Магнитное поле Земли

Компьютерное моделирование поля Земли в период нормальной полярности между инверсиями. Линии представляют собой линии магнитного поля: синие, когда поле направлено к центру, и желтые, когда поле направлено в сторону. Ось вращения Земли центрирована и вертикальна. Плотные скопления линий находятся внутри ядра Земли.

Магнитное поле Земли , также известное как геомагнитное поле , представляет собой магнитное поле , которое простирается из недр Земли в космос, где оно взаимодействует с солнечным ветром , потоком заряженных частиц, исходящих от Солнца . Магнитное поле создается электрическими токами из-за движения конвекционных токов смеси расплавленного железа и никеля во внешнем ядре Земли : эти конвекционные токи вызваны теплом, уходящим из ядра, естественным процессом, называемым геодинамо .

Величина магнитного поля Земли на ее поверхности колеблется от 25 до 65 мкТл (от 0,25 до 0,65 Гс). В качестве приближения оно представлено полем магнитного диполя, в настоящее время наклоненным под углом около 11° по отношению к оси вращения Земли огромный стержневой магнит , как если бы под этим углом через центр Земли находился . Северный геомагнитный полюс на самом деле представляет собой южный полюс магнитного поля Земли, и, наоборот, южный геомагнитный полюс соответствует северному полюсу магнитного поля Земли (поскольку противоположные магнитные полюса притягиваются, а северный конец магнита, как стрелка компаса, указывает в сторону Южное магнитное поле Земли, остров Элсмир , Нунавут , Канада).

Хотя Северный и Южный магнитные полюса обычно расположены вблизи географических полюсов, они медленно и непрерывно перемещаются в геологических масштабах времени, но достаточно медленно, чтобы обычные компасы оставались полезными для навигации. Однако через нерегулярные промежутки времени, составляющие в среднем несколько сотен тысяч лет, поле Земли меняется на противоположное , а Северный и Южный магнитные полюса соответственно резко меняются местами. Эти перемены геомагнитных полюсов оставляют в горных породах следы, которые представляли ценность для палеомагнетиков в прошлом при расчете геомагнитных полей. Такая информация, в свою очередь, полезна при изучении движения континентов и дна океанов. Магнитосфера , которая простирается над ионосферой определяется протяженностью магнитного поля Земли в космосе или геопространстве . Он простирается на несколько десятков тысяч километров в космос , защищая Землю от заряженных частиц солнечного ветра и космических лучей , которые в противном случае разрушили бы верхние слои атмосферы, включая озоновый слой , защищающий Землю от вредное ультрафиолетовое излучение .

Значение

Магнитное поле Земли отклоняет большую часть солнечного ветра, заряженные частицы которого в противном случае разрушили бы озоновый слой, защищающий Землю от вредного ультрафиолетового излучения. Один из механизмов зачистки заключается в захвате газа пузырьками магнитного поля, которые срываются солнечными ветрами. Расчеты потери углекислого газа из атмосферы Марса в результате удаления ионов солнечным ветром показывают, что рассеяние магнитного поля Марса вызвало почти полную потерю его атмосферы .

Изучение прошлого магнитного поля Земли известно как палеомагнетизм. Полярность магнитного поля Земли фиксируется в магматических породах , и изменения направления поля, таким образом, обнаруживаются в виде «полос» с центром на срединно-океанических хребтах , где морское дно расширяется, в то время как стабильность геомагнитных полюсов между изменениями направления позволила использовать палеомагнетизм. отслеживать движение континентов в прошлом. Инверсии также служат основой для магнитостратиграфии — способа датировки горных пород и отложений. Поле также намагничивает земную кору, и магнитные аномалии можно использовать для поиска месторождений металлических руд .

Люди использовали компасы для определения направления с 11 века нашей эры и для навигации с 12 века. Хотя магнитное склонение действительно меняется со временем, это блуждание достаточно медленное, поэтому простой компас может оставаться полезным для навигации. Используя магниторецепцию , различные другие организмы, начиная от некоторых видов бактерий и заканчивая голубями, используют магнитное поле Земли для ориентации и навигации.

Характеристики

В любом месте магнитное поле Земли можно представить трехмерным вектором. Типичная процедура измерения его направления — использование компаса для определения направления магнитного севера. Его угол относительно истинного севера представляет собой склонение ( D ) или вариацию . Если смотреть на магнитный север, угол, который поле образует с горизонтом, представляет собой наклон ( I ) или магнитное падение . Напряженность . ( F ) поля пропорциональна силе, с которой оно действует на магнит Другое распространенное представление - в координатах X (север), Y (восток) и Z (вниз).

Общие системы координат, используемые для представления магнитного поля Земли.

Интенсивность

Интенсивность поля часто измеряется в гауссах (Гс) , но обычно указывается в микротеслах (мкТл), где 1 Гс = 100 мкТл. Нанотеслу также называют гамма (γ). Поле Земли колеблется примерно от 22 до 67 мкТл (от 0,22 до 0,67 Гс). Для сравнения: сильный магнит холодильника имеет поле около 10 000 мкТл (100 Гс).

Карта контуров интенсивности называется изодинамической картой . Как показывает Мировая Магнитная Модель , интенсивность имеет тенденцию уменьшаться от полюсов к экватору. Минимальная интенсивность наблюдается в Южно-Атлантической аномалии над Южной Америкой, тогда как максимумы наблюдаются над северной Канадой, Сибирью и побережьем Антарктиды к югу от Австралии.

