Условия возникновения магнитного поля: Причины возникновения магнитных полей — урок. Физика, 8 класс.

Что такое электромагнитные поля?

Что такое электромагнитные поля?

• Популярные темы
  • Загрязнение воздуха
  • Коронавирусная болезнь (COVID-19)
  • Гепатит
• Данные и статистика »
  • Информационный бюллетень
  • Факты наглядно
  • Публикации
• Найти страну »
• А
• Б
• В
• Г
• Д
• Е
• Ё
• Ж
• З
• И
• Й
• К
• Л
• М
• Н
• О
• П
• Р
• С
• Т
• У
• Ф
• Х
• Ц
• Ч
• Ш
  
• Щ
• Ъ
• Ы
• Ь
• Э
• Ю
• Я
• ВОЗ в странах »
  • Репортажи
• Регионы »
  • Африка
  • Америка
  • Юго-Восточная Азия
  • Европа
  • Восточное Средиземноморье
  • Западная часть Тихого океана
• Центр СМИ
  • Пресс-релизы
  • Заявления
  • Сообщения для медиа
  • Комментарии
  • Репортажи
  • Онлайновые вопросы и ответы
  • События
  • Фоторепортажи
  • Вопросы и ответы
• Последние сведения
• Чрезвычайные ситуации »
• Новости »
  • Новости о вспышках болезней
• Данные ВОЗ »
• Приборные панели »
  • Приборная панель мониторинга COVID-19
• Основные моменты »
• Информация о ВОЗ »
  • Генеральный директор
  • Информация о ВОЗ
  • Деятельность ВОЗ
  • Где работает ВОЗ
• Руководящие органы »
  • Всемирная ассамблея здравоохранения
  • Исполнительный комитет
• Главная страница/
• Центр СМИ/
• Вопросы и ответы/
• Вопросы и ответы/
• Что такое электромагнитные поля?

4 августа 2016 г. | Вопросы и ответы

Определения и источники

Электрические поля возникают за счет разницы напряжений: чем больше электрическое напряжение, тем более сильным будет возникающее поле. Магнитные поля возникают там, где проходит электрический ток: чем сильнее ток, тем сильнее магнитное поле. Электрическое поле есть даже при отсутствии электрического тока. Если имеется электрический ток, то сила магнитного поля будет меняться в зависимости от расхода электроэнергии, а сила электрического поля остается при этом постоянной.


(Выдержка из брошюры «Электромагнитные поля», опубликованной Европейским региональным бюро ВОЗ в 1999 г. (серия справочных брошюр для местных органов власти по вопросам здоровья и окружающей среды; 32).

Природные источники электромагнитных полей

Электромагнитные поля (ЭМП) окружают нас повсюду, оставаясь при этом невидимыми человеческому глазу. Электрические поля образуются при возникновении в атмосфере электрических зарядов, вызванных грозой. Магнитное поле Земли заставляет иглу компаса всегда указывать направление «север–юг» и помогает птицам и рыбам ориентироваться в пространстве.

Антропогенные (искусственные) источники электромагнитных полей

Помимо ЭМП, возникающих за счет природных источников, в спектре электромагнитных полей есть и те, которые создаются антропогенными источниками: например, рентгеновские лучи, используемые для диагностирования переломов конечностей в результате спортивных травм. Электричество в каждой штепсельной розетке ведет к образованию сопутствующих ЭМП низкой частоты. Различные радиоволны более высокой частоты используются для передачи информации при помощи ТВ антенн, радиостанций или базовых станций мобильной связи.

 

Что лежит в основе различий между электромагнитными полями?

Одна из основных характеристик электромагнитного поля – это его частота или соответствующая длина волны. Поля различной частоты воздействуют на организм по-разному. Вы можете попытаться представить электромагнитные волны в виде череды регулярно повторяющихся волн огромной скорости, равной скорости света.

Частота – это показатель, который просто указывает число колебаний или циклов в секунду, а термин «длина волны» используется для определения расстояния между следующими одна за другой волнами. Следовательно, длина и частота волны тесно взаимосвязаны: чем выше частота, тем короче длина волны.

Проведение простого сравнения поможет лучше проиллюстрировать вышеизложенное: привяжите длинную веревку к дверной ручке, а свободный конец веревки держите в руке. Если вы будете медленно поднимать и опускать руку с веревкой, то образуется одна большая волна; если же движения будут более быстрыми, то это приведет к возникновению целой серии небольших волн. Длина веревки при этом остается постоянной, а значит, чем больше волн вы создадите (то есть, волн более высокой частоты), тем меньше будет расстояние между ними (то есть, длина волны будет короче).

 

Что происходит с организмом человека под воздействием электромагнитных полей?

Воздействие электромагнитных полей – это не новое явление. Однако, в течение XX века воздействие антропогенных электромагнитных полей в окружающей нас среде неуклонно возрастало по мере того, как увеличивающийся спрос на электроэнергию, непрерывно развивающиеся технологии и изменяющиеся формы социального поведения приводили к созданию все большего числа искусственных источников ЭМП. На каждого из нас воздействует целый комплекс слабых электрических и магнитных полей, как дома, так и на работе, в результате производства и передачи электроэнергии, использования бытовой техники и промышленного оборудования, средств телекоммуникации и радио- и телевещания.

Очень слабые электрические токи образуются в теле человека в результате химических реакций, происходящих в ходе нормального функционирования организма, даже при отсутствии внешних электрических полей. Например, нервы передают сигналы при помощи электрических импульсов. Большинство биохимических реакций (от биохимии пищеварения, до деятельности мозга) сопровождается перераспределением заряженных частиц.

Даже сердце является электрически активным: ваш доктор может проследить это при помощи электрокардиограммы.

Электрические поля низкой частоты воздействуют на организм человека точно так же, как на любой другой материал, состоящий из заряженных частиц. Когда электрические поля воздействуют на электропроводные материалы, они влияют на распределение электрических зарядов на поверхности таких материалов. Электрические поля являются причиной того, что электрический ток проходит через тело человека и уходит в землю.

Низкочастотные магнитные поля индуцируют циркулирующие токи в организме человека. Сила этих токов зависит от интенсивности внешнего магнитного поля. Если токи достаточно сильные, они могут оказывать возбуждающее действие на нервы и мускулатуру, а также влиять на другие биологические процессы.

Как электрические, так и магнитные поля могут индуцировать напряжение и токи в организме человека, но даже если человек находится непосредственно под высоковольтной линией электропередач (ЛЭП), индуцированные токи очень слабы в сравнении с пороговыми значениями для возникновения состояния шока или других последствий, обусловленных электричеством.

Нагревание является основным биологическим эффектом от радиочастотных электромагнитных полей. Этот эффект использован в микроволновых печах для подогрева пищи. Уровни радиочастотных полей, воздействию которых обычно подвергаются люди, гораздо ниже уровней, способных вызвать значительное нагревание внутренних тканей организма.

Ученые исследуют вероятность того, что при продолжительном воздействии поля ниже порогового уровня могут вызвать эффекты нагревания внутренних тканей организма. На сегодняшний день нет подтвержденных данных о неблагоприятных последствиях для здоровья от продолжительного слабого воздействия радиочастотных полей или полей промышленной частоты. Тем не менее, ученые продолжают активно заниматься научными исследованиями в этой области.

Биологические эффекты или неблагоприятные последствия для здоровья? Что угрожает здоровью?

Биологические эффекты – это поддающиеся измерению ответные реакции организма на раздражители или изменения в окружающей среде. Эти изменения необязательно вредны для вашего здоровья. Например, когда вы слушаете музыку, читаете книгу, едите яблоко или играете в теннис, возникает целый ряд биологических эффектов от этих процессов. Однако ни от одного из этих видов деятельности мы не ждем неблагоприятных последствий для здоровья.

Организм обладает тонкими механизмами для того, чтобы подстроиться к множеству самых разных воздействий, которые мы испытываем в условиях окружающей среды. Постоянные изменения являются непременной частью нашей жизни. Однако нет сомнений в том, что организм не обладает адекватными компенсационными механизмами в отношении всех биологических эффектов. Изменения необратимого характера, создающие продолжительный по времени стресс для организма, могут представлять угрозу для здоровья.

Неблагоприятное воздействие на здоровье вызывает поддающиеся обнаружению нарушения здоровья у человека, подвергшегося такому воздействию, или у его/ее детей; с другой стороны, биологические эффекты необязательно вызывают неблагоприятные последствия для здоровья.

Неоспоримым является тот факт, что электромагнитные поля выше определенного уровня могут вызывать биологические эффекты. Эксперименты, проведенные на здоровых волонтерах, указывают на то, что кратковременное воздействие полей тех уровней, которые присутствуют в окружающей среде или в нашем доме, не вызывает явных пагубных последствий. В отношении воздействия ЭМП более высокого уровня, способных причинить вред здоровью, существуют строгие ограничения, сформулированные в национальных и международных руководствах. В настоящее время основные споры ведутся вокруг того, может ли продолжительное воздействие полей низких уровней вызвать биологические ответные реакции организма и повлиять на самочувствие людей.

Широко распространенная обеспокоенность в отношении здоровья

Взгляд на новостные заголовки последних лет позволяет нам в известной степени уяснить, какие вопросы вызывают общественную обеспокоенность. Последние десять лет в центре внимания, с точки зрения опасностей для здоровья, оказались многочисленные источники электромагнитных полей, в том числе, линии электропередач, микроволновые печи, компьютерные мониторы и экраны телевизоров, устройства безопасности, радары, а с недавних пор – мобильные телефоны и их базовые станции.

Международный проект по ЭМП

В ответ на растущую общественную обеспокоенность в связи с возможными неблагоприятными последствиями для здоровья человека от воздействия все увеличивающегося количества разнообразных источников ЭМП, в 1996 г. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) приступила к реализации крупного мультидисциплинарного проекта по изучению ЭМП. Международный проект по ЭМП позволяет обобщить все современные научные знания и свести воедино ресурсы ведущих международных и национальных организаций и научных учреждений.

Выводы научных исследований

За последние 30 лет опубликовано около 25 тысяч статей по проблемам биологических эффектов и медицинского применения неионизирующего излучения. Несмотря на то, что некоторые люди считают, что следует и дальше наращивать научные исследования в этой области, на сегодняшний день научные знания в ней гораздо шире, чем знания в отношении большинства химических веществ. На основе недавно проведенного углубленного обзора научной литературы, ВОЗ пришла к выводу о том, что имеющиеся фактические данные не указывают на существование неблагоприятных последствий для здоровья от воздействия электромагнитных полей низких уровней. Однако в знаниях о биологических эффектах имеются определенные пробелы, что вызывает необходимость проведения дальнейших научных исследований.

Последствия для общего состояния здоровья

Некоторые представители общественности объясняют целый ряд симптомов «размытого» характера тем, что в домашних условиях мы подвергаемся слабому воздействию электромагнитных полей. К числу отмечаемых симптомов относятся следующие: головная боль, чувство беспокойства, суицидальные настроения и депрессия, тошнота, чувство усталости и потеря либидо. На сегодняшний день нет научно обоснованных данных, подтверждающих наличие связи между этими симптомами и воздействием электромагнитных полей. По крайней мере, некоторые из перечисленных проблем со здоровьем могут возникать из-за шума или других факторов окружающей среды, или из-за беспокойства, возникающего в связи с использованием новых технологий.

Последствия для исхода беременности

ВОЗ и другие организации провели оценку множества разнообразных источников электромагнитных полей и их воздействия в той среде, где мы живем и работаем, в том числе: компьютерных мониторов, гидростатических матрацев, одеял с электро-обогревом, радиочастотных сварочных аппаратов, оборудования для диатермии и радаров. В целом, совокупность фактических данных позволяет сделать вывод о том, что воздействие полей обычного для окружающей среды уровня не увеличивает риск какого-либо неблагоприятного исхода беременности, например спонтанного выкидыша, врожденных пороков развития, низкой массы тела при рождении или врожденных заболеваний. Время от времени поступают сообщения о взаимосвязи возникающих проблем со здоровьем и предположительным воздействием ЭМП. Например, имеются сообщения о случаях рождения недоношенных детей или детей с низкой массой тела при рождении в семьях людей, работающих в электронной промышленности. Однако научное сообщество не считает, что подобные случаи непременно связаны с воздействием полей (в отличие от связи, например, с таким фактором риска как воздействие растворителей).

Катаракты

Обычное раздражение глаз и катаракты иногда отмечаются у рабочих, испытывающих воздействие радиочастотного или микроволнового излучения высокого уровня. Однако исследования, проведенные на животных, не подтверждают предположение о том, что такие формы повреждения глаз могут быть вызваны полями тех уровней, которые не являются опасными с точки зрения возможного нагревания тканей организма. Нет фактических данных, подтверждающих, что подобные последствия имеют место при воздействии полей тех уровней, с которыми сталкивается обычное население.

Электромагнитные поля и раковые заболевания

Несмотря на многочисленные исследования данного вопроса, доказательства каких-либо возможных последствий такого рода от ЭМП остаются крайне противоречивыми. Однако, совершенно очевидно, что даже если ЭМП каким-то образом влияют на раковые заболевания, увеличение риска заболевания под воздействием ЭМП будет очень незначительным. Хотя имеющиеся на сегодняшний день результаты исследований отличаются крайней непоследовательностью, среди детей и взрослых не выявлено значительного увеличения риска заболевания любыми видами рака в результате воздействия ЭМП.

Ряд эпидемиологических исследований позволяет предположить, что есть незначительное увеличение риска заболевания детей лейкемией под воздействием низкочастотных магнитных полей в домашних условиях. Однако ученые не делают общего вывода о том, что такие результаты указывают на наличие причинно-следственной связи между воздействием полей и заболеванием (напротив, можно говорить об искажениях, допущенных в исследованиях, или об эффектах, не связанных с воздействием полей). Частично, такое мнение явилось результатом того, что исследования на животных и лабораторные исследования не подтверждают наличия каких-либо воспроизводимых эффектов, согласующихся с гипотезой о том, что поля вызывают раковые заболевания или способствуют их возникновению. Сейчас в ряде стран проводятся широкомасштабные исследования, которые, возможно, помогут ответить на связанные с данной проблемой вопросы.

Гиперчувствительность к электромагнитным полям и депрессия

Некоторые люди сообщают о «гиперчувствительности» к электрическим или магнитным полям. Они задаются вопросом, не может ли чувство боли, головная боль, депрессия, сонливость, нарушения сна и даже судороги и эпилептические припадки объясняться воздействием электромагнитного поля.

Научных данных, подтверждающих идею о гиперчувствительности к ЭМП, мало. В ходе недавних исследований, проведенных в скандинавских странах, был сделан вывод о том, что люди не демонстрируют стойких реакций на воздействие электромагнитных полей, если оно имеет место в должным образом контролируемых условиях. Не существует и какого-либо признанного биологического механизма для объяснения гиперчувствительности. Проведение научных исследований в данной области затруднено, поскольку здесь могут быть задействованы и другие субъективные ответные реакции организма помимо прямых эффектов от полей как таковых. Исследования в этом направлении продолжаются.

Какова основная направленность текущих и будущих исследований?

Сейчас значительные усилия сосредоточены на исследовании ЭМП в связи с раковыми заболеваниями. Продолжается изучение, хотя и в меньших масштабах, чем в конце 90-х годов, возможных канцерогенных эффектов от полей промышленной частоты.

Долговременные неблагоприятные последствия для здоровья от мобильных телефонов – это еще одна область, в которой в настоящее время проводится много исследований. Очевидные неблагоприятные последствия от воздействия радиочастотных полей низких уровней не обнаружены. Однако, учитывая общественную обеспокоенность в отношении безопасности сотовых телефонов, дальнейшие исследования направлены на выяснение того, не могут ли иметь место менее очевидные последствия при очень низких уровнях воздействия.

Основные положения

• Широкий спектр факторов окружающей среды вызывает биологические эффекты. «Биологические эффекты» и «угрозы для здоровья» – это не одно и то же. Для выявления и оценки угроз для здоровья требуется проведение специального исследования.
• На низких частотах внешние электрические и магнитные поля индуцируют слабые циркулирующие токи внутри организма человека. Практически во всех обычных условиях уровни индуцированных токов в организме слишком малы, чтобы вызвать явные последствия.
• Основной эффект от радиочастотных ЭМП состоит в нагревании внутренних тканей организма.
• Нет сомнений в том, что кратковременное воздействие очень мощных ЭМП может причинить вред здоровью. Сегодня общественную обеспокоенность в основном вызывают долговременные неблагоприятные последствия для здоровья от воздействия ЭМП более низкого уровня, чем тот, который обусловливает острые биологические реакции.
• Международный проект по ЭМП был инициирован ВОЗ для того, чтобы получить научно-обоснованные и объективные ответы на вопросы, вызывающие общественную обеспокоенность, в отношении возможных угроз для здоровья от электромагнитных полей низких уровней.
• Несмотря на широкомасштабные исследования, на сегодняшний день нет фактических данных, которые позволили бы сделать вывод о том, что воздействие ЭМП низких уровней вредит здоровью человека.
• Международные исследования сосредоточены на изучении возможных связей между раковыми заболеваниями и ЭМП промышленного и радиочастотного диапазона.

 

Результаты научных исследований

Если электромагнитные поля (ЭМП) представляют угрозу для здоровья, последствия ощутят все индустриально-развитые страны. Общественность требует конкретных ответов на все более злободневный вопрос: могут ли ЭМП, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, вызывать неблагоприятные последствия для здоровья?

Средства массовой информации нередко предлагают нам окончательные, с их точки зрения, ответы. Однако к таким сообщениям следует подходить с осторожностью, учитывая, что просвещение населения не является первоочередной задачей СМИ. Журналист может выбрать тему и написать статью, руководствуясь целым рядом причин далеко не технического характера: журналисты конкурируют между собой за время и место публикации, а журналы и газеты бьются за тираж.

Оригинальные сенсационные заголовки, которые могут привлечь внимание максимального числа людей, помогают журналистам в достижении их целей, а плохая новость – это не только всегда большая новость, но нередко та единственная, о которой мы узнаем. Большое число исследований, которые наводят на мысль о безопасности ЭМП, в лучшем случае лишь слабо освещаются в СМИ. Наука не может дать гарантии полной безопасности, но в целом, продолжение научных исследований не может не обнадеживать.

Необходимы различные виды исследований

Совокупность исследований в различных областях крайне важна для оценки потенциального неблагоприятного воздействия электромагнитных полей на здоровье В различных видах исследований рассматриваются разные аспекты данной проблемы.

Лабораторные исследования клеточного материала направлены на выявление основополагающих механизмов взаимосвязи между воздействием ЭМП и биологическими эффектами. Они проводятся для выявления механизмов, исходя из изменений на молекулярном и клеточном уровне, которые вызваны ЭМП. Такие изменения могут дать ключ к разгадке того, как физическая сила преобразуется в биологические процессы внутри организма человека. В рамках этих исследований отдельные клетки или ткани изымаются из привычной для них среды обитания, что может блокировать активность потенциальных компенсаторных механизмов.

Исследования иного рода – с использованием животных – более близки к реальным жизненным ситуациям. В результате ученые получают фактические данные, имеющие более прямое отношение к определению безопасных уровней воздействия для человека. В таких исследованиях нередко изучаются несколько различных по уровню полей с тем, чтобы проследить зависимость «доза-эффект».

Эпидемиологические исследования или исследования здоровья человека – это еще один непосредственный источник информации о долговременных последствиях воздействия ЭМП. Такие исследования направлены на изучение причин и распределения заболеваний в реальных жизненных ситуациях среди местных сообществ и профессиональных групп. Ученые пытаются определить, существует ли статистическая корреляция между воздействием ЭМП и заболеваемостью определенной болезнью или неблагоприятными последствиями для здоровья. Однако стоимость эпидемиологических исследований высока. Но что еще более важно, так это то, что они предусматривают проведение оценки очень сложных по составу групп населения, и обеспечить достаточно хороший контроль, необходимый для выявления малейших эффектов, в рамках таких исследований весьма непросто.

Вот почему ученые проводят оценку всех релевантных фактических данных, когда принимают решение относительно потенциальных угроз для здоровья, включая данные эпидемиологических исследований, исследований на животных и исследований клеточного материала.

Интерпретация результатов эпидемиологических исследований

Эпидемиологические исследования сами по себе обычно не могут точно установить взаимосвязь между причинами и эффектами, прежде всего потому, что они определяют только статистическую корреляцию между воздействием и заболеванием, которое может быть или не быть результатом воздействия.

Представим себе некое гипотетическое исследование, направленное на установление связи между воздействием ЭМП на рабочих-электриков компании «Х-Электрисити» и повышенным риском заболевания раком. Даже при выявленной статистической корреляции, она может объясняться неполными данными в отношении других факторов на рабочем месте. Например, рабочие-электрики могли испытать воздействие химических растворителей, способных вызывать раковые заболевания. Более того, наблюдаемая статистическая корреляция может быть результатом чисто статистических эффектов, или несовершенства схемы исследования.

Вот почему нахождение взаимосвязи между каким-то фактором и определенным заболеванием не всегда означает, что именно этот фактор вызвал заболевание. Для установления причинно-следственной связи исследователь должен учитывать многие факторы. Аргументы в пользу наличия такой связи становятся более убедительными, если наблюдается постоянная и сильная корреляция между воздействием и эффектом, четкая зависимость «доза-эффект», убедительное объяснение биологического характера, если результаты подкреплены релевантными исследованиями на животных, а самое главное, если различные исследования согласуются друг с другом.

Эти условия, как правило, не соблюдаются для исследований в области ЭМП и раковых заболеваний. Это одна из главных причин того, что ученые обычно не склонны делать вывод о наличии последствий для здоровья от слабых ЭМП.

Почему сложно полностью исключить возможность присутствия весьма незначительных рисков?

«По-видимому, отсутствие фактических данных о пагубных эффектах не может удовлетворить современное общество. Напротив, фактические данные об отсутствии таких эффектов все в большей степени востребованы». (Barnabas Kunsch, Австрийский научно-исследовательский центр Зайберсдорф)

«Отсутствуют убедительные фактические данные о неблагоприятных последствиях от ЭМП для здоровья» или «Причинно-следственная связь между ЭМП и раковыми заболеваниями не подтверждена» – вот типичные формулировки тех выводов, к которым пришли экспертные комитеты, изучавшие данную проблему. Все это звучит так, как будто научное сообщество избегает ответа на интересующий всех вопрос. Зачем же тогда продолжать научные исследования, если ученые уже продемонстрировали, что никаких последствий нет?

Ответ прост: научные исследования здоровья человека очень хорошо зарекомендовали себя с точки зрения выявления значительных эффектов, например, взаимосвязи между курением и раковыми заболеваниями. К сожалению, ученым сложнее отличить слабые эффекты от отсутствия эффектов как таковых. Если бы ЭМП тех уровней, которые типичны для окружающей среды, были сильными канцерогенными факторами, то к настоящему моменту было бы совсем просто продемонстрировать такую взаимосвязь.

Напротив, если ЭМП низких уровней являются слабыми канцерогенами, или даже если они являются сильными канцерогенами для небольшой группы людей, живущих в крупном сообществе, такую взаимосвязь гораздо сложнее продемонстрировать. Более того, даже если крупное научное исследование укажет на отсутствие такой корреляции, мы никогда не сможем быть совершенно уверены в том, что такой взаимосвязи действительно не существует.

Отсутствие эффекта может означать, что действительно эффектов нет. Но с тем же успехом это может свидетельствовать о том, что эффект просто не выявляется при помощи нашего метода оценки. Поэтому отрицательные результаты обычно менее убедительны, чем веские положительные результаты.

Наиболее сложная ситуация возникла, к сожалению, в области эпидемиологических исследований в отношении ЭМП, и состоит она в том, что имеется целый ряд исследований, давших неубедительные положительные результаты, которые, при этом, носят взаимно противоречивый характер. В такой ситуации, сами ученые, вероятно, расходятся во мнении относительно важности полученных данных. Тем не менее, в силу изложенных выше причин, большинство ученых и медицинских работников согласны с тем, что даже если существуют какие-либо последствия для здоровья от ЭМП низкого уровня, они, скорее всего, крайне незначительны в сравнении с другими рисками для здоровья, с которыми люди сталкиваются в повседневной жизни.

Что нас ждет в будущем?

Основная цель международного проекта ВОЗ по ЭМП состоит в том, чтобы инициировать и скоординировать проведение научных исследований во всем мире для осуществления обоснованных ответных действий в связи с проблемами, вызывающими общественную обеспокоенность. Это позволит обобщить результаты исследований клеточного материала, исследований на животных, а также исследований здоровья человека для обеспечения наиболее всесторонней оценки рисков для здоровья. Целостная оценка результатов ряда релевантных и заслуживающих доверия исследований даст наиболее достоверный ответ относительно неблагоприятных последствий для здоровья (если таковые существуют) от продолжительного воздействия слабых электромагнитных полей.

Один из способов иллюстрации необходимости получения фактических данных в результате проведения разнообразных экспериментов – это провести сравнение с разгадыванием кроссворда. Например, мы имеем девять вопросов, на которые должны ответить, чтобы разгадать определенный кроссворд с абсолютной УВЕРЕННОСТЬЮ. Предположим, мы знаем точные ответы лишь на три вопроса, но при этом сможем найти решение методом догадки. Однако определенные три буквы могут быть частью совершенно другого слова. В то же самое время, каждый дополнительный ответ усилит нашу уверенность. На самом деле, наука, скорее всего, никогда не сможет ответить на все вопросы, но, чем более убедительные фактические данные мы соберем, тем более точной будет наша догадка в отношении окончательного решения.

Основные положения

• Лабораторные исследования клеточного материала проводятся, чтобы определить, существует ли механизм, способствующий возникновению пагубных биологических эффектов под воздействием ЭМП. Исследования на животных чрезвычайно важны для определения возможных эффектов для высших организмов, физиология которых в определенной степени схожа с физиологией человека. Эпидемиологические исследования направлены на установление статистической корреляции между воздействием полей и распространенностью определенных неблагоприятных результатов в отношении здоровья у людей.
• Выявление статистической корреляции между неким фактором и определенным заболеванием не означает, что этот фактор явился причиной заболевания.
• Отсутствие эффектов для здоровья может означать, что таковых нет; однако, это может означать и то, что эффект просто не выявляется с помощью существующих методов.
• Результаты различных исследований (цитологических, эпидемиологических и исследований на животных) следует анализировать в совокупности, прежде чем делать выводы о возможных рисках для здоровья от предполагаемой экологической угрозы. Последовательные данные, полученные в результате этих столь разных по характеру исследований, помогут с большей степенью уверенности судить о действительных эффектах.

Обычные уровни воздействия в домах и в окружающей среде

Электромагнитные поля дома

Уровни фонового электромагнитного излучения от передающих или распределительных электросетевых объектов

Электричество передается на большие расстояния по высоковольтным линиям. Трансформаторы снижают такое высокое напряжение в сети до требуемого уровня для распределения электроэнергии на местах – в домах и на предприятиях. Передающие и распределительные электросетевые объекты, а также бытовая электропроводка и электроприборы создают в домах фоновый уровень электрических и магнитных полей промышленной частоты. Если дома не расположены вблизи линий электропередач (ЛЭП), фоновый уровень может доходить примерно до 0.2 микротесл. Непосредственно под ЛЭП поля гораздо сильнее. Индукция магнитного поля на уровне земли может достигать нескольких микротесл. Уровни электрических полей непосредственно под ЛЭП могут доходить до 10 кВ/м. Однако поля (как электрические, так и магнитные) по мере удаления от ЛЭП ослабевают. На расстоянии 50-100 метров уровни полей, обычно, такие же, как те, которые наблюдаются на удаленных от высоковольтных ЛЭП территориях. К тому же, стены зданий значительно снижают уровни электрических полей в сравнении с уровнями вне домов в той же местности.

Электробытовые приборы

Самые сильные электрические поля промышленной частоты в окружающей среде обычно встречаются непосредственно под высоковольтными ЛЭП. Напротив, самые сильные магнитные поля промышленной частоты обычно наблюдаются в непосредственной близости от двигателей и других электроприборов, а также специализированного оборудования, например магнитно-резонансных томографов, используемых для диагностической визуализации в медицине.

Обычные значения силы электрических полей вблизи бытовых электроприборов (на расстоянии 30 см от них
(Источник: Федеральное ведомство по радиационной защите, Германия, 1999 г.)

Электробытовой прибор	Сила электрического поля (В/м)
Стерео-проигрыватель	180
Утюг	120
Холодильник	120
Миксер	100
Тостер	80
Фен для волос	80
Цветной телевизор	60
Кофейная машина	60
Пылесос	50
Электропечь	8
Лампочка	5
Установленное пороговое значение	5000

Многие люди удивляются, когда узнают о существовании магнитных полей самого разного уровня рядом с различными бытовыми приборами. Сила этих полей не зависит от размера, сложности, мощности таких приборов или уровня шума от них. Более того, сила магнитных полей может очень сильно различаться, даже если речь идет о вроде бы похожих приборах. Например, одни фены для волос окружены очень сильным полем, а другие вряд ли вообще создают какое-либо магнитное поле. Такая разница в отношении силы магнитных полей объясняется дизайном изделия.

В приведенной ниже таблице указаны обычные значения силы поля для ряда электроприборов, широко используемых дома и на рабочем месте. Измерения производились в Германии, при этом во всех приборах использовался ток с частотой 50 Гц. Следует отметить, что фактические уровни воздействия значительно различаются в зависимости от модели прибора и расстояния от него.

Обычные значения силы магнитных полей вокруг бытовых электроприборов (в зависимости от расстояния от них)

Электробытовой прибор	На расстоянии 3 см (микротесла)	На расстоянии 30 см (микротесла)	На расстоянии 1 м (микротесла)
Фен для волос	6 – 2000	0. 01 – 7	0.01 – 0.03
Электробритва	15 – 1500	0.08 – 9	0.01 – 0.03
Пылесос	200 – 800	2 – 20	0.13 – 2
Флюоресцентный осветительный прибор	40 – 400	0.5 – 2	0.02 – 0.25
Микроволновая печь	73 – 200	4 – 8	0. 25 – 0.6
Портативный радиоприемник	16 – 56	1	< 0.01
Электропечь	1 – 50	0.15 – 0.5	0.01 – 0.04
Стиральная машина	0.8 – 50	0.15 – 3	0.01 – 0.15
Утюг	8 – 30	0.12 – 0.3	0.01 – 0. 03
Посудомоечная машина	3.5 – 20	0.6 – 3	0.07 – 0.3
Компьютер	0.5 – 30	< 0.01
Холодильник	0.5 – 1.7	0.01 – 0.25	<0.01
Цветной телевизор	2.5 – 50	0.04 – 2	0.01 – 0.15
Для большинства бытовых электроприборов сила магнитного поля на расстоянии 30 см от них значительно ниже установленного для населения порогового значения в 100 микротесл.

(Источник: Федеральное ведомство по радиационной защите, Германия, 1999 г.). Нормальная дистанция для работы с прибором выделена жирным шрифтом.

Таблица иллюстрирует две основные мысли: во-первых, сила магнитного поля вокруг всех приборов стремительно уменьшается по мере того, как вы удаляетесь от них; во-вторых, большинство бытовых приборов работает не слишком близко от человека. На расстоянии 30 см уровень магнитные поля вокруг большинства бытовых приборов более чем в 100 раз ниже установленного для обычного населения порогового значения в 100 микротесл при частоте электрического тока в 50 Гц (и 83 микротесл при частоте тока в 60 Гц).

Телевизоры и компьютерные мониторы

В основе работы компьютерных мониторов и телевизоров лежат одни и те же принципы. И те и другие продуцируют статические электрические поля и переменные электрические и магнитные поля разных частот. Однако, жидко-кристаллические мониторы некоторых ноутбуков и настольных ПК не создают значительные электрические и магнитные поля. Мониторы современных компьютеров созданы из проводящих материалов, что снижает статическое поле вокруг монитора до уровней, сопоставимых с нормальным фоновым уровнем в доме или на рабочем месте. Если человек работает на правильном расстоянии (30-50 см) от монитора, уровень индукции переменного магнитного поля (промышленной частоты) обычно ниже 0,7 микротесл. Сила переменных электрических полей при работе на том же расстоянии от монитора находится в интервале от менее 1 В/м до 10 В/м.

Микроволновые печи

Бытовые микроволновые печи отличаются большой мощностью. Однако, надежный защитный экран снижает возможную утечку микроволнового излучения за пределы печи до практически неопределяемого уровня. Кроме того, уровень утечки стремительно снижается по мере удаления пользователя от печи. Во многих странах существуют промышленные стандарты, конкретно указывающие предельно допустимые уровни утечки для новых печей. Если печь соответствует этим стандартам, она не представляет никакой угрозы для потребителя.

Переносные телефоны

Для работы переносных телефонов требуется гораздо менее интенсивное поле, чем для мобильных телефонов. Это связано с тем, что они используются совсем близко от своей базы, а значит, нет необходимости в сильном поле, как это было бы в случае передачи сигнала на большое расстояние. Соответственно, радиочастотные поля вокруг этих телефонов совсем незначительны.

Электромагнитные поля в окружающей среде

Радар

Радары используются для навигации, составления прогноза погоды, в военных целях, а также для выполнения множества других задач. Они посылают пульсирующие микроволновые сигналы. Пиковая мощность сигнала может быть высокой, между тем как средняя мощность может быть низкой. Многие радары вращаются или движутся вверх и вниз, что уменьшает среднее значение плотности мощности поля, которое воздействует на людей вблизи радара. Даже в отношении высокомощных, не вращающихся военных радарных установок действуют ограничения по уровню воздействия: он должен быть ниже установленного порогового значения в местах, доступных для населения.

Системы безопасности

Системы защиты от краж в магазинах основаны на использовании специальных датчиков, закрепляемых на товарах, которые считываются электрическими контурами на выходе. Когда покупка осуществлена должным образом, эти датчики снимают или полностью деактивируют. Электромагнитные поля вокруг контуров обычно не превышают рекомендуемые уровни допустимого воздействия. Системы управления доступом, работают по тому же принципу: датчик встроен в брелок для ключей, либо в пропуск. Системы безопасности в библиотеках используют специальные этикетки-датчики, которые деактивируются при выдаче книги читателю и вновь активируются, когда книга возвращается. Металло-детекторы и системы безопасности в аэропортах создают сильное магнитное поле (до 100 микротесл), которое реагирует на металлические предметы. Вблизи рамки детектора сила магнитного поля может приближаться к установленному пороговому уровню, а иногда и превышать его. Тем не менее, это не создает угрозу для здоровья, о чем будет сказано в разделе, посвященном руководящим принципам по допустимым уровням воздействия (см. «Опасны ли уровни воздействия выше установленных пороговых значений?»).

Электропоезда и трамваи

Поезда дальнего следования имеют один или несколько моторных отсеков, расположенных в отдельных вагонах. Таким образом, пассажиры испытывают воздействие полей в основном от электричества, подаваемого в поезд. Магнитные поля в пассажирских вагонах поездов дальнего следования могут достигать нескольких сотен микротесл на уровне пола и более низких значений (десятков микротесл) в других местах в купе. Сила электрического поля может достигать 300 В/м. Люди, живущие вблизи железнодорожных путей, могут испытывать воздействие магнитных полей от линий электропроводов над полотном железной дороги, причем сила этих полей, в зависимости от каждой конкретной страны, может быть сопоставима с силой полей вокруг высоковольтных ЛЭП.

Двигатели и тяговое оборудование поездов и трамваев обычно располагается внизу, под пассажирскими вагонами. На уровне пола интенсивность магнитного поля может достигать десятков микротесл (на тех участках пола, которые находятся прямо над двигателем). Однако, чем выше от пола, тем быстрее уменьшается интенсивность поля, и его воздействие на верхнюю часть туловища пассажиров значительно слабее.

