жидком ядре.
Вековые вариации имеют часть, связанную с земной корой. Эта часть вековых вариаций различна в сейсмически активных и сейсмически спокойных районах. Есть основания считать, что вековые вариации в данном районе должны меняться при приближении времени крупных землетрясений. Если этот эффект будет достаточно велик, чтобы его можно было наблюдать, его смогут использовать для предсказания землетрясений.
В 50-х годах с широким развитием палеомагнитных исследований начался новый этап в науке о магнитном поле Земли. Намагниченность горных пород (содержащихся в них ферромагнитных зерен) зависит не только от магнитного поля, в котором находились эти породы, но и от условий их образования. Намагниченность, возникшая при остывании расплавленной породы в магнитном поле, будет иметь направление этого поля, но ее стабильность, т. е. способность сопротивления размагничивающим воздействиям, настолько велика, что потребовались бы поля, в сотни и тысячи раз превышающие поле, в котором остывала порода, чтобы уничтожить эту намагниченность. Благодаря этому свойству многие породы до сих пор сохранили намагниченность, приобретенную ими во время их образования миллионы лет назад, Изучая эту древнюю намагниченность, мы получаем возможность судить о магнитном поле, которое было на Земле в разные геологические эпохи, и можем проследить закономерности изменения этого поля во времени.
Такая идея впервые у нас была высказана П. П. Лазаревым в 30-х годах, но реальное начало палеомагнитных исследований следует отнести к концу 40 — началу 50-х годов. В Советском Союзе палеомагнитные исследования начались с 1956 г. и получили очень широкое распространение. При таких исследованиях чрезвычайно важно сравнивать наблюдения, полученные по одновозрастным породам из далеко отстоящих районов. Поэтому в 1957 г. была создана специальная Палеомагнитная комиссия, основной функцией которой является координация палеомагнитных исследований и проверка надежности полученных результатов. Инициатором создания этой комиссии был А. Г. Калашников (ИФЗ АН СССР). Ее председатель и руководитель Б. М. Яновский (Ленинградский университет) объединил вопросы палеомагнетизма с вопросами геомагнетизма постоянного поля, так как на настоящей стадии исследований эти две линии уже не могут быть разъединены. Огромная территория Советского Союза, большой размах и единообразие исследований, а также четкая их организация позволили получить исключительные по своей ценности наблюдения и использовать их для геофизических обобщений. Основное количество палеомагнитных исследований, сбор и обобщение палеомагнитных данных проводится под руководством А. Н. Храмова. Сложность палеомагнитных исследований заключается не в отборе коллекций пород и измерений их намагниченности, а в доказательстве того, что намагниченность, которой обладает порода в настоящее время, именно та намагниченность, которую порода приобрела в процессе образования, и что эта намагниченность сохранилась неизменной в течение сотен миллионов лет, прошедших с того времени.
При изучении процессов намагничивания и размагничивания, свойственных ферромагнетикам, входящим в состав горных пород, разработан ряд методов, при помощи которых удается ответить на вопрос о происхождении намагниченности. В Советском Союзе такие работы ведутся в Институте физики Земли АН СССР, в Московском и Ленинградском университетах, а также в Институте физики СО АН СССР. Изучение закономерностей возникновения и разрушения намагниченности горных пород является физической базой палеомагнитных исследований и интерпретации палеомагнитных определений, но их значение выходит за пределы чисто палеомагнитных исследований. На основе изученных закономерностей геомагнетизма предложены методы, позволяющие в ряде случаев устанавливать возраст и условия происхождения горных пород,
Палеомагнитные и археомагнитные (относящиеся к последним 30 тыс. лет) исследования позволили советским и зарубежным ученым обнаружить следующие особенности геомагнитного поля.
1. Магнитный полюс перемещается со временем, но за последние несколько миллионов лет местоположение магнитного полюса определялось осью вращения Земли: если установить среднее положение магнитного полюса за весь четвертичный период, то этот средний магнитный полюс совпадет с географическим.
2. Геомагнитная ось постепенно перемещается относительно земной коры. Примерно за 500—600 млн. лет магнитный полюс переместился из центральной части Тихого океана мимо берегов Японии к современному положению.
3. При каждом положении геомагнитной оси магнитные полюсы могут занимать диаметрально противоположные положения.
