Различают два вида магнитного поля Земли: постоянное и переменное. Формированию постоянного магнитного поля способствуют внутренние источники – электрические токи, возникающие на поверхности уплотненного ядра Земли из-за различия температур в его частях, что связано с динамическими процессами в мантии и ядре Земли. Переменное поле создается внешними источниками, находящимися за пределами планеты – электрическими токами в верхних слоях атмосферы. Пришедшие из глубин Вселенной лучи и частицы вызывают многие явления – полярные сияния, магнитные бури, ионизацию воздуха и т. п. Переменное магнитное поле примерно в 100 раз слабее постоянного и характеризуется вариациями, различными по источнику и продолжительности действия: регулярными (суточными, сезонными), имеющими главным образом солнечную природу, и нерегулярными (типа магнитных бурь).
Часть изменений магнитного поля Земли обусловлена внешними причинами. Эти изменения, или вариации, переменного геомагнитного поля различаются по источнику и по продолжительности действия. Выделяют регулярные вариации с определенной продолжительностью, например солнечно-суточные и лунно-суточные, период которых равен соответственно солнечным и лунным суткам; магнитные бури, продолжительность которых меняется от нескольких десятков минут до нескольких часов; правильные и неправильные короткопериодические колебания с периодами от десятых долей секунды до нескольких минут.
Одни из них являются регулярными.
К ним относятся солнечно - и лунно - суточные вариации и правильные короткопериодические колебания. Другие появляются внезапно, а потом долгое время могут отсутствовать, это бури и некоторые типы короткопериодических колебаний. И у регулярных и у нерегулярных вариаций есть одна общая черта — все они связаны с солнечной деятельностью. Связь эта проявляется по-разному. Например, солнечно-суточные вариации усиливаются в том, месте земного шара, где освещенность солнцем в данное время больше, т. е. днем и летом. Некоторые правильные короткопериодические вариации обнаруживают связь с расположением магнитной оси по отношению к Солнцу, а магнитные бури и другие неправильные колебания возникают тогда, когда усиливается деятельность Солнца: они связаны с появлением солнечных пятен, вспышек на поверхности Солнца и т. д.
В общем, от Солнца к Земле как бы непрерывно дует «солнечный ветер» — летит поток заряженных: частиц. Подлетая к Земле, частицы вступают в сложное взаимодействие с магнитным полем Земли: ведь летящая заряженная частица — это электрический ток, а проводник с током отклоняется магнитным полем. Под напором летящих частиц силовые линии геомагнитного поля деформируются, прогибаются, как прогнулись бы под напором настоящего ветра упругие стальные полоски, имеющие форму силовых линий магнитного поля. Со стороны Солнца магнитное поле оказывается сдавленным, с ночной стороны образуется шлейф из вытянутых силовых линий, при этом сами силовые линии начинают вибрировать. Эти вибрации мы и воспринимаем как правильную часть короткопериодических вариаций магнитного поля Земли.
Большое количество частиц, причем наиболее быстрых, или, как обычно говорят, наиболее жестких, улавливается силовыми линиями, т. е. начинает двигаться вдоль них от одного магнитного полюса к другому. Над Землей образуются слои, где собирается большое количество прилетевших от Солнца частиц. Эти слои (радиационные пояса магнитосферы), как железные щиты, загораживают Землю от новых потоков солнечных частиц, экранируют ее от солнечного излучения. Однако некоторая доля частиц проходит сквозь магнитосферу в ионосферу, т. е. в тот слой атмосферы, где много ионизированных, а значит, заряженных частиц. Участвуя в перемещениях атмосферных масс, т. е. перемещаясь в магнитном поле Земли, заряженные частицы образуют электрические токи определенного направления. Связанные с этими токами магнитные поля и создают солнечно-суточные вариации.
Когда излучение Солнца усиливается, поток поступающих от него частиц становится более концентрированным и в нем увеличивается доля жестких частиц, тогда большее количество этих частиц начинает проходить в атмосферу.
Они прорываются нерегулярно, отдельными группами и вызывают резкие кратковременные изменения магнитного поля земного шара — магнитные возмущения, магнитные бури.
