Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО  «Сибирский государственный технологический  университет» 
 

Факультет экономический 

Кафедра физики 
 
 
 
 
 
 

Реферат 

Магнитное поле Земли 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил:    

студент гр. 82-01   

А.А. Рыбаченко    

Проверил:    

А.В Пашковский    
 
 
 
 
 
 
 
 
 

КРАСНОЯРСК 2011

Содержание 

 

Введение

 

      Большинство планет Солнечной системы в той или иной степени обладают магнитными полями. По убыванию дипольного магнитного момента на первом месте Юпитер и Сатурн, а за ними следуют Земля, Меркурий и Марс.

      Наличие магнитного поля Земли люди использовали с древних времен для ориентировки во время путешествий. Уже более 3000 лет назад китайские ученые снабжали колесницы «югоуказателями», подобными стрелке компаса. Но объяснение использованного явления было дано лишь много позже. В изданной в 1600 г. книге «О магните, магнитных телах и о великом магните Земли» У. Гильберт впервые показал, что по существу вся планета Земля является огромным магнитом. В 1635 г. Геллибрант обнаружил, что поле этого магнита медленно меняется. Первые магнитные карты мира были построены Э. Галлеем в 1702 г. В 1835 г. К. Гаусс создал в Гёттингене первую в мире магнитную обсерваторию.

      К настоящему времени наука о земном магнетизме разделилась на две части. Одна изучает возникновение, основные черты и изменение магнитного поля, генерируемого процессами, происходящими внутри тела Земли, другая — относительно быстрые, но небольшие вариации поля, вызванные внешними причинами — процессами, происходящими в верхней атмосфере Земли и ее магнитосфере.

        Специальный раздел геофизики,  изучающий происхождение и природу магнитного поля Земли называется геомагнетизмом.

      Геомагнетизм  рассматривает проблемы возникновения  и эволюции основной, постоянной составляющей геомагнитного поля, природа переменной, составляющей примерно 1% от основного поля, а так же структура магнитосферы – самых верхних намагниченных плазменных слоев земной атмосферы, взаимодействующих с солнечным ветром и защищающих Землю от космического проникающего излучения.

      Актуальность  данной темы заключается в  изменении  закономерностей вариаций геомагнитного поля, поскольку они обусловлены внешними воздействиями, связанными в первую очередь с солнечной активностью.

 

1 Механизм возникновения  магнитного поля  Земли

 

      Английский ученый Уильям Гильберт, придворный врач королевы Елизаветы, в 1600 г. впервые показал, что Земля является магнитом, ось которого не совпадает с осью вращения Земли. Следовательно, вокруг Земли, как и около любого магнита, существует магнитное поле. В 1635 г. Геллибранд обнаружил, что поле земного магнита медленно меняется, а Эдмунд Галлей провел первую в мире магнитную съемку океанов и создал первые мировые магнитные карты (1702 г.). В 1835 г. Гаусс провел сферический гармонический анализ магнитного поля Земли. Он создал первую в мире магнитную обсерваторию в Гёттингене.

      В сегодняшнее время нет единой точки зрения на механизм возникновения магнитного поля планет, хотя почти общепризнанной является гипотеза магнитного гидродинамо, основанная на признании существования токопроводящего жидкого внешнего ядра. Тепловая конвекция, то есть перемешивание вещества во внешнем ядре, способствует образованию кольцевых электрических токов. Скорость перемещения вещества в верхней части жидкого ядра будет несколько меньше, а нижних слоев – больше относительно мантии в первом случае и твердого ядра – во втором. Подобные медленные течения вызывают формирование кольцеобразных (тороидальных) замкнутых по форме электрических полей, не выходящих за пределы ядра. Благодаря взаимодействию тороидальных электрических полей с конвективными течениями во внешнем ядре возникает суммарное магнитное поле дипольного характера, ось которого примерно совпадает с осью вращения Земли. Для “запуска” подобного процесса необходимо начальное, хотя бы очень слабое, магнитное поле, которое может генерироваться гиромагнитным эффектом, когда вращающееся тело намагничивается в направлении оси его вращения.

      

Рисунок 1 – Влияние солнечного ветра  на магнитное поле Земли 

      Не  последнюю роль играет и солнечный  ветер – поток заряжённых частиц, в основном протонов и электронов, идущих от Солнца. Для Земли солнечный  ветер представляет собой поток  заряженных частиц постоянного направления, а это не что иное, как электрический ток.