Интенсивность магнитного поля может меняться с течением времени. Палеомагнитное исследование Ливерпульского университета в 2021 году способствовало появлению растущего количества доказательств того, что магнитное поле Земли меняется с интенсивностью каждые 200 миллионов лет. Ведущий автор заявил, что «наши результаты, если их рассматривать вместе с существующими наборами данных, подтверждают существование цикла продолжительностью около 200 миллионов лет в силе магнитного поля Земли, связанного с глубокоземными процессами».

Наклон

Основная статья: Магнитное падение

Наклон задается углом, который может принимать значения от -90 ° (вверх) до 90 ° (вниз). В северном полушарии поле направлено вниз. Он расположен прямо вниз на Северном магнитном полюсе и вращается вверх по мере уменьшения широты, пока не станет горизонтальным (0 °) на магнитном экваторе. Он продолжает вращаться вверх, пока не окажется прямо у Южного магнитного полюса. Наклон можно измерить с помощью щупа .

представлена ​​изоклиническая карта (карта контуров наклонения) магнитного поля Земли Ниже .

Склонение

Основная статья: Магнитное склонение

Склонение является положительным при отклонении поля на восток относительно истинного севера. Его можно оценить, сравнив магнитное направление север-юг по компасу с направлением небесного полюса . Карты обычно включают информацию о склонении в виде угла или небольшой диаграммы, показывающей взаимосвязь между магнитным севером и истинным севером. Информация о склонении региона может быть представлена ​​в виде диаграммы с изогоническими линиями (контурными линиями, каждая линия которых представляет фиксированное склонение).

Географическое разнообразие

Компоненты магнитного поля Земли у поверхности из Мировой магнитной модели на 2020 год.

• 
  Интенсивность
• 
  Наклон
• 
  Склонение

Диполярное приближение

Связь между полюсами Земли. А1 и А2 — географические полюса; B1 и B2 — геомагнитные полюса; C1 (юг) и C2 (север) — магнитные полюса.

Смотрите также: Дипольная модель магнитного поля Земли.

Вблизи поверхности Земли ее магнитное поле можно близко аппроксимировать полем магнитного диполя, расположенного в центре Земли и наклоненного под углом около 11° по отношению к оси вращения Земли. Диполь примерно эквивалентен мощному стержневому магниту , южный полюс которого направлен в сторону геомагнитного Северного полюса. Это может показаться удивительным, но северный полюс магнита определяется так потому, что, если ему позволить свободно вращаться, он указывает примерно на север (в географическом смысле). Поскольку северный полюс магнита притягивает южные полюса других магнитов и отталкивает северные полюса, его необходимо притянуть к южному полюсу земного магнита. В большинстве мест диполярное поле составляет 80–90% поля.

Магнитные полюса

Основная статья: Геомагнитный полюс

Движение Северного магнитного полюса Земли через канадскую Арктику

Исторически сложилось так, что северный и южный полюса магнита сначала определялись магнитным полем Земли, а не наоборот, поскольку одним из первых применений магнита была стрелка компаса. Северный полюс магнита определяется как полюс, который притягивается северным магнитным полюсом Земли, когда магнит подвешен и может свободно вращаться. Поскольку противоположные полюса притягиваются, Северный магнитный полюс Земли на самом деле является южным полюсом ее магнитного поля (место, где поле направлено вниз, внутрь Земли).

Положения магнитных полюсов можно определить как минимум двумя способами: локально или глобально. Местное определение — это точка, в которой магнитное поле вертикально. Это можно определить, измерив наклон. Наклон поля Земли составляет 90° (вниз) у Северного магнитного полюса и –90° (вверх) у Южного магнитного полюса. Два полюса движутся независимо друг от друга и не находятся прямо напротив друг друга на земном шаре. Северного магнитного полюса наблюдалось перемещение до 40 километров (25 миль) в год. За последние 180 лет Северный магнитный полюс мигрировал на северо-запад, от мыса Аделаида на полуострове Бутия в 1831 году до 600 километров (370 миль) от залива Резолют в 2001 году. Магнитный экватор — это линия, у которой наклон равен нулю (магнитное поле горизонтально).

Глобальное определение поля Земли основано на математической модели. Если через центр Земли провести линию, параллельную моменту наиболее подходящего магнитного диполя, то две позиции, в которых она пересекает поверхность Земли, называются Северным и Южным геомагнитными полюсами. Если бы магнитное поле Земли было совершенно диполярным, геомагнитные полюса и полюса магнитного наклона совпадали бы, и компасы указывали бы на них. Однако поле Земли имеет значительный недиполярный вклад, поэтому полюса не совпадают, и компасы обычно не указывают ни на один из них.

Магнитосфера

Смотрите также: Магнитосфера

Художественное изображение структуры магнитосферы. 1) Луковый шок. 2) Магнитослой. 3) Магнитопауза. 4) Магнитосфера. 5) Северная доля хвоста. 6) Южная доля хвоста. 7) Плазмосфера.

Магнитное поле Земли, преимущественно диполярное на ее поверхности, искажается солнечным ветром. Это поток заряженных частиц, выходящий из короны Солнца и разгоняющийся до скорости от 200 до 1000 километров в секунду. Они несут с собой магнитное поле, межпланетное магнитное поле (ММП).

Солнечный ветер оказывает давление, и если бы он смог достичь атмосферы Земли, он бы ее разрушил. Однако его удерживает давление магнитного поля Земли. Магнитопауза . , область баланса давлений, является границей магнитосферы Несмотря на свое название, магнитосфера асимметрична: солнечная сторона находится на расстоянии около 10 земных радиусов , а другая сторона простирается в виде хвоста магнитосферы , простирающегося за пределы 200 земных радиусов. К Солнцу от магнитопаузы находится головная ударная волна — область, где солнечный ветер резко замедляется.

