Жер қалқаны: Біздің планетаның магнит өрісі қай жерде?

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2023-12-16 16:10

Магнит өрісі жер бетін күн желінен және зиянды ғарыштық радиациядан қорғайды. Ол қалқанның бір түрі ретінде жұмыс істейді - оның болмысы болмаса, атмосфера жойылар еді. Біз сізге Жердің магнит өрісінің қалай пайда болғанын және өзгергенін айтып береміз.

Жердің магнит өрісінің құрылымы мен сипаттамасы

Жердің магниттік өрісі немесе геомагниттік өріс - жер ішілік көздерден туындайтын магнит өрісі. Геомагнитизмді зерттеу пәні. 4,2 миллиард жыл бұрын пайда болған.

Жердің меншікті магнит өрісін (геомагниттік өріс) келесі негізгі бөліктерге бөлуге болады:

• негізгі өріс,
• әлемдік аномалия өрістері,
• сыртқы магнит өрісі.

Негізгі өріс

Оның 90%-дан астамы қайнар көзі Жердің ішінде, сұйық сыртқы ядродағы өрістен тұрады – бұл бөлік негізгі, негізгі немесе қалыпты өріс деп аталады.

Ол гармоникадағы қатар түрінде жуықталады – Гаусс қатары, ал бірінші жуықтауда Жер бетіне жақын (оның радиусының үшеуіне дейін) магниттік диполь өрісіне жақын, яғни жерге ұқсайды. шамамен солтүстіктен оңтүстікке бағытталған осі бар жолақ магниті.

Әлемдік аномалиялардың өрістері

Жердің магнит өрісінің нақты күш сызықтары, орта есеппен дипольдің күш сызықтарына жақын болғанымен, олардан жер қыртысында жер бетіне жақын орналасқан магниттелген тау жыныстарының болуымен байланысты жергілікті бұзылулармен ерекшеленеді.

Осыған байланысты, жер бетіндегі кейбір жерлерде өріс параметрлері жақын маңдағы аудандардағы мәндерден өте ерекшеленеді, магниттік аномалиялар деп аталады. Егер оларды тудыратын магниттелген денелер әртүрлі тереңдікте жатса, олар бір-бірін жабады.

Сыртқы магнит өрісі

Ол жер бетінен тыс, оның атмосферасында орналасқан ток жүйелері түріндегі көздермен анықталады. Атмосфераның жоғарғы бөлігінде (100 км және одан жоғары) - ионосферада - оның молекулалары ионданады, тығыз суық плазманы құрайды, ол жоғары көтеріледі, сондықтан Жер магнитосферасының бір бөлігі ионосферадан жоғары, үш қашықтыққа дейін созылады. оның радиустарын плазмафера деп атайды.

Плазманы Жердің магнит өрісі ұстайды, бірақ оның күйі күн желімен әрекеттесуімен – күн тәжінің плазмалық ағынымен анықталады.

Осылайша, Жер бетінен үлкенірек қашықтықта магнит өрісі асимметриялық болып табылады, өйткені ол күн желінің әсерінен бұрмаланады: Күннен ол жиырылады, ал Күн бағытында ол созылатын «ізге» ие болады. Айдың орбитасынан тыс жүздеген мың километрге дейін.

Бұл ерекше «құйрықты» пішін күн желінің плазмасы мен күн корпускулярлық ағындары жердің магнитосферасын - Жерге жақын кеңістіктің аймағын айналып өтетіндей болған кезде пайда болады, әлі күнге дейін Күн және басқалар емес, Жердің магнит өрісі басқарады. планетааралық көздер.

Ол планетааралық кеңістіктен магнитопауза арқылы бөлінген, мұнда күн желінің динамикалық қысымы өзінің магнит өрісінің қысымымен теңестіріледі.

Өріс параметрлері

Жер өрісінің магниттік индукция сызықтарының орнын көрнекі бейнелеу тік және көлденең осьтің айналасында (мысалы, гимбальда) еркін айнала алатындай етіп бекітілген магниттік инемен қамтамасыз етіледі., - Жер бетіне жақын әрбір нүктеде ол осы сызықтар бойымен белгілі бір жолмен орнатылады.

Магниттік және географиялық полюстер сәйкес келмейтіндіктен, магниттік ине шамамен солтүстік-оңтүстік бағытын ғана көрсетеді.

Магниттік ине орнатылған тік жазықтықты берілген жердің магниттік меридианының жазықтығы, ал осы жазықтықтың Жер бетімен қиылысатын түзуін магниттік меридиан деп атайды.

Сонымен, магниттік меридиандар - солтүстік және оңтүстік магниттік полюстерде жинақталатын Жердің магнит өрісінің күш сызықтарының оның бетіне проекциялары. Магниттік және географиялық меридиандардың бағыттары арасындағы бұрыш магниттік ауытқу деп аталады.

Магниттік иненің солтүстік полюсінің географиялық меридианның тік жазықтығынан батысқа немесе шығысқа ауытқығанына байланысты ол батыс (көбінесе «-» белгісімен белгіленеді) немесе шығыс («+» белгісі) болуы мүмкін.

Әрі қарай, Жердің магнит өрісінің сызықтары, жалпы айтқанда, оның бетіне параллель емес. Бұл Жер өрісінің магниттік индукциясы берілген жердің горизонтының жазықтығында жатпайтынын, бірақ осы жазықтықпен белгілі бір бұрыш түзетінін білдіреді – оны магниттік бейімділік деп атайды. Ол магниттік экватордың нүктелерінде ғана нөлге жақын – магнит осіне перпендикуляр жазықтықтағы үлкен шеңбердің шеңбері.

Жердің магнит өрісін сандық модельдеу нәтижелері: сол жақта – қалыпты, оң жақта – инверсия кезінде

Жердің магнит өрісінің табиғаты

Алғаш рет Дж. Лармор 1919 жылы Жер мен Күннің магнит өрістерінің бар екендігін түсіндіруге тырысып, динамо тұжырымдамасын ұсынды, оған сәйкес аспан денесінің магнит өрісінің сақталуы әрекеті кезінде жүреді. электр өткізгіш ортаның гидродинамикалық қозғалысы.

Алайда 1934 жылы Т. Каулинг гидродинамикалық динамо механизмі арқылы осьтік симметриялы магнит өрісін ұстаудың мүмкін еместігі туралы теореманы дәлелдеді.

Ал зерттелген аспан денелерінің көпшілігі (және одан да көп Жер) осьтік симметриялы болып саналғандықтан, осының негізінде олардың өрісі де осьтік симметриялы болады, содан кейін оның осы принцип бойынша генерациясы болады деп болжауға болады. бұл теорема бойынша мүмкін емес еді.

Тіпті Альберт Эйнштейннің өзі қарапайым (симметриялық) шешімдердің болуы мүмкін еместігін ескере отырып, мұндай динамоның орындылығына күмәнмен қарады. Магнит өрісінің генерациялану процесін сипаттайтын осьтік симметриялы теңдеулердің бәрі де 1950 жылдары да осьтік симметриялы шешімге ие болмайтыны көп кейінірек көрсетілді. асимметриялық шешімдер табылды.

Содан бері динамо теориясы сәтті дамып келеді және бүгінгі күні Жердің және басқа планеталардың магнит өрісінің пайда болуының жалпы қабылданған ең ықтимал түсіндірмесі өткізгіште электр тогының пайда болуына негізделген өздігінен қозғалатын динамо механизмі болып табылады. ол осы токтардың өздері тудыратын және күшейтетін магнит өрісінде қозғалғанда.

Жердің ядросында қажетті жағдайлар жасалған: сұйық сыртқы ядрода негізінен темірден тұратын шамамен 4-6 мың Кельвин температурасында токты тамаша өткізеді, қатты ішкі ядродан жылуды кетіретін конвективтік ағындар пайда болады. (радиактивті элементтердің ыдырауынан немесе планетаның бірте-бірте салқындауына байланысты ішкі және сыртқы ядролардың шекарасында заттардың қатуы кезінде жасырын жылу бөлінуінен пайда болады).

Кориолис күштері бұл ағындарды Тейлор тіректері деп аталатын сипатты спиральдарға айналдырады. Қабаттардың үйкелісінің арқасында олар контурлық токтарды құра отырып, электр зарядын алады. Осылайша, Фарадей дискісінде сияқты (бастапқыда болған, өте әлсіз болса да) магнит өрісінде қозғалатын өткізгіштерде өткізгіш контур бойымен айналатын токтар жүйесі жасалады.

Ол магнит өрісін жасайды, ол ағындардың қолайлы геометриясымен бастапқы өрісті күшейтеді, ал бұл өз кезегінде токты күшейтеді және күшейту процесі Джоуль жылуына жоғалтулар токтың жоғарылауымен артып, тепе-теңдік сақтағанша жалғасады. гидродинамикалық қозғалыстарға байланысты энергия ағындары.

Динамо прецессиялық немесе толқындық күштердің әсерінен қозуы мүмкін, яғни энергия көзі Жердің айналуы болып табылады, дегенмен, ең кең таралған және дамыған гипотеза - бұл дәл термохимиялық конвекция.

Жердің магнит өрісінің өзгеруі

Магнит өрісінің инверсиясы – планетаның геологиялық тарихындағы Жердің магнит өрісінің бағытының өзгеруі (палеомагниттік әдіспен анықталады).

Инверсияда магниттік солтүстік пен магниттік оңтүстік кері бұрылып, компас инесі қарама-қарсы бағытты көрсете бастайды. Инверсия - бұл гомо сапиенс өмір сүрген кезде ешқашан болмаған салыстырмалы түрде сирек кездесетін құбылыс. Болжам бойынша, бұл соңғы рет шамамен 780 мың жыл бұрын болған.

Магниттік өрістің ауысуы ондаған мың жылдардан он миллиондаған жылдарға созылатын тыныш магнит өрісінің үлкен аралықтарына дейінгі уақыт аралықтарында болды, бұл кезде кері айналулар болмады.

Осылайша, полюстің ауысуында периодтылық табылмады және бұл процесс стохастикалық болып саналады. Тыныш магнит өрісінің ұзақ кезеңдері әр түрлі ұзақтықтағы бірнеше рет айналу кезеңдерімен жалғасуы мүмкін және керісінше. Зерттеулер көрсеткендей, магниттік полюстердің өзгеруі бірнеше жүзден бірнеше жүз мың жылға дейін созылуы мүмкін.

Джонс Хопкинс университетінің (АҚШ) мамандары кері айналулар кезінде Жердің магнитосферасының әлсірегені сонша, ғарыштық радиация Жер бетіне жетуі мүмкін, сондықтан бұл құбылыс планетадағы тірі организмдерге зиянын тигізуі мүмкін, ал полюстердің келесі ауысуы одан да көп болуы мүмкін деп болжайды. жаһандық апатқа дейін адамзат үшін ауыр зардаптар.

Соңғы жылдардағы ғылыми жұмыстар стационарлық турбулентті динамодағы магнит өрісінің бағытының кездейсоқ өзгеруі («секірулер») мүмкіндігін көрсетті (соның ішінде экспериментте). Жер физикасы институтының геомагнетизм зертханасының меңгерушісі Владимир Павловтың айтуынша, инверсия адам өлшемдері бойынша біршама ұзақ процесс.

Лидс университетінің геофизиктері Йон Маун мен Фил Ливермор екі мың жылдан кейін Жердің магнит өрісінің инверсиясы болады деп есептейді.