Земля является большим естественным магнитом и, как и всякий магнит, окружена областью, занятой ее магнитным полем - магнитосферой. Магнитосфера является самой внешней и самой протяженной оболочкой Земли. По данным спутниковых измерений, истинный вид силовых линий магнитного поля отличается от приведенного на рис.3.1.
Наблюдениями в космосе установлено, что межпланетное пространство заполнено непрерывным, интенсивным корпускулярным излучением Солнца - солнечным ветром. Корпускулами называют заряженные частицы вещества - протоны, электроны, α-частицы, ионы гелия и других элементов. Корпускулы обладают очень высокой энергией и движутся от Солнца с огромной скоростью, имеющей у орбиты Земли величину до 300-800 км/с.
Характеристика геомагнитного поля во многом определяется его взаимодействием с солнечным ветром.
Земное магнитное поле представляет собой препятствие для солнечного ветра, и основная масса корпускул должна обтекать это препятствие. В результате магнитосфера занимает своеобразную полость в межпланетной среде, сильно вытянутую в направлении от Солнца. В качестве внешней границы магнитосферы принимают поверхность, динамическое давление солнечного ветра около которой уравновешивается давлением магнитного поля Земли. Эту границу называют магнитопаузой (рис. 3..3). Ближайшая точка магнитопаузы располагается на линии Земля-Солнце и удалена от центра Земли на расстояние порядка 60000 км, т.е. приблизительно на десять радиусов Земли (10R). Магнитопауза имеет форму, близкую к полусфере с солнечной стороны и близкую к цилиндрической или сигарообразной в противоположном направлении.
В прилегающей к Земле области, а именно в объеме шара с радиусом около ЗR, геомагнитное поле подобно полю однородно намагниченного шара или полю эквивалентного ему источника -магнитного диполя. В более далекой области фактическое поле затухает медленнее, чем поле диполя. Силовые линии геомагнитного поля с солнечной стороны несколько прижаты к Земле. На ночной стороне силовые линии, выходящие из полярных областей Земли, сносятся солнечным ветром и образуют магнитный хвост, или шлейф магнитосферы, протяженностью 5 млн км. В северной половине шлейфа силовые линии направлены к Земле, в южной - от Земли.
Между этими встречными потоками располагается нейтральный слой с очень слабым магнитным полем. Относительно слабым является магнитное поле и на участках магнитопаузы, где сходятся силовые линии солнечной и антисолнечной областей магнитосферы. На рис.3.3 эти участки отмечены жирными стрелками.
|
Радиацио́нный по́яс — область магнитосфер планет, в которой накапливаются и удерживаются проникшие в магнитосферу высокоэнергичные заряженные частицы (в основном протоны и электроны). Магнитосфе́ра — область пространства вокруг небесного тела, в которой поведение окружающей тело плазмы определяется магнитным полем этого тела. |
Рис.3.3. Характеристика магнитосферы: 1 - направление солнечного ветра; 2 -силовые линии геомагнитного поля; 3 - магнитопауза; 4 - фронт ударной волны; 5 - зона радиационного захвата (радиационные пояса); 6 - плоскость экватора; 7 - пути перемещения заряженных частиц, обтекающих магнитосферу; 8 - места проникновения заряженных частиц в зону захвата
Для магниторазведки наибольший интерес представляет характеристика геомагнитного поля в области, непосредственно прилегающей к поверхности Земли.
Наблюдениями, выполненными с первых искусственных спутников Земли, была выявлена область захваченной радиации Земли (рис. 3.4). Эта область в первом приближении имеет форму тороида, ось которого располагается в плоскости геомагнитного экватора и находится во внутренней области магнитосферы.
Изнутри тороид ограничен ионосферой, снаружи - силовыми линиями геомагнитного поля, пересекающими поверхность Земли на широтах 50-60°. Внутри этой области силовые линии являются замкнутыми и образуют для заряженных частиц магнитную ловушку. Частицы высоких энергий, попав в эту область, совершают очень сложные и быстрые движения. Они перемещаются вдоль силовых линий, быстро вращаясь вокруг них, и участвуют в дрейфе по долготе. Перемещение их вдоль линий происходит до зеркальной точки - точки, где частица изменяет направление движения на 180°, т.е. отражается.