4. Вековые вариации существуют по меньшей мере последние 10 тыс. лет, сохраняя примерно одинаковый характер.
5. Величина магнитного момента тоже пульсирует с периодом порядка 10 тыс. лет, оставаясь в среднем приблизительно такой, как в настоящее время.
Естественно, что эти новые и столь принципиальные сведения о магнитном поле Земли совершенно изменили представления о магнитном поле и причинах, его вызывающих. Новые представления нашли отражение в теории геомагнитного поля и вековых вариаций. Я. И. Френкель (1947) высказал предположение, что процесс возникновения геомагнитного поля происходит в земном ядре и подобен процессу самовозбуждения динамомашины. Идея Френкеля получила развитие в работах других авторов, однако статью Френкеля можно считать началом нового направления в теории геомагнитного поля. Первой стройной теорией геомагнитного поля, построенной с учетом его особенностей, установленных палеомагнитными и археомагнитными методами, является предложенная в 1948 г. теория Булларда.
В Советском Союзе предложены еще два варианта теории геомагнитного поля, существенно отличающихся от представлений Булларда. Авторами этих теорий являются Б. А. Тверской (1962) и С. И. Брагинский (1963). Одновременно с созданием теории происхождения геомагнитного поля уточняются наши знания о строении земного ядра и процессах, в нем происходящих. В частности, инверсии поля, т. е. перемена местами магнитных полюсов при неизменном направлении геомагнитной оси, возможны только при крупных конвективных перемещениях вещества в земном ядре. На основании поведения геомагнитного поля во время инверсий можно судить о характере и скорости таких перемещений, следовательно, в какой-то мере и о свойствах вещества ядра. Поскольку перемена полярности — очень заметный момент в истории магнитного поля, изменения знака намагниченности горных пород можно использовать для корреляции геологических разрезов на далеких расстояниях, даже на разных континентах.
Переменное магнитное поле Земли. Величины изменений магнитных элементов в данном месте можно узнать, имея магнитную обсёрваторию, т. е. приборы, которые регистрируют все изменения поля — его переменную часть или переменное магнитное поле Земли. Перед Октябрьской революцией в России было только пять магнитных обсерваторий. После революции их число постепенно возрастало, и теперь их около 30.
Переменное магнитное поле Земли обусловлено, как сказано выше, солнечной деятельностью. Различают две части в этом поле — регулярную и не регулярную. Первая связана с ионизацией солнечным светом земной атмосферы, в которой в результате ионизации возникает на высотах 100 км и выше область, хорошо проводящая электрические токи. Вместе со всей атмосферой ионосфера подвержена приливным колебаниям, в первую очередь под действием притяжения Солнца и Луны. При этих колебаниях, происходящих в магнитном поле земного шара, в ионосфере индуцируются электрические т о к и. Магнитное поле этих токов можно наблюдать на земной поверхности как периодические, суточные вариации. Первые сведения о географическом распределении суточных магнитных вариаций были получены еще в XIX в. В 1941 г. Н. П. Бенькова на основании наблюдений мировой сети магнитных обсерваторий за лето 1933 г. (в этот период был проведен 2-й Международный полярный год и было организовано много новых магнитных обсерваторий) провела подробный анализ суточных вариаций, впервые установив в них наличие части, связанной с географической долготой. В 1964 г. М. Н. Фаткуллин и Я. И. Фельдштейн одновременно с английскими геофизиками показали, что суточные вариации следует рассматривать не в отклонениях от средних за сутки, а в отклонениях от ночного уровня магнитного поля. При таком подходе появляется возможность правильнее в физическом отношении связывать между собой суточные магнитные вариации и суточные изменения характеристик ионосферы.
Вторая, нерегулярная часть переменного магнитного поля обусловлена воздействием на Землю солнечного корпускулярного излучения. Потоки солнечных корпускул, солнечной плазмы, встречая Землю в своем движении от Солнца, вызывают на ней комплекс связанных между собой явлений: магнитные бури, полярные сияния, нарушения нормального состояния ионосферы, возмущения естественных электрических токов, существующих в земной коре, и др. Изучение этих явлений, помимо научного интереса, имеет большое практическое значение для обеспечения работы коротковолновой радиосвязи, радионавигации и т. п. Магнитные бури одновременно охватывают весь земной шар, но особенно сильны они в высоких широтах, куда магнитное поле Земли отклоняет значительную часть сближающихся с Землей солнечных корпускул. В связи с этим со времени 2-го Международного полярного года в СССР, как и в других странах, было обращено особое внимание на создание магнитных обсерваторий в Арктике. При организации в 1957—1958 гг. Международного геофизического года магнитные обсерватории были созданы и в Антарктиде. Советский Союз организовал первоклассную обсерваторию Мирный и несколько других обсерваторий, в том числе обсерваторию Восток в районе южного магнитного полюса.