Внутри магнитосферы находится плазмосфера — область в форме пончика, содержащая заряженные частицы низкой энергии, или плазма . Эта область начинается на высоте 60 км, простирается до 3–4 радиусов Земли и включает ионосферу. Эта область вращается вместе с Землей. Есть также две концентрические области в форме шин, называемые радиационными поясами Ван Аллена , с ионами высоких энергий (энергии от 0,1 до 10 МэВ ). Внутренний пояс находится на расстоянии 1–2 радиусов Земли, а внешний пояс — на 4–7 радиусах Земли. Плазмосфера и пояса Ван Аллена частично перекрываются, причем степень перекрытия сильно зависит от солнечной активности.

Помимо отклонения солнечного ветра, магнитное поле Земли отклоняет космические лучи , заряженные частицы высокой энергии, которые в основном приходят из-за пределов Солнечной системы . Многие космические лучи не попадают в Солнечную систему магнитосферой Солнца, или гелиосферой . Напротив, астронавты на Луне рискуют подвергнуться воздействию радиации. Любой, кто был на поверхности Луны во время особенно сильного солнечного извержения в 2005 году, получил бы смертельную дозу.

Часть заряженных частиц все же попадает в магнитосферу. Они вращаются вокруг силовых линий, подпрыгивая между полюсами несколько раз в секунду. Кроме того, положительные ионы медленно дрейфуют на запад, а отрицательные ионы – на восток, создавая кольцевой ток . Этот ток уменьшает магнитное поле на поверхности Земли. Частицы, которые проникают в ионосферу и сталкиваются там с атомами, вызывают сияние полярных сияний, а также испускают рентгеновские лучи .

Меняющиеся условия в магнитосфере, известные как космическая погода , во многом определяются солнечной активностью. Если солнечный ветер слаб, магнитосфера расширяется; в то время как, если он сильный, он сжимает магнитосферу, и ее большая часть попадает внутрь. Периоды особенно интенсивной активности, называемые геомагнитными бурями , могут возникать, когда корональный выброс массы извергается над Солнцем и посылает ударную волну через Солнечную систему. Такой волне может потребоваться всего два дня, чтобы достичь Земли. Геомагнитные бури могут вызвать множество разрушений; Шторм «Хэллоуин» 2003 года повредил более трети спутников НАСА. Самый крупный задокументированный шторм, « Событие Кэррингтона» , произошел в 1859 году. Он вызвал течения, достаточно сильные, чтобы разрушить телеграфные линии, а о полярных сияниях сообщалось даже на юге, вплоть до Гавайев.

Зависимость от времени

Краткосрочные вариации

На заднем плане : набор следов магнитных обсерваторий, показывающий магнитную бурю в 2000 году.
Глобус : карта, показывающая расположение обсерваторий и контурные линии, дающие горизонтальную напряженность магнитного поля мкТл . в

Геомагнитное поле изменяется во временных масштабах от миллисекунд до миллионов лет. Более короткие временные масштабы в основном возникают из-за токов в ионосфере ( область ионосферного динамо ) и магнитосфере, а некоторые изменения можно отнести к геомагнитным бурям или суточным изменениям токов. Изменения во временных масштабах в год и более в основном отражают изменения во внутренней части Земли , особенно в богатом железом ядре .

Часто на магнитосферу Земли воздействуют солнечные вспышки, вызывающие геомагнитные бури, провоцирующие проявления полярных сияний. Кратковременная нестабильность магнитного поля измеряется К-индексом .

Данные THEMIS показывают, что магнитное поле, которое взаимодействует с солнечным ветром, уменьшается, когда магнитная ориентация между Солнцем и Землей выравнивается, что противоречит предыдущей гипотезе. Во время предстоящих солнечных бурь это может привести к отключениям электроэнергии и сбоям в работе искусственных спутников .

Светская вариация

Основная статья: Геомагнитные вековые вариации

Предполагаемые контуры склонения по годам, с 1590 по 1990 год (нажмите, чтобы увидеть вариации)

Напряженность осевой дипольной составляющей магнитного поля Земли с 1600 по 2020 гг.

Изменения магнитного поля Земли в масштабе года и более называются вековыми вариациями . За сотни лет наблюдается изменение магнитного склонения на десятки градусов. Анимация показывает, как изменились глобальные склонения за последние несколько столетий.

Направление и интенсивность диполя со временем меняются. За последние два столетия дипольная сила уменьшалась со скоростью около 6,3% в столетие. При такой скорости уменьшения поле станет незначительным примерно через 1600 лет. Однако эта сила примерно средняя за последние 7 тысяч лет, и нынешняя скорость изменений не является чем-то необычным.

Характерной особенностью недиполярной части векового хода является дрейф на запад со скоростью около 0,2° в год. Этот дрейф не везде одинаков и со временем менялся. Усредненный глобальный дрейф происходил на запад примерно с 1400 года нашей эры, но на восток примерно с 1000 по 1400 год нашей эры.

Изменения, предшествовавшие появлению магнитных обсерваторий, зафиксированы в археологических и геологических материалах. Такие изменения называются палеомагнитными вековыми вариациями или палеовековыми вариациями (ПСВ) . Записи обычно включают длительные периоды небольших изменений с редкими большими изменениями, отражающими геомагнитные отклонения и инверсии.

