Jl. Магнитное поле Земли
47. Магнитное поле Земли. Радиационные пояса Земли
Вопрос о происхождении магнитного поля Земли до сих пор остается открытым.
Магнитные свойства Земли и железных руд (магнитный железняк) были известны нашим предкам раньше электрических. В XIV в. появился магнитный компас, позволявший ориентироваться на поверхности планеты в любое время и при любой погоде. Действительно, если продолговатый кусочек магнитного железняка (магнитную стрелку) подвесить на нити или дать возможность плавать в воде, то он примет определенное положение относительно Земли: сориентируется в направлении север (С) — юг (Ю). Конец стрелки компаса, указывающий на север, называется северным полюсом (Ν), а указывающий на юг, — южным (S).
Еще в 1600 г. в книге английского естествоиспытателя Гильберта «О магните, магнитных телах и великом магните Земли» магнитное поле земного шара рассматривалось как поле стержнеобразного магнита. Многочисленные исследования подтвердили, что магнитное поле Земли действительно подобно полю прямого (стержневого) магнита гигантских размеров.
Южный полюс Земли как магнита расположен на севере Канады примерно в 1500 км от Северного географического полюса планеты (рис. 176). Северный полюс Земли как магнита находится на берегах Антарктиды примерно в 1500 км от Южного (Ю) географического полюса (см. рис. 176). Магнитные полюса лежат не на поверхности Земли, а под ней. Ось, соединяющая магнитные полюса (S - Ν), наклонена к оси вращения Земли, соединяющей географические полюса (С - Ю), и не проходит через центр Земли.
- Угол между географическим меридианом и направлением стрелки компаса называется склонением. Это обстоятельство требует введения некоторой поправки (магнитного склонения) при практическом использовании магнитного компаса. Угол между направлением стрелки и горизонтальной плоскостью назвали наклонением.
Для описания магнитного поля Земли применялась модель магнитного диполя (см. рис. 176), форма поля которого примерно такая же, как у стержнеобразного магнита. Ось диполя расположена так, что пересекает поверхность Земли в точках, называемых магнитными полюсами.
На полюсах модуль индукции магнитного поля почти вдвое больше, чем на магнитном экваторе (Bпол = 0,7∙10–4 Тл, Bэкв = 0,4∙10–4 Тл). Таким образом, при оценках магнитного поля Земли можно использовать среднее значение B = 0,5∙10–4 Тл. Отметим, что для Курской магнитной аномалии B = 2,5∙10–4 Тл.
Характеристики земного магнетизма изменяются с течением времени весьма медленно. Они называются вековыми. Однако время от времени происходят магнитные бури, когда в течение нескольких часов магнитное поле Земли сильно искажается, а затем постепенно возвращается к обычным значениям. Резкое изменение магнитного поля Земли может влиять на самочувствие людей, поэтому информация о магнитных бурях публикуется заранее.
На земном шаре встречаются местности, в которых наблюдаются сильные отклонения магнитных характеристик от средних значений. Они называются магнитными аномалиями. Причина их появления — наличие под поверхностью Земли больших масс железной руды. Магнитные аномалии позволяют обнаруживать залежи железной руды в недрах. Примером может служить Курская магнитная аномалия.
Магнитосфера
Магнитное поле Земли играет важную роль в физических процессах, происходящих на больших высотах, где «дует» солнечный ветер — поток «газа», удаляющийся по всем направлениям от Солнца. Этот «газ» состоит в основном из протонов и электронов (плазма). Плотность плазмы в окрестности орбиты Земли составляет 1-2 частицы в 1 см3. В таком состоянии она хорошо проводит электрический ток. Средняя скорость солнечного ветра около 450 км/с. Солнечный ветер не достигает поверхности Земли, так как этому препятствует магнитное поле, тормозящее и отклоняющее движущийся поток заряженных частиц.
