Магнитное поле Земли . Кто пользовался компасом, тот знает, что, сколько бы ни отклоняли свободно подвешенную стрелку от первоначального направления, она всякий раз будет к нему возвращаться. Это значит, что в географической оболочке и в околоземном пространстве существует магнитное поле, в каждой точке которого стрелка компаса будет располагаться параллельно магнитным силовым линиям. При этом один конец стрелки указывает на северный магнитный полюс, а другой - на южный.

Земля – большой магнит, вокруг которого существует магнитное поле. Область околоземного пространства, физические свойства которого определяются магнитным полем Земли и его взаимодействием с потоками космических частиц называют магнитосферой. Её внешняя граница – магнитопауза (шириной около 200 км) с дневной стороны располагается на высоте 10-14 земных радиусов (магнитосфера сжа­та под ударами солнечного ветра), а с ночной простирается до высоты 900-1000 земных радиусов (магнитосфера вытянута, образуя «хвост»). С удалением от поверхности Земли неоднородность магнитосферы сглаживается, напряженность ее ослабевает, а за пределами магнитопаузы магнитное поле Земли теряет способность захватывать заряженные частицы. Благодаря существованию магнитосферы маг­нитная стрелка компаса устанавливается в на­правлении магнитных силовых линий. Боль­шой круг, в плоскости которого находится магнитная стрелка компаса, называется маг­нитным меридианом данной точки. Магнит­ные меридианы не образуют на земной поверхности правильной сетки и сходятся в двух точках, называемых магнитными полюсами. Они не совпадают с географическими полю­сами и медленно изменяют свое местополо­жение, «дрейфуя» со скоростью 7 - 8 км/год. Так, в 1950 г. северный магнитный полюс имел координаты 72° с. ш., 96° з. д., а южный - 70° ю. ш., 150° з. д.; в 1970 г. соответственно 75°42" с.ш., 101 о 30" з.д. и 65°30" ю. ш., 140°18" з.д., в 1985 г. – 77 о 36 / с.ш. и 102 о 48 / з.д., а южный – 65 о 06 / ю.ш. и 139 о в.д.

Магнит­ные полюса не являются антиподальными точками. Первый из них смещается в направ­лении Северного полюса, второй - в сторо­ну Австралии. Ожидается, что приблизитель­но в 2185 г. магнитный и географический полюса в северном полушарии окажутся в од­ной точке.

Магнитное поле Земли характеризуется тремя элементами земного магнетизма: маг­нитным склонением, магнитным наклонением и напряженностью.

Магнитное склонение - угол между ис­тинным направлением на север, т. е. геогра­фическим меридианом, и направлением север­ного конца магнитной стрелки. Магнитное склонение бывает восточное и западное. При отклонении северного (синего) конца магнит­ной стрелки компаса к востоку от географи­ческого меридиана склонение называется вос­точным и имеет знак «плюс» (положитель­ное), при отклонении к западу - западным и имеет знак «минус» (отрицательное). Маг­нитное склонение обязательно указывается на всех топографических картах. Например, магнитное склонение Москвы около +8° . Чтобы узнать направление геогра­фического меридиана, надо от направления се­верного конца магнитной стрелки компаса от­считать к западу (против часовой стрелки) 8°. При этом синий конец стрелки компаса ука­жет направление на север. Линии одинаково­го магнитного склонения называются изого­нами. Их значение изменяется от 0° до ±180°. Нулевую изогону называют агонической ли­нией. Она разделяет области восточного и за­падного склонения, проходя через оба геогра­фических и оба магнитных полюса. На ней стрелки компаса показывают на географиче­ские полюса, поскольку географический и маг­нитный меридианы совпадают.

Магнитное наклонение - угол между го­ризонтальной плоскостью и магнитной стрел­кой, свободно подвешенной на горизонтальной оси. Оно бывает положительное в северном геомагнитном полушарии и отрицательное в южном. Магнитное наклонение изменяется от 0° до ±90°. На магнитных полюсах оно рав­но + 90° и -90°, поэтому магнитная стрелка компаса занимает вертикальное положение: в северном полушарии синий конец стрелки на­правлен вниз (+90°), в южном - красный (-90°). Магнитные полюсы определяют как точки с наклонением ±90°. Линии, соединяю­щие точки с одинаковым магнитным наклоне­нием, называют изоклинами. Нулевая изокли­на - магнитный экватор - проходит при­мерно вдоль географического экватора: чуть южнее - в западном полушарии, чуть север­нее - в восточном. Он делит Землю на два геомагнитных полушария.

Сила магнитного поля характеризуется на­пряженностью. Величина ее увеличивается от магнитного экватора к полюсам. В север­ном полушарии она больше, нежели в южном, а в целом запасы энергии магнитосферы огромны. В некоторых районах Земли напряжен­ность реального магнитного поля из-за неод­нородности внутреннего строения Земли отли­чается от нормального (теоретического) поля, т. е. такого, какое было бы у Земли, если бы она была однородно намагниченным шаром. Эти отклонения называют магнитными ано­малиями. Крупные мировые аномалии наблю­даются в Восточной Сибири, в районе Зонд­ских островов и т. д.; региональными являют­ся Курская, Криворожская и др., а локальных много.