Длительно существующие на Солнце активные области создают долгоживущие солнечные корпускулярные потоки. Это обусловливает 27-дневную повторяемость части магнитных бурь. Н. П. Бенькова изучила эту повторяемость, показав в 1944 г., что самые сильные бури, как правило, входят в ту или иную группу бурь, повторяющихся через 27 дней. Этот вывод имеет значение для предсказания нарушений радиосвязи. Э. Р. Мустель со своими сотрудниками в цикле работ, начатых в 1944 г., выяснил, что потоки выходят из областей поверхности Солнца, отмеченных флоккулами, — наиболее высокотемпературными яркими участками его поверхности. В. И. Афанасьева в работах 1960—1966 гг. установила, что характер магнитной бури зависит от расстояния, на котором мимо Земли проходит ось (средняя линия) потока.
В результате запуска в околоземное космическое пространство искусственных спутников Земли с приборами для измерения магнитного поля установлено, что это поле простирается в пространстве не безгранично далеко от Земли, а имеет границу, вне которой существует магнитное поле межпланетного пространства. Область, в которой заключено магнитное поле Земли, получила название магнитосферы. Ш. Ш. Долгинов, Н. В. Пушков и другие в 1960 г. при измерениях магнитного поля в магнитосфере установили, что Земля окружена кольцевым током, находящимся в области земного экватора на удалении в несколько земных радиусов от поверхности Земли. Существование такого тока предполагалось давно.
Еще в 1948—1951 гг. А. Г. Калашников, В. А. Троицкая и другие начали изучение с помощью высокочувствительной аппаратуры колебаний электромагнитного поля Земли с периодами в секунды и доли секунды. Для этого на некоторых обсерваториях регистрировались колебания электрических токов в Земле. В. А. Троицкая и ее сотрудники начиная с 1953 г. выяснили наличие двух типов таких короткопериодных колебаний и дали им объяснение. Они предположили существование в магнитосфере Земли двух типов электромагнитных (магнитогидродинамических) колебаний.
Работы по изучению переменного магнитного поля Земли ведут многие институты и обсерватории. В большинстве случаев они связываются с изучением других электромагнитных геофизических явлений. Крупнейшие институты этого профиля находятся в Москве, Ленинграде, Иркутске и Мурманске. Магнитные обсерватории оснащены приборами, регистрирующими магнитные вариации без искажений вследствие влияния температуры, влажности и т. п. (конструкции В. Н. Боброва, Б. Е. Брюнелли и др.). Для учета вариаций магнитного поля при магнитных съемках (наземных, геологоразведочного характера и при аэромагнитных работах) используются походные вариационные станции.
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
2. Актуальность моей работы обусловлена необходимостью выявить и изучить явления, происходящие в природе, основанные на электромагнитных явлениях.
Цель работы: изучить строение, характеристики, природу и динамику магнитного поля Земли.
Для достижения этой цели решались следующие задачи:
1. Обзор и а нализ свойств и характеристик магнитного поля.
2. Исследование структуры магнитного поля Земли.
3. Анализ различных методов исследования геомагнитного поля.
4. Систематизация знаний о природе магнитного поля Земли.
5. Анализ возможностей практического применения магнитных явлений.
6. Исследование влияния магнитного поля на живые организмы.
3 . Работа состоит из 2-х глав.
Глава I . Магнитное поле
Определение, свойства, характеристики и создание магнитного поля.
Развитие представлений о магнитном поле от древних веков до наших дней.
Магнитное поле в природе.
Влияние магнитного поля на живые организмы.
Глава II . Магнитное поле Земли
Структура геомагнитного поля.
Измерение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли.
Аномалии геомагнитного поля.
Динамика изменений магнитного поля Земли.
4. Магнитное поле - особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами или телами, обладающими магнитным моментом.
