Магнитный экран нашей планеты

Реферат

Тема " Магнитный экран нашей планеты"

Аннотация Введение

1. История изучения магнитного поля Земли

2. Общая структура геомагнитного поля. Магнитные аномалии

3. Происхождение геомагнитного поля

4. Взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой

5. Геомагнитные вариации

6. Инверсии геомагнитного поля

7. Влияние геомагнитного поля на живой мир Заключение Использованная литература

Аннотация

Тема реферата — «Магнитный экран нашей планеты». Объем работы 14 стр., рисунков — 3 шт., 7 источников информации.

Ключевые слова: геомагнитное поле, магнитные аномалии, ферромагнитная и динамо гипотезы, солнечный ветер, магнитосфера, вариации, инверсии, человек и животные.

В данном реферате кратко изложена историческая справка, которая последовательно описывает историю развития геомагнитного поля и его исследования. Охарактеризована общая структура магнитного поля Земли, там же приведен рисунок, представляющий главное геомагнитное поле. Рассмотрен вопрос о природе магнитного поля. Описана магнитосфера Земли, которая защищает нашу планету от солнечного ветра. Перечислены и обобщены геомагнитные вариации, и отдельно рассмотрена инверсия поля. Приведено влияние воздействия магнитного поля на живой мир.

Мы живем на огромном магните и, хотя непосредственно этого не чувствуем, во многом от него зависим.

Магнитное поле Земли или геомагнитное поле — это надежный щит, созданный физическими законами. Оно служит ориентиром для многих существ, обитающих на нашей планете, создатель красивейших полярных сияний. Без магнитного поля, жизнь на голубой планете, скорее всего, была бы иная.

Многие люди уже достаточно осведомлены о том, что глобальные изменения, уготованные Земле, являются эволюцией магнитного поля и сменой магнитных полюсов. Осознание этого сдвига дает шанс человечеству пережить эти перемены и переселиться в новую эпоху с сохранением памяти и биоформы.

У людей постоянно возникают вопросы по этому поводу, и появляется много исследователей магнитного поля.

Поэтому целью курсовой работы является расширение знания в области Физики Земли, приобретение навыка поиска, анализа, обобщение и изложения геолого-геофизической информации.

Для поставленной цели сформулированы следующие задачи:

· Подобрать информацию о геомагнитном поле;

· Проанализировать собранную информацию и изложить.

1. История изучения магнитного поля Земли

Подвешенная на нити магнитная стрелка устанавливается в каждой точке вблизи земной поверхности определенным образом — приблизительно в направлении с севера на юг. Этот основной факт означает, что существует магнитное поле Земли.

О существовании магнитного поля Земли человеку стало известно, начиная с 800 г. до н. э. В сочинениях древних греков упоминается о «таинственный камень, обладающий замечательным свойством притягивать к себе железо». Его называли геркулесов камень, сидерит или просто камень. Лишь намного позднее закрепился термин магнит.

С давних времен известен компас — прибор, который дает возможность ориентироваться относительно стран света. Считается, что этот незамысловатый прибор появился в XI в. н. э. в Китае. Китайцы обнаружили свойство магнита. Так как ориентация магнетита не зависела ни от высоты места, ни от времени суток, ни от погоды, ни от личных качеств проводящего опыт.

Основы науки о геомагнетизме были заложены в период между XIII-XVI столетиями. А к середине XV в. стало известно, что подвешенный магнит не всегда указывает точно на север. Первые сведения о наклонении направления земного магнитного поля относительно горизонтальной плоскости появились в середине XVI в.

В 1600 г. английский естествоиспытатель Уильям Гильберт опубликовал знаменитый трактат «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле». Он подвел итог работам своих предшественников и собственным 18-летним исследованиям. Гильберт в своем трактате сделал исключительный вывод — Земля это огромный магнит. Затем Гаусс математически доказал гипотезу Гильберта о том, что источник главного магнитного поля находится внутри Земли.

