Что такое линия поля земли: Ошибка 404: страница не найдена

Спутникам NASA удалось изучить перестройку силовых линий полей Солнца и Земли.

В новой работе анализируются результаты первых наблюдений in situ феномена магнитного пересоединения. Это исследование показывает, что магнитное пересоединение определяется физикой электронов – что дает возможность глубже проникнуть в природу этого фундаментального процесса.

Когда в пространстве встречаются линии двух противоположно направленных магнитных полей, происходит их пересоединение, отражающее изменение топологии при формировании результирующего магнитного поля. В результате такого пересоединения высвобождается энергия, заключенная в «разрывающихся» линиях магнитного поля.

Солнце ежесекундно выбрасывает в космос мощные потоки заряженных частиц, и единственным «щитом» Земли, укрывающим её от этого так называемого «солнечного ветра», является магнитосфера нашей планеты, магнитные линии которой отклоняют потоки частиц солнечного ветра к полюсам земного шара.

Миссия NASA Magnetospheric Multiscale mission (MMS) состоит из четырех одинаковых спутников, движущихся в космическом пространстве в пирамидальном построении, что позволяет им получать трехмерные изображения наблюдаемых космических явлений. 16 окября 2015 г. аппараты миссии прошли через зону магнитного пересоединения линий магнитных полей Земли и Солнца и получили при помощи 25 датчиков, размещенных на каждом спутнике, большое количество ценной информации о параметрах этого процесса.

В новом исследовании астрономы во главе с Джимом Берчем из Юго-Западного исследовательского института, США, проанализировав результаты наблюдений, проведенных при помощи миссии MMS, получили важные сведения о процессе перезамыкания магнитных линий.

Выяснилось, что в ходе этого процесса электроны проникали вглубь магнитосферы нашей планеты, замедлялись в ней, а затем возвращались обратно, двигаясь по серповидной траектории, что близко соответствует картине движения этих частиц вдоль линий результирующего поля в случае его формирования в соответствии с серповидной моделью, схематически изображенной на рисунке.

Исследование опубликовано в Science

Принципы зон балансировки

Магнитное поле земли, выходящее из магнитных полюсов и охватывающее поверхность планеты, отличается неоднородностью. Чем ближе к полюсу, тем круче силовые линии магнитного поля наклонены к земле. В районе магнитных полюсов линии поля полностью вертикальны и входят в поверхность планеты под прямым углом.

Чтобы подробнее узнать о поведении магнитного поля Земли, посетите веб-сайт Национального центра геофизических данных NOAA.

Любой магнитный компас, достаточно точный для практического применения, должен показывать горизонтальную составляющую линии местного магнитного поля. Чтобы добиться этого без ручной компенсации естественного склонения магнитных линий, производители компасов обычно используют вес стрелки или картушки, которые помогают учесть вертикальный компонент магнитного поля. Этот прием называется балансировкой магнитных зон.

В механических компасах Suunto балансировка реализована одним из двух способов. Первый —двухзонная система (зона северного полушария и зона южного полушария), когда зоны перекрываются на несколько градусов. Второй — единая глобальная система, при которой одна стрелка отбалансирована так, чтобы работать в любой точке Земли.

В двухзонной системе используется метод взвешивания, когда на стрелку добавляется масса, способная реагировать поднятием на склонение магнитного поля. Масса добавляется и на опорные детали стрелки, которые в результате движутся, компенсируя наклоны и повороты компаса.
Конструкторы Suunto смогли добиться тонкого компромисса между этими балансировочными массами, что позволило погасить колебания и уменьшить самопроизвольное вращение стрелки.

Эта уникальная конструкция также позволяет компасу работать в наклонном положении (до 20 градусов). Стрелка оказывается более стабильной, даже когда вы движетесь, и быстрее прекращает колебаться в состоянии покоя. Компасы Suunto с глобальной балансировкой невероятно удобны!

Магниторецепция коров поссорила ученых: Наука и техника: Lenta.

Ученые поставили магниторецепцию (способность ощущать магнитное поле Земли) у коров под сомнение. Сразу несколько статей, посвященных этому вопросу, появились в Journal of Comparative Physiology, а Nature посвятил вопросу отдельную обзорную заметку.

В августе 2008 года в Proceedings of the National Academy of Sciences появилась работа, в которой группа исследователей из Германии и Чехии под руководством Гинека Бурды, используя спутниковые фотографии Google Earth, показала, что коровы предпочитают располагаться вдоль силовых линий магнитного поля Земли. В общей сложности они собрали информацию о 8510 коровах в 308 районах. Новость привлекла внимание СМИ потому, что это был первый случай регистрации магниторецепции у млекопитающих.

Ученые отмечали, что исследование носит статистический характер, поэтому конкретный механизм восприятия поля неясен. В марте 2009 года группа Бурды опубликовала в том же журнале еще одно исследование, согласно которому, высоковольтные линии электропередач (ЛЭП) разрушали организованное расположение коров вдоль силовых линий. Тогда ученые заключили, что это является следствием полей, создаваемых ЛЭП, поэтому данный результат является подтверждением гипотезы о магниторецепции коров.

В феврале 2011 года в Journal of Comparative Physiology появилась статья другой группы исследователей из Чехии, в которой опровергались результаты Бурды. В частности, ученые утверждали, что статистический анализ снимков Google Earth не позволил обнаружить специфического расположения коров, описанного в прежних работах.

В ответ на это Бурда с соавторами направили в журнал критическую статью, в котором указывали на недостатки новой работы. Так, они указывали, что чехи в своей работе считали отдельных коров, а не стада, рассматривали снимки животных на склонах (это затрудняет оценку ориентации), а также использовали некачественные фотографии. При этом подчеркивалось, что Бурда с соавторами применили собственный метод к выборке чехов и получили результаты, аналогичные полученным в оригинальной работе.

Вероятно, окончательную точку в споре поставил ответ группы чешских исследователей, которые отвергли обвинения в некачественном анализе данных (например, в использовании плохих снимков), при этом подчеркнув, что считают вопрос закрытым. В частности, они не планируют дальше заниматься этой темой. При этом, по данным Nature, группа Бурды в настоящее время занимается поиском магниторецепции у других млекопитающих.

Геофизики подтвердили теорию происхождения хоровых излучений в магнитосфере Земли

Магнитосфера Земли — пространство вокруг планеты, в котором геомагнитное поле удерживает заряженные частицы. Наиболее энергичные из них (с энергиями около 1 МэВ и выше) образуют радиационные пояса — области, в которых часто происходят поломки космических аппаратов. В ускорение электронов до таких энергий вносят важный вклад хоровые излучения (хоры) — последовательности низкочастотных (с частотами 1 – 10 кГц) импульсов, каждый из которых длится всего доли секунды. Хоры ускоряют часть электронов до релятивистских энергий за небольшое время, тем самым пополняя радиационные пояса. При этом сами хоры генерируются электронами и в процессе генерации отбирают у них энергию. Такие частицы перестают удерживаться в геомагнитной ловушке и попадают в верхнюю атмосферу, где регистрируются в виде микровсплесков низкоорбитальными спутниками.

«Современные спутниковые данные позволяют детально анализировать хоровые излучения и сравнивать их с результатами моделирования. Мы изучали полученные в 2007–2012 годах параметры хоров с пяти спутников

миссии THEMIS, посвященной исследованию магнитного поля Земли. Чешские коллеги анализировали восьмисекундные спектрограммы хоровых сигналов, отбирая случаи с одновременным наблюдением волн, бегущих в противоположных направлениях», — рассказывает Андрей Демехов, руководитель проекта по гранту РНФ, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Полярного геофизического института (Мурманск).

Направление распространения и частоту хоровых излучений ученые определяли по спектрограммам вектора Пойнтинга, показывающего поток энергии электромагнитного поля. Исследователи соотнесли параметры хорового излучения с направлением распространения волн относительно геомагнитного экватора — поверхности, соединяющей точки минимума геомагнитного поля вдоль силовых линий. Вначале были подробно рассмотрены три отдельных события. В результате исследователи заметили интересную закономерность, присущую всем трем событиям: волны, распространяющиеся в сторону геомагнитного экватора, имеют более высокую частоту и меньшую амплитуду, чем волны, уходящие от экватора. Ученые проверили наблюдение, изучив еще 103 похожих случая. Примечательно, что эта же закономерность обнаруживается и в рамках теоретической модели генерации хоровых излучений, предложенной российским физиком профессором В. Ю. Трахтенгерцем. Она объясняется на качественном уровне и подтверждается численными расчетами.

Работа геофизиков развила и подтвердила теорию генерации хоровых излучений, ускоряющих электроны радиационных поясов Земли. В будущем эти исследования могут помочь в прогнозировании как самих хоровых излучений, так и вызываемых ими изменений в радиационных поясах, что позволит вовремя отключать наиболее чувствительные космические приборы или активировать защиту от радиации.

Геофизики объяснили «рывки» магнитного поля Земли. Они берут начало у самой границы твердого ядра планеты, а достигая мантии, ускоряются – Наука

Магнитное поле планеты, которое в целом относительно стабильно, может локально усиливаться или ослабевать, и эти изменения описываются сразу несколькими величинами. Геофизики измеряют общую напряженность поля в каждый момент времени, изменения за некоторое время, а также ускорение изменения: если поле начинает ослабевать или усиливаться быстрее обычного, это тоже важно для составления прогнозов на будущее. Ускорение изменения магнитного поля считается в нанотеслах, деленных на год в квадрате: 1 нТ/год² означает, что за этот год скорость изменения поля поменялась на +1 нанотесла в год. Причем, что самое важное, такое положительное ускорение может сопровождать ослабление поля — в таком случае ученые получают указание на то, что в скором времени уменьшение магнитного поля может смениться ростом.

Процесс резкого увеличения ускорения называется джерком (в дословном переводе это (с учетом контекста) означает «рывок»). При геомагнитном джерке (впервые такие заметили в 1978 году) никаких видимых катаклизмов вроде перемещения магнитных полюсов на другой континент или ослабевания магнитного поля на десятки процентов не происходит, но геофизикам лишние десятки нанотесла на год в квадрате указывают на некие очень быстрые по меркам земного ядра процессы.

Земное ядро имеет как твердую, внутреннюю часть, так и жидкую внешнюю оболочку. В этой оболочке циркулируют конвективные потоки, отводящие от «сердца Земли» тепло — с ними сегодня связывают большую часть магнитного поля планеты. Течение расплавленного вещества создает электрический ток, становящийся источником магнитного поля, но это не единственный процесс, причастный к поведению магнитосферы. Второй процесс связан с возникновением волн в проводящей среде, когда механическое движение (течение магмы, например) сопровождается появлением магнитного поля. Оно, в свою очередь, может влиять на механическое движение, поскольку заряженные частицы в этой среде отклоняются магнитным полем.