Магнитное поле Земли складывается из двух магнитных полей разного происхожде­ния - постоянного и переменного. Главная составляющая - постоянное поле (99% по величине). Его образование обусловлено ди­намическими процессами в ядре Земли. По­стоянное поле более или менее устойчиво, и ему присущи правильные колебания - суточ­ные, годовые, вековые. Переменное поле (1% по величине) вызвано внешними причинами - воздействием солнечного ветра и связанными с ним электрическими токами в магнитосфе­ре и верхних слоях атмосферы. Они вызыва­ют, как правило, непериодические резкие воз­мущения всех элементов земного магнетизма, т. е. магнитные бури, которые сопровожда­ются полярными сияниями, ухудшением радио­связи на коротких волнах, радиопомехами, ухудшением самочувствия людей и т. д. Не­смотря на некоторую беспорядочность, маг­нитные бури усиливаются весной и осенью, ослабевают летом и зимой.

Значение магнитосферы исключительно ве­лико. Она выполняет изолирующую роль для корпускулярной солнечной радиации, солнеч­ный ветер ее обтекает. Так что магнитосфеpa - главный невидимый «броневой заслон» планеты. Однако в небольшом количестве сол­нечная плазма с дневной стороны в полярных районах просачивается в магнитосферу, а за­тем в верхние слои атмосферы - так назы­ваемую ионосферу до высот 80-100 км. Для всех просочившихся заряженных частиц маг­нитосфера оказывается своеобразной ловуш­кой. Попав в нее, заряженные частицы дви­гаются по замкнутым траекториям вдоль маг­нитных силовых линий, образуя радиационные пояса: внутренний (протонный) с максималь­ной концентрацией частиц на высоте 3 - 4 тыс. км над экватором и внешний (элек­тронный) - на высоте около 22 тыс. км. Та­ким образом, магнитосфера - наш «магнит­ный зонтик». Пропуская к Земле лучистую энергию Солнца электромагнитной природы, она задерживает корпускулярную радиацию, защищая географическую оболочку и все жи­вое от гибели.

Медико-биоло­гические статистические материалы (частота сердечно-сосудистых приступов у людей, рас­пространения инфекционных заболеваний, травматизма на производстве, аварий на до­рогах и т. д.) свидетельствуют о связи пере численных явлений с изменениями магнитно­го поля Земли.

Изучая естественные магнитные поля, не следует забывать об искусственных электро­магнитных полях, создаваемых промышленны­ми установками, телецентрами, ЛЭП и т. д. Механизм действия магнитных полей на био­логические объекты - явление очень слож­ное, и расшифровка его - дело будущего. Магнитные бури действуют и на технические системы - энергетические, трубопроводы и др., в которых возникают перегрузки.

Магнитное поле Земли помогает ориенти­роваться в пространстве изыскательским пар­тиям, кораблям, подводным лодкам, самоле­там, туристам. При использовании компаса для определения сторон горизонта необходимо обязательно вводить поправку на магнитное склонение. На кораблях сейчас используются гирокомпасы, которые сразу показывают на­правление географического меридиана. По не­которым изменениям магнитного поля можно заранее предсказать приближение магнитной бури, что важно знать связистам, капитанам кораблей и другим специалистам, с которыми осуществляется локационная связь, а также медикам. Локальные магнитные аномалии ука­зывают на месторождения железорудных по­лезных ископаемых, поэтому для поисков их широко применяют магнитометрические мето­ды разведки.

Строение магнитного поля Земли меняется в зависимости от широты. Различают три широтные зоны в каждом полушарии.

1. Экваториальная зона (25° с. ш.- 25° ю. ш.), отличающаяся малым проникновением протонов высоких энергий в атмосферу Земли. Заслон им создают магнитные силовые линии, которые здесь идут практически параллельно земной поверхности и становятся непробиваемыми для частиц Космоса.

2. Зона умеренных широт (30° с. ш. и 55° ю. ш.), характеризующаяся нарастанием интенсивности потоков. В сторону полюсов проницаемость магнитного поля увеличивается.

3. Зона над полярными областями Земли. Здесь силовые линии магнитного поля более или менее перпендикулярны земной поверхности и образуют воронкообразную конфигурацию. Через них часть солнечного ветра с дневной стороны проникает в магнитосферу, а затем и в верхнюю атмосферу. Сюда же в период магнитных бурь устремляются частицы из хвостовой части магнитосферы, достигая границ верхней атмосферы в высоких широтах северного и южного полушария. Именно эти заряженные частицы вызывают здесь полярные сияния.

Магнитное поле становится главным препятствием для проникновения в географическую оболочку губительного для живого вещества корпускулярного излучения Солнца. Одновременно магнитосфера пропускает к поверхности планеты рентгеновские и ультрафиолетовые лучи, радиоволны и лучистую энергию, которая служит основным источником тепла и энергетической базой происходящих в географической оболочке процессов. Экспериментально доказаны связи между различными функциями растений и животных в зависимости от их ориентации в магнитном поле. Многоразовые опыты с культурными и дикими растениями показали, что особое расположение зародыша семян по отношению к направлению геомагнитного поля влияет в будущем на темпы роста и ориентацию корней. Это явление в органическом мире Земли получило название магнитотропизма. Разные группы растений не одинаково реагируют на изменения напряженности геомагнитного поля. Семена одних при искусственном от него экранировании образуют больше корней ростовых почек, а у других, например хвойных пород, в этом случае растягивается период покоя, уменьшается всхожесть, снижается поглощение кислорода и в среднем на 30% падает содержание сухого вещества. Накоплено много достоверных фактов о высокой чувствительности к магнитным полям насекомых, птиц, рыб, моллюсков, червей и даже водорослей.