Телевидение и радио

Когда вы у себя дома слушаете радио и ищете нужную вам станцию, задавались ли вы когда-нибудь вопросом, что могут означать хорошо знакомые вам сокращения АМ и FM? Радиосигналы могут быть амплитудно-модулированными (АМ) или частотно-модулированными (FM). Все зависит от того, как они переносят информацию. Радиосигналы АМ могут использоваться для вещания на очень большие расстояния, в то время как FM волны охватывают более ограниченные пространства, но при этом обеспечивают звук лучшего качества.

АМ радиосигналы передаются при помощи сложной системы антенн, которые могут достигать десятков метров в высоту и располагаться в местах, не доступных обычному населению. Уровни воздействия в непосредственной близости от антенн и кабелей питания могут быть высокими, но с ними приходится иметь дело обслуживающему персоналу, а не обычному населению.

Телевизионные антенны и антенны для FM радиосигналов гораздо меньше по размеру, чем антенны для АМ радиосигналов, и устанавливаются они как система направленных антенн на самом верху высоких башен. Причем башни являются лишь поддерживающей конструкцией. Поскольку уровень воздействия у самого основания таких башен ниже установленных пороговых значений, доступ обычного населения в места, где находятся такие башни, не запрещен. Небольшие ТВ- и радиоантенны местного значения иногда устанавливаются на крышах зданий; в этом случае не исключается необходимость контролировать доступ на крышу.

Мобильные телефоны и их базовые станции

Мобильные телефоны дают нам возможность всегда быть на связи с другими людьми. Эти приборы низкой мощности, испускающие и принимающие радиоволновые сигналы от сети стационарных базовых станций малой мощности. Каждая базовая станция мобильной связи обеспечивает охват определенной территории. В зависимости от потока обрабатываемых звонков, базовые станции могут находиться на расстоянии от всего лишь нескольких сотен метров (в крупных городах) до нескольких километров (в сельской местности) друг от друга.

Базовые станции мобильной связи обычно устанавливают на крыше зданий или башен, на высоте от 15 до 50 метров. Уровни прохождения сигналов от конкретной базовой станции непостоянны и зависят от количества звонков и расстояния, на котором звонящий абонент находится от базовой станции. Антенны излучают очень узкий пучок радиоволн, который далее распространяется почти параллельно земле. Поэтому радиочастотные поля на уровне земли и на территориях, обычно доступных для населения, во много раз ниже уровней, представляющих опасность.

Рекомендуемые пороговые значения были бы превышены лишь в том случае, если бы человек оказался прямо перед системой антенн на расстоянии одного-двух метров. До того, как мобильные телефоны стали широко использоваться, население в основном испытывало воздействие радиочастотного излучения от радио- и ТВ-станций. Но и сегодня, с появлением мобильных телефонов, башни, на которых расположены базовые станции мобильной связи, сами по себе крайне мало усугубляют общее воздействие на наш организм, поскольку сила сигналов в местах, доступных для населения, обычно такая же или даже ниже, чем сила сигналов от радио- и ТВ-станций, расположенных на значительном удалении от этих мест.

Однако на самого пользователя мобильного телефона воздействуют радиочастотные поля более высокого уровня, чем те, которые обычно присутствуют в окружающей нас среде. Разговаривая по мобильному телефону, мы держим его очень близко к голове. Именно поэтому, вместо того, чтобы отслеживать эффект нагревания тканей во всем организме, следует определить распределение поглощенной энергии в голове пользователя телефона. В результате сложного компьютерного моделирования и проведения оценок с использованием моделей головы человека, сделан вывод о том, что, по всей видимости, уровень энергии, поглощенной при использовании мобильного телефона, не превышает установленных на сегодня пороговых значений.

Вызывают обеспокоенность и другие, так называемые «нетермальные» последствия воздействия частот мобильных телефонов. Есть различные предположения в отношении едва заметных эффектов для клеток, которые могут повлиять на развитие раковых заболеваний. Также высказываются гипотезы о возможных эффектах для тканей, раздражаемых под воздействием электричества, и о том, что это может повлиять на функцию мозга и нервных тканей. Тем не менее, все имеющиеся на данный момент фактические данные не подтверждают наличия каких-либо пагубных последствий для здоровья человека от использования мобильных телефонов.

Магнитные поля в повседневной жизни: действительно ли они такие сильные?

В последние годы национальными органами власти различных стран были проведены многочисленные оценки для определения уровней ЭМП в среде обитания человека. Ни одно из этих обследований не пришло к выводу о том, что уровни полей могут вызвать неблагоприятные последствия для здоровья.

Недавно Федеральное ведомство по радиационной защите (Германия) сделало оценку повседневного воздействия магнитных полей с привлечением к обследованию примерно 2 000 человек. Оценка проведена как в отношении представителей ряда профессий, так и обычного населения. Всем участникам обследования были выданы персональные дозиметры для измерения уровней воздействия 24 часа в сутки. Полученные данные различались весьма значительно, но средний уровень в день составлял 0,10 микротесл. Это значение в тысячу раз меньше, чем предельно допустимое значение в 100 микротесл для обычного населения и в 5 тысяч раз ниже, чем предельное допустимое значение в 500 микротесл для людей определенных профессий. Более того, при исследовании воздействия полей на людей, живущих в центральной части городов, было обнаружено, что, с точки зрения воздействия полей, нет существенной разницы между проживанием в сельской и городской местности. Даже уровни воздействия на людей, живущих в непосредственной близости от высоковольтных ЛЭП, лишь незначительно отличаются от средних уровней воздействия на обычное население.

Основные положения

• Фоновые уровни ЭМП в доме в основном создаются передающими и распределительными электросетевыми объектами или бытовыми электроприборами.
• Электроприборы сильно различаются с точки зрения силы генерируемых ими полей. По мере удаления от приборов уровни как электрических, так и магнитных полей стремительно снижаются. В любом случае, уровни полей вокруг бытовых электроприборов обычно гораздо ниже установленных пороговых значений.
• Уровни электрических и магнитных полей от телевизоров и компьютерных мониторов (при соблюдении пользователем правильной дистанции от них) в сотни тысяч раз ниже установленных пороговых значений.
• Микроволновые печи, отвечающие стандартам качества, не представляют опасности для здоровья.
• Пока действуют ограничения в отношении доступа населения непосредственно к радарным установкам, радиоантеннам и базовым станциям мобильной связи, установленные предельные уровни воздействия радиочастотных полей не будут превышены.
• Пользователи мобильных телефонов испытывают воздействие полей таких уровней, которые значительно превышают любые значения, регистрируемые в обычной среде обитания. Но, по-видимому, даже столь высокие уровни воздействия не приводят к пагубным последствиям для здоровья.
• Многочисленные обследования подтвердили, что воздействие электромагнитных полей тех уровней, которые наблюдаются в среде обитания человека, очень незначительно.

Действующие стандарты

 

Стандарты устанавливаются с целью защиты нашего здоровья. Широко известно о существовании стандартов для многих пищевых добавок, допустимой концентрации химических веществ в воде или концентрации веществ, загрязняющих воздух. Точно так же есть стандарты и в отношении электромагнитных полей, установленные с целью ограничения чрезмерного воздействия ЭМП, существующих в окружающей среде.

Кто вырабатывает руководящие принципы по допустимым уровням воздействия?

Страны самостоятельно устанавливают свои национальные стандарты в отношении допустимого воздействия ЭМП. Однако при формировании большинства национальных стандартов за основу были взяты руководящие принципы, разработанные Международной комиссией по защите от неионизирующей радиации (ICNIRP). Эта неправительственная организация, официально признанная ВОЗ, оценивает результаты научных исследований, проведенных по всему миру. На основании углубленного анализа имеющейся литературы ICNIRP разрабатывает руководящие принципы по допустимым уровням воздействия. Руководящие принципы подвергаются регулярному критическому рассмотрению и, по мере необходимости, обновляются.

Уровни ЭМП изменяются в зависимости от диапазона частот, и эта зависимость носит сложный характер. Перечисление всех значений для каждого стандарта и каждой частоты было бы затруднительно для понимания. Приведенная ниже таблица обобщает в сжатом виде рекомендации в отношении допустимых уровней воздействия в трех случаях, вызывающих особую обеспокоенность населения: воздействия электричества в домах, базовых станций мобильных телефонов и микроволновых печей. Эти руководящие принципы в последний раз обновлялись в апреле 1998 года.

Резюме руководящих принципов ICNIRP по допустимым уровням воздействия ЭМП




	Промышленная частота, принятая в Европе		Частота базовой станции мобильной связи		Частота микроволновой печи
Частота	50 Гц	50 Гц	900 МГц	1.8 ГГц	2.45 ГГц
	Электрическое поле (В/м)	Магнитное поле (микротесла)	Плотность мощности (Вт/м2)	Плотность мощности (Вт/м2)	Плотность мощности (Вт/м2)
Пороговые значения воздействия для обычного населения	5 000	100	4. 5	9	10
Пороговые значения воздействия для людей определенных профессий	10 000	500	22.5	45

ICNIRP, EMF guidelines [Руководящие принципы по допустимым уровням воздействия ЭМП], Health Physics №74, 494-522 (1998 г.)

Рекомендуемые пороговые значения воздействия, принятые в некоторых странах бывшего Советского Союза и в западных странах, могут различаться в 100 и даже более раз. В связи с глобализацией торговли и стремительным внедрением телекоммуникаций во всем мире, возникает необходимость установления неких универсальных стандартов. Поскольку в настоящее время многие страны бывшего СССР работают над созданием новых стандартов, ВОЗ недавно объявила о глобальной инициативе по гармонизации рекомендуемых пороговых значений воздействия. Будущие стандарты будут основаны на результатах Международного проекта ВОЗ по электромагнитным полям.

Что лежит в основе руководящих принципов?

Важно отметить, что рекомендуемое пороговое значение само по себе не устанавливает четкую границу между тем, что безопасно и тем, что опасно. Не существует такого единого уровня, выше которого воздействие создает угрозу для здоровья. Напротив, потенциальный риск для здоровья человека возрастает постепенно, по мере увеличения уровней воздействия. В руководящих принципах указано, что, согласно имеющимся научным данным, воздействие ЭМП ниже определенного порогового значения не является опасным. Но из этого не следует автоматический вывод, что если воздействие превышает это определенное пороговое значение, оно непременно представляет опасность.

Тем не менее, для установления ограничений в отношении воздействия ученые, занимающиеся исследованиями, должны определить пороговый уровень, при котором начинают проявляться первые неблагоприятные последствия для здоровья. Поскольку для проведения экспериментов нельзя использовать людей, при составлении руководящих принципов приходится полностью полагаться на результаты опытов на животных. Незначительные изменения форм поведения животных при низких уровнях воздействия зачастую предшествуют более радикальным изменениям показателей здоровья при более высоких уровнях воздействия. Отклонение в поведении – это очень точный индикатор ответной биологической реакции, и оно было выбрано в качестве самого малозаметного неблагоприятного эффекта для здоровья. В руководящих принципах содержится рекомендация не допускать такие уровни воздействия ЭМП, при которых изменение форм поведения становится заметным.

Такой пороговый уровень воздействия с точки зрения изменения форм поведения не равен пороговому уровню, рекомендуемому в руководящих принципах. ICNIRP использует коэффициент безопасности, равный 10, при установлении допустимых предельных значений воздействия на людей определенных профессий, и коэффициент, равный 50, для расчета рекомендуемых предельных значений для обычного населения. Например, в диапазоне радиочастот и микроволновых частот, максимальные уровни, с которыми вы можете столкнуться в окружающей среде или у себя дома, по меньшей мере, в 50 раз ниже, чем те пороговые значения, при которых у животных проявляется изменение форм поведения.

Почему для людей определенных профессий установлены менее жесткие ограничения в отношении допустимого уровня воздействия, чем для обычного населения?

Лица, которые в силу своей профессии вынуждены испытывать воздействие полей – это взрослые люди, привыкшие работать в хорошо знакомых им условиях электромагнитных полей. Они прошли соответствующую подготовку, чтобы понимать потенциальные риски такой работы и принимать соответствующие меры предосторожности. В отличие от них, обычное население – это люди всех возрастов с разным состоянием здоровья. Во многих случаях обычные люди даже не осознают, что на них воздействуют ЭМП. Кроме того, не следует ожидать, что каждый человек будет принимать меры для того, чтобы избежать вредного воздействия полей или свести его к минимуму. Именно по этим причинам для обычного населения приняты более жесткие ограничения в отношении допустимого уровня воздействия, чем для людей, подвергающихся воздействию ЭМП в силу своей профессии.

Как было упомянуто выше, низкочастотные ЭМП индуцируют токи в организме человека (см. раздел «Краткое описание последствий для здоровья»). Но и различные биохимические реакции в самом организме человека также генерируют токи. Клетки и ткани не смогут распознать индуцированные токи, если они ниже этого фонового уровня. Вот почему в отношении низкочастотных полей в руководящих принципах по допустимым уровням воздействия закреплено, что уровень токов, индуцированных электромагнитными полями, должен быть ниже уровня токов, естественным образом генерируемых в организме человека.

Основной эффект от радиочастотной энергии состоит в нагревании тканей. Соответственно, пороговые значения воздействия радиочастотных и микроволновых полей установлены таким образом, чтобы предотвратить пагубные последствия для здоровья от локализованного или общего нагревания организма (см. «Краткое описание последствий для здоровья»). Соблюдение руководящих принципов гарантирует, что эффекты нагревания будут достаточно слабыми и, соответственно, неопасными.

Чего нельзя предусмотреть в руководящих принципах?

В настоящее время предположения о возможных долговременных неблагоприятных последствиях для здоровья не могут служить основанием для выпуска соответствующих руководящих указаний или стандартов. Если суммировать результаты научных исследований, совокупность всех доказательств не свидетельствует о том, что ЭМП вызывают долговременные пагубные последствия, например, раковые заболевания. Национальные и международные органы устанавливают и обновляют стандарты на основании самых последних научных знаний, чтобы защитить здоровье людей от общеизвестных неблагоприятных эффектов.

Руководящие принципы создаются в интересах некого «среднего» населения и не могут напрямую отвечать на запросы того меньшинства, которое, возможно, отличается более высокой чувствительностью. Например, руководящие принципы по допустимым уровням загрязнения воздуха не ориентированы на особые потребности людей больных астмой. Точно так же, руководящие принципы в отношении ЭМП не призваны защищать людей от воздействия, связанного с вживляемыми медицинскими электронными приборами, такими как кардиостимуляторы. Вместо этого, такие пациенты должны обращаться за советом по поводу того, как избежать возможного неблагоприятного воздействия, к производителям и врачам, вживляющим прибор.

Каковы типичные максимальные уровни воздействия в домашних условиях и в окружающей среде?

Некоторая информация практического характера поможет вам оценить приведенные выше значения уровней воздействия, установленные в международных руководящих принципах. Ниже в таблице вы найдете информацию о наиболее распространенных источниках ЭМП. Все приведенные значения – это максимально допустимые уровни для обычного населения. Уровень воздействия в вашем случае, вероятнее всего, будет гораздо ниже. Чтобы получить более подробную информацию об уровнях полей вокруг отдельных электроприборов, рекомендуем вам ознакомиться с разделом «Обычные уровни воздействия в домах и в окружающей среде».

Источник	Типичный максимальный уровень воздействия для обычного населения
	Электрическое поле (В/м)	Индукция магнитного поля (микротесла)
Естественные поля	200	70 (магнитное поле Земли)
Мощность, потребляемая от сети в домах, расположенных не вблизи линий электропередач (ЛЭП)	100	0.2
Мощность, потребляемая от сети под крупными ЛЭП	10 000	20
Электропоезда и трамваи	300	50
Телевизоры и компьютерные мониторы (на правильном расстоянии от них)	10	0. 7
	Типичный максимальный уровень воздействия для обычного населения (Вт/м2)
Теле- и радиопередающие станции	0.1
Базовые станции мобильной связи	0.1
Радары	0.2
Микроволновые печи	0.5

Источник: Европейское региональное бюро ВОЗ

Как руководящие принципы применяются на практике, и кто контролирует этот процесс?

Ответственность за проверку уровней полей вокруг ЛЭП, базовых станций мобильной связи и других источников, доступ к которым обычного населения не ограничен, лежит на государственных учреждениях и местных органах власти. Они должны обеспечить соблюдение руководящих принципов.

Если речь идет об электронных приборах, за соблюдение стандартных ограничений отвечают производители. Однако, как было упомянуто выше, свойства большинства приборов таковы, что излучение от них гораздо ниже даже малозначимых величин воздействия. Кроме того, многие объединения потребителей регулярно проводят тестирование приборов. В случае, когда вы испытываете особую обеспокоенность или тревогу, рекомендуем вам напрямую связаться с производителем или направить запрос в местный орган общественного здравоохранения.

Опасны ли уровни воздействия выше установленных пороговых значений?

Совершенно не опасно съесть баночку клубничного джема до истечения срока годности. Но если вы съедите джем позже, производитель не гарантирует вам хорошее качество продукта. Однако обычно даже через несколько недель или месяцев после истечения срока годности употреблять джем в пищу совершенно безопасно. Аналогичным образом, руководящие принципы в отношении ЭМП гарантируют, что в пределах установленных пороговых значений воздействия не возникнет никаких общеизвестных пагубных последствий для здоровья. Значительный коэффициент безопасности использован при установлении того уровня, который, как общепризнано, вызывает пагубные последствия для здоровья. Поэтому даже если вы подверглись воздействию поля, сила которого в несколько раз превосходит определенное пороговое значение, воздействие на вас все равно будет в пределах безопасности.

В повседневных ситуациях большинство людей не подвергается воздействию ЭМП с превышением установленных пороговых значений. Обычные уровни воздействия гораздо ниже этих значений. Тем не менее, бывают случаи, когда человек подвергается в течение короткого периода времени воздействию, близкому или даже превосходящему рекомендуемые пороговые уровни. Согласно ICNIRP, воздействие радиочастотных и микроволновых полей следует усреднить по времени, чтобы понять кумулятивные эффекты. В руководящих принципах в отношении воздействия таких полей конкретно указано усреднение по времени (шесть минут), и специально упомянуто как допустимое кратковременное воздействие с превышением пороговых значений.

Напротив, в руководящих принципах в отношении воздействия низкочастотных электрических и магнитных полей нет усреднения по времени. Еще более усложняет картину наличие так называемого «фактора сопряжения». Под этим понимается взаимовлияние электрических и магнитных полей и тела, испытывающего их воздействие. Фактор сопряжения зависит от размера и формы тела, типа тканей и расположения тела в пространстве по отношению к полю. Руководящие принципы обязаны быть консервативными: ICNIRP всегда исходит из того, что между полем и человеком, испытывающим его воздействие, есть максимальное сопряжение. Поэтому рекомендуемые пороговые уровни обеспечивают максимальную защиту человека. Например, даже если уровни магнитного поля фена для сушки волос или электробритвы оказываются выше рекомендуемых значений, очень слабое сопряжение между полем и головой предотвращает индуцирование электрических токов, которые могли бы превысить установленные предельно допустимые уровни.

Основные положения

• Выпускаемые ICNIRP руководящие принципы основаны на современных научных знаниях. Большинство стран используют это международное руководство для формирования своих национальных стандартов.
• Стандарты в отношении низкочастотных ЭМП предусматривают, что уровень индуцированных токов должен быть ниже обычного уровня фоновых токов в организме человека. Стандарты для радиочастотных и микроволновых полей установлены на таком уровне, чтобы не допустить неблагоприятных последствий для здоровья от локализованного или общего нагревания организма.
• Руководящие принципы не предусматривают защиту от возможного воздействия медицинских электроприборов.
• Максимальные уровни воздействия в повседневной жизни обычно гораздо ниже рекомендуемых пороговых значений.
• Благодаря значительному коэффициенту безопасности воздействие, превышающее установленные пороговые значения, необязательно окажется вредным для здоровья. Кроме того, усреднение по времени в отношении высокочастотных полей и допущение о максимальном сопряжении для низкочастотных полей еще более расширяют границы безопасности.

 

 

Меры предосторожности

По мере поступления все новых данных научных исследований вероятность того, что воздействие ЭМП представляет серьезную угрозу для здоровья, уменьшается. Однако определенная неуверенность сохраняется. Некогда чисто научная дискуссия о том, как следует интерпретировать противоречивые данные, превратилась в обсуждение этого вопроса как важной общественной и политической проблемы.

Публичное обсуждение ЭМП сосредоточено на вопросах потенциального вреда таких полей и часто оставляет без внимания ту пользу, которая связана с технологическим использованием ЭМП. Без электричества наша жизнь замрет. Точно так же теле- и радиовещание стали очевидным фактом современной жизни. Крайне важно анализировать соотношение ценности и потенциальных угроз.

Охрана общественного здоровья

Международные руководящие принципы и национальные стандарты по безопасным уровням воздействия электромагнитных полей разрабатываются на основе современных научных знаний и призваны гарантировать, что те поля, с которыми приходится сталкиваться людям, не причинят вреда их здоровью. Чтобы учесть наличие некоторых неопределенностей в знаниях (например, по причине допущенных в экспериментах ошибок, экстраполяции данных с животных на человека или из-за статистической погрешности), при установлении пороговых значений допустимого воздействия используются значительные коэффициенты безопасности.

Руководящие принципы подвергаются регулярному критическому рассмотрению и, по мере необходимости, обновляются. С учетом существующих неопределенностей, соблюдение дополнительных мер предосторожности рекомендовано в качестве эффективного подхода, который можно взять на вооружение до тех пор, пока наука не пополнит наши знания о влиянии ЭМП на здоровье. Однако выбор конкретного подхода в отношении соблюдения предосторожности и степень его использования чрезвычайно зависит от силы доказательств наличия риска для здоровья, а также масштабов и характера возможных последствий. Меры предосторожности должны быть пропорциональны потенциальному риску.

Был разработан ряд стратегий по популяризации мер предосторожности в целях привлечения внимания к проблемам, вызывающим обеспокоенность в отношении общественного здоровья, гигиены труда и окружающей среды, а также безопасности в связи с химическими и физическими факторами риска.

Что рекомендуется делать, пока научные исследования в этой области продолжаются?

Одна из целей Международного проекта по ЭМП состоит в том, чтобы помочь национальным органам управления взвесить преимущества от использования технологий, основанных на ЭМП, и сопоставить их с возможным обнаружением риска для здоровья от их использования. Помимо этого ВОЗ выпустит рекомендации в отношении мер защиты, если в них возникнет необходимость. На завершение необходимых научных исследований, оценку их результатов и публикацию уйдет несколько лет. Тем временем Всемирная организация здравоохранения подготовила серию указанных ниже рекомендаций:

• Строго соблюдать существующие национальные и международные стандарты безопасности: такие стандарты, основанные на современных знаниях, разрабатываются для защиты каждого человека с использованием значительного коэффициента безопасности.
• Соблюдать простые меры защиты: заграждения, установленные вокруг источников сильных ЭМП, позволяют ограничить несанкционированный доступ на территории, где допустимые пороговые значения могут быть превышены.
• Проводить консультации с местными органами власти и представителями общественности в отношении выбора места строительства новых ЛЭП и базовых станций мобильной связи: нередко при принятии решений о месте строительства требуется учитывать эстетические факторы и особенности восприятия ситуации общественностью. Открытый обмен информацией на стадии планирования может содействовать лучшему взаимопониманию и широкому одобрению строительства нового объекта.
• Обмениваться информацией: эффективная система информации в области здравоохранения и обмен информацией между учеными, государственными органами, представителями промышленности и общественности может способствовать повышению уровня общей осведомленности о программах, связанных с воздействием ЭМП, и уменьшению недоверия и страхов.

 

Возникновение магнитных полей в космических объектах: электрокинетическая модель

In English

 

Advances in Physics Theories and Applications, Vol. 44, P. 123 – 138 (2015). http://iiste.org/Journals/index.php/APTA/article/view/23040

 

Возникновение магнитных полей в космических объектах: электрокинетическая модель

 

Федосин Сергей Григорьевич

ул. Свиязева 22-79, город Пермь, 614088, Пермский край, Россия

e-mail [email protected]

 

На основе предположения о разделении электрических зарядов в веществе космических тел доказывается возможность приобретения этими телами магнитного момента. Величина магнитного поля оказывается пропорциональной скорости вращения тел и радиусу конвективного слоя. Периоды изменения полярности магнитного поля Земли и Солнца вычисляются через размеры конвективного слоя и скорости конвекции. Солнечная активность оказывается следствием периодической трансформации тепловой энергии в электромагнитную форму энергии.

Ключевые слова:  электрокинетическая модель; звёздные магнитные поля; геомагнетизм.

 

Generation of magnetic fields in cosmic objects: electrokinetic model

Sergey G. Fedosin

Sviazeva Str. 22-79, Perm, 614088, Perm region, Russian Federation

e-mail [email protected]

 

Based on the assumption of separation of the charges in matter of cosmic bodies the possibility of obtaining the magnetic moment by these bodies is proved. The magnitude of the magnetic field appears proportional to the angular velocity of the body’s rotation and to the radius of convective layer. The periods of change of polarity of magnetic field of the Earth and the Sun are calculated by means of the size the convective layer and the convection speed. The solar activity appears the consequence of periodic transformation of the thermal energy into the electromagnetic form of energy.

Keywords:  Electrokinetic model; stellar magnetic fields; geomagnetism.

 

1. Введение

Одной из наиболее распространенных теорий в отношении способов генерации магнитного поля у космических тел является теория гидромагнитного динамо (ГД). В 1919 г. английский физик Д. Лармор впервые высказал эту идею для объяснения магнитного поля Солнца [1]. Для теории ГД существенно, чтобы ионизованное вещество под действием сил внутреннего давления, силы Архимеда, силы гравитации и магнитных сил двигалось специальным, довольно сложным образом. Например, имеющееся магнитное поле, «вмороженное в вещество» благодаря эффекту индукции, вместе с веществом должно переворачиваться с образованием и наложением петель магнитного поля друг на друга [2]. Тогда возможно сложение магнитного поля соседних элементов вещества и увеличение общего магнитного поля. Имеется ряд решений уравнений магнитной гидродинамики для ГД, когда при заданных потоках вещества происходит усиление и поддержание магнитного поля [3]. Однако до сих пор не имеется доказательств того, что реальные движения электропроводящего и замагниченного вещества в космических телах могли бы соответствовать движениям, требуемым для эффекта ГД [4]. Последние исследования включают численные модели конвективной зоны и внешнего слоя Солнца с учётом конвективного движения и вращения, дающие признаки циклического динамо, но ещё не полностью описывающие поведение реального Солнца: либо они требуют слишком большой скорости вращения, либо предсказывают слишком большие периоды солнечного цикла [5].

Отметим теперь масштабы энергий, необходимых для возникновения эффекта ГД в недрах Земли. Измерения магнитного поля Земли показывают, что его основные источники скрываются в ядре, а сама величина поля медленно изменяется со временем. Для характеристики размеров Земли будем использовать следующие приблизительные данные: средний радиус 6371 км, экваториальный радиус – 6378 км, полярный радиус – 6356 км. В 2005 году на магнитном полюсе на севере Земли (недалеко от побережья Канадского архипелага) индукция магнитного поля была около Тл согласно Всемирной магнитной модели Земли [6]. Считая, что это поле создаётся магнитным дипольным моментом, используя полярный радиус  Земли, можно получить оценку магнитного момента Земли: Дж/Тл, где  – магнитная постоянная.

Внутреннее кристаллическое ядро Земли имеет радиус порядка км, а внешнее жидкое ядро из расплавленного железа можно представить как часть шара между радиусом  и радиусом км, с массой около кг [7]. Во внешнем ядре как будто бы должны протекать токи, поддерживающие магнитное поле за счёт эффекта ГД. Магнитный момент Земли можно моделировать произведением силы тока на площадь контура внешнего ядра (сечение ядра). Отсюда требуемая сила тока должна быть порядка А. Проводимость вещества ядра, имеющая величину до  См/м согласно [7], позволяет оценить электрическое сопротивление вещества, пропорциональное длине окружности ядра и обратно пропорциональное половине его сечения: . Тогда мощность электрических потерь от протекающего тока должна достигать  Вт. Как мы уже отмечали в [8], общий тепловой поток с поверхности Земли равен 3,2·10¹³ Вт, вклад в тепловую энергию Земли от лунных приливов может быть до 3,45·10¹² Вт, а усреднённая мощность сейсмичности Земли около 3·10¹⁰ Вт. Таким образом тепловой энергии могло бы быть достаточно для запуска механизма ГД.

Но по всей видимости, теория ГД не может быть общей теорией для объяснения магнитного поля всех космических тел, поскольку в белых карликах и в нейтронных звёздах конвекция практически отсутствует, в то же время магнитные поля этих звёзд экстремально велики. Существенное движение вещества отсутствует и в недрах Солнца, где основной перенос энергии из ядра наружу происходит за счёт излучения, причём фотонам для этого требуется несколько миллионов лет. Лишь в оболочке Солнца конвекция настолько велика, что приводит к периодическому выносу магнитных силовых трубок на поверхность, которые порождают здесь солнечные пятна. Однако наблюдаемые смены полярности магнитного поля у Солнца (с периодом порядка 22 года) и у Земли (с периодами от 20 тысяч лет до миллиона лет и более) противоречат теории ГД. Действительно, для эффекта ГД требуется начальное магнитное поле, которое потом может быть усилено и далее поддерживаться движением вещества одного и того же типа. При смене же полярности магнитное поле должно систематически уменьшаться до нуля, уничтожая тем самым то начальное магнитное поле, которое необходимо для возникновения ГД.

В связи с этим мы представляем далее электрокинетическую модель возникновения магнитного поля в космических объектах, как некоторый дополнительный механизм, существующий самостоятельно от гидродинамического динамо.

 

2. Описание электрокинетической модели

Согласно результатам в [8-9], магнитный момент протона может быть получен из того условия, что электрический заряд протона почти равномерно распределён по его объёму. Тогда быстрое вращение протона вместе с его объёмным электрическим зарядом способно породить требуемый магнитный момент. Кроме этого, в создании магнитного момента протона участвует и само предельно намагниченное вещество протона. Аналогией здесь являются нейтронные звёзды-магнитары, магнитный момент которых складывается из магнитных моментов нейтронов, составляющих основу вещества звезды. Для того, чтобы протон и магнитар могли получить соответствующие электрические заряды и магнитные моменты с практически полной намагниченностью своего вещества, необходимы соответствующие условия. В частности, протон может возникать из нейтрона при – распаде, когда из нейтрона за счёт излучения электрона удаляется отрицательный заряд. В качестве модели нейтрона в [8] была рассмотрена нейтронная звезда, в которой за счёт процесса разделения зарядов ядро заряжается положительно, а оболочка – отрицательно. Это позволило объяснить нейтральность нейтрона и его отрицательный магнитный момент. Достаточно большое магнитное поле нейтронная звезда может получить уже при своём образовании при коллапсе ядра сверхновой, поскольку звезда быстро вращается, а также аккумулирует магнитный поток исходной звезды.

Отталкиваясь от данных представлений, построим электрокинетическую модель возникновения магнитного поля у Земли. Из названия модели следует, что в ней существенную роль играют распределение электрических зарядов и их движение в качестве источников магнитного поля. Известно, что чем ближе к центру Земли, тем выше температура вещества. У поверхности Земли градиент температуры составляет порядка 20 градусов на 1 км, в глубине градиент уменьшается. Средние температуры ядра Земли лежат в диапазоне 5000 – 6000º К, причём на протяжении радиуса внешнего ядра  ожидаемое изменение температуры достигает 2000º К. Таким образом, температурный градиент может приводить к диффузии свободных электронов к наружной оболочке внешнего ядра, где температура понижается. К этому эффекту приводит и градиент давления в ионизованном за счёт высокой температуры веществе, которое выдавливает электроны наружу быстрее, чем ионы.

Предположим, что для вещества справедлива формула для давления идеального газа: , где  – концентрация частиц,  – постоянная Больцмана,  – температура. Согласно [7] давление в центре Земли достигает 3600 кбар, а на периферии внешнего ядра 1350 кбар, с соответствующими им температурами 6300º К и 4300º К. Из этих данных и формулы для давления следует, что отношение концентрации частиц вещества на границе внешнего ядра к концентрации в центре Земли может быть в пределах 0,55 – 0,75 (последняя цифра ближе к стандартным физическим моделям строения Земли). Наличие градиентов концентрации, давления и температуры (а также центростремительной силы за счёт вращения Земли и химической сепарации, изменяющей плавучесть вещества) приводит к возникновению радиальных потоков вещества, в том числе токов ионов и электронов. Тепловые скорости электронов значительно превышают скорости ионов, поэтому диффузия электронов может происходить быстрее.

Казалось бы, если в веществе под действием разных факторов происходит разделение зарядов, то электрическая сила между положительными и отрицательными ионами должна противодействовать такому разделению и на определённом этапе остановить его. Однако в случае полной сферической симметрии это происходит особым образом. Пусть для определённости в центре сферы находится положительный заряд, а равный ему по величине отрицательный заряд рассеян по всей сфере. Оказывается, что вблизи поверхности сферы электроны будут в равновесии, поскольку действие внутреннего положительного заряда будет скомпенсировано действием суммарного отрицательного заряда. При движении внутрь сферы относительное равновесие электронов может сохраняться до того радиуса, на котором электрические и гравитационные силы притяжения к центру ещё компенсируются силой отталкивания электронов друг от друга и градиентами температуры и давления. Можно заметить, что похожая структура разделённых зарядов реализуется в электронно-ионной модели шаровой молнии, в которой молния почти целиком состоит из очень горячего положительно заряженного ионизованного воздуха с тонкой оболочкой из электронов. Устойчивость электронов обеспечивается их быстрым вращением и электрическими силами, а электронная оболочка экранирует молнию от окружающей атмосферы [10-11].

Будем считать в нашей простой идеализированной модели, что под действием ряда факторов произошло разделение зарядов в ядре Земли. Это могло иметь место ещё в момент образования Земли, когда она имела высокую температуру и была почти вся расплавлена. Используем для распределения суммарной плотности заряда линейную формулу: , где  – плотность заряда в самом центре,  – некоторый коэффициент,  – текущий радиус в ядре. Коэффициент  можно определить из условия электронейтральности ядра в целом. Для этого нужно проинтегрировать плотность заряда по всему объёму ядра и результат приравнять к нулю. После нахождения  через  и радиус внешнего ядра   для плотности заряда получаем следующую формулу:

 

.                                                         (1)

 

При малых  плотность заряда  положительна, при  итоговая плотность заряда становится отрицательной. Заряд, распределённый в ядре по соотношению (1), неподвижен относительно Земли и вращается вместе с ней с угловой скоростью рад/с. Это создаёт магнитное поле Земли с магнитным моментом . В [8] мы интегрировали распределение плотности заряда вида (1) с целью нахождения магнитного момента. Аналогично для магнитного момента Земли находим:

 

,                                             (2)

 

где  – объём внешнего ядра Земли,

а знак минус в (2) показывает, что суммарный магнитный момент Земли направлен противоположно угловой скорости её вращения , если основной вклад в магнитный момент вносят электроны на периферии ядра.

 

Из (2) по известным величинам Дж/Тл,   и  можно оценить плотность заряда в центре Земли: Кл/м³. Распределение плотности заряда (1) позволяет найти и магнитное поле в центре Земли. Для каждого отдельного элементарного кругового тока, возникающего за счёт вращения заряда  с угловой скоростью , в сферических координатах можно записать:

 

.

 

Элементарные круговые токи по разному сдвинуты вдоль оси  относительно центра сферы, имеющей радиус  внешнего ядра. Их вклад в общее магнитное поле в центре сферы можно учесть с помощью угла , под которым виден каждый элементарный круговой ток из центра сферы по отношению к оси :

 

.

 

Данная формула получается из стандартного выражения для магнитного поля на оси элементарного кругового тока внутри сферы , где  – радиус кругового тока,  – расстояние от центра сферы до центра элементарного кругового тока,

 

, угол  есть угловая координата сферических координат.

Подставляя в выражение для  ток  и раскрывая в нём  с помощью (1) и значения  из (2), находим после интегрирования по объёму ядра индукцию магнитного поля в центре Земли:

 

 Тл,         (3)

 

где использовано также  из (2).