Эта взаимозависимость магнитного поля и жидкости делает расчет параметров гидромагнитных волн сложной задачей. Для моделирования ядра Земли необходимо рассмотреть большой шар, разбитый на множество отдельных участков, задать начальные условия (величину поля, плотность и скорость материала, вязкость среды и так далее), а затем рассмотреть все силы, которые возникают в такой системе при взаимодействии выбранных участков между собой. Зная силы, можно рассчитать те изменения, которые произойдут в следующий момент времени, но после этого система придет в другое состояние и все придется повторять заново.

Исследователи из Дании и Франции смогли построить такую компьютерную модель, хотя это и потребовало четыре миллиона часов процессорного времени — ученые использовали суперкомпьютеры. Расчеты показали, что волны, возникающие в жидком ядре у поверхности его твердой части, распространяются в направлении поверхности и при достижении мантии усиливаются, порождая геомагнитные джерки. Геофизики отмечают, что результат моделирования хорошо согласуется с реальными измерениями — как с отдельных геофизических станций, так и при помощи спутниковых магнетометров. Согласие модели с эмпирическими данными, по словам исследователей, может помочь в описании поведения магнитосферы планеты и, возможно, объяснить такие процессы, как дрейф магнитных полюсов.

 Алексей Тимошенко

может ли произойти смена магнитных полюсов?

– Смещение полюса можно считать тревожным?

Валерий Петров: Я думаю, что нет. Если говорить о полюсах, существует два определения магнитного полюса. Первое – это та точка земной поверхности, где силовые линии магнитного поля входят в вертикаль. Второе – земное магнитное поле напоминает поле магнитной стрелкой или, как говорят, магнитного типа поля, расположенного в центре Земли. Если подобрать тип поля, который наилучшим образом описывает это магнитное поле Земли, и провести через него линию, то эта линия пересечет поверхность Земли тоже в двух точках. Эти точки называются геомагнитными полюсами.

Если говорить о движении полюсов, то сейчас движется простой полюс. Дипольные все 100 – 150 лет остаются примерно на одном месте. Все явления, связанные с магнитными бурями, с полярными сияниями, с высыпанием энергичных частиц, которые обычно привлекают внимание, интересуют людей, связаны с дипольным полюсом. Поэтому все эти зоны, авроральная зона, не смещается. Надежды, что когда-нибудь сияния будут видны в средних широтах Сибири, пока под собой оснований не имеют.

Движение полюсов, в первую очередь, вызывает некие осложнения с навигацией в высоких широтах. Для навигации нужно знать карты магнитного склонения – это угол между географическим меридианом и магнитным. Когда полюс перемещается, этот угол очень быстро меняется, может измениться на 180 градусов. Это вызывает некую озабоченность, связанную с тем, что нужно почаще пересчитывать карты магнитного склонения и почаще их обновлять.

– Существенного влияния на человечество нет?

Валерий Петров: Существует два мифа, связанных с переполюсовкой. Первый связан с тем, что утверждается, что в момент исчезновения магнитного поля исчезнет защита магнитным полем от внешней космической радиации. Действительно, магнитное поле Земли защищает нас от активных энергичных частиц, приходящих с солнечного ветра и из межпланетного космического пространства. Такие частицы не могут распространяться поперек магнитного поля. Когда оно уменьшится, они могут проникать к поверхности Земли. Защита магнитным полем – не единственная, которую имеет Земля. Весьма существенным фактором, сильно ослабляющим космическую радиацию, является атмосфера Земли. Если в космосе сейчас межпланетное путешествие до Марса вызывает очень большие сложности именно в связи с наличием космической радиации, то на поверхности Земли космическая радиация будет в значительной степени подавлена атмосферой.

Ученые Института космических исследований просчитали, что будет с уровнем радиации на поверхности Земли при исчезновении магнитного поля. Получилось, что при полном исчезновении главного магнитного поля (хотя мультипольное поле останется, и будет частично нас защищать) уровень защиты за счет атмосферы обеспечит увеличение уровня радиации на поверхности Земли всего в два – три раза. Такое превышение не превысит принятые сейчас нормы безопасности по уровню космической радиации, и на периоде жизни человека они никак не скажутся.

Можно ожидать какие-то более долгосрочные изменения, связанные с повышением генетических мутаций и в человеке, и в природе, но эти явления не ускорятся, не будут, видимо, сильно значимыми. Наверное, человек к тому времени научится с этим бороться.

Вторая страшилка связана с тем, что в момент исчезновения магнитного поля атмосфера Земли будет сдута солнечным ветром. От Солнца постоянно идет поток частиц, которые обдувают Землю и все планеты. Когда магнитное поле исчезнет, они будут проникать до атмосферы и, конечно, они частично увеличат убегание атомов атмосферы в космическое пространство. Основная защита от убегания – не магнитное поле, а гравитационный потенциал планеты. Часто в качестве примера того, что исчезновение магнитного поля исчезнет атмосфера, приводят Марс. У Марса нет магнитного поля и нет атмосферы. Но у Венеры нет магнитного поля, но очень приличная атмосфера. Разница в том, масса Марса существенно меньше массы Земли, а масса Венеры сравнима с массой Земли, поэтому гравитационное поле Земли защитит ее.

– За время существования Земли Северный и Южный полюса неоднократно менялись. Когда произошло последнее смещение?

Валерий Петров: Такое явление называется либо переполюсовка, когда направление магнитного полюса смещается, проходит через ноль, и магнитное поле вновь возникает, но уже другого направления; или экскурс, когда поле упало, а потом восстановилось. И те, и другие явления наблюдаются достаточно регулярно, их в истории Земли известно более 200. Последнее такое явление перемены направления магнитного поля наблюдалось 780 тысяч лет назад, а вот экскурс – порядка 40 тысяч.

– Когда может быть следующее смещение?

Валерий Петров: Если магнитное поле будет продолжать уменьшаться такими же темпами, как в последние сто лет, то оно должно прийти к нулю через 2000 лет. При этом при уменьшении дипольного магнитного поля начнут усиливаться мультипольные моменты, то есть магнитные поля, создаваемые не вблизи ядра Земли, а в мантии Земли уже вблизи поверхности, которые и создают отклонения.

– Если говорить о глобальных изменениях, какие трансформации ждут планету?

Валерий Петров: Прямой связи между инверсиями магнитного поля и климатом не установлено. Некоторые ученые находят связь, некоторые не находят. Если она и есть, то очень слабая. Никаких существенных изменений в распределении климата по поверхности Земли, в изменениях температуры не ожидается. Эти явления связаны, скорее, с эффектами на Солнце, с солнечной активностью, частично связаны с движением Земли вокруг центра Галактики.

Земля в объятиях Солнца

«По прогнозам гелиометеорологов, сегодня ожидается высокая солнечная активность, пик которой придётся на 17–18 часов по московскому времени. Ослабление магнитного поля Земли может привести к сбоям в работе электронной техники, систем навигации и телекоммуникаций. По данным спутника Solar Orbiter, в ближайшие сутки мощный солнечный ветер ворвётся в полярные области Земли. Спонсор нашего выпуска, компания „Полярные авиалинии“, рекомендует срочно покупать билеты в Мурманск, где ожидается необычайно яркое северное сияние». Так или примерно так — прогнозом солнечной погоды — будут заканчиваться новостные блоки уже в самой недалёкой перспективе. И пусть вас не смущают малознакомые слова («гелиометеоролога» мы, признаться, выдумали сами).

Понятие космической погоды вошло в научный обиход недавно, в 1990-е годы, но область знаний, в недрах которой оно зародилось, развивается так активно, что уже через несколько лет подобные прогнозы станут реальностью, а термины будут знакомы каждой домохозяйке. Но обо всём по порядку.  

Интересующая нас область науки изучает активные события, происходящие на Солнце, и их влияние на магнитосферу, ионосферу и атмосферу Земли. Хотя как отдельное направление эта дисциплина сформировалась лишь около четверти века назад, само понятие «космическая погода» советский биофизик Александр Чижевский использовал ещё в начале XX века. Один из самых больших романтиков от науки, он писал: «Земля постоянно находится в объятиях Солнца. Солнечная активность, как настроение человека, передаётся Земле через эти объятия».

Александр Чижевский (1897–1964) — советский биофизик, основоположник гелиобиологии. Положил начало изучению влияния солнечной активности на биосферу Земли.

Новые поколения учёных разложили эти «объятия» на составляющие.

Внутри Солнца, как мы помним ещё со школы, идёт мощнейшая термоядерная реакция с выделением огромного количества энергии. Очень-очень медленно, иногда около миллиона лет, эта энергия поднимается из центра звезды к её поверхности. По пути ослабевает, поэтому процессы, происходящие в центре Солнца, можно «увидеть» только в рентгеновском диапазоне, а те, что на поверхности, — своими глазами (через защитный фильтр, конечно). Точнее говоря, слой, излучение в котором уже можно наблюдать воочию, фотосферу, и принято считать поверхностью Солнца, ведь твёрдой оболочки, как у Земли, у звезды нет. Свет Солнца долетает до нашей планеты за 8 минут — свет, зародившийся миллион лет назад!

Но кроме фотонов, прилетающих к нам со скоростью света, Солнце выделяет огромное количество электронов и протонов. Им, чтобы достичь нашей планеты, требуется от суток до трёх.

— С Солнца постоянно истекает так называемый солнечный ветер — поток заряженных частиц, который подлетает к Земле постоянно, каждый миг, 24 часа в сутки, — объясняет сотрудник Космического центра Сколтеха Татьяна Подладчикова.

Татьяна Подладчикова — кандидат технических наук, старший преподаватель Космического центра Сколковского института науки и технологий. Обладатель Международной медали им. Александра Чижевского по космической погоде и космическому климату. Фото: Sk.ru

Чтобы понять, как дует солнечный ветер, нужно вспомнить, что Солнце — это огромный газовый шар, экватор которого вращается вокруг своей оси намного быстрее, чем полюса. Это явление называют дифференциальным вращением Солнца.

— Частицы разлетаются примерно так же, как разносились бы брызги воды из шланга, если бы вы вращались вместе с ним. Улетая, заряженные частицы уносят с собой магнитное поле звезды и в итоге заполняют им всю Солнечную систему. А так как Солнце вращается вокруг своей оси, это поле в межпланетном пространстве приобретает особую форму, которую учёные называют «многослойной юбкой балерины», — говорит Татьяна.