Эти точки расположены на силовых линиях в области их встреч с ионосферой. Расстояние между северной и южной зеркальными точками частица может пройти за доли секунды. Дрейф вокруг Земли совершается за время, изменяющееся от нескольких минут до суток. Частицы с положительным зарядом дрейфуют к западу, с отрицательным - к востоку. Время жизни частицы в магнитной ловушке может достигать сотен лет.
Область захваченной радиации неоднородна. Ее условно разделяют на внутренний, средний и внешний радиационные пояса. Внутренний пояс расположен в экваториальных широтах. В плоскости экватора внешняя поверхность этого пояса удалена от центра Земли на расстояние L, примерно равное 2R (R - радиус Земли). Во внутреннем поясе преобладают протоны высоких энергий. Внешний пояс охватывает область с L=3R-6R. Здесь преобладают электроны высоких энергий. Внешний пояс окружен поясом протонов малых скоростей. Количество заряженных частиц в радиационных поясах может восполняться различными способами. Сюда могут проникать, в частности, частицы солнечного ветра. На рис.3.3 зоны проникновения показаны стрелками.
Рис.3.4. Радиационные пояса Земли.
Радиационные пояса опасны при длительных полетах в околоземном пространстве. Длительное пребывание во внутреннем поясе может привести к лучевому поражению живого организма.
Геомагнитные бури – возмущение магнитного поля Земли длительностью от нескольких часов до нескольких суток, вызванное поступлением в окрестности Земли возмущенных высокоскоростных потоков солнечного ветра и связанной с ними ударной волны. Геомагнитные бури происходят в основном в средних и низких широтах Земли.
Геомагнитные бури – возмущение магнитного поля Земли длительностью от нескольких часов до нескольких суток, вызванное поступлением в окрестности Земли возмущенных высокоскоростных потоков солнечного ветра и связанной с ними ударной волны. Геомагнитные бури происходят в основном в средних и низких широтах Земли.
В результате вспышек на Солнце в космическое пространство выбрасывается огромное количество вещества (в основном протонов и электронов), часть которого, двигаясь со скоростью 400–1000 км/с, за один – два дня достигает земной атмосферы. Магнитное поле Земли захватывает из космического пространства заряженные частицы. Слишком сильный поток частиц возмущает магнитное поле планеты, из-за чего быстро и сильно изменяются характеристики магнитного поля.
Таким образом, геомагнитная буря – это быстрые и сильные изменения в магнитном поле Земли, возникающие в периоды повышенной солнечной активности.
Полярное сияние, или северное сияние, или южное сияние, или аврора (лат. Aurora Borealis / Australis, устар. «па́зори») — свечение (люминесценция) верхних слоёв атмосфер планет, обладающих магнитосферой, вследствие их взаимодействия с заряжёнными частицами солнечного ветра.
Известно, что магнитное поле Земли оберегает нас от губительного воздействия солнечных лучей, но оно также способно оказывать непосредственное воздействие на организм человека. Как благоприятное, так и негативное. Магнитное поле и живой организм Современная наука уже доказала, что магнитное поле Земли влияет на живые организмы. Установлено также, что живые существа не только воспринимают электромагнитные потоки, но и генерируют собственные. Биофизики и врачи отмечают положительное влияние магнитного поля на систему кровообращения – состояние кровеносных сосудов, активность переноса кислорода через кровь, транспортировку питательных веществ. По мнению ученых, в отличие от других физиологических воздействий человек может не чувствовать виляние магнитного поля, однако организм все же реагирует на него, в первую очередь, функциональными изменениями нервной, сердечнососудистой систем и мозговой деятельности. Магнитное поле и психика Психиатры уже давно прослеживают связь между всплесками интенсивности магнитного поля Земли и обострениями психических заболеваний, которые нередко приводят к суициду. Геомагнитные бури напрямую влияют на внутренние биологические часы организма в деструктивном режиме, тем самым провоцируя возникновение депрессивных состояний и повышение вероятности самоубийства». А по мнению японского ученого и врача Киочи Накагавы, слабеющая геомагнитная активность является причиной многих расстройств: плохого сна, потери аппетита, снижения иммунитета, склонности к частым заболеваниям, болезням суставов, кожи, мочеполовой системы, нервозности и общей слабости.
5.
