Механизм возмущения магнитного поля Земли, параметры магнитного сигнала (от ядерного взрыва)

Механизм возмущения магнитного поля Земли, параметры магнитного сигнала (от ядерного взрыва)

1. Магнитное поле Земли и его характеристики

2. Понятие геомагнитных возмущений и их краткая характеристика

3. Механизм возмущения магнитного поля Земли

4.Влияние ядерных взрывов на магнитное поле, параметры магнитного сигнала.

Выводы и результаты.

Магнитное поле Земли является непостоянным. С изменением магнитного поля Земли столкнулись еще древние мореплаватели, когда во время магнитных бурь компасы переставали правильно показывать направление на магнитные полюса. Позже было показано зависимость этого явления с количеством пятен на поверхности Солнца. Но механизм влияния различных факторов на геомагнитное поле Земли был не выяснен. Позже ученые создали теорию магнитного поля Земли, согласно которой планета являет собой динамо-машину, которая генерирует ток, создающий магнитное поле. После этого, опираясь на достижения солнечной астрономии, было объяснено влияние солнечной активности на геомагнитное поле планеты.

В работе мы рассмотрим влияние различных факторов (в основном фактора солнечной активности) на геомагнитное поле Земли, а также влияние электромагнитного импульса на параметры геомагнитного поля Земли.

1. Магнитное поле Земли и его характеристики

магнитный поле земля ядерный взрыв

Планета Земля является одним огромным магнитом, магнитная ось которой наклонена до оси вращения под углом 11,5?. Напряженность магнитного поля на полюсах достигает 0,63 Е, а на экваторе 0,31 Е [6, с 34]. Силовые линии магнитного поля Земли образуют своеобразные ловушки для потоков электронов и протонов, которые движутся к планете из межпланетного пространства. Захваченные магнитным полем земли, эти частицы образуют радиационные поля, которые охватывают планету по геомагнитному экватору. Ученые обнаружили три таких пояса радиации: первый на высотах от 2400 до 5600 км, второй на высоте от 12 000 до 20 000 км и третий на высоте от 50 до 60 тыс. км.

Вся зона вокруг планеты, заполненная заряженными частицами и радиационными поясами носит название магнитосферы. От межпланетного пространства она отделена магнитопаузой, по поверхности которой частицы солнечного ветра обтекают магнитосферу и образуют хвост магнитосферы. В магнитосфере происходят непрерывные процессы перестройки конфигурации магнитного поля и диссипации энергии. Эти процессы обусловлены потоками плазмы солнечного ветра, ядерными испытаниями, пусками ракет. Возмущения и нарушения структуры магнитного поля Земли мы воспринимаем в виде магнитных бурь.

Существует немало свидетельств воздействия магнитных бурь на технические системы и сооружения, особенно на протяженные электропроводящие системы, такие, как линии электропередач и металлические нефтеи газопроводы [4, с. 212]. Уже стали привычными сообщения о потере спутников во время сильных магнитных бурь из-за сбоев в работе электронных систем управления и связи, а также о преждевременном сходе ИСЗ с орбит и гибели в плотных слоях атмосферы. Во время магнитных бурь на поверхности металлических конструкций возникают наведенные электрические токи. Они и становятся причиной пожаров и взрывов на нефтеи газопроводах и повреждений в линиях электропередач. Наведенные токи на поверхности искусственных спутников Земли иногда вызывают сбои в работе гироскопов стабилизации, что приводит к сходу ИСЗ с орбит и их гибели в плотных слоях атмосферы. Сильные вариации магнитного поля Земли во время магнитных бурь создают наведенные токи не только в металлических проводниках, но также и на поверхности Земли [4, с. 234].

2. Понятие геомагнитных возмущений и их краткая характеристика

Геомагнитными возмущениями в литературе называют [1, с. 205] нарушения спокойного суточного хода, наиболее интенсивные возмущения определяются как магнитные бури. Их принято подразделять на два вида: вспышечные и рекуррентные, связанные с устойчивыми скоростными потоками и выявляющие тенденцию к повторению через 27 сут. Осреднение изменений магнитного поля по времени, отсчитываемому от начала бури, выявляет вариацию, названную шторм-тайм вариацией (Dst). Она характеризуется возрастанием северной компоненты в начальную фазу бури и ее уменьшением в последующую, главную фазу. Возрастания поля часто имеет вид скачка, с которого начинается возмущение. Бури, в которых этот значок отчетливо выражен, получили название бурь с внезапным началом (SC). Увеличенное значения поля после скачка длится 1 — 6ч до наступления главной фазы, характеризуемой прежде всего возникновением резких изменений магнитного поля, первоначально принятых просто за флуктуации. С началом этих изменений среднее значение северной составляющей уменьшается в течении 3 — 12ч и остается пониженным к концу активного периода. В следующую фазу, фазу восстановление, когда флуктуации уже затихли, среднее значение поля медленно (в течение от нескольких часов до нескольких суток) возвращается к норме.

