Магнитное поле земли

 

Земля представляет собой большой магнит. Наличие у Земли постоянного магнитного поля объясняется конвективными движениями проводящего жидкого вещества в земном ядре, в частности, гидромагнитным динамо (динамоэффект – самовозбуждение магнитных полей вследствие движения проводящей жидкости).

Некоторое представление о процессах в глубинных слоях Земли дано академиком В.А. Кириллиным [42]. По современным представлениям, глубинные слои Земли сильно разогреты. «Твердую» Землю разделяют на три сферы: земную кору, имеющую под океанами (под гидросферой) толщину всего лишь до 7 км, а под атмосферой до 130 км; мантию, как ее называют, оболочку «твердой» Земли, простирающуюся до глубины около 2900 км; ядро – центральная сфера Земли, обычно разделяемая на внешнее ядро, в котором вещество находится в жидком состоянии (именно поэтому название «твердая» Земля является условным), и субъядро – наиболее глубокая сфера Земли. Средний радиус Земли – 6371 км, экваториальный – 6378, полярный – 6357 км. По современным космогоническим представлениям Земля образовалась из рассеянного газопылевого вещества около 4,7 млрд лет назад. На рис. 2.1 показано строение «твердой» Земли.

За последнее время многое изменилось в представлениях об образовании и свойствах Земли. Раньше думали, что Земля образовалась в виде сильного разогретого шара, а затем постепенно остывала (и остывает). Теперь считают, что, образовавшись из роя метеоритных тел, Земля имела температуру порядка 700 – 2000 оС. В дальнейшем Земля не только не охлаждалась, но, наоборот, нагревалась за счет распада радиоактивных элементов и химических реакций. Образовался поток тепла из недр «твердой» Земли к ее поверхности. Предполагается, что глубинные слои Земли продолжают медленно нагреваться на несколько градусов за 10 млн лет, в то время как близкие к поверхности слои Земли еще более медленно охлаждаются. На глубине 50 км температура составляет около 700–800 оС, на глубине 500 км – около 1500–2000 оС, на глубине 1000 км – примерно1700–2500 оС, на глубине 2900 км (граница между мантией и ядром) – порядка 2000–4700 оС, в центре Земли, т.е. на глубине 6371 км – 2200–2500 оС.

Повышение температуры с ростом глубины объясняется главным образом, продолжающимся выделением тепла в результате распада содержащихся в Земле радиоактивных элементов. По этой же причине существует поток тепла, направленный от земного ядра к периферии «твердой» Земли.

Наличие у Земли ядра в жидком состоянии при сверхвысоком давлении и температуре приводит к возникновению конвективного движения проводящего жидкого вещества и возникновению динамоэффекта – самовозбуждения магнитных полей вследствие движения проводящей жидкости или газовой плазмы. Наличие динамоэффекта объясняет происхождение и поддержание магнитного поля Земли.

Рис. 1. «Твердая» сфера Земли

Область околоземного пространства, физические свойства которого определяются магнитным полем Земли и его взаимодействием с потоками заряженных частиц от Солнца (солнечным ветром), называют магнитосферой. Напряженность магнитного поля максимальна у полюсов (50–60 А/м) и минимальна на экваторе (около 30 А/м). За счет давления потока плазмы солнечного ветра с дневной стороны геомагнитное поле (ГМП) искажается – оно сжимается в направлении солнца, а на ночной стороне силовые линии ГМП вытягиваются в протяженный магнитный хвост диаметром до 40 земных радиусов [32]. Таким образом, магнитосфера не сферична – она простирается до расстояния около 10 земных радиусов в направлении на Солнце и на многие миллионы километров в противоположном направлении.

Внутреннюю часть магнитосферы, расположенную в пределах диполеподобного ГМП примерно до 3 радиусов Земли, называют плазмосферой. Концентрация частиц «холодной» плазмы в плазмосфере составляет на 2–3 порядка больше, чем во внешней части магнитосферы. Во внутренних областях магнитосферы магнитное поле удерживает, как в магнитной ловушке, потоки быстрых частиц с энергией в сотни кэВ и выше. Эти частицы образуют радиационный пояс Земли. Таким образом, магнитное поле Земли является магнитным экраном, который препятствует проникновению в биосферу заряженных космических частиц. Границу магнитосферы на дневной стороне называют магнитопаузой. Напряженность поля в магнитопаузе зависит от солнечного ветра.

Периодические вариации магнитного поля Земли (переменное ГМП) порождаются токами в магнитосфере и ионосфере. Все периодические вариации магнитного поля Земли имеют источник вне Земли.

Обтекание магнитосферы плазмой солнечного ветра с переменными плотностью и скоростью заряженных частиц, а также прорывы частиц в магнитосферу приводят к изменению токовых систем в магнитосфере и ионосфере. Токовые системы, в свою очередь, вызывают в околоземном космическом пространстве и на поверхности Земли колебания магнитного поля.

Геомагнитное поле Земли является совокупностью постоянного поля, вклад которого составляет около 99 %, и переменного, на долю которого приходится около 1 %.

Назад