Почему земля магнит кратко
Обновлено: 05.07.2024
С древних времен известно, что магнитная стрелка, свободно вращающаяся вокруг своей вертикальной оси, всегда позиционируется в определенном направлении в данном месте Земли (если поблизости нет магнитов, проводников электричества или железных предметов). Этот факт объясняется тем, что вокруг Земли существует магнитное поле, и магнитная стрелка устанавливается вдоль его магнитных линий. На этом основан компас, который представляет собой магнитную стрелку, свободно вращающуюся на оси.
Узнайте, что такое магнитное поле Земли, как оно создается и многое другое в этой статье.
Магнитное поле Земли: простое объяснение
Наша планета Земля окружена магнитным полем, которое также называют магнитным полем Земли. Если смотреть со стороны, то магнитное поле Земли по форме напоминает стержневой магнит. Это означает, что вы можете представить себе огромный стержневой магнит под поверхностью Земли, наклоненный к оси вращения Земли. Южный полюс этого магнита направлен в сторону географического северного полюса Земли.
Магнитное поле Земли имеет интенсивность от 30 микротесла (мкТл) до 60 мкТл. Основная часть магнитного поля Земли возникает в жидком внешнем ядре Земли в результате конвекции расплавленного железа.
Помимо обеспечения ориентации по компасу, магнитное поле Земли выполняет еще одну жизненно важную задачу: экранирует солнечный ветер, то есть защищает нас от опасного излучения из космоса. В состав космического излучения, кроме электронов, протонов, входят и другие частицы, движущиеся в пространстве с огромными скоростями.
Как создается магнитное поле Земли?
Структура ядра Земли
Вы можете представить себе Землю, разделенную на четыре сферические оболочки и одну сферу (смотрите рисунок 1 ниже). Каждая сферическая оболочка изготовлена из разных материалов и имеет разную толщину. Сфера находится в центре, а четыре сферические оболочки окружают сферу одна за другой. В следующем списке показана структура Земли, начиная с поверхности Земли и заканчивая ее центром.
- Сферическая оболочка 1 — земная кора: толщина 5 — 70 км.
- Сферическая оболочка 2 — верхняя мантия: глубина около 660 км.
- Сферическая оболочка 3 — нижняя мантия: глубина 660 — 2900 км.
- Сферическая оболочка 4 — внешнее ядро: глубина 2900 — 5150 км.
- Сфера — внутреннее ядро Земли: глубина от 5150 до 6371 км.
Теория динамо
Внешнее ядро состоит в основном из жидкого, электропроводящего железа. Внешний слой внешнего ядра Земли холоднее внутреннего ядра Земли. Эта разница температур приводит к возникновению конвекционных течений. Это означает, что жидкое железо во внешнем ядре сильно перемещается вперед и назад. К этому движению добавляется ещё и вращение земли.
Таким образом, составляющие магнитного поля Земли следующие: конвекционные токи, вращение Земли и электропроводящая жидкость в ядре Земли.
Примечание! Основная идея магнитного поля Земли: уже существующее магнитное поле в ядре Земли приводит к электрическому току. Этот электрический ток, в свою очередь, создает магнитное поле, которое усиливает исходное магнитное поле.
Теперь вам может быть интересно, откуда берется внешнее магнитное поле. На самом деле, малейшего теплового движения во внешнем ядре Земли достаточно для возникновения случайного электрического тока. Затем этот электрический ток создает внешнее магнитное поле, которое усиливается динамо-эффектом и формирует магнитное поле Земли.
Индукция и форма магнитного поля Земли
Индукция магнитного поля Земли составляет от 30 до 60 мкТл. Для сравнения: типичный подковообразный магнит имеет индукция магнитного поля 0,1 тесла; а индукция магнитного поля магнитно-резонансного томографа для использования человеком составляет от 0,35 до 3 тесла.