Описание части бури типичны, но не обязательны; редко, но встречаются бури, состоящие из одной начальной фазы, чаще встречаются бури, начинающиеся без начальной фазы сразу с флуктуацией, амплитуда которых возрастает со временем; они определяются, как бури с постепенным началом (G). Наличие внезапного начала характерно для вспышечных бурь, возникающих через сутки или несколько суток после интенсивной вспышки на Солнце, обычно балла 3. Эти бури вызываются приходом плотного облака корпускул, выброшенного из Солнца во время вспышки [1, с. 207]. Скоростью этого потока определяется время задержки начала бури относительно вспышки в лучах H?. Для рекуррентных бурь, как правило, характерно постепенное начало.

3. Механизм возмущения магнитного поля Земли

К ионосферным возмущениям относят отклонения ионосферных параметров от их спокойного суточного хода, имеющие характерные временные масштабы от десятков минут до нескольких суток и проявляющиеся на расстояниях в сотни и тысячи километров. Ионосфера возмущается многими факторами, в том числе (посредством акустико-гравитационных волн) такими, как погодные фронты, извержения вулканов, землетрясения, а также посредством искусственных воздействий (нагрев мощным радиоизлучением, выбросы химически активных веществ, взрывы) [1, с. 435]. Возмущения, связанные с этими факторами, имеют обычно меньшие, чем указано выше, временные и пространственные масштабы и, соответственно, меньшую интенсивность. Мы рассмотрим только крупномасштабные возмущения, которые имеют солнечное происхождение: они связаны с солнечными вспышками и резкими изменениями параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля (ММП), а также с геомагнитными возмущениями [1, с. 218].

Рассмотрим влияние электромагнитного и корпускулярного излучения солнца на ионосферу и связанные с этим колебания магнитного поля Земли. Ионизация нейтральных частиц атмосферы вызывается солнечным излучением и поэтому плотность электронов в ней изменяется в зависимости от высоты Солнца над горизонтом, уровня солнечной активности и фазы ее 11-летнего цикла, а также от времени суток и сезона года. Обычно атмосферу делят на четыре области: D, E, F1 и F2. Область D расположена на высоте 50 — 90 км и отличается невысокой электронной плотностью и значительным поглощением радиоволн. Ионизация ее обусловлена, прежде всего, солнечным излучением в линии 1216 А. Область Е характеризуется высотами 85 — 140 км и высокой электронной плотностью (см-3 ночью и см-3 днем). Ее ионизация вызывается в основном рентгеновским излучением в интервале длин волн 8 — 104 А. Области F1 и F2 расположены соответственно на высотах 140 — 230 км и 200 — 600 км. Основным источником ионизации в этих областях является солнечное ультрафиолетовое излучение в интервале длин волн 300 — 910 А. В полярных районах ионосфера подвержена также воздействию корпускулярных потоков, идущих вдоль геомагнитных силовых линий из магнитосферы Земли. Высоты областей ионосферы, как и величина плотности электронов в них, испытывают колебания с течением времени.

Рассмотрим влияние на ионосферу корпускулярного излучения Солнца. Это излучение содержит три составляющие. Во-первых, это потоки заряженных частиц солнечного ветра. Они обладают сравнительно низкими энергиями (500 — 2000 эВ для протонов и 0,3 — 1эВ для электронов) и умеренной скоростью (300 — 600 км/с). Во-вторых, это потоки заряженных частиц из активных областей Солнца, в частности, солнечных вспышек. Энергии протонов сильных вспышек могут достигать 20 кэВ, а электронов 10 эВ, скорости — 3000 км/с. Что же касается частиц протонных вспышек, то они обладают энергиями 10 — 1000 МэВ и скоростями от 10 000 км/с до величин, близких к скорости света. Плотность частиц в таких потоках достигает нескольких сотен в 1 см³, т. е. примерно на порядок выше, чем в солнечном ветре. Наконец, в-третьих, это потоки заряженных частиц из рекуррентных униполярных магнитных областей, связанных с корональными дырами. Им присущи энергии 5000 эВ для протонов и несколько эВ для электронов при скорости около 1000 км/с и плотности порядка нескольких десятков частиц в 1 см³.