5. В 1845 году английский физик Майкл Фарадей ввёл термин "магнитное поле". Он считал, что магнитные взаимодействия, подобно электрическим, осуществляются посредством единого материального поля. Фарадей считал, что поле это то, что способно излучаться, распространяться в пространстве с конечной скоростью, а так же взаимодействовать с веществом.
С математической точки зрения идея новой формы материи (поля) была описана последователем Фарадея Джеймсом Клерком Максвеллом (1873). Таким образом Фарадей и Максвелл заложили основы электромагнитной картины мира.
Полное описание электромагнитного поля дают четыре уравнения Максвелла:
6. Магнитные поля в природе разнообразны по масштабам и по вызываемым эффектам. Свойства магнитного поля используются как человеком, так и животными. Например, птицы и насекомые при помощи магнитного поля ориентируются при перелётах. Человек с древнейших времён использует свойство магнитной стрелки располагаться вдоль магнитного меридиана для ориентирования на местности. Горные породы , содержащие ферромагнитные минералы, намагничиваются в геомагнитном поле, создавая аномалии , на основе изучения которых проводят поиски и разведку месторождений . По остаточной намагниченности горных пород восстанавливают историю геомагнитного поля.
7 . Магнитное поле Земли по своей структуре неоднородно. Оно слагается из двух частей: постоянного и переменного полей. Постоянное поле вызвано внутренними источниками магнетизма. Источниками переменного поля являются электрические токи в верхних слоях атмосферы – ионосфере и магнитосфере. Так как магнитные и географические полюсы Земли не совпадают, то магнитная стрелка указывает направление север – юг только приблизительно. Плоскость, в которой устанавливается магнитная стрелка, называют плоскостью магнитного меридиана данного места, а прямую, по которой эта плоскость пересекается с горизонтальной плоскостью, называют магнитным меридианом. Угол между направлениями магнитного и географического меридианов называют магнитным склонением. Магнитное склонение изменяется от места к месту на земном шаре. Таким образом, три величины: склонение, наклонение и числовое значение горизонтальной составляющей магнитной индукции полностью характеризуют магнитное поле Земли в данном месте.
8. Благодаря исследованиям, проведенным с помощью спутников и космических станций, установлено, что магнитное поле Земли, простирается на расстояния до 70-80 тыс. км в направлении на Солнце и на многие миллионы км в противоположном направлении. Часть пространства, в которой действует магнитное поле Земли, называется магнитосферой, а ее внешняя граница – магнитопаузой. В пределах магнитосферы возникают сложные токовые системы, создающие внешнее магнитное поле. Эта часть поля наиболее динамична, его изменения имеют период от долей секунд до 11 лет и связаны с изменением солнечной активности. Магнитное поле Земли контактирует с межпланетным магнитным полем и с так называемым полем солнечного ветра на расстояниях порядка 10–14 земных радиусов. Солнечный ветер представляет собой поток плазмы, излучаемый солнечной короной (корональный газ, состоящий из водорода и гелия) в межпланетное пространство. Частицы, образующие солнечный ветер (электроны и протоны) двигаются с огромной скоростью (более 400 км/с), число летящих частиц плазмы составляет несколько десятков в каждом 1, температура достигает 1,5–2 млн. градусов. На границе магнитного поля Земли и межпланетного магнитного поля напряженность общего поля составляет порядка 0,5· А/м.
Влияние солнечного ветра на геомагнитное поле приводит к тому, что магнитосфера имеет сложную каплевидную форму. Плазма солнечного ветра и потоков солнечных частиц как бы обтекают земную магнитосферу, придавая ей своеобразную форму хвоста. Хвост магнитосферы, представляющий собой выходящие из полярных областей под действием солнечного ветра силовые линии магнитного поля Земли вытянут на сотни земных радиусов в сторону от Солнца.
9. Магнитная аномалия – это отклонение величин элементов земного магнетизма от нормальных значений, которые наблюдались бы в данном месте в случае однородного намагничивания Земли. На земном шаре есть много районов, где геомагнитное поле претерпевает резкие изменения на протяжении нескольких километров и даже метров. В таких районах по сравнению с окружающими территориями магнитное склонение и наклонение могут отличаться на десятки градусов. Если в каком-либо месте обнаруживаются резкие изменения магнитного склонения и наклонения, то это указывает, что под земной поверхностью скрыты горные породы, содержащие ферромагнитные минералы. Интенсивность аномалий может колебаться в широких пределах в зависимости от величины намагниченности пород, занимаемого ими объема и глубины залегания.