Гравитационное поле Земли - это по­ле силы тяжести. Сила тяжести действует по­всюду на Земле и направлена по отвесу к по­верхности геоида, уменьшаясь по величине от полюсов к экватору. У Земли было бы нормальное гравита­ционное поле при условии наличия у нее фи­гуры эллипсоида вращения и равномерного распределения в нем масс. Однако Земля та­ким телом не является. Разницу между напря­женностью реального гравитационного поля и теоретического (нормального) поля называют аномалией силы тяжести. Эти аномалии бы­вают вызваны как различным вещественным составом и плотностью горных пород, так и видимыми неровностями земной поверхности. Однако далеко не всегда горы вы­зывают увеличение силы тяжести (положи­тельную аномалию), а океанические впади­ны - их недостаток (отрицательную анома­лию). Такое положение объясняется изостазией (от греч. isostasios - равный по весу) - уравновешиванием твердых и отно­сительно легких верхних горизонтов Земли на более тяжелой верхней мантии, находящейся в пластичном состоянии в слое астеносферы. По современным геофизическим представле­ниям, в недрах Земли на определенной глу­бине (глубине компенсации) происходит гори­зонтальное растекание подкоровых масс ве­щества из мест их избытка на поверхности (в виде гор и т. д.) к периферии и выравни­вание давления вышележащих слоев. Сущест­вование астеносферных течений - необходи­мое условие изостатического равновесия зем­ной коры.

При появлении или исчезновении леднико­вой нагрузки в областях древних и современ­ных ледников тоже нарушается изостатическое равновесие. При нарастании массы льда покровных ледников земная кора прогибает­ся, при стаивании льда происходит ее подня­тие. Такие вертикальные движения земной ко­ры называются гляциоизостазией (от лат. glacies - лед). Гляциоизостатические опуска­ния наиболее резко выражены под централь­ными частями современных ледниковых щи­тов - Антарктиды и Гренландии, где ложе ледников местами прогнуто ниже уровня мо­ря. Поднятия особенно интенсивны в облас­тях, недавно освободившихся от материковых льдов (например, в Скандинавии, Канаде), где их суммарные значения за послеледниковое время достигают нескольких десятков метров. Современные скорости поднятия по инстру­ментальным измерениям местами доходят до 1 м в столетие, например на шведском побе­режье Ботнического залива.

Значение силы тяжести исключительно ве­лико. Она определяет истинную фигуру Зем­ли - геоид. Подкоровые течения в астено­сфере вызывают тектонические деформации и движения литосферных плит, создавая круп­ные формы рельефа Земли. Сила тяжести обус­ловливает гравитационные рельефообразующие процессы: эрозию, оползни, осыпи, обвалы, селевые потоки, движение ледников в горах и т. д. Сила тяжести определяет макси­мальную высоту гор на Земле. Она удержи­вает атмосферу и гидросферу, ей подчиняется перемещение воздуха и водных масс. Сила тя­жести помогает людям и многим животным удерживать вертикальное положение. Геотро­пизм - ростовые движения органов расте­ний под влиянием силы земного тяготения - обусловливает вертикальное направление стеблей и первичного корня. Недаром грави­тационная биология, возникшая в эпоху, ког­да человек начал обживать мир без тяжес­ти - Космос, включает растения в число сво­их экспериментальных объектов. Силу тяжести необходимо учитывать при рассмотрении бук­вально всех процессов в географической обо­лочке. Без учета силы тяжести нельзя рассчи­тать исходные данные для запусков ракет и космических кораблей, невозможна гравимет­рическая разведка рудных полезных ископае­мых и нефтегазоносных структур.

Вокруг Земли существует поле тяготения, обусловлено ее массой. Это поле называется гравитационным. Сила притяжения присуща как малым, так и большим телам. Чем больше масса тела, тем мощнее его гравитационное поле. У поверхности Земли его среднее значение составляет около 9,8 м / с 2. С высотой напряженность поля уменьшается. Теоретически гравитационное поле Земли распространяется до бесконечности. Ближе к поверхности Земли сила притяжения приобретает несколько иной характер. Здесь проявляются силы, которые не только привлекают, а и отталкивают тела, находящиеся на поверхности Земли. Отталкивающая сила обусловлена вращением Земли вокруг своей оси и называется центробежной. Равнодействующая двух сил - гравитационной и центробежной - называется силой тяжести. Определяется сила притяжения массой тел. Масса, собственно, и есть сила, с которой тела притягиваются в направлении к центру Земли. Сила притяжения удерживает тела и предметы на поверхности Земли, а гравитационное поле удерживает на расстоянии спутник Земли Луну.

Распределение величины силы тяжести на поверхности Земли зависит от географической широты: с увеличением широты она растет. Уменьшение силы тяжести в направлении экватора объясняется двумя причинами: увеличением в этом направлении центробежной силы и увеличением расстояния от центра планеты, а также особенностями ее внутреннего строения. Если бы Земля была правильной неподвижной пулей, по составу однородной от поверхности до центра, то ее сила притяжения везде была бы одинаковой и направленной к центру планеты.