      Согласно  определению направления тока он направлен в сторону, противоположную  движению отрицательно заряженных частиц (электронов), т.е. от Земли к Солнцу. Частицы образующие солнечный ветер, обладающие массой и зарядом, увлекаются верхними слоями атмосферы в сторону вращения Земли. В 1958 году был открыт радиационный пояс Земли. Это огромная зона в космосе, охватывающая Землю в области экватора. В радиационном поясе основными носителями зарядов являются электроны. Их плотность на 2 – 3 порядка превышает плотность других носителей зарядов. И таким образом существует электрический ток вызванный направленным круговым движением частиц солнечного ветра, увлекаемых круговым движением Земли, порождающий электромагнитное “вихревое” поле.

      Следует отметить, что магнитный поток, вызванный током солнечного ветра, пронизывает и вращающийся вместе с Землей поток раскаленной лавы внутри нее. В результате этого взаимодействия в ней наводится электродвижущая сила, под действием которой течет ток, который так же создает магнитное поле. Вследствие этого магнитное поле Земли является результирующим полем от взаимодействия тока ионосферы и тока лавы.

      Реально существующая картина магнитного поля Земли зависит не только от конфигурации токового слоя, но и от магнитных  свойств земной коры, а так же от относительного расположения магнитных аномалий. Здесь можно провести аналогию с контуром с током при наличии ферромагнитного сердечника и без него. Известно, что ферромагнитный сердечник не только меняет конфигурацию магнитного поля, но и значительно усиливает его.

      Достоверно  установлено что магнитное поле Земли реагирует на солнечную  активность, однако если связывать  возникновение магнитного поля планет только с токовыми слоями в жидком ядре, взаимодействующими с солнечным ветром, то можно сделать заключение, что планеты солнечной системы, имеющие одинаковое направление вращения, должны иметь одинаковое направление магнитных полей. Однако, например, Юпитер опровергает это утверждение.

      При взаимодействии солнечного ветра с  возбужденным магнитным полем Земли, на Землю действует вращающий момент, направленный в сторону вращения Земли. Таким образом, Земля относительно солнечного ветра проявляет себя аналогично двигателю постоянного тока с самовозбуждением. Источником энергии (генератором) в данном случае является Солнце. Поскольку и магнитное поле, и вращающий момент, действующий на землю, зависят от тока Солнца, а последний от степени солнечной активности, то при увеличении солнечной активности должен увеличиваться вращающий момент, действующий на Землю и увеличиваться скорость ее вращения.

 

2 Составляющие  магнитного поля

 

      Магнитное поле Земли (геомагнитное поле) можно  разделить на следующие три основные части – основное (внутреннее) магнитное поле Земли, включая мировые аномалии, магнитные поля локальных областей внешних оболочек, переменное (внешнее) магнитное поле Земли.

2.1 Внутреннее магнитное поле

 

      Внутреннее (основное) магнитное поле испытывает медленные изменения во времени (вековые вариации) с периодами от 10 до 10 000 лет, сосредоточенными в интервалах 10–20, 60–100, 600–1200 и 8000 лет. Последний связан с изменением дипольного магнитного момента в 1,5–2 раза.

      Магнитные силовые линии магнитного поля Земли  проще за ее пределами, чем внутри ядра. На поверхности Земли большая часть линий магнитного поля выходит изнутри у Южного полюса и входит внутрь около Северного.

      Источник  колебаний магнитного поля спрятан  в центре Земли. Наша планета, подобно  другим телам Солнечной системы, создает свое магнитное поле с помощью внутреннего генератора, принцип работы которого такой же, как и обычного электрического, преобразующего кинетическую энергию своих движущихся частиц в электромагнитное поле. В электрогенераторе движение происходит в витках катушки, а внутри планеты или звезды – в проводящей жидкой субстанции. Огромная масса расплавленного железа объемом в 5 раз больше Луны циркулирует в сердцевине Земли, образуя так называемое геодинамо.

      За  последние десять лет ученые разработали  новые подходы к исследованию работы геодинамо и его магнитных свойств. Спутники передают четкие моментальные фотоснимки геомагнитного поля на поверхности Земли, а современные методы компьютерного моделирования и созданные в лабораториях физические модели помогают интерпретировать данные орбитальных наблюдений. Проведенные эксперименты натолкнули ученых на новое объяснение того, как происходила переполяризация в прошлом и как она может начаться в будущем.