Форма магнитного поля Земли напоминает форму стержневого магнита (см. рисунок 2). Если смотреть со стороны, то кажется, что внутри Земли находится гигантский стержневой магнит. Он наклонен примерно на 11° относительно оси вращения, а его южный полюс направлен в сторону географического северного полюса Земли.
Рис. 2. Стержневой магнит внутри Земли
Наблюдения показывают, что по мере приближения Земли к географическому северному полюсу магнитные линии магнитного поля Земли все больше наклоняются к горизонту и становятся вертикальными, входя в Землю примерно на 75° северной широты и 99° западной долготы. Южный магнитный полюс Земли сейчас находится в этой точке, примерно в 2100 км от географического северного полюса.
Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
Северный магнитный полюс Земли расположен вблизи географического южного полюса, то есть на 66,5° южной широты и 140° восточной долготы. Здесь магнитные линии магнитного поля Земли покидают Землю.
Поэтому магнитные полюса Земли не совпадают с географическими полюсами Земли. По этой причине направление магнитной стрелки не совпадает с направлением географического меридиана. Магнит
Стрелка компаса лишь приблизительно указывает на север.
Есть области земного шара, где направление магнитной стрелки постоянно отклоняется от направления магнитной линии Земли. Эти области называются магнитными аномалиями.
Смена полярности магнитного поля Земли
В этом разделе мы кратко объясним, что имеется в виду под изменением полярности магнитного поля Земли и что это означает для жизни на Земле.
Феномен и значение
Рис. 3. Магнитное поле Земли
Исследования горных пород показали, что за последние 84 миллиона лет произошло 183 таких переполюсовки. Последняя смена полюсов произошла 780 000 лет назад. Возможно, сейчас вы спрашиваете себя, не настало ли время для того, чтобы снова произошел разворот полюсов. На самом деле, смена полярности является случайным событием. Это означает, что невозможно точно утверждать, когда это произойдет.
Худшие последствия, такие как отказ всех технологий, в настоящее время являются лишь гипотезой. Факт состоит в том, что магнитное поле Земли постепенно ослабевает, а это значит, что всё больше опасной радиации достигает Земли. Однако, точные последствия этого все еще исследуются.
Значение
В этом последнем разделе мы кратко обсудим важные задачи, выполняемые магнитным полем Земли.
Экранирование.
Одной из важнейших задач магнитного поля Земли является защита от солнечного ветра — магнитное поле Земли создает так называемую магнитосферу, которая окружает Землю. Солнечный ветер состоит из высокоэнергетических частиц. Отсутствие экранирования может, например, привести к уменьшению озонового слоя. Этот слой защищает Землю и, соответственно, людей от опасного ультрафиолетового излучения. Поэтому без магнитного поля Земли большее количество такого излучения будет попадать на людей и повышать риск возникновения рака, в том числе.
Ориентация.
Магнитное поле Земли служит не только для защиты, но и для ориентации. Например, с помощью компаса люди могут спланировать свой маршрут через лес. Такие животные, как киты, голуби и медоносные пчелы, используют магнитное поле Земли для ориентации.
Магнитное поле
Магнитное поле – особый вид материи. Оно проявляется в действии на движущиеся электрические заряды и тела, которые обладают собственным магнитным моментом (постоянные магниты).
Важно: на неподвижные заряды магнитное поле не действует! Создается магнитное поле также движущимися электрическими зарядами, либо изменяющимся во времени электрическим полем, либо магнитными моментами электронов в атомах. То есть любой провод, по которому течет ток, становится также и магнитом!
Магнит - тело, обладающее собственным магнитным полем.
У магнита есть полюса, называемые северным и южным. Обозначения "северный" и "южный" даны лишь для удобства (как "плюс" и "минус" в электричестве).