 

Для сравнения, приведём значение индукции магнитного поля на экваторе за пределами внешнего ядра, вычисленное по стандартной дипольной формуле через значение магнитного момента Земли  для случая, если бы магнитный момент находился в самом центре Земли:

 

 Тл,                                               (4)

 

причём здесь  считается отрицательным.

 

Значение поля (4) не совсем точно, поскольку на самом деле магнитный момент рассредоточен по всему ядру неоднородным образом. Примем поэтому в первом приближении, что магнитное поле на экваторе ядра в два раза больше по величине, чем (4), равняясь .

Мы можем считать, что магнитные поля в центре ядра и вблизи его поверхности противоположны по направлению (это есть следствие смены знака в плотности заряда (1) при движении по радиусу от центра к поверхности ядра). Тогда при движении в экваториальной плоскости вдоль радиуса от центра до края внешнего ядра индукция магнитного поля будет изменяться от  до . Это можно отразить следующей линейной формулой:

 

.                                                          (5)

 

Согласно (5), магнитное поле меняет свой знак внутри ядра. В соответствии с данными рассуждениями на рисунке 1 представлена упрощенная картина магнитного поля в ядре Земли. Напомним, что данная структура поля является следствием вращения электрического заряда, распределённого вдоль радиуса ядра.

Сделаем теперь оценку средней скорости движения вещества  в ядре Земли. Пусть под действием температурного градиента, силы давления (силы Архимеда), силы тяжести и центростремительной силы вещество движется приблизительно вдоль радиуса. Первые три силы можно считать симметричными относительно центра ядра, тогда как центростремительная сила симметрична относительно оси вращения Земли. Поэтому можно ожидать несколько увеличенной скорости движения вещества в экваториальной плоскости ядра.

При движении в магнитном поле проводящей среды в ней индуцируются токи за счёт силы Лоренца. Если магнитное поле направлено вдоль оси , а вещество движется перпендикулярно оси , то плотность тока будет получать вращение вокруг оси :

 

.                                                         (6)

 

 

В нашем упрощенном подходе будем считать скорость вещества постоянной, а в качестве индукции магнитного поля возьмём некоторое среднее значение . Максимальный индуцированный ток можно оценить как произведение плотности тока на половину сечения ядра: ,

 

где коэффициент  учитывает, что горячее вещество не только удаляется от оси , но и возвращается назад после охлаждения, уменьшая индуцированный ток. Данный ток генерирует в ядре магнитный момент с величиной:

 

.                                                (7)

 

Очевидно, что магнитный момент  должен быть меньше, чем магнитный момент Земли: , где . Подставим сюда значение модуля  из (3) в предположении, что :

 

.                                                          (8)

 

Из (7) и (8) для скорости вещества получается:

 

 м/с.                                            (9)

 

Скорость движения вещества (9) получается достаточно мала. С её помощью можно сделать оценки числа Рейнольдса , магнитного числа Рейнольдса , магнитного числа Прандля , здесь Па·с – коэффициент динамической вязкости (внутреннего трения) в ядре согласно [7],  См/м – проводимость вещества ядра, кг/м³ – средняя плотность вещества в ядре. Исходя из (15) далее будет показано, что в (9) . Подставляя значения всех величин, находим , , . Число Рейнольдса обратно пропорционально силе сцепления частиц газа или жидкости, влияющей на свободное движение тела или отдельных элементов вещества. Магнитное число Рейнольдса прямо пропорционально силе магнитного трения в веществе, мешающей проскальзыванию силовых магнитных линий через вещество. Магнитное число Прандля является дополнительной характеристикой, учитывает вклады магнитного и обычного трения и увеличивается с ростом кинематической вязкости и проводимости среды.

Мы можем сравнить полученные числа с соответствующими числами, при которых может возникать гидромагнитного динамо (ГД). Например, в динамо Пономаренко [12] требуется, чтобы было . В [13] доказывается, что диффузионное динамо возможно при  и , а также при  и , . Если формула (8) и наши расчёты для чисел справедливы, то получается, что условия для возникновения ГД в ядре Земли не самые благоприятные.

Рассмотрим теперь вопрос о связи между магнитной силой и силой Кориолиса, действующих на элемент проводящего вещества ядра. Из величины  следует, что сцепление магнитных силовых линий с веществом в масштабе ядра невелико. Полученная выше оценка величины магнитного поля в ядре немногим больше чем на порядок превышает значение магнитного поля на поверхности Земли и в целом оказывает незначительное влияние на движение вещества. Плотность магнитной силы может быть записана так:

 

,                                                          (10)

 

где  – плотность тока, переносимого элементом вещества в ядре, в основном в радиальном направлении,  – плотность заряда (1).

 

Для плотности силы Кориолиса имеем:

 

.                                                     (11)

 

Силы (10) и (11) противоположны по направлению и обе одинаковым образом зависят от скорости  движения вещества, при этом магнитное поле и угловая скорость вращения приблизительно параллельны. Инерционная сила (11) существенно превышает магнитную силу (10), поскольку вещество ядра не является идеальным проводником. Предположим теперь, что для всех планет, в которых магнитное поле генерируется в ядре, имеется одна и та же зависимость между силами (10) и (11). А именно, положим, что для модулей плотностей сил выполняется соотношение , где . Из (10) и (11) получаем:

 

.                                                         (12)

 

Плотность вещества  в правой части (12) в пределах ядра изменяется не так существенно, как величины  и  в левой части. Подставим вместо  и  некоторые средние величины, вносящие наибольший вклад. Положим , как модуль удвоенной плотности заряда из (1) при . Вместо  используем величину , равную половине модуля индукции магнитного поля в центре ядра из (3). Равенство (12) после исключения величины  с помощью (2) приобретает следующий вид:

 

,

 

.                                                 (13)

 

Если коэффициент  приблизительно одинаков для всех планет, то (13) задаёт формулу для определения магнитных моментов планет через их известные угловые скорости вращения , радиусы ядер  и плотности вещества , находящегося в этих ядрах. Зависимость вида (13) была построена в [14] и там было отмечено, что она аппроксимирует магнитные моменты планет так же хорошо, как и зависимость магнитных моментов от спинов ядер планет. Даже магнитный момент Солнца неплохо удовлетворяет формуле (13). Отметим, что зависимость магнитного момента планеты в виде  была найдена также и в [15].

Оценим модуль индукции максимального магнитного поля в центре планеты, подставляя в (3) значение  из (13):

 

.                                                  (14)

 

Из (14) следует, что магнитное поле в ядре определяется угловой скоростью вращения, радиусом ядра и плотностью вещества. Выражение (14) можно преобразовать, учитывая соотношение для плотности магнитной энергии в центре ядра  и соотношение для плотности кинетической энергии на экваторе ядра . Это даёт следующее равенство: . Следовательно, приблизительная одинаковость коэффициента  для всех планет вытекает из того, что плотность магнитной энергии, содержащейся в ядрах планет, пропорциональна кинетической энергии вращения ядер. По нашему мнению это указывает на то, что магнитное поле генерируется скорее вращением заряда, имеющего некоторый градиент распределения в ядре из-за разности температур и давления, чем за счёт механизма ГД. Оценку  можно получить из (13). Подставляя данные для Земли, находим .

 

3. Изменения амплитуды и полярности магнитного поля Земли

Индукция магнитного поля нашей планеты непостоянна, она испытывает колебания с различием минимального и максимального значений почти в два раза с периодом около 7500 лет (основная частота в спектре). Имеются также колебания с характерными периодами от 550 до 1800 лет [7], объясняемые магнитогидродинамическими волнами в ядре Земли. В частности, дрейф изолиний недипольной части магнитного поля к Западу происходит со скоростью 0,2º в год, делая полный оборот за 1800 лет. На экваторе внешнего ядра это соответствовало бы скорости движения вещества м/с.

В спектре геомагнитного поля присутствуют колебания с периодом порядка 60 лет, совпадающие по времени с вариациями скорости вращения Земли. Если считать, что вещество должно за 60 лет пройти круг с радиусом, равным радиусу  внутреннего ядра, то получается скорость  м/с. Это слишком большая скорость для течения вещества. Зато  как раз совпадает с магнитогидродинамической скоростью волны Альфвена, равной .

 

Если подставить сюда вместо  индукцию магнитного поля из (5) для , то есть величину порядка , то с учётом (3) находим  м/с. Таким образом, поперечные магнитогидродинамические волны вблизи внутреннего ядра могут оказывать влияние на его вращение, на изменение скорости вращения Земли и на общее магнитное поле, пропорциональное угловой скорости вращения согласно (13).

Одной из причин для возникновения магнитогидродинамических волн в ядре Земли могут быть явления, подобные солнечным и лунным приливам, наблюдаемым на воде в океанах и морях. Энергия приливов может при их биениях на крупных неоднородностях вещества подпитывать энергию волн. Если магнитогидродинамические волны распространяются вблизи поверхности внешнего ядра, то здесь при малых магнитных полях скорости волн становятся меньше. Вероятно, это и приводит к дрейфу изолиний с периодами порядка 1000 и более лет, с соответствующими скоростями волн, эквивалентными скоростям вещества около значения . Несовпадение направлений движения магнитогидродинамических волн вблизи внутреннего ядра и на периферии внешнего ядра между собой и направлением вращения Земли, наличие возможных неоднородностей в ядре, колебания положения внутреннего ядра относительно центра Земли и другие подобные причины приводят к сдвигу конвективных течений и могут явиться причиной наблюдаемого отклонения оси магнитного диполя от оси вращения Земли приблизительно на 11º, и к сдвигу центра диполя на некоторое расстояние от центра Земли. Магнитный полюс кружит около северного географического полюса: в 1580 году в Лондоне стрелка компаса отклонялась от географического полюса к востоку почти на 11º, а в 1960 году – на 10º, но уже в сторону запада. Противоположные магнитные полюса Земли могут также находиться не на одной и той же оси диполя, а иметь некоторый сдвиг относительно неё.

Рассмотрим теперь возможные причины медленных колебаний магнитного поля. Используя соотношение (9) и разделив радиус внешнего ядра на скорость вещества, можно найти характерный период циркуляции вещества в ядре:

 

 лет.                                          (15)

 

Это значение близко к продолжительности магнитного поля одной полярности, наблюдаемой в последнее историческое время (около  лет). Следовательно, в (15) и в (9) . В прошлом чаще имели место более длительные периоды одной полярности, до миллиона лет и более. Таким образом, не каждая циркуляция вещества ядре приводит к смене знака магнитного поля, скорее при одной полярности имеют место наблюдаемые колебания амплитуды поля со средним периодом порядка 7500 лет.

С точки зрения электрокинетической модели, первоначальное разделение зарядов (положительный заряд в центре, отрицательный заряд на периферии ядра) периодически нарушается, благодаря конвекции вещества. Это происходит следующим образом. Предположим, заряд распределён в ядре по закону (1). Данному распределению заряда соответствует определённая конфигурация электрического поля.

Путём решения уравнения Пуассона  при известной зависимости (1) плотности заряда  от текущего радиуса мы можем найти распределение потенциала и напряжённости электрического поля в ядре Земли:

 

,                         ,                          (16)

 

При этом на радиусе  внешней коры электрический потенциал равен нулю,  а Кл/м³ – плотность заряда в центре Земли.

 

При малых радиусах, а также при  электрическое поле (16) стремится к нулю. Максимальное электрическое поле достигается при , то есть в середине внешнего ядра: В/м. Такое большое электрическое поле, даже при условии его частичной нейтрализации, может служить причиной постоянной ионизации вещества. Для сравнения, в атоме водорода на радиусе Бора электрическое поле ядра равно В/м.

 

Поэтому, как только достигается первоначальное максимальное разделение зарядов в ядре Земли, за счёт ионизации в центре ядра часть вещества заряжается положительно и начинает двигаться к периферии ядра, в основном за счёт конвекции. Одновременно отрицательно заряженная часть вещества имеет возможность переноситься в центр ядра. За время, близкое ко времени (15), распределение заряда в ядре по закону (1) нарушается, происходит частичная или полная компенсация электрического заряда. Для смены полярности магнитного поля необходимо, чтобы произошла такая избыточная компенсация электрического заряда, при которой пришедший вместе с веществом новый заряд занял позицию, близкую к периферии ядра. Тогда вклад этого заряда в магнитный момент будет определяющим для знака магнитного поля на поверхности Земли. Как указывалось выше, не за каждый период времени (15) происходит изменение полярности магнитного поля, для этого может понадобиться и более 7 таких периодов.

Приблизительно также возможно объяснить периоды колебаний амплитуды магнитного поля с периодом 7500 лет. В этом случае, если использовать (15), вещество проходит характерный путь, равный , то есть в 20 раз меньше радиуса внешнего ядра. Горячее заряженное вещество, циркулирующее вблизи периферии ядра, всплывает и после охлаждения уходит обратно в глубину ядра, периодически изменяя величину суммарного заряда и значение магнитного поля почти в два раза. Заряда этого вещества не хватает для изменения знака заряда вещества на периферии ядра и изменения полярности магнитного поля, поскольку он берётся из ограниченного объёма. К переполюсовке магнитного поля Земли приводят лишь более масштабные радиальные движения заряженного вещества.

Мы можем оценить максимальную энергию электрического поля в ядре Земли, интегрируя по объёму ядра с учётом (16) имеем:

 

 Дж.

 

Такой же порядок энергии имеет и тепловая энергия ядра Земли, а также энергия давления. Таким образом, в ядре Земли в принципе возможно разделение зарядов и как следствие генерация магнитного поля за счёт вращения этих зарядов, в комбинации с магнитным гидродинамическим динамо.

 

4. Магнитное поле звёзд и Солнца

Современная техника измерения магнитных полей позволяет уже обнаруживать на звёздах сравнительно небольшие детали поля и строить средне и крупномасштабные магнитные топологические карты. Это даёт возможность отделить полоидальное (меридиональное) поле от тороидального поля, направленного вдоль параллелей. Изучение магнитных конфигураций молодых маломассивных полностью конвективных звёзд в [16] показало, что чем быстрее вращается звезда, тем сильнее проявляется в ней общая дипольная компонента на фоне полей магнитных пятен на поверхности. Например, карлик V374 Peg спектрального класса M4,5 (с периодом вращения около 12 часов, почти в 60 раз меньше периода собственного вращения Солнца), имеет очень сильное осесимметричное магнитное поле в районе полюсов. Молодые только что рождённые звёзды типа T-Tauri демонстрируют на полюсе магнитную индукцию величиной в десятые доли Тл, так что такие осесимметричные поля эффективно управляют потоками аккрецирующего вещества с массивных дисков возле этих звёзд, а также джетами в районе полюсов. Описанная картина противоречит большинству теорий ГД, предсказывающих для полностью конвективных звёзд скорее преобладание тороидальной компоненты поля над полоидальной. В то же время пропорциональность магнитного поля угловой скорости вращения в целом соответствует нашему выражению (14). Для звёзд типа Солнца часто наблюдают смену полярности их магнитного поля, пятнистую структуру магнитного поля, а также стабильные состояния с небольшой магнитной активностью (наподобие минимума Маундера для Солнца). Многие исследователи отмечают, что распределения магнитного поля очень схожи у магнитных A и B-звёзд, у белых карликов и нейтронных звёзд, что предполагает единый механизм его образования у звёзд ещё на стадии главной последовательности или даже ранее [17].

Применим электрокинетическую модель для обоснования возникновения и поддержания магнитного поля Солнца. С некоторыми отклонениями приблизительно 9 раз за каждые 100 лет полярность поля Солнца на полюсах изменяется на противоположную, одновременно с этим  протекают 11-летние циклы солнечной активности. Таким образом, через каждые 22 года полярность поля становится прежней, что и даёт полный период изменения магнитного поля. Магнитный диполь Солнца в максимуме оценивается величиной Дж/Тл согласно [18]. При среднем радиусе Солнца м находим для этого случая индукцию поля на полюсе: Тл.

Современная модель Солнца включает в себя следующие основные зоны: 1) ядро с радиусом порядка м (), где происходят термоядерные реакции. 2) зона лучистого переноса энергии с радиусом от  до м (), состоящая из ионизированного вещества. 3) конвективная зона с радиусом от  и вплоть до видимой поверхности Солнца, то есть до фотосферы, с характерной шириной зоны порядка м. Вещество в этой зоне состоит в основном из атомов, поглощающих излучение, и поэтому конвекция является здесь преобладающим способом переноса тепла к поверхности.

Особенностью Солнца является дифференциальное, нетвердотельное вращение его поверхности – на экваторе период вращения равен 25,05 дней, а к полюсам период вращения увеличивается до 34,3 дней. Для дальнейших расчётов мы будем использовать период 25,38 дней на широте 16º, где наблюдается максимум частоты появления солнечных пятен. Это даёт угловую скорость вращения рад/с как некоторую характеристику среднего вращения Солнца.

Сделаем теперь оценки среднего магнитного поля внутри Солнца, исходя из того, что разделение зарядов имеет место на всём протяжении радиального расстояния в соответствии с линейным приближением (1). Из (2) находим плотность заряда в центре в виде  Кл/м³. Аналогично, из (3) для магнитного поля в центре Солнца имеем:

 

Тл.                                    (17)

 

Если бы на краю зоны лучистого переноса было некоторое постоянное полоидальное магнитное поле, оно не должно было бы превышать несколько гаусс, иначе оно пронизывало бы конвективную зону и было бы причиной несимметрии амплитуды магнитного поля в обеих половинах магнитного цикла [19-20].

Получается, что усреднённые полоидальные магнитные поля внутри Солнца такие же небольшие, как и в ядре Земли. Суммарные магнитные потоки на поверхности Солнца в мелкомасштабных деталях также приблизительно равны суммарным магнитным потокам в крупномасштабных структурах, давая эффективное среднее поле с индукцией Тл. Пиковая индукция поля, обнаруживаемая в отдельных волокнах в тёмных пятнах на поверхности Солнца, может почти в тысячу раз превышать значение поля (17). Однако магнитное поле, усреднённое по всей площади типичного солнечного пятна, равно приблизительно Тл, то есть существенно меньше пиковых значений.

Из наблюдений за солнечными пятнами следует, что они движутся быстрее, чем окружающая их плазма на поверхности Солнца. Кроме этого, вновь появляющиеся пятна имеют увеличенную скорость движения по отношению к старым пятнам. Это объясняется тем, что в глубине вещество вращается быстрее, чем на поверхности. Пятна посредством магнитного поля связаны с глубокими слоями и потому движутся быстрее, причём молодые пятна в среднем находятся глубже старых пятен. На рисунке 2 представлен профиль частоты вращения вещества в недрах Солнца, из которого следует частота вращения порядка 450 нГц для дна конвективной зоны [21].

При взаимодействии вещества в ходе конвекции между различными слоями должен происходить обмен моментом импульса. В равновесии удельный момент импульса (момент импульса единичной массы) будет стремиться к константе: . Отсюда видно, что угловая скорость вращения  должна быть обратно пропорциональна квадрату радиуса  и квадрату синуса полярного угла , связанного с широтой  выражением . Но как видно из рисунка 2, на экваторе с широтой 0º вещество вращается всё быстрее при приближении к поверхности Солнца, а у самой поверхности частота вращения снова уменьшается.

Почему же происходит ускорение вращения в конвективной зоне? На наш взгляд, причиной является магнитное поле. Из простой линейной зависимости для магнитного поля вида (5) следует, что где-то вблизи радиуса  магнитное поле должно быть минимальным и менять знак. В конвективной зоне магнитное поле усиливается и всё более существеннее влияет на вещество. Общее магнитное поле Солнца вращается с некоторой средней скоростью, задаваемой всем веществом в целом. В свою очередь, вещество стремится вращаться с этой же средней скоростью, благодаря эффекту частичной вмороженности магнитных силовых линий в вещество. Действие поля будет сильнее проявляться там, где больше амплитуда поля, больше связанность поля с веществом и меньше трение слоёв вещества. По видимому, эти условия лучше выполняются для экваториальной области конвективной зоны, которые вносят наибольший вклад в магнитное поле и одновременно сами вращаются быстрее. Согласно [22], небольшого магнитного поля с индукцией порядка Тл было бы достаточно для поддержания наблюдаемого почти твёрдого вращения зоны лучистого переноса.

 

 

 

Различные оценки показывают, что скорости движения элементов вещества в конвективной зоне Солнца значительно превышают скорости в ядре Земли. Согласно [23], скорость конвекции на дне конвективной зоны порядка 1 м/с, а на поверхности фотосферы Солнца скорость может достигать и 3 км/с. Достаточно большое солнечное пятно размером в десятки тысяч км может появиться на поверхности Солнца за два-три дня. Если ширина пятна приблизительно равна пути, пройденном веществом, то средняя скорость вещества должна быть порядка 100 м/с.

Мы можем оценить характерные числа, описывающие движение вещества в магнитном поле. Величина , называемая коэффициентом магнитной диффузии, на дне конвективной зоны известна неточно и предположительно имеет значение м²/с [24]. Подставляя это значение в (9) при , и заменяя там  на м, находим диапазон скорости вещества:  м/с.

 

Магнитное число Рейнольдса на дне конвективной зоны получается равным . Согласно [25], магнитное число Прандтля лежит в диапазоне  для дна и верха конвективной зоны соответственно. Тогда на дне конвективной зоны число Рейнольдса будет порядка .

Исходя из скорости движения вещества по радиусу в конвективной зоне, можно оценить характерный период циркуляции вещества:

 

лет.                                           (18)

 

В интервал (18) попадает наблюдаемый 11-летний цикл активности Солнца, сопровождающийся сменой полярности магнитного поля. Если исходить из (16) и электрокинетической модели, то в центре Солнца периодически должно возникать электрическое поле величиной до В/м. Некоторая доля этого поля, образующегося от максимального разделения заряда внутри всего Солнца, действует и в конвективной зоне. Под влиянием этого электрического поля в конвективной зоне периодически создаются условия для переноса заряженного вещества соответствующего знака к верхним слоям с последующей компенсацией электрического поля. При этом происходит не только компенсация электрического поля, но и перезарядка верхних слоёв конвективной зоны. Это приводит к инверсии магнитного поля Солнца, созданию в объёме Солнца электрического поля противоположной полярности и затем к повторению цикла.

Описанная картина подтверждается следующими обстоятельствами. Известно, что смена полярности магнитного поля на полюсах происходит после максимума солнечных пятен, несколько позже середины 11-летнего цикла. Появление солнечных пятен ассоциируется с началом прихода заряженного и намагниченного вещества из глубины конвективной зоны. К моменту максимума прихода вещества и максимума солнечной активности исчезает как внутреннее электрическое поле, так и магнитное полоидальное осесимметричное поле. Дальнейший приход вещества приводит к электрической перезарядке вещества, инверсии дипольного магнитного поля и зарождению новых, заряженных соответствующим образом порций вещества в недрах Солнца. Обнаруженную корреляцию общего вращения Солнца с солнечным циклом [26] как раз можно объяснить изменением момента импульса Солнца за счёт периодического перемещения заряженного и намагниченного вещества из глубины к внешним слоям и обратно.

Известно, что максимальная угловая скорость движения солнечных пятен по поверхности Солнца практически равняется максимальной угловой скорости вращения вещества, которая достигается на глубине м. При размерах пятен в десятки тысяч км они настолько же глубоко погружены в вещество Солнца, и там достаточно хорошо связаны с быстровращающимися нижележащими слоями.

Как видно из рисунка 2, в слое от  и вплоть до поверхности Солнца наблюдается отрицательный градиент угловой скорости. Данный слой иногда называют слоем супергрануляции, поскольку размеры супергранул на поверхности Солнца также порядка м. Как гранулы с размерами около м, так и супергранулы являются отражением стационарной конвекции на поверхности Солнца. Действительно, супергранулы угловаты и похожи на многоугольники, напоминая шестиугольные ячейки Бенара в тонком слое жидкости, подогреваемой снизу. Потоки плазмы в супергранулах текут от центра к границам супергранул, где опускаются вглубь вдоль магнитных силовых линий (магнитное поле на границах в десятки и в сотни раз, а в углах границ – в тысячи раз превышает среднее магнитное поле Солнца). Если разделить толщину слоя супергрануляции  на среднюю скорость конвекции вещества 250 м/с, то как раз получается около 40 часов – среднее время жизни супергранулы.

Можно также предположить, что размеры супергранул связаны в том числе с магнитным упорядочением. Используем формулу для супергранул и границ между ними как для магнитных доменов с противоположными знаками магнитного поля. В теории ферромагнетизма имеется формула, связывающая размер домена , ширину междоменной стенки  и характерный размер образца  [27]: . Беря вместо  размер супергранулы, вместо  длину окружности Солнца, а вместо  − ширину границы между супергранулами, для последней находим км. Следовательно, отношение площади супергранулы к площади её границы равно . Если магнитные потоки через всю супергранулу и её границу равны и противоположны, то магнитное поле на границе супергранулы должно быть приблизительно в 75 раз больше, чем среднее магнитное поле Солнца, что и наблюдается.

Из наблюдений за пятнами вытекает, что они представляют собой сечения длинных магнитных трубок больших размеров, выходящих на поверхность. Если первоначально замагниченное осесимметрично вещество под действием конвекции движется внутри Солнца радиально в виде расширяющихся отдельных сферических слоёв, то под действием дифференциального вращения в конвективной зоне экваториальные течения вытягивают из этих слоёв трубки в направлении параллелей. Когда первые магнитные трубки достигают поверхности после очередного минимума солнечной активности, они сосредоточены в основном на высоких широтах, при 35º – 45º. Конечно, имеются поднимающиеся трубки и на низких широтах, но они встречаются с опускающимися трубками предыдущего цикла, аннигилируют с ними и потому почти не проявляются. По мере развития цикла солнечной активности трубки и связанные с ними солнечные пятна появляются всё ближе и ближе к экватору, находясь в поясе от 15º до 20º широты в момент инверсии магнитного поля. К концу цикла пятна сосредоточены в основном на широтах  ±(5º – 10º).

Часто встречаются конфигурации, когда одна трубка даёт сразу 4 солнечных пятна, находящихся в углах трапеции. Например, имеется первое ведомое пятно в северном полушарии; движущееся впереди него ведущее пятно, как правило находящееся ближе к экватору; второе ведущее пятно, но уже в южном полушарии; и ведомое пятно в южном полушарии. Знаки магнитного поля в пятнах чередуются так, как если бы пятна были сечениями одной магнитной трубки, сильно вытянутой вдоль экватора, а магнитное поле из одного пятна переходит в последующее пятно либо над поверхностью фотосферы, либо внутри её. В группе пятен пятно-лидер обычно имеет то же направление поля, что и поле на соответствующем полюсе Солнца. Это говорит о том, что кроме инверсии магнитного поля на полюсах имеется соответствующая инверсия и магнитного поля внутри всплывающих трубок. Тот факт, что полный цикл смены магнитного поля на полюсах равен 22 годам, дополняется неравенством амплитуд поля разной полярности с периодом 22 года (по-видимому, как следствие неэквивалентности потоков положительно и отрицательно заряженного вещества, периодически приходящего из недр Солнца).

Во время цикла инверсии магнитного поля Солнца и 11-летнего цикла солнечной активности происходит встреча нагретых магнитных трубок, поднимающихся кверху под действием конвекции, и опускающихся холодных магнитных трубок. Магнитные поля в этих трубках направлены противоположно, противоположными оказываются и заряды, сосредоточенные в трубках. Кроме возникающих электрических сил от зарядов вещества и магнитных сил, в трубках могут протекать продольные токи, дающие дополнительные силы притяжения или отталкивания. При замене одного поколения трубок на другое происходит аннигиляция части трубок, некоторые из них соединяются, а их электромагнитная энергия преобразуется в звуковые и магнитогидродинамические волны. На Солнце обнаруживаются инфранизкие звуковые колебания с периодами от 200 до секунд, которые модулируют солнечный ветер и в итоге отражаются на многих земных явлениях. Например, аналогичные частоты колебаний получают магнитное поле, атмосфера, геологические структуры Земли и даже напряжение трансокеанских кабелей. Освобождение значительного количества энергии трубок приводит в движение большие массы солнечного вещества от фотосферы до короны, которые наблюдаются в виде протуберанцев, солнечных вспышек и вариаций солнечного ветра.

Кроме 11-летнего цикла солнечной активности (иногда его называют цикл Швабе, Schwabe cycle), и 22-летнего цикла двойного изменения полярности дипольного магнитного поля или Hale цикла, у Солнца обнаруживаются (с помощью изотопного анализа колец на срезах деревьев, образцов гренландского льда) и более длинные периоды. К ним относятся: 88-летний цикл Глейсберга (Gleissberg cycle), 205-летний цикл Де Врие (De Vries or Suess cycle), 2100 или 2300-летний цикл Халлстатта (Hallstatt cycle). Циклы с периодами 88 и 205-лет проявляются в частности в длительных спадах солнечной активности. Спады имели место в 1010–1050 годах в минимуме Оорта (Oort minimum), в 1280–1340 годах в минимуме Вольфа (Wolf minimum), в 1450–1550 годах в минимуме Шпёрера (Spörer minimum), в 1645–1715 годах в минимуме Маундера (Maunder minimum). В минимуме Маундера имел место 15-летний цикл активности, а после минимума солнечные пятна появлялись в основном в северном полушарии Солнца. Не исключено, что сдвиги длительности циклов и длинные периоды связаны с изменениями тяготения от планет Солнечной системы, периодически оказывающими влияние на процессы, протекающие внутри Солнца.

 

5. Выводы

Нашей целью было показать наличие особого механизма, который в дополнение к магнитному динамо приводит к периодическому преобразованию тепловой энергии космических тел в электромагнитную, в особенности в магнитную энергию. Особенностью электрокинетической модели является сведение до минимума потерь от электрических токов, необходимых для генерации магнитного поля. Это делает модель независимой от известной проблемы затухания магнитного поля. После очередного разделения зарядов за счёт конвекции, градиентов температуры и давления, заряженное вещество синхронно вращается вместе с космическим телом, создавая объёмные электрические токи в конвективной зоне. За счёт этих токов тело приобретает магнитный момент, пропорциональный угловой скорости вращения.

Благодаря сферической симметрии, объёмные заряды в центре ядра и в оболочке тела относительно устойчивы. Однако внутри тела приблизительно на середине радиуса возникает значительное электрическое поле. Это создаёт условия для колебательного режима, приводящего в итоге к периодическим сменам полярности магнитного поля. По мере разделения зарядов и роста градиента заряда вдоль радиуса тела, нарастает и внутреннее электрическое поле. Оно приводит к тому, что внутри тела поднимающееся под действием конвекции вещество несёт преимущественно заряд такого знака, который старается компенсировать объёмный заряд в оболочке тела. После всплывания достаточного количества заряженного вещества в оболочке в среднем исчезает и объёмный заряд, и электрическое и осесимметричное магнитное поля. Если заряженное вещество продолжает всплывать дальше, то оболочка тела перезаряжается и при вращении тела создаётся дипольное магнитное поле противоположного знака. Амплитуда полученного магнитного поля зависит как от частоты вращения, так и от радиуса, на котором происходит конвекция (чем больше вещества заряжается в недрах тела, тем в большей степени это вещество может перезарядить оболочку). Период изменения магнитного поля прямо пропорционально зависит от радиуса конвекции и обратно пропорционально от скорости конвекции. Именно благодаря высокой скорости конвекции и движения вещества период изменения магнитного поля Солнца существенно короче, чем период изменения магнитного поля Земли.

Следует отметить, что сильные электрические поля внутри космических объектов, возникающие за счёт разделения зарядов, могут не проявлять себя для внешнего наблюдателя. Это связано со сферической симметрией поля и общей электрической нейтральностью космических объектов.

В [28] указывается, что скорость счёта солнечных нейтрино перхлорэтиленовым детектором в эксперименте Дэвиса имеет явную антикорреляцию с солнечным циклом. Точной причины этого явления ещё не найдено. Мы же можем предположить, что причина данного явления связана с сильным электрическим полем в конвективной оболочке Солнца, возникающим вследствие разделения зарядов и достигающим максимума в максимуме солнечной активности. Сильное электрическое поле влияет на образование и распространение нейтрино, образующихся в термоядерных реакциях в солнечном ядре, изменяя условия протекания реакций слабого взаимодействия. С другой стороны, эффект Михеева – Смирнова – Вольфенштейна связывает осцилляции нейтрино с электронами вещества в результате рассеяния электронных нейтрино на электронах

У Солнца обнаруживается дифференциальное вращение вещества в конвективной зоне, зависящее как от радиуса, так и от полярного угла. Кроме этого, имеется и меридиональное движение вещества. Вследствие этого полоидальные магнитные поля, связанные с веществом, имеют возможность вытягиваться в тороидальные поля и концентрироваться в магнитные трубки со значительным увеличением суммарной индукции магнитного поля. Всплывающие магнитные трубки нового поколения, несущие на себе электрический заряд, встречаются с опускающимися магнитными трубками предыдущего поколения с противоположным электрическим зарядом и противоположным направлением магнитного поля. Поэтому вблизи максимума солнечной активности энергия, высвобождаемая при аннигиляции магнитных трубок, посредством магнитных и звуковых волн подпитывает такие масштабные явления, как протуберанцы и солнечные вспышки. По всей видимости, и чрезвычайно высокая температура короны (более миллиона градусов), обязана своим происхождением перекачке волнами электромагнитной энергии из вещества в самые высокие слои атмосферы Солнца. Сама форма короны приобретает наибольший объём именно вблизи максимума солнечной активности.

Из изложенного следует, что на Земле в периоды переполюсовки магнитного поля также следует ожидать усиления геологической активности, увеличения частоты землетрясений, изменения климата, аномальных явлений в океане и в атмосфере, повышенного влияния космических лучей на живые организмы и т.д.

 

6. Ссылки

1.        Larmor J. How could a rotating body such as the Sun become a magnet? Reports of the British Association, 1919,  Vol. 87, P. 159 – 160.

2.        Vainshtein S., and Zel’dovich Ya. B. Origin of Magnetic Fields in Astrophysics (Turbulent ’Dynamo’ Mechanisms). Sov. Phys. Usp., 1972, Vol. 15, P. 159 – 172. http://dx.doi.org/10.1070/PU1972v015n02ABEH004960.

3.        Kono M., and Roberts P.H. Recent geodynamo simulations and observations of the geomagnetic field. Reviews of Geophysics, 2002, Vol. 40, P. 1 – 53. http://dx.doi.org/10.1029/2000RG000102.

4.        Tobias S.M. The Solar Dynamo. Philosophical Transactions of the Royal Society A, 2002, Vol. 360, P. 2741 – 2756. http://dx.doi.org/10.1098/rsta.2002.1090.

5.        Michael J. Thompson. Grand Challenges in the Physics of the Sun and Sun-like Stars. Front. Astron. Space Sci. 2014, 1. doi: 10.3389/fspas.2014.00001.

6.        Information on monitoring and modelling the geomagnetic field. British Geological Survey, August 2005. http://www.geomag.bgs.ac.uk.

7.        Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли и планет. М.: Наука, 1978, 198 стр.

8.        Fedosin S. The physical theories and infinite hierarchical nesting of matter, Volume 1, LAP LAMBERT Academic Publishing, 2014, 580 pages, ISBN-13: 978-3-659-57301-9.

9.        Fedosin S.G. The radius of the proton in the self-consistent model. Hadronic Journal, 2012, Vol. 35, No. 4, P. 349 – 363.

10.    Fedosin S.G., Kim A.S. The Physical Theory of Ball Lightning. Applied Physics (Russian Journal), 2001, No. 1, P. 69 – 87.

11.    Fedosin S.G. Sovremennye problemy fiziki: v poiskakh novykh printsipov. Moskva: Editorial URSS, 2002, 192 pages. ISBN 5-8360-0435-8.

12.    Ponomarenko Yu. B. Theory of the hydromagnetic generator. J. Appl. Mech. Tech. Phys., 1973, Vol. 14, P. 775 – 778. http://dx.doi.org/10.1007/BF00853190.