Необходимо подчеркнуть, что только протоны энергий, характерных для протонных вспышек, в состоянии проникать глубоко в земную атмосферу; что же касается остальных составляющих корпускулярного излучения Солнца, то они недостаточно энергичны, чтобы не быть задержанными магнитным полем Земли, и только после ускорения до необходимых энергий могут попасть в верхние слои земной атмосферы [1, ст. 243].

Приближаясь к Земле со сверхзвуковой скоростью, поток солнечных частиц, обладающий высокой электропроводностью, вступает во взаимодействие с геомагнитным полем. При этом в нем возникает система индуцированных электрических токов, магнитное поле которых сильно искажает геомагнитное поле. Оно уничтожает магнитное поле Земли внутри потока солнечного ветра и усиливает геомагнитное поле перед фронтом этого потока. В результате в потоке образуется полость, внутри которой расположена Земля со своим магнитным полем. Эту полость называют магнитосферой.

Обращенная к Солнцу граница магнитосферы находится в среднем на расстоянии 10 — 12 радиусов Земли. При обтекании геомагнитного поля солнечным ветром возникает устойчивая ударная волна, т. е. граница, отделяющая области пространства с существенно различными характеристиками плазмы и магнитного поля. На некотором расстоянии перед ней расположена магнитопауза, которая служит границей магнитосферы и имеет толщину 100 — 200 км. Между ударной волной и магнитопаузой образуется переходная область, отличающаяся турбулентным состоянием вещества и неправильными колебаниями магнитного поля. Магнитогидродинамическое взаимодействие солнечного ветра с геомагнитным полем «сдувает» часть силовых линий с дневной стороны (обращенной к Солнцу) на ночную и тем самым приводит к образованию хвоста магнитосферы, или геомагнитного хвоста, который можно проследить до 1000 радиусов Земли. Силовые линии этого хвоста по обе стороны от геомагнитного экватора имеют противоположное направление. Около экватора они находятся так близко друг к другу, что могут соединяться, создавая вблизи геомагнитного экватора нейтральный слой, напряженность магнитного поля в котором близка к нулю, а направление перпендикулярно к плоскости геомагнитного экватора. На дневной стороне северной и южной полярных шапок Земли образуются замкнутые воронкообразные области, которые получили название дневных полярных каспов. Они отделяют замкнутые силовые линии на дневной стороне магнитосферы от разомкнутых, уходящих в ее хвост.

Именно процессы, происходящие в нейтральном слое хвоста магнитосферы, определяют возникновение целой группы явлений, называемых авроральными, которые разыгрываются в двух овальных зонах вблизи северного и южного геомагнитных полюсов, так называемых авроральных овалах. Это полярные магнитные бури, или суббури, полярные сияния, ионосферные возмущения. Суббури представляют собой геомагнитные возмущения длительностью 1 — 2 часа, возникающие около полуночи по местному времени и проявляющиеся в бухтообразном падении горизонтальной составляющей геомагнитного поля, на которые накладываются беспорядочные флуктуации поля [1, ст. 247].

Все авроральные явления возникают в результате грандиозного процесса (магнитосферного возмущения), развивающегося в магнитосфере при вторжении высокоскоростного потока частиц солнечного ветра или вмороженного в его плазму магнитного поля, которое имеет составляющую, направленную к югу. При этом пересоединенные силовые линии геомагнитного поля «сносятся» в хвост магнитосферы и там сближаются, что приводит к возрастанию в нем напряженности магнитного поля и, следовательно, к возникновению неустойчивости этого поля. В хвосте происходит бурное пересоединение противоположно направленных силовых линий и перемещение их в сторону Земли. Они увлекают за собой плазму, заполняющую плазменный слой геомагнитного хвоста. Заряженные частицы устремляются вдоль границы между замкнутыми и разомкнутыми силовыми линиями и приходят в авроральные овалы. Перемещаясь из области слабого магнитного поля в хвосте в область сильного вблизи замкнутой магнитосферы, частицы ускоряются. Частицы, получившие наибольшее ускорение, прорываются в замкнутую магнитосферу и образуют там кольцевой электрический ток, вызывающий ослабление геомагнитного поля во время главной фазы магнитной бури. В авроральных овалах эти частицы увеличивают ионизацию ионосферы. Это ведет к поглощению радиоволн в нижних слоях ионосферы и существенному повышению проводимости ионосферы.