10 . Природа магнитного поля Земли остаётся неизвестной, несмотря на многолетние и многочисленные усилия исследователей многих стран. На данном этапе изучения земного магнетизма существуют следующие гипотезы о происхождении магнитного поля Земли: ферромагнитная, электрическая и гипотеза гидромагнитного динамо.
11. Изменения магнитного поля Земли замечали еще в древности. В настоящее время для изучения динамики используют различные современные методы и технологии, позволяющие выявить основные особенности в структуре геомагнитного поля. По данным спутника CHAMP российской академии наук института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова были сделаны следующие выводы: северный и южный магнитные полюсы постоянно перемещаются, изменяя свое местоположение. Начиная примерно с 1970 г. скорость смещения северного магнитного полюса увеличилась, и на данный момент скорость его смещения составляет более 40 км в год.
Ускоренное движение северного магнитного полюса прекратилось в районе 2003 года, достигнув значения примерно 62,5 км/год. Затем движение полюса начало замедляться и в 2009 году уменьшилось до значения примерно 45 км/год. При этом следует отметить, что полюс стал немного разворачиваться в сторону Канады, двигаясь по-прежнему в северо-западном направлении. Так скорость движения полюса в исследуемом временном интервале (2001-2009) по широте уменьшилась с 58 до 35 км/год, в то время как скорость движения по долготе увеличилась с 23 до 32 км/год.
12. На этом слайде представлена аналогичная динамика южного магнитного поля с 2001 по 2009 годы.
13. Таким образом, Исследование магнитного поля Земли представляет собой актуальную задачу и огромный научный интерес.
Существует несколько гипотез о происхождении и динамике изменения магнитного поля Земли.
Единой теории магнитного поля Земли не создано.
Ясное понимание природы земного магнетизма решило бы многие вопросы, например, такие как: внутреннее устройство Земли, природа источника ее теплового потока, причины движения материков и плит, причины возникновения и исчезновения магнитного поля на Луне и спутниках Юпитера и т.д.
![Гост]()
ГОСТ
Магнитные взаимодействия
Если положительные и отрицательные заряды можно разделить, то магнитные полюса разделить невозможно. Например, из распиленного на две части намагниченного стержня, получится два магнита, и каждый из них будет иметь два собственных полюса.
В магнитных взаимодействиях принимает участие ряд элементарных частиц и каждая такая частица представляет собой небольшой магнит с двумя полюсами – магнитный диполь.
Таким образом, экспериментально установленным фактом является отсутствие в природе магнитных зарядов.
Магнитные взаимодействия, так уж распорядилась природа, тесно связаны с электрическими явлениями, причем эта связь настолько крепкая, что разделить их нельзя. Открытие Эрстеда – датского физика – стало первой ступенькой на пути установления этих связей, сделанное в $1777$ г. Суть его открытия заключалась в том, что находящаяся рядом магнитная стрелка при пропускании электрического тока по проволоке, занимала другое положение, отклоняясь от направления на север. Магнит реагировал на движущийся электрический заряд, т.е. на электрический ток.
Готовые работы на аналогичную тему
Сделанное открытие стало для другого физика – француза А.М. Ампера – поистине звездным часом, создавшего новую науку о магнитных взаимодействиях, получившую название электродинамика. Ампер гениально догадался, что магнитные взаимодействия есть не что иное, как взаимодействия электрических токов.
Физики уже давно сказали, что единое электромагнитное поле реально существует. И здесь тоже есть смысл говорить о единых электромагнитных взаимодействиях, потому что между заряженными частицами при их движении действуют и электрические и магнитные силы.
Магнитное поле Земли
Наша планета имеет свое магнитное поле, которое можно наблюдать с помощью компаса, в котором один конец стрелочки показывает на север, а другой – на юг.
Земля имеет два вида магнитных полей:
- Главное или постоянное;
- Второе – переменное.
Между ними есть взаимосвязь, несмотря на то, что их природа и происхождение различны.