13.    Schekochihin A. A. et all. Fluctuation dynamo and turbulent induction at low magnetic Prandtl numbers. New Journal of Physics, 2007, Vol. 9, P. 300. http://dx.doi.org/10.1088/1367-2630/9/8/300.

14.    Fedosin S. G. Fizika i filosofiia podobiia ot preonov do metagalaktik. Perm, 1999, 544  pages. ISBN 5-8131-0012-1.

15.    Busse F. H. Generation of planetary magnetism by convection. Physics of The Earth and Planetary Interiors, 1976, Vol. 12, Issue 4, P. 350 – 358. http://dx.doi.org/10.1016/0031-9201(76)90030-3.

16.    Donati J.-F. at al. Magnetic Topologies of Cool Stars, 14th Cambridge Workshop on Cool Stars, Stellar Systems, and the Sun, ASP Conference Series, 2008, Vol. 384, P. 156 – 156.

17.    Reisenegger A. Neutron stars and their magnetic fields. RevMexAA (Serie de Conferencias), 2009, Vol. 35, P. 139 – 145.

18.    Аллен К.У. Астрофизические величины. М.: Мир, 1977, 279 стр.

19.    Friedland, A. and Gruzinov, A., Bounds on the Magnetic Fields in the Radiative Zone of the Sun, Ap. J. 601, 570–576 (2004).

20.    Boruta N., Solar dynamo surface waves in the presence of a primordial magnetic field: A 30 gauss upper limit in the solar core, Astrophys.J., 458, 832, 1996.

21.    Thompson M. J., Christensen-Dalsgaard J., Miesch M. S., Toomre J. The internal rotation of the Sun. Ann. Rev. Astron. Astrophysics, 2003, Vol. 41, P. 599–643. http://dx.doi.org/10.1146/annurev.astro.41.011802.094848.

22.    Rüdiger G., Hollerbach R. The magnetic universe. Weinheim, Wiley-VCH, 2004, 343 pages. ISBN 3-527-40409-0.

23.    Прохоров А.М., Абашидзе И.В. Физика космоса. Под ред. Сюняева Р.А. М.: Сов. энциклопедия, 1986, 783 стр.

24.    Jiang J., Wang J. X. A dynamo model for axisymmetric and non-axisymmetric solar magnetic fields. Mon. Not. Roy. Astron. Soc., 2007, 377:711-718. http://dx.doi.org/10.1111/j.1365-2966.2007.11644.x.

25.    Brandenburg Axel. The solar interior – radial structure, rotation, solar activity cycle. In Handbook of Solar-Terrestrial Environment, ed. Y. Kamide & A. C.-L. Chian, Springer, pp. 27-54.

26.    Donahue, R. A., Keil, S. L. The solar surface differential rotation from disk-integrated chromospheric fluxes. Solar Phys., 1995, Vol. 159, P. 53 – 62. http://dx.doi.org/10.1007/BF00733031.

27.     Landau, L.D.; Lifshitz, E.M. (1935), Theory of the dispersion of magnetic permeability in ferromagnetic bodies, Phys. Z. Sowietunion, 8, 153.

28.    Davis R. at all. In Neutrino ’88, Proceedings of the XIII th International Conference on Neutrino Physics and Astrophysics, ed. J. Scheps et al. (World Scientific 1989), p. 518.

 

Источник: http://sergf.ru/gen.htm

На научный сайт

 

Магнитное поле. Электромагнитная индукция 9 класс онлайн-подготовка на Ростелеком Лицей

Введение

 

Нужна ли нам электроэнергия? Странный вопрос, скажете вы – конечно, без неё нельзя представить жизнь современного человека. Но, как это ни парадоксально, сама по себе электроэнергия нам не нужна. От лампочки нам нужен свет, от спирали электрочайника – тепло и т.д. Однако электрический ток удобен тем, что позволяет передавать энергию на большие расстояние с относительно небольшими потерями, и уже «на месте» преобразовывать её в нужный нам вид энергии (световая, тепловая, механическая и т. д.).

 

Электрическая энергия к нашим домам доставляется от электростанций. Как они работают? Производят энергию – подойдет ли такой ответ? Нет, энергию нельзя произвести или создать, ее можно преобразовать из одного вида в другой, об этом говорит закон сохранения энергии. По-другому и быть не могло, потому что мы так и задумали понятие энергии: выделили нечто, что сохраняется.

Хорошо, разберем для примера гидроэлектростанцию – ГЭС. Вода падает, вращается турбина, она что-то дальше приводит в движение, а на выходе по проводам течет электрический ток. Если не знать, что там за механизм, уже понятно: механическая энергия преобразуется в электрическую.

 

Магнитное поле

 

 

Электричество – это одно из проявлений некой более общей сущности. Заряд обладает электромагнитным полем, и это поле проявляется по-разному в разных системах отсчета. В системах отсчета, в которых заряд неподвижен, проявляется та составляющая, которую мы назвали электрическим полем. В системах отсчета, в которых заряд движется, добавляется вторая составляющая, которую назвали магнитным полем. Эта ситуация для нас тоже не новая: для человека в поезде яблоко на столе неподвижно, для человека на платформе – движется со скоростью поезда.

 

Вот от этой разницы между подвижной и неподвижной системами отсчета многое и зависит. Видите, связь между проявлениями электромагнитного поля, заключается в движении. Как раз движение магнита внутри проводящих катушек и создает в них ток.

Это понимание пока не позволит спроектировать электростанцию. Но мы уже хотя бы понимаем, что поток воды нужен, чтобы вращать магнит, и приблизительно представляем, что вращение магнита может быть связано с возникновением электрического тока.

Чтобы описывать эти процессы количественно, нужна четкая модель, поэтому давайте разберемся в явлении подробно и по порядку.

---

 

Об истории исследований

Исторически сложилось так, что электрическое поле и магнитное поле долго изучали раздельно. Человечество проделало долгий путь от наблюдения искр, пробегающих между наэлектризованными шерстью и янтарём, до изготовления электрических приборов. Люди также давно знакомы с постоянными магнитами, используют их в компасах. И когда электрические и магнитные явления были давно изучены отдельно, только потом постепенно начали узнавать об их связи. Выяснили, что магнитное поле тоже создается электрическим зарядом, только определенным образом, движущимся в данной системе отсчета, и что это два проявления одного электромагнитного поля.

Нам, живущим в 21 веке, повезло, что весь этот путь к пониманию уже давно проделан до нас, и мы можем сразу говорить об электромагнитном поле. Однако математически описать единое электромагнитное взаимодействие сложно. К тому же для отдельных его проявлений, электрического и магнитного, уже разработаны математические модели, изучены закономерности, которые подходят для решения своих задач. Поэтому мы ими свободно пользуемся и на их базе придумываем новые.

---

Как и всё ненаблюдаемое, мы изучаем магнитное поле по проявлениям, а проявляется оно во взаимодействии, которое назвали магнитным. Возьмем несколько постоянных магнитов и вспомним, какие мы вводили инструменты для описания магнитного поля.

Итак, у магнита есть две области, возле которых сильнее всего выражено взаимодействие с другими магнитами, такие области назвали полюсами. Возьмем один магнит и приблизим к его полюсу второй магнит, сначала одной стороной, потом второй. В одном случае они притянутся, во втором – оттолкнутся. Делаем вывод, что у магнита полюсы двух видов.

Найдем у двух магнитов полюсы одного вида (или одноимённые): пусть они оба притягиваются к одному и тому же полюсу третьего магнита. Поднесём их друг к другу – они отталкиваются. А разноимённые полюса притягиваются.

Чтобы как-то различать полюса, для них придумали обозначения. Одним из первых применений магнита был компас: стрелка компаса – это магнит, который своими полюсами ориентируется в направлении север-юг, поэтому полюса магнитов так и назвали: северный и южный.

Для магнитного поля придумали удобный способ их изобразить: линии магнитной индукции, еще мы их называли просто магнитными линиями. Это линии, вдоль которых ориентируется магнитная стрелка компаса, помещенная в магнитное поле, и северный полюс стрелки указывает на направление этих линий.

Рис. 1 – Магнитное поле магнитной стрелки компаса

Таким образом, линии магнитной индукции «выходят» из северного полюса магнита и «входят» в южный полюс. Эти линии замкнутые, их можно продолжить внутри магнита.

Однако магнитными полем обладает не только постоянный магнит. Магнитное поле – это проявление электромагнитного поля заряда, и проявляется оно в системах отсчета, в которых заряд движется. Движение электрического заряда – это электрический ток. Так что магнитное поле возникает вокруг проводника с током.

---

 

Опыт Эрстеда

Как мы обнаруживаем то, что не наблюдаем непосредственно? По проявлениям. Магнитное поле нельзя пощупать, но его можно выявить по наличию магнитного взаимодействия. Мы можем взять магнитную стрелку и поднести ее к постоянному магниту. Стрелка вступит во взаимодействие с магнитом, повернётся по касательной к линиям его магнитного поля.

Так же можно выявить и магнитное поле проводника с током, как это впервые сделал Ганс Кристиан Эрстед. Если поместить рядом с проводником магнитную стрелку параллельно проводнику и пропустить через проводник ток, то стрелка повернется перпендикулярно проводнику. Если попробовать разные варианты взаимного расположения проводника и стрелок, то увидим: стрелки каждый раз ориентированы по касательной к окружности, через центр которой проводит проводник.

Рис. 2 – Расположение линий магнитного поля проводника с током

Это значит, что вокруг проводника с током есть магнитное поле, и линии его индукции представляют собой окружности.

С формой линий разобрались, осталось определить их направление. Оказалось, что при изменении направления тока в проводнике магнитная стрелка ориентировалась в противоположную сторону – магнитное поле определяется направлением тока. Закономерность такова: если направить винт со стандартной правой резьбой вдоль проводника, чтобы направление поступательного движения винта совпадало с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадёт с направлением линий магнитной индукции поля. Это правило назвали правилом правого винта или правилом буравчика.

---

Проводник можно свернуть в виток или сделать несколько витков – это уже получится катушка, причем магнитные поля витков сложатся.

Рис 3. – Магнитное поле катушки с током

---

 

Магнитное поле прямого проводника, витка и катушки с током

Мы уже умеем определять направление магнитного поля проводника с током по правилу буравчика. У нас до этого шла речь о прямом проводнике. А что, если проводник изогнут в виток или катушку? Можно рассмотреть небольшие участки проводника, которые по отдельности можно считать прямыми, и к ним можно применять правило буравчика. А поле всего проводника будет складываться из полей каждого такого участка. Рассмотрим на примере витка круглой формы.

Выберем небольшой участок проводника, в нем ток течет в одну сторону. Мысленно располагаем буравчик и вращаем его так, чтобы его поступательное движение совпадало с направлением тока. Тогда вращательное движение ручки покажет направление магнитного поля.

Рис. 4 – Направление магнитного поля в витке проводника с током

И какой бы мы ни взяли участок витка, везде линии магнитной индукции будут направлены вверх внутри витка и вниз – снаружи витка.

Рис. 5 – Магнитное поле витка с током

А теперь попробуем расположить несколько витков один за другим – получим катушку. Ее магнитное поле будет суммой магнитных полей всех её витков.

Рис. 6 – Магнитное поле катушки с током

Кстати, очень похожую на магнитное поле постоянного магнита, поэтому его можно равноценно заменить электромагнитом.

---

Магнитное поле постоянного магнита – это такое же магнитное поле, и создается оно движущимся электрическим зарядом. Мы знаем, что атомы содержат электрический заряд, отрицательно заряженные электроны с большой скоростью движутся вокруг ядер в каждом атоме – то самое необходимое движение заряда. И в некоторых веществах, в первую очередь железа и никеля, это движение может быть определенным образом ориентировано, так, чтобы вокруг этого вещества возникало магнитное поле.

 

Сила Ампера и сила Лоренца

 

 

Чтобы решать задачи и создавать приборы, мало описать магнитное поле линиями магнитной индукции. Нужно описывать поле количественно, чтобы можно было сравнивать, в какой точке поля магнитное взаимодействие сильнее, в каком слабее, какую подать силу тока через катушку и т.д.

 

Количественно характеризовать магнитное поле имеет смысл через то, что мы можем измерить – через магнитное взаимодействие. Так как магнитное поле возникает вокруг проводника с током, то естественно, этот проводник вступает в магнитное взаимодействие. Если поместить проводник с током в магнитное поле, на проводник будет действовать сила. Эту силу назвали силой Ампера.

---

 

Сила Ампера

Вокруг проводника с током возникает магнитное поле, значит, он должен вступать в магнитное взаимодействие. Действительно, проводник с током, помещенный в магнитное поле, вступает во взаимодействие с источником этого поля. Если не рассматривать, чем создано внешнее магнитное поле, то можно использовать такую модель: на проводник с током, помещенный во внешнее магнитное поле, действует сила, которую назвали силой Ампера.

Внешнее магнитное поле может быть создано другим проводником с током, и эти проводники будут взаимодействовать с силой Ампера. Если токи в проводниках текут в одном направлении, то проводники притягиваются, если в противоположных – отталкиваются.

Отталкиваются проводники или притягиваются, можно определить, рассмотрев магнитное поле одного проводника, применив к нему правило буравчика. И затем, узнав направление магнитного поля, по правилу левой руки можно определить, в какую сторону направлена сила Ампера.

Рис. 7 – Направление силы Ампера

---

Экспериментальным путем обнаружили, что сила Ампера, действующая на проводник, прямо пропорциональна силе тока в этом проводнике и длине области, помещенной в магнитное поле,

Линии магнитного поля перпендикулярны проводнику.

Рис. 8 – Линии магнитного поля

Коэффициент пропорциональности, обозначим его буквой  – это и будет силовая характеристика магнитного поля – магнитная индукция или индукция магнитного поля:

Магнитная индукция показывает, с какой силой действует магнитное поле на каждый метр проводника, по которому течет ток 1 А. Единицу измерения магнитной индукции назвали тесла и обозначили Тл в честь ученого и изобретателя, который работал в области электротехники, Николы Теслы.

Магнитное поле удобно описывать векторной величиной, оно направленное – мы сегодня уже говорили о линиях магнитной индукции, их направление определяет направление магнитного взаимодействия. Поэтому давайте зададим магнитную индукцию  как вектор.

Рис. 9 – Линии индукции магнитного поля

Его модуль мы уже определили через силу Ампера, а направим его по касательной к магнитной линии в каждой точке поля, потому эти линии и называют линиями магнитной индукции или линиями индукции магнитного поля.

---

 

Плотность линий магнитной индукции

Направление магнитного поля графически удобно обозначить линиями магнитной индукции. А как обозначить количественные характеристики поля, сильное оно или слабое? Такой характеристикой является вектор магнитной индукции , его модуль соответствует длине вектора. Но если мы не чертим векторы, а обозначаем поле линиями магнитной индукции, то плотность этих линий дает представление о модуле вектора . Конечно, точное значение определить таким образом нельзя, но можно оценивать и сравнивать, что если в какой-то области линии магнитной индукции расположены плотнее, значит поле там сильнее.

---

Модуль силы Ампера, которая действует на проводник в магнитном поле, равен , с этим мы разобрались. Как определить её направление? Вообще силы не действуют, взаимодействуют тела, а сила – это мера взаимодействия. В нашем случае это взаимодействие зарядов посредством их электромагнитного поля. Это взаимодействие сложно описать математически, гораздо проще использовать модель магнитного поля и описать, как оно действует на помещенный в него движущийся заряд.

Направление силы Ампера можно определить по правилу левой руки. Нужно расположить левую руку так, чтобы:

1) четыре пальца показывали направление тока,

2) вектор магнитной индукции «входил» в ладонь с внутренней стороны,

Тогда

3) отставленный на 90̊ большой палец укажет направление силы Ампера.

Рис. 10 – Правило левой руки

Движущийся заряд мы не обязательно описываем моделью электрического тока, это может быть просто единичная заряженная частица с зарядом , которая движется в магнитном поле. Принципиальной разницы нет, на нее тоже будет действовать сила, только формула для ее расчета немного преобразуется.

Чтобы разделить эти два случая – проводник с током и отдельная заряженная частица – этой силе дали другое название, сила Лоренца (и поставили индекс при F).

А направление силы Лоренца определяется так же, по правилу левой руки, только вместо направления тока будет направление движения положительного заряда (а мы помним, что движение отрицательного заряда математически эквивалентно движению положительного заряда в противоположную сторону).

 

Задача

 

 

Электрон движется в магнитном поле со скоростью 500 м/с перпендикулярно к направлению вектора магнитной индукции. Определите модуль и направление силы, с которой магнитное поле действует на электрон, если индукция поля равна 0,01 Тл.

 

Рис.11 – Условие задачи

Анализ условия.

Описан электрон, а это заряженная частица, которая движется в магнитном поле, значит, на нее действует сила Лоренца. Для ее вычисления у нас есть готовое уравнение. А направление силы Лоренца определим по правилу левой руки.

Физическая часть решения, запишем уравнение для силы Лоренца:

Уравнение простое, преобразований нет, давайте сразу проведем вычисления. Мы находим модуль силы, поэтому заряд электрона можем взять по модулю:

Найдём направление силы. Четыре пальца левой руки должны указывать направление движения положительного заряда. У нас движется электрон, это отрицательно заряженная частица. Математически движение отрицательного заряда в одну сторону эквивалентно движению такой же по модулю положительного заряда в противоположную сторону, мы это рассматривали, когда изучали электрический ток. Поэтому направляем пальцы руки противоположно движению отрицательно заряженного электрона. Ориентируем руку так, чтобы линии магнитной индукции «входили» в ладонь.

Рис. 12 – Решение задачи по правилу левой руки

Получим направление силы – к наблюдателю.

Задача решена.

 

Электромагнитная индукция

 

 

Как же всё-таки возникает ток на электростанции? Оказывается, если вдвигать постоянный магнит в катушку, в катушке возникнет ток. Чтобы это увидеть, можно подключить катушку к гальванометру.

 

Рис. 13 – Возникновение тока в катушке при движении магнита

---

 

Что такое гальванометр?

Если не вдаваться в особенности строения гальванометра, то это прибор, стрелка которого отклоняется при протекании через него тока. Он с его помощью можно измерить силу тока, причем очень маленькую, десятки микроампер. Можно проградуировать его шкалу в единицах напряжения. Чтобы это был полноценный амперметр или вольтметр, нужно добавить определенное внутреннее сопротивление прибора. Нас же сейчас интересует гальванометр не столько как измерительный прибор, сколько как индикатор, мы обнаруживаем сам факт, что ток протекает.

---

Если выдвигать магнит из катушки, ток тоже возникнет и его направление будет противоположным тому, который возникал при движении магнита в катушку. Причем обратите внимание, ток протекает в катушке именно в процессе движения магнита – когда движение прекращается, ток пропадает. Эта деталь мешала обнаружить этот ток его первооткрывателю Фарадею, подробнее об опыте Фарадея вы можете узнать в ответвлении.

---

 

Опыт Фарадея

Когда обнаружили, что вокруг проводника с током возникает магнитное поле, у ученых того времени возникла мысль: а не может ли из-за магнитного поля возникнуть ток в проводнике? Ведь стало понятно, что связь между ними какая-то есть. Майкл Фарадей пытался обнаружить такое возникновение тока, спровоцированное магнитным полем. Он подключал катушку к гальванометру, помещал в неё постоянный магнит и следил за стрелкой гальванометра.

В то время приборы были не такими помехозащищёнными, точными и надежными, как сейчас, поэтому, по одной из версий, гальванометр находился далеко от катушки, возможно даже в соседней комнате, чтобы никакие вибрации не создавали помехи. Поэтому, когда Фарадей помещал магнит в катушку, именно во время движения магнита в катушке возникал ток, и стрелка гальванометра отклонялась. Но когда магнит останавливался и ученый подходил к гальванометру, протекание тока уже прекращалось.

Считается, что обнаружить явление электромагнитной индукции помог ученик Фарадея, который находился возле гальванометра в момент, когда Фарадей помещал в катушку магнит, и заметил отклонение стрелки.

---

Это явление назвали электромагнитной индукцией, а возникающий при этом ток – индукционным.

Возникновение этого тока не должно нас удивлять при том, что мы уже знаем об электромагнитном поле. Мы изучили силу, которая действует на движущийся электрический заряд в магнитном поле. Но движение относительно, и заряд движется в магнитном поле или источник магнитного поля движется относительно заряда – это может быть одна и та же ситуация при рассмотрении в разных системах отсчета. И возможна ситуация, когда электроны будут двигаться в магнитном поле вместе с проводником, а сила, с которой на них действует магнитное поле, будет заставлять их двигаться вдоль проводника, то есть создаст электрический ток. Так что это еще одно проявление электромагнитного взаимодействия зарядов в атомах магнита и свободных зарядов в проводнике.

Для описания этого явления ввели удобный математический инструмент – магнитный поток через выбранную площадь. Что это за выбранная площадь? Мы рассматриваем возникновение тока в замкнутом контуре, и в этом случае ток будет зависеть от магнитного потока через площадь контура.

Так вот, магнитный поток – это по определению произведение магнитной индукции  на площадь , поток через которую вычисляется, и на косинус угла между вектором  и перпендикуляром к площади. Обозначать магнитный поток договорились большой греческой буквой , запишем:

Единицу измерения магнитного потока назвали вебер:

Теперь легко описать электромагнитную индукцию: при изменении магнитного потока через замкнутый контур в нем возникает ток, пропорциональный скорости изменения магнитного потока:

Коэффициентом пропорциональности здесь будет сопротивление всего контура . Это может быть суммарное сопротивление проводов, если контур состоит только из проводов, или сопротивление проводов плюс приборов, если в цепь включены какие-то приборы, как тот же гальванометр:

И вот что удобно: эта модель универсальна для разных случаев электромагнитной индукции. Магнит вдвигают в катушку – изменяется индукция магнитного поля  через площадь одного витка, легко вычислить магнитный поток через виток, а так как это катушка, то умножаем магнитный поток через один виток на количество витков в катушке. Магнит выдвигают из катушки – опять изменяется  и опять легко вычислить изменение магнитного потока , а значит и индукционный ток. Виток поворачивают в магнитном поле – изменяется угол между вектором  и перпендикуляром к площади витка, а значит – изменение магнитного потока и индукционный ток легко посчитать. Мы можем изменить форму и площадь витка – и снова наша модель применима, изменение площади витка означает изменение магнитного потока через эту площадь.

Модуль тока мы определили. А как определить его направление? В опыте с магнитом, катушкой и гальванометром ток был направлен то в одну, то в другую сторону, в зависимости от того, в какую сторону движется магнит и каким полюсом. Эти направления должны подчиняться какой-то закономерности. Эту закономерность обнаружил ученый Эмилий Ленц, и она названа в его честь правилом Ленца.

Возникающий при изменении магнитного потока электрический ток направлен так, чтобы его магнитное поле противодействовало тому изменению магнитного потока, которое вызвало этот ток.

Давайте разберемся на примере, определим направление индукционного тока, который возникает, если вставить в него постоянный магнит северным полюсом вниз.

Магнитный поток создается магнитным полем, индукция которого направлена вниз. Магнитный поток увеличивается, так как при неизменной площади витков и при отсутствии вращения увеличивается магнитная индукция. По правилу Ленца магнитное поле должно противодействовать этому увеличению, поэтому магнитное поле тока в катушке будет направлено противоположно магнитному полю магнита, то есть вверх. По правилу буравчика определяем, в каком направлении течет ток, если вектор магнитной индукции его магнитного поля направлен вверх.

Рис. 14 – Направление индукционного тока в катушке при погружении в нее магнита

А если затем этот магнит вытащить из катушки? Линии индукции магнитного поля по-прежнему направлены вниз, магнитный поток через катушку уменьшается. По правилу Ленца магнитное поле индукционного тока будет противодействовать этому уменьшению, то есть это магнитное поле будет как бы поддерживать уменьшающееся поле магнита, оно будет с ним со направлено, будет тоже направлено вниз.

Рис. 15 – Направление индукционного тока в катушке при отдалении от нее магнита

---

 

Самоиндукция

Изменяющееся магнитное поле (количественно это удобнее выразить через магнитный поток) создаёт электрический ток в проводнике, это явление электромагнитной индукции. Давайте рассмотрим катушку, в которой мы увеличиваем силу тока. Ток в катушке создает магнитное поле катушки. Так как мы увеличиваем силу тока, то будет увеличиваться и индукция магнитного поля.

И что мы имеем: изменяющееся магнитное поле вокруг катушки. Можно даже вычислить магнитный поток через катушку, и этот магнитный поток будет изменяться. А при изменении магнитного потока в катушке должен возникать индукционный ток! Давайте разберемся, куда он может быть направлен. Изобразим направление тока в катушке и по правилу буравчика магнитное поле катушки. Оно увеличивается, значит, по правилу Ленца, магнитное поле индукционного тока должно быть направлено противоположно нарастающему полю. Найдем направление индукционного тока, он будет направлен против того изначального нарастающего тока. Такое явление, когда изменение магнитного поля катушки создает индукционный ток в этой же катушке, назвали самоиндукцией.

Конечно, неудобно рассматривать два тока, протекающие одновременно в одной катушке, мы рассмотрим их сумму. Так как токи направлены в противоположные стороны, то индукционный ток будет вычитаться из начального тока. Полностью прекратиться протекание тока или его нарастание не может, потому что тогда не будет изменяться магнитное поле и не будет возникать «сдерживающий» индукционный ток. А вот замедление нарастания тока происходит. Ток в катушке не только медленнее нарастает из-за самоиндукции, но и медленнее убывает. Можете в качестве упражнения проследить за процессами в катушке при уменьшении тока.

Токи самоиндукции могут вредить электроприборам в моменты их включения и выключения, и это нужно учитывать при их проектировании. Но вот это явление инерционности, что ток не нарастает и не убывает мгновенно, можно и использовать, нам оно еще пригодится.

---

 

Переменный ток

 

 

Мы разобрались с явлением электромагнитной индукции, как изменение магнитного потока приводит к возникновению электрического тока. Конечно, это можно использовать для получения тока! И теперь нам понятно, как именно это сделать, дело остается за тонкостями технической реализации.

 

Проблема в том, что ток через контур течет только на протяжении того времени, пока изменяется магнитный поток. А он не может уменьшаться или увеличиваться бесконечно, он быстро достигает предела. Как в нашем опыте: пока мы вставляем или извлекаем магнит из катушки, ток есть, но достаточно быстро магнит оказывается полностью вставленным в катушку или полностью извлеченным, и процесс останавливается.

А что, если сделать изменение магнитного потока периодичным? Смотрите: мы можем добиться краткосрочного протекания тока, вставляя или извлекая из катушки магнит. И мы можем быстро двигать магнит вверх-вниз, и по стрелке гальванометра увидим: ток будет с той же частотой менять направление, зато почти в любой момент времени ток в проводнике будет протекать, кроме тех моментов, когда магнит находится в крайнем положении. Он в этот момент на мгновение останавливается и меняет направление движения, в этот момент ток тоже меняет направление.

Такой ток назвали переменным, он с определенной периодичностью меняет направление. Его реально получить, но можно ли его использовать для работы электроприборов? Оказывается, да, и в чем-то он даже удобнее постоянного.

Допустим, в приборе работа электрического тока идет на нагревание, это не только кипятильники и обогреватели, но и лампа накаливания, она светится потому, что ее спираль раскалена. Тогда большой разницы нет, переменный ток или постоянный. Тепло выделяется при любом направлении протекания тока одинаково, а что ток периодически на мгновение становится равным нулю – за это время проводник не успевает остыть.

---

 

Эффективные значения напряжения и силы тока

При постоянном токе мы знаем значение силы тока, например, 2 А, это значит, что за каждую секунду через сечение проводника проходит заряд 2 Кл. Мы можем вычислять работу и мощность электрического тока, выделяемую прибором теплоту, если это нагревательный прибор:

А как быть, если ток переменный, его значение меняется каждое мгновение, направление меняется 50 раз в секунду – какое значение тока брать? Брать амплитудное значение было бы неправильно, большую часть времени значение силы тока меньше амплитудного. Удобно ввести некое эффективное (или другое название – действующее) значение силы тока, которое равно величине тока, который совершает такую же работу, как и данный переменный, но будучи постоянным. Поясню: переменный ток с амплитудой 10 А совершает такую же работу, какую совершал бы постоянный ток 7,07 А, это значит, что эффективное значение такого переменного тока 7,07 А. К напряжению применимо всё то, что мы сказали для тока.

Как эти значения вычислить – у нас пока нет для этого математических инструментов, поэтому я дам готовые формулы для эффективного значения силы тока и напряжения для синусоидального тока:

То знакомое нам значение напряжения 220 В в бытовой сети – это как раз эффективное значение напряжения.

---

Если всё же для работы прибора требуется постоянный ток, то сделать преобразователь переменного тока в постоянный тоже не проблема. Мы не будем сейчас разбирать, как он устроен, но главное, что это реализуемо. Всевозможные зарядные устройства и блоки питания представляют собой такие преобразователи.

Зато у переменного тока есть ряд преимуществ перед постоянным: его удобнее передавать на большие расстояния, а также в сетях переменного тока можно легко изменять напряжение, об этом чуть позже.

Давайте усовершенствуем способ получения тока, ведь обеспечивать поступательное движение магнита внутри катушки неудобно. Изменять магнитный поток можно не только изменяя магнитное поле, можно изменять угол между магнитом и катушкой, и это намного удобнее.

Теперь можно закрепить катушку (эту часть еще называют статор, потому что она статична), поместить внутри нее магнит так, чтобы он мог там вращаться (его назвали ротор, от слова «rotate» – вращаться), и останется соединить магнит с турбиной, которая и будет его вращать. Основная часть электростанции готова, это называется генератор, и у нас есть инструменты для его расчета: мы можем связать магнитное поле магнита, скорость его вращения, количество витков в катушке, силу тока.

Рис. 16 – Модель простейшего генератора

В промышленных сетях принят стандарт частоты переменного тока: 50 Гц. С такой большой скоростью турбины на электростанциях не вращаются, поэтому катушку-статор делают с несколькими обмотками, ориентированными под углом друг к другу, и тогда магнитный поток меняется чаще, увеличивается частота тока.

Рис. 17 – Катушка-статор

Сами обмотки для более эффективной генерации тока делают не цилиндрическими, а более приспособленными к вращению магнита. Это немного корректирует расчеты, но принцип не меняется.

Остается еще вопрос, каким способом вращать турбину генератора. Мы в начале урока говорили о гидроэлектростанции, где турбину вращает поток падающей воды – это один способ. Есть разновидность гидроэлектростанций, которые используют потоки воды при приливах и отливах.

Можно вращать турбину потоком водяного пара. А чтобы этот пар получить, воду нужно нагреть: сжигая топливо, как делается на теплоэлектростанциях, или используя ядерные реакции, как на атомных электростанциях. Можно вращать турбину с помощью ветра, ветряные электростанции популярны как одни из наиболее экологически чистых.

Есть еще электростанции на солнечных батареях, но в основе их работы лежит совсем другое явление, там ничего не вращается, и электромагнитная индукция не используется.

---

 

Трансформатор

В основе работы трансформатора лежит явление электромагнитной индукции, которое мы сегодня изучили. Трансформатор представляет собой две катушки, надетые на один и тот же железный сердечник. Так как чаще всего это несъемные катушки, которые наматываются прямо на сердечник, их называют обмотками трансформатора.

Посмотрим, что будет происходить, если по одной из обмоток пустить переменный ток. Эту обмотку назвали первичной. Этот ток создаст магнитное поле, которое усилится железным сердечником. Так как ток переменный, магнитное поле тоже будет всё время изменяться. Изменяющееся магнитное поле в сердечнике, а значит и внутри второй обмотки, будет создавать в ней индукционный ток (если обмотка не разомкнута). Эту обмотку назвали вторичной. Мы сейчас не заостряем внимание на направлении магнитного поля и тока во вторичной обмотке в каждый момент, в любом случае это будет тоже синусоида с той же частотой, что и ток в первичной обмотке.

И что самое важное, напряжения на обмотках трансформатора отличаются во столько раз, во сколько раз отличается количество витков в обмотках:

Это уравнение справедливо для идеального трансформатора, в котором нет потерь энергии, но оно позволяет достаточно точно рассчитать и параметры реального трансформатора.

В зависимости от количества витков на обмотках, напряжение на вторичной обмотке может быть больше, чем на первичной, такой трансформатор назвали повышающим, а если наоборот  – то понижающим.

Принципиально первичная и вторичная обмотки ничем не отличаются, поэтому мы можем их поменять местами: к другой обмотке подключить источник переменного тока, а оставшуюся подключить к нагрузке. Так можно из повышающего трансформатора сделать понижающий, и наоборот.

Трансформатор полезен не только для изменения напряжения переменного тока. Может быть полезен сам факт, что электроэнергия передается без электрического контакта между обмотками. Это используется для так называемой гальванической развязки, например, в медицинских приборах, чтобы исключить всякий контакт прибора с сетью 220 В.

---

 

Ссылки на литературу:

1. Соколович Ю.А., Богданова Г.С Физика: Справочник с примерами решения задач. – 2-е изд, передел. – X.: Веста: Издательство «Ранок», 2005. – 464 с.
2. Перышкин А.В., Гутник Е.М., Физика. 9 кл.: учебник для общеобразоват. учреждений / А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. — 14-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2009. – 300.

 

Ссылки на источники Интернет:

1. Интернет-портал «Класс!ная физика»
2. Интернет-портал «Класс!ная физика»
3. Интернет-портал «Класс!ная физика»
4. Интернет-портал «Класс!ная физика»
5. Интернет-портал «Класс!ная физика»

 

Домашнее задание:

1. Какова индукция магнитного поля, в которой на проводник с длиной активной части 5см действует сила 50 мН? Сила тока в проводнике 25 А. проводник расположен перпендикулярно индукции магнитного поля.
2. Определить силу тока в проводнике длиной 20 см, расположенному перпендикулярно силовым линиям магнитного поля с индукцией 0,06 Тл, если на него со стороны магнитного поля действует сила 0,48 Н.