Получается, и Земля, и другие планеты Солнечной системы, и конкретно мы с вами живём в складках этой юбки — складках магнитного поля Солнца.

Иногда солнечный ветер превращается в ураган, и тогда огромное магнитное облако заряженных частиц отрывается от поверхности звезды и уносится в космическое пространство. Это явление физики называют корональным выбросом масс. Если такое облако направится к Земле, то при определённых физических условиях будет способно прорваться к поверхности нашей планеты и натворить бед.

Научиться предсказывать подобные события —задача невероятно сложная. Так что нынешние прогнозы космической погоды иногда напоминают обычные: с утра обещают дождь, вы берёте зонтик и ни разу его не достаёте. Облако солнечных частиц в последний момент может пройти мимо планеты, как и туча мимо города. Ведь у Земли, в отличие, например, от Марса, есть магнитное поле — купол, который защищает нас от частиц, летящих из космоса, в частности солнечных.

Но так происходит не всегда. Бывает, что магнитные линии Солнца пересоединяются с линиями магнитного поля Земли, то есть сходятся с ними, смыкаются. После чего перемещаются на ночную сторону Земли, и там происходит ещё одно пересоединение — фактически разрыв той самой нашей естественной защиты. Прорвав её, заряженные частички «засыпаются» по магнитным линиям Земли в полярные области.

И в этот момент мы видим полярное сияние.

— Это единственное и очень красивое явление космической погоды, которое мы можем увидеть собственными глазами, — говорит Татьяна Подладчикова.

Солнечные пятна — это реальные затемнения на поверхности звезды, их можно увидеть в оптический телескоп, пересчитать и измерить (диаметр такого пятнышка легко может достигать трёх земных).

Люди замечали солнечные пятна ещё в первом тысячелетии до нашей эры, с изобретением телескопа в XVII веке наблюдения стали более упорядоченными. Однако сама природа пятен вплоть до XX века оставалась загадкой.Сегодня мы знаем, что затемнения — это области усиления магнитного поля. В этих точках оно настолько мощное, что тормозит перенос энергии и тепла из недр Солнца на его поверхность. Соответственно, температура здесь на 200–300 градусов ниже, чем в остальных областях, поэтому мы видим пятна тёмными. Впрочем, долго удерживать энергию не получается — она накапливается и в какой-то момент прорывается. На Солнце происходит активное событие — солнечная вспышка, которая может сопровождаться корональным выбросом масс.

Нынешние учёные смотрят на Солнце не только в оптические телескопы с Земли, как Галилей. Наблюдения в других диапазонах, ультрафиолетовом и рентгеновском, позволяют понять, что происходит в верхних слоях Солнца, и разобраться в происхождении пятен.

Всё начинается с перепутывания магнитных линий Солнца. Как мы помним, экватор вращается быстрее, и в какой-то момент магнитные линии, обвивающие Солнце, начинают запутываться, будто нитки. Возникают так называемые петли — места наибольшей напряжённости. В рентгеновском диапазоне мы видим эти места как особые магнитные арки — потоки заряженных частиц, огибающих линии магнитного поля Солнца.

— Представьте, что мы разбираем капусту на листья, обнажая всё новые уровни. Наблюдая за Солнцем в разных диапазонах, мы видим разные его слои. В одном из них, например, — солнечные протуберанцы. А сопоставив всё увиденное, мы можем понять взаимосвязи и установить цепочку событий, — продолжает Татьяна.

Генрих Швабе (1789–1875) — аптекарь, астроном-любитель, вошёл в историю как первооткрыватель цикла солнечной активности.

После того как магнитные линии запутаются до предела, они начинают распутываться. То есть солнечная активность то повышается, то снижается. В XIX веке, спустя примерно двести лет после начала наблюдений за Солнцем в телескоп, выяснилось, что процесс этот цикличен. Открытие сделал астроном-любитель и фармацевт по профессии Генрих Швабе.

Он много лет наблюдал за Солнцем, считая пятна, и методично записывал данные в блокнотик. Спустя несколько лет после того, как Швабе опубликовал свою работу, профессиональные астрономы подтвердили открытие и уточнили длительность цикла — 11 лет.

Солнечный цикл начинается с зарождения пятен на полюсах Солнца. Постепенно пятен становится больше, они перемещаются от полюсов к экватору. В минимуме солнечной активности, когда пятна практически отсутствуют, магнитное поле Солнца выглядит как обычный магнит с круговыми линиями и двумя полюсами. В максимуме это клубок «ниток» с выраженными петлями.

— При этом каждые 11 лет полюса Солнца меняются местами: южный переходит на север и наоборот. Это сложный процесс так называемого солнечного динамо, — добавляет Татьяна.

После открытия циклов солнечной активности учёные обнаружили, что они не равнозначны: пики солнечной активности имеют разную интенсивность. В опубликованном недавно в The Astrophysical Journal исследовании, ведущим автором которого выступила Татьяна Подладчикова, учёные приводят результаты прогнозирования грядущих циклов. Ожидается, что сила следующего, 25-го, цикла солнечной активности будет ещё меньше, чем 24-го.

Как и в случае с просто погодой, прогнозирование космической погоды строится на стыке физики и математики. Точность предсказания повышается по мере вникания в детали происходящих процессов, а математика помогает обработать большое количество данных.

— Сейчас около 80 обсерваторий в мире каждый день синхронно подсчитывают количество пятен на солнце, — рассказывает Татьяна. — Так как в солнечный телескоп смотреть нельзя, чтобы не повредить глаза, картинка с него проецируется на лист бумаги, и человек вручнуюобводит и считает пятна, отслеживает месторасположение их групп. Человеческий глаз до сих пор остаётся лучшим инструментом для таких подсчётов. Потом все данные отправляют на обработку в Брюссель, в Королевскую обсерваторию.

По структуре пятен можно предположить, произойдёт ли вспышка. И если это случится, когда группа пятен находится в центре солнечного диска, то облако плазмы полетит строго на нас. Возможность прогнозирования строится на знании того, что из-за вращения Солнца раз в 27 дней группа пятен обычно оказывается на одном и том же месте.

Но с Земли можно получить далеко не все данные, ведь атмосфера поглощает ультрафиолет и рентгеновское излучение, а большинство солнечных событий в видимом диапазоне не наблюдается. Приходится смотреть из космоса. Первые спутники для этих целей запустили в середине 1990-х, а в 2010 году на геостационарной орбите Земли заработала солнечная динамическая обсерватория NASA.

Кроме того, на орбите сейчас находится несколько коронографов, наблюдающих непосредственно за солнечной короной, то есть внешними слоями солнечной атмосферы. Поскольку солнечный диск слишком яркий, коронограф создаёт искусственное затмение, закрывая диск кружком, и в результате позволяет наблюдать за солнечной короной. Таким образом можно увидеть даже корональный выброс масс — как частицы отрываются от Солнца и уносятся в космос.

— Отслеживая выброс в режиме реального времени, можно понять, направляется ли облако частиц в сторону Земли. Если да, то примерно через три дня солнечный ураган попытается прорвать нашу атмосферу, — говорит Татьяна.

Ещё более точные данные получает спутник, находящийся в точке Лагранжа L1, примерно в 1,5 млн км от Земли. По его данным уже можно судить, произойдёт ли разрыв в магнитном поле Земли, или буря обойдёт нас стороной. Это самый надёжный на сегодня прогноз, но делается всего за несколько часов. Однако уже в 2018 году стартуют миссии Solar Probe и Solar Orbiter — эти спутники займут место значительно ближе к Солнцу, и обеспечат более долгосрочный прогноз.

— В 2000 году солнечная активность была очень высокая. Тогда упало и вышло из строя очень-очень много спутников. Но некоторые благодаря прогнозам удалось сохранить, введя в спящий режим на время прохождения облака частиц. Простой пример того, как наша работа помогает сэкономить миллионы долларов, — рассказывает Татьяна.

Важно это и для планирования космических миссий. Во время активных событий на Солнце космонавты, уже не защищённые в полной мере магнитным полем Земли, могут получить изрядную дозу облучения. Сегодня все миссии планируются с учётом прогноза космической погоды, а долгосрочные полёты, например на Марс, будут невозможны, пока наука не придумает способ защитить человека от солнечной радиации.

— У поверхности Земли заряженные частицы, прилетевшие с Солнца, попадают в ловушку магнитного поля. Частицы в магнитосфере могут ускоряться до очень высоких энергий. Эти процессы формируют кольцевой электрический ток — он опоясывает нашу планету на расстоянии от трёх до пяти земных радиусов от поверхности. Ток порождает магнитное поле, направленное противоположно земному, и таким образом ослабляет его. На Земле происходит геомагнитная буря, — объясняет механизм явления Татьяна.

Результаты — насколько ослабло магнитное поле Земли — способны измерить наземные магнитные станции.

Геомагнитная буря — пожалуй, самый известный термин из области космической погоды. Сообщение о ней включают даже в традиционный прогноз.

В 1859 году английский астроном Ричард Кэррингтон, наблюдая за солнечными пятнами, впервые в истории увидел вспышку на Солнце. Примерно через сутки на Земле случилась сильнейшая магнитная буря. В Европе и Северной Америке отказал телеграф, а полярное сияние видели даже жители Карибских островов. Кэррингтон предположил, что причиной всех этих явлений стала вспышка на Солнце, но научное сообщество отнеслось к идее скептически.

Сейчас связь между солнечной активностью и возникновением магнитных бурь на Земле никто не оспаривает, но уж слишком много мифов вокруг самого понятия, сетуют учёные.

— Человек, да и любой живой организм, — слишком сложная структура, и до сих пор нет достоверных исследований, доказывающих прямое влияние на нас геомагнитных бурь и космической погоды в целом. Прежде всего сложно оценить, это Солнце повлияло или что-то иное. Сейчас идёт процесс накопления данных, так что открытия в этой области не за горами. Но могу точно сказать, что голова от магнитной бури заболеть не может: геомагнитное колебание, вызванное бурей, гораздо меньше колебания от проезжающего трамвая, — объясняет Подладчикова.

Некоторые исследования показывают, что в момент магнитной бури сгущается кровь. И если здоровому это ничем не грозит, то у человека в группе риска по сердечно-сосудистым заболеваниям может стать последней каплей и спровоцировать инсульт или инфаркт. Согласно статистике, число вызовов скорой помощи в периоды сильных магнитных бурь всегда возрастает.