Постоянное магнитное поле образуется за счет внутренних источников, которые возникают в результате различия температур на поверхности уплотненного ядра Земли. Ученые связывают это с динамическими процессами, происходящими в мантии и ядре. Эти процессы создают устойчивое магнитное поле, которое в разных точках поверхности имеет разное напряжение.
Внешние источники, которые находятся за пределами Земли – это электрические токи верхних слоёв атмосферы – создают переменное поле.
Переменное магнитное поле по сравнению с постоянным полем слабее примерно в $100$ раз
Показатели магнитного поля Земли:
Магнитное склонение, значение которого изменяется от $0$ до $ 180$ градусов.
Магнитное склонение – это угол между направлением на север и направлением северного конца магнитной стрелки.
Магнитное наклонение, его значение изменяется от $0$ до $90$ градусов.
Магнитное наклонение – это угол между горизонтальной плоскостью и свободно подвешенной на горизонтальной оси магнитной стрелкой
Магнитное наклонение может быть в северном геомагнитном полушарии положительным, а в южном полушарии – отрицательным.
Сила магнитного поля, величина которого с широтой возрастает, характеризуется напряженностью.
Характеристики магнитного поля во времени изменяются в виду того, что происходит его смещение относительно земного шара.
Магнитное поле планеты находится под постоянным наблюдением ученых по измерениям которых создаются геомагнитные карты. На картах показывают, в каких районах земного шара напряженность магнитного поля и магнитные силовые линии отклоняются от нормального. Отклонения получили название магнитных аномалий и могут использоваться в поисках полезных ископаемых.
Магнитные полюса с географическими полюсами не совпадают.
В районе магнитных полюсов в атмосферу Земли происходит беспрепятственное внедрение космических частиц.
Те явления и процессы, которые происходили на нашей планете в далеком прошлом, говорят о том, что магнитное поле Земли уже существовало. Древние горные породы, в которых содержались частички магнетита, гематита и др., как показали исследования, имеют остаточную намагниченность. Первичная намагниченность разных по возрасту горных пород, свидетельствует о временных изменениях магнитного поля планеты и его пространственном распределении. На основании этих данных ученые сделали вывод, что магнитное поле имело медленное направленное изменение и подвергалось неоднократной инверсии. Это значит, что северный магнитный полюс становился южным, а южный – северным.
Магнитные бури
Когда магнитное поле Земли имеет сильные возмущения, происходят магнитные бури, нарушающие плавный суточный ход элементов земного магнетизма. Продолжительность магнитных бурь может быть от нескольких часов до нескольких суток, причем одновременно на всей планете.
Магнитные бури делятся на фазы – предварительную, начальную, главную и фазу восстановления.
Для предварительной фазы характерны небольшие изменения геомагнитного поля и возбуждение его колебаний с коротенькими периодами.
В начальной фазе на всей Земле происходит внезапное изменение некоторых составляющих поля.
Главная фаза характеризуется большими колебаниями поля и сильным уменьшением горизонтальной составляющей.
В заключительной фазе восстановления поле возвращается к своему нормальному значению.
Чаще всего магнитные бури происходят в 11-летний цикл солнечной активности и связаны с потоками солнечной плазмы из активных областей Солнца. Солнечная плазма частично проникает внутрь магнитосферы Земли, увеличивая её сжатие и, вызывая начальную фазу магнитной бури. Попадая в верхнюю атмосферу Земли, частицы высоких энергий воздействуют на магнитосферу. Это воздействие приводит к генерации электрических токов и их усилению. Наибольшей интенсивности они достигают в полярных областях ионосферы. Не только в космическом масштабе, но и в микромире магнитные поля играют существенную роль, что связано с существованием у всех частиц – электронов, протонов, нейтронов, магнитного момента и действием магнитного поля на движущиеся электрические заряды.
Магнитные поля бывают:
- Слабые – до $500$ Гс;
- Средние – $500$ Гс – $40$ кГс;
- Сильные – $40$ кГс – $1$ МГс;
- Сверхсильные – свыше $1$ МГс.
Вся земная электротехника, радиотехника и электроника основана на использовании слабых и средних магнитных полей, которые получают с помощью постоянных магнитов, электромагнитов, неохлаждаемых соленоидов, сверхпроводящих магнитов.
Читайте также:
- Спокойные (жидкие) изменения подчиняются определенным закономерностям, вызванным приливными движениями ионосферы.