 

Возникновение – индукционный ток – Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 2

Cтраница 2

В рассматриваемом контуре ЭДС индукции приводит к возникновению индукционного тока.  [16]

При движении стержня Ъс и изменении вследствие этого площади контура abed, находящегося в магнитном поле В, в контуре.  [17]

Сопоставляя все описанные опыты, мы можем сформулировать условия возникновения индукционного тока в общей форме.  [18]

Сделанный Ленцем вывод можно применить не только для случая возникновения индукционного тока в движущихся проводниках, но и для неподвижных проводников: индукционный ток имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, пронизывающего контур. Такая обобщенная формулировка обычно именуется законом Ленца.  [19]

В данном случае мы имеем процесс, аналогичный процессу возникновения индукционных токов в металлических массах.  [20]

При движении стержня be и изменении вследствие этого площади контура abed, находящегося в магнитном поле В, в контуре.  [21]

Сопоставляя все описанные опыты, мы можем сформулировать условия возникновения индукционного тока в общей форме.  [22]

Рассмотрим теперь несколько дополнительных опытов, которые позволят нам в более общем виде сформулировать условия возникновения индукционного тока.  [23]

Изучая электромагнитную индукцию, мы видели, что при рассмотрении этого явления в определенной инерциальнои системе отсчета возможны две различные причины возникновения индукционного тока. В лабораторной системе отсчета причина ЭДС – это либо появление вихревого электрического поля, либо действие силы Лоренца на движущиеся вместе с проводником электрические заряды со стороны магнитного поля.  [24]

Рассмотрим случай электромагнитной индукции, когда проволочный контур, в котором индуцируется ток, неподвижен, а изменения магнитного потока обусловлены изменениями магнитного поля. Возникновение индукционного тока свидетельствует о том, что изменения магнитного поля вызывают появление в контуре сторонних сил, действующих на носители тока. Эти сторонние силы не связаны ни с химическими, ни с тепловыми процессами в проводе; они также не могут быть магнитными силами, потому что такие силы работы над зарядами не совершают. Остается заключить, что индукционный ток обусловлен возникающим в проводе электрическим полем.  [25]

В момент прохождения тока через обмотку электромагнита ударник притягивается к сердечнику, а в момент прерыва оттягивается пружинами, чем и достигаются колебательные движения. Недостатком электромагнитных вибраторов является возникновение сильных индукционных токов, дающих дополнительную нагрузку в сети.  [26]

Общим между магнитом и проводником с постоянным током является то, что магнит и проводник создают вокруг себя магнитное поле. Поэтому можно утверждать, что возникновение индукционного тока в опытах с магнитом и постоянным током связано с наличием магнитного поля и относительного движения проводника и поля. В опыте с проводником, по которому течет переменный ток, имеется только магнитное поле тока, но поле это является переменным. Возникновение тока означает возникновение электрического поля. Поэтому опыт с переменным током явно показывает, что переменное магнитное поле окружено электрическим полем.  [27]

Поэтому неясно было, что же является причиной возникновения индукционного тока: изменение тока 1 или его магнитного поля в той части пространства, где находится второй проводник. Ответ на этот вопрос был получен Фарадеем с помощью следующих опытов. Катушка К2 замкнута на гальванометр. При удалении катушки AT, от К2 ток / 2 также возникает, но имеет противоположное направление. Аналогичная картина наблюдается при удалении или приближении катушки К2 к неподвижной катушке К. Наконец, ток / 2 отсутствует, когда взаимное расположение катушек не изменяется.  [28]

Поэтому неясно было, что же является причиной возникновения индукционного тока: изменение тока It или его магнитного поля в той части пространства, где находится второй проводник. Ответ на этот вопрос был получен Фарадеем с помощью следующих опытов. Катушка / С2 замкнута на гальванометр. Если катушку / Ci приближать к / ( 2, в последней возникает индукционный ток / 2, направление которого показано на рис. 19.2. При удалении катушки / Ci от / ( 2 ток / 2 также возникает, но имеет противоположное направление. Аналогичная картина наблюдается при удалении или приближении катушки / С 2 к неподвижной катушке Кг. Наконец, ток / 2 отсутствует, когда взаимное расположение катушек не изменяется.  [29]

Индукционный ток при движении электронов в поле, созданном переменным напряжением колебательного контура.  [30]

Страницы:      1    2    3

Атомная энергия. Том 7, вып. 6. — 1959 — Электронная библиотека «История Росатома»

Атомная энергия. Том 7, вып. 6. — 1959 — Электронная библиотека «История Росатома»

Главная → Указатель произведений

ЭлектроннаябиблиотекаИстория Росатома

Ничего не найдено.

Загрузка результатов…

 

 

Закладки

 

 

 

Обложка505506507508509510511512513514515516517518519520521522523524525526527528529530531532533534535536537538538 вкл. 1538 вкл. 2538 вкл. 3538 вкл. 4539540541542543544545546547548549550551552553554555556557558559560561562563564565566567568569570571572573574575576577578579580

 

 

Увеличить/уменьшить масштаб

По ширине страницы

По высоте страницы

Постранично/Разворот

Поворот страницы

Навигация по документу

Закладки

Поиск в издании

Структура документа

Скопировать текст страницы

(работает в Chrome 42+,
Microsoft Internet Explorer и Mozilla FireFox
c установленным Adobe Flash Player)

Добавить в закладки

Текущие страницы выделены рамкой.

 

Содержание

ОбложкаОбложка

505Титульные листы

507Содержание

 509Статьи

 509

Гельперин Б. Б.

Принципы проектирования и основные данные бетатронных установок Московского трансформаторного завода 519

Климентов В. Б., Грязев В. М.

Моделирование процесса регулирования и температурного изменения плотности воды в уран-водяных реакторах на промежуточных нейтронах 524

Бартошек В.

Выгорание природного урана в гомогенном реакторе 531

Бычков Ю. Ф., Розанов А. Н., Яковлева В. Б.

Определение растворимости металлов в литии 537

Лбов А. А., Сельченков Л. И.

Таблицы для идентификации анализируемых α- и β-активностей 539

Суражский Д. Я.

Морфологические типы промышленных месторождений урана и методы их разведки

 544Письма в редакцию

 544

Шведов В. П., Яковлева Г. В., Жилкина М. И., Макарова Т. П.

Доза внешнего γ-излучения от выпадения некоторых продуктов деления 545

Гедеонов Л. И., Шведов В. П., Яковлева Г. В.

Расчет дозы внешнего γ-излучения от выпавших радиоактивных продуктов деления 547

Селинов И. П., Гриц Ю. А., Кушакевич Ю. П., Блиодзе Ю. А., Васильев С. С., Михалева Т. Н.

Новые изотопы Sb¹¹² и Sb¹¹⁴ и идентификация Sb¹¹³ и Sb¹¹⁵ 549

Коломенский А. А., Лебедев А. Н.

Устойчивость заряженного пучка в накопительных системах 551

Булатов Б. Н., Лейпунский О. И.

Альбедо γ-лучей и фактор накопления при отражении 553

Посик Л. Н.

О применении серийной сцинтилляционной аппаратуры при радиометрическом методе контроля границ смеси нефтепродуктов в трубопроводах 554

Селицкий Ю. А.

Усовершенствование нанесения слоев урана и тория методом распыления в электрическом поле 556

Панченков Г. М., Кузнецова Е. М., Казнадзей О. Н.

Об однократном коэффициенте разделения изотопов лития методом ионного обмена 558

Сергеев Г. Я., Каптельцев А. М.

Ползучесть горячекатаного урана 560

Пупко В. Я., Ермакова Л. И.

О параметрах реактора с минимальной критической загрузкой

 562Новости науки и техники

 562

Коврижных Л. М., Соболев Н.

Четвертая международная конференция по ионизационным явлениям в газах 565

Аглинцев К. К.

IX Международный радиологический конгресс 566

Сакодынский К. И.

Схема «Линде» производства тяжелой воды методом низкотемпературной дистилляции водорода 567

Корякин Ю. И.

Отдел атомной энергии на Польской промышленной выставке в Москве 569

Корякин Ю. И.

Уникальное торговое предприятие

 571Краткие сообщения

 572Библиография

 572Новая литература

 573Тематический указатель материалов, помещенных в журнале «Атомная энергия», т. 7, 1959 г.

 579Алфавитный указатель авторов

580Поправки

580Концевая страница

 

Обращаясь к сайту «История Росатома — Электронная библиотека»,
я соглашаюсь с условиями использования представленных там материалов.

Правила сайта (далее – Правила)

1. Общие положения
   1. Настоящие правила определяют порядок и условия использования материалов, размещенных на сайте www. biblioatom.ru (далее именуется Сайт), а также правила использования материалов Сайтом и порядок взаимодействия с Администрацией Сайта.
   2. Любые материалы, размещенные на Сайте, являются объектами интеллектуальной собственности (объектами авторского права или смежных прав, а также прав на средства индивидуализации). Права Администрации Сайта на указанные материалы охраняются законодательством о правах на результаты интеллектуальной деятельности.
   3. Использование материалов, размещенных на Сайте, допускается только с письменного согласия Администрации Сайта или иного правообладателя, прямо указанного на конкретном материале, размещенном на Сайте, или в непосредственной близости от указанного материала.
   4. Права на использование и разрешение использования материалов, размещенных на Сайте, принадлежащих иным правообладателям, нежели Администрация Сайта, допускается с разрешения таких правообладателей или в соответствии с условиями, установленными такими правообладателями. Никакое из положений настоящих Правил не дает прав третьим лицам на использование материалов правообладателей, прямо указанных на конкретном материале, размещенном на Сайте, или в непосредственной близости от указанного материала.
   5. Настоящие Правила распространяют свое действие на следующих пользователей: информационные агентства, электронные и печатные средства массовой информации, любые физические и юридические лица, а также индивидуальные предприниматели (далее — «Пользователи»).
2. Использование материалов. Виды использования
   1. Под использованием материалов Сайта понимается воспроизведение, распространение, публичный показ, сообщение в эфир, сообщение по кабелю, перевод, переработка, доведение до всеобщего сведения и иные способы использования, предусмотренные действующим законодательством Российской Федерации.
   2. Использование материалов Сайта без получения разрешения от Администрации Сайта не допустимо.
   3. Внесение каких-либо изменений и/или дополнений в материалы Сайта запрещено.
   4. Использование материалов Сайта осуществляется на основании договоров с Администрацией Сайта, заключенных в письменной форме, или на основании письменного разрешения, выданного Администрацией Сайта.
   5. Запрещается любое использование (бездоговорное/без разрешения) фото-, графических, видео-, аудио- и иных материалов, размещенных на Сайте, принадлежащих Администрации Сайта и иным правообладателям (третьим лицам).
   6. Стоимость использования каждого конкретного материала или выдача разрешения на его использование согласуется Пользователем и Администрацией Сайта в каждом конкретном случае.
   7. В случае необходимости использования материалов Сайта, права на которые принадлежат третьим лицам (иным правообладателям, нежели Администрация Сайта, о чем прямо указано на таких материалах либо в непосредственной близости от них), Пользователи обязаны обращаться к правообладателям таких материалов для получения разрешения на использование материалов.
3. Обязанности Пользователей при использовании материалов Сайта
   1. 3.1. При использовании материалов Сайта в любых целях при наличии разрешения Администрации Сайта, ссылка на Сайт обязательна и осуществляется в следующем виде:
      1. в печатных изданиях или в иных формах на материальных носителях Пользователи обязаны в каждом случае использования материалов указать источник – электронная библиотека «История Росатома» (www.biblioatom.ru)
      2. в интернете или иных формах использования в электронном виде не на материальных носителях, Пользователи в каждом случае использования материалов обязаны разместить гиперссылку на Сайт — электронная библиотека «История Росатома» (www.biblioatom.ru), гиперссылка должна являться активной и прямой, при нажатии на которую Пользователь переходит на конкретную страницу Сайта, с которой заимствован материал.
      3. Ссылка на источник или гиперссылка, указанные в пп. 3.1.1 и 3.1.2. настоящих Правил, должны быть помещены Пользователем в начале используемого текстового материала, а также непосредственно под используемым аудио-, видео-, фотоматериалом, графическим материалом Администрации Сайта.
   2. Размеры шрифта ссылки на источник или гиперссылки не должны быть меньше размера шрифта текста, в котором используются материалы Сайта, либо размера шрифта текста Пользователя, сопровождающего аудио-, видео-, фотоматериалы и графические материалы Сайта, а также цвет ссылки должен быть идентичен цветам ссылок на Сайте и должен быть видимым Пользователю.
   3. Использование материалов с Сайта, полученных из вторичных источников (от иных правообладателей, нежели Администрация Сайта, о чем прямо указано на таких материалах либо в непосредственной близости от них), возможно только со ссылкой на эти источники и, в случае необходимости, установленной такими источниками (правообладателями), — с их разрешения.
   4. Не допускается переработка оригинального материала (произведения), взятого с Сайта, в том числе сокращение материала, иная его переработка, в том числе приводящая к искажению его смысла.
4. Права на материалы третьих лиц, урегулирование претензий
   1. Материалы, права на которые принадлежат третьим лицам, размещенные на Сайте, размещены либо с разрешения правообладателя, полученного Администрацией Сайта, либо, в случае, если таковое использование прямо не запрещено правообладателем, в соответствии с Законодательством РФ в информационных целях с обязательным указанием имени автора, материал которого используется, и источника заимствования.
   2. В случае, если в обозначении авторства материалов в соответствии с п. 4.1. настоящих Правил содержится ошибка, или в случае использования материала с предполагаемым или реальным нарушением прав третьих лиц, или в иных спорных случаях использования объектов интеллектуальной собственности, размещенных на Сайте, в том числе в случае, когда права третьего лица тем или иным образом нарушаются с использованием Сайта, применяется следующая схема урегулирования претензий третьих лиц к Администрации Сайта:
      1. в адрес Администрации Сайта по электронной почте на адрес info@biblioatom. ru направляется претензия, содержащая информацию об объекте интеллектуальной собственности, права на который принадлежат заявителю и который используется незаконно посредством Сайта или с нарушением правил использования, или иным образом права заявителя как обладателя исключительного права на объект интеллектуальной собственности, размещенный на Сайте, нарушены посредством Сайта, с приложением документов, подтверждающих правомочия заявителя, данные о правообладателе и копия доверенности на действия от лица правообладателя, если лицо, направляющее претензию, не является руководителем компании правообладателя или непосредственно физическим лицом — правообладателем. В претензии также указывается адрес страницы Сайта, которая содержит данные, нарушающие права, и излагается полное описание сути нарушения прав;
      2. Администрация Сайта обязуется рассмотреть надлежаще оформленную претензию в срок не менее 5 (пяти) рабочих дней с даты ее получения по электронной почте. Администрация Сайта обязуется уведомить заявителя о результатах рассмотрения его заявления (претензии) посредством отправки письма по электронной почте на адрес, указанный заявителем, а также направить ответ в письменном виде на адрес, указанный заявителем (в случае неуказания такового адреса отправки, обязательство по предоставлению письменного ответа на претензию с Администрации Сайта снимается). В том числе, Администрация Сайта вправе запросить дополнительные документы, свидетельства, данные, подтверждающие законность предъявляемой претензии. В случае признания претензии правомерной, Администрация Сайта примет все возможные меры, необходимые для прекращения нарушения прав заявителя и урегулирования претензии;
      3. Администрация Сайта в любом случае предпринимает все возможные меры к скорейшему удовлетворению обоснованных претензий третьих лиц и стремиться к максимально скорому урегулированию всех спорных вопросов.
5. Прочие условия
   1. Администрация Сайта оставляет за собой право изменять настоящие Правила в одностороннем порядке в любое время без уведомления Пользователей. Любые изменения будут размещены на Сайте. Изменения вступают в силу с момента их опубликования на Сайте.
   2. По всем вопросам использования материалов Сайта Пользователи могут обращаться к Администрации Сайта по следующим координатам: [email protected]
   3. Во всем, что не урегулировано настоящими Правилами в отношении вопросов использования материалов на Сайте, стороны руководствуются положениями Законодательства РФ.

СогласенНе согласен

Электромагнитное поле. Измерение электромагнитного поля

Главная/Информация/Статьи/Электромагнитное поле. Измерение электромагнитного поля

Электромагнитное поле – это фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, представимое как совокупность электрического и магнитного полей, которые могут при определенных условиях порождать друг друга. Электромагнитное поле (его изменение со временем) описывается в электродинамике в классическом приближении посредством системы уравнений Максвелла. При переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой электрическое и магнитное поле в новой системе отсчета – каждое зависит от обоих – электрического и магнитного – в старой, и это еще одна из причин, заставляющая рассматривать электрическое и магнитное поле как проявления единого электромагнитного поля.

В современной формулировке электромагнитное поле представлено тензором электромагнитного поля, компонентами которого являются три компоненты напряженности электрического поля и три компоненты напряженности магнитного поля (или – магнитной индукции), а также четырехмерным электромагнитным потенциалом – в определенном отношении еще более важным.

Действие электромагнитного поля на заряженные тела описывается в классическом приближении посредством силы Лоренца. Квантовые свойства электромагнитного поля и его взаимодействия с заряженными частицами (а также квантовые поправки к классическому приближению) – предмет квантовой электродинамики, хотя часть квантовых свойств электромагнитного поля более или менее удовлетворительно описывается упрощенной квантовой теорией, исторически возникшей заметно раньше.

Распространение возмущений электромагнитного поля на далекие расстояния называется электромагнитной волной (электромагнитными волнами). Любая электромагнитная волна распространяется в пустом пространстве (вакууме) с одинаковой скоростью – скоростью света (свет также является электромагнитной волной). В зависимости от длины волны электромагнитное излучение подразделяется на радиоизлучение, свет (в том числе инфракрасный и ультрафиолет), рентгеновское излучение и гамма-излучение.

История открытия:

В 1819г. датский физик Г. Х. Эрстед обнаружил, что проводник, по которому течёт электрический ток, вызывает отклонение стрелки магнитного компаса, из чего следовало, что электрические и магнитные явления взаимосвязаны.

Французский физик и математик А. Ампер в 1824г. дал математическое описание взаимодействия проводника тока с магнитным полем.

В 1831г. английский физик М. Фарадей экспериментально обнаружил и дал математическое описание явления электромагнитной индукции – возникновения электродвижущей силы в проводнике, находящемся под действием изменяющегося магнитного поля.

В 1864г. Дж. Максвелл создаёт теорию электромагнитного поля, согласно которой электрическое и магнитное поля существуют как взаимосвязанные составляющие единого целого – электромагнитного поля. Эта теория с единой точки зрения объясняла результаты всех предшествующих исследований в области электродинамики, и, кроме того, из неё вытекало, что любые изменения электромагнитного поля должны порождать электромагнитные волны, распространяющиеся в диэлектрической среде (в том числе, в пустоте) с конечной скоростью, зависящей от диэлектрической и магнитной проницаемости этой среды. Для вакуума теоретическое значение этой скорости, было близко к экспериментальным измерениям скорости света, полученным на тот момент, что позволило Максвеллу высказать предположение (впоследствии подтвердившееся), что свет является одним из проявлений электромагнитных волн.

В 1887г. немецкий физик Г. Герц поставил эксперимент, полностью подтвердивший теоретические выводы Максвелла. Его экспериментальная установка состояла из находящихся на некотором расстоянии друг от друга передатчика и приёмника электромагнитных волн, и фактически представляла собой исторически первую систему радиосвязи.

В связи со всё большим распространением источников электромагнитного поля в быту (СВЧ-печи, мобильные телефоны, теле-радиовещание) и на производстве (оборудование ТВЧ, радиосвязь), большое значение приобретает измерение и нормирование уровней ЭМП. Нормирование уровней ЭМП проводится раздельно для рабочих мест и санитарно-селитебной зоны. Контроль за уровнями ЭМП возложен на органы санитарного надзора и инспекцию электросвязи, а на предприятиях – на службу охраны труда.

Предельно-допустимые уровни ЭМП в разных радиочастотных диапазонах различны.

Измерение электромагнитного поля целесообразно проводить для определения его интенсивности, ведь любой человек подвержен его интенсивному воздействию. Измерение электромагнитного излучения позволяет оценить степень возмущения электрических и магнитных полей, которые образуются около работающих систем радиосвязи, бытовой техники, производственного оборудования и т. д.

Измерение электромагнитного излучения – очень важный момент, так как это излучение не вполне изучено, но доказано учёными, что оно влияет на живые организмы и может являться причиной повышенной утомляемости, слабости, скачков артериального давления и многих других неприятностей со здоровьем. Узнать, является ли уровень электромагнитного излучения в Вашем доме нормальным, можно с помощью измерения электромагнитного поля вокруг бытовых и радио проборов с помощью специальных устройств, а именно, измерителей напряжённости электромагнитных полей.


Новости | Научный институт Карнеги

По темам

– Любой -Генетика животныхАстрономия/КосмологияНаградыИзменение климатаБиология развитияНаука о Земле/планетахЭкологияМероприятияГрантыФизика высокого давленияМатериаловедениеГенетика растенийНаучное образованиеПопечители

Научная область

– Любая -АстрономияНаука о Земле и планетахГенетика и биология развитияГлобальная экологияМатерия в экстремальных состоянияхНаука о растенияхНаучное образование

Майкл Уолтер из Университета Карнеги отмечен наградой Американского геофизического союза

Вашингтон, округ Колумбия — Директор лаборатории Земли и планет Майкл Уолтер, петролог-экспериментатор, изучающий глубоководные минералы и расплавы для выяснения образования и эволюции нашей планеты. ..

Исследовать this Story

Преобразующее завещание в размере 34,8 млн долларов откроет новую эру в астрономических открытиях в Карнеги

Вашингтон, округ Колумбия — Анонимное завещание в размере 34,8 млн долларов позволит Карнеги продолжать играть ведущую роль в расширении границ астрономии и астрофизики. Самый большой подарок…

Узнайте больше об этой истории

Первые четкие, подробные и неопровержимые доказательства присутствия углекислого газа в атмосфере экзопланеты

Вашингтон, округ Колумбия — Космический телескоп Джеймса Уэбба зафиксировал первое четкое, подробное и неоспоримое свидетельство наличия углекислого газа в атмосфере, когда-либо обнаруженное на планета за пределами Солнечной системы….

Исследуйте эту историю

Новый институт, финансируемый NSF, будет исследовать биологию в отсутствие воды

Пало-Альто, Калифорния— Вода неразрывно связана с нашим пониманием жизни — она составляет большую часть поверхности нашей планеты и организмы на древе жизни зависят от него в своем функционировании. И все же…

Узнайте больше об этой истории

Угарный газ, связанный льдом, скрывается в дисках, формирующих планеты

Вашингтон, округ Колумбия — Группа астрономов, включая Питера Гао из Карнеги, решила одну из самых больших загадок об окружающей среде, в которой рождаются молодые планеты . Их…

Исследуйте эту историю

В образцах астероида Рюгу обнаружены частицы пыли старше нашего Солнца

Вашингтон, округ Колумбия — Микроскопические частицы древнего материала, которые появились еще до рождения нашего Солнца, были обнаружены в образцах, доставленных с астероида Рюгу кораблем Хаябуса2 миссии, согласно новой работе…

Узнайте больше об этой истории

Стефани Хэмптон назначена заместителем директора Отдела биосферных наук и инженерии

Вашингтон, округ Колумбия. Водный эколог Стефани Хэмптон присоединилась к Карнеги в качестве заместителя директора только что созданного Отдела биосферных наук и инженерии Карнеги в конце июля. Она…

Подробнее об этой истории

Больше удобрений и более сильные муссоны означают будущие проблемы для рек в Индии

Вашингтон, округ Колумбия — Индия может столкнуться с кризисом качества воды, поскольку изменение климата влияет на сезон муссонов, согласно новому исследованию из книги Карнеги Анна Михалак и Ева Синха опубликовали…

Подробнее об этой истории

Карнеги собирает 205 миллионов долларов инвестиций от партнеров-основателей для ускорения завершения строительства Гигантского Магелланова Телескопа

Вашингтон, округ Колумбия. в настоящее время строится в нашей обсерватории Лас-Кампанас…

Узнать больше

JWST, чтобы раскрыть химию древних галактик, собирает данные для первого из шести проектов под руководством Карнеги

Пасадена, Калифорния — Первый из шести проектов под руководством астрономов, связанных с Карнеги, в течение следующих трех дней будет использовать космический телескоп Джеймса Уэбба для проведения одних из самых точных измерений. ..

Узнать больше

Эдгар Виргуэс из Карнеги назначен попечителем Университета Дьюка

Вашингтон, округ Колумбия. Исследователь с докторской степенью Карнеги Эдгар Виргуес был назван в пятницу одним из четырех новых попечителей Университета Дьюка. Он будет служить три года, первый год в качестве наблюдателя…

Узнайте больше об этой истории

Измельченные, измельченные, вареные, запеченные и многое другое: природа использовала 57 рецептов для создания более 10 500 «видов минералов» на Земле происхождение и разнообразие каждого известного минерала на Земле, выдающийся комплекс работ, который позволит…

Исследуйте эту историю

Разгадка тайны метеорита раскрывает историю происхождения Солнечной системы

Вашингтон, округ Колумбия — Жестокое событие, Формирование Солнечной системы содержит разгадку давней тайны метеоритов, говорится в новой работе Алана Босса из Карнеги…

Подробнее об этой истории

Стволовые клетки плодовой мушки перестраиваются после образования камней в почках

Балтимор, Мэриленд — Недавняя работа Ченхуи Вана и Аллана Спрадлинга из Карнеги раскрывает удивительную способность почечных стволовых клеток у плодовых мушек — ремоделирование. Их работа, которая могла бы…

Посмотреть эту историю . Un nuevo trabajo dirigido por Andrew Newman, de Carnegie, demuestra una ueva t…

Исследуйте эту историю

Ранее скрытые протоскопления могут раскрыть новые подробности эволюции галактик

Пасадена, Калифорния— Предки некоторых из крупнейших скоплений галактик скрывались у всех на виду. Новая работа, проведенная Эндрю Ньюманом из Карнеги, демонстрирует новый метод выявления…

Узнать больше

Механизмы обнаружения угроз растениями бьют тревогу сигнальный процесс, лежащий в основе способности растений балансировать расход энергии на рост…

Подробнее об этой истории

«Защитный плащ» предотвращает самоповреждение растений при очень ярком освещении

Пало-Альто, Калифорния — Новая работа под руководством Петры Редекоп из Карнеги, Эмануэля Санс-Луке и Артура Гроссмана исследует молекулярные и клеточные механизмы с помощью которых растения защищают себя от само-…

Исследуйте эту историю de una antigua colisión entre Andró…

Исследуйте эту историю

Отслеживая остатки жестокой истории Андромеды

Пасадена, Калифорния— Подробный анализ состава и движения более 500 звезд выявил неопровержимые доказательства древнего столкновения Андромеды с соседней галактикой.

Подробнее об этой истории

Устойчивое орошение может накормить миллиарды, сделать сельское хозяйство устойчивым к изменению климата более миллиарда дополнительных…

Узнайте больше об этой истории

Раскрытие эволюционного процесса, позволившего разнообразить растительную жизнь на Земле

Пало-Альто, Калифорния — Около 1,2 миллиарда лет назад сине-зеленая бактерия была поглощена более сложной клеткой, преобразив нашу планету и позволив появится огромное разнообразие растений и…

Исследуйте эту историю

Откуда растения узнают, насколько большими они должны стать?

Пало-Альто, Калифорния. Организмы растут, чтобы соответствовать пространству и ресурсам, доступным в их среде, что приводит к огромному разнообразию размеров и форм тела в популяции одного и того же вида. Что…

Узнать больше

Астрономы нашли звезду «золотого стандарта» в Млечном Пути

Пасадена, Калифорния — Группа астрономов во главе с Яном Редерером из Мичиганского университета и Эрикой Холмбек из Карнеги определила самый широкий спектр элементов, которые когда-либо наблюдались. ..

Подробнее об этой истории

«Королева изотопов» Мэрилин Фогель умерла в возрасте 69 лет

Вашингтон, округ Колумбия — Мэрилин Луиза Фогель, геохимик-изотопист, чья работа затрагивала широкий круг вопросов, от астробиологии до палеоэкологии и от изменения климата до человека. здоровье, умер…

Узнайте больше об этой истории

• 1
• 2
• 3
• 4
• 5
• 6
• 7
• 8
• 9
• …
• следующий ›
• последний »

Магнитное поле Земли действует, и геологи не знают, почему

Обновление от 9 января: выпуск Магнитной модели мира перенесен на 30 января из-за продолжающегося закрытия правительства США .

Что-то странное происходит на вершине мира. Северный магнитный полюс Земли сместился из Канады в сторону Сибири, движимый жидким железом, плещущимся в ядре планеты. Магнитный полюс движется так быстро, что заставил мировых экспертов по геомагнетизму совершить редкое движение.

15 января они собираются обновить Магнитную модель мира, которая описывает магнитное поле планеты и лежит в основе всей современной навигации, от систем, управляющих кораблями в море, до Google Maps на смартфонах.

Самая последняя версия модели вышла в 2015 году и должна была просуществовать до 2020 года, но магнитное поле меняется так быстро, что исследователи должны исправлять модель сейчас. «Ошибка все время увеличивается», — говорит Арно Чуллиат, геомагнетист из Университета Колорадо в Боулдере и Национального центра информации об окружающей среде Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA).

Проблема частично связана с движущимся полюсом и частично с другими сдвигами глубоко внутри планеты. Вспенивание жидкости в ядре Земли создает большую часть магнитного поля, которое со временем меняется по мере изменения глубинных потоков. В 2016 году, например, часть магнитного поля временно ускорилась глубоко под северной частью Южной Америки и восточной частью Тихого океана. Спутники, такие как миссия Swarm Европейского космического агентства, отслеживали сдвиг.

К началу 2018 года Магнитная Модель Мира оказалась в беде. Исследователи из NOAA и Британской геологической службы в Эдинбурге ежегодно проверяли, насколько хорошо модель фиксирует все изменения магнитного поля Земли. Они поняли, что это было настолько неточно, что вот-вот превысит допустимый предел навигационных ошибок.

Блуждающий столб

«Мы оказались в интересной ситуации, — говорит Чуллиат. “Что творится?” Ответ двоякий, сообщил он в прошлом месяце на встрече Американского геофизического союза в Вашингтоне.

Во-первых, геомагнитный импульс 2016 года под Южной Америкой пришелся на самое неподходящее время, сразу после обновления Магнитной модели мира в 2015 году. Это означало, что магнитное поле резко изменилось сразу после последнего обновления, чего не ожидали планировщики.

Источник: Мировой центр данных по геомагнетизму/Киотский университет.

Во-вторых, движение северного магнитного полюса усугубило проблему. Полюс движется непредсказуемым образом, что очаровывало исследователей и ученых с тех пор, как Джеймс Кларк Росс впервые измерил его в 1831 году в канадской Арктике. В середине 19В 90-е годы он набрал скорость примерно с 15 километров в год до примерно 55 километров в год. К 2001 году он вошел в Северный Ледовитый океан, где в 2007 году команда, в которую входил Чуллиат, посадила самолет на морской лед, пытаясь определить местонахождение полюса.

В 2018 году полюс пересек международную линию перемены дат в Восточном полушарии. В настоящее время он направляется в Сибирь.

Геометрия магнитного поля Земли увеличивает ошибки модели в местах, где поле быстро меняется, например, на Северном полюсе. «Тот факт, что полюс движется быстро, делает этот регион более подверженным большим ошибкам», — говорит Чуллиат.

Чтобы исправить Магнитную модель мира, он и его коллеги ввели в нее последние данные за три года, включая геомагнитный импульс 2016 года. По его словам, новая версия должна оставаться точной до следующего запланированного обновления в 2020 году.

Основные вопросы

Тем временем ученые работают над тем, чтобы понять, почему магнитное поле меняется так резко. Геомагнитные импульсы, подобные тому, что произошел в 2016 году, можно проследить до «гидромагнитных» волн, возникающих глубоко в ядре 9.0223 1 . А быстрое движение северного магнитного полюса может быть связано с высокоскоростной струей жидкого железа под Канадой ² .

Струя, кажется, размывает и ослабляет магнитное поле под Канадой, сказал Фил Ливермор, геомагнетист из Университета Лидса, Великобритания, на собрании Американского геофизического союза. А это значит, что Канада, по сути, проигрывает магнитное перетягивание каната с Сибирью.

«Положение северного магнитного полюса определяется двумя крупномасштабными участками магнитного поля: одним под Канадой и одним под Сибирью», — говорит Ливермор. «Сибирский участок выигрывает конкурс».

Это означает, что геомагнетикам всего мира будет чем заняться в обозримом будущем.

Ссылки

1. Aubert, J. Geophys. Дж. Междунар. 214 , 531–547 (2018).

   Артикул Google ученый

2. Ливермор, П. В., Холлербах, Р. и Финлей, К. К. Nature Geosci . 10 , 62–68 (2017).

   Артикул Google ученый

Ссылка на скачивание

Пересмотр. Задача возмущений магнитного поля: перспектива машинного обучения

. широко используется в качестве косвенного показателя для оценки риска присутствия геомагнитно-индуцированных токов (GIC) в различных регионах (например, Viljanen et al., 2001; Pulkkinen et al., 2015; Ngwira et al., 2018). GIC возникают в проводниках на уровне земли после усиления геоэлектрического поля на земле, обычно в связи с активными геомагнитными условиями (Ngwira et al.

, 2015; Gannon et al., 2017), и, как известно, вызывают повреждение трансформаторы, разъедают трубопроводы и мешают железнодорожным сигналам (Pirjola, 2000; Boteler, 2001; Pulkkinen et al., 2017; Boteler, 2019).). Поскольку наше общество продолжает становиться все более «зависимым от технологий» и мы вступаем в новый цикл интенсивной геомагнитной активности во время восходящей и максимальной фаз 25-го солнечного цикла, наличие соответствующих инструментов для оценки риска, который GIC представляют для различных регионов, становится крайне актуальным ( Oughton et al., 2019; Hapgood et al., 2021).

Уровни GIC зависят от характеристик системы, на которую они влияют, а также от условий окружающей среды, и, к сожалению, измеренные данные GIC редко доступны научному сообществу, поскольку они либо не контролируются, либо измерения ограничиваются оператором энергоснабжения и, следовательно, не обнародовано. По этой причине вариации измеренного наземного магнитного поля обычно используются в качестве косвенного показателя для оценки риска возникновения GIC (Viljanen, 19). 98; Вильянен и др., 2001; Винтофт, 2005; Диммок и др., 2020). Эти вариации можно использовать для расчета геоэлектрического поля в регионах, где доступен профиль проводимости грунта (Love et al., 2018; Lucas et al., 2020; Gil et al., 2021).

В прошлом было предпринято много попыток прогнозировать дБ _H / dt с разной степенью успеха, используя основные принципы и эмпирические модели (например, Tóth et al., 2014; Wintoft et al. др., 2015). Однако сравнения между моделями проводятся редко, отчасти потому, что большинство моделей не предназначены для использования в оперативных целях, а также потому, что модели имеют разные общие цели прогнозирования. Задача моделирования геопространственной среды (GEM) (Pulkkinen et al., 2013), проводившаяся в 2008–2012 годах, была направлена ​​на прямое сравнение моделей и выбор модели для прогнозирования в реальном времени. В нем участвовало все сообщество специалистов по космической погоде, чтобы разработать стандартизированный метод проверки моделей друг против друга, а затем выбрать модель, которая будет передана в эксплуатацию в NOAA (Pulkkinen et al. , 2013).

В последнее время эмпирические модели машинного обучения стали более распространенными отчасти благодаря увеличению доступности данных для обучения и улучшению инструментов машинного обучения с открытым исходным кодом (например, Keesee et al., 2020). Преимущество моделей машинного обучения заключается в том, что после обучения время выполнения становится чрезвычайно низким, и поэтому их можно развертывать для прогнозирования в реальном времени с чрезвычайно низкими вычислительными затратами. Но пока модели с машинным обучением способны прогнозировать дБ _H / dt или даже GIC, когда данные доступны с разной степенью успешности, было предпринято мало попыток оценить их на основе установленных эталонов. Именно в этих рамках мы пытаемся оценить серию моделей машинного обучения с теми же показателями, которые используются в GEM Challenge. В разделе 2 мы подробно описываем задачу GEM, а также используемые нами наборы данных и разработанные нами модели. В разделе 3 представлены результаты наших моделей в контексте показателей сложности GEM. В разделе 4 мы обсуждаем основные проблемы и уроки, извлеченные из разработки и сравнения нашей модели. Наконец, в Разделе 5 представлены наше резюме и выводы.

2 Данные и методология

Задача геокосмического моделирования окружающей среды (GEM) по возмущению магнитного поля Земли («задача GEM») состояла из многолетних усилий сообщества, которые проводились примерно между 2008 и 2011 годами с целью тестирования, сравнения, и, в конечном итоге, предоставление модели для использования в Центре прогнозирования космической погоды (SWPC) Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA). Окончательные результаты, описание и оценки различных моделей, участвовавших в испытании, подробно описаны Pulkkinen et al. (2013). Цель этого исследования — оценить наши модели, основанные на машинном обучении, с использованием тех же условий и тестирования на тех же тестах, отклоняясь только тогда, когда точное повторение невозможно. Задача GEM (и, следовательно, работа, представленная здесь) состояла в прогнозировании 1-минутного разрешения горизонтальной составляющей возмущений наземного магнитного поля на нескольких средне- и высокоширотных станциях. Горизонтальная составляющая H определяется как

dBHdt=dBNdt2+dBEdt2(1)

, где E представляет компонент восток-запад, а N компонент север-юг в магнитных координатах. Выбор прогноза горизонтальных флуктуаций основан на предположении, что это наиболее важная составляющая для возникновения ГИТ (Пирйола, 2002). Хотя задача GEM включала в общей сложности 12 различных наземных магнитометрических станций на разных этапах, окончательная оценка, представленная в работе Pulkkinen et al. (2013) выполнено только на 6 из них. Поскольку опубликованные оценки доступны только для этих шести станций, они будут в центре внимания данного исследования. В таблице 1 перечислены наземные станции магнитометров, их кодовое название, а также их магнитная широта и долгота. Обратите внимание, что SNK заменил PBQ после 2007 года, поэтому эти данные служат одним местоположением.