Затрудняет работу учёных и то, что человек — существо очень адаптивное. Мы привыкаем к условиям, в которых живём. К примеру, жители полярных широт не страдают от магнитных бурь сильнее, чем жители экватора: организм приспособился. А вот совсем без геомагнитных бурь будет плохо, по-видимому, нам всем. По крайней мере крысы, которым создали в лаборатории соответствующие «тепличные» условия, стали вялыми и перестали размножаться.

— Александр Чижевский связывал активность Солнца также и с социальными процессами: войнами и революциями. Однако влияние солнечной активности на человека — вопрос очень сложный, и объективный ответ на него предстоит дать учёным будущего. Новые аспекты солнечно-земных связей, возможно, поможет раскрыть запуск спутников за пределы магнитосферы Земли. К тому же, на помощь приходят большие данные, ждём и гениальных идей относительно экспериментов. На мой взгляд, прорыв случится в ближайшие полвека, — говорит Татьяна.

Другое дело техника. Мы знаем, как она работает, поскольку сами её спроектировали, а значит, можем проследить, как влияет на электронные устройства космическая погода. Взять, например, геомагнитную бурю 13–14 марта 1989 года, вошедшую в историю как Квебекское событие. Тогда канадская провинция Квебек осталась без электричества из-за сгоревшего транзистора, а экономика страны потеряла миллиарды долларов. Кстати, полярное сияние в эти дни наблюдали опять-таки жители южных широт.

Заметные неудобства причинила вспышка на Солнце, случившаяся 4 сентября 2015 года. Тогда в Швеции пропали с радаров самолёты над всей южной частью страны. Диспетчеры экстренно посадили суда, находившиеся в воздухе; все полёты были отложены.

Сегодня мониторингом магнитных бурь занимаются многие железнодорожные перевозчики, а также компании, эксплуатирующие электростанции и даже трубо- и нефтепроводы. Кстати говоря, все данные, полученные в ходе дорогостоящих космических миссий, открыты для заинтересованных лиц на ресурсах ESA и NASA.

— Мы сейчас гораздо больше зависим от электричества, чем сто лет назад, — подытоживает Татьяна. — Не так давно не слишком сильная буря привела к тому, что в Архангельске светофоры внезапно стали произвольно переключаться с красного на зелёный. А что, если случится событие, подобное буре 1859 года? Это приведёт к непредсказуемым последствиям. Так что важность прогнозирования растёт день ото дня. А пока хорошей космической погоды всем нам!

Источник: kot.sh

Чья это линия поля? | Астрономия и геофизика

Земля защищена от постоянно расширяющейся атмосферы Солнца, известной как солнечный ветер, внутри магнитной полости, известной как магнитосфера (рис. 1). Большинство силовых линий геомагнитного поля, образующих эту полость, «замкнуты», т.е. оба конца силовой линии прикреплены к Земле. Однако вокруг каждого полюса есть область «открытых» силовых линий. У таких силовых линий один конец прикреплен к Земле, а другой уходит в межпланетное пространство, в конечном итоге возвращаясь к Солнцу или в гелиосферу.Содержание открытого потока магнитосферы Земли фокусируется от двух больших областей во внешней магнитосфере до двух относительно небольших областей в полярных ионосферах Земли. Эти области представляют собой «полярные шапки», край каждой из которых называется «граница полярной шапки» или «граница открытых-закрытых силовых линий» (OCB).

Рисунок 1

Схематическое изображение магнитного поля и плазменной среды Земли. Синим цветом показан солнечный ветер, идущий слева, который удерживает магнитное поле Земли в полости, известной как магнитосфера.Магнитное пересоединение в точке А между магнитным полем Солнца (или межпланетным магнитным полем, ММП) и диполярными «замкнутыми» силовыми линиями Земли (красная область) создает «открытые» силовые линии (желтая область), которые соединяют Землю с солнечным ветром. Открытые силовые линии вытягиваются потоком солнечного ветра вниз по течению, образуя протяженный хвост магнитосферы. Повторное соединение этих хвостовых линий поля в точке B возвращает их к исходной закрытой топологии и высвобождает линии поля ММП обратно в солнечный ветер.

Рисунок 1

Схематическое изображение магнитного поля и плазменной среды Земли. Синим цветом показан солнечный ветер, идущий слева, который удерживает магнитное поле Земли в полости, известной как магнитосфера. Магнитное пересоединение в точке А между магнитным полем Солнца (или межпланетным магнитным полем, ММП) и диполярными «замкнутыми» силовыми линиями Земли (красная область) создает «открытые» силовые линии (желтая область), которые соединяют Землю с солнечным ветром.Открытые силовые линии вытягиваются потоком солнечного ветра вниз по течению, образуя протяженный хвост магнитосферы. Повторное соединение этих хвостовых линий поля в точке B возвращает их к исходной закрытой топологии и высвобождает линии поля ММП обратно в солнечный ветер.

Возможность идентифицировать и отслеживать ОКВ позволяет исследовать электродинамику магнитосферной системы Земли. Магнитное пересоединение — всемирно важное явление, известное на Солнце и других звездах, а также в звездных аккреционных дисках.Геопространство — единственная природная среда, где воссоединение можно наблюдать и детально изучать. Магнитное пересоединение отвечает за передачу потока (а также импульса и энергии) через границу из закрытых областей магнитосферы в открытые (и наоборот). Таким образом, изучение динамики полярной шапки и ОЦБ позволяет косвенно измерить баланс между пересоединением на дневной и ночной сторонах магнитосферы. Измерения передачи потока через OCB также обеспечивают прямые измерения скорости повторного подключения.

Это совещание РАН было направлено на рассмотрение различных методов, используемых для определения местоположения OCB с использованием широкого набора инструментов, доступных ученым, изучающим магнитосферу и ионосферу. Важно понимать сильные и слабые стороны различных методов и исследовать, насколько хорошо коррелируют определения границ, полученные с помощью различных методов. Основная цель встречи состояла в том, чтобы позволить исследователям лучше решать научные вопросы, для которых точная идентификация OCB имеет решающее значение.На встрече собралось около 60 исследователей, чтобы поделиться идеями и определить пути дальнейшего исследования OCB. Работа, представленная 11 спикерами, резюмируется ниже.

Сигнатуры частиц

Идентификация OCB в наборах магнитосферных и ионосферных данных была активной темой исследований на протяжении более 30 лет. Космические аппараты внутри магнитосферы регулярно наблюдают за границей, где заметно меняется распределение ионов и электронов. Эндрю Фазакерли (Лаборатория космических наук Малларда) проанализировал наблюдения за сигнатурами частиц, обычно измеряемыми во время высотных переходов космического корабля через границу.Замкнутая область силовых линий характеризуется изотропными горячими ионами и электронами. Когда космический корабль проходит из внешней магнитосферы в пограничный слой магнитопаузы на дневной стороне Земли, начальным признаком перехода является потеря магнитосферных электронов, которые покидают свое место в ловушке на замкнутых силовых линиях магнитосферы. Электроны из магнитослоя также движутся по силовым линиям к ионосфере. Этот «электронный край» представляет собой лучший показатель для OCB из in situ наблюдений космических аппаратов в дневной части магнитосферы.Однако недавние наблюдения миссии Cluster с четырьмя космическими аппаратами выявили текущий слой электронного масштаба (около 20 км), который может представлять собой более определенную сигнатуру границы. Ионные сигнатуры наблюдаются глубже в пограничном слое и дают более грубую оценку местоположения границы. В хвосте магнитосферы на ночной стороне Земли ионы, движущиеся к Земле, получающие энергию от повторного соединения, могут использоваться для определения местоположения места повторного соединения и, следовательно, для определения местоположения OCB.

Этот выступающий также сделал обзор модели Локвуда, связывающей сигнатуры высотных частиц с теми, которые наблюдаются средне- и низковысотными космическими аппаратами.Именно на малых высотах сигнатуры частиц лучше всего понятны из-за множества наблюдений космических аппаратов с малой высоты, таких как наблюдения, сделанные космическим кораблем DMSP. Том Сотирелис (APL/Университет Джона Хопкинса) проанализировал сигнатуры частиц, обычно наблюдаемые низковысотными космическими аппаратами, и то, как они соотносятся с OCB. На дневной стороне несколько четко определенных областей высыпаний частиц были идентифицированы и классифицированы в соответствии с областями магнитосферы, с которыми они лучше всего соотносятся.Области с открытыми силовыми линиями имеют сигнатуры осадков, классифицируемые как касп, мантийный и полярный дождь, а в закрытых областях с силовыми линиями – граничный плазменный слой и центральный плазменный слой. Модель Локвуда (представленная Эндрю Фазакерли) описывает, как эти области магнитосферы перекрываются на малой высоте из-за конечного времени полета высыпающихся частиц от места повторного соединения до ионосферы и конвекции вновь открытых силовых линий после повторного соединения. Истинное местонахождение OCB в этих регионах осадков до сих пор является предметом интенсивных дискуссий.Одним из основных яблок раздора является то, когда область осадков, классифицируемая как относящаяся к низкоширотному пограничному слою, расположена на открытых или закрытых линиях поля. Том Сотирелис также рассмотрел сигнатуры высыпаний частиц на малых высотах на ночной стороне магнитосферы. Здесь так называемая граница «b6» (отмечающая переход от невидимой мороси на последних закрытых линиях поля к полярному дождю на открытых линиях поля), по-видимому, представляет собой лучший показатель для OCB.

Основная слабость наблюдений с космических аппаратов заключается в том, что они ограничены одноточечной выборкой границы.Даже миссии с несколькими космическими аппаратами, такие как Cluster, ограничены граничными наблюдениями в небольших пространственных и временных масштабах (как показано в презентациях Эндрю Фазакерли и Малкольма Данлопа [Лаборатория Резерфорда Эпплтона]). Однако Малкольм Данлоп впервые показал, как Cluster может однозначно различать пространственные и временные вариации в движении границы. Хотя наблюдения с помощью космических аппаратов часто дают очень подробную информацию с высоким разрешением о конкретных пересечениях границ, глобальную картину ОКВ можно определить только из ионосферных наблюдений.

Фокусировка открытых областей силовых линий магнитосферы на небольшие области полярных ионосфер позволяет проводить множественные измерения ОСВ с наземных приборов или космических аппаратов, измеряющих авроральные изображения ионосферы. Широкий спектр наземного оборудования, используемого для идентификации OCB, включает оптические камеры всего неба и радары когерентного и некогерентного рассеяния. Вероятно, самые ранние оценки ПЗС с земли были сделаны с помощью оптических приборов. Joran Moen (Университет Осло) сделал обзор того, как оптические излучения, наблюдаемые в темной дневной ионосфере, связаны с OCB.Замкнутые силовые линии характеризуются эмиссией полярных сияний в зеленой линии длиной 557 нм, относящейся к осаждению частиц из центрального плазменного слоя. Недавно открытые силовые линии характеризуются эмиссией полярных сияний в красной линии длиной 630 нм, связанной с осаждением частиц в области острого выступа. Экваториальный край излучения красной линии куспида часто используется в качестве показателя OCB в дневной ионосфере. В ночной ионосфере полярный край аврорального излучения часто используется в качестве прокси OCB. Однако это часто может быть неточным: оптические инструменты не чувствительны к субвизуальной области высыпаний частиц, которая часто существует сразу к экватору от OCB в ночной ионосфере (как подчеркнул Том Сотирелис).

Космические аппараты формирования изображения

Наземные оптические устройства формирования изображений обычно имеют ограниченное поле зрения (∼1000 км) и поэтому могут отображать только небольшие области полярной ионосферы — и то только тогда, когда ионосфера темная. Однако ультрафиолетовые устройства формирования изображений космических кораблей могут делать глобальные изображения полярной ионосферы, показывая полярные сияния как в дневной, так и в ночной ионосфере. Хотя пространственное разрешение данных космических аппаратов не такое хорошее, как у наземных, они часто позволяют получить глобальную оценку OCB с хорошим временным разрешением (как показано Стивом Миланом [Университет Лестера]). Космические аппараты даже используются для первых наблюдений OCB на других планетах Солнечной системы. Том Сталлард (Университетский колледж Лондона) продемонстрировал оптические наблюдения полярного сияния в полярных областях Сатурна и предположил, что Темная полярная область (DPR) может быть синонимом полярной шапки. Его результаты показали, что в то время как области с высокой светимостью коротируют с планетой, DPR вращается субкоротально, как и следовало ожидать для области ионосферы, удерживаемой неподвижной силовыми линиями, связанными с солнечным ветром.

Наземные радары все шире используются для идентификации ОСВ. Как подчеркнул Джоран Моэн, до сих пор неясно, что лучше всего подходит для OCB в наблюдениях за некогерентным рассеянием. Широтные инверсии скорости ионов обычно дают хорошую оценку границы инверсии конвекции (как показано Ричардом Симсом [Уэльсский университет, Аберистуит]), но обычно она смещается от OCB в регионах, где происходит пересоединение. Нынешние исследования сосредоточены на градиентах температуры ионов и электронов, а также на том, существует ли четкий градиент, который коррелирует с OCB.

Радары когерентного рассеяния, такие как сеть ВЧ-радаров SuperDARN с почти полным полярным полем зрения, могут выполнять глобальные оценки OCB с земли. Граница ширины спектра SuperDARN является общей чертой данных радара SuperDARN, разделяя обратное рассеяние, характеризующееся высокой шириной спектра на высоких широтах, от обратного рассеяния с малой шириной спектра на низких широтах. Gareth Chisham (Британская антарктическая служба) проанализировал историю границы спектральной ширины и представил подробную информацию о точном методе автоматического определения местоположения границы.Эта граница давно известна и используется как хороший показатель для OCB в дневной ионосфере.

Точные физические механизмы, ответственные за увеличение ширины спектра, плохо изучены. Mervyn Freeman (BAS) представил исследование распределений значений спектральной ширины в различных регионах ионосферы и показал, что все они могут быть описаны как логарифмические распределения Леви, но с разными моментами распределения в разных регионах. Он предположил, что, возможно, логарифмическое распределение Леви возникает как естественное следствие микрофизики внутри объема рассеяния радара.Следовательно, исследование параметризации наблюдаемых логарифмических распределений Леви может дать новую информацию о различных геофизических регионах, а также прояснить усиление значений спектральной ширины.

В связи с тем, что множество определений OCB, полученных с помощью различных инструментов, объединяются для получения общей картины OCB, взаимная калибровка определений границ, полученных с помощью различных инструментов и с использованием различных методов, приобретает огромное значение. Например, хотя границы спектральной ширины SuperDARN наблюдаются во все магнитные локальные времена, то, как эти границы соотносятся с границами в магнитосферной системе в ночной ионосфере, всегда было предметом споров.Гарет Чишам показал в статистическом сравнении границ ширины спектра и границ «b6» с низковысотных космических аппаратов, что граница ширины спектра оказалась хорошим показателем для OCB в предполуночном секторе местного времени. Но Джеймс Уайлд (Университет Лестера) представил противоречивые данные, показывающие, что граница ширины спектра в утренне-рассветном секторе ионосферы находится на более низкой широте, чем OCB, определенная по измерениям частиц на малых и больших высотах и ​​по наблюдениям УФ-полярных сияний.Он показал, что граница спектральной ширины расположена вблизи полярного края основного овала сияний высокой светимости. Том Сотирелис показал, что направленная к полюсу граница УФ-овала в ночной ионосфере часто согласовывалась с границей высыпаний частиц «b5», наблюдаемой низковысотными космическими аппаратами, на небольшом расстоянии к экватору от лучшего показателя высыпаний частиц для OCB, «b6». граница.

Основной проблемой при определении глобальных оценок OCB остается проблема объединения различных измерений OCB из разных наборов данных и заполнения пробелов в охвате данных. Gary Abel (BAS) обсудил возможные методы объединения разрозненных измерений OCB, чтобы дать представление об общем размере и форме полярной шапки. Широта OCB как функция местного магнитного времени может быть описана как ряд Фурье, причем порядок ряда выбран в соответствии с количеством наблюдений границы. Для ограниченного числа неравномерно расположенных наблюдений лучше всего подходят подгонки третьего или четвертого порядка. Когда существуют почти непрерывные измерения границы, можно использовать отфильтрованный ряд Фурье.Это включает в себя преобразование Фурье границы, удаление высокочастотных членов и обратное преобразование для получения наилучшей глобальной оценки границы. На рисунке 2 показан представленный Стивом Миланом пример комбинации УФ-изображения полярных сияний, данных о частицах на малых высотах и ​​наблюдений ширины спектра SuperDARN для определения глобальной оценки OCB. Эта глобальная граничная оценка затем может быть использована для определения открытого магнитного потока.

Рисунок 2

(a): Вид ионосферы северного полушария с центром на геомагнитном полюсе с местным полднем, расположенным вверху, показывающий интенсивность УФ-полярного сияния, измеренную космическим аппаратом Polar, и измерения ширины спектра с три радара SuperDARN. Также показан наземный трек космического корабля DMSP F14, показывающий места пересечения OCB. Комбинация этих наблюдений позволяет определить приблизительное местоположение OCB во все местные моменты времени, как показано толстой черной линией. (b): измерения DMSP F14 потоков высыпающихся ионов и электронов с энергиями от 30 эВ до 30 кэВ. Пересечения ПЗС, идентифицируемые в основном по переходу между низкими и высокими потоками высокоэнергетических электронов, показаны вертикальными пунктирными линиями.

Рисунок 2

(a): Вид ионосферы северного полушария с центром на геомагнитном полюсе с местным полднем, расположенным вверху, показывающий интенсивность ультрафиолетового сияния, измеренную космическим аппаратом Polar, и измерения ширины спектра. от трех радаров SuperDARN. Также показан наземный трек космического корабля DMSP F14, показывающий места пересечения OCB. Комбинация этих наблюдений позволяет определить приблизительное местоположение OCB во все местные моменты времени, как показано толстой черной линией. (b): измерения DMSP F14 потоков высыпающихся ионов и электронов с энергиями от 30 эВ до 30 кэВ. Пересечения ПЗС, идентифицируемые в основном по переходу между низкими и высокими потоками высокоэнергетических электронов, показаны вертикальными пунктирными линиями.

Стив Милан завершил встречу, продемонстрировав силу глобальных измерений OCB в понимании последствий магнитного пересоединения. Он представил измерения содержания открытого потока магнитосферы, которые показали, как полярная шапка расширялась в ответ на интервалы повторного соединения на дневной стороне и сжималась в ответ на ночное повторное соединение.Этот метод позволил количественно оценить скорость повторного подключения, связанную как с дневными, так и с ночными процессами повторного подключения. В одном примере размер полярной шапки и условия солнечного ветра вверх по течению использовались для оценки изменений радиуса хвоста магнитосферы. Было показано, что эти оценки полностью соответствуют наблюдениям, сделанным космическим аппаратом IMP-8 в этом регионе. Эти результаты показывают, что знание размера полярной шапки позволяет исследовать крупномасштабную структуру магнитосферы.

Открытые вопросы

Совещание оставило ряд открытых вопросов в изучении ОСП:

• •

  Трудности в понимании местоположения ОСП могут возникнуть, когда в межпланетном магнитном поле (ММП) солнечного ветра преобладает северная составляющая. «Тета»-полярные сияния типичны для расширенных интервалов северного ММП, и автоматические алгоритмы обнаружения границ могут дать сбой, поскольку при проходе космического корабля на низкой широте может произойти более одного открытого-закрытого перехода.Кроме того, в этих условиях полярная шапка может стать настолько маленькой, что космический аппарат не сможет пересечь границу на открытых силовых линиях. Когда полярная шапка мала, разница между открытыми и закрытыми областями осадков становится менее четкой, поскольку осадки на замкнутых силовых линиях могут стать слабыми, а на открытых силовых линиях – менее плавными.

• •

  Граница ширины спектра SuperDARN представляет собой хороший показатель для OCB в предполуночном секторе и секторе куспида (полдень), но граница ширины спектра была смещена от OCB на несколько градусов в утреннем секторе.Остается еще выяснить, как граница ширины спектра соотносится с ОСВ в утреннем и предвечернем секторах.

• •

  Пока неясно, переход какого параметра в радиолокационных наблюдениях с некогерентным рассеянием представляет наилучший показатель для OCB.

• •

  Измерения OCB носят пространственный и временной характер. Отслеживание или описание временной эволюции глобальной оценки OCB является сложной задачей.

• •

  Выявление комбинированных эффектов магнитосферной конвекции и времени пролета высыпающихся частиц имеет решающее значение для определения истинной ионосферной проекции OCB.Модель Локвуда представляет собой первый шаг в понимании этих сложностей.

Организаторы благодарят всех участников за участие в собрании.

Эпизод 402: Поля, линии поля и напряженность поля

Гравитационное поле

Земля и Космос | Силы и движение

Эпизод 402: Поля, линии поля и напряженность поля

Урок для 16-19

• Время активности 60 минут
• Уровень Передовой

В этом эпизоде ​​вводится понятие «силовое поле» и то, как мы можем схематически изобразить такое поле с помощью силовых линий.Фактическая напряженность поля в точке пространства определяется напряженностью поля.

