Магнитное поле Земли

Добрый день, дорогие читатели блога #КосмосИзДома!С вами ведущий экскурсовод Центра «Космонавтика и авиация» Александр Яровитчук. 15 января 1909 года, ровно 115 лет назад, люди впервые достигли южного магнитного полюса Земли. Это были Дуглас Моусон, Дэвид Эджворт и Алистер Маккей из экспедиции сэра Эрнеста Шеклтона «Нимрод». В честь этого расскажем о магнитном поле планеты и его исследовании космическими аппаратами.

Для начала важно отметить, что магнитные полюса находятся не там, где географические. К тому же они постоянно перемещаются. Магнитное поле Земли совсем не похоже на поле, которое генерируют постоянные магниты. С учетом огромных масштабов изучать его с поверхности планеты очень сложно. Как только появилась возможность запускать спутники, ученые сразу стали изучать поведение магнитного поля Земли. Советский аппарат «Объект Д», официально известный как Третий спутник, имел для этого специальные приборы. Так как на борту системы спутника сами создают магнитное поле, то все датчики для изучения магнитного поля Земли располагаются на выносных штангах.

Одного космического аппарата для подобных исследований было недостаточно. Магнитное поле оказалось очень сложным и постоянно меняющимся. Оно зависит от солнечной активности, скорости вращения планеты, наличия полезных ископаемых и внутренних процессов в ядре Земли. Рассмотрим эти факторы подробнее.Начнем с нашего светила. Солнечный ветер — это заряженные частицы, которые притягиваются к магнитным полюсам. Протоны и электроны начинают контактировать с земным магнитным полем и из-за этого отклоняются и двигаются вдоль так называемых силовых линий. Большая часть этих частиц притягивается к магнитным полюсам, сталкивается с атмосферой и вызывает явление авроры — полярного сияния.

Часть самых быстрых протонов и электронов, а также нейтроны, не имеющие заряда, и разные виды излучения прошивают своеобразный магнитный щит и сталкиваются с воздушной оболочкой планеты, заставляя атомы в ней разбиваться на ионы — ядро и электроны, которые создают так называемую ионосферу.

Так как частицы в этом слое летают хаотично, их заряд не складывается. Хотя каждая из них создает магнитное поле, глобальное магнитное поле Земли из-за этого не изменяется. Однако ионосфера оказывает влияние на электромагнитные волны, а конкретнее — на средние и короткие радиоволны. Из-за этого применять их для передачи сигналов спутниками связи или просто для получения телеметрии нельзя.

Есть частицы солнечного ветра, которые попадают в ловушку магнитного поля. Для начала нужно сказать, что электроны и протоны, исходящие от Солнца, при движении тоже создают магнитное поле. Любое их движение, перпендикулярное полю, приводит к появлению противодействующей силы — вихревых токов.Частицы, взаимодействуя друг с другом и с магнитным полем среды, становятся жестко связаны друг с другом и перемещаются вместе, то есть как бы вморожены в среду.Если что-то толкает солнечный ветер, то тот деформирует и магнитное поле. На дневной стороне нашей планеты излучение звезды сплющивает земное магнитное поле. Силовые линии становятся плотнее, а иногда замыкаются. В таком случае частицы, попавшие между ними, там и остаются. Так образуются радиационные пояса. Первый американский спутник «Эксплорер-1» их обнаружил, а советский Третий спутник («Объект Д») узнал, что поясов даже два.Наконец, рассмотрим последний вариант взаимодействия с солнечным ветром, когда частица солнечной радиации пролетает по касательной к Земле и ее магнитному полю. В таком случае ветер от нашего светила «вытягивает» магнитное поле. Если изобразить его силовые линии, то картинка будет похожа на хвост кометы, который получается также из-за взаимодействия с излучением Солнца.

Далее разберем влияние залежей руды на магнитное поле. Известна так называемая Курская магнитная аномалия, рядом с которой стрелка компаса не смотрит на полюс. Правда, на спутники, как оказалось, сильнее влияет меньшая Бразильская аномалия. Это связано с тем, что ближе к ней располагается радиационный пояс. Все дело в том, что в этих регионах есть крупные залежи материалов, которые способны намагничиваться. При этом магнитное поле планеты меняется, а свойства веществ остаются. Эти руды своим притяжением меняют положение стрелки компаса, показывая направление, где полюс был раньше, миллионы лет назад. Некоторые материалы могут со временем перемагнититься, а аномалия — исчезнуть. Так было с Левантийской аномалией, которая существовала между 1050 и 700 годами до нашей эры. Исследования океанов выявили характерную картину аномалий вокруг Срединно-океанического хребта, у побережья Японии к югу от вулкана Торишима, рядом с Новой Зеландией и др. Очевидно, что там под водой есть полезные ископаемые, и таким образом спутниковые исследования помогли это обнаружить. Упомянутые регионы образовались в ходе тектонических процессов, и ученые ищут связи между магнитным полем и структурой Земли.

Сейчас существует несколько теорий, что именно внутри нашей планеты создает магнитное поле. Чаще всего учеными для объяснения используется динамо-эффект. Жидкое ядро Земли имеет заряженные частицы. Они двигаются и создают магнитное поле. В ядре есть два типа перемещения вещества: конвективный и вращательный. В первом случае холодные слои опускаются, а горячие поднимаются, во втором вещество двигается по направлению вращения планеты и из-за силы Кориолиса закручивается, как это делают циклоны на поверхности. Суммарное движение приводит к появлению закрученных потоков, напоминающих проволоку в катушке электромагнита. Так как потоки неравномерно появляются и располагаются, магнитное поле не похоже на то, которое мы можем наблюдать у обычных магнитов. Так, магнитные полюса Земли не только не совпадают с географическими, но даже соединяющая их воображаемая линия не проходит через центр Земли. Сейчас южный магнитный полюс располагается в Южном океане, недалеко от побережья Антарктиды, с координатами 64,08° ю. ш., 135,8° в. д., а северный — на границе России и Канады с координатами 86,4° с. ш., 162,8° в. д. Каждый из них хаотично перемещается в разных направлениях и с меняющейся скоростью. Северный магнитный полюс сдвигается на 55 км в год, а южный — на 15 км в год. Такой быстрый дрейф приводит к необходимости более частой корректировки навигационных систем, использующих магнитное поле Земли, как у самих спутников, так и в земных компасах в смартфонах или в резервных системах навигации кораблей и самолетов. Есть свидетельства, что около 780 тысяч лет назад полюса вообще поменялись местами. Такое явление очень часто происходит на Солнце, с периодом в 11 лет, и называется инверсией. Выстроенное движение жидкого вещества нарушается, потоки смешиваются. Тогда может произойти что угодно, даже появиться несколько полюсов, располагающихся на экваторе. Есть мнение, что подобное событие вызвало глобальное вымирание того периода. Конечно, заглянуть внутрь планеты для детального изучения ядра невозможно, так что приходится получать данные только при помощи орбитальных аппаратов, которые исследуют магнитное поле Земли.

Знания обо всех процессах в недрах Земли и изменения магнитного поля очень важны, и потому все больше космических аппаратов запускается с целью получить новые данные в этой области.Узнать больше, а также изучить поведение магнитного поля Земли в реальном времени можно в Центре «Космонавтика и авиация».