ТАБЛИЦА 1 . Наземные магнитометрические станции, использованные в данном исследовании, и их расположение. Станции PBQ и SNK (выделены жирным шрифтом) дополняют друг друга, поскольку одна заменяет другую после 2007 года.

Задача GEM предложила уникальный и интересный механизм оценки. Модели прогнозируют четыре известных геомагнитных бури в период тестирования, а две дополнительные бури были добавлены в качестве «неожиданных событий» во время окончательной оценки. В таблице 2 представлены шесть штормов, использованных при оценке моделей. Наше первое отклонение от первоначальной задачи заключается в том, что мы не оцениваем наши модели по неизвестным штормам — мы рассчитали окончательные оценки шести штормов только после того, как обучение моделей было завершено, и поэтому мы не проводили настройку моделей после оценка. Результатом модели является горизонтальная составляющая 1-минутного разрешения дБ _H / dt предсказано на 1 минуту раньше времени. Это отсчитывается от времени прихода солнечного ветра к носу головной ударной волны, что включает в себя распространение от мониторов L1. После того, как прогноз сделан, 1-минутные прогнозы разрешения уменьшаются, чтобы получить максимальное значение дБ _H / dt каждые 20 минут. Затем каждый 20-минутный прогноз окна оценивается по четырем различным пороговым значениям, установленным на 18, 42, 66 и 9.0 нТл/мин. Этот подход превращает задачу в проблему классификации, и для каждого из порогов можно составить таблицу непредвиденных обстоятельств, подсчитывающую истинные положительные результаты (попадания), истинные отрицательные значения (отсутствие пересечений), ложные положительные результаты (ложные тревоги) и ложные отрицательные значения (промахи). Из этой таблицы непредвиденных обстоятельств рассчитываются значения вероятности обнаружения, вероятности ложного обнаружения и оценки навыка Хайдке. Определения можно найти у Pulkkinen et al. (2013). Чтобы получить производительность каждой модели, таблицы непредвиденных обстоятельств добавляются путем группирования станций средних широт (NEW, OTT, WNG) и станций высоких широт вместе (ABK, PBQ/SNK, YKC) для каждого события и каждого из пороги.

ТАБЛИЦА 2 . Штормы, используемые для оценки модели.

2.1 Наборы данных и предварительная обработка

Для нашего исследования мы использовали набор данных OMNI, полученный из репозитория CDAWeb (https://cdaweb.gsfc.nasa.gov/pub/data/omni/omni_cdaweb/) на 1 мин. разрешающая способность. База данных OMNI содержит измерения солнечного ветра, полученные в основном с космических аппаратов, расположенных в точке Лагранжа L1 (∼235RE по направлению к Солнцу), а затем сдвинутые во времени к носу головной ударной волны магнитосферы (King and Papitashvili, 2005). Мы обучаем наши модели прогнозировать на 1 минуту опережение текущего времени в наборе данных OMNI, однако это эквивалентно 20–40 минутам опережения, если бы мы использовали данные в реальном времени, в зависимости от скорости солнечного ветра. Преимущества использования набора данных OMNI для обучения заключаются в том, что это хорошо проверенный набор данных, который легко доступен для использования любым пользователем с минимальными затратами труда, и, как таковой, он повышает воспроизводимость результатов. Для нашего исследования мы использовали данные между (и включая) 19 января95 и декабрь 2019 г.

Набор данных OMNI содержит параметры плазмы и магнитного поля, а также некоторые производные физические величины. Он страдает от значительных пробелов, которые составляют около 20% отсутствующих данных по параметрам плазмы и около 7% отсутствующих данных по магнитному полю. Дальнейшее изучение данных показывает, что большинство промежутков относительно малы, поэтому мы выполнили линейную интерполяцию параметров магнитного поля для промежутков до 10 мин, а также провели линейную интерполяцию без ограничения времени параметры плазмы, чтобы заполнить любой возможный пробел. Остальные промежутки, определяемые отсутствующими данными о магнитном поле, удаляются из обучающего набора данных.

Возмущения наземного магнитного поля от шести различных станций были получены из базы данных SuperMAG с 1-минутным разрешением (https://supermag.jhuapl.edu/) с удаленной базовой линией (Gjerloev, 2012). Доступность данных высока для всех исследованных станций, хотя имеются значительные пробелы в наборе SNK/PBQ примерно во время замены в 2007–2008 гг. Мы решили не выполнять никакой интерполяции компонентов магнитного поля, поэтому все отсутствующие точки данных исключены из обучения. Для обучения мы используем N и E для получения дБ _H / dt (уравнение 1), а также положения MLT обсерваторий по данным SuperMAG.

Учитывая природу системы, которую мы пытаемся предсказать, одна из проблем, с которыми мы столкнулись, заключается в том, что флуктуации магнитного поля сильно смещены в сторону 0 нТл/мин. То есть в спокойное время колебания относительно невелики и составляют значительную часть доступного набора данных. Наоборот, в активные периоды флуктуации легко могут достигать сотен нТл/мин, по крайней мере, для высокоширотных станций. Чтобы уменьшить погрешность, мы решили сократить наши обучающие выборки только до тех моментов времени, когда происходят геомагнитные бури. Для этого мы идентифицировали все геомагнитные бури в 1995–2018 гг. с SYM-H <-50 нТл, и мы выбрали для обучения период между ± 12 ч вокруг минимального значения SYM-H. На рисунках 1A, B показано визуальное представление эффекта от использования только данных о времени шторма. Как можно оценить как для среднеширотной станции NEW, так и для высокоширотной станции YKC, ограничение временем шторма уменьшает набор обучающих данных только до ∼10% от его исходного размера, устраняя в основном небольшие колебания. Из гистограммы также видно, что — особенно в высоких широтах — некоторые сильные флуктуации действительно происходят вне времени бури. Эти случаи могут оказаться интересными для анализа в будущем, но не будут обсуждаться в контексте данной работы. Важно отметить, что шесть штормов, рассматриваемых для тестирования, были удалены из набора данных о штормах. Список с датами штормов можно найти в дополнительных материалах.

РИСУНОК 1 . Гистограмма дБ _H / dt для всех данных за период с 1995 по 2019 год (синий) и данных только о шторме (оранжевый) для (A) среднеширотной станции NEW и (B) высокоширотная станция YKC. (C) Коэффициент корреляции между различными параметрами солнечного ветра и дБ _H / dt для всех данных (синий) и данных только по шторму (оранжевый). Символ указывает среднее значение для всех шести станций, а столбцы представляют диапазон отдельных станций.

Для обучения моделей мы решили использовать следующие параметры солнечного ветра: скорость солнечного ветра ( Vx , Vy , Vz ), межпланетное магнитное поле ( B _T , 8 _y , B _z ), плотность протонов, динамическое давление солнечного ветра, электрическое поле пересоединения (- VB _z ) и температура протонов. На рис. 1C показано абсолютное значение максимального коэффициента корреляции между дБ _H / dt и различные параметры солнечного ветра за предыдущие 60 мин (т. е. максимальная корреляция дБ _H / dt 8) с param ( dt ) параметр (t-1) и т. д.). Символ соответствует средней корреляции по шести станциям, использованным в этом исследовании, а полоса соответствует диапазону корреляций. Здесь важно отметить, что некоторые параметры, скорее всего, вносят в тренировочный процесс значительно больший вклад, чем другие. Мы решили оставить их все на том основании, что модели могут поддерживать количество входных параметров.

2.2 Модели

Для оценки баллов GEM Challenge мы использовали три разные модели глубокого обучения: полностью связанную искусственную нейронную сеть с прямой связью (ANN), рекуррентную нейронную сеть с долговременной кратковременной памятью (LSTM) и сверточный анализ. нейронная сеть (CNN). Выбор этих конкретных моделей предлагает продолжение наших предыдущих попыток моделирования дБ _H / dt с использованием нейронных сетей (ANN + LSTM) (Keesee et al., 2020), а также для проверки возможностей сверточных нейронных сетей после того, как они продемонстрировали перспективность прогнозирования временных рядов в различных приложениях космической погоды (например, Collado-Villaverde et al., 2021; Siciliano et al., 2021; Smith et al., 2021). Разработка и обучение моделей производилось с использованием фреймворка TensorFlow-Keras в течение 9 лет.0267 Python (Abadi et al., 2016), а также набор инструментов scikit-learn (Pedregosa et al., 2011). Все модели, использованные в этом исследовании, были обучены путем минимизации среднеквадратичной ошибки. Эта оптимизация была выполнена в каждом случае с использованием алгоритма оптимизации Адама. Дальнейшее описание каждой модели дано в следующих разделах.

2.2.1 Искусственная нейронная сеть

Полностью связанные нейронные сети с прямой связью могут фиксировать временное поведение (аналогично рекуррентной нейронной сети), если временная история встроена в виде набора новых функций. В нашем случае мы построили 50-минутную временную историю выбранных параметров солнечного ветра, создав новые функции (столбцы) в нашем наборе данных, соответствующие временной истории каждого параметра т – 1, … , т – 50 мин. Длина временной истории определялась исключительно нашими максимальными вычислительными возможностями. Это привело к тому, что наша окончательная модель получила входной массив из 513 функций. Архитектура сети содержит четыре уровня по 320–160–80–40 узлов. Функция активации представляет собой выпрямленную линейную единицу (ReLU). Чтобы избежать переобучения, между первым и вторым, а затем между вторым и третьим слоями был добавлен коэффициент отсева 0,2. Обучение длилось 300 эпох с возможностью досрочной остановки после 25 эпох отсутствия улучшения.

Следствием встраивания истории времени в качестве дополнительных функций является то, что для каждой точки обучения существует независимый массив, и поэтому мы обучили нашу модель ИНС, используя случайное разделение 0,7/0,3, в отличие от последовательного разделения данных, которое будет необходимо с рекуррентной нейронной сетью. Мы обоснованно определили, что случайное разделение не приводит к утечке данных в модель в нашем тестировании и что оно устраняет смещение, вызванное влиянием различных солнечных фаз в системе. В этом случае более сложное ручное разбиение данных или метод k-folds не давал существенного улучшения по сравнению со случайным разбиением, которое повысило производительность примерно на 20% по сравнению с последовательным разбиением.

2.2.2 Долгосрочная память

Нейронная сеть с долговременной памятью (LSTM) (Hochreiter and Schmidhuber, 1997) была разработана как альтернатива решению проблемы исчезновения градиента традиционных рекуррентных сетей путем добавления «длинной Память.” Эта «память» относится к способности сети «запоминать» состояние предыдущих состояний ячеек, а также предыдущие выходные данные. LSTM делает это с помощью ряда вентилей, первым из которых является вентиль забывания . Ворота забывания используют сигмовидную функцию активации, которая варьируется от 0 до 1, чтобы решить, какая часть вывода из предыдущего вывода ячейки ( t – 1) для подачи в следующее состояние ячейки ( t ). Входной вентиль следует за вентилем забывания и, как следует из его названия, определяет, какую новую информацию получит состояние ячейки. Первая часть этого вентиля состоит из функции tanh, которая использует линейную комбинацию выходных данных предыдущей ячейки и новых входных данных для текущей ячейки, а также коэффициент веса и смещения. Затем используется другая сигмовидная функция, чтобы определить, какая часть информации из функции tanh будет введена в текущее состояние ячейки. Последними воротами, используемыми в ячейке LSTM, являются 9.0267 выходной вентиль , который использует другую сигмовидную функцию, чтобы определить, сколько информации должно быть передано в следующую ячейку.

В нашей модели мы использовали 100 ячеек в слое LSTM, за которыми следовали два скрытых плотных слоя с использованием 1000 и 100 узлов соответственно. Каждый плотный слой использовал активацию ReLU. Выпадающие слои с весами 0,2 были помещены между скрытыми слоями и между последним скрытым слоем и выходным слоем, чтобы предотвратить переоснащение. Обучение проводилось в течение 100 эпох с возможностью досрочной остановки после 25 эпох отсутствия улучшения, и обрабатывались данные с 60-минутной (определяемой вычислительными ограничениями) временной историей, встроенной с использованием метода, описанного в разделе 2.2.1.

2.2.3 Сверточная нейронная сеть

Сверточная нейронная сеть (CNN) изначально была предложена как метод обнаружения рукописных цифр. С тех пор они оказались чрезвычайно успешными в различных задачах анализа изображений (LeCun et al., 2015), а в последние годы продемонстрировали многообещающие результаты в прогнозировании космической погоды (например, Collado-Villaverde et al., 2021; Siciliano et al., 2021; Смит и др., 2021). CNN считывает всю матрицу сразу и, таким образом, не получает явно информацию о временных рядах, как LSTM. Размерность входного массива CNN (N, высота, ширина, каналы), где N — количество последовательностей, доступных для обучения, высота соответствует временной истории, а ширина — количеству входных признаков. CNN способна анализировать несколько массивов за один шаг. Размерность каналов соответствует количеству одновременно анализируемых массивов, обычно трем для цветных изображений RGB. Для этого исследования у нас просто есть CNN, анализирующая один массив за временной шаг, поэтому мы устанавливаем количество каналов равным одному. Чтобы сохранить некоторую согласованность между LSTM и CNN, мы использовали одни и те же входные параметры, временную историю, обучающие данные и разделение обучения/проверки, поэтому входной массив имеет размеры (N, 60, 13, 1).

Уровень CNN функционирует с использованием матричного окна, называемого ядром, которое меньше по размеру, чем двумерный входной массив, анализируемый слоем на этапе t . Ядро выполняет матричное умножение между матрицей весов размера ядра и сегментом входного массива того же размера. Затем вывод проходит через функцию активации (здесь ReLU), и окно ядра повторяет операцию после перехода к следующему сегменту изображения. Длина, на которую он движется, определяется шагом. В этом исследовании использовалось ядро ​​размером (1,2) и шагом, равным единице, что привело к перекрытию окон ядра между параметрами, но не между t и t − 1 для одного и того же параметра. Было использовано заполнение, которое представляет собой процесс добавления столбцов нулей к концам изображения массива для сохранения исходного размера изображения. Слой объединения использовался для сокращения времени вычислений в моделях. Слой объединения — это метод использования окна ядра для перемещения по выходным данным слоя CNN. В отличие от слоя CNN, он не выполняет умножение матриц с использованием матрицы весов, а только извлекает максимальное значение в ядре для MaxPool или среднее значение в ядре для AveragePool. В данном случае использовался слой MaxPooling, берется максимальное значение в окне ядра и уменьшаются размеры результирующего изображения. В нашем случае выход слоя CNN имел размер (60, 13, 1). Использовались окно ядра 2 × 2 и шаг (2,2), а результирующие размеры выходного массива были (30, 6, 1). Был использован плоский слой, который объединяет результирующие 2D-выходные данные из слоя объединения в одномерный массив, который можно использовать в качестве входных данных для плотных слоев. За слоем MaxPooling следовали два плотных слоя с 1024 и 128 узлами соответственно и отсевом 0,2 между ними, чтобы предотвратить переоснащение. Модель обучалась в течение 100 эпох, а ранняя остановка использовалась после 25 эпох отсутствия улучшений.

3 Результаты

Результаты, представленные в этом разделе, соответствуют результатам, полученным с «лучшей» версией каждой модели. Наш процесс оптимизации включал тестирование использования различных параметров солнечного ветра, длин временных рядов солнечного ветра, скейлеров, разбиений, функций потерь и т. д. Однако формальный процесс настройки гиперпараметров, такой как поиск по сетке, не выполнялся. Поскольку оптимизация модели — это бесконечная задача, мы надеемся продолжить ее в будущем.

Каждая модель (для каждой станции) была обучена выдавать 1-минутное разрешение дБ _H / dt значений. Окончательная оценка этих моделей была сделана для шести различных штормов, перечисленных в таблице 2. На рисунке 2 показаны два из шести штормов: 14 декабря 2006 г. (слева) и 5 ​​апреля 2010 г. (справа). Остальные штормы можно найти в дополнительных материалах. Панели (a-d) на рисунке 2 показывают основные параметры солнечного ветра для каждой бури: индекс SYM-H, скорость солнечного ветра ( V _x ) компонента, плотность протонов и межпланетное магнитное поле (ММП) Б _z . Обе геомагнитные бури вызваны межпланетными выбросами корональной массы, с приходом которых связано резкое увеличение скорости солнечного ветра. В некоторой степени ожидается, что большинство выбранных бурь соответствуют корональным выбросам массы, поскольку внезапное начало бури было связано с большими колебаниями на поверхности земли (например, Kappenman, 2003; Fiori et al., 2014; Rogers et al., 2020; Smith et al., 2020; Smith et al., 2014; др., 2021). Кроме того, обе бури значительно различаются по силе, плотности протонов и профилям ММП. На панелях рис. 2E–J показаны 1-мин дБ 90 268 90 269 90 267 H 90 268 90 272 / 90 267 dt 90 268 измерение с шести разных станций, рассматриваемых в данном исследовании (черный). Три верхние станции (например, g) соответствуют станциям средних широт, а три нижние (hj) — станциям высоких широт. Видно, что в целом пики 90 267 дБ 90 268 90 269 90 267 H 90 268 90 272 / 90 267 dt 90 268 имеют тенденцию к масштабированию с силой шторма, хотя пики могут значительно различаться по времени и величине для станций на аналогичных широтах в зависимости от их магнитного поля. местное время (МЛТ).

РИСУНОК 2 . Колебания параметров солнечного ветра (A–D) и наземного магнитометра дБ _H / dt , а также прогнозы нашей модели (E–J) для всех выбранных станций в течение 14 декабря 2006 г. (слева). ) и геомагнитные бури 5 апреля 2010 г. (справа). Панели показывают (A) индекс SYM-H, (B) V _x , (C) плотность протонов, (D) IMF Б _z . Панели (E–J) показывают для каждой из помеченных станций 1-минутные колебания дБ _H / dt (черные) и прогнозы от ANN (красный), CNN (синий) и LSTM (зеленые) модели.

Прогнозы на нижних панелях показаны красным для ANN, синим для CNN и зеленым для LSTM. Эти цвета останутся связанными с соответствующими моделями на протяжении всего текста. Краткий обзор прогнозов, показанных на рисунке 2, показывает, что модели могут в некоторой степени следовать тенденции повышенной активности, в то же время пропуская большую часть изменчивости и всплесков в дБ _H / dt . Следствием этого является то, что все модели сильно занижают значения, если только реальные измерения не являются относительно низкими. Все три модели фиксируют некоторые всплески или общее увеличение на 90 267 дБ 90 268 90 269 90 267 H 90 268 90 272 / 90 267 dt 90 268 во время штормового периода. Это несколько многообещающе, и давайте предположим, что модели действительно могут следовать общей эволюции силы возмущения. В настоящее время это верно только для определенных станций и некоторых штормов, и потребуются дальнейшие исследования для улучшения и оценки точности прогнозов по времени.

На рис. 3 показаны среднеквадратическая ошибка (RMSE; чем меньше, тем лучше) и коэффициент детерминации ( R ² ; чем больше, тем лучше) для каждой станции для тех же штормов, что и на рис. 2. Остальные штормов можно найти в дополнительных материалах. Сам по себе RMSE не позволяет оценить качество прогнозов. Как можно ясно видеть, разные станции показывают заметно разные результаты, при этом среднеширотные станции имеют более низкую среднеквадратичную ошибку, чем высокоширотные, из-за значительно более низких магнитных флуктуаций, измеренных во время геомагнитных бурь. На Рисунке 3 видно, что значения RMSE для разных моделей имеют тенденцию к получению одинаковых результатов в средних широтах. В высоких широтах модель CNN работает немного лучше, чем две другие модели (до 10% в зависимости от станции и шторма). LSTM имеет тенденцию работать аналогично ANN на большинстве станций для обоих штормов, хотя производительность LSTM немного лучше, приближаясь и даже превосходя производительность CNN по нескольким оценкам. Коэффициент детерминации ( R ² ) в меньшей степени зависит от величины флуктуаций, и результаты относительно схожи для всех станций, что позволяет предположить, что модели могут иметь схожие характеристики на основе их входных данных солнечного ветра. Судя по рисунку, LSTM немного лучше работает в средних широтах, а CNN лучше работает в высоких широтах. Тем не менее, общие значения R ² относительно низки (0,1–0,3), и поэтому трудно сделать предположение о том, какая модель лучше, только по паре показанных показателей.

РИСУНОК 3 . Среднеквадратические ошибки (столбцы, левая ось) и коэффициент детерминации R ² (символы, правая ось) для каждой модели и каждой станции для геомагнитных бурь 14 декабря 2006 г. (слева) и 5 ​​апреля 2010 г. (справа) .

Прогноз с разрешением в 1 минуту оказывается таким же трудным для наших моделей, как и в исходной задаче GEM для моделей, которые были оценены (Pulkkinen et al., 2013). Поэтому был введен подход к оценке риска, чтобы оценить, будут ли модели предсказывать пересечение при разных пороговых значениях, используя максимальное значение прогнозируемых и реальных данных каждые 20 минут. На рис. 4 показан результат этого преобразования, где черным цветом показаны реальные значения, а цветом — предсказания различных моделей. Пороги нарисованы на 18, 42, 66 и 90 нТл/мин (пунктирные линии) и были выбраны в соответствии с требованиями, предъявляемыми к моделям во время конкурса GEM (Pulkkinen et al., 2013). На рисунке постоянное недооценивание моделей усиливается за счет рисования «верхнего конверта» колебаний. Это хорошо видно по результатам от 14 декабря 2006 г., где пиковые значения на большинстве станций в 10 и более раз превышают прогнозы. Эта цифра, однако, не обязательно указывает на то, что модели плохо работают в подходе оценки риска; как и в случае пороговой оценки, важно только, пересекают ли и модель, и исходное измерение определенное значение. Соответствующий вопрос для метрик заключается в том, находятся ли и модель, и измерения на одной стороне порога или нет. Для этого создается таблица непредвиденных обстоятельств для каждого шторма, станции, порога и истинных срабатываний (попаданий, H ), истинные отрицательные значения (нет пересечения, N ), ложные срабатывания (ложные тревоги, F ), ложноотрицательные значения (пропущенное пересечение, M ).

РИСУНОК 4 . Максимальные магнитные колебания земли каждые 20 минут (черный) и максимальные прогнозы каждые 20 минут для ANN (красный), CNN (синий) и LSTM (зеленый). Черные пунктирные линии обозначают пороги прогнозирования при 18, 42, 66 и 90 нТл/мин. Сверху вниз индекс SYM-H и шесть магнитометрических станций. Буря 14 декабря 2006 г. показана слева, а буря 5 апреля 2010 г. – справа.

Согласно Pulkkinen et al. (2013) мы преобразуем таблицу непредвиденных обстоятельств в вероятность обнаружения POD = H / ( H + M ), вероятность ложного обнаружения POFD = F / ( F + N ) и Heidke Оценка навыка, определяемая

HSS=2HN−MFH+MM+N+H+FF+N.(2)

Оценка навыка Хайдке взвешивает пропорцию правильных прогнозов, полученных моделью, по сравнению с теми, которые были бы получены чисто случайным образом. . Таким образом, положительный результат указывает на то, что модель работает лучше, чем случайность. На Рисунке 5 и Рисунке 6 показаны вероятность обнаружения, вероятность ложного обнаружения и оценки навыков Хайдке, полученные на каждой станции для штормов, рассмотренных на предыдущих рисунках. На рисунке 5 показаны значения порога 18 нТл/мин. Несмотря на общую недопрогнозированность моделей, вероятность обнаружения пересечений в высоких широтах (ABK, PBQ, YKC) >0,5 для всех моделей в буре 2006 г. и лишь немного ниже в буре 2010 г. В средних широтах вероятность обнаружения значительно ниже для всех станций, но мы снова видим доминирование модели CNN для этих конкретных случаев. Вероятность ложного обнаружения, как правило, низка на всех станциях и во время штормов, хотя на этом рисунке количественно не указано, происходит ли это из-за отсутствия реальных пересечений порога во время этого конкретного шторма или нет. Тем не менее, учитывая постоянную проблему недостаточного предсказания моделей, неразумно ожидать, что значительное количество ложных срабатываний повлияет на этот показатель. Оценка навыков Хайдке показывает больший разброс даже на одной и той же станции для разных моделей, но в соответствии с другими показателями она указывает на лучшую производительность моделей в высоких широтах. Особенно интересным результатом является крайне низкая производительность моделей на станции WNG, где ни одна из трех моделей не может получить ни одного правильного обнаружения. Кажется, что это, по крайней мере, частично обусловлено очень маленьким дБ _H / dt значения, измеренные на этой станции для этих штормов.

РИСУНОК 5 . Верхние панели: вероятность обнаружения (столбцы, левая ось), вероятность ложного обнаружения (символы, правая ось). Нижние панели: оценка навыка Хайдке, рассчитанная для порога 18 нТл/мин для каждой модели и каждой станции для геомагнитных бурь 14 декабря 2006 г. (слева) и 5 ​​апреля 2010 г. (справа).

РИСУНОК 6 . Верхние панели: вероятность обнаружения (столбцы, левая ось), вероятность ложного обнаружения (символы, правая ось). Нижние панели: оценка навыка Хайдке, рассчитанная для порога 42 нТл/мин для каждой модели и каждой станции для геомагнитных бурь 14 декабря 2006 г. (слева) и 5 ​​апреля 2010 г. (справа).

На рис. 6, где показаны пороговые значения 42 нТл/мин, показана тенденция, аналогичная рис. 5. Производительность в высоких широтах варьируется в зависимости от станции и модели, при этом модель CNN по-прежнему превосходит две другие. , но с результатами, которые (в лучшем случае) умеренно хороши. Отсутствие значительного количества реальных пересечений порога 42 нТл/мин на среднеширотных станциях очень затрудняет оценку моделей. Хотя несколько пересечений действительно происходят, модели пропускают их. По той же причине мы не показываем отдельные результаты для 66 нТл/мин и 90 нТл/мин, хотя они включены в Дополнительный материал для полноты картины.

Чтобы правильно сравнить с GEM Challenge, мы рассчитали оценку навыков Хайдке, объединив все геомагнитные бури для всех станций средних широт (WNG, NEW, OTT) и проделав то же самое для станций высоких широт (ABK, YKC, ПБК/СНК). Это приводит к двум баллам для каждого порога, один в высоких широтах и ​​один в средних широтах. На рис. 7 показаны результаты, полученные каждой из моделей в средних широтах (верхняя панель) и высоких широтах (нижняя панель). Из рисунка видно, что окончательные оценки в целом согласуются с индивидуальными оценками, полученными на предыдущих рисунках (и с теми, которые не показаны в рукописи). Понятно, что модель, использующая CNN, последовательно превосходит две другие в высоких широтах для первых трех порогов. Однако в средних широтах модель LSTM работает лучше всего, даже сохраняя некоторую прогностическую силу (т. е. положительную HSS) на уровне 9.пороговое значение 0 нТл/мин. Сравнение с моделями, показанными Pulkkinen et al. (2013) указывает на то, что модели CNN и LSTM превосходят все модели задач GEM в высоких широтах для двух самых низких пороговых значений, но немного хуже, чем самые эффективные (Среда моделирования космической погоды-SWMF) для двух самых высоких пороговых значений. Однако в средних широтах даже модель LSTM уступает большинству моделей GEM Challenge, что указывает на то, что наши модели действительно демонстрируют различное поведение в средних и высоких широтах, даже помимо различий в оценках, которые можно отнести к много причин.

РИСУНОК 7 . Совокупная оценка навыков Хайдке «Оценка GEM», рассчитанная путем сложения таблиц непредвиденных обстоятельств для всех штормов и всех станций на средних (верхних) или высоких (нижних) широтах для всех трех моделей и четырех порогов.

4 Обсуждение

Разработка моделей машинного обучения для прогнозирования 1-минутных флуктуаций наземного магнитометра ( дБ _H / dt ) и наш контрольный показатель по сравнению с набором показателей, ранее использовавшихся в аналогичных моделях во время GEM Challenge для наземных магнитных возмущений поставил несколько интересных задач, и поэтому мы извлекли важные уроки из этого процесса. В следующих разделах мы обсудим несколько наиболее важных моментов, касающихся оценки моделей и улучшений, которые необходимо внести в дальнейшем.

4.1 Шторм 30 октября 2003 г.

Из событий, выбранных для оценки, возможно, наиболее интересным является шторм, произошедший 30 октября 2003 г. Этот шторм является третьим по величине штормом, зарегистрированным в наборе данных OMNI высокого разрешения (с 1995 г. по настоящее время). ). Разумно ожидать, что моделисты будут тестировать модели на таком экстремальном событии. Этот шторм, однако, представляет собой ряд проблем для наших моделей, наиболее важным из которых является отсутствие параметров плазмы с высоким разрешением во время большей части шторма из-за насыщения прибора на борту космического корабля ACE (Skoug, 2004). . Для оценки модели шторма 2003 г. мы использовали процедуру, аналогичную описанной Пулккиненом и др. (2013), которые включали использование данных ACE низкого разрешения (1 час) для восстановления параметров плазмы и данных разрешения 4 секунды для межпланетного магнитного поля. Затем данные были переданы носовой части ударной волны, чтобы согласовать их с данными OMNI. На рис. 8 (слева) показаны реконструированные данные о солнечном ветре с повторной выборкой с разрешением 1 мин. Единственные данные, которые не удалось восстановить, это скорость солнечного ветра V _y и V _z , которые показаны прямыми линиями, соединяющими последние известные значения (линейная интерполяция).

РИСУНОК 8 . Параметры солнечного ветра (слева) и данные наземного магнитометра с 20-минутным окном и прогнозы (справа) для геомагнитной бури 30 октября 2003 г. Сверху вниз (слева) индекс SYM-H, IMF B _z , скорость протонов, плотность протонов, динамическое давление, температура и электрическое поле. Сверху вниз (справа) индекс SYM-H и все шесть наземных магнитометрических станций, показывающие максимальные значения реальных измерений за 20-минутное окно (черный), модель ANN (красный), модель LSTM (зеленый) и модель CNN (синий) .

На рис. 8 (справа) показаны прогнозы моделей для различных станций во время шторма 30 октября 2003 г. Здесь становится очевидной одна из главных трудностей при обучении моделей машинного обучения: их плохая способность экстраполировать на невидимые данные. Видно, что модели ведут себя странно по-разному. Все три модели реагируют на внезапное увеличение плотности протонов в начале оцениваемого промежутка времени, но впоследствии прогнозы моделей значительно различаются. Например, прогнозы ИНС обнуляются после начального всплеска, таким образом пропуская большую часть сильных колебаний. Модель CNN, хотя и не может дать надежного прогноза, кажется, по крайней мере, достаточно надежной, чтобы следовать схеме прогнозирования, аналогичной той, что она предсказывала бы при различных штормах. Наконец, модель LSTM предсказывает огромные всплески как минимум на двух станциях. Тонкая настройка модели для получения хороших прогнозов экстремальных (и невидимых) данных не входила в число целей, которые мы ставили для этой работы, но это то, что мы будем рассматривать в будущем.

4.2 Метрики

Оценка навыка Хайдке (HSS) была основной метрикой, используемой здесь для сравнения с вызовом GEM. Основная причина его использования заключалась в том, что он также был их предпочтительной метрикой и, как таковой, был более простым выбором. Мы считаем, что использование только одной метрики для оценки модели является ограничительным, поскольку дает лишь представление о сильных и слабых сторонах этой модели. Например, HSS (уравнение 2) содержит ряд произведений или сумм между элементами таблицы непредвиденных обстоятельств. Это требует множества элементов таблицы для получения значимой оценки. В процессе оценки модели самый сильный шторм в тестовом наборе, шторм Хэллоуина 2003 года, имел большой процент отсутствующих данных, а это означает, что оценка модели проводилась только для той части шторма, где данные были доступны. Эта часть данных о шторме была полностью выше самого низкого порога (18 нТл/мин). Модель, распознавая интенсивность шторма, спрогнозировала пороговое значение для того же периода времени. Это привело к тому, что элемент таблицы H (попадания) был единственным заполненным, поскольку все прогнозы и реальные данные превышали самый низкий порог, что в идеале является идеальной моделью. Однако, поскольку только один элемент таблицы был ненулевым, мы получаем нули как в числителе, так и в знаменателе HSS, что дает значение NaN в нашей оценке. Точно так же при оценке шторма 2003 г. станция PBQ имела почти идеальный прогноз с точки зрения того, что все попадания достигли порога 18 нТл/мин. Однако, несмотря на то, что доля попаданий была очень высокой, был один ложноотрицательный результат. Поскольку были представлены только два элемента таблицы, но они находятся в разных числителях, мы получаем нулевой результат для HSS. Предполагается, что нулевая оценка аналогична модели случайных шансов 50–50; однако с соотношением попаданий к ложноотрицательным результатам 13: 1 для этого конкретного шторма это явно не так, что показывает, что HSS не соответствует навыкам модели. Таким образом, важно учитывать несколько показателей при проверке или сравнении моделей. Лимон и др. (2021) представлен обзор многочисленных показателей, а Welling et al. (2018) рекомендует добавить показатель частотного смещения к показателям, используемым Pulkkinen et al. (2013) для оценки возмущений наземного магнитного поля.

Также важно учитывать, что из шести штормов, оцененных для шести наземных магнитометрических станций, шторм 30 октября 2003 г. является единственным штормом, который обеспечивает большое количество пересечений выше трех верхних порогов. Это также обсуждается в работе Pulkkinen et al. (2013), потому что это сильно влияет на общую оценку HSS модели в зависимости от того, может ли модель эффективно предсказывать колебания, которые достаточно велики, чтобы пересечь эти пороговые значения. В нашем случае модель ИНС, которая вообще не может предсказать бурю 2003 г., показывает, что ее HSS сильно пострадала по сравнению с двумя другими моделями, даже если все они схожи по производительности для остальных оцененных геомагнитных бурь.

4.3 Обучение и тестирование

Одной из причин воспроизвести существующие усилия сообщества является то, что мы хотели сравнить результаты нашей модели с известными базовыми моделями. При этом мы сделали выбор, который может быть или не быть оптимальным выбором для модели машинного обучения. Хорошим примером является шторм 2003 года, который в идеале можно было бы использовать для обучения, а не для тестирования, учитывая его уникальный характер в существующем наборе данных (и который мы будем использовать, когда модели перейдут в оперативный прогноз в реальном времени). Как упоминалось ранее, понятно, что разработчики моделей могут захотеть протестировать экстремальные события, в отличие от методов машинного обучения, когда экстремальные события могут помочь моделям работать лучше. Однако в будущем, возможно, стоит изучить новые события для тестирования, такие как уже предложенные Welling et al. (2018).

Другим важным аспектом, который здесь подробно не рассматривается, является выбор целевого параметра. Следуя задаче GEM, мы сосредоточились на 1-минутных значениях разрешения дБ _H / dt , а затем повторно обработали эти прогнозы, чтобы получить максимальное значение каждые 20 минут, что в конечном итоге и было использовано для фактического оценка. Хотя 20- или 30-минутное окно прогноза, вероятно, является разумным промежутком времени, в течение которого можно выдавать предупреждения, когда модель работает, модель была предложена так, что она активно не создает прогнозы так далеко в будущем, а скорее на 1 минуту вперед ( плюс время распространения от L1), что может привести к путанице. В будущем мы планируем попробовать различные типы прогнозов, например, сделать прямой прогноз максимального значения колебаний в течение определенного временного окна.