Первая геомагнитная карта была составлена Э. Галлеем в самом начале XVIII века на основе наблюдений моряков за направлением магнитной стрелки.

Позже Г. Галилей признавался: «Получается, что космические и земные процессы подчиняются одним и тем же законам, — значит, явления космического масштаба можно изучать в лаборатории» .

2. Общая структура геомагнитного поля. Магнитные аномалии

геомагнитный магнитосфера плазма Используя современные экспериментальные данные, которые были получены на основании измерений магнитного поля на поверхности Земли и вблизи нее, можно разделить геомагнитное поле на три основные части: главное магнитное поле, аномальное магнитное поле и внешнее магнитное поле.

Главное поле имеет внутренний источник в ядре Земли. Аномальное поле обусловлено совокупностью источников в тонком верхнем слое, называемом магнитосферой Земли. Внешнее поле связано с внешними источниками — токовыми системами в околоземном пространстве. Наблюдаемое на поверхность Земли магнитное поле есть примерно на 95% главное поле, на 4%аномальное поле и на 1% внешнее поле.

Дипольная часть главного геомагнитного поля представляет собой поле диполя, помещенного в центр Земли. Расположен этот диполь следующим образом: его ось наклонена относительно географической оси, вокруг которой вращается земной шар, под углом 12?. Силовые линии магнитного поля выходят из южного положительного диполя и входят в северный отрицательный. В экваториальной области векторы напряженности параллельны дневной поверхности, а в полярных — наклонены под большим углом к горизонту.

Если бы магнитное поле Земли было однородным, то на полюсах магнитная стрелка устанавливалась вертикально. Однако этого не происходит из-за влияния мировых магнитных аномалий.

Естественный встречающийся в природе магнит — это минерал черного или коричневого цвета магнитный железняк (магнетит). Иногда магнетит попадается в виде огромных залежей, создающий локальную магнитную аномалию, то есть сильные отклонения напряженности и направления земного магнитного поля от нормы. Примером может служить сильнейшая в мире Курская магнитная аномалия, представляющая собой два подземных железорудных хребта, расположенных почти параллельно друг другу и простирающихся на сотни километров. Напряженность этого аномального магнитного поля в два-три раза превышает напряженность магнитного поля Земли. Стрелка компаса здесь вместо севера может показать и на запад, и на восток, а иногда на юг.

Кроме сильных локальных аномалий существуют более крупные региональные аномалии и весьма обширные по площади мировые аномалии. На рис. 1 хорошо просматриваются две региональные магнитные аномалии — Восточно — Сибирская с повышенным значением модуля магнитной индукции (до 6,2*10^-5 Тл) и Бразильская, или Южно-Антлантическая с пониженным значением модуля магнитной индукции (до 2,3*10^-5 Тл).

Рис. 1. Главное магнитное поле Земли

3. Происхождение геомагнитного поля

В попытке объяснить происхождение геомагнитного поля учеными было выдвинуто много гипотез. Они рождались и умирали, как всякие научные гипотезы, не выдержавшие напора экспериментальных фактов. Последние десяти лет серьезно обсуждаются две гипотезы — ферромагнитная и динамо-гипотеза.

Ферромагнитная гипотеза предлагала объяснить происхождение земного магнетизма просто намагниченностью земного шара. Земля имеет твердое ядро, которое состоит из железа с добавлением никеля. Можно было предположить, что твердое ядро Земли есть ферромагнетик, у которого магнитные поля доменов имеют преимущественную ориентацию, задающую магнитную ось Земли. Однако такое предположение никак не согласуется с данными о сверхвысоких температурах земного ядра, намного превышающих точку Кюри, при которой магнитные свойства ферромагнетика полностью исчезают. Что же касается жидкого внешнего ядер, то для него ферромагнитная гипотеза заведомо не годится, потому что существование постоянных магнитов в жидком состоянии невозможно по теоретическим соображениям.

