Как формируется магнитное поле земли: Откуда у Земли магнитное поле

Характеристики, происхождение и значение магнитного поля Земли

Земля имеет Магнитное поле Земли благодаря которому мы еще живы. Это магнитное поле простирается изнутри планеты наружу и в космос, где встречается с солнечным ветром. Он также известен под названием геомагнитное поле и определяется количеством металлов, обнаруженных в ядре, последнем из слои Земли.

В этой статье мы увидим важность магнитного поля Земли, его происхождение, функцию и то, что с ним происходит сегодня.

Индекс

• 1 Что такое
• 2 Как это формируется
• 3 Характеристики магнитного поля Земли
• 4 Важность магнитного поля

Что такое

Как будто это своего рода магнит, который есть внутри нашей планеты. Магнитное поле создается своего рода электрическими токами, которые возникают в результате так называемых конвективных токов, существующих в ядре Земли. Эти электрические токи возникают из-за того, что в ядре есть большое количество металлов, таких как железо и никель.

Процесс возникновения конвективных течений называется геодинамическим.

Наука давно изучает магнитное поле Земли. Ядро Земли составляет примерно две трети размера Луны. Это около 5.700 градусов по Цельсию, поэтому железо почти такое же горячее, как и поверхность самого Солнца. Поскольку есть давление, оказываемое другими слоями Земли, мы можем видеть, что железо не является жидким. Внешнее ядро ​​представляет собой еще один слой толщиной 2.000 км, состоящий из железа, никеля и других металлов, находящихся в жидком состоянии. Это связано с тем, что давление во внешнем ядре ниже, поэтому высокие температуры вызывают расплавление металлов.

Различия в температуре, давлении и составе во внешнем ядре являются причиной так называемых конвекционных потоков расплавленного металла. Когда более холодное и более плотное вещество опускается, более теплое и менее плотное вещество начинает подниматься. То же самое и с воздушными массами в атмосфере. Мы также должны учитывать это, Эффект Кориолиса из-за вращательного движения земли он также действует. В следствии, создаются водовороты, которые перемешивают расплавленные металлы.

Как это формируется

Непрерывное движение жидкости, состоящей в основном из железа, порождает электрические токи, которые, в свою очередь, создают магнитные поля.

Электрически заряженные металлы проходят через эти магнитные поля и продолжают создавать собственные электрические токи. Таким образом, цикл сохраняется. Полный и самодостаточный цикл называется геодинамическим.

Сила Кориолиса вызывает спираль, которая заставляет множество магнитных полей выстраиваться в одном направлении. Совместное действие всех этих силовых линий магнитного поля создает магнитное поле, окружающее Землю.

Когда мы говорим о слое Земли или атмосфере, имеющем отношение к магнитному полю Земли, мы говорим о магнитосфере. Это та область атмосферы, которая находится снаружи, окружает планету и полностью контролируется магнитным полем Земли. Форму магнитосферы задает солнечный ветер, падающий на поверхность.

Этот солнечный ветер сжимает часть магнитосферы и, следовательно, расширяет противоположную сторону. Это большое расширение известно как «магнитный хвост».

Солнечный ветер – это активность нашей главной звезды, Солнца. Этот солнечный ветер заряжен радиацией, которая, попадая в нашу атмосферу, может нанести серьезный ущерб телекоммуникационным системам во всем мире. Это было бы катастрофой для технологического века, в котором мы живем. GPS отказывался, не было телефонной связи, радиоволн, телевидения и т. Д. Следовательно, благодаря наличию магнитосферы мы защищены.

Характеристики магнитного поля Земли

Мы собираемся проанализировать характеристики этого магнитного поля, которые наука открывала на протяжении многих лет, и тысячи исследований о нем.