На полюсах, где центробежная сила практически отсутствует, а расстояние до центра Земли наименьшая, сила притяжения наибольшая и составляет 9,83 м / с 2. На экваторе центробежная сила и расстояние самые, поэтому сила притяжения наименьшая - 9,78 м / с 2.

Влияние гравитационного поля на развитие планеты и ее географическую оболочку огромен. Сила притяжения определяет истинную форму земной поверхности - геоида, приводит движения земной коры. ПОД ее влиянием происходит перемещение рыхлых горных пород, масс воды, льда, воздуха. Гравитационное поле Земли является одной из причин круговоротов в литосфере, атмосфере и гидросфере.

Само же гравитационное поле обусловлено, как уже было отмечено, массой Земли. Подсчитано, что полная масса Земли (F) составляет 5,976 · десять двадцать-семь г. Непосредственно эту массу измерить невозможно, но рассчитать ее сравнительно просто по формуле гравитационного притяжения:

где k e - гравитационная постоянная, равная 6,67 · +10 +8; m 1, m 2 - массы тел, привлекаемых, г d - расстояние между центрами тел, см.

Объем сферической Земли также легко примерно подсчитать, поскольку измерений дуг ее круга известен радиус. Найденные таким образом объем нашей планеты составляет 1,083 · десять две +7 см 3.

Зная массу и объем Земли, можно найти ее среднюю плотность. Она составляет 5,52 г / см 3, то есть вдвое больше плотность гранита "

Установлено, что земная кора имеет среднюю плотность 2,7 г / см 3. Таким образом, чтобы средняя плотность Земли равна 5,52 г / см 3, внутренняя часть Земли должна быть плотная, чем внешняя. Увеличение плотности с глубиной можно объяснить различиями в химическом составе и той огромной силой, с которой внешние части Земли давят на внутренние. Предполагается, что внутреннее ядро имеет плотность около 13 г / см 3.

Земной магнетизм

Земля - это огромный сферический магнит. Хотя о наличии у планеты магнетизма людям стало известно давно, а изучением его свойств занимаются ученые различных стран мира, в природе ее магнитного поля много еще остается невыясненным. Известно, что среди металлов только железо и никель могут быть постоянными магнитами. Эти материалы называются ферромагнитными. Но ферромагнитные вещества перестают быть магнитом, если их нагреть выше точки Кюри (770 ° С для железа и 358 ° C для никеля). Поскольку температура в недрах Земли значительно выше эти величины, земное ядро, состоящее главным образом из железа и никеля, не может быть ферромагнитным из-за отсутствия для этого соответствующих условий.

Из многих теорий, которые были выдвинуты для объяснения происхождения магнитного поля Земли, наиболее популярной в настоящее время является теория динамо. Согласно ей Земля является скорее электромагнитом, чем постоянным магнитом: электрический ток, каким образом обусловленные турбулентной конвекции в жидком ядре, образует вокруг себя поле однородного намагничивания, или постоянное поле. Невыясненным остается вопрос об источнике энергии, вызывает конвекцию в земном ядре, где очень мало или совсем нет радиоактивных элементов. Допускают три варианта: 1) на границе между внутренним и внешним ядром происходит постепенная кристаллизация железа с выделением тепла; 2) вследствие опускания железа из мантии вниз высвобождается гравитационная энергия; 3) тепло выделяется при фазовых изменениях веществ, происходящих в результате гипотетического расширения Земли.

Магнитное поле Земли достигает высоты 80-90 тыс. Км от ее поверхности. До высоты 44 тыс. Км магнитное поле постоянно, его величина уменьшается с удалением от земной поверхности постепенно. На высоте от 44 до 90 тыс. Км магнитное поле переменное, в зависимости от знака оно захватывает и удерживает электроны или протоны. Сфера околоземного пространства, в котором находятся заряженные части, захваченные магнитным полем Земли, называется магнитосферы.

Строение магнитосферы Земли, то есть окружающего пространства, физические свойства которого определяются магнитным полем Земли и его взаимодействием с потоком заряженных частиц солнечного ветра, в прошлом представлялась достаточно простой. Считалось, что магнитосфера образует симметричный диполь. Но уже первые прямые измерения магнитных полей, которые были сделаны непосредственно в космосе, не подтвердили эту гипотезу. Оказалось, что магнитосфера Земли крайне асимметрична: со стороны Солнца магнитное поле сильно сжато, а с противоположной стороны - наоборот, очень вытянутое и образует длинный, до 1 млн км, магнитосферный хвост (рис. 5). Это является следствием обтекания магнитосферы солнечным ветром. При этом здесь, в зависимости от давления солнечного ветра, граница магнитосферы со стороны Солнца - магнитопауза - то приближается к Земле (при росте давления), то удаляется (при его ослаблены). Плазма солнечного ветра обтекает магнитосферу Земли со сверхзвуковой скоростью, в результате чего перед магнитосферой образуется ударная волна, которая отделена от магнитопаузы переходной областью.

Рис. 5.

