Что такое магнитное поле Земли, как оно создается и в чем его значение?

С древних времен известно, что магнитная стрелка, свободно вращающаяся вокруг своей вертикальной оси, всегда позиционируется в определенном направлении в данном месте Земли (если поблизости нет магнитов, проводников электричества или железных предметов). Этот факт объясняется тем, что вокруг Земли существует магнитное поле, и магнитная стрелка устанавливается вдоль его магнитных линий. На этом основан компас, который представляет собой магнитную стрелку, свободно вращающуюся на оси.

Узнайте, что такое магнитное поле Земли, как оно создается и многое другое в этой статье.

Магнитное поле Земли: простое объяснение

Наша планета Земля окружена магнитным полем, которое также называют магнитным полем Земли. Если смотреть со стороны, то магнитное поле Земли по форме напоминает стержневой магнит. Это означает, что вы можете представить себе огромный стержневой магнит под поверхностью Земли, наклоненный к оси вращения Земли. Южный полюс этого магнита направлен в сторону географического северного полюса Земли.

Магнитное поле Земли имеет интенсивность от 30 микротесла (мкТл) до 60 мкТл. Основная часть магнитного поля Земли возникает в жидком внешнем ядре Земли в результате конвекции расплавленного железа.

Помимо обеспечения ориентации по компасу, магнитное поле Земли выполняет еще одну жизненно важную задачу: экранирует солнечный ветер, то есть защищает нас от опасного излучения из космоса. В состав космического излучения, кроме электронов, протонов, входят и другие частицы, движущиеся в пространстве с огромными скоростями.

Как создается магнитное поле Земли?

Основная часть магнитного поля возникает внутри Земли. Поэтому в этом разделе мы сначала покажем вам, как устроено ядро Земли, а затем кратко остановимся на так называемой “теории динамо”.

Структура ядра Земли

Вы можете представить себе Землю, разделенную на четыре сферические оболочки и одну сферу (смотрите рисунок 1 ниже). Каждая сферическая оболочка изготовлена из разных материалов и имеет разную толщину. Сфера находится в центре, а четыре сферические оболочки окружают сферу одна за другой. В следующем списке показана структура Земли, начиная с поверхности Земли и заканчивая ее центром.

  • Сферическая оболочка 1 – земная кора: толщина 5 – 70 км.
  • Сферическая оболочка 2 – верхняя мантия: глубина около 660 км.
  • Сферическая оболочка 3 – нижняя мантия: глубина 660 – 2900 км.
  • Сферическая оболочка 4 – внешнее ядро: глубина 2900 – 5150 км.
  • Сфера – внутреннее ядро Земли: глубина от 5150 до 6371 км.
Строение Земли
Рис. 1. Строение Земли

Теория динамо

Внешнее ядро состоит в основном из жидкого, электропроводящего железа. Внешний слой внешнего ядра Земли холоднее внутреннего ядра Земли. Эта разница температур приводит к возникновению конвекционных течений. Это означает, что жидкое железо во внешнем ядре сильно перемещается вперед и назад. К этому движению добавляется ещё и вращение земли.

Следующее наблюдение стало решающим для магнитного поля Земли, а именно, магнитное поле “задерживается” в проводнике. Если проводник движется, магнитное поле должно следовать за ним. Именно это и происходит во внешнем ядре Земли. Внешнее магнитное поле попадает в земное ядро и задерживается жидким железом. Затем это внешнее магнитное поле следует за движениями жидкого железа.

Во внешнем ядре Земли существует градиент вращения: чем ближе вы находитесь к внутреннему ядру, тем быстрее вы вращаетесь вокруг оси вращения Земли. Этот градиент вращения заставляет жидкое железо испытывать силу Кориолиса и, таким образом, отклоняться в спиралевидные траектории. Внешнее магнитное поле следует за этим спиральным движением, образуя искаженные кольца. Такое “магнитное кольцо” соответствует электрическому току. Этот электрический ток, в свою очередь, создает магнитное поле, которое усиливает внешнее магнитное поле. Как итог, создается магнитное поле Земли.

Таким образом, составляющие магнитного поля Земли следующие: конвекционные токи, вращение Земли и электропроводящая жидкость в ядре Земли.

Примечание! Основная идея магнитного поля Земли: уже существующее магнитное поле в ядре Земли приводит к электрическому току. Этот электрический ток, в свою очередь, создает магнитное поле, которое усиливает исходное магнитное поле.