5 Резюме и заключение

Мы повторно рассмотрели проблему возмущений наземного магнитного поля «GEM Challenge», используя модели глубокого обучения для нашей оценки: нейронную сеть с прямой связью (ANN), сверточную нейронную сеть (CNN) и длинную короткую нейронную сеть. рекуррентная сеть с терминальной памятью (LSTM). Мы следовали той же процедуре, установленной исходным заданием, включая прогноз значений 1-минутного разрешения 90 267 дБ 90 268 90 269 90 267 H 90 268 90 272 / 90 267 dt 90 268 с последующим преобразованием в «максимум» в 20-минутных окнах. Затем мы оценили наши модели, создав таблицу непредвиденных обстоятельств для пороговых значений 18, 42, 66 и 9.0 нТл/мин. Метриками, созданными из этих таблиц непредвиденных обстоятельств, были вероятность обнаружения, вероятность ложного обнаружения и показатель навыка Хайдке, который мы использовали для оценки наших моделей на шести наземных магнитометрических станциях, трех средних и трех высоких широтах, для шести различных геомагнитных бурь. . Наконец, мы подсчитали общий балл, объединив штормы на станциях в средних широтах, а также на станциях в высоких широтах.

В целом мы обнаружили, что разработанные нами модели машинного обучения, как правило, работают так же или немного хуже по сравнению с моделями, представленными Pulkkinen et al. (2013), с оценками, которые поместили бы их примерно в середину всех моделей, которые они тестировали. Пулккинен и др. (2013) не приводит точных цифр, поэтому их необходимо вывести из цифр. Например, наши модели плохо работают при пороге 18 нТл/мин в средних широтах по сравнению со всеми обсуждаемыми там моделями. С другой стороны, две наши модели (CNN, LSTM) превосходят все, кроме двух лучших моделей, в высоких широтах для того же порога. При пороге 42 нТл/мин наши модели (LSTM на средней широте, CNN на высокой широте) превзойдут все представленные там модели, кроме топовой. Для таких результатов есть несколько причин, в том числе трудности с прогнозированием геомагнитной бури 30 октября 2003 г., которая является уникальным и крайним случаем, из-за которого обучение машинному обучению дает плохие прогнозы. Из трех протестированных нами моделей CNN работала стабильно лучше, чем две другие.

Модели машинного обучения, которые мы здесь использовали, имеют несколько преимуществ по сравнению с традиционными симуляциями, например минимальные требования к вычислительным ресурсам, необходимые для обучения, и возможность запуска в режиме реального времени. Большинство наших моделей были обучены на машинах средней вычислительной мощности и, что более важно, могут давать прогнозы в реальном времени на настольном компьютере. Это обеспечивает большую гибкость при разработке моделей и быструю итерацию между различными алгоритмами по мере их появления. Здесь мы использовали LSTM, CNN и даже модель ANN из-за их способности фиксировать временную историю временных рядов, используемых в качестве входных данных. Мы считаем, что любая модель машинного обучения, способная фиксировать временную эволюцию целевого параметра, заслуживает изучения и может быть использована в будущем. В будущем мы планируем продолжить изучение моделей этого типа с намерением перейти к прогнозированию в реальном времени.

Заявление о доступности данных

В этом исследовании были проанализированы общедоступные наборы данных. Эти данные можно найти здесь: Набор данных OMNI: https://cdaweb.gsfc.nasa.gov/pub/data/omni/SuperMAg Набор данных: https://supermag.jhuapl. edu/ACE Набор данных: http://www. srl.caltech.edu/ACE/ASC/level2/index.html.

Вклад авторов

В.П. участвовал в разработке концепции и дизайна исследования, подготовке данных, разработке и анализе модели, интерпретации результатов и написании. AK участвовал в разработке дизайна исследования, интерпретации результатов, подготовке данных, написании и общем руководстве. MC и RM внесли свой вклад в разработку модели, анализ, интерпретацию и помощь в написании. JJ участвовал в разработке модели и разработке методологии. CN и HC внесли свой вклад в дизайн исследования и общее обсуждение. Все авторы внесли свой вклад в доработку рукописи, прочитали и одобрили представленную версию.

Финансирование

Эта работа поддерживается премией NSF 1

5. CN была поддержана премией NASA Grant Award 80NSSC-20K1364 и NSF Grant Award AGS-2117932.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Примечание издателя

Все утверждения, изложенные в этой статье, принадлежат исключительно авторам и не обязательно представляют претензии их дочерних организаций или издателя, редакторов и рецензентов. Любой продукт, который может быть оценен в этой статье, или претензии, которые могут быть сделаны его производителем, не гарантируются и не поддерживаются издателем.

Благодарности

Мы благодарим всех членов команды MAGICIAN в UNH и UAF, которые участвовали в обсуждениях, приведших к написанию этой статьи. Мы также благодарим команды OMNIWeb, SuperMAG и ACE за предоставление данных.

Дополнительный материал

Дополнительный материал к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fspas.2022.869740/full#supplementary-material

Ссылки

Abadi, M. , Agarwal, A., Barham, P., Brevdo, E., Chen, Z., Citro, C., et al. (2016). TensorFlow: крупномасштабное машинное обучение в гетерогенных распределенных системах. arXiv:1603.04467 [cs].

Google Scholar

Boteler, DH (2019). Взгляд XXI века на магнитную бурю в марте 1989 года. Космическая погода 17, 14:27–14:41. doi:10.1029/2019SW002278

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Boteler, DH (2001). «Влияние космической погоды на энергетические системы», в серии геофизических монографий (Вашингтон, округ Колумбия: Американский геофизический союз), 347–352. doi:10.1029/GM125p0347

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Кольядо-Вильяверде А., Муньос П. и Сид К. (2021). Глубокие нейронные сети со сверточными слоями и слоями LSTM для прогнозирования SYM-H и ASY-H. Космическая погода 19, e2021SW002748. doi:10.1029/2021SW002748

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Диммок А. П., Розенквист Л., Веллинг Д. Т., Вильянен А., Хонконен И., Бойнтон Р. Дж. и др. (2020). О региональной изменчивости d B / d t и ее значении для GIC. Космическая погода 18, e2020SW002497. doi:10.1029/2020SW002497

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фиори, Р. А. Д., Ботелер, Д. Х., и Гиллис, Д. М. (2014). Оценка риска GIC из-за внезапных геомагнитных явлений и определение ответственных текущих систем. Космическая погода 12, 76–91. doi:10.1002/2013SW000967

Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Гэннон Дж. Л., Берчфилд А. Б., Шетье К. С. и Оверби Т. Дж. (2017). Сравнение пиковых электрических полей и GIC на северо-западе Тихого океана с использованием одномерной и трехмерной проводимости. Космическая погода 15, 1535–1547. doi:10.1002/2017SW001677

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гил А., Берендт-Маршель М., Модзелевская Р., Москва С., Силушик А., Силушик М. и др. (2021). Оценка взаимосвязи между сильными геомагнитными бурями и сбоями в электросетях в Польше с использованием геоэлектрического поля в качестве прокси GIC. J. Космическая погода Космический полет. 11, 30. doi:10. 1051/swsc/2021013

CrossRef Full Text | Google Scholar

Гьерлоев, Дж. В. (2012). Метод обработки данных SuperMAG. Ж. Геофиз. Рез. Космическая физ. 117, А09213. doi:10.1029/2012ja017683

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Hapgood, M., Angling, M.J., Attrill, G., Bisi, M., Cannon, P.S., Dyer, C., et al. (2021). Разработка разумных сценариев наихудшего случая космической погоды для национальной оценки рисков Великобритании. Космическая погода 19, e2020SW002593. doi:10.1029/2020SW002593

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Хохрайтер С. и Шмидхубер Дж. (1997). Долгая кратковременная память. Нейронные вычисления. 9, 1735–1780 гг. doi:10.1162/neco.1997.9.8.1735

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Каппенман, Дж. Г. (2003). Внезапное начало бурь и связанные с этим геомагнитно-индуцированные текущие риски для наземных систем в низких и средних широтах. Космическая погода 1, 1016. doi:10.1029/2003sw000009

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кизи А. М., Пинто В., Кофлан М., Леннокс К., Махмуд М. С. и Коннор Х. К. (2020). Сравнение методов глубокого обучения с моделированием связей между солнечным ветром и наземными магнитными возмущениями. Фронт. Астрон. Космические науки. 7, 550874. doi:10.3389/fspas.2020.550874

CrossRef Full Text | Google Scholar

Кинг, Дж. Х., и Папиташвили, Н. Э. (2005). Пространственные масштабы солнечного ветра и сравнение почасовых данных о ветре и данных плазмы и магнитного поля ACE. Ж. Геофиз. Рез. 110, А02104. doi:10.1029/2004JA010649

CrossRef Полный текст | Google Scholar

ЛеКун Ю., Бенжио Ю. и Хинтон Г. (2015). Глубокое обучение. Природа 521, 436–444. doi:10.1038/nature14539

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Лиемон, М. В., Шейн, А. Д., Азари, А. Р., Петерсен, А. К., Свигер, Б. М., и Мухопадхьяй, А. (2021). RMSE недостаточно: рекомендации по надежному сравнению моделей данных для физики магнитосферы. Дж. Атмос. Соль.-Терр. физ. 218, 105624. doi:10.1016/j.jastp.2021.105624

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лав, Дж. Дж., Лукас, Г. М., Келберт, А., и Бедросян, П. А. (2018). Карты геоэлектрических опасностей для Среднеатлантического региона США: 100-летние экстремальные значения и магнитная буря 1989 года. Геофиз. Рез. лат. 45, 5–14. doi:10.1002/2017GL076042

Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Лукас Г. М., Лав Дж. Дж., Келберт А., Бедросян П. А. и Риглер Э. Дж. (2020). 100-летний анализ геоэлектрических опасностей для высоковольтной энергосистемы США. Космическая погода 18, e2019SW002329. doi:10.1029/2019SW002329

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Нгвира К.М., Пулккинен А.А., Бернабеу Э., Эйхнер Дж., Вильянен А. и Кроули Г. (2015). Характеристики экстремальных геоэлектрических полей и их возможные причины: локализованные усиления пиков. Геофиз. Рез. лат. 42, 6916–6921. doi:10.1002/2015GL065061

Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Нгвира С. М., Сибек Д., Сильвейра М. В. Д., Георгиу М., Вейганд Дж. М., Нисимура Ю. и др. (2018). Исследование интенсивных локальных вариаций dB/dt во время двух геомагнитных бурь. Космическая погода 16, 676–693. doi:10.1029/2018SW001911

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Oughton, E.J., Hapgood, M., Richardson, G.S., Beggan, C.D., Thomson, A.W.P., Gibbs, M., et al. (2019). Система оценки рисков для социально-экономических последствий отказа инфраструктуры передачи электроэнергии из-за космической погоды: применение в Соединенном Королевстве. Анальный риск. 39, 1022–1043. doi:10.1111/risa.13229

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Педрегоса Ф., Вароко Г., Грамфор А., Мишель В., Тирион Б., Гризель О. и др. (2011). Scikit-Learn: Машинное обучение в Python. Дж. Маха. Учиться. Рез. 12, 2825–2830.

Google Scholar

Пирьола, Р. (2000). Геомагнитно-индуцированные токи во время магнитных бурь. IEEE Trans. Плазменные науки. 28, 1867–1873 гг. doi:10.1109/27.5

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Пирьола, Р. (2002). Обзор по расчету поверхностных электрических и магнитных полей и геомагнитно-индуцированных токов в наземных технологических системах. Сурв. Геофиз. 23, 71–90. doi:10.1023/A:1014816009303

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Пулккинен А., Бернабеу Э., Эйхнер Дж., Вильянен А. и Нгвира К. (2015). Региональные высокоширотные экстремальные геоэлектрические поля, связанные с геомагнитно-индуцированными токами. Планета Земля Sp. 67, 93. doi:10.1186/s40623-015-0255-6

CrossRef Full Text | Google Scholar

Пулккинен А., Бернабеу Э., Томсон А., Вильянен А., Пирьола Р., Ботелер Д. и др. (2017). Геомагнитно-индуцированные токи: наука, инженерия и готовность приложений. Космическая погода 15, 828–856. doi:10.1002/2016SW001501

Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Пулккинен А., Растэттер Л., Кузнецова М., Сингер Х., Балч К., Веймер Д. и др. (2013). Проверка в масштабах всего сообщества геокосмической модели прогнозов возмущений наземного магнитного поля для поддержки перехода модели к эксплуатации. Космическая погода 11, 369–385. doi:10.1002/swe.20056

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Роджерс, Северная Каролина, Уайлд, Дж. А., Истое, Э. Ф., Гьерлоев, Дж. В., и Томсон, А. В. П. (2020). Глобальная климатологическая модель экстремальных флуктуаций геомагнитного поля. J. Космическая погода Космический полет. 10, 5. doi:10.1051/swsc/2020008

CrossRef Full Text | Google Scholar

Сицилиано Ф., Консолини Г., Тоцци Р., Джентили М., Джаннаттасио Ф. и Де Микелис П. (2021). Прогнозирование индекса SYM-H: сравнение долговременной кратковременной памяти и сверточных нейронных сетей. Космическая погода 19, e2020SW002589. doi:10.1029/2020SW002589

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Скоуг, Р. М. (2004). Чрезвычайно скоростной солнечный ветер: 29-30 октября 2003 г. Ж. Геофиз. Рез. 109, А09102. doi:10.1029/2004JA010494

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Smith, A.W., Forsyth, C., Rae, IJ, Garton, T.M., Bloch, T., Jackman, C.M., et al. (2021). Прогнозирование вероятности больших скоростей изменения геомагнитного поля в Великобритании: шкалы времени, горизонты и пороги. Космическая погода 19, e2021SW002788. doi:10.1029/2021SW002788

CrossRef Полный текст | Академия Google

Тот, Г., Менг, X., Гомбози, Т. И., и Растеттер, Л. (2014). Прогнозирование производной по времени от локальных магнитных возмущений. Ж. Геофиз. Рез. Космическая физ. 119, 310–321. doi:10.1002/2013JA019456

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вильянен А., Неванлинна Х., Паюнпаа К. и Пулккинен А. (2001). Производная по времени горизонтального геомагнитного поля как индикатор активности. Энн. Геофиз. 19, 1107–1118. doi:10.5194/angeo-19-1107-2001

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Google Scholar

Вильянен, А. (1998). Связь геомагнитно-индуцированных токов и местных геомагнитных вариаций. IEEE Trans. Мощность Делив. 13, 1285–1290. doi:10.1109/61.714497

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Welling, D.T., Ngwira, C.M., Opgenoorth, H., Haidusek, JD, Savani, N.P., Morley, S.K., et al. (2018). Рекомендации по проверке наземных магнитных возмущений следующего поколения. Космическая погода 16, 1912–1920. doi:10.1029/2018SW002064

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Wintoft, P. (2005). Исследование связи солнечного ветра с разностным горизонтальным геомагнитным полем во времени. Энн. Геофиз. 23, 1949–1957. doi:10.5194/angeo-23-1949-2005

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Винтофт П. , Вик М. и Вильянен А. (2015). Эмпирические прогнозные модели временной производной магнитного поля Земли, управляемые солнечным ветром. J. Космическая погода Космический полет. 5, А7. doi:10.1051/swsc/2015008

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Исследование рака у детей методом случай-контроль и воздействие магнитных полей частотой 60 Гц

Сравнительное исследование

. 1988 г., июль; 128 (1): 21–38.

doi: 10.1093/oxfordjournals.aje.a114943.

Д.А. Савиц ¹ , H Wachtel, F A Barnes, E M John, J G Tvrdik

принадлежность

• ¹ Кафедра эпидемиологии, Школа общественного здравоохранения, Университет Северной Каролины, Чапел-Хилл 27599.
• PMID: 3164167
• DOI: 10. 1093/oxfordjournals.aje.a114943

Сравнительное исследование

Д. А. Савиц и соавт. Am J Эпидемиол. 1988 июль

. 1988 г., июль; 128 (1): 21–38.

doi: 10.1093/oxfordjournals.aje.a114943.

Авторы

Д.А. Савиц ¹ , Х. Вахтель, Ф. А. Барнс, Э. М. Джон, Дж. Г. Тврдик

принадлежность

• ¹ Департамент эпидемиологии, Школа общественного здравоохранения, Университет Северной Каролины, Чапел-Хилл 27599.
• PMID: 3164167
• DOI: 10. 1093/oxfordjournals.aje.a114943

Абстрактный

Обеспокоенность воздействием на здоровье магнитных полей чрезвычайно низкой частоты была поднята эпидемиологическими исследованиями рака у детей в связи с близостью к линиям электропередач. Это исследование типа «случай-контроль» было разработано для оценки связи между воздействием магнитных полей в жилых помещениях и развитием рака у детей. Приемлемые случаи состояли из всех 356 жителей пяти округов Денвера, штат Колорадо, стандартного столичного статистического района 1970 года, в возрасте 0–14 лет, у которых была диагностирована любая форма рака в возрасте от 19 лет.76 и 1983. Контрольную группу отбирали случайным набором цифр для аппроксимации распределения случаев по возрасту, полу и району телефонной станции. Воздействие было охарактеризовано с помощью домашних измерений электрического и магнитного поля в условиях низкой и высокой мощности и кодов конфигурации проводов, что является суррогатной мерой долговременных уровней магнитного поля. Измеренные магнитные поля в условиях малой мощности имели умеренную связь с заболеваемостью раком; пороговое значение 2,0 мГс дало отношение шансов 1,4 (95% доверительный интервал (ДИ) = 0,6-2,9) для всех видов рака и несколько большее отношение шансов (ОШ) для лейкозов (ОШ = 1,9), лимфом (ОШ = 2,2) и сарком мягких тканей (ОШ = 3,3). Ни магнитные поля (ОШ = 1,0), ни электрические поля (ОШ = 0,9) в условиях использования высокой мощности не были связаны с общим раком. Коды проводов, связанные с более сильными магнитными полями, были более распространены среди частных домов, чем в контрольных домах. Отношение шансов противопоставления очень высоких и высоких кодов очень низким, низким и скрытым проводам составляло 1,5 (9).5% ДИ = 1,0–2,3) для общего числа случаев, с согласованностью по подгруппам рака, за исключением рака головного мозга (OR = 2,0) и лимфом (OR = 0,8). Сравнение домов с очень высоким и скрытым проводным кодом давало более высокие и менее точные отношения шансов: 2,3 для общего числа случаев, 2,9 для лейкемий и 3,3 для лимфом. Скорректированные оценки для измеренных полей и проводных кодов не отличались от грубых результатов, что указывает на отсутствие смешения. Ограничениями исследования являются отсутствие ответа (особенно для измерений поля), дифференциальная мобильность случаев и контролей и предположительно недифференциальная неправильная классификация воздействия из-за использования несовершенных суррогатов для истории длительного воздействия магнитного поля. Несмотря на эти опасения, результаты побуждают к дальнейшему изучению канцерогенного потенциала этой формы неионизирующего излучения.

Похожие статьи

• Детский рак в связи с измененным кодом жилого провода.

  Савиц Д.А., Кауне В.Т. Савиц Д.А. и соавт. Перспектива охраны окружающей среды. 1993 22 апреля; 101(1):76-80. doi: 10.1289/ehp.9310176. Перспектива охраны окружающей среды. 1993. PMID: 8513768 Бесплатная статья ЧВК.

• Воздействие магнитного поля от электроприборов и детский рак.

  Савиц Д.А., Джон Э.М., Клекнер Р.С. Савиц Д.А. и соавт. Am J Эпидемиол. 1990 г., май; 131(5):763-73. doi: 10.1093/oxfordjournals.aje.a115566. Am J Эпидемиол. 1990. PMID: 2321620

• Исследование домов с высокой и слаботочной конфигурацией из Денверского исследования детского рака 1988 года.

  Кауне В.Т., Дован Т., Кавет Р.И., Савиц Д.А., Нейтра Р.Р. Кауне В.Т. и др. Биоэлектромагнетизм. 2002 апр; 23 (3): 177-88. doi: 10.1002/bem.10001. Биоэлектромагнетизм. 2002. PMID: 118

• Проводные коды, магнитные поля и детский рак.

  Хейфец Л.И., Кавет Р., Суссман С.С. Хейфец Л.И. и соавт. Биоэлектромагнетизм. 1997;18(2):99-110. doi: 10.1002/(sici)1521-186x(1997)18:23.0.co;2-#. Биоэлектромагнетизм. 1997. PMID: 60 Обзор.

• Объединенный анализ магнитных полей, проводных кодов и детской лейкемии. Исследовательская группа по детской лейкемии-ЭМП.

  Гренландия С., Шеппард А.Р., Кауне В.Т., Пул С., Келш М.А. Гренландия С. и др. Эпидемиология. 2000 ноябрь; 11 (6): 624-34. doi: 10.1097/00001648-200011000-00003. Эпидемиология. 2000. PMID: 11055621 Обзор.

Посмотреть все похожие статьи

Цитируется

• Тапсигаргин блокирует вызванное электромагнитным полем внутриклеточное увеличение Ca ²⁺ в клетках HEK 293.

  Бертанья Ф., Льюис Р., Сильва С.Р.П., Макфадден Дж., Дживаратнам К. Бертанья Ф. и др. Physiol Rep. 2022 May;10(9):e15189. дои: 10.14814/phy2.15189. Физиол Респ. 2022. PMID: 35510320 Бесплатная статья ЧВК.

• Эпидемиология и биологическое правдоподобие в оценке причинно-следственной связи.

  Савиц Д.А. Савиц Д.А. Экологический эпидемиол. 2021 11 ноября; 5 (6): e177. doi: 10.1097/EE9.0000000000000177. электронная коллекция 2021 дек. Экологический эпидемиол. 2021. PMID: 347 Бесплатная статья ЧВК. Аннотация недоступна.

• Искусственные электромагнитные поля: вынужденные колебания ионов и дисфункция потенциалзависимых ионных каналов, окислительный стресс и повреждение ДНК (обзор).

  Панагопулос Д. Дж., Карабарбунис А., Якименко И., Хрусос Г.П. Панагопулос Д.Дж. и др. Int J Oncol. 2021 ноябрь;59(5):92. doi: 10.3892/ijo.2021.5272. Epub 2021 7 октября. Int J Oncol. 2021. PMID: 34617575 Бесплатная статья ЧВК. Обзор.

• Воздействие крайне низкочастотных магнитных полей и детский рак: систематический обзор и метаанализ.

  Сомун Г., Ли Дж., Пак Дж. Сомун Г и др. ПЛОС Один. 2021 14 мая; 16 (5): e0251628. doi: 10.1371/journal.pone.0251628. Электронная коллекция 2021. ПЛОС Один. 2021. PMID: 33989337 Бесплатная статья ЧВК.

• Однородное электромагнитное поле частотой 60 Гц способствует пролиферации клеток человека за счет снижения внутриклеточных уровней активных форм кислорода.

  Сон К., Им С. Х., Юн И.Дж., Ким Х.М., Ли Х.Дж., Пак Г.С. Сонг К. и др. ПЛОС Один. 2018 16 июля; 13 (7): e0199753. doi: 10.1371/journal.pone.0199753. Электронная коллекция 2018. ПЛОС Один. 2018. PMID: 30011321 Бесплатная статья ЧВК.

Просмотреть все статьи “Цитируется по”