Силовые линии геомагнитного поля, отходят назад под действием солнечного ветра, образуют хвост, или "шлейф" магнитосферы. Он разделен магнитно-нейтральным слоем на два сектора - северный и южный. Магнитные силовые линии секторов связанные с полярными областями Земли. В магнитно-нейтральном слое концентрируется плотная и горячая плазма с температурой около миллиона градусов, которая своим давлением препятствует аннигиляции силовых линий противоположных направлений в секторах "шлейфа".

Внутри магнитосферы расположены радиационные пояса. Они состоят из заряженных частиц протонов и электронов, захваченных магнитным полем Земли из потока солнечного ветра. Радиационные пояса образуют в атмосфере слой ионосферы и считаются областью захваченной радиации, они бы магнитными ловушками для заряженных частиц космоса.

Магнитное поле наглядно проявляется при работе с компасом: магнитная стрелка в любой точке земной поверхности устанавливается в определенном направлении. Угол, который образуют магнитный и географический меридианы, называется магнитным склонением. Оно вычисляется по северным концом стрелки компаса и может быть западным или восточным (рис. 6).

Рис. 6.

Линии, соединяющие точки с одинаковым склонением, называются изогон. Нулевая изогон - это линия, которая соединяет точки, в которых стрелка компаса направлена одновременно на магнитный и географический полюса. Она делит земной шар на две части. Сейчас линия нулевого склонения проходит через средние части Северной и Южной Америки, а в Евразии делает очень извилистый путь из Скандинавии через Центральную Европу в Египет, далее в Сомали и через Гималаи выходит в море Лаптевых, откуда снова поворачивает на юг (см. Рис. 7). С целью характеристики земного магнетизма определяют также магнитное наклонение, то есть угол, образованный магнитной стрелкой и горизонтальной плоскостью. Свободно подвешена магнитная стрелка сохраняет горизонтальное положение только на линии магнитного экватора, который не совпадает с географическим. К северу и к югу от магнитного экватора стрелка наклоняется к земной поверхности, причем тем больше, чем выше широта. Линии, соединяющие точки с одинаковым наклонением, называются изоклин. Поскольку магнитные полюса не совпадают с географическими, изоклины также не совпадают с параллелями.

Рис. 7.

Магнитные полюса меняют свое положение из года в год. Сейчас северный магнитный полюс находится среди островов Канады и имеет координаты 77 ° с. ш. и сто второй зап. д., а южный магнитный полюс располагается в Антарктиде около 65 ° ю. ш. и 139 ° в. д. Считается доказанным, что 300 млн лет назад магнитные полюса находились в современной экваториальной области.

Магнитное поле у поверхности Земли характеризуется также величиной напряжения земного магнетизма. Она определяется количеством колебаний магнитной стрелки за единицу времени, или периодом ее колебания, подобно тому, как сила тяжести определяется периодом колебания маятника. Напряжение магнетизма на полюсах больше, чем на экваторе. Места наибольшего напряжения магнитного поля называются полюсами напряжения.

Как показывают результаты измерений, на поверхности планеты часто наблюдаются магнитные аномалии. Они проявляются в отклонении значений элементов земного магнетизма от их средних величин для данного места. Различают региональные и локальные магнитные аномалии. Региональные охватывают большие площади, они вызваны глубинными процессами. Примером региональной аномалии является Восточносибирская аномалия, где имеет место западное склонение вместо восточного. Локальные магнитные аномалии связаны с местными особенностями строения земной коры (например, с залежами железных руд), как, например, в Курске, Харькове.

Магнитное поле испытывает периодических и непериодических колебаний. Наиболее сильные периодические магнитные колебания получили название магнитных бурь. Они обусловлены изменениями электрических токов в атмосфере под влиянием солнечного ветра.

Магнетизм имеет большое практическое значение. С помощью магнитной стрелки определяют направления сторон горизонта. На установлении связей магнитных элементов с геологическими структурами базируются магнитометрические методы поисков полезных ископаемых. Исследование палеомагнетизма Земли позволяет воссоздать историю развития земной коры. Магнитосфера защищает географическую оболочку Земли от прямого воздействия солнечного ветра, от проникновения в нижние слои атмосферы электронов и протонов высоких энергий, а следовательно, изменяет влияние космоса на живую природу.

Вокруг Земли существуют различные геофизические поля: магнитное, гравитационное, электрическое, геотермическое и др., влияющие на процессы в географической оболочке.

4.1. Магнитное поле Земли

Земля – большой магнит, вокруг которого существует магнитное поле. Область околоземного пространства, физические свойства которого определяются магнитным полем Земли и его взаимодействием с потоками заряженных частиц космического происхождения, называют магнитосферой (рис. 19). Она асимметрична по форме. Ее внешняя граница – магнитопауза (шириной около 200 км) с дневной стороны располагается на высоте 10–14 земных радиусов (магнитосфера сжата под ударами солнечного ветра), а с ночной простирается до высоты 900–1000 земных радиусов (магнитосфера вытянута, образуя «хвост»). С удалением от поверхности Земли неоднородность магнитосферы сглаживается, напряженность ее ослабевает, а за пределами магнитопаузы магнитное поле Земли теряет способность захватывать заряженные частицы. Благодаря существованию магнитосферы магнитная стрелка компаса устанавливается в направлении магнитных силовых линий. Большой круг, в плоскости которого находится магнитная стрелка компаса, называется магнитным меридианом данной точки. Магнитные меридианы не образуют на земной поверхности правильной сетки и сходятся в двух точках, называемых магнитными полюсами. Они не совпадают с географическими полюсами и медленно изменяют свое местоположение, «дрейфуя» со скоростью 7 – 8 км/год. Поэтому на географических картах их изображают не точками, а кружками. Магнитный полюс северного полушария в 1985 г. находился в Северном Ледовитом океане, среди островов Канадского Арктического архипелага (77°36" с. ш. и 102°48" з. д.); магнитный полюс южного полушария – в Индийском океане, близ побережья Антарктиды, у Земли Виктории (65°06" ю. ш. и 139°00" в. д.). Магнитные полюса не являются антиподальными точками. Первый из них смещается в направлении Северного полюса, второй – в сторону Австралии. Ожидается, что приблизительно в 2185 г. магнитный и географический полюса в северном полушарии окажутся в одной точке.