Поэтому предпринимались попытки построить теорию, полагая, что земной магнетизм обусловлен намагниченностью горных пород, сосредоточенных в верхних слоях континентальной земной коры. Однако в этом случае расчетная магнитная индукция геомагнитного поля оказывалась на несколько порядков меньше измеряемой магнитной индукции. Оставалось предположить, что содержание магнетита в земной коре быстро возрастает с глубиной, но все данные геофизических исследований не дают никаких оснований для такого предположения.

Другая гипотеза о природе геомагнитного поля связана с теорией гидромагнитного динамо. Эта теория развилась из идеи Джозефа Лармора. Он предположил, что большая масса железного проводника, в которой происходит внутреннее движение, является источником магнитного поля. Действительно, при движении замкнутых проводников в магнитном поле в них возбуждаются токи за счет ЭДС источника. Однако обосновать теоретически возможность самовозбуждения магнитного поля при движении проводящей жидкости в шаровой области оказалось делом не простым. Более двадцати лет гипотеза Лармора не получала дальнейшего развития. Поэтому конкретных механизмов работы гидромагнитного динамо Земли не предлагалось. Позже было выдвинуто предположение, что тепловая конвекция в жидком ядре Земли может играть роль двигателя в «земной динамо-машине». Затем английский ученый Э. Буллард предположил, что движение вещества в жидком ядре происходит неравномерно. Косвенным подтверждением этого можно считать явление западного дрейфа.

Таким образом, в соответствии с теорией гидромагнитного динамо, причиной возникновения магнитного поля Земли являются конвекционные перемещения вещества в ядре и вращение внутренней и внешней частей ядра с различными угловыми скоростями.

4. Взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой

Рис. 2. Деформация магнитосферы Земли под действием солнечного ветра

Земной шар находится относительно близко от Солнца — всего на расстоянии ста его диаметров. С одной стороны, это надо рассматривать как счастливое обстоятельство — ведь Солнце является важным источником энергии, питающим все процессы, происходящие на Земле. С другой стороны, близость к Солнцу создает фактор опасности, поскольку мы оказываемся под достаточно сильным действием всего того, что испускает наше светило. А испускает оно, во-первых, электромагнитное излучение и, во-вторых, потоки заряженных частиц — электронов, протонов и в небольшой мере альфа-частиц. Потоки этих частиц представляют собой истечение плазмы солнечной короны. Их называют солнечным ветром.

Что же защищает нашу планету от солнечного ветра? Ее защищает магнитосфера Земли. Что представляет собой земная магнитосфера?

Исследования с космических аппаратов показали, что на больших расстояниях от Земли магнитосфера имеет весьма сложную структуру, определяемую взаимодействием магнитного поля Земли с солнечным ветром. Плазма солнечного ветра, накатываясь на магнитное поле, как на препятствие, деформирует его в сторону Земли. Поток «давит» на поле, а упругие магнитные силовые линии оказывают сопротивление этому потоку. Чем больше давление солнечного ветра, тем ближе к Земле он поджимает магнитную оболочку.

При встрече солнечного ветра с «препятствием» в виде геомагнитного поля образуется головная волна, сечение ее фронта в виде кривой с дневной стороны, где граница магнитного поля Земли находится в плоскости экватора. На ночной же стороне линии геомагнитного поля оказываются отброшенными далеко от Земли, образуя очень длинный магнитосферный хвост.

С помощью космических аппаратов удалось выяснить, что вокруг Земли существуют радиационные пояса — области магнитосферы с относительно высокой концентрацией электронов и ионов с большой энергией. С заряженными частицами, попадающими в радиационные пояса Земли, связано такое явление как полярное сияние.

Отметим, что геомагнитное поле вращается вместе с планетой. Поэтому конфигурация каждой из высокоширотных силовых линий непрерывно изменяется в течение суток — она трансформируется от замкнутых квазидипольных линий в утренние часы к разомкнутым и вытянувшимся в магнитосферный хвост линиям в вечерние и ночные часы.