Типы публикаций

термины MeSH

НОВА | Стенограммы | Магнитная буря

PBS Дата эфира: 18 ноября 2003 г. Перейти на сопутствующий веб-сайт РАССКАЗЧИК: На нашей планете есть регион, в котором нет человека. когда-либо посещал. Никто никогда не видел это место, но что здесь происходит влияет на каждого из нас каждый день нашей жизни. Это на 2000 миль ниже нашего футов, расплавленное ядро ​​Земли. Здесь огромный океан жидкого железа порождает невидимая сила, магнитное поле Земли. Это то, что делает наши компасы указать север. Но он делает гораздо больше: он помогает поддерживать жизнь на Земле. планета. Наши соседи, Венера и Марс, имеют только слабые магнитные поля, которые означает, что они не защищены от смертельной радиации, пронизывающей солнечную система. Земля, с другой стороны, существует внутри огромного магнитного кокона, силовое поле, которое миллиарды лет защищало нас в нашем путешествии по пространство. Но теперь ученые сделали поразительное открытие. Кажется, есть шторм, назревающий глубоко внутри Земли, шторм, который ослабляет нашу жизненно важную магнитный щит. ПИТЕР ОЛСОН (Университет Джона Хопкинса) : Магнитное поле Земли поле было нашим защитником на протяжении тысячелетий, и теперь, похоже, оно вот-вот Уходите. ДЖОН ШОУ (Ливерпульский университет) : Магнитное поле Земли быстро слабеет. МАРИО АКУНА (Центр космических полетов имени Годдарда НАСА) : Мы не можем гарантировать, что магнитное поле Земли все еще будет там тысячу лет от сегодняшнего дня. РАССКАЗЧИК: Наш невидимый щит вот-вот исчезнет? ДЖЕРЕМИ БЛОКСХЭМ (Гарвардский университет) : Вопрос не в том, если это произойдет, это когда это произойдет. РАССКАЗЧИК: Может ли Земля действительно потерять свое магнитное поле? А также что произойдет, если это произойдет? Далее на NOVA: Магнитная буря . Основное финансирование NOVA предоставляется Фондом Парка, посвященным образование и качественное телевидение. Мы видим 400 сотрудников за три года. В Microsoft ваш потенциал вдохновляет нам создать программное обеспечение, которое поможет вам достичь этого. Ваш потенциал, наш страсть. Наука: она дала нам основу для создания беспроводной связи Чисто. Sprint гордится тем, что поддерживает NOVA. И Корпорацией общественного вещания, и взносами в ваш Станция PBS от таких зрителей, как вы. Спасибо. РАССКАЗЧИК: Обжигающий жар, сокрушительное давление и миллиард триллион тонн расплавленного железа: таковы условия в центре земной шар. ПИТЕР ОЛСОН: Это доменная печь Sparrow’s Point для Вифлеема. Steel Corporation, а это максимально близко к среде ядра Земли как у нас здесь, на поверхности Земли. РАССКАЗЧИК: Погребенный почти под 2000 милями твердой скалы, земное ядро ​​недоступно для таких геофизиков, как Питер Олсон. ПИТЕР ОЛСОН: Примерно на полпути к центру Земли мы достигаем истинного сердце Земли, ядро ​​Земли, огромная расплавленная сфера жидкого железа, и именно там создается магнитное поле Земли. РАССКАЗЧИК: Но недавно ученые обнаружили изменение магнитного поля Земли. Способность ядра генерировать поле кажется, колеблется. ПИТЕР ОЛСОН: Сегодня с Землей происходит что-то очень странное. магнитное поле: его сила быстро уменьшается, так быстро, что при токе темпами это продлится только в следующем тысячелетии. РАССКАЗЧИК: Кажется, магнитное поле Земли быстро исчезновение, загадка, которая бросает вызов ученым всего мира. ДЖЕРЕМИ БЛОКСГЭМ: Удивительно, как мало известно о Магнитное поле Земли и как оно создается. ГЭРИ ГЛАЦМАЙЕР (Калифорнийский университет, Санта-Круз) : Это был очень интригующая проблема, требующая ответа. ДЭНИЭЛ ЛЭТРОП (Университет Мэриленда) : Мне часто хотелось, чтобы я мог увидеть магнитное поле. Меня мотивируют тайны, которые там есть. РАССКАЗЧИК: Пока ученые борются со сложностями магнитное поле, они понимают, что то, что происходит в центре Земля может изменить наш мир для будущих поколений. Магнетизм — это то, с чем мы все знакомы. Кажется, это волшебно способность притягивать и отталкивать, восхищать и сбивать с толку. Но эта таинственная сила это не просто любопытство. Магнетизм, близкий родственник электричества, лежит в сердце большинства современных технологий, всего, от электростанций до телевизор, который вы сейчас смотрите. И, по сути, сама Земля представляет собой гигантский магнит. Пока мы постоянно осознавая притяжение, большую часть времени мы не замечаем другая сила, которую производит Земля, — магнитное поле. Но космические ученые как будто Эндрю Коутс знает, насколько это важно на самом деле. ЭНДРЮ КОУТС (Лаборатория космических исследований Малларда, Университетский колледж) Лондон) : Протяженность магнитного поля действительно огромна. это самый большой вещь действительно у нас есть на Земле. РАССКАЗЧИК: Магнитное поле создается глубоко в недрах Земли. основной. Она вытекает около Южного полюса, огибает планету, а затем возвращается в ядро ​​около северного магнитного полюса. это земля защитное силовое поле. Без него у нас были бы проблемы. ЭНДРЮ КОУТС: Он защищает нас от радиации из космоса. Это немного похоже на пребывание здесь в стручке. Это защищает нас от непогоды Земля; магнитное поле Земли защищает нас от космической погоды и космоса излучение. РАССКАЗЧИК: Космическая погода ужасна. Ветры, которые дуют галактике несут радиационные ветры, одни из самых вредных из дальних взрывающиеся звезды. ЭНДРЮ КОУТС: Но есть еще один источник, который гораздо ближе, что наше солнце. Солнце само по себе является термоядерной печью, и это бросает от огромного количества опасного материала при очень больших взрывах. В некоторых случаях, это примерно та же масса, что и гора Эверест, приближающаяся к нам. РАССКАЗЧИК: Каждые несколько часов солнце выбрасывает миллиарды тонн электрически заряженные частицы, солнечный ветер. Часто Земля лежит прямо на пути этого натиска. Но магнетизм отклоняет заряженные частицы. Этот означает, что солнечный ветер не может проникнуть через магнитный экран Земли, и так безвредно течет по планете. Единственными видимыми признаками этой драмы далеко над нашими головами являются северные и южное сияние, возникающее, когда солнечные частицы попадают в земную магнитное поле тянутся через атмосферу к столбы. ЭНДРЮ КОУТС: Теперь нам повезло на Земле, у нас есть магнитное поле который отклоняет частицы и защищает нас. Но если бы мы потеряли магнитное поле, ничто не остановит радиацию, омывающую всю атмосферу, и эффект был бы гораздо более опасным. РАССКАЗЧИК: Но насколько опасно? Что было бы окончательным последствия для планеты Земля, если магнитное поле исчезнет вообще? АКТУАЛЬНОСТЬ (Обратный отсчет Центра управления полетами НАСА) : . . . пять, четыре, три, два, один. РАССКАЗЧИК: Ответ стал ясен только недавно. РЕАЛЬНОСТЬ (Управление полетами НАСА) : . . . и у нас есть старт Mars Global Surveyor НАСА, когда Америка начинает свой путь обратно к Красному Планета. РАССКАЗЧИК: В 1996 году НАСА отправило спутник на Марс. МАРИО АКУНА: Марс был труднодоступной планетой для космических кораблей. Даже после 16 миссий США и России и так далее, мы все еще не знали имел ли Марс собственное магнитное поле или нет. РАССКАЗЧИК: Это был давний вопрос, который Марио Акуна и его команда из НАСА надеялась, наконец, договориться. Что они на самом деле обнаружили был значительно значительнее. МАРИО АКУНА: Природа приготовила для нас большие сюрпризы, превосходящие наши самые смелые ожидания. ожидания. РАССКАЗЧИК: В истории Марса скрыта связь между магнетизмом и жизнью. МАРИО АКУНА: И здесь мы разрабатываем наши дорогие игрушки, наши инструменты. Это наша лаборатория. РАССКАЗЧИК: Марио — один из ведущих мировых экспертов по внеземные магнитные поля. Он послал инструменты, чтобы измерить их все над Солнечной системой. МАРИО АКУНА: Этот отправился на Юпитер, Сатурн и дальше. Это “Вояджер-1” и “Вояджер-2”. Этот отправился к Меркурию с “Маринер-10”. орбита и Солнце. Например, этот отправился к комете Галлея. РАССКАЗЧИК: Для измерения магнитных полей Марио использует технику который был обнаружен полтора века назад. МАРИО АКУНА: Самый простой способ измерить магнитное поле — это маленький магнит, как у нас здесь, установленный таким образом, что может свободно перемещаться в трех измерениях. И этот магнит, потому что магнитное поле представляет собой силовое поле, будет выравниваться с магнитным полем Земли. В этом случае, в том направлении, которое мы имеем здесь, которое на самом деле идет в ядро под углом 70 градусов здесь и указывает на север. Таким образом, это дает нам представление о направлении поля. И вы можете видеть, что если я слегка потревожу этот магнит, как быстро он восстанавливает исходное положение, дает нам представление о силе магнитное поле. Так что это очень слабо для Земли. И если я использую сильное постоянного магнита, то мы видим, что наш тестовый магнит движется гораздо быстрее. Итак, если я заставить этот магнит работать против пружины, я получаю представление не только о направлении поля, но и насколько оно сильное. РАССКАЗЧИК: На спутнике Mars Global Surveyor инструменты электронные, а не механические, но принцип остается то же самое, крошечный электромагнит, который работает против магнитной пружины. МАРИО АКУНА: Итак, вот моя весна, вот мой магнит, и если я пройду электрический ток через мою пружину и измерьте возмущение моего магнита, который находится внутри, то я могу передать обратно на Землю информацию о сила и направление поля, которое мы пытаемся измерить. РАССКАЗЧИК: Когда Mars Global Surveyor начал отправлять данные, Вскоре Марио и команде стало ясно, что сегодня у Марса нет общего магнитное поле. Но спутник также обнаружил признаки, указывающие на то, что так было не всегда. МАРИО АКУНА: Мы нашли эти огромные магнитные поля в земной коре, и все внезапно появилась совершенно неожиданная и в некотором смысле неизвестная планета. РАССКАЗЧИК: Хотя от ядра не исходило никакого магнетизма. Марса, как ни странно, большие участки поверхности были сильно магнитными. Марсианская кора в основном состоит из застывшей лавы, оставшейся от того времени, когда Марс был покрыт вулканами, и есть способ добраться до вулканических пород. намагничиваются при их образовании. Если расплавленная порода охлаждается в сильном магнитном поле, содержащиеся в нем минералы на основе железа могут воспринимать этот магнетизм, и в результате твердая порода сама будет магнитной. Таким образом, тот факт, что в марсианской коре был магнетизм, доказывал, что когда лава изверглась первым, Марс, должно быть, имел глобальное магнитное поле. МАРИО АКУНА: …и не только это, с интенсивностью от 20 до 30 раз больше, чем на Земле. РАССКАЗЧИК: Команда Марио теперь знала, что у Марса когда-то был магнитный экран, который он должен был в какой-то момент потерять. Они начали задаваться вопросом может ли это быть решением одной из великих тайн солнечной система. Ученые подозревают, что молодой Марс во многом был похож на Землю. место с плотной атмосферой и океанами, которые, возможно, укрывали первобытная жизнь. Но затем, около 4 000 000 000 лет назад, планета вступил в катастрофический спад. Постепенно атмосфера и океаны Марса таинственно исчез. МАРИО АКУНА: Загадка заключалась в том, куда делась вода? Какой процесс мог вызвали потерю воды? РАССКАЗЧИК: Марио понял, что два драматических события в начале история Марса может привести его к ответу. МАРИО АКУНА: Мы обнаружили два очень больших ударных бассейна на юге полушария Марса, которые являются Элладой и Аргиром. Не было абсолютно никакого намагничивание над ними. РАССКАЗЧИК: В этих бассейнах, образовавшихся после падения двух огромных метеоритов. Марс, скалы были поразительно свободны от магнетизма. И это было странно, потому что огромные удары, должно быть, расплавили кору, и, когда она снова остыла, скалы должен был намагнититься сильным марсианским магнитным полем. Пока что в Элладе и Аргире не было и следа магнетизма. МАРИО АКУНА: Что сразу означало, что они были сформированы после магнитное поле Марса перестало существовать, и, по оценкам, эти столкновения произошли более 4 000 000 000 лет назад. РАССКАЗЧИК: Четыре миллиарда лет назад Марс только начинал теряют воду и атмосферу. Хотя не все ученые согласны с ним, Марио убежден, что время не просто совпадение. МАРИО АКУНА: Если мы отключим магнитное поле, то солнечный ветер прямой доступ к атмосфере Марса. Тогда у нас есть процесс, который эквивалентно эрозии в пустыне. Ветер дует, и он дует песок далеко. В данном случае пески являются атмосферными частицами. Медленно, но конечно, атмосферные газы, в состав которых входит вода, уносятся и проиграл Марсу. РАССКАЗЧИК: Потеря магнитного щита вполне могла означало смерть для Красной планеты. Под воздействием ветра солнечного излучения за миллионы лет его атмосфера постепенно сдулась, оставив стерильный мир, который мы видим сегодня. МАРИО АКУНА: Если бы мы отключили магнитное поле Земли, то же самое процесс бы произошел. Атмосфера Земли подвергнется эрозионному воздействия солнечного ветра, и он будет медленно унесен. РАССКАЗЧИК: Судьба Марса предполагает, что без защиты своего магнитного щита Земля тоже может стать мертвой планетой, что делает еще более тревожным тот факт, что наше собственное магнитное поле так быстро угасает. Доказательства этого снижения пришли из неожиданного источника. Люди имеют занимается изготовлением гончарных изделий на протяжении тысячелетий. Археологи изучают горшки, чтобы учиться о древних культурах. Но у этих судов есть еще одна история. ДЖОН ШОУ: Керамика действует как магнитофон. Он записывает магнитное поле Земли, когда впервые изготавливается глиняная посуда. РАССКАЗЧИК: Древний горшок — это магнитная капсула времени. Джон Шоу научился извлекать из него точное измерение силы магнитное поле, каким оно было в древности. Как и вулканическая порода, глина содержит крошечные кусочки минерала на основе железа. называется магнетитом. На микроскопическом уровне магнетит содержит множество различных магнитные области, по сути, крошечные магниты. Но в сырой глине эти микроскопические все магниты направлены в разные стороны, поэтому они не создают общего магнитное поле. Это означает, что кусок глины на гончарном круге сам по себе не магнитный. Во всяком случае, еще нет. ДЖОН ШОУ: Теперь самое интересное, когда горшок горит. РАССКАЗЧИК: Сильный жар в печи стирает все магнитные поля. регионы. Но когда кастрюля начинает остывать, в ней образуются новые магнитные области. магнетит. И по мере того, как регионы реформируются, они выравниваются с магнитным полем Земли. поле, как стрелки компаса. С миллионами крошечных магнитов, указывающих внутрь. том же общем направлении, сам горшок становится слегка магнитным. Как только это остыл, магнетизм заперт. ДЖОН ШОУ: Итак, если мы возьмем такой древний горшок, как этот, который из Перу, когда остыла в первый раз, остыла в древней Земле магнитное поле, и оно намагничивается в этом поле. И, конечно, если поле очень сильное, значит, горшок сильно намагничен, а если поле очень слабый, значит, горшок слабо намагничен. РАССКАЗЧИК: Изучая керамику от доисторических до современных раз Джон обнаружил, насколько резко поле изменилось в последние несколько столетий. ДЖОН ШОУ: Когда мы наносим результаты для керамики, это то, что мы см.: плавные изменения по мере того, как мы приближаемся во времени на протяжении двенадцати тысяч лет — плавный подъем, а затем быстрое падение по мере приближения к сегодняшнему дню. скорость изменений за последние триста лет выше, чем за последние любое время за последние пять тысяч. Он переходит от сильного поля к слабое поле, и делает это очень быстро. РАССКАЗЧИК: За триста лет поле упало 10 процент. И скорость падения увеличивается. Всего за несколько столетий он может вообще исчезнуть. Значит, Земля идет по пути Марса? Есть только одно место для поиска ответа, недоступная область, где поле образовано ядро ​​Земли. Но не имея возможности добраться до сути, профессор Дэн Латроп играет с огонь, когда он и его ученики пытаются построить его в своей лаборатории. Они хотят найти выяснить, что удерживает магнитное поле и что может пропадать. Они моделируют жидкометаллическое ядро ​​с помощью натрия, потому что он очень проводящий и намного легче плавится, чем железо. DANIEL LATHROP: Натрий, на самом деле, при комнатной температуре действительно очень мягкий металл, какой-то дрянной. Конечно, когда мы нагреем его примерно до кипения точки воды, то она становится жидкой, и именно тогда мы на самом деле запускаем эксперименты. Но это, безусловно, опасность в лаборатории. Если мы опустим натрий в немного воды, от нее будут небольшие взрывы и горение. WOODROW SHEW (Университет Мэриленда) : Что вы смотрите вот шар, который содержит около 110 кг натрия. Когда мы запускаем поэкспериментируйте, мы начнем крутить этот шар, как крутится Земля, и заставим измерения магнитного поля, которое он генерирует сам по себе. РАССКАЗЧИК: Они пытаются создать самодостаточную электромагнитное динамо, потому что это то, чем они считают Землю. У ученых есть теория о том, как ядро ​​генерирует магнитное поле. Это на основе тесной связи магнетизма с электричеством. В частности, Дело в том, что электрические токи создают магнитные поля. ДЭНИЭЛ ЛАТРОП: Итак, через катушку не проходит электрический ток. начнем с того, что железные пломбы просто опадают, как перец на сковороде, но если я переверну на электрическом токе, то вы можете увидеть, что железные опилки выстраиваются в линию с магнитное поле, создаваемое током в этой электрической катушке. Так что это на самом деле токи внутри жидкометаллического ядра Земли, которые, как мы думаем, порождают к магнитному полю. РАССКАЗЧИК: Но что порождает электрические токи? ответ на это, где все усложняется. Ученые считают, что так же, как электрические токи создают магнитное поле, поэтому магнитное поле производит электрические токи. Суть в том, что жидкий металл в ядре в постоянном движении. DANIEL LATHROP: Если вы возьмете движущегося кондуктора в присутствии магнитное поле, токи возникают внутри проводника. РАССКАЗЧИК: В Земле движущимся проводником является миллиард триллионов тонн расплавленного железа, но эффект можно увидеть в простой петле провод, подключенный только к счетчику, который измеряет электрические токи. ДЭНИЭЛ ЛАТРОП: Если я передвину этот проводник в присутствии Земли магнитное поле, которое порождает токи. Если у вас есть токи, те вызывают магнитные поля. Так что это своего рода любопытная петля, которая устанавливается в ядре Земли. Немного магнитного поля, связанного с движением жидкость вызывает токи, протекающие в ядре. Эти токи вызывают больше магнитного поля, которые вызывают больше токов, больше магнитного поля. Так что это своего рода петля обратной связи, которая может вызвать усиление магнитного поля. РАССКАЗЧИК: Если это работает в ядре Земли, оно должно работать в лаборатория. Ученые не совсем уверены, что привело к запуску динамо-машины Земли; Это могли быть рассеянными магнитными полями от Солнца. Но чтобы получить мелкосерийное Версия идет, Дэн использует мощный магнит. DANIEL LATHROP: Мы применяем сильное магнитное поле к потоку натрия. внутри сферы, и вы можете почувствовать, насколько сильным является магнитное поле. Дэн, включи магниты. Мы действительно можем видеть, как они привлекают это цепочка довольно сильно — сотрите все плохие кредитные карты, которые у вас могут быть в торопиться. РАССКАЗЧИК: Если электромагнитная теория динамо верна, то поле, создаваемое их миниатюрным ядром, будет сильнее, чем поле они начали с того, что магнетизм быстро возрастал за счет извлечения энергии из движение жидкого натриевого проводника. Это то, чего у них еще нет достигнуты, но они уже открыли решающий ключ к тому, что может вызвать магнитное поле планеты выйдет из строя. ДЭНИЭЛ ЛАТРОП: Ну, различные эксперименты, которые проводились показано, что движущийся жидкий металл имеет решающее значение для получения магнитного поля возникают. РАССКАЗЧИК: Итак, если ядро ​​когда-нибудь остынет до такой жидкое железо затвердеет и перестанет двигаться, динамо отключится. Этот может быть, поэтому Марс потерял свое магнитное поле так рано в своей истории. ДЭНИЭЛ ЛАТРОП: Поскольку Марс меньше по размеру, он остынет. быстрее, чем Земля. Так что есть очень хороший шанс, что Марс просто становятся слишком холодными, чтобы поддерживать активную динамо-машину. Возможно, жидкий металл ядро просто зависло в какой-то момент. РАССКАЗЧИК: Но случится ли в конце концов то, что случилось с Марсом? Земля? ПИТЕР ОЛСОН: Ядро Земли очень медленно остывает со скоростью возможно, 100 градусов за миллиард лет, так что в конце концов все ядро заморозить. В этот момент динамо умрет. РАССКАЗЧИК: Но ученые подсчитали, что охлаждение Ядро Земли настолько медленное, что эта точка находится на расстоянии миллиардов лет будущее. ПИТЕР ОЛСОН: Магнитное поле Земли существует давно, не менее двух миллиардов лет. Он просуществовал так долго, потому что имеет очень большой источником энергии в изначальном тепле, которое ядро ​​Земли унаследовало, когда оно сформировался. Так что Земля может поддерживать магнитное поле миллиарды и миллиарды лет. лет времени. РАССКАЗЧИК: Более того, история упадка поля обнаруженные гончарными записями, просто не соответствуют идее, что Земля внутреннее динамо отключается. Удивительно, но поле Земли тоже исчезает быстро. МАРИО АКУНА: Если бы мы отключили поток тепла в Земле, это потребуются сотни тысяч лет, а может быть, и миллионы лет, чтобы поле уменьшаться. И это не то, что мы видим. Мы видим уменьшение поля, которое намного быстрее, поэтому в случае с Земля. РАССКАЗЧИК: Но что? Поиск подсказок к тому, что происходит глубоко внутри нашей планеты ученые обратили свое внимание на цепочку вулканические острова посреди Тихого океана. Здесь есть запись о магнитное поле Земли, насчитывающее миллионы лет, рекорд, а не постепенный спад, а серия захватывающих магнитных потрясений. На большом острове Гавайи часть тепла, которое движет Землей, динамо находит свой путь к поверхности. Вот уже несколько лет гора Килауэа непрерывно извергался. Ученые из Геологической службы США должны попробуйте лаву, чтобы следить за вулканом. MIKE FULLER (Гавайский университет) : Довольно быстро затвердевает, т.к. ты можешь видеть. РАССКАЗЧИК: Но геофизик Майк Фуллер интересуется лава по другой причине, что она говорит ему о магнитном поле земли. Это все начинается, когда лава попадает в море. МАЙК ФУЛЛЕР: Вы можете видеть, как лава стекает с вулкана. здесь, иногда в трубках, в основном в трубках. Теперь мы начинаем это видеть выйти и войти в воду и сформировать самую новую часть цепи островов Гавайи. При попадании этой лавы в морскую воду, конечно, очень сильно стынет, очень быстро. И происходит очень замечательная вещь. Они на самом деле ловушки … они записать магнитное поле Земли. РАССКАЗЧИК: По мере затвердевания и охлаждения эти вулканические породы сохранение записи сегодняшнего магнитного поля. Но вулканы Гавайев миллионы лет извергался время от времени, создавая острова. Каждый слой лавы содержит запись магнитного поля во время этого извержение. Так что Гавайский архипелаг — это скрытая летопись земного магнетизм, насчитывающий пять с половиной миллионов лет. Эта запись показывает было много колебаний в силе поля, но оно содержит что-то еще, имеющее большое значение. Когда лава остывает, как и в случае с керамикой, внутри нее образуются магнитные области. Действующий подобно стрелкам компаса микроскопа, они фиксируют не только силу поля, но и в каком направлении он указывает. Сегодня магнитное поле Земли направлено с юга на север, т.е. почему стрелки компаса указывают на Северный полюс, а недавние лавовые потоки фиксируют поле, указывающее на север. Но 50 лет назад, когда ученые измерили магнетизм, заключенный в старых образцы лавы, они сделали поразительное открытие: микроскопические магниты внутри лава вся указывала на юг. МАЙК ФУЛЛЕР: Когда мы вернемся примерно на 780 000 лет назад, мы обнаружим невероятное явление. Внезапно камни намагничиваются назад. Вместо них будучи намагниченными к северу, как сегодняшнее поле, они намагничены к юг. РАССКАЗЧИК: Казалось, что до 780 000 лет назад гавайские лава, должно быть, остыла в глобальном магнитном поле, направленном к на юг и подальше от севера, прямо противоположное сегодняшнему дню. странный подразумевалось, что в какой-то момент все глобальное магнитное поле совершило внезапный переворот на 180 градусов, полностью меняющий направление. МАЙК ФУЛЛЕР: Людям было трудно это принять. Они не любили идея, что поле перевернуто. Потребовалось около 50 лет, чтобы убедить людей в это, но в конце концов это было установлено, и действительно работами на этом острове, потому что, если вы продолжите спускаться вниз, вы обнаружите, что примерно через пару сотен тысяч лет, потом опять меняется. И ты видишь это последовательность идет. РАССКАЗЧИК: И когда они исследовали образцы все более и более старых лавы, ученые обнаруживали все больше и больше инверсий — в среднем одна каждые 200 000 годы. МАЙК ФУЛЛЕР: Итак, когда люди сделали это, это было довольно очевидно, что поле действительно перевернулось. РАССКАЗЧИК: Но если в прошлом поле так часто менялось, он обязательно должен сделать это снова в будущем. МАЙК ФУЛЛЕР: То, что магнитное поле Земли переворачивается, является необычайное явление, но этот обратный процесс довольно распространен. Последний обращение было какое, 780 000 лет назад? До этого был один около 200000, до этого, опять же, реально меньше 200, так что в каком-то смысле мы немного опоздали для разворота. РАССКАЗЧИК: Так вот почему поле сегодня ослабевает? Может ли он быть готов перевернуться? Ученым нужно было выяснить, существует ли была связью между изменениями напряженности магнитного поля и изменениями в его направлении. ГЭРИ ГЛАЦМАЙЕР: Это была очень интригующая проблема, кричать в ответ. И компьютеры становились достаточно мощными, чтобы на самом деле решить полный набор уравнений, описывающих конвекцию в ядре Земля и как это движение генерирует магнитное поле. РАССКАЗЧИК: В 1990-х годах физик Гэри Глатцмайер решил приступить к очень амбициозному эксперименту. Он изложил все существенные факты, которые ученые узнали о расплавленном ядре Земли в компьютерную модель: десятки уравнений, описывающих его размеры, температуру, вязкость и т.д. вперед. Затем он запустил модель, чтобы посмотреть, как будет развиваться магнитное поле. в течение сотен тысяч лет моделируемого времени. ГЭРИ ГЛАЦМАЙЕР: Важно понимать, как долго эти берут симуляции. Каждый раз, когда компьютер решает уравнения, он продвигает всего решения за один временной шаг, а временной шаг обычно составляет десять дней. И внутри десять дней ничего особо не меняется, а это значит, что ты должен сделать много-много решения. Вы должны решить ее миллионы раз, десятки миллионов раз, для того, чтобы иметь возможность моделировать сотни тысяч лет, что и нам нужно. Одно дело может занять шесть месяцев работы на самых быстрых компьютерах в мире. мир. Я использовал суперкомпьютеры Министерства энергетики, НАСА и Национальный научный фонд, и где бы я ни был, первым делом я убедиться, что компьютеры не зависли. Так что это было то, что я делал каждый день, семь дней в неделю на протяжении более четырех лет. И я помню, был период времени, я думаю, это было осенью, и я ездил в другие университеты и выступал с докладами, и после ряда недели я вернулся и решил: «Ну, теперь мне нужно посмотреть на детали магнитное поле.” И понял, что оно было в обратной полярности! действительно перевернулся. Это то, чего я не ожидал. Потом я посмотрел на множество снимков за время моего отсутствия и понял что поле действительно спонтанно меняло свое направление. Это было в первый раз получилось. Нам очень хотелось написать об этом. Это было действительно захватывающе! РАССКАЗЧИК: И по мере того, как эксперимент продолжался, инверсии каждые сто тысяч лет или около того смоделированного времени. И что особенно важно, каждый раз, когда поле меняло свое направление, процесс начинался одинаково. ГЭРИ ГЛАЦМАЙЕР: Что интересно, всякий раз, когда он переворачивал свое полярность, его направление, что происходило, когда магнитная напряженность была очень слабый. Таким образом, он уменьшался и уменьшался, и, наконец, когда дипольная часть поле было очень слабым, затем поле перевернулось. РАССКАЗЧИК: Вот свидетельство того, что мы видим сегодня, потеря напряженности поля действительно связана с возникновением инверсий. Что Более того, Гэри мог понять, почему ослабление поля предвещает развороты. ГЭРИ ГЛАЦМАЙЕР: Теперь этот фильм покажет часть симуляции, которая охватывает переворот магнитного поля. То, что вы видите здесь, как синий представляет собой внутреннее направленное магнитное поле, а золото представляет собой направленное наружу магнитное поле. поле. РАССКАЗЧИК: В модели Гэри инверсии, кажется, начинаются с появление островков синего цвета на золотом и наоборот. Это магнитные аномалии, области ядра, где поле уже течет неправильно путь. По мере роста эти пятна, где поле перевернуто, начинают отменяться. из основного поля, делая его слабее и более склонным к перевороту. ГЭРИ ГЛАЦМАЙЕР: Понимаете, с течением времени поле становится более и более сложные. И тогда вы получите аномалию, растущую на севере полушарие, где сейчас гаснет магнитное поле. Eсть разворот. Теперь магнитное поле направлено наружу в северном полушарии и внутрь южного полушария. РАССКАЗЧИК: Итак, теперь насущный вопрос: “Что происходит? в модели Гэри отражается на реальной Земле?” Является ли 300-летнее снижение нашей поле, которое показывает глиняная посуда, работа магнитных аномалий, назревающих глубоко в ядро под нашими ногами? Если это так, то разворот действительно может быть в карты. Удивительно, но существуют подробные записи, охватывающие именно этот 300-летний период. период: вахтенные журналы флота Ее Величества. Как геофизик Джереми Блоксхэм обнаружил, моряки восемнадцатого и девятнадцатого веков были одержимы магнитное поле. ДЖЕРЕМИ БЛОКСГЭМ: Еще во времена Джеймса Кука, когда он Во время исследовательских путешествий основным средством навигации был компас. Однако, стрелка компаса не указывает на истинный север, на настоящий географический север Полюс, вместо этого он указывает на магнитный север. РАССКАЗЧИК: Для моряков, знающих разницу между истинным север и магнитный север были вопросом жизни и смерти. Но так как они были хорошо осознавая, что магнитный север продолжает двигаться, блуждая около полюса по мере того, как поле постепенно меняется. Поэтому штурманам нужно было измерять разницу между магнитный север и истинный север, угол отклонения. Они сделали это по сравнивая их пеленг по компасу с астрономическим расчетом истинного к северу. ДЖЕРЕМИ БЛОКСЭМ: Хитрость заключалась в том, чтобы найти истинный север, и они могли это сделать глядя на солнце в полдень, когда оно находится высоко в небе, или измеряя угол, который солнце делает на восходе или закате. Здесь, 8 числа Июнь 1770 года, у нас есть магнитное склонение 4 градуса, 53 минуты на восток. РАССКАЗЧИК: Тысячи этих наблюдений вместе с ранними измерения локальной напряженности поля позволили Джереми реконструировать приливы и отливы земного магнетизма за последние три столетия. А также это то, что это говорит об одном регионе, в частности, значительный. ДЖЕРЕМИ БЛОКСГЭМ: Мы наблюдали очень резкие изменения магнитного поля Земли. поле под южной частью Атлантического океана. РАССКАЗЧИК: Под Южной Атлантикой Джереми нашел чистую свидетельство области магнитных аномалий, места, где поле уже начал реверсировать. И эти аномалии растут. ДЖЕРЕМИ БЛОКСГЭМ: Когда мы попадаем в начало 20-го века, мы видим появление нового пятна обратного потока, области, где силовые линии, вместо того, чтобы выходить из ядра, возвращаются в ядро. И это участок затем смещается на запад, соединяясь с этим другим участком обратного потока, чтобы создать большую область того, что мы называем «Южной Атлантикой». аномалия”, где поле примерно на 30 процентов слабее. И это пятно выросло особенно в последние сто лет. Итак, один вопрос мы все спрашиваем себя в данный момент: «Является ли магнитное поле Земли собирается перевернуться?” РАССКАЗЧИК: В районе ядра на 2000 миль ниже Южная Атлантика, магнитные токи изменили направление, компенсируя основное поле, что приводит к снижению его силы. Если так будет продолжаться, тогда мы могли бы испытать магнитное явление, которого Земля не видела 780 000 лет, полный переворот всего глобального поля. ДЖЕРЕМИ БЛОКСГЭМ: На самом деле нет сомнений в том, что Земля магнитное поле снова изменится. Вопрос не в том, собирается ли это случиться, это когда это произойдет. ГЭРИ ГЛАЦМАЙЕР: На самом деле, за последние несколько сотен лет интенсивность магнитное поле Земли уменьшилось, что свидетельствует о что, возможно, нас ждет разворот. Среднее время между реверсами порядка нескольких сотен тысяч лет. Мы на самом деле как бы из-за один. РАССКАЗЧИК: Никто никогда не сталкивался с инверсией магнитного поля. Если это действительно начало флипа, что именно будет дальше? Один человек, который может знать, это геолог Роб Коу. Уже 25 лет он идет до горы Стинс в Орегоне, огромной кучи сотен древних лавовых течет. ROB COE (Калифорнийский университет, Санта-Круз) : Шестнадцать миллионов лет назад здесь произошла огромная серия извержений. Выбрать можно буквально сотни лавовых потоков текут по этой стене. Каждая линия очерчивает другую лаву поток. Это более 3000 футов вышележащих потоков. РАССКАЗЧИК: Что делает Стенса особенным, так это то, что 16 миллионов лет назад, когда эта лава извергалась, магнитное поле было в середине кувырок. Взяв пробы из десятков водотоков на всем протяжении горы, Роб и его коллеги собрали воедино подробную запись этого магнитного поля. разворот, хотя он настолько удивителен, что не все его принимают. ROB COE: То, что мы обнаружили, когда оно начало меняться, было силой. поля Земли резко уменьшилось, на 80 или 90 процентов. РАССКАЗЧИК: Поле начиналось на юг, но ослабло, направление поля стало хаотично меняться. После 300 лет он повернулся на полные 180 градусов на север, и напряженность поля начал выздоравливать. ROB COE: Но он не смог удержать эту полярность и упал на… поменялся местами, и интенсивность снова упала. РАССКАЗЧИК: Еще раз магнитный щит Земли практически исчез, на этот раз на 3000 лет. То, что осталось, менялось так быстро, что Роб нашел поток, который захватил эти дикие круговороты, даже когда лава охлажденный. РОБ КОЭ: В то, что мы нашли, было еще труднее поверить. быстро охлажденные поля внизу и вверху имели одно направление, как и у подстилающий поток, а средняя часть имела направление в шестьдесят градусов дальше. Как будто, пока поток остывал, поле двигалось шестьдесят градусов, что, если подсчитать, получается примерно шесть градусов движения в сутки. Если бы мы наблюдали это с помощью компаса, вы бы в состоянии почти видеть движение с вашим глазом. Это было действительно удивительно и экстраординарный. РАССКАЗЧИК: Лавовые слои горы Стенс предполагают, что мы могли вас ждет магнитный хаос, когда магнитный север меняется день ото дня. Более серьезно, в течение, возможно, тысяч лет магнитный щит Земли будет ослабнет, что повлияет на каждого человека на планете. ГЭРИ ГЛАЦМАЙЕР: Интенсивность магнитного поля будет слабее, может в десять, может в сто раз слабее, чем сегодня, а значит, больше космическое излучение пройдет. ЭНДРЮ КОУТС: Это в основном открывает нашу защиту, так что солнечные и галактическое излучение может напрямую поражать атмосферу. А это означает, что излучение на уровне земли также увеличивается. РАССКАЗЧИК: Согласно одной из оценок, наше общее воздействие космических радиация удвоится. А местами может быть и хуже. Сегодня магнитное поле фокусирует космическое излучение на крайний север и юг, где мало людей. Но когда основное поле разрушается, слабое поле то, что осталось, будет иметь более сложную структуру. Вместо двух магнитных полюсов, их может быть четыре или даже восемь, медленно движущихся по земному поверхность. ГЭРИ ГЛАЦМАЙЕР: Структура магнитного поля не будет красивая, гладкая, простая дипольная структура, которую мы имеем сегодня, которая имеет тенденцию отклоняют заряженные частицы — космическое излучение — к полюсам Земли. Вместо вокруг Земли будет несколько полюсов, может быть, недалеко от экватора. Таким образом, поле будет не только слабее, поле будет иметь тенденцию фокусироваться космическое излучение в низких широтах, где проживает большинство людей. ЭНДРЮ КОУТС: Это, к сожалению, означает больше смертей от рака. Это примерно 15 на миллион человек в год. Это количество смертей, которые мы говоря о. А если умножить это на все население Земли, это становится значительным числом. РАССКАЗЧИК: Невозможно знать наверняка, но лучшее предположение заключается в том, что каждый год сто тысяч человек будут умирать от возросшего уровень космической радиации. Но, конечно, это все равно представляло бы собой лишь относительно небольшой рост общей заболеваемости раком. ГЭРИ ГЛАЦМАЙЕР: Так что катастрофы не будет. Это будет есть о чем беспокоиться, но это не будет катастрофическим событием. А также конечно, к тому времени, когда это произойдет, цивилизация поймет, как иметь дело с этим. МАРИО АКУНА: Поле вернется. В случае с Марсом мы знаем, что поле не вернется, и его нет уже миллиарды лет, так что воздействие на атмосферу Марса было очень, очень серьезным. Но на В атмосфере Земли всего несколько тысяч лет никакого магнитного поля нет Ожидается, что это приведет к очень большому обнажению атмосферы. РАССКАЗЧИК: Ученые теперь знают, что переполюсовка магнитного поля, которая неизбежно грядет, будет иметь серьезные последствия для наших потомков, но это не станет катастрофой для планеты Земля. И как наши дети дети дети ждать, пока север станет югом, они могут обнаружить, что мир без сильного магнитное поле имеет свои компенсации. ЭНДРЮ КОУТС: Самое замечательное, что можно было бы увидеть полярное сияние почти каждую ночь по всей Земле. Итак, Лондон, позади меня, для Например, мы могли бы видеть большое полярное сияние почти каждую ночь года, мерцая и двигаясь по небу, когда солнечный ветер ударяет в атмосферу прямо, и он светится, как неоновый свет. ГЭРИ ГЛАЦМАЙЕР: Аврора будет очень увлекательной. могу себе представить очень захватывающее, очень интересное динамическое магнитное поле за пределами Земли во время следующего обращения. МАЙК ФУЛЛЕР: Я бы хотел увидеть разворот, но это было бы заставляют меня жить гораздо дольше, чем я планирую. Но это было бы очень здорово. В на самом деле это одна из величайших трагедий жизни, мы никогда не видим, как эти вещи упражняться! РОБ КОУ: Мне бы очень хотелось знать, как он это делает и почему. А также когда он сделает это снова? Никого из нас не будет рядом во время следующего магнитного переворота. Но на NOVA Веб-сайт, получите предварительный просмотр того, как будет выглядеть ночное небо, когда оно бывает. Найдите его на PBS.org. Преподаватели могут заказать эту или любую другую программу NOVA за 19,95 долларов США плюс. доставка и погрузка. Позвоните в WGBH Boston Video по телефону 1-800-255-9424. В следующий раз на NOVA, в самом сердце Африки, что-то происходит на самый высокий вулкан на Земле. Килиманджаро умирает? PBS представляет NOVA, вулкан Над облаками . NOVA является производством WGBH Boston. Основное финансирование NOVA предоставляется Фондом Парка, посвященным образование и качественное телевидение. Наука: она дала нам основу для создания беспроводной связи Чисто. Sprint гордится тем, что поддерживает NOVA. Мы видим исследователя. В Microsoft ваш потенциал вдохновляет нас на создание программное обеспечение, которое поможет вам достичь этого. Ваш потенциал, наша страсть. И Корпорацией общественного вещания, и взносами в ваш Станция PBS от таких зрителей, как вы. Спасибо. ПРОИЗВОДСТВО Магнитная буря Автор сценария и продюсер David Sington Directed by Duncan Copp Associate Producer Sarah Kinsella Edited by Christy Hanna Narrated by Gene Galusha Camera Nigel Meakin Clive Норт Хью Худ Пол Аткинс Звукорежиссеры Джон Притчард Кевин Мередит Крис Райт Грейс Ниска Аткинс Assistant Camera Peter Meakin Music Judith Edelman Recorded and Mixed By James Rubin at Random Recording, Nashville Animation Gareth Edwards Production Manager Selina Kay Онлайн-редактор и колорист Майк Курд Аудиомикс Дэнни Финн Архивный материал NASA Special Thanks British Airways London Eye Bethlehem Steel Corporation Emilio Herrero Christina Heliker, USGS Hawaiian Volcano Observatory Kevin Millward, Gladstone Pottery Museum Cathy and Ken Lohmann Pittsburgh Supercomputing Center National Maritime Museum, London Музей естественной истории, Лондон Государственный архив, Лондон Графика серии NOVA Национальное министерство дизайна NOVA Theme Mason Daring Martin Brody Michael Whalen Post Production Online Editor Mark Steele Closed Captioning The Caption Center NOVA Administrator Queene Coyne Publicity Джонатан Ренес Дайан Бакстон Том Стеббинс Старший научный сотрудник Итан Херберман Координатор производства Linda Callahan Unit Managers Holly Archibald Lola Norman-Salako Paralegal Nancy Marshall Legal Counsel Susan Rosen Shishko Post Production Assistant Patrick Carey Associate Продюсер, постпродакшн Натан Ганнер Супервайзер постпродакшна Регина О’Тул Редактор постпродакшна Rebecca Nieto Post Production Manager Maureen Barden Lynch Supervising Producer Stephen Sweigart Producer, Special Projects Susanne Simpson Coordinating Producer Laurie Cahalane Senior Science Editor Эван Хэдингхэм Старший продюсер сериала Мелани Уоллес Управляющий директор Алан Ритско Старший исполнительный продюсер Пола С. Апселл Производство DOX для NOVA/WGBH и Channel 4 © 2003 Образовательный фонд WGBH Все права защищены	Воздействие на животных Повлияет ли резкое изменение магнитного поля на существ, использующих его для миграции? Когда компас указывает на юг Магнитный щит нашей планеты сотни раз менял свое направление. Галерея полярных сияний Во время инверсии полярные сияния, подобные показанным здесь, будут происходить каждую ночь. См. разворот Наблюдайте смоделированный переворот магнитного поля Земли.
О НОВА | Домашняя страница НОВА | Поддержка НОВА	© | Создано в сентябре 2006 г.

плазма | Физика, состояние вещества и факты

Ключевые люди:

Лев Давидович Ландау Ханнес Альфвен

Связанные темы:

магнитное число Рейнольдса плазменные колебания щипковый эффект сдерживание пылевая плазма

Просмотреть весь соответствующий контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

плазма , в физике электропроводящая среда, в которой примерно равное количество положительно и отрицательно заряженных частиц, образующихся при ионизации атомов в газе. Его иногда называют четвертым состоянием вещества, отличным от твердого, жидкого и газообразного состояний.

Отрицательный заряд обычно переносится электронами, каждый из которых имеет одну единицу отрицательного заряда. Положительный заряд обычно несут атомы или молекулы, у которых отсутствуют те самые электроны. В некоторых редких, но интересных случаях электроны, отсутствующие в атоме или молекуле одного типа, присоединяются к другому компоненту, в результате чего плазма содержит как положительные, так и отрицательные ионы. Самый крайний случай этого типа возникает, когда небольшие, но макроскопические частицы пыли заряжаются в состоянии, называемом пылевой плазмой. Уникальность состояния плазмы обусловлена ​​важностью электрических и магнитных сил, действующих на плазму в дополнение к таким силам, как гравитация, влияющим на все формы материи. Поскольку эти электромагнитные силы могут действовать на больших расстояниях, плазма будет действовать коллективно почти как жидкость, даже если частицы редко сталкиваются друг с другом.

Почти вся видимая материя во Вселенной существует в состоянии плазмы, встречаясь преимущественно в этой форме на Солнце и в звездах, а также в межпланетном и межзвездном пространстве. Полярные сияния, молнии и сварочные дуги также являются плазмой; плазма существует в неоновых и люминесцентных лампах, в кристаллической структуре металлических тел и во многих других явлениях и объектах. Сама Земля погружена в разреженную плазму, называемую солнечным ветром, и окружена плотной плазмой, называемой ионосферой.

Плазму можно получить в лаборатории путем нагревания газа до чрезвычайно высокой температуры, которая вызывает такие сильные столкновения между его атомами и молекулами, что электроны вырываются на свободу, образуя необходимые электроны и ионы. Аналогичный процесс происходит внутри звезд. В космосе преобладающим процессом образования плазмы является фотоионизация, при которой фотоны солнечного или звездного света поглощаются существующим газом, вызывая испускание электронов. Поскольку Солнце и звезды светят непрерывно, практически все вещество в таких случаях ионизируется, и говорят, что плазма полностью ионизирована. Однако это не обязательно, так как плазма может быть ионизирована лишь частично. Полностью ионизированная водородная плазма, состоящая исключительно из электронов и протонов (ядер водорода), является самой элементарной плазмой.

Викторина “Британника”

Наука: правда или вымысел?

Вас увлекает физика? Устали от геологии? С помощью этих вопросов отделите научный факт от вымысла.

Современная концепция состояния плазмы имеет недавнее происхождение, восходит к началу 1950-х годов. Его история переплетается со многими дисциплинами. Три основные области исследований внесли уникальный ранний вклад в развитие физики плазмы как дисциплины: электрические разряды, магнитогидродинамика (в которой изучается проводящая жидкость, такая как ртуть) и кинетическая теория.

Интерес к явлениям электрического разряда восходит к началу 18-го века, когда три английских физика — Майкл Фарадей в 1830-х годах и Джозеф Джон Томсон и Джон Сили Эдвард Таунсенд на рубеже 19-го века — заложили основы современного понимания явления. Ирвинг Ленгмюр ввел термин «плазма» в 1923 году при исследовании электрических разрядов. В 1929 г. он и Льюи Тонкс, еще один физик, работавший в Соединенных Штатах, использовали этот термин для обозначения тех областей разряда, в которых могут происходить определенные периодические изменения отрицательно заряженных электронов. Они назвали эти колебания плазменными колебаниями, а их поведение указывало на поведение желеобразного вещества. Не раньше 19Однако в 52, когда два других американских физика, Дэвид Бом и Дэвид Пайнс, впервые рассмотрели коллективное поведение электронов в металлах в отличие от поведения в ионизированных газах, общая применимость концепции плазмы была полностью оценена.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Коллективное поведение заряженных частиц в магнитных полях и концепция проводящей жидкости неявно отражены в магнитогидродинамических исследованиях, основы которых были заложены в начале и середине 1800-х годов Фарадеем и Андре-Мари Ампером из Франции. Не раньше 19Однако в 30-е годы, когда открывались новые солнечные и геофизические явления, рассматривались многие основные проблемы взаимодействия ионизированных газов с магнитными полями. В 1942 году шведский физик Ханнес Альфвен ввел понятие магнитогидродинамических волн. Этот вклад, наряду с его дальнейшими исследованиями космической плазмы, привел к получению Альфвеном Нобелевской премии по физике в 1970 году.

Узнайте, как работает лазер PHELIX

Посмотреть все видео к этой статье

Эти два отдельных подхода — изучение электрических разрядов и изучение поведения проводящих жидкостей в магнитных полях — были объединены введением кинетической теории состояния плазмы. Эта теория утверждает, что плазма, как и газ, состоит из частиц, находящихся в случайном движении, взаимодействие которых может осуществляться посредством электромагнитных сил дальнего действия, а также посредством столкновений. В 1905 г. голландский физик Хендрик Антон Лоренц применил кинетическое уравнение для атомов (формулировка австрийского физика Людвига Эдуарда Больцмана) к поведению электронов в металлах.