Рис. 19. Головная часть магнитосферы Земли (по М. М. Ермолаеву)

Магнитное поле Земли характеризуется тремя элементами земного магнетизма: магнитным склонением, магнитным наклонением и напряженностью.

Магнитное склонение – угол между истинным направлением на север, т. е. географическим меридианом, и направлением северного конца магнитной стрелки. Магнитное склонение бывает восточное и западное. При отклонении северного (синего) конца магнитной стрелки компаса к востоку от географического меридиана склонение называется восточным и имеет знак «плюс» (положительное), при отклонении к западу – западным и имеет знак «минус» (отрицательное). Магнитное склонение обязательно указывается на всех топографических картах. Например, магнитное склонение Москвы около +8° (рис. 20). Чтобы узнать направление географического меридиана, надо от направления северного конца магнитной стрелки компаса отсчитать к западу (против часовой стрелки) 8°. При этом синий конец стрелки компаса укажет направление на север. Линии одинакового магнитного склонения называются изогонами. Их значение изменяется от 0° до ±180°. Нулевую изогону называют агонической линией. Она разделяет области восточного и западного склонения, проходя через оба географических и оба магнитных полюса. На ней стрелки компаса показывают на географические полюса, поскольку географический и магнитный меридианы совпадают.

Магнитное наклонение – угол между горизонтальной плоскостью и магнитной стрелкой, свободно подвешенной на горизонтальной оси. Оно бывает положительное в северном геомагнитном полушарии и отрицательное в южном. Магнитное наклонение изменяется от 0° до +90°. На магнитных полюсах оно равно + 90° и –90°, поэтому магнитная стрелка компаса занимает вертикальное положение: в северном полушарии синий конец стрелки направлен вниз (+90°), в южном – красный (–90°). Магнитные полюсы определяют как точки с наклонением ±90°. Линии, соединяющие точки с одинаковым магнитным наклонением, называют изоклинами. Нулевая изоклина – магнитный экватор – проходит примерно вдоль географического экватора: чуть южнее – в западном полушарии, чуть севернее – в восточном. Он делит Землю на два геомагнитных полушария.

Магнитное поле Земли складывается из двух магнитных полей разного происхождения – постоянного и переменного. Главная составляющая – постоянное поле (99% по величине). Его образование обусловлено динамическими процессами в ядре Земли. Постоянное поле более или менее устойчиво, и ему присущи правильные колебания – суточные, годовые, вековые. Переменное поле (1% по величине) вызвано внешними причинами – воздействием солнечного ветра и связанными с ним электрическими токами в магнитосфере и верхних слоях атмосферы. Они вызывают, как правило, непериодические резкие возмущения всех элементов земного магнетизма, т. е. магнитные бури, которые сопровождаются полярными сияниями, ухудшением радиосвязи на коротких волнах, радиопомехами, ухудшением самочувствия людей и т. д. Несмотря на некоторую беспорядочность, магнитные бури усиливаются весной и осенью, ослабевают летом и зимой.

Значение магнитосферы исключительно велико. Она выполняет изолирующую роль для корпускулярной солнечной радиации, солнечный ветер ее обтекает. Так что магнитосфеpa – главный невидимый «броневой заслон» планеты. Однако в небольшом количестве солнечная плазма с дневной стороны в полярных районах просачивается в магнитосферу, а затем в верхние слои атмосферы – так называемую ионосферу до высот 80–100 км. Для всех просочившихся заряженных частиц магнитосфера оказывается своеобразной ловушкой. Попав в нее, заряженные частицы двигаются по замкнутым траекториям вдоль магнитных силовых линий, образуя радиационные пояса", внутренний (протонный) с максимальной концентрацией частиц на высоте 3 – 4 тыс. км над экватором и внешний (электронный) – на высоте около 22 тыс. км. Таким образом, магнитосфера – наш «магнитный зонтик». Пропуская к Земле лучистую энергию Солнца электромагнитной природы, она задерживает корпускулярную радиацию, защищая географическую оболочку и все живое от гибели.

Экспериментально доказана зависимость функций растений (расположение семян, корней, темпа их роста и урожайность) и животных (перелеты птиц, миграции рыб, насекомых) от ориентации их в магнитном поле. Это явление в органическом мире получило название магнитотропизма. Медико-биологические статистические материалы (частота сердечно-сосудистых приступов у людей, распространения инфекционных заболеваний, травматизма на производстве, аварий на дорогах и т. д.) свидетельствуют о связи перечисленных явлении с изменениями магнитного поля Земли.