Исследование потоков лавы на горе Стинс , штат Орегон, проведенное в 1995 году, показало, что однажды в какой-то момент истории Земли магнитное поле смещалось со скоростью до 6° в день, что является удивительным результатом. Однако в 2014 году один из первоначальных авторов опубликовал новое исследование, в котором выяснилось, что результаты на самом деле связаны с непрерывным тепловым размагничиванием лавы, а не со сдвигом магнитного поля.

В июле 2020 года ученые сообщают, что анализ моделирования и недавняя модель поля наблюдений показывают, что максимальные скорости изменения направления магнитного поля Земли достигают ~ 10 ° в год - почти в 100 раз быстрее, чем текущие изменения, и в 10 раз быстрее, чем считалось ранее.

Инверсия магнитного поля

Геомагнитная полярность в позднекайнозойскую эру . Темные области обозначают периоды, когда полярность соответствует сегодняшней, светлые области обозначают периоды, когда эта полярность меняется на противоположную.

Основная статья: Геомагнитный инверсия

Хотя в целом поле Земли примерно диполярное, с осью, почти совмещенной с осью вращения, иногда северный и южный геомагнитные полюса меняются местами. Доказательства этих геомагнитных инверсий можно найти в базальтах , кернах отложений, взятых со дна океана, и магнитных аномалиях морского дна. Развороты происходят почти случайно во времени, с интервалами между разворотами от менее 0,1 миллиона лет до 50 миллионов лет. Самая последняя геомагнитная инверсия, названная инверсией Брюнеса-Матуямы , произошла около 780 000 лет назад. Связанное с этим явление, геомагнитное отклонение , перемещает ось диполя через экватор, а затем обратно к исходной полярности. Событие Лашампа является примером путешествия, произошедшего во время последнего ледникового периода (41 000 лет назад).

Прошлое магнитное поле регистрируется в основном сильномагнитными минералами , особенно оксидами железа , такими как магнетит , которые могут нести постоянный магнитный момент. Эту остаточную намагниченность или остаточную намагниченность можно получить несколькими способами. В потоках лавы направление поля «замораживается» в мелких минералах по мере их остывания, что приводит к возникновению термоостаточной намагниченности . В осадках ориентация магнитных частиц приобретает небольшой сдвиг в сторону магнитного поля по мере их осаждения на дне океана или озера. Это называется детритной остаточной намагниченностью .

Термоостаточная намагниченность является основным источником магнитных аномалий вокруг срединно-океанических хребтов. По мере расширения морского дна магма поднимается из мантии , остывает, образуя новую базальтовую корку по обе стороны хребта, и уносится от него распространением морского дна. По мере охлаждения он фиксирует направление поля Земли. Когда поле Земли меняется на противоположное, новый базальт фиксирует обратное направление. В результате получается серия полос, симметричных относительно хребта. Корабль, буксирующий магнитометр на поверхности океана, может обнаружить эти полосы и сделать вывод о возрасте дна океана. Это дает информацию о скорости распространения морского дна в прошлом.

Радиометрическое датирование потоков лавы было использовано для установления временной шкалы геомагнитной полярности , часть которой показана на изображении. Это составляет основу магнитостратиграфии , метода геофизической корреляции, который можно использовать для датировки как осадочных и вулканических последовательностей, так и магнитных аномалий морского дна.

Самое раннее появление

Палеомагнитные исследования палеоархейской лавы в Австралии и конгломерата в Южной Африке пришли к выводу, что магнитное поле присутствовало, по крайней мере, примерно 3450 миллионов лет назад . В 2024 году исследователи опубликовали данные из Гренландии о существовании магнитного поля еще 3700 миллионов лет назад.

Будущее

Изменения виртуального осевого дипольного момента с момента последнего разворота

Начиная с конца 1800-х годов, на протяжении 1900-х годов и позже общее геомагнитное поле стало слабее; нынешнее сильное ухудшение соответствует спаду на 10–15% и ускорилось с 2000 года; Интенсивность геомагнитного поля почти непрерывно снижалась с максимума на 35% выше современного значения примерно с 1 года нашей эры. Скорость уменьшения и сила тока находятся в пределах нормального диапазона изменений, о чем свидетельствуют записи прошлых магнитных полей, зафиксированных в горных породах.

Природа магнитного поля Земли представляет собой гетероскедастические (на первый взгляд случайные) колебания. Мгновенного измерения или нескольких измерений на протяжении десятилетий или столетий недостаточно для экстраполяции общей тенденции напряженности поля. В прошлом по неизвестным причинам оно то поднималось, то опускалось. Кроме того, отметив, что локальная интенсивность дипольного поля (или его флуктуации) недостаточна для характеристики магнитного поля Земли в целом, поскольку оно не является строго дипольным полем. Дипольная составляющая поля Земли может уменьшаться, даже если общее магнитное поле остается прежним или увеличивается.

Северный магнитный полюс Земли дрейфует из северной Канады в сторону Сибири с ускоряющейся скоростью — 10 километров (6,2 мили) в год в начале 1900-х годов, до 40 километров (25 миль) в год в 2003 году. и с тех пор только ускорился.

Физическое происхождение

Основная статья: Теория Динамо

Ядро Земли и геодинамо

Считается, что магнитное поле Земли создается электрическими токами в проводящих железных сплавах ее ядра, создаваемыми конвекционными токами из-за тепла, уходящего из ядра.

Схема, иллюстрирующая связь между движением проводящей жидкости, организованной в рулоны силой Кориолиса, и магнитным полем, которое создает это движение.