Рисунок 2 – Внутренне строение Земли

      Во  внутреннем строении Земли выделяется расплавленное внешнее ядро, где  сложная турбулентная конвекция  генерирует геомагнитное поле.

2.1.1 Энергия геодинамо

 

      К 40-м гг. прошлого столетия физики признавали три необходимых условия образования магнитного поля планеты, и последующие научные построения исходили из данных положений. Первое условие – большой объем электропроводящей жидкой массы, насыщенной железом, образующей внешнее ядро Земли. Под ним расположено внутреннее ядро Земли, состоящее почти из чистого железа, а над ним – 2900 км твердых пород плотной мантии и тонкой земной коры, образующей континенты и ложе океана. Давление на ядро, создаваемое земной корой и мантией, в 2 млн. раз выше, чем на поверхности Земли. Температура ядра также крайне высока – около 5000^о по Цельсию, как и температура поверхности Солнца.

      Вышеописанные параметры экстремальной среды  предопределяют второе требование к  работе геодинамо: необходимость источника  энергии для приведения в движение жидкой массы. Внутренняя энергия отчасти термального, отчасти химического происхождения создает внутри ядра условия выталкивания. Ядро больше разогревается внизу, чем наверху. (Высокие температуры “замурованы” внутри него со времен образования Земли.) Это означает, что более разогретая, менее плотная металлическая составляющая ядра стремится вверх. Когда жидкая масса достигает верхних слоев, она теряет часть своего тепла, отдавая его вышележащей мантии. Затем жидкое железо остывает, становясь плотнее, чем окружающая масса, и опускается. Процесс перемещения тепла путем поднятия и опускания жидкой массы получил название тепловой конвекции.

      Третье  необходимое условие поддержания  магнитного поля – вращение Земли. Возникающая при этом сила Кориолиса отклоняет движение поднимающейся жидкой массы внутри Земли так же, как она поворачивает океанические течения и тропические циклоны, вихри перемещения которых видны на космических снимках. В центре Земли сила Кориолиса закручивает поднимающуюся жидкую массу в штопор или спираль, подобно оторвавшейся пружине.

      Земля обладает насыщенной железом жидкой массой, сосредоточенной в ее центре, энергией, достаточной для поддержания конвекции, и силой Кориолиса, закручивающей конвекционные потоки. Данный фактор крайне важен для поддержания работы геодинамо на протяжении миллионов лет. Но нужны новые знания, чтобы ответить на вопрос о том, как образуется магнитное поле и почему время от времени полюса меняются местами.

2.1.2 Переполяризация

 

      Ученые  давно задавались вопросом, почему магнитные полюса Земли время от времени меняются местами. Последние исследования вихревых перемещений расплавленных масс внутри Земли позволяют понять, как происходит переполяризация.

      Магнитное поле, значительно интенсивнее и сложнее поля ядра, внутри которого и образуются магнитные колебания, было обнаружено на границе мантии и ядра. Возникающие в сердцевине электротоки препятствуют непосредственным измерениям его магнитного поля.

      Важно, что большая часть геомагнитного поля образуется только в четырех обширных областях на границе ядра и мантии. Хотя геодинамо продуцирует очень сильное магнитное поле, только 1% его энергии распространяется за пределами ядра. Общая конфигурация магнитного поля, измеренного на поверхности, носит название диполя, который большую часть времени ориентирован по земной оси вращения. Как и в поле линейного магнита, основной геомагнитный поток направлен от центра Земли в Южном полушарии и к центру – в Северном. (Стрелка компаса указывает на северный географический полюс, поскольку рядом находится южный магнитный полюс диполя.) Космические наблюдения показали, что магнитный поток имеет неравномерное глобальное распределение, наибольшая напряженность прослеживается на Антарктическом побережье, под Северной Америкой и Сибирью.

      В отдельных случаях таинственная неустойчивость может объясняться некоторым хаотическим изменением структуры магнитного потока, которое лишь случайно приводит к переполяризации. Однако частота смены полярности, проявляющаяся все более устойчиво за последние 120 млн. лет, говорит о возможности внешнего регулирования. Одной из причин его может быть перепад температуры в нижнем слое мантии, и вследствие этого – изменение в характере излияний ядра.