Магнитное поле изображается посредством силовых магнитных линий. Силовые линии непрерывны и замкнуты, а их направление всегда совпадает с направлением действия сил поля. Если вокруг постоянного магнита рассыпать металлическую стружку, частицы металла покажут наглядную картину силовых линий магнитного поля, выходящих из северного и входящих в южный полюс. Графическая характеристика магнитного поля - силовые линии.
Картина магнитного поля
Характеристики магнитного поля
Основными характеристиками магнитного поля являются магнитная индукция, магнитный поток и магнитная проницаемость. Но давайте обо всем по порядку.
Сразу отметим, что все единицы измерения приводятся в системе СИ.
Магнитная индукция B – векторная физическая величина, являющаяся основной силовой характеристикой магнитного поля. Обозначается буквой B. Единица измерения магнитной индукции – Тесла (Тл).
Магнитная индукция показывает, насколько сильно поле, определяя силу, с которой оно действует на заряд. Данная сила называется силой Лоренца.
Здесь q - заряд, v - его скорость в магнитном поле, B - индукция, F - сила Лоренца, с которой поле действует на заряд.
Магнитный поток Ф – физическая величина, равная произведению магнитной индукции на площадь контура и косинус между вектором индукции и нормалью к плоскости контура, через который проходит поток. Магнитный поток - скалярная характеристика магнитного поля.
Можно сказать, что магнитный поток характеризует количество линий магнитной индукции, пронизывающих единицу площади. Магнитный поток измеряется в Веберах (Вб).
Магнитная проницаемость – коэффициент, определяющий магнитные свойства среды. Одним из параметров, от которых зависит магнитная индукция поля, является магнитная проницаемость.
Магнитное поле Земли
Наша планета на протяжении нескольких миллиардов лет является огромным магнитом. Индукция магнитного поля Земли изменяется в зависимости от координат. На экваторе она равна примерно 3,1 на 10 в минус пятой степени Тесла. К тому же существуют магнитные аномалии, где значение и направление поля существенно отличаются от соседних областей. Одни из самых крупных магнитных аномалий на планете - Курская и Бразильская магнитные аномалии.
Происхождение магнитного поля Земли до сих пор остается загадкой для ученых. Предполагается, что источником поля является жидкое металлическое ядро Земли. Ядро движется, значит, движется расплавленный железо-никелевый сплав, а движение заряженных частиц – это и есть электрический ток, порождающий магнитное поле. Проблема в том, что эта теория (геодинамо) не объясняет того, как поле сохраняется устойчивым.
Магнитное поле земли
Земля – огромный магнитный диполь. Магнитные полюса не совпадают с географическими, хотя и находятся в непосредственной близости. Более того, магнитные полюса Земли движутся. Их смещение регистрируется с 1885 года. Например, за последние сто лет магнитный полюс в Южном полушарии сместился почти на 900 километров и сейчас находится в Южном океане. Полюс арктического полушария движется через Северный Ледовитый океан к Восточно-Сибирской магнитной аномалии, скорость его передвижения (по данным 2004 года) составила около 60 километров в год. Сейчас наблюдается ускорение движения полюсов - в среднем скорость растет на 3 километра в год.
Каково значение магнитного поля Земли для нас? В первую очередь магнитное поле Земли защищает планету от космических лучей и солнечного ветра. Заряженные частицы из далекого космоса не падают прямо на землю, а отклоняются гигантским магнитом и движутся вдоль его силовых линий. Таким образом, все живое оказывается защищенным от пагубной радиации.
Магнитное поле Земли
За историю Земли происходило несколько инверсий (смен) магнитных полюсов. Инверсия полюсов – это когда они меняются местами. Последний раз это явление произошло около 800 тысяч лет назад, а всего геомагнитных инверсий в истории Земли было более 400. Некоторые ученые полагают, что с учетом наблюдающегося ускорения движения магнитных полюсов следующей инверсии полюсов следует ожидать в ближайшие пару тысяч лет.
К счастью, в нашем веке смены полюсов пока не ожидается. А значит, можно думать о приятном и наслаждаться жизнью в старом добром постоянном поле Земли, рассмотрев основные свойства и характеристики магнитного поля.