Земля и большинство планет Солнечной системы, а также Солнце и другие звезды генерируют магнитные поля за счет движения электропроводящих жидкостей . Поле Земли зарождается в ее ядре. Это область сплавов железа, простирающаяся примерно на 3400 км (радиус Земли 6370 км). Оно разделено на твердое внутреннее ядро ​​радиусом 1220 км и жидкое внешнее ядро . Движение жидкости во внешнем ядре приводится в движение тепловым потоком от внутреннего ядра, температура которого составляет около 6000 К (5730 °C; 10340 °F), к границе ядра и мантии , которая составляет около 3800 К (3530 °C). 6380 °F). Тепло генерируется потенциальной энергией, выделяемой более тяжелыми материалами, опускающимися к ядру ( планетарная дифференциация , железная катастрофа ), а также распадом радиоактивных элементов внутри. Схема течения организована вращением Земли и наличием твердого внутреннего ядра.

Механизм, с помощью которого Земля генерирует магнитное поле, известен как геодинамо . Магнитное поле создается петлей обратной связи: токовые петли генерируют магнитные поля ( закон цепи Ампера ); изменяющееся магнитное поле порождает электрическое поле ( закон Фарадея ); а электрическое и магнитное поля оказывают воздействие на заряды, текущие в токах ( сила Лоренца ). Эти эффекты можно объединить в уравнение в частных производных для магнитного поля, называемое уравнением магнитной индукции :

${\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}=\eta \nabla ^{2}\mathbf {B} +\nabla \times (\mathbf {u} \times \mathbf {B} ),$

где u — скорость жидкости; B — магнитное B-поле; η = 1/σμ — коэффициент магнитной диффузии , обратно пропорциональный произведению электропроводности σ и проницаемости μ . Член ∂ B /∂ t — производная поля по времени; ∇ ² — оператор Лапласа , а ∇× — оператор ротора .

Первый член в правой части уравнения индукции является диффузионным членом. В неподвижной жидкости магнитное поле уменьшается, и любые концентрации поля распространяются. Если бы земное динамо отключилось, дипольная часть исчезла бы через несколько десятков тысяч лет.

В идеальном проводнике ( $\sigma =\infty \;$), не было бы диффузии. По закону Ленца любому изменению магнитного поля будут немедленно противодействовать токи, поэтому поток через данный объем жидкости не может измениться. По мере движения жидкости магнитное поле будет двигаться вместе с ней. Теорема, описывающая этот эффект, называется теоремой о вмороженном поле . Даже в жидкости с конечной проводимостью новое поле генерируется за счет растяжения силовых линий, когда жидкость движется таким образом, что деформирует ее. Этот процесс мог бы продолжаться бесконечно, если бы магнитное поле не увеличивалось в силе и сопротивлялось движению жидкости.

Движение жидкости поддерживается за счет конвекции , движение обусловлено плавучестью . Температура увеличивается по направлению к центру Земли, а более высокая температура жидкости внизу делает ее плавучей. Эта плавучесть усиливается за счет химического разделения: по мере охлаждения ядра часть расплавленного железа затвердевает и наносится на внутреннее ядро. При этом в жидкости остаются более легкие элементы, что делает ее легче. Это называется композиционной конвекцией . Эффект Кориолиса , вызванный общим вращением планеты, имеет тенденцию организовывать поток в рулоны, выровненные вдоль полярной оси север-юг.

Динамо-машина может усиливать магнитное поле, но для запуска ей необходимо «затравочное» поле. Для Земли это могло быть внешнее магнитное поле. В начале своей истории Солнце прошло через фазу Т-Таури , в которой солнечный ветер имел магнитное поле на несколько порядков больше, чем нынешний солнечный ветер. Однако большая часть поля могла быть закрыта мантией Земли. Альтернативным источником являются токи на границе ядро-мантия, вызванные химическими реакциями или изменениями тепло- или электропроводности. Такие эффекты все же могут обеспечивать небольшое смещение, которое является частью граничных условий геодинамо.

Среднее магнитное поле во внешнем ядре Земли было рассчитано как 25 Гс, что в 50 раз сильнее, чем поле на поверхности.

Численные модели

Моделирование геодинамо с помощью компьютера требует численного решения системы нелинейных уравнений в частных производных для магнитогидродинамики ( МГД) недр Земли. Моделирование уравнений МГД выполняется на трехмерной сетке точек, а точность сетки, отчасти определяющая реалистичность решений, ограничивается в основном мощностью компьютера. На протяжении десятилетий теоретики ограничивались созданием кинематических компьютерных моделей динамо, в которых движение жидкости выбирается заранее и рассчитывается влияние на магнитное поле. Кинематическая теория динамо заключалась в основном в испытании различных геометрий потока и проверке того, сможет ли такая геометрия выдержать динамо-машину.

Первые самосогласованные модели динамо, определяющие как движение жидкости, так и магнитное поле, были разработаны двумя группами в 1995 году, одна в Японии. и один в США. Последний привлек внимание, поскольку успешно воспроизвел некоторые характеристики поля Земли, в том числе геомагнитные инверсии.

Влияние океанских приливов

Океаны способствуют созданию магнитного поля Земли. Морская вода является электрическим проводником и поэтому взаимодействует с магнитным полем. Когда приливы циркулируют вокруг океанских бассейнов, океанская вода, по сути, пытается тянуть за собой силовые линии геомагнитного поля. Поскольку соленая вода обладает лишь незначительной проводимостью, взаимодействие относительно слабое: самый сильный компонент приходится на регулярный лунный прилив , который происходит примерно два раза в день (M2). Другой вклад вносят океанские волны, водовороты и даже цунами.