Изучая естественные магнитные поля, не следует забывать об искусственных электромагнитных полях, создаваемых промышленными установками, телецентрами, ЛЭП и т. д. Механизм действия магнитных полей на биологические объекты – явление очень сложное, и расшифровка его – дело будущего. Магнитные бури действуют и на технические системы – энергетические, трубопроводы и др., в которых возникают перегрузки.

Магнитное поле Земли помогает ориентироваться в пространстве изыскательским партиям, кораблям, подводным лодкам, самолетам, туристам. При использовании компаса для определения сторон горизонта необходимо обязательно вводить поправку на магнитное склонение. На кораблях сейчас используются гирокомпасы, которые сразу показывают направление географического меридиана. По некоторым изменениям магнитного поля можно заранее предсказать приближение магнитной бури, что важно знать связистам, капитанам кораблей и другим специалистам, с которыми осуществляется локационная связь, а также медикам. Локальные магнитные аномалии указывают на месторождения железорудных полезных ископаемых, поэтому для поисков их широко применяют магнитометрические методы разведки.

Таково в общих чертах влияние геомагнитного поля на природные процессы Земли.

Географические следствия формы и размеров Земли

Ещё древнегреческий учёный Аристотель предположил, что Земля, как и все другие планеты, имеет форму шара, однако более точно форму Земли можно назвать - геоид.

Земля - небольшая планета Солнечной системы. По своим размерам она превосходит только Меркурий, Марс и Плутон. Средний радиус Земли составляет 6371 км, при этом экваториальный радиус Земли больше полярного, т.е. Земля «сплющена» у полюсов, что вызвано вращением Земли вокруг своей оси. Полярный радиус Земли равен 6357 км, а экваториальный - 6378 км. Длина окружности Земли составляет примерно 40 тыс. км. А площадь поверхности нашей планеты составляет примерно 510 млн. км2.

Земля вращается вокруг Солнца и делает полный оборот за 365 дней 6 часов и 9 минут. «Лишние» часы и минуты образуют дополнительный день - 29 февраля, поэтому существует високосный год (год, кратный 4).

Земля также вращается вокруг своей оси, что приводит к суточной смене дня и ночи. Земная ось - воображаемая прямая, проходящая через центр Земли. Ось пересекает поверхность Земли в двух точках: Северном и Южном полюсах.

Земная ось наклонена на 23,5°, что приводит к смене времён года на нашей планете. Когда к Солнцу обращена область вокруг Северного полюса, в Северном полушарии лето, а в Южном - зима. Когда к Солнцу обращена область вокруг Южного полюса - наоборот. 22 июня Солнце стоит в зените над Северным тропиком - это самый длинный день в году в Северном полушарии, 22 декабря -¦ над Южным тропиком - это самый короткий день в Северном полушарии, по самый длинный в Южном. 21 марта и 23 сентября - дни весеннего и осеннего равноденствия - дни когда день равен ночи, а Солнце находится в зените над экватором.

Шарообразность Земли приводит к неравномерному нагреву земной поверхности. Приэкваториальные районы Земли (жарким тепловой пояс), размещающиеся между тропиками, получают максимальное количество солнечного тепла, в то время как полярные (холодные тепловые пояса) - минимальное, что приводит к отрицательным температурам в полярных широтах.

Магнитное поле Земли – это область вокруг нашей планеты, где действуют магнитные силы. Вопрос о происхождении магнитного поля до сих пор окончательно не решен. Однако большинство исследователей сходятся в том, что наличием магнитного поля Земля хотя бы отчасти обязана своему ядру. Земное ядро состоит из твердой внутренней и жидкой наружной частей. Вращение Земли создает в жидком ядре постоянные течения. Как читатель может помнить из уроков физики, движение электрических зарядов приводит к появлению вокруг них магнитного поля.

Одна из самых распространенных теорий, объясняющих природу поля, - теория динамо-эффекта - предполагает, что конвективные или турбулентные движения проводящей жидкости в ядре способствуют самовозбуждению и поддержанию поля в стационарном состоянии.

Землю можно рассматривать как магнитный диполь. Его южный полюс находится на географическом Северном полюсе, а северный, соответственно, на Южном. На самом деле, географический и магнитный полюса Земли не совпадают не только по "направлению". Ось магнитного поля наклонена по отношению к оси вращения Земли на 11,6 градуса. Из-за того что разница не очень существенная, мы можем пользоваться компасом. Его стрелка точно указывает на южный магнитный полюс Земли и почти точно на Северный географический. Если бы компас был изобретен 720 тысяч лет назад, то он бы указывал и на географический и на магнитный северный полюс. Но об этом чуть ниже.

Магнитное поле защищает жителей Земли и искусственные спутники от губительного воздействия космических частиц. К таким частицам относятся, например, ионизированные (заряженные) частицы солнечного ветра. Магнитное поле изменяет траекторию их движения, направляя частицы вдоль линий поля. Необходимость наличия магнитного поля для существования жизни сужает круг потенциально обитаемых планет (если мы исходим из предположения, что гипотетически возможные формы жизни похожи на земных обитателей).