Итоги урока

• Обсуждение: Поля и линии полей (10 минут)
• Обсуждение: Напряженность поля, g (10 минут)
• Примеры работы: Напряженность поля (20 минут)
• Упражнение с электронными таблицами: анализ данных миссии «Аполлон-11» (20 минут)

Обсуждение: Поля и линии поля

Когда вы берете в руки какой-либо предмет, например ручку, между вами и ручкой возникает прямой контакт.Этот прямой контакт воздействует на ручку, заставляя ее двигаться так, как она это делает. Однако ручка также имеет вес из-за своего присутствия в гравитационном поле Земли. Как проявляется эта сила, даже если нет прямого контакта между Землей и ручкой? На перо действует сила со стороны Земли, потому что перо находится в гравитационном поле Земли . Мы можем определить поле, создаваемое телом, как область окружающего его пространства, в которой другие тела будут чувствовать силу, обусловленную этим телом.

Какова протяженность гравитационных полей? (Дальность действия гравитационной силы бесконечна, хотя она становится очень слабой на больших расстояниях, поскольку действует по закону обратных квадратов. Таким образом, гравитационное поле тела также бесконечно.)

Мы не можем увидеть или потрогать это поле, но мы можем попытаться смоделировать его, используя линий поля или силовых линий . На диаграмме силовых линий направление силовой линии в точке указывает направление силы притяжения, которая будет ощущаться помещенной туда небольшой массой.Относительная плотность силовых линий на диаграмме является показателем напряженности поля. (Сравните это с более знакомыми моделями магнитного поля.)

Таким образом, для сферической массы, такой как Земля, у нас будет следующая диаграмма:

Силовые линии направлены радиально внутрь, потому что в любой точке поля Земли тело почувствует силу, направленную к центру Земли. Линии поля становятся более растянутыми по мере увеличения расстояния от Земли, что указывает на уменьшение напряженности поля. Обратите внимание, что поле действительно трехмерное, но, конечно, на бумаге мы можем взять только его двухмерный срез. Это радиальное или сферическое поле.

Вблизи поверхности Земли силовые линии выглядят так:

Они направлены вниз (направление, в котором тело вблизи поверхности Земли будет ощущать гравитационную силу), и они параллельны и равноудалены, что указывает на то, что поле постоянное, или однородное .

Пара важных замечаний:

• Линии поля не начинаются и не заканчиваются в пустом месте (хотя на диаграммах они должны где-то останавливаться!).Они заканчиваются массой и простираются назад до бесконечности.
• Линии поля никогда не пересекаются. (Если бы это было так, то объект, помещенный в точку их пересечения, ощущал бы силы более чем в одном направлении. Эти силы можно было бы свести к одному направлению — истинному направлению линии поля в этом месте.)

(Понятия поля и силовых линий будут использоваться снова, когда мы будем рассматривать электрические поля и магнитные поля).

Обсуждение: Напряженность гравитационного поля,

Как вы уже видели, вы притягиваете Землю точно с такой же силой, как она притягивает вас.Однако ваше гравитационное поле по своей природе намного слабее, чем у Земли. Чтобы попытаться получить представление о внутренней силе гравитационного поля тела, нам нужно определить напряженность поля в точке поля.

Мы определяем напряженность поля в точке поля тела как гравитационную силу, действующую на объект, помещенный в эту точку, на кг массы объекта. Другими словами, это просто количество ньютонов силы притяжения, действующей на килограмм массы объекта.Поскольку сила притяжения — это просто то, что мы называем весом, мы можем записать это как:

г  =  Вт м

, где W — вес в ньютонах. Таким образом, г имеет единицы Н кг ^-1 .

Мы можем использовать это определение, чтобы получить уравнение для g , используя закон всемирного тяготения Ньютона. Сила притяжения массы M (вызывающая поле) на массу m на расстоянии r прочь это просто G M m r ² .Таким образом, сила притяжения на кг массы объекта (масса м ) равна G M м м r ² .

Таким образом, г  =  Г М г ² .

Это дает выражение для напряженности поля в точке на расстоянии r от (точечной или сферической) массы M .

Несколько замечаний:

• Напряженность гравитационного поля в точке поля не зависит от помещенной в нее массы – это свойство поля.Таким образом, два объекта с разной массой, помещенные в одну и ту же точку поля, будут испытывать одинаковую напряженность поля, но разные гравитационные силы.
• В некоторых текстах в этом уравнении присутствует знак минус, поэтому оно выглядит так: ; это из более правильного, но не по программе, векторного уравнения для g. Величину напряженности поля лучше рассчитать, используя g  =  G M r ² и тогда направление задается тем фактом, что гравитация всегда притягивает (т.е. поле всегда действует на гравитирующее тело).

Примеры работы: Напряженность поля

Расчеты с учетом напряженности поля.

Эпизод 402:1 Напряженность поля – ученический лист (Word, 31 КБ)

Упражнение с электронными таблицами

Здесь учащиеся могут попробовать проанализировать данные миссии «Аполлон-11».

Эпизод 402-2: Анализ данных миссии Аполлона-11 на Луну (Word, 29 КБ)

. Эпизод 402-3: Данные миссии “Аполлон-11” (Word, 85 КБ)

Магнитное поле Земли (геомагнитное поле)

Магнитное поле Земли

Земля окружена магнитным полем.Это магнитное поле подобно дипольному полю, создаваемому стержневым магнитом с северным и южным полюсами. Силовые линии сходятся (направлены вертикально вниз) на северном магнитном полюсе и исходят (направлены вертикально вверх) на южном магнитном полюсе. Воображаемый стержневой магнит имеет ось с наклоном около 11 градусов по сравнению с осью вращения Земли и смещен от центра Земли примерно на 550 километров.

В действительности форма геомагнитного поля более сложна, чем стержневой магнит.Поле не является полностью диполярным и изменяется (скорость его изменения также меняется) как в зависимости от местоположения, так и во времени. Поэтому магнитные полюса не расположены в том же месте, что и северный и южный географические полюса Земли. Генерация такого магнитного поля объясняется динамо-процессом из-за движения жидкого (расплавленного железа) внешнего ядра Земли. Иногда происходит переполюсовка магнитного поля, когда поле меняет полярность. В этом видео Лиза Токс из Океанографического института Скриппса обсуждает природу и происхождение магнитного поля Земли, измеряет и картирует его силу и отслеживает его изменения.

Линии магнитного поля Земли

Линии магнитного поля Земли (магнитные меридианы) или силовые линии являются векторами с направлением и интенсивностью. Вектор магнитного поля в каждом месте описывается семью компонентами: общей напряженностью (F), вертикальной напряженностью (Z), горизонтальной напряженностью (H) с ее северной (X) и восточной (Y) компонентами, наклонением (I) и склонением. (Д). Карты магнитных элементов и их вековых вариаций на основе Мировой магнитной модели (WMM 2010) доступны в NOAA: http://www. ngdc.noaa.gov/geomag/WMM/image.shtml.

Модель магнитного поля Земли — Калькулятор магнитного поля

Из-за неравномерности и постоянно меняющейся природы магнитное поле Земли необходимо постоянно измерять (с помощью спутников и мировых обсерваторий), чтобы получить точную картину его распределения и изменений во времени. На основе таких наблюдений разрабатываются эталонные модели магнитного поля для описания магнитного поля и его изменений в будущем.Двумя основными мировыми моделями являются Международное эталонное геомагнитное поле (IGRF) и Мировая магнитная модель (WMM). Канадское эталонное геомагнитное поле (CGRF) представляет собой региональную модель, специфичную для магнитного поля над Канадой и ее окрестностями. Калькулятор магнитного поля на основе конкретной модели можно использовать для расчета различных элементов магнитного поля для желаемого места и времени. Примеры включают калькулятор на основе модели IGRF, калькулятор на основе моделей CGRF и IGRF и калькулятор на основе модели WMM.

Магнитные столбы

Используя дипольную аналогию, магнитные полюса определяются как области, в которых падение или наклон (I) является вертикальным, а горизонтальная интенсивность (H) равна нулю. Магнитные меридианы входят в землю вертикально на северном магнитном полюсе и покидают землю вертикально на южном магнитном полюсе. Магнитные полюса испытывают долгосрочное движение или вековые колебания, суточное движение, а также более быстрое смещение и колебания из-за магнитной активности, исходящей от солнца, такой как магнитные бури. Как упоминалось выше, дипольная аналогия представляет собой упрощенное описание магнитного поля Земли, которое является хорошим приближением до 90% реального поля. Однако реальное магнитное поле отличается от поля диполя, и это различие особенно заметно вблизи магнитных полюсов. Обратитесь к руководству Геологической службы Канады по геомагнетизму для объяснения этой разницы. В этом видео Чарли Бартон обсуждает магнитные полюса, их расположение и движение.

Карта движения магнитного полюса Земли и анимация магнитного поля

Карта движения северного магнитного полюса 1590 − 2010

Подготовлено Национальным центром геофизических данных NOAA, декабрь 2005 г.
Данные о местоположении полюсов, полученные с помощью моделей магнитного поля UFM и IGRF-10
http://www.ngdc.noaa.gov/geomag/maps/NorthPole1590_2010.pdf

1590−1940
Модель равномерного потока (UFM)
Джереми Блоксхэм и Эндрю Джексон
Использует модифицированный код J. Блоксхэм, 11 октября 1983 г.

1950−2010
Международная эталонная модель геомагнитного поля (IGRF-10)
Международная ассоциация геомагнетизма и аэрономии (IAGA)
Сьюзан Макмиллан и Стефан Маус
Рабочая группа V-MOD
декабрь 2004 г.

Карта движения Южного магнитного полюса 1590 – 2010

Подготовлено Национальным центром геофизических данных NOAA, декабрь 2005 г.
Данные о местоположении полюсов, полученные с помощью моделей магнитного поля UFM и IGRF-10
http://www.ngdc.noaa.gov/geomag/maps/SouthPole1590_2010.pdf

1590−1940
Модель равномерного потока (UFM)
Джереми Блоксхэм и Эндрю Джексон
Использует модифицированный код Дж. Блоксхэма, 11 октября 1983 г.

1950-2010
Международная эталонная модель геомагнитного поля (IGRF-10)
Международная ассоциация геомагнетизма и аэрономии (IAGA)
Сьюзан Макмиллан и Стефан Маус
Рабочая группа V-MOD
декабрь 2004 г.