Duration: 31 seconds.0:31

Магнитные поля на уровне моря, наблюдаемые спутниками (НАСА)

Сила взаимодействия зависит также от температуры океанской воды. Все тепло, хранящееся в океане, теперь можно определить на основе наблюдений магнитного поля Земли.

Токи в ионосфере и магнитосфере

Электрические токи, индуцированные в ионосфере, создают магнитные поля (область ионосферного динамо). Такое поле всегда генерируется вблизи того места, где атмосфера находится ближе всего к Солнцу, вызывая ежедневные изменения, которые могут отклонять поверхностные магнитные поля на целых 1°. Типичные ежедневные изменения напряженности поля составляют около 25 нТл (одна часть на 2000 г.), а изменения в течение нескольких секунд обычно составляют около 1 нТл (одна часть на 50 000).

Измерение и анализ

Обнаружение

Силу магнитного поля Земли измерил Карл Фридрих Гаусс в 1832 году. и с тех пор неоднократно измерялся, показав относительный распад примерно на 10% за последние 150 лет. Спутник Магсат и более поздние спутники использовали трехосные векторные магнитометры для исследования трехмерной структуры магнитного поля Земли. Более поздний спутник «Эрстед» позволил провести сравнение, указывающее на действующее динамическое геодинамо, которое, по-видимому, приводит к возникновению альтернативного полюса под Атлантическим океаном к западу от Южной Африки.

Иногда правительства используют подразделения, специализирующиеся на измерении магнитного поля Земли. Это геомагнитные обсерватории, обычно входящие в состав национальной геологической службы , например, Британской геологической службы обсерватория Эскдалемюра . Такие обсерватории могут измерять и прогнозировать магнитные условия, такие как магнитные бури, которые иногда влияют на связь, электроэнергию и другую деятельность человека.

Международная сеть магнитных обсерваторий реального времени , объединяющая более 100 взаимосвязанных геомагнитных обсерваторий по всему миру, регистрирует магнитное поле Земли с 1991 года.

Военные определяют характеристики местного геомагнитного поля, чтобы обнаружить аномалии естественного фона, которые могут быть вызваны значительным металлическим объектом, например, затопленной подводной лодкой. Обычно эти детекторы магнитных аномалий летают на самолетах, таких как британский «Нимрод», или буксируются в качестве прибора или комплекса приборов с надводных кораблей.

В коммерческих целях геофизические разведочные компании также используют магнитные детекторы для выявления природных аномалий рудных тел, таких как Курская магнитная аномалия .

Коровые магнитные аномалии

Основная статья: Магнитная аномалия

Модель коротковолновых особенностей магнитного поля Земли, связанных с литосферными аномалиями

магнитометры обнаруживают мельчайшие отклонения магнитного поля Земли, вызванные железными артефактами , печами, некоторыми типами каменных построек и даже рвами и кучами В археологической геофизике . Использование магнитных приборов, адаптированных из бортовых детекторов магнитных аномалий, разработанных во время Второй мировой войны, для обнаружения подводных лодок. магнитные вариации на дне океана были нанесены на карту. Базальт — богатая железом вулканическая порода, составляющая дно океана. — содержит сильномагнитный минерал (магнетит) и может локально искажать показания компаса. Искажение было признано исландскими мореплавателями еще в конце 18 века. Что еще более важно, поскольку присутствие магнетита придает базальту измеримые магнитные свойства, эти магнитные вариации стали еще одним средством изучения глубокого дна океана. Когда вновь образовавшаяся порода остывает, такие магнитные материалы записывают магнитное поле Земли.

Статистические модели

Каждое измерение магнитного поля происходит в определенном месте и в определенное время. Если необходима точная оценка поля в каком-то другом месте и в другое время, измерения необходимо преобразовать в модель и модель, используемую для прогнозирования.

Сферические гармоники

См. Также: Многополюсное расширение

Схематическое изображение сферических гармоник на сфере и их узловых линий. P _{ℓ m} равно 0 вдоль m больших кругов, проходящих через полюса, и вдоль ℓ- m кругов одинаковой широты. Функция меняет знак каждый раз, когда пересекает одну из этих линий.

Пример квадрупольного поля. Это также можно сделать, переместив два диполя вместе.

Самый распространенный способ анализа глобальных изменений магнитного поля Земли — привести измерения в соответствие с набором сферических гармоник . Впервые это сделал Карл Фридрих Гаусс. Сферические гармоники — это функции, колеблющиеся по поверхности сферы. Они являются продуктом двух функций: одна зависит от широты, а другая — от долготы. Функция долготы равна нулю вдоль нуля или более больших кругов, проходящих через Северный и Южный полюса; количество таких узловых линий есть абсолютное значение порядка m . Функция широты равна нулю на нуле или более кругах широты; это плюс порядок равен степени ℓ. Каждая гармоника эквивалентна определенному расположению магнитных зарядов в центре Земли. Монополь — это изолированный магнитный заряд, который никогда не наблюдался. Диполь квадруполь эквивалентен двум противоположным зарядам, сближенным друг с другом, а — двум сближенным диполям. Квадрупольное поле показано на нижнем рисунке справа.

Сферические гармоники могут представлять собой любое скалярное поле (функцию положения), удовлетворяющее определенным свойствам. Магнитное поле является векторным полем , но если оно выражено в декартовых компонентах X, Y, Z , то каждый компонент является производной одной и той же скалярной функции, называемой магнитным потенциалом . При анализе магнитного поля Земли используется модифицированная версия обычных сферических гармоник, отличающихся мультипликативным коэффициентом. Аппроксимация измерений магнитного поля методом наименьших квадратов дает поле Земли как сумму сферических гармоник, каждая из которых умножается на наиболее подходящий коэффициент Гаусса g _m. ^ℓ или ч _м ^ℓ .

Коэффициент Гаусса низшей степени, г ₀ ⁰ , дает вклад изолированного магнитного заряда, поэтому он равен нулю. Следующие три коэффициента – g ₁ ⁰ , г ₁ ¹ , и ч ₁ ¹ – определить направление и величину дипольного вклада. Лучше всего подходящий диполь наклонен под углом около 10° по отношению к оси вращения, как описано ранее.

Радиальная зависимость

Анализ сферических гармоник можно использовать для различения внутренних и внешних источников, если измерения доступны более чем на одной высоте (например, наземные обсерватории и спутники). В этом случае каждое слагаемое с коэффициентом g _m ^ℓ или ч _м ^ℓ можно разделить на два члена: тот, который уменьшается с радиусом как 1/ r ^ℓ+1 и тот, который увеличивается с радиусом как r ^ℓ . Возрастающие члены соответствуют внешним источникам (токам в ионосфере и магнитосфере). Однако в среднем за несколько лет внешние вклады в среднем равны нулю.

Остальные члены предсказывают, что потенциал дипольного источника ( ℓ=1 ) падает как 1/ r ² . Магнитное поле, являясь производной потенциала, спадает как 1/ r ³ . Квадрупольные члены уменьшаются как 1/ r ⁴ , а члены более высокого порядка все более быстро убывают с увеличением радиуса. Радиус внешнего ядра составляет примерно половину радиуса Земли. Если поле на границе ядро-мантия соответствует сферическим гармоникам, то дипольная часть на поверхности будет меньше примерно в 8 раз, квадрупольная — в 16 раз и т. д. Таким образом, на поверхности могут быть заметны только компоненты с большими длинами волн. На основе различных аргументов обычно предполагается, что только термины до степени 14 или ниже имеют свое происхождение в ядре. Они имеют длину волны около 2000 км (1200 миль) или меньше. Меньшие особенности относятся к аномалиям земной коры.

Глобальные модели

Международная ассоциация геомагнетизма и аэрономии поддерживает стандартную модель глобального поля, называемую Международным эталонным геомагнитным полем (IGRF). Он обновляется каждые пять лет. Модель 11-го поколения, IGRF11, была разработана с использованием данных спутников ( Ørsted , CHAMP и SAC-C) и мировой сети геомагнитных обсерваторий. До 2000 года сферическое гармоническое разложение усекалось до 10-й степени со 120 коэффициентами. Последующие модели усекались до 13-й степени (195 коэффициентов).

Другая глобальная модель поля, называемая Мировой магнитной моделью США , создается совместно Национальными центрами экологической информации (бывший Национальный центр геофизических данных) и Британской геологической службой . Эта модель усекается до 12 степени (168 коэффициентов) с приблизительным пространственным разрешением 3000 километров. Эта модель используется Министерством обороны США , Министерством обороны (Великобритания) США , Федеральным авиационным управлением (ФАУ), Организацией Североатлантического договора (НАТО) и Международной гидрографической организацией , а также в многие гражданские навигационные системы.

Вышеупомянутые модели учитывают только «основное поле» на границе ядро-мантия. меньшего масштаба магнитных аномалий Хотя в целом они достаточно хороши для навигации, варианты использования с более высокой точностью требуют учета и других вариаций. Вот некоторые примеры (подробнее см. ссылку на geomag.us):

• Подход «комплексного моделирования» (CM) Центра космических полетов Годдарда ( НАСА и GSFC ) и Датского института космических исследований . CM пытается согласовать данные с сильно различающимся временным и пространственным разрешением из наземных и спутниковых источников. Последней версией на 2022 год является CM5 2016 года. Она предоставляет отдельные компоненты для основного поля плюс литосферы (коры), приливных изменений M2 и первичных/индуцированных вариаций магнитосферы/ионосферы.
• США Национальные центры экологической информации разработали Расширенную магнитную модель (EMM), которая простирается до 790 градусов и порядка и разрешает магнитные аномалии на длине волны до 56 километров. Он был составлен на основе спутниковых, морских, аэромагнитных и наземных магнитных исследований. По состоянию на 2018 год Последняя версия EMM2017 включает данные спутниковой миссии Swarm Европейского космического агентства.

Для получения исторических данных об основном месторождении можно использовать IGRF начиная с 1900 года. Специализированная модель GUFM1 дает оценку 1590 году с использованием судовых журналов. Палеомагнитные исследования позволили создать модели, датируемые 10 000 годом до нашей эры.

Биомагнетизм

Основная статья: Магниторецепция

Животные, в том числе птицы и черепахи, могут обнаруживать магнитное поле Земли и использовать его для навигации во время миграции . Некоторые исследователи обнаружили, что коровы и дикие олени имеют тенденцию выравнивать свои тела с севера на юг во время отдыха, но не тогда, когда животные находятся под линиями электропередач высокого напряжения, что позволяет предположить, что за это ответственен магнетизм. В 2011 году другие исследователи сообщили, что им не удалось воспроизвести эти результаты, используя другие изображения Google Earth .

Очень слабые электромагнитные поля нарушают работу магнитного компаса, используемого европейскими малиновками и другими певчими птицами, которые используют магнитное поле Земли для навигации. Ни линии электропередачи, ни сигналы сотовых телефонов не виноваты в воздействии электромагнитного поля на птиц; вместо этого виновники имеют частоты от 2 кГц до 5 МГц. К ним относятся радиосигналы AM и обычное электронное оборудование, которое можно найти на предприятиях или в частных домах.

См. также

• Геомагнитный рывок
• Геомагнитная широта
• Магнитное поле Марса
• Магнитотеллурика
• Метеорит
• Операция Аргус
• Кольца Сатурна
• Южно-Атлантическая аномалия

Источники

• Кэмпбелл, Уоллес Х. (2003). Введение в геомагнитные поля (2-е изд.). Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета . ISBN  978-0-521-52953-2 .
• Меррилл, Рональд Т. (2010). Наша магнитная Земля: наука геомагнетизма . Издательство Чикагского университета . ISBN  978-0-226-52050-6 .
• Меррилл, Рональд Т.; МакЭлхинни, Майкл В.; Макфадден, Филипп Л. (1996). Магнитное поле Земли: палеомагнетизм, ядро ​​и глубокая мантия . Академическая пресса . ISBN  978-0-12-491246-5 .
• Токс, Лиза (1998). Палеомагнитные принципы и практика . Клювер . ISBN  978-0-7923-5258-7 .

Дальнейшее чтение

• Грэмлинг, Кэролайн (1 февраля 2019 г.). «Ядро Земли, возможно, затвердело как раз вовремя, чтобы сохранить свое магнитное поле» . Новости науки . Проверено 3 февраля 2019 г. .
• Херндон, Дж. М. (23 января 1996 г.). «Основное строение внутреннего ядра Земли» . ПНАС . 93 (2): 646–648. Бибкод : 1996PNAS...93..646H . дои : 10.1073/pnas.93.2.646 . ПМК   40105 . ПМИД   11607625 .
• Холленбах, Германия; Херндон, Дж. М. (25 сентября 2001 г.). «Глубинный реактор: деление ядра, гелий и геомагнитное поле» . ПНАС . 98 (20): 11085–90. Бибкод : 2001PNAS...9811085H . дои : 10.1073/pnas.201393998 . ПМК   58687 . ПМИД   11562483 .
• С любовью, Джеффри Дж. (2008). «Магнитный мониторинг Земли и космоса» (PDF) . Физика сегодня . 61 (2): 31–37. Бибкод : 2008PhT....61b..31H . дои : 10.1063/1.2883907 .
• «Температура ядра Земли» . НЬЮТОН Спросите учёного . 1999. Архивировано из оригинала 8 сентября 2010 г. Проверено 21 января 2006 г.
• Таул, Дж. Н. (1984). «Аномальное поле геомагнитных изменений и геоэлектрическая структура, связанные с системой разломов Меса-Бьютт, Аризона». Бюллетень Геологического общества Америки . 9 (2): 221–225. Бибкод : 1984GSAB...95..221T . doi : 10.1130/0016-7606(1984)95<221:TAGVFA>2.0.CO;2 .
• Тернер, Джиллиан (2011). Северный полюс, Южный полюс: эпические поиски решения великой тайны земного магнетизма . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Эксперимент. ISBN  978-1-61519-031-7 .
• Подождите, Джеймс Р. (1954). «О связи теллурических токов с магнитным полем Земли». Геофизика . 19 (2): 281–289. Бибкод : 1954Geop...19..281W . дои : 10.1190/1.1437994 . S2CID   51844483 .
• Уолт, Мартин (1994). Введение в геомагнитно-захваченное излучение . Издательство Кембриджского университета . ISBN  978-0-521-61611-9 .

Внешние ссылки

• Справочные материалы по геомагнетизму и палеомагнетизму. Архивировано 3 марта 2013 г. в Wayback Machine . Секция геомагнетизма и палеомагнетизма Американского геофизического союза.
• Национальная программа по геомагнетизму . Геологическая служба США , 8 марта 2011 г.
• БГС Геомагнетизм . Информация по мониторингу и моделированию геомагнитного поля. Британская геологическая служба, август 2005 г.
• Уильям Дж. Броуд, Укажут ли компасы на юг? . Нью-Йорк Таймс , 13 июля 2004 г.
• Джон Роуч, Почему магнитное поле Земли переворачивается? . National Geographic, 27 сентября 2004 г.
• Магнитная буря . PBS NOVA , 2003. ( ред . о переполюсовке полюсов)
• Когда Север идет на Юг . Проекты в области научных вычислений, 1996.
• Великий Магнит, Земля , История открытия магнитного поля Земли Дэвидом П. Стерном.
• Исследование магнитосферы Земли. Архивировано 14 февраля 2013 г. на образовательном веб-сайте Wayback Machine Дэвида П. Стерна и Маурисио Передо.
• Международное эталонное геомагнитное поле 2011 г.
• Глобальная эволюция/аномалия магнитного поля Земли. Архивировано 24 июня 2016 г. на Wayback Machine. Развертки происходят с шагом 10° с интервалом в 10 лет. На основе данных Института геофизики ETH Zurich. Архивировано 31 октября 2007 г. в Wayback Machine.
• Закономерности магнитного поля Земли, которые развиваются порядка 1000 лет. Архивировано 20 июля 2018 г. в Wayback Machine . 19 июля 2017 г.
• Кри, Чарльз (1911). «Магнетизм Земной» . В Чисхолме, Хью (ред.). Британская энциклопедия . Том. 17 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. стр. 353–385. (с десятками таблиц и несколькими диаграммами)