Магнитная буря обычно наблюдается одновременно на всей Земле, хотя проявления ее в разных местах земной поверхности могут быть неодинаковыми. Особенно простой характер она имеет на низких и средних широтах. Там во время магнитной бури происходит более или менее внезапное падение горизонтальной составляющей геомагнитного поля, которое длится несколько десятков минут. Это главная фаза магнитной бури, за которой следует стадия медленного восстановления геомагнитного поля до нормы, охватывающая иногда несколько суток. Во время сильных магнитных бурь может быть несколько падений горизонтальной составляющей поля, причем главная фаза следующей бури накладывается на фазу восстановления предыдущей. Иногда перед падением горизонтальной составляющей геомагнитного поля отмечается кратковременный ее подъем. Такое явление называют внезапным началом магнитной бури. В отличие от вспышечных магнитных бурь, рекуррентные повторяются в те же дни 27-дневного солнечного календаря в течение нескольких солнечных оборотов, а иногда даже 10 — 15 оборотов.

Обратимся теперь к воздействию на верхнюю атмосферу Земли наиболее энергичных солнечных частиц-протонов, выбрасываемых из Солнца во время протонных вспышек [1, ст. 237]. Эти частицы вызывают возмущения ионосферы, особенно опасные для коротковолновой связи на самых высоких широтах. Это так называемые поглощения в полярной шапке Обычно такое возмущение начинается в среднем через несколько часов после сильной солнечной вспышки, его максимум наблюдается через 1 — 2 суток после его начала, а восстановление может продолжаться около 10 суток. Поскольку протоны таких сильных вспышек беспрепятственно проникают в области D ионосферы, где частота соударений частиц велика, и поглощаются в ней, они вызывают особенно большое поглощение радиоволн именно в этой области.

4.Влияние ядерных взрывов на магнитное поле, параметры магнитного сигнала

Рассмотрим механизм возникновения электромагнитного импульса. Во время ядерного взрыва возникает поток гамма и рентгеновского излучения, также возникает поток нейтронов. -излучение, взаимодействует с молекулами атмосферных газов, вырывая из них комптоновские электроны. Если высота взрыва составляет 20 — 40 км., то электроны захватываются магнитным полем Земли и, вращаясь относительно силовых линий этого поля, создают токи, генерирующие ЭМИ. Поле импульса суммируется по направлению к земной поверхности, магнитное поле планеты исполняет роль, подобную фазированной антенной решетки. В результате значительно возрастает напряженность поля и амплитуда электромагнитного импульса в районах, которые расположены южнее и севернее эпицентра взрыва. Продолжительность процесса с момента взрыва составляет от 1 — 3 до 100 нс.

На следующей стадии, которая длится от 1 мкс до 1 с, импульс создается комптоновскими электронами, выбитыми из молекул многократно отраженнымизлучением и за счет неупругого соударения этих электронов с потоком испускаемых при взрыве нейтронов. Интенсивность ЭМИ при этом оказывается примерно на три порядка ниже, чем на первой стадии.

На конечной стадии, занимающей период времени 1 — 60 с, ЭМИ генерируется магнитогидродинамическим эффектом, порождаемым возмущениями магнитного поля Земли токопроводящим огненным шаром взрыва. Интенсивность ЭМИ на этой стадии весьма мала и составляет несколько десятков вольт на километр.

Электромагнитный импульс опасен для радиоаппаратуры. Амплитуда напряжения, наводимого импульсом в проводниках, пропорциональна протяженности проводника, находящегося в магнитном поле, и зависит от его ориентации относительно вектора напряженности электрического поля. Так, напряженность поля ЭМИ в высоковольтных линиях электропередачи может достигать 50 кВ/м, что приведет к появлению в них токов силой до 12 кА.

Электромагнитный импульс возникает и при других видах ядерных взрывов — воздушном и наземном, эффективность воздушного взрыва невысока, электромагнитный импульс наземного взрыва будет иметь значительную интенсивность, которая быстро уменьшается по мере удаления от эпицентра взрыва.

Выводы и результаты

Главной задачей нашей работы было рассмотрение влияние внешних факторов на магнитное поле планеты, рассмотрение механизма данного влияния, а также влияние взрывов ядерных и водородных боеприпасов на магнитное поле планеты и параметры такого влияния.

Магнитное поле планеты является сложной системой, которая в значительной мере зависит от внешних факторов. В