При ориентировании на местности альпинисты, туристы, путешественники пользуются компасом для определения сторон света. Действие компаса основано на ориентации магнитной стрелки вдоль линий магнитного поля Земли.
Планета Земля является большим магнитом. Южный магнитный полюс Земли находится вблизи Северного географического полюса Земли, поэтому северный полюс компаса притягивается к Южному магнитному полюсу Земли и приблизительно указывает на Северный географический полюс.
Компас (итал. compassio) — устройство для определения географических полюсов путём ориентирования вдоль линий магнитного поля Земли.
На рис. \(2\) изображена интенсивность линий магнитного поля Земли, которые выходят из Северного магнитного полюса, который приблизительно совпадает с Южным географическим полюсом. Линии входят в Южный магнитный полюс Земли.
Положения полюсов постоянно смещаются по причине изменения положения оси, соединяющей магнитные полюса, относительно оси, проходящей через географические полюса.
Примерные отклонения магнитные стрелки от географического меридиана составляют \(10°\). По компасу мы определяем направление на север.
Электромагнитные возмущения на Солнце вызывают магнитные бури на Земле. Это явление отражается на показаниях приборов, в том числе, и на компасе (рис. \(3\)).
При нарастании солнечной активности (этот процесс цикличен и повторяется с периодичностью 11 лет) с поверхности Солнца выбрасываются потоки заряженных частиц (рис. \(4\)), что вызывает изменение в магнитном поле Земли и может вызвать магнитную бурю.
Надо отметить, что на земле существуют территории, в которых направление магнитной стрелки компаса не совпадает с направлением магнитных линии магнитного поля Земли.
Магнитная аномалия (от греч. ανωμαλία — ненормальность) — область поверхности, на которой значение или направление вектора магнитного поля значительно отличается от соседних областей.
Курская магнитная аномалия (КМА) — крупнейший по запасам железной руды район в мире. Впервые на отклонение магнитной стрелки под Курском обратил внимание учёный-астроном академик Пётр Борисович Иноходцев в \(1773\) году.
Если залежи железной руды располагаются близко к поверхности земли, то они способны вызывать отклонение магнитной стрелки компаса, что и является признаком аномалии.
Ученые пока не могут объяснить, почему у Земли есть магнитное поле. На данный момент выяснено, что в земной коре, а также в верхних слоях атмосферы существуют разнообразные электрические токи, которые оказывают воздействие на изменения магнитного поля Земли.
Магнитное поле Земли защищает все живое от воздействия космического излучения (той его части, которая состоит из заряженных частиц). Ученые установили, что Луна не имеет магнитного поля. Магнитное поле Меркурия в 100 раз слабее земного, а поле Юпитера сильнее земного в 10 раз.
Существует предположение, что у Луны могло быть магнитное поле. Такую гипотезу выдвинули планетологи после изучения намагниченности лунного грунта из кратера Дюна в районе Моря Дождей, доставленного миссией "Апполон-15" в \(1971\) году.
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.
Полюса наоборот
Многие знают, что общепринятые названия полюсов верны с точностью до наоборот. В Арктике расположен полюс, на который указывает северный конец магнитной стрелки, — следовательно, его стоило бы считать южным (одноименные полюса отталкиваются, разноименные притягиваются!). Аналогично, северный магнитный полюс базируется в высоких широтах Южного полушария. Тем не менее по традиции мы именуем полюса в соответствии с географией. Физики давно условились, что силовые линии выходят из северного полюса любого магнита и входят в южный. Отсюда следует, что линии земного магнетизма покидают южный геомагнитный полюс и стягиваются к северному. Такова конвенция, и нарушать ее не стоит (самое время припомнить печальный опыт Паниковского!).
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.
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.
Конвективное динамо
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.
Магнитная защита
Читайте также: