1 Обурення електромагнітного поля землі
1 ОБУРЕННЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛІ
Земля, як відомо ще зі шкільних підручників, має "магнітним полем дипольного типу", як ніби-то в її центрі розташований гігантський смуговий магніт. Конфігурація цього поля повільно змінюється ймовірно в результаті руху розплавленого матеріалу в зовнішньому ядрі Землі на глибинах понад 2900 км.
Головне електромагнітне поле обумовлено джерелами, розташованими в глибинах Землі. Крім його регулярних магнітних варіацій, спостерігаються також обурення, обумовлені відбуваються час від часу сонячними спалахами - джерелами ультрафіолетових і рентгенівських променів і обуреного потоку заряджених частинок сонячного вітру.
Дослідження електромагнітного поля Землі використовуються для вивчення фізичного стану глибоких надр і процесів, що відбуваються в високих шарах атмосфери. Спостереження магнітних варіацій проводяться на земній поверхні, в океанах, а також з повітря і з космосу за допомогою літаків і супутників.
Електромагнітне поле грає також важливу роль в областях, віддалених від поверхні Землі на тисячі і більше кілометрів; в їх межах інтенсивний потік частинок, захоплених магнітним полем, створює серйозні проблеми для аерокосмічних досліджень. Сонячні та галактичні космічні промені, незважаючи на їх високу енергію, відхиляються магнітним полем Землі до того, як потраплять в межі атмосфери.
Особливо інтенсивні магнітні збурення, що поширюються на всю земну кулю, називають магнітними бурями. Деякі магнітні бурі починаються несподівано і майже одночасно по всій Землі, а інші розвиваються поступово.
Часто магнітні бурі відбуваються через 1-2 дня після сонячного спалаху через проходження Землі через потік частинок, викинутих Сонцем. Виходячи з часу запізнювання, швидкість такого корпускулярного потоку оцінюють в кілька мільйонів км / год.
^ 2 ЕЛЕКТРОМАГНІТНЕ ПОЛЕ ЗЕМЛІ
Більшість планет Сонячної системи в тій чи іншій мірі володіють магнітними полями. За зменшенням дипольного електромагнітного моменту на першому місці Юпітер і Сатурн, а за ними слідують Земля, Меркурій і Марс, причому по відношенню до магнітного моменту Землі значення їх моментів становить 20 000, 500, 1, 3/5000 3/10000. Дипольний магнітний момент Землі на 1970 рік складав 7,98 х 10 25 Гс / см 3 (або 8,3 х 10 22А · м 2), зменшуючись за десятиліття на 0,04 × 10 25 Гс / см 3. Середня напруженість поля на поверхні становить близько 0,5 Е (5 · 10 -5 Тл). Напруженість електромагнітного поля біля полюсів 0,62 Гс, а на екваторі 0,31 Гс і змінюється з варіацією електромагнітного відміни в кілька хвилин на добу і варіацією напруженості близько 10 -4 Гс. За формою основне електромагнітне поле Землі до відстаней менше трьох радіусів близько до поля еквівалентного електромагнітного диполя. Його центр зміщений щодо центру Землі на 468 км в напрямку на 18 ° пн.ш. і 147,8 ° ст. д. Ось цього диполя нахилена до осі обертання Землі на 11,5 °. На такий же кут геомагнітні полюси відстоять від відповідних географічних полюсів. При цьому південний геомагнітний полюс знаходиться в північній півкулі. В даний час він розташований недалеко від північного географічного полюса Землі в Північній Гренландії. Його координати = 78,6 + 0,04 ° Т пн.ш. = 70,1 + 0,07 ° T з.д. де Т - число десятиліть від 1970 року. У північного електромагнітного полюса = 75 пд.ш. = 120,4 с.д. (В Антарктиді). Реальні магнітні силові лінії електромагнітного поля Землі в середньому близькі до силових ліній цього диполя, відрізняючись від них місцевими нерегулярно, пов'язаними з наявністю намагнічених порід в корі. В результаті вікових варіацій геомагнітний полюс прецессирует щодо географічного полюса з періодом близько 1200 років. На великих відстанях електромагнітне поле Землі несиметрично. Під дією вихідного від Сонця потоку плазми (сонячного вітру) електромагнітне поле Землі спотворюється і набуває «шлейф» у напрямку від Сонця, який простягається на сотні тисяч кілометрів, виходячи за орбіту Місяця.
Спеціальний розділ геофізики, що вивчає походження і природу електромагнітного поля Землі називається геомагнетизм. Геомагнетизм розглядає проблеми виникнення і еволюції основний, постійної складової геоелектромагнітного поля, природа змінної складової (приблизно 1% від основного поля), а так само структура магнітосфери - самих верхніх намагнічених плазмових шарів земної атмосфери, що взаємодіють з сонячним вітром і захищають Землю від космічного проникаючого випромінювання . Важливим завданням є вивчення закономірностей варіацій геоелектромагнітного поля, оскільки вони обумовлені зовнішніми впливами, пов'язаними в першу чергу з сонячною активністю.
3 ПОХОДЖЕННЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО ПОЛЯ
Спостережувані властивості електромагнітного поля Землі узгоджуються з поданням про його виникненні завдяки механізму гідромагнітного динамо. У цьому процесі первинне електромагнітне поле посилюється в результаті рухів (зазвичай конвективних або турбулентних) електропровідного речовини в рідкому ядрі планети або в плазмі зірки. При температурі речовини в кілька тисяч До його провідність досить висока, щоб конвективні руху, що відбуваються навіть в слабо намагніченою середовищі, могли порушувати змінюються електричні струми, здатні, відповідно до законів електромагнітної індукції, створювати нові магнітні поля. Загасання цих полів або створює теплову енергію (за законом Джоуля), або призводить до виникнення нових магнітних полів. Залежно від характеру рухів ці поля можуть або послаблювати, або посилювати вихідні поля. Для посилення поля досить певної асиметрії рухів. Таким чином, необхідною умовою гідромагнітного динамо є сама наявність рухів в провідному середовищі, а достатнім - наявність певної асиметрії (спіральності) внутрішніх потоків середовища. При виконанні цих умов процес посилення триває до тих пір, поки ростуть зі збільшенням сили струмів втрати на джоулево тепло не урівноважать приплив енергії, що надходить за рахунок гідродинамічних рухів.
Динамо-ефект - самозбудження і підтримку в стаціонарному стані магнітних полів внаслідок руху провідної рідини або газової плазми. Його механізм подібний до генерації електричного струму і електромагнітного поля в динамо-машині з самозбудженням. З динамо-ефектом пов'язують походження власних магнітних полів Сонця Землі і планет, а також їх локальні поля, наприклад, поля плям і активних областей.
4 ^ СКЛАДОВІ ГЕОЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО ПОЛЯ
Власне електромагнітне поле Землі (геоелектромагнітное поле) можна розділити на наступні основні частини.
1. Основне електромагнітне поле Землі, що відчуває повільні зміни в часі (вікові варіації) з періодами від 10 до 10 000 років, зосередженими в інтервалах 10-20, 60-100, 600-1200 та 8000 років. Останній пов'язаний зі зміною дипольного електромагнітного моменту в 1,5-2 рази.
2. Світові аномалії - відхилення від еквівалентного диполя до 20% напруженості окремих областей з характерними розмірами до10 000 км. Ці аномальні поля відчувають вікові варіації, що призводять до змін з часом протягом багатьох років і століть. Приклади аномалій: Бразильська, Канадська, Сибірська, Александріяая. В ході вікових варіацій світові аномалії зміщуються, розпадаються і виникають знову. На низьких широтах є західний дрейф по довготі зі швидкістю 0,2 ° в рік.
3. Магнітні поля локальних областей зовнішніх оболонок з протяжністю від декількох до сотень км. Вони обумовлені намагниченностью гірських порід в верхньому шарі Землі, що складають земну кору і розташованих близько до поверхні. Одна з найбільш потужних - Александріяая магнітна аномалія.
4. Змінне електромагнітне поле Землі (так само зване зовнішнім) визначається джерелами у вигляді струмових систем, що знаходяться за межами земної поверхні і в її атмосфері. Основними джерелами таких полів і їх змін є корпускулярні потоки намагніченої плазми, що приходять від Сонця разом з сонячним вітром, і формують структуру і форму земної магнітосфери.
5 ^ СТРУКТУРА ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО ПОЛЯ земної атмосфери
Земне електромагнітне поле знаходиться під впливом потоку намагніченою сонячної плазми. В результаті взаємодії з полем Землі утворюється зовнішня межа навколоземного електромагнітного поля, яка називається магнітопауза. Вона обмежує земну магнітосферу. Через впливу сонячних корпускулярних потоків розміри і форма магнітосфери постійно змінюються, і виникає змінне електромагнітне поле, яке визначається зовнішніми джерелами. Його змінність зобов'язана своїм походженням струмовим системам, що розвиваються на різних висотах від нижніх шарів іоносфери до магнітопаузи. Зміни електромагнітного поля Землі в часі, викликані різними причинами, називаються геомагнітними варіаціями, які розрізняються як за тривалістю, так і по локалізації на Землі і в її атмосфері.
Магнітосфера - область навколоземного космічного простору, контрольована магнітним полем Землі. Магнітосфера формується в результаті взаємодії сонячного вітру з плазмою верхніх шарів атмосфери і магнітним полем Землі. За формою магнітосфера є каверну і довгий хвіст, які повторюють форму магнітних силових ліній. Соняшникова точка в середньому знаходиться на відстані 10 земних радіусів, а хвіст магнітосфери простягається за орбіту Місяця. Топологія магнітосфери визначається областями вторгнення сонячної плазми всередину магнітосфери і характером струмових систем.
Хвіст магнітосфери утворений силовими лініями електромагнітного поля Землі, що виходять з полярних областей і витягнутих під дією сонячного вітру на сотні земних радіусів від Сонця в нічну сторону Землі. В результаті плазма сонячного вітру і сонячних корпускулярних потоків як би обтікають земну магнітосферу, надаючи їй своєрідну хвостату форму. У хвості магнітосфери, на великих відстанях від Землі, напруженість електромагнітного поля Землі, а отже і їх захисні властивості, послаблюються, і деякі частинки сонячної плазми отримують можливість проникнути і потрапити всередину земної магнітосфери і магнітних пасток радіаційних поясів. Проникаючи в головну частину магнітосфери в область овалів полярних сяйв під дією змінюється тиску сонячного вітру і міжпланетного поля, хвіст служить місцем формування потоків висипати часток, що викликають полярні сяйва і авроральной струми. Магнітосфера відокремлена від міжпланетного простору магнітопауза. Уздовж магнітопаузи частки корпускулярних потоків обтікають магнітосферу. Вплив сонячного вітру на земне електромагнітне поле іноді буває дуже сильним. Магнітопауза - зовнішня межа магнітосфери Землі (або планети), на якій динамічний тиск сонячного вітру врівноважується тиском власного електромагнітного поля. При типових параметрах сонячного вітру соняшникова точка віддалена від центру Землі на 9-11 земних радіусів. У період магнітних збурень на Землі магнітопауза може заходити за геостаціонарну орбіту (6,6 радіусів Землі). При слабкому сонячному вітрі соняшникова точка знаходиться на відстані 15-20 радіусів Землі.
Сонячний вітер - витікання плазми сонячної корони в міжпланетний простір. На рівні орбіти Землі середня швидкість часток сонячного вітру (протонів і електронів) близько 400 км / с, число частинок - кілька десятків в 1 см 3.
^ Магнітна буря. Локальні характеристики електромагнітного поля змінюються і коливаються іноді протягом багатьох годин, а потім відновлюються до колишнього рівня. Це явище називається магнітною бурею. Магнітні бурі часто починаються раптово і одночасно по всій земній кулі.
6 ^ геомагнітної ВАРІАЦІЇ
Зміна електромагнітного поля Землі в часі під дією різних факторів називаються геомагнітними варіаціями. Різниця між спостерігається величиною напруженості електромагнітного поля і середнім її значенням за будь-якої тривалий проміжок часу, наприклад, місяць або рік, називається геомагнітної варіацією. Згідно зі спостереженнями, геомагнітні варіації безперервно змінюються в часі, причому такі зміни часто носять періодичний характер.
^ Добовий варіації. Добовий варіації геоелектромагнітного поля виникають регулярно в основному за рахунок струмів в іоносфері Землі, викликаних змінами освітленості земної іоносфери Сонцем протягом доби. Також взаємодії з електромагнітним полем місяця. Такі взаємодії виявляються в енергії океану (припливи, хвилі), енергії вітру.
^ Нерегулярні варіації. Нерегулярні варіації електромагнітного поля виникають внаслідок впливу потоку сонячної плазми (сонячного вітру) на магнітосферу Землі, а так же змін всередині магнітосфери і взаємодії магнітосфери з іоносферою.
^ 27-денні варіації. 27-денні варіації існують як тенденція до повторення збільшення геомагнітної активності через кожні 27 днів, відповідних періоду обертання Сонця щодо земного спостерігача. Ця закономірність пов'язана з існуванням довгоживучих активних областей на Сонці, які спостерігаються протягом декількох обертів Сонця. Ця закономірність проявляється у вигляді 27-денний повторюваності магнітної активності і магнітних бур.
^ Сезонні варіації. Сезонні варіації магнітної активності впевнено виявляються на підставі середньомісячних даних про магнітну активності, отриманих шляхом обробки спостережень за кілька років. Їх амплітуда збільшується зі зростанням загальної магнітної активності. Знайдено, що сезонні варіації магнітної активності мають два максимуми, що відповідають періодам рівнодення, і два мінімуму, відповідні періодам сонцестояння. Причиною цих варіацій є утворення активних областей на Сонці, які групуються в зонах від 10 до 30 ° північної і південної геліографічних широт. Тому в періоди рівнодення, коли площини земної і сонячного екватора збігаються, Земля найбільш схильна до дії активних областей на Сонці.
^ 11 - літні варіації. Найбільш яскраво зв'язок між сонячною активністю і магнітною активністю проявляється при зіставленні довгих рядів спостережень, кратних 11 річним періодам сонячної активності. Найбільш відомою мірою сонячної активності є число сонячних плям. Знайдено, що в роки максимальної кількості сонячних плям магнітна активність також досягає найбільшої величини, однак зростання магнітної активності дещо запізнюється по відношенню до зростання сонячної, так що в середньому це запізнювання становить один рік.
^ Вікові варіації - повільні варіації елементів земного магнетизму з періодами від декількох років і більше. На відміну від добових, сезонних, і інших варіацій зовнішнього походження, вікові варіації пов'язані з джерелами, що лежать всередині земного ядра. Амплітуда вікових варіацій досягає десятків нТл / рік, зміни середньорічних значень таких елементів, названі віковим ходом. Ізолінії вікових варіацій концентруються навколо декількох точок - центри або фокуси вікового ходу, в цих центрах величина вікового ходу досягає максимальних значень.
7 ^ РАДІАЦІЙНІ ПОЯСА І КОСМИЧЕСКИЕ ПРОМЕНІ
Радіаційні пояси Землі - дві області найближчого навколоземного космічного простору, які в вигляді замкнутих магнітних пасток оточують Землю. У них зосереджені величезні потоки протонів і електронів, захоплених дипольним магнітним полем Землі. Електромагнітне поле Землі впливає на електрично заряджені частинки, які рухаються в навколоземному космічному просторі. Є два основних джерела виникнення цих частинок: космічні промені, тобто енергійні (від 1 до 12 ГеВ) електрони, протони і ядра важких елементів, що приходять з майже світловими швидкостями, головним чином, з інших частин Галактики. І корпускулярні потоки менш енергійних заряджених частинок (10 5 -10 6 еВ), викинутих Сонцем. У магнітному полі електричні частинки рухаються по спіралі; траєкторія частки як би навивається на циліндр, по осі якого проходить силова лінія. Радіус цього уявного циліндра залежить від напруженості поля і енергії частинки. Чим більше енергія частинки, тим при даній напруженості поля радіус (він називається ларморовським) більше. Якщо ларморовской радіус багато менше, ніж радіус Землі, частка не досягає її поверхні, а захоплюється магнітним полем Землі. Якщо ларморовской радіус багато більше, ніж радіус Землі, частинка рухається так, як ніби-то електромагнітного поля немає, частинки проникають крізь електромагнітне поле Землі в екваторіальних районах, якщо їх енергія понад 10 9 еВ. Такі частинки вторгаються в атмосферу і викликають при зіткненні з її атомами ядерні перетворення, які дають певні кількості вторинних космічних променів. Ці вторинні космічні промені вже реєструються на поверхні Землі. Для дослідження космічних променів в їхній первісній формі (первинних космічних променів) апаратуру піднімають на ракетах і штучних супутниках Землі. Приблизно 99% енергійних частинок, «пробивають» магнітний екран Землі, є космічними променями галактичного походження і лише близько 1% утворюється на Сонце. Електромагнітне поле Землі утримує величезну кількість енергійних частинок, як електронів, так і протонів. Їх енергія і концентрація залежать від відстані до Землі і геомагнітної широти. Частинки заповнюють як би величезні кільця або пояса, що охоплюють Землю навколо геоелектромагнітного екватора.