Ученые не исключают, что часть планет земного типа не имеют металлического ядра и, соответственно, лишены магнитного поля. До сих пор считалось, что планеты, состоящие из твердых скальных пород, как и Земля, содержат три основных слоя: твердую кору, вязкую мантию и твердое или расплавленное железное ядро.

Смена полюсов сопровождается изменением конфигурации магнитного поля. Во время "переходного периода" на Землю проникает существенно больше космических частиц, опасных для живых организмов. Одна из гипотез, объясняющих исчезновение динозавров, утверждает, что гигантские рептилии вымерли именно во время очередной смены полюсов.

Кроме "следов" плановых мероприятий по смене полюсов исследователи заметили в магнитном поле Земли опасные подвижки. Анализ данных о его состоянии за несколько лет показал, что в последние месяцы в нем начали происходить опасные изменения. Настолько резких "движений" поля ученые не регистрировали уже очень давно. Вызывающая беспокойства исследователей зона находится в южной части Атлантического океана. "Толщина" магнитного поля в этом районе не превышает трети от "нормальной". Исследователи давно обратили внимание на эту "прореху" в магнитном поле Земли. Собранные за 150 лет данные показывают, что за этот период поле здесь ослабло на десять процентов.

Несмотря на то, что магнитное поле нельзя увидеть, обитатели Земли хорошо его чувствуют. Перелетные птицы, например, отыскивают дорогу, ориентируясь именно на него. Существует несколько гипотез, объясняющих, как именно они ощущают поле. Одна из последних предполагает, что птицы воспринимают магнитное поле визуально.

Кроме птиц магнитное поле Земли вместо GPS используют морские черепахи. И, как показал анализ спутниковых фотографий, представленных в рамках проекта Google Earth, коровы. Изучив фотографии 8510 коров в 308 районах мира, ученые заключили, что эти животные предпочтительно ориентируют свои тела с севера на юг (или с юга на север). Причем "реперными точками" для коров служат не географические, а именно магнитные полюса Земли. Механизм восприятия коровами магнитного поля и причины именно такой реакции на него остаются неясными.

Кроме перечисленных замечательных свойств магнитное поле способствует появлению полярных сияний. Они возникают в результате резких изменений поля, происходящих в удаленных регионах поля.

Земля - это гигантский магнит, вокруг которого образуется магнитное поле. Магнитные полюса Земли не совпадают с истинными географическими полюсами - северным и южным. Силовые линии, идущие от одного магнитного полюса к другому, называются магнитными меридианами. Между магнитным и географическим меридианом образуется некоторый угол (около 11,5°), называемый магнитным склонением. Поэтому намагниченная стрелка компаса точно показывает направление магнитных меридианов, а направление на северный географический полюс - лишь приблизительно.

Свободно подвешенная магнитная стрелка располагается горизонтально только на линии магнитного экватора, который не совпадает с географическим. Если двигаться к северу от магнитного экватора, то северный конец стрелки будет постепенно опускаться. Угол, образованный магнитной стрелкой и горизонтальной плоскостью, называют магнитным наклонением. На Северном магнитном полюсе (77° с.ш. и 102° з.д.) свободно подвешенная магнитная стрелка установится вертикально северным концом вниз, а на Южном магнитном полюсе (65° ю.ш. и 139° в.д.) её южный конец опустится вниз. Таким образом, магнитная стрелка показывает направление силовых линий магнитного поля над земной поверхностью.

Считается, что постоянное магнитное поле наша планета генерирует сама. Оно образуется из-за сложной системы электрических токов, возникающих при вращении Земли и перемещении жидкого вещества в её внешнем ядре. Положение магнитных полюсов и распределение магнитного поля по земной поверхности со временем меняются. Магнитное поле Земли простирается до высоты около 100 тыс. км. Оно отклоняет или захватывает частицы солнечного , губительные для всех живых организмов. Эти заряженные частицы образуют радиационный пояс Земли, а вся область околоземного пространства, в которой они находятся, называют магнитосферой.

Солнце посылает к Земле огромный поток энергии, состоящий из электромагнитного излучения (видимого света, инфракрасного и радиоизлучения); ультрафиолетового и рентгеновского излучений; солнечных космических лучей, возникающих только во время очень сильных вспышек; и солнечного ветра - постоянного потока плазмы, образованного главным образом протонами (ионы водорода).
Электромагнитное излучение Солнца приходит к Земле через 8 мин., а потоки частиц, приносящие основную часть возмущения от Солнца, двигаются со скоростью около 1000 км/с и задерживаются на двое-трое суток. Основной причиной возмущений солнечного ветра, существенно влияющих на земные процессы, являются грандиозные выбросы вещества из короны Солнца. При движении к Земле они превращаются в магнитные и приводят к сильным, иногда экстремальным возмущениям на Земле. Особенно сильные возмущения магнитного поля Земли - магнитные бури - нарушают радиосвязь, вызывают интенсивные полярные сияния.

Магнитные аномалии

В некоторых районах планеты наблюдаются отклонения магнитного склонения и магнитного наклонения от средних значений для данной территории. Например, в Курской области в районе месторождения железной руды напряжение магнитного поля в 5 раз выше, чем среднее для этого района. Месторождение так и называется - Курская магнитная аномалия. Иногда подобные отклонения наблюдаются на обширных площадях. Восточно-Сибирская магнитная аномалия характеризуется западным магнитным склонением, а не восточным.

Поиск по сайту.