Теперь вам может быть интересно, откуда берется внешнее магнитное поле. На самом деле, малейшего теплового движения во внешнем ядре Земли достаточно для возникновения случайного электрического тока. Затем этот электрический ток создает внешнее магнитное поле, которое усиливается динамо-эффектом и формирует магнитное поле Земли.

Индукция и форма магнитного поля Земли

Индукция магнитного поля Земли составляет от 30 до 60 мкТл. Для сравнения: типичный подковообразный магнит имеет индукция магнитного поля 0,1 тесла; а индукция магнитного поля магнитно-резонансного томографа для использования человеком составляет от 0,35 до 3 тесла.

Форма магнитного поля Земли напоминает форму стержневого магнита (см. рисунок 2). Если смотреть со стороны, то кажется, что внутри Земли находится гигантский стержневой магнит. Он наклонен примерно на 11° относительно оси вращения, а его южный полюс направлен в сторону географического северного полюса Земли.

Стержневой магнит внутри Земли
Рис. 2. Стержневой магнит внутри Земли

Наблюдения показывают, что по мере приближения Земли к географическому северному полюсу магнитные линии магнитного поля Земли все больше наклоняются к горизонту и становятся вертикальными, входя в Землю примерно на 75° северной широты и 99° западной долготы. Южный магнитный полюс Земли сейчас находится в этой точке, примерно в 2100 км от географического северного полюса.

Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.

Северный магнитный полюс Земли расположен вблизи географического южного полюса, то есть на 66,5° южной широты и 140° восточной долготы. Здесь магнитные линии магнитного поля Земли покидают Землю.

Поэтому магнитные полюса Земли не совпадают с географическими полюсами Земли. По этой причине направление магнитной стрелки не совпадает с направлением географического меридиана. Магнит
Стрелка компаса лишь приблизительно указывает на север.

Есть области земного шара, где направление магнитной стрелки постоянно отклоняется от направления магнитной линии Земли. Эти области называются магнитными аномалиями.

Смена полярности магнитного поля Земли

В этом разделе мы кратко объясним, что имеется в виду под изменением полярности магнитного поля Земли и что это означает для жизни на Земле.

Феномен и значение

Термин “изменение полярности” означает, что положения магнитных полюсов меняются местами. Возьмите стержневой магнит так, чтобы южный полюс был направлен вверх. Теперь поверните стержневой магнит на 180° так, чтобы южный полюс был направлен вниз. Теперь вы успешно изменили полярность магнита.

Магнитное поле Земли
Рис. 3. Магнитное поле Земли

Исследования горных пород показали, что за последние 84 миллиона лет произошло 183 таких переполюсовки. Последняя смена полюсов произошла 780 000 лет назад. Возможно, сейчас вы спрашиваете себя, не настало ли время для того, чтобы снова произошел разворот полюсов. На самом деле, смена полярности является случайным событием. Это означает, что невозможно точно утверждать, когда это произойдет.

Но предположим, что полярность поменялась. Имеет ли это какое-либо значение для жизни на Земле? В любом случае навигация по компасу вначале работать не будет. У таких животных, как птицы, морские черепахи и киты, вначале также будут проблемы с ориентацией. Но это будет лишь вопросом времени, когда навигация по компасу и ориентация животных снова «выровняются».

Худшие последствия, такие как отказ всех технологий, в настоящее время являются лишь гипотезой. Факт состоит в том, что магнитное поле Земли постепенно ослабевает, а это значит, что всё больше опасной радиации достигает Земли. Однако, точные последствия этого все еще исследуются.

Значение

В этом последнем разделе мы кратко обсудим важные задачи, выполняемые магнитным полем Земли.

Экранирование.

Одной из важнейших задач магнитного поля Земли является защита от солнечного ветра – магнитное поле Земли создает так называемую магнитосферу, которая окружает Землю. Солнечный ветер состоит из высокоэнергетических частиц. Отсутствие экранирования может, например, привести к уменьшению озонового слоя. Этот слой защищает Землю и, соответственно, людей от опасного ультрафиолетового излучения. Поэтому без магнитного поля Земли большее количество такого излучения будет попадать на людей и повышать риск возникновения рака, в том числе.

Ориентация.

Магнитное поле Земли служит не только для защиты, но и для ориентации. Например, с помощью компаса люди могут спланировать свой маршрут через лес. Такие животные, как киты, голуби и медоносные пчелы, используют магнитное поле Земли для ориентации.