Поток частиц обтекает Землю в области, называемой магнитосферой, где сосредоточено ее магнитное ноле. В ней индукция геомагнитного поля существенно превышает индукцию межпланетного магнитного поля (рис. 177).
Магнитосфера играет роль щита, прикрывающего Землю от частиц, проникающих из космоса. В плоскости магнитного экватора поток частиц тормозится далеко от поверхности Земли на расстоянии 8-9R (R — радиус Земли). Вблизи магнитных полюсов вследствие особенности конфигурации линий индукции магнитного поля потоки частиц подходят гораздо ближе к поверхности Земли и вызывают сильные возмущения в ионосфере Земли.
Исследования с помощью космических аппаратов показали, что на больших расстояниях от Земли ее магнитное поле имеет очень сложную структуру, определяемую взаимодействием поля Земли с солнечным ветром. С дневной стороны магнитосфера оказывается сжатой до 8-14R. На ночной стороне образуется вытянутый хвост диаметром около 40R и длиной более 900R (см. рис. 177). Начиная с расстояния примерно 8R этот хвост разделен на части плоским нейтральным слоем, в котором индукция поля близка к нулю.
Таким образом, магнитосфера является своеобразным резервуаром заряженных частиц. Геомагнитное поле захватывает и удерживает огромное количество протонов и электронов.
- Общая масса захваченных геомагнитным полем частиц, по различным оценкам, составляет от 1 кг до 10 кг.
Измерения со спутников показали, что Земля окружена так называемым радиационным поясом, состоящим из захваченных частиц солнечного ветра. Пояс охватывает Землю со всех сторон, кроме приполярных областей (рис. 178). Его условно разделяют на два — внутренний (A) и внешний (B). Нижняя граница внутреннего пояса находится на высоте около 500 км, его толщина — несколько тысяч километров. Внешний пояс находится на высоте 10-15 тыс. км.
Вследствие особой конфигурации линий индукции магнитное поле Земли создает для заряженных частиц магнитную ловушку, в которой они могут долго находиться. Частицы под действием силы Лоренца совершают сложные периодические движения из Северного полушария в Южное и обратно (С), одновременно медленно перемещаясь вокруг Земли по азимуту. В зависимости от энергии частицы совершают полный оборот вокруг Земли за время от нескольких минут до суток.
При мощных солнечных вспышках магнитосфера начинает деформироваться. Все магнитное поле Земли «сотрясается» — возникает магнитная буря.
Полярные сияния
Частицы, находящиеся в радиационном поясе, иногда попадают в верхние слои атмосферы, где сталкиваются с частицами газа и отдают им свою энергию. При этом возникают удивительные по красоте полярные сияния.
Полярные сияния — это свечение верхних разреженных слоев атмосферы на высотах от 100 км до 1000 км под действием потока быстро движущихся протонов и электронов, образующих солнечный ветер. Скорость частиц вблизи Земли может достигать 400 км/с. Столкновения протонов и электронов с атомами кислорода и молекулами азота вызывают яркое видимое свечение. Атомы кислорода дают излучение в зеленой и красной областях, а молекулы азота — в фиолетовой. Сочетание этих цветов придает полярным сияниям красивую, часто меняющуюся окраску.
Полярные сияния происходят непрерывно, однако их интенсивность обычно недостаточна для наблюдения. Их можно увидеть не только на севере, но по мере приближения к полюсу частота полярных сияний резко увеличивается. На побережье Черного моря полярные сияния можно наблюдать в среднем один раз в 10 лет, на Кольском полуострове — 100 ночей в году, а на побережье Северного Ледовитого океана — практически каждую ночь.
Литература
Жилко, В.В. Физика: учеб. пособие для 11-го кл. общеобразоват. учреждений с рус. яз. обучения с 12-летнми сроком обучения (базовый и повышенный)/ В.В. Жилко, Л.Г. Маркович. — Минск: Нар. Асвета, 2008. — С. 189-192.