Вы также можете найти анимацию изменений во времени горизонтального направления магнитного поля, ориентации магнитного компаса и контуров склонения в консорциуме CIRES Geomag: http://geomag.org/info/declination.html и NOAA Science on a Sphere (SOS): веб-сайты http://www.sos.noaa.gov/Datasets/dataset.php?id=116; движение магнитных полюсов очевидно в этих анимациях.

На изображениях ниже показаны стрелки компаса, наложенные на силовые линии магнитного поля (горизонтальная составляющая) в Google Планета Земля для 1900, 1990 и 2010 годов. Движение магнитного северного полюса (голубая звезда) четко видно на протяжении многих лет. Также обратите внимание, как стрелки компаса совпадают с линиями магнитного поля.Стрелка компаса не указывает ни на географический северный полюс, ни прямо на магнитный северный полюс. Угол между истинным севером (линия, направленная к географическому северному полюсу) и направлением, в котором указывает стрелка компаса, называется магнитным склонением. Опять же очевидно, как направление стрелки компаса и, следовательно, магнитное склонение меняются в зависимости от местоположения и времени. Подробнее о магнитном склонении в следующем разделе.

Данные для следующих изображений взяты с сайта: http://geomag.org/info/declination.html

Атрибуция изображений Google Планета Земля: географ Государственного департамента США, © Google, 2010 г., © Europa Technologies, 2010 г., © Tele Atlas, 2010 г.

Полезные ссылки

Статья о непостоянном магнитном поле Земли: http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2003/29dec_ Magneticfield/
Геологическая служба Канады: http://gsc.nrcan.gc.ca/geomag/index_e.php
. Национальный центр геофизических данных NOAA: http://www.ngdc.noaa.gov/geomag/
Ссылки на Национальный центр геофизических данных NOAA: http://www.ngdc.noaa.gov/geomag/servers.shtml
Консорциум CIREA Geomag: http://www. geomag.us/index.html
Британская геологическая служба: http://www.geomag.bgs.ac.uk/
. Геофизические науки Австралии: http://www.geoscience.gov.au/

Космический полет впервые наблюдал ключевое взаимодействие между магнитными полями Земли и Солнца

В этом художественном исполнении показаны четыре идентичных космических корабля MMS, летящих вблизи обращенной к Солнцу границы магнитного поля Земли (синие волнистые линии).Миссия MMS раскрыла наиболее четкую картину процесса магнитной пересвязи между магнитными полями Земли и Солнца — движущей силы космической погоды, солнечных вспышек и других энергетических явлений. Изображение предоставлено: НАСА

Большинство людей не задумываются о магнитном поле Земли, однако оно так же необходимо для жизни, как воздух, вода и солнечный свет. Магнитное поле обеспечивает невидимый, но важный барьер, защищающий Землю от магнитного поля Солнца, которое гонит поток заряженных частиц, известный как солнечный ветер, наружу от внешних слоев Солнца. Взаимодействие между этими двумя магнитными полями может вызвать взрывные бури в космосе вблизи Земли, которые могут вывести из строя спутники и вызвать проблемы здесь, на поверхности Земли, несмотря на защиту, обеспечиваемую магнитным полем Земли.

Новое исследование, проведенное в соавторстве с физиками из Университета Мэриленда, представляет первые важные результаты миссии НАСА «Магнитосферный мультимасштаб» (MMS), в том числе беспрецедентный взгляд на взаимодействие между магнитными полями Земли и Солнца.В документе описывается первое прямое и подробное наблюдение явления, известного как магнитное пересоединение, которое происходит, когда две противоположные линии магнитного поля разрываются и снова соединяются друг с другом, высвобождая огромное количество энергии.

Открытие является важной вехой в понимании магнетизма и космической погоды. Исследовательская статья опубликована в номере журнала Science от 13 мая 2016 года.

«Представьте, что два поезда едут навстречу друг другу по разным путям, но поезда переключаются на один и тот же путь в последнюю минуту», — сказал Джеймс Дрейк (IREAPP/Physics) , соавтор исследования Science . .«Каждый трек представляет собой линию магнитного поля от одного из двух взаимодействующих магнитных полей, а переключатель трека представляет собой событие пересоединения. В результате сбоя энергия выбрасывается из точки пересоединения, как из рогатки».

Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что воссоединение является основной движущей силой таких событий, как солнечные вспышки, выбросы корональной массы, магнитные бури и полярные сияния, наблюдаемые как на Северном, так и на Южном полюсах Земли. Хотя исследователи пытались изучить переподключение в лаборатории и в космосе почти полвека, миссия MMS стала первой, которая непосредственно наблюдала, как происходит переподключение.

Миссия MMS обеспечила более точные наблюдения, чем когда-либо прежде. Летя в форме пирамиды на краю магнитного поля Земли на расстоянии всего 10 километров между четырьмя идентичными космическими аппаратами, MMS каждые 30 миллисекунд фотографирует электроны внутри пирамиды. Напротив, предшественник MMS, Европейское космическое агентство и миссия НАСА Cluster II, проводят измерения каждые три секунды — достаточно времени, чтобы MMS провела 100 измерений.

«Просто смотреть на данные из MMS просто невероятно.Уровень детализации позволяет нам видеть вещи, которые раньше были размыты», — объяснил Дрейк, который работал в научной группе MMS, а также консультировал группу инженеров по требованиям к инструментам MMS. «С временным интервалом в три секунды увидеть повторное соединение с Кластером II было невозможно. Но качество данных MMS абсолютно вдохновляет. Неясно, будет ли когда-нибудь еще одна миссия, подобная этой».

Простое детальное наблюдение за повторным подключением является важной вехой.Но основная цель миссии MMS — определить, как силовые линии магнитного поля на короткое время разрываются, позволяя произойти повторному соединению и высвобождению энергии. Измерение поведения электронов в случае пересоединения позволит более точно описать, как работает пересоединение; в частности, происходит ли это в аккуратном и упорядоченном процессе или в бурном, подобном буре водовороте энергии и частиц.

Более четкое представление о физике воссоединения также приблизит нас на один шаг к пониманию космической погоды, в том числе того, следуют ли солнечные вспышки и магнитные бури какой-либо предсказуемой схеме, такой как погода здесь, на Земле. Воссоединение также может помочь ученым понять другие, более энергетические астрофизические явления, такие как магнетары, которые представляют собой нейтронные звезды с необычно сильным магнитным полем.

«Понимание пересоединения имеет отношение к целому ряду научных вопросов в солнечной физике и астрофизике», — сказал Марк Свисдак, научный сотрудник Института исследований электроники и прикладной физики UMD. Свисдак не является соавтором научной статьи, но активно сотрудничает с Дрейком и другими в последующем анализе данных MMS.

«Воссоединение в магнитном поле Земли имеет относительно низкую энергию, но мы можем получить хорошее представление о том, что происходит, если экстраполируем на более энергетические системы», — добавил Свисдак. «Край магнитного поля Земли — отличная испытательная лаборатория, поскольку это почти единственное место, где мы можем запустить космический корабль прямо через регион, где происходит пересоединение».

На сегодняшний день MMS сосредоточилась только на обращенной к Солнцу стороне магнитного поля Земли. В будущем миссия должна полететь на противоположную сторону, чтобы исследовать каплевидный хвост магнитного поля, обращенный в сторону от Солнца.

###

Исследовательская статья «Измерения магнитного пересоединения в космосе в электронном масштабе», Джеймс Берч и др., была опубликована в журнале Science 13 мая 2016 г.

Помимо Дрейка, соавторами UMD являются Ли-Джен Чен, младший научный сотрудник в области астрономии, и Шан Ван, научный сотрудник в области астрономии.

Работа выполнена при поддержке НАСА (номер премии NNG04EB99C). Содержание этой статьи не обязательно отражает взгляды этой организации.

Контактное лицо по связям со СМИ: Мэтью Райт, 301-405-9267, [email protected]

University of Maryland
College of Computer, Mathematical, and Natural Sciences
2300 Symons Hall
College Park, MD 20742
www.cmns.umd.edu
@UMDscience

О Колледже компьютерных, математических и естественных наук

Колледж компьютерных, математических и естественных наук Университета Мэриленда ежегодно обучает более 7000 будущих научных лидеров по программам бакалавриата и магистратуры. 10 факультетов колледжа и более десятка междисциплинарных исследовательских центров способствуют научным открытиям, а ежегодное спонсируемое финансирование исследований превышает 150 миллионов долларов.

Опубликовано 12 мая 2016 г.

Руководство для начинающих по магнитному полю Земли

Магнитное поле дает нам слой в космосе, называемый магнитосферой высоко в атмосфере. Он различается по расстоянию, но может простираться до 65 000 километров от поверхности Земли.

Из космоса магнитосфера напоминает магнитный диполь. Силовые линии резонируют по кругу от северного и южного магнитных полюсов. Компасы видят магнитные поля и указывают в этом направлении.

Магнитосфера позволяет жизни существовать на поверхности Земли. Без него Земля подвергалась бы космическому и солнечному излучению Солнца. Магнитные поля искривляют частицы. Если у вас есть опасные высокоскоростные частицы из космоса, он будет отражать их, как щит, от космического излучения.

Во время магнитных бурь пойманная в ловушку плазма излучает свет, который можно наблюдать по всему земному шару. Это возмущение в магнитосфере и создает Северное сияние или северное сияние.

Как работает магнитное поле Земли

Если углубиться вглубь Земли, то можно увидеть, что ядро ​​почти полностью состоит из железа и никеля. Но внешняя его часть на самом деле представляет собой жидкость, текущую так же, как вода. Мы знаем это, используя сейсмическую томографию землетрясений.

ГЕОДИНАМО: Поскольку твердое внутреннее ядро ​​нагревает внешний жидкий слой, оно создает конвекционные потоки.И это геодинамо — магнитное поле Земли, которое мы измеряем на поверхности. Сейсмологи предполагают, что, поскольку внутреннее ядро ​​ вращается быстрее, чем мантия , именно это активное взбалтывание создает геодинамо.

Эти конвекционные потоки не только влияют на потоки тепла внутри планеты, но и создаваемое ими магнитное поле играет важную роль в возникновении жизни на планете Земля.

Что такое силовые линии магнитного поля и инверсия полюсов?

Магнитное поле Земли меняется со временем.Известно, что он бродит с места на место. И это не совпадает с географическими северным и южным полюсами Земли.

В прошлом магнитные полюса меняли местами и даже направление. Это означает, что северный полюс становится южным полюсом и наоборот.

Нет шаблонов для смены магнитных полюсов. Они не меняются через равные промежутки времени, что делает их очень непредсказуемыми.

За последние 3 миллиона лет магнитный полюс менялся местами 12 раз. Мы знаем это, потому что фиксируем инверсии в богатых железом породах, которые ведут себя как магниты.

Что является свидетельством смены полюсов?

Базальтовая магма при замерзании богата железом. Поскольку железо является магнитным, мы используем магнитометры, чтобы найти направление магнитного поля.

Когда магма остывает, магнитный материал выравнивается с магнитным полем Земли. Когда он затвердевает, он фиксирует ориентацию магнитного поля, как крошечный компас. Основываясь на магнетизме породы, мы можем найти ориентацию магнитного полюса.

Итак, в первом слое базальтовой лавы магнетит фиксирует направление северного полюса.Затем для следующего слоя южный полюс становится северным полюсом.

Они обнаружили, что магнитная ориентация менялась в последовательных слоях базальтовой лавы. Вот почему мы знаем, что магнитные полюса менялись местами в истории.

Почему полюса меняются местами? Мы все еще пытаемся найти причину смены полюсов и когда произойдет следующая.

Как работает магнитное пересоединение?

Плазма составляет большую часть Вселенной. В результате выбросов корональной массы (CME) Солнце высвобождает огромное количество плазмы или заряженных частиц.

Когда плазма входит в магнитосферу в нормальных условиях, силовые линии магнитного поля Земли практически не изменяются.

Но иногда плазма, испускаемая Солнцем, может разрушить магнитное поле Земли. Это заставляет магнитное поле Земли перестраиваться по другому образцу.

Это магнитное пересоединение может высвободить огромное количество кинетической энергии и тепла, воздействуя на космическую погоду и системы связи на Земле.

Магнитное поле Земли

Земля имеет магнитное поле.Это поле важно по многим причинам, включая навигацию и связь. Магнитное поле Земли достаточно велико, чтобы заставить работать компас, и помогает защитить нас от вредного излучения.

Если вы хотите узнать больше о магнитном поле Земли, вы можете пройти эти курсы, чтобы начать. Эти классы предлагаются онлайн-университетами и школами, которые позволяют учащимся всех уровней получать доступ из любой точки мира.

Почему магнитное поле Земли переворачивает ход истории? Какие попытки были предприняты для математического моделирования этого явления?

Палеомагнитолог Майкл Фуллер — заслуженный профессор Калифорнийского университета в Санта-Клаусе. Барбара, а сейчас старший научный сотрудник Школы наук о Земле и технологий Гавайского университета в его Институт геофизики и планетологии. Его исследования были сосредоточены на сдвигах полюсов магнитного поля. записи, застрявшие в гавайской лаве и в кернах с морского дна. Вот его объяснение.

Мы из магнитных записей, запертых в горных породах, известно, что магнитное поле Земли много раз меняло направление на противоположное мимо. Мы действительно не знаем, почему, но у нас есть некоторые теории, которые подтверждаются математическими моделями.

Мы также знаем, что магнитное поле Солнца также меняется на противоположное каждые 11 лет, в то время как магнитное поле Земли реверсирует неравномерно.Последняя инверсия геомагнитного поля Земли произошла около 780 000 лет назад. Исторический скорость реверсирования для Земли, по-видимому, составляет раз в несколько сотен тысяч лет, но она сильно различается; на в по крайней мере в двух случаях поле сохраняло одну полярность в течение десятков миллионов лет.

Таким образом, единственные два магнитных поля, для которых у нас есть значимые исторические записи — о Земле и о Солнце — бистабильны.Они проводят большую часть времени в стабильное состояние с магнитным полем, примерно ориентированным на ось вращения. Форма стабильной геомагнитной поле подобно магнитному стержню в центре Земли. Это то, что называется дипольным полем — с севером и Южный полюс. Но время от времени это дипольное поле меняет полярность — северную и южную наоборот — и этот процесс кажется, занимает несколько тысяч лет.

Поле Земли, как и поле Солнца, создается действием динамо, которое включает два процесса.Во-первых, это создание новых магнитных полей из окружающего геомагнитного поля. Эта «регенерация поля» происходит из-за того, что силовые линии магнитного поля захватываются хорошими электрическими проводниками. например, расплавленное железо внешнего ядра Земли. Как показал Майкл Фарадей, движение линии поля препятствуют электрическому току, текущему, чтобы противостоять этому изменению. Поскольку расплавленное железо в активной зоне является хороший электрический проводник, поле задерживается в жидкости — эффект застывшего поля.Поле носится вдоль с жидкостью, когда она движется в ответ на воздействующие на нее силы. По мере движения ядра силовые линии растягивается и скручивается, и создается новое магнитное поле.

баланс между этими двумя процессами определяет эволюцию магнитного поля, а именно, поле затухает или восстанавливается. В больших масштабах звезд и планет силовые линии захватываются движение жидкости и искажения.Затем они генерируют новое магнитное поле, прежде чем рассеются.

геомагнитное поле непрерывно меняется. Время затухания основной дипольной части геомагнитного поля, чье постоянство и простая геометрия позволяют осуществлять навигацию с помощью магнитных компасов. окрестности 15000 лет. Большая часть этой вариации связана с более мелкими элементами в недипольном поля, которые имеют меньшие постоянные времени и более сложную геометрию. Вариация должна, по-видимому, возникают из-за небольших изменений в любом из двух процессов, которые обеспечивают динамо-действие, или в обоих.

Итак, редкие инверсии поля, скорее всего, вызваны большими изменениями течения во внешнем ядре или силовые линии которого закручиваются в поток за счет диффузии. Что вызывает такие серьезные изменения, неизвестно. В самом деле, может быть, что такие флуктуации являются просто крайними примерами континуума флуктуаций в динамо-процессы — Эль-Ниньо в погоде внешнего ядра.

Несколько лет назад Гэри А. Глатцмир из Лос-Аламосская национальная лаборатория и Пол Х.Робертс из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе добился выдающийся прорыв в математическом моделировании геомагнитного поля. Они решили уравнения электромагнетизма и магнитогидродинамики для внешнего ядра и таким образом получил компьютер моделирование геомагнитного поля.

Моделирование дало относительно длительные периоды, когда поле было примерно совмещенные с осью вращения, которые были разделены быстрым переворачиванием полюсов. Во время этого смоделированного инверсии недипольное поле стало доминирующим.В настоящее время предпринимаются попытки определить морфология переходных полей при инверсиях. И есть надежда, что эти результаты вдохновят еще больше реалистичные модели и лучшее понимание работы геодинамо.

Обновлено 13 апреля 1998 г.

Гэри А. Глатцмайер из Института геофизики и физики планет Лос-Аламосской национальной Лаборатория объясняет компьютерное моделирование инверсий поля.

Первый динамически согласованный, трехмерное компьютерное моделирование геодинамо (механизм в жидком внешнем ядре Земли, который генерирует и поддерживает геомагнитное поле) был выполнен и опубликован Полом Х.Робертс из Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе и я в 1995 году. Мы запрограммировали суперкомпьютеры для решения большой набор нелинейных уравнений, описывающих физику движения жидкости и генерации магнитного поля в ядро Земли.

Смоделированное геомагнитное поле, которое в настоящее время охватывает более 300 000 лет, имеет интенсивность, структура с преобладанием диполей и дрейф на запад на поверхности, которые аналогичны реальному полю Земли. Наша модель предсказывала, что твердое внутреннее ядро, будучи магнитно связанным с потоком жидкости над ним, направленным на восток, должна вращаться немного быстрее, чем поверхность Земли.Этот прогноз был недавно подтвержден исследованиями сейсмические волны, проходящие через ядро.

Кроме того, компьютерная модель произвела три спонтанные инверсии геомагнитного поля во время моделирования на 300 000 лет. Итак, теперь, в первый раз, у нас есть трехмерная, зависящая от времени смоделированная информация о том, как могут происходить переполюсовки магнитного поля. Процесс не простой, даже в нашей компьютерной модели. Движения жидкости пытаются обратить поле на несколько тысячелетней шкале времени, но твердое внутреннее ядро ​​пытается предотвратить инверсию, потому что поле не может измениться (рассеиваются) во внутреннем ядре почти так же быстро, как и в жидком внешнем ядре.

Только в редких случаях термодинамика, движение жидкости и магнитное поле развиваются совместимым образом, что позволяет исходное поле должно полностью диффундировать из внутреннего ядра, чтобы новая полярность диполя могла диффундировать внутрь и установить обратное магнитное поле. Стохастический (случайный) характер процесса, вероятно, объясняет, почему время между инверсиями на Земле сильно различается.

Ответ первоначально опубликован 6 апреля 1998 года.

Магнитное поле Земли

Земля обладает значительным магнитным полем, что является историческим фактом. значение из-за роли магнитного компаса в исследовании планета.

Структура поля

Известно, что ось магнитного поля наклонена относительно ось вращения Земли. Таким образом, истинный север (определяемый направлением на северный полюс вращения) не совпадает с магнитный север (определяется направлением на северный магнитный полюс) и направления компаса должны быть скорректированы на фиксированные суммы в данные точки на поверхности Земли, чтобы определить истинное направление.

Радиационные пояса Van Allen

Как показано на соседнем рисунке, заряженный частицы отражаются в «зеркальных точках», где силовые линии сближаются вместе, и спирали затягиваются. Один из первых плодов ранней космонавтики исследованием было открытие в конце 1950-х годов того, что Земля окружена две области особенно высокой концентрации заряженных частиц, называемые Радиационные пояса Van Allen .

Внутренний и внешний ремни Ван Аллена проиллюстрировано на верхнем рисунке. Основным источником этих заряженных частицы – это поток частиц исходящие от Солнца, которые мы называем солнечный ветер . Как мы увидим в следующем разделе, заряженные частицы, попавшие в земную магнитное поле отвечает за Аврора (Северное и Южное сияние).

Происхождение магнитного поля

Горные породы, образовавшиеся из расплавленного состояния, содержат индикаторы магнитного поля. поле в момент их затвердевания. Изучение таких «магнитных окаменелости» указывает на то, что магнитное поле Земли меняется на противоположное каждые миллионов лет или около того (северный и южный магнитные полюса меняются местами). Это всего лишь одна деталь магнитного поля, которая не совсем понятна.

Магнитосфера Земли

Воображаемый Поверхность, на которой солнечный ветер отклоняется в первую очередь, называется носовой амортизатор . Соответствующая область пространства, сидящая за носовой частью шок и окружающие Землю называют магнитосфера ; Это представляет собой область пространства, в которой преобладает магнитное поле Земли в в том смысле, что он в значительной степени препятствует проникновению солнечного ветра.