Жердің магниттік полюстерінің орын ауыстыруы

Алғаш рет Солтүстік жарты шардағы магниттік полюстің координаталары 1831 жылы, тағы да – 1904 жылы, одан кейін 1948 және 1962, 1973, 1984, 1994 жж.; Оңтүстік жарты шарда – 1841 жылы, тағы да – 1908 ж. Магниттік полюстердің орын ауыстыруы 1885 жылдан бастап тіркелді. Соңғы 100 жылда Оңтүстік жарты шардағы магниттік полюс 900 км-ге жуық жылжып, Оңтүстік мұхитқа кірді.

Арктикалық магниттік полюстің жағдайы туралы соңғы деректер (Солтүстік Мұзды мұхит арқылы Шығыс Сібір дүниежүзілік магниттік аномалияға қарай жылжу) оның жүгірісі 1973 жылдан 1984 жылға дейін 120 км, 1984 жылдан 1994 жылға дейін 150 км-ден астам болғанын көрсетті. Бұл сандар есептелгенімен, олар солтүстік магниттік полюстің өлшемдерімен расталады.

1831 жылдан кейін, полюстің орны алғаш рет бекітілген кезде, 2019 жылға қарай полюс Сібірге қарай 2300 км-ден астамға жылжыды және жеделдетумен қозғалуын жалғастыруда.

Оның жүру жылдамдығы 2000 жылы жылына 15 км-ден 2019 жылы жылына 55 км-ге дейін өсті. Бұл жылдам дрейф смартфондардағы компастар немесе кемелер мен ұшақтардың резервтік навигациялық жүйелері сияқты Жердің магнит өрісін пайдаланатын навигациялық жүйелерге жиірек түзетулер енгізуді қажет етеді.

Жердің магнит өрісінің күші төмендейді және біркелкі емес. Соңғы 22 жылда ол орта есеппен 1,7%-ға, ал Оңтүстік Атлант мұхиты сияқты кейбір аймақтарда 10%-ға төмендеді. Кейбір жерлерде магнит өрісінің күші жалпы тенденцияға қайшы, тіпті өсті.

Полюстер қозғалысының үдеуі (орта есеппен жылына 3 км) және олардың магниттік полюс инверсияларының дәліздері бойымен қозғалуы (бұл дәліздер 400-ден астам палеоинверсияны анықтауға мүмкіндік берді) полюстердің бұл қозғалысында бір. экскурсияны емес, Жердің магнит өрісінің басқа инверсиясын көру керек.

Жердің магнит өрісі қалай пайда болды?

Скриппс атындағы Океанография институты мен Калифорния университетінің сарапшылары планетаның магнит өрісін мантиядан пайда болды деген болжам жасады. Америкалық ғалымдар 13 жыл бұрын Франциядан келген бір топ зерттеушілер ұсынған гипотезаны ойлап тапты.

Ұзақ уақыт бойы мамандар Жердің магнит өрісін тудыратын оның сыртқы ядросы екенін дәлелдегені белгілі. Бірақ содан кейін Франциядан келген сарапшылар планетаның мантиясы әрқашан қатты (туған сәттен бастап) болатынын айтты.

Бұл тұжырым ғалымдарды магнит өрісін құра алатын ядро емес, төменгі мантияның сұйық бөлігі деп ойлады. Мантияның құрамы нашар өткізгіш болып саналатын силикат материалы болып табылады.

Бірақ төменгі мантия миллиардтаған жылдар бойы сұйық күйінде қалуы керек болғандықтан, оның ішіндегі сұйықтықтың қозғалысы электр тогын тудырмады, ал шын мәнінде магнит өрісін тудыру қажет болды.

Бүгінгі кәсіпқойлар мантия бұрын ойлағаннан да күшті құбыр болуы мүмкін деп санайды. Мамандардың бұл тұжырымы ерте Жердің жағдайын толығымен негіздейді. Силикатты динамо егер оның сұйық бөлігінің электр өткізгіштігі әлдеқайда жоғары болса және қысымы мен температурасы төмен болса ғана мүмкін болады.