5. Геомагнитные вариации

Об временной изменении магнитного поля Земли судят по современным наблюдениям геомагнитного поля, а также по данным об естественной остаточной намагниченности разновозрастных горных пород. Изменения бывают регулярные — повторяющиеся ежесуточно, и нерегулярные — быстрые, неупорядоченные.

Cуточные вариации геомагнитного поля возникают регулярно за счет токов в ионосфере Земли, определенных изменениями освещенности земной ионосферы Солнцем в течение суток.

Нерегулярные вариации магнитного поля возникают в результате влияния потока солнечной плазмы на магнитосферу Земли, а так же перемени взаимодействия с ионосферой. Выделяют:

· 27-дневные вариации проявляются как тенденция к повторению умножения геомагнитной активности через каждые 27 дней, относящихся периоду вращения Солнца пропорционально земному наблюдателю. Эта закономерность связана с существованием долгоживущих активных областей на Солнце, высматриваемых в течение определенного числа оборотов Солнца. Оно проявляется в виде 27-дневной повторяемости магнитной активности и магнитных бурь.

· Сезонные вариации магнитной активности уверенно определяются на основании среднемесячных данных о магнитной активности, полученных путем обработки наблюдений за несколько лет. Их амплитуда зависит от магнитной активности. Сезонные изменения магнитной активности имеют два максимума, соответствующие периодам равноденствий, и два минимума, соответствующие периодам солнцестояний. Стартовой точной этих изменений является формирование активных областей на Солнце, которые объединяются в зонах от 10 до 30° северной и южной гелиографических широт. Поэтому во времена равноденствий, когда плоскости земного и солнечного экваторов совпадают, Земля в наибольшей степени подвержена влиянию активных областей на Солнце.

· Очень ярко связь между солнечной активностью и магнитной активностью проявляется кратных 11 летним периодам солнечной активности. Мерой солнечной активности является количество солнечных пятен. Определено, что в годы максимального числа солнечных пятен магнитная активность достигает наибольшее значение, все же увеличение магнитной активности немного запаздывает по отношению к росту солнечной, в среднем это запаздывание составляет один год.

· Вековые вариации — медленные изменения элементов земного магнетизма. В отличие от суточных, сезонных, и других вариаций внешнего происхождения, вековые вариации связаны с источниками, лежащими внутри земного ядра. Амплитуда вековых вариаций достигает десятков нТл/год, изменения среднегодовых значений таких элементов, названы вековым ходом. Изолинии вековых вариаций концентрируются вокруг нескольких точек — центры или фокусы векового хода, в этих центрах величина векового хода достигает максимальных значений.

6. Инверсии геомагнитного поля

Считается, что геомагнитное поле существует уже более 3 млрд лет. Исторические исследования геомагнитного поля показывают, что на протяжении всего времени своего существования поле было непостоянным и хаотически меняло полярность — северный магнитный полюс становился южным и наоборот. Такой процесс называют инверсией магнитных полюсов Земли.

Палеомагнитные данные показывают, что последняя инверсия магнитного поля произошла приблизительно 70 тыс. лет назад. Особенностью таких изменений полюсов является их высокая, по меркам геологической истории нашей планеты, скорость — смена полюсов происходит приблизительно за 10 тыс. лет. Источником палеомагнитных данных служат горные породы, которые содержат в себе ферромагнитные компоненты. Дело в том, что в момент своего образования осадочная или магматическая порода приобретает намагниченность, направление и величина которой соответствует величине магнитного поля данной геологической эпохи. Иными словами, минерал как бы «замораживает» в себе геомагнитное поле в момент существования данной породы.

А как же происходит сам процесс инверсии? Во время инверсии геомагнитное поле не переворачивается постепенно, а как бы распадается на отдельные территории с нормальной и обратной поляризациями. В начале инверсии на территориях с нормальной поляризацией возникают участки с обратной поляризацией, которые со временем увеличиваются, что в конечном счете завершается обратной ориентацией магнитных полюсов. Сказанное поясняется в рис. 3, где приведены составленные на основе компьютерных вычислений контурные карты магнитного поля Земли на ее поверхности (верхний ряд) и на границе между внешним ядром и мантией (нижний ряд). Можно видеть, как постепенно происходит смена магнитных полюсов от нормальной полярности к обратной. На более светлых участках магнитные силовые линии направлены от центра земного шара, а на более темных участках — к центру.