• Напряженность магнитного поля самая низкая у экватора и самая высокая у полюсов.
• Внешний предел – магнитопауза.
• Магнитосфера динамично действует под действием солнечного ветра. В зависимости от своей активности, он может сжиматься с одной стороны больше и расширяться с другой, что называется магнитным хвостом.
• Северный и южный магнитные полюса не совпадают с географическими полюсами. Например, между магнитным и географическим северным полюсами есть отклонение около 11 градусов.
• Направление этой области медленно меняется, и ученые изучают изменение направления. Движение ускоряется на 40 миль в год.
• Существуют различные геологические записи, которые были изучены благодаря определенным минералам с морского дна, в которых говорится, что магнитное поле полностью менялось сотни раз за последние 500 миллионов лет. В этой инверсии полюса будут на противоположных концах, так что, если бы мы использовали обычный компас, он бы указывал не на север, а на юг.

Важность магнитного поля

Чтобы вы могли понять важность магнитного поля, мы собираемся объяснить, какие функции оно выполняет и для чего оно нужно на нашей планете. Это то, что защищает нас от ущерба, который может нанести солнечный ветер, как мы упоминали ранее. Благодаря этой магнитосфере мы можем воспринимать солнечный ветер через некоторые очень привлекательные явления, такие как северное сияние.

Это магнитное поле также отвечает за нашу атмосферу. Атмосфера – это та атмосфера, которая защищает нас от солнечных лучей Солнца, и та, которая поддерживает пригодную для жизни температуру. В противном случае температура будет колебаться от 123 до -153 градусов. Следует также сказать, что тысячи животных, в том числе такие виды, как птицы и черепахи, используют магнитное поле для навигации и ориентации в период миграции.

Я надеюсь, что с этой информацией вы сможете больше узнать о магнитном поле Земли и его важности.

 

Магнитосфера Земли

Геомагнитное поле (магнитосфера Земли) формируется в результате вращения жидкого внешнего ядра Земли, которое является хорошим проводником электрического тока, так как состоит в основном из железа и никеля. Ось геомагнитного поля не совпадает с географическими полюсами планеты.

Содержание:

• 1 Общие сведения о магнитосфере Земли
• 2 Колебания геомагнитного поля и их влияние на биосферу
• 3 Открытие геомагнитного поля
• 4 Инверсия геомагнитного поля
• 5 Магнитные поля у других тел Солнечной Системы
• 6 Магнитные поля белых карликов и нейтронных звезд

Общие сведения о магнитосфере Земли

Упрощенная схема геомагнитного поля

Геомагнитное поле защищает нашу планету от роя заряженных частиц солнечного происхождения (солнечного ветра). Благодаря геомагнитному полю, наша планета теряет гораздо меньше атмосферы по сравнению с другими телами Солнечной Системы, где отсутствует подобное магнитное поле (к примеру, Марс и Венера). Форму поля задаёт солнечный ветер: в направлении Солнца его радиус минимален, в то время, в тени Солнца следы поля протягиваются на миллионы километров. Заряженные элементарные частицы солнечного ветра вместе с космическими лучами после отклонения геомагнитным полем скапливаются в определенных областях, которые называются радиационными поясами Земли. В западной литературе эти пояса часто называются поясами Ван Аллена, в честь американского физика, который впервые их заподозрил в 1958 году на основе измерений спутника “Экспловер-1”. Радиационные пояса представляют собой большую опасность для электроники и электросистем космических аппаратов, в связи с этим инженеры стараются минимизировать их нахождение внутри поясов.

Данные пояса делятся на две области: внешние и внутренние пояса

Первые расположены на высоте около 17 тысячах км от поверхности Земли и состоят в основном из отрицательно заряженных элементарных частиц (электронов), вторые находятся в 4 тысячах км от поверхности Земли и состоят в основном из положительно заряженных частиц (протонов). Расстояние радиационных поясов от поверхности Земли находится в сильной зависимости от географического положения. Ближе всего к поверхности Земли радиационные пояса проходят над Бразилией (Южно-Атлантическая геомагнитная аномалия или Бразильская геомагнитная аномалия).

Карта плотности заряженных элементарных частиц на высоте около 0,5 тысяч км от поверхности Земли по данным спутника ROSAT

На вышеприведенной карте хорошо видно, что наибольшая плотность таких частиц наблюдается как раз над Бразилией. В этой области сила геомагнитного поля на уровне моря подобна характеристикам геомагнитного поля над другими областями на высоте около тысячи километров.

Регулярные наблюдения за аномалией показывают снижение в ней интенсивности геомагнитного поля при одновременном увеличении её площади

Южная Атлантическая геомагнитная аномалия создаёт значительные помехи в работе низкоорбитальных телескопов. Так телескоп “Хаббл” не осуществляет наблюдения в этой области, а на снимках телескопа WISE в этой области наблюдается множество артефактов (следов от заряженных частиц), на которые часто обращали внимание участники волонтерского проекта по поиску гипотетической девятой планеты.

Колебания геомагнитного поля и их влияние на биосферу

Так как солнечный ветер является переменным по интенсивности и составу элементарных частиц (наиболее сильные ливни рождаются в мощных солнечных вспышках), то и геомагнитное поле испытывает постоянные колебания. Во время особо сильных вспышек на Солнце частицы солнечного ветра могут проникать в верхние слои атмосферы и вызывать сияния в виде зеленоватых всполохов (полярные сияния). Чаще всего это происходит в полярных регионах Земли, где геомагнитное поле является наиболее слабым (именно там находятся геомагнитные полюса). Хотя при особо сильных солнечных вспышках полярные сияния наблюдаются даже в тропиках (к примеру, во время геомагнитной бури 1859 года полярные сияния наблюдались в тропическом Карибском море). Возмущения геомагнитного поля Земли вызывают не только полярные сияния, но и могут приводить к сбоям электроники, авариям на линиях электропередач и даже к катастрофам (к примеру, вызвать отказ навигационных систем самолета или выключение системы аварийной защиты атомной электростанции). В дополнение на тему влияния геомагнитного поля на земную жизнь можно отметить, что многие животные на Земле используют геомагнитное поле для навигации (к примеру, перелетные птицы). Очевидно, что геомагнитные возмущения оказывают влияние и на центральную нервную систему человека (в человеческом организме присутствует небольшое количество железа, именно благодаря ему, кровь человека обладает красным цветом, а нервная система представляет собой инфраструктуру для передачи электромагнитных импульсов). Художественную иллюстрацию о том, какое сильное влияние геомагнитное поле оказывает на биосферу Земли, можно посмотреть в фильмах-катастрофах “Земное ядро” и “Знамение”.

Изменения в геомагнитном поле происходят не только по причине колебаний в интенсивности солнечного ветра. Другой причиной подобных изменений являются слабоизученные процессы, которые происходят в ядре нашей планеты.

Открытие геомагнитного поля

Впервые закономерность того, что намагниченные предметы располагаются в строгом направлении, было открыто в Китае ещё несколько тысяч лет назад. Это открытие привело к изобретению компаса, который оказал важнейшее влияние на морскую навигацию во времена Великих географических открытий (навигация по астрономическим объектам затруднена из-за частой облачности). Первоначально считалось, что северный геомагнитный полюс совпадает с направлением на Полярную звезду. Однако во время плавания Колумба к берегам Американского континента было отмечено, что эти направления различаются на 12 градусов.

В месте расположения геомагнитных полюсов стрелка компаса может принимать вертикальное положение. В северном геомагнитном полюсе стрелка компаса направлена вниз, а в южном геомагнитном полюсе наоборот вверх. В связи с асимметричностью геомагнитного поля, прямая линия, которая соединяет геомагнитные полюса не проходит через центр Земли.

Северный геомагнитный полюс был впервые обнаружен в 1831 году английским мореплавателем Джоном Россом, южный геомагнитный полюс соответственно в 1841 году его племянником (Джеймсом Россом). С тех пор исследования показали, что оба полюса испытывают ежегодные перемещения по поверхности Земли.

Северный геомагнитный полюс за последние 500 лет переместился из района Канадского архипелага в район Центральной Арктики.

Инверсия геомагнитного поля

Аномально высокая скорость движения северного геомагнитного полюса и уменьшение интенсивности геомагнитного поля в последние годы порождают спекуляции на тему скорой инверсии геомагнитного поля. Инверсией геомагнитного поля называют процесс перестановки местами южного и северного геомагнитного полюсов. В нормальном состоянии геомагнитного поля северный геомагнитный полюс находится вблизи северного географического полюса. В обратном состоянии же наблюдается противоположная картина: северный геомагнитный полюс находится вблизи южного географического полюса.

Во времени наступления инверсий не обнаружено никакой периодичности (в отличие от, к примеру, 22-летней периодичности в инверсиях магнитного поля Солнца, которая равна двухкратному периоду солнечной активности).

Типичное время между инверсиями составляет от 0.1 до 1 миллиона лет, сами инверсии длятся между 1 и 10 тысячами лет. Предполагается, что во время инверсий происходит очень сильное ослабление геомагнитного поля, и, следовательно, создаётся нешуточная угроза земной жизни (частицы солнечного ветра в больших количествах проникают в земную атмосферу). В тоже время не отмечено никакой корреляции между массовыми вымираниями земных видов и периодами инверсий геомагнитного поля.

Последняя достоверная инверсия геомагнитного поля случилась 780 тысяч лет назад. Её длительность составила от 1200 до 10000 лет в зависимости от географического положения изученных пород с остаточной намагниченностью. С другой стороны изучается возможность более свежей кратковременной инверсии геомагнитного поля, которая случилась всего 41 тысячу лет назад. Событие получило название Laschamp, так как впервые было обнаружено в 60х годах 20 века в остаточной намагниченности лавового потока с таким названием во Франции. Позже следы этой инверсии были обнаружены и в других местах Земли. Длительность инверсии составила 250-440 лет, во время неё геомагнитное поле было ослаблено на 75%.

Схема движения геомагнитных полюсов во время этой инверсии

В тоже время в спокойные периоды геомагнитные полюсы испытывают лишь хаотичный дрейф вблизи географических полюсов.

Пример вероятного движения северного геомагнитного полюса после 200 года нашей эры

Кроме того можно отметить, что текущее ослабление геомагнитного поля за последние 180 лет на 10% не является уникальным. Изучение остаточной намагниченности пород в Ливане показывает, что 2500 лет назад геомагнитное поле было в 2.5 раза сильнее, чем сейчас, после чего оно ослабло сразу почти на 30% всего за 180 лет.

Магнитные поля у других тел Солнечной Системы

Кроме Земли мощное магнитное поле в Солнечной Системе наблюдается у Солнца,

Меркурия, Юпитера, Ганимеда, Сатурна, Урана, Нептуна.

Сравнительная таблица характеристик магнитных полей у Солнца, планет или лун Солнечной Системы

1 Гс – это системная единица измерения силы магнитного поля (названа в честь великого математика Карла Фридриха Гаусса). 1 Гс в 10 тысяч раз меньше, чем одна Тесла. Одна Тесла соответствует мощности такого магнитного поля, в котором на 1 метр длины проводника электрического поля, которое перпендикулярно направлению магнитной индукции, с током силой 1 ампер действует сила в 1 ньютон.

Сравнение магнитных полей у Земли, Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна

Отсутствие магнитного поля на Венере (планете, которая очень близка к Земле по массе и размеру) объясняется небольшой угловой скоростью вращения планеты (около 243 земных суток). Другим объяснением этого феномена является отсутствие на Венере тектонической активности плит, что приводит к слабым конвективным потокам в ядре. Отсутствие тектонической активности на Венере объясняется дефицитом воды (которая может играть роль смазки) или высокими температурами на поверхности (невозможностью нормального затвердевания коры или повышенной активностью местных вулканов).

Магнитные поля ледяных гигантов (Урана и Нептуна), в отличие от других планет, обладают сразу четырьмя магнитными полюсами (по два северных и южных магнитных полюса). Теоретики предполагают, что магнитные поля ледяных гигантов образуются на небольших глубинах, к примеру, в океане жидкого аммиака.

Магнитное поле ближайшей к нам звезды было открыто в начале 20 века через регистрацию зеемановского расщепления спектральных линий в солнечных пятнах. В вышеприведенной таблице указано, что индукция магнитного поля на Солнце составляет около 4 тысяч гаусс. С другой стороны в 2014 году японские астрофизики зарегистрировали у одной из светлых областей солнечной поверхности диаметром около 1000 км рекордную величину индукции в рекордные 6250 Гаусс.

Магнитные поля белых карликов и нейтронных звезд

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Просмотров записи: 18798

Запись опубликована: 25.05.2018
Автор: Борислав Славолюбов

домашних заданий и упражнений – Как образовалось магнитное поле вокруг Земли?

спросил 7 лет, 4 месяца назад

Изменено 7 лет, 4 месяца назад

Просмотрено 876 раз

$\begingroup$

Какие факторы помогают Земле формировать вокруг себя магнитное поле и почему оно распространяется с юга на север?

• домашние задания и упражнения
• электромагнетизм
• магнитные поля

$\endgroup$

1

$\begingroup$

Внешнее ядро ​​Земли представляет собой жидкость, состоящую из расплавленного железа, никеля, кобальта и других ферромагнитных металлов. Эти находятся в постоянном движении. Их движение и высокая температура вместе вызывают создание магнитного поля Земли. Поскольку источник поля сам по себе динамичен, магнитное поле Земли также динамично и постоянно меняется в космологическом масштабе времени (тысячи лет). Это основная идея гидродинамической модели динамо, как указано в комментарии под вашим вопросом.

$\endgroup$

$\begingroup$

Внешнее ядро ​​Земли в основном состоит из расплавленного железа, никеля, кобальта и других ферромагнитных металлов, находящихся в постоянном движении. С этими элементами внутри внешнего ядра и в движении они помогают создавать магнитное поле Земли. Это основная идея модели гидромагнитного динамо:

Конвекционные потоки магмы во внешнем ядре Земли, движимые тепловым потоком из внутреннего ядра, организованные в рулоны силой Кориолиса, создают циркулирующие электрические токи, которые генерируют магнитное поле.

Источник цитаты: https://en.wikipedia.org/wiki/Dynamo_theory

$\endgroup$

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

.

Генерация магнитного поля Земли

Хотя магнитное поле Земли похоже на поле стержневого магнита, мы должны найти другое объяснение происхождения поля. Постоянные магниты не могут существовать при температурах ядра Земли. Мы также знаем, что Земля имеет магнитное поле на протяжении сотен миллионов лет. Однако мы не можем просто приписать существование нынешнего геомагнитного поля какому-то событию в далеком прошлом. Магнитные поля затухают, и мы можем показать, что существующее геомагнитное поле исчезнет примерно через 15 000 лет, если не будет механизма для его постоянной регенерации.

Было предложено множество механизмов для объяснения того, как генерируется магнитное поле, но единственный, который в настоящее время считается правдоподобным, аналогичен динамо-машине или генератору — устройству для преобразования механической энергии в электрическую. Чтобы понять, как динамо-машина будет работать в контексте Земли, нам нужно понять физические условия внутри Земли.

Земля состоит из слоев: тонкой внешней коры, силикатной мантии, внешнего ядра и внутреннего ядра. И температура, и давление увеличиваются с глубиной внутри Земли. Температура на границе ядра и мантии составляет примерно 4800 ° C, что достаточно для того, чтобы внешнее ядро ​​существовало в жидком состоянии. Однако внутреннее ядро ​​твердое из-за повышенного давления. Ядро состоит в основном из железа с небольшим процентом более легких элементов. Внешнее ядро ​​находится в постоянном движении из-за вращения Земли и конвекции. Конвекция обусловлена ​​движением вверх легких элементов, когда более тяжелые элементы намерзают на внутреннем ядре.

Недра Земли

Фактический процесс создания магнитного поля в этой среде чрезвычайно сложен, и многие параметры, необходимые для полного решения математических уравнений, описывающих проблему, плохо известны. Тем не менее, основные понятия не сложны. Для генерации магнитного поля должны быть выполнены несколько условий:

1. должна быть проводящая жидкость;
2. должно быть достаточно энергии, чтобы заставить жидкость двигаться с достаточной скоростью и с соответствующей схемой потока;
3. должно быть “затравочное” магнитное поле.