Рис. 3. Модель смены полюсов, составленная на основе компьютерных вычислений.

Сейчас о возможных последствиях смены геомагнитных полюсов идет широкая дискуссия. Есть разнообразные точки зрения — от вполне оптимистичных до крайне тревожных. Оптимисты ссылаются на тот факт, что биосфера обладает значительными способностями к адаптации, а следовательно процесс инверсии может длиться долго, так что будет время подготовиться к переменам.

Противоположная точка зрения не исключает того, что инверсия окажется катастрофой для человеческой цивилизации. Надо сказать, что эта точка зрения наиболее точно описывает явление. Потому что во время инверсии техника может выйти из строя, которая является нашим спасителем.

7. Влияние геомагнитного поля на живой мир

С магнитным полем тесно связана ежедневная жизнь всех существ на планете. Наукой давно уже доказано, что живой мир зависит от него.

Ученые утверждают, что многие животные на Земле способны ориентироваться по силовым линиям магнитного поля планеты, как человек по карте. Например, перелетные птицы ориентируются именно на него, когда совершают свою миграцию. Как они ощущают поле? Недавно ученые узнали, что у птиц в области глаз располагается маленький магнитный «компас» — крохотное тканевое поле, в котором расположены кристаллы магнетита, обладающие способностью намагничиваться в магнитном поле.

А также биофизики и врачи, изучающие физиологические процессы, происходящие под влиянием магнитного поля в организме человека, отмечают важное влияние магнитного поля на систему организма. Резкое изменение внешнего магнитного поля, например, при магнитной буре или активной геомагнитной зоне всегда отрицательно сказывается на самочувствии и здоровье.

Нам надо знать, что геомагнитное поле является важным фактором, влияющим на такие фундаментальные свойства эволюционного развития всех без исключения живых организмов, как наследственность и изменчивость, ответственные за уровень и ход мутагенеза в природе. Следовательно, геомагнитное поле Земли — определяющий фактор в проявлении самых основных свойств живых организмов.

Заключение

Я считаю, что в результате данной работы я достигла поставленной цели — приобрела навыки поиска, анализа, обобщения и изложения информации. Выбранная мною тема очень широка и понадобится в моей будущей профессиональной деятельности.

Магнитное поле является одним из главных героев, появляющихся на сцене земной истории. Ранее уже говорилось о его происхождении и развитии. Как и все другие тела, оно меняется и может исчезнуть навсегда. Я еще раз убедилась в том, что геомагнитное поле — это наше все, как мать родная, оберегающая нас от опасности. Не будь у Земли магнитного поля, защищающего ее от солнечной радиации, наша планета превратилась бы в выжженную пустыню, а живые существа погибли.

Приближение таких великих изменений призывает быть ближе к Земле и слушать её сердцебиение. У Земли действительно бьющееся сердце, есть пульс и ритм, частота которого возрастает.

Использованная литература

1. Видео «С точки зрения науки. Магнитное поле Земли»

2. Л. В. Тарасов. Земной магнетизм: Учебное пособие / Л. В. Тарасов — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2012. — 184 с.: цв.вкл.

3. Дюдкин Д. А. Солнечно-земные связи и природные катастрофы. — М.: Т/Т, 2009. — 400 с.

4. Номоконова Г. Г. Физика Земли: учебное пособие/Г.Г. Номоконова — Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2007. — 109 с.

5. http://earth-chronicles.ru/news/2011;07−25−4068

6. Плетнев С. В. Магнитное поле, свойства, применение. Научное и учебно-методическое справочное пособие. — СПб.: Гуманистика, 2004. — 624 с.

7. http://magnitnoe.narod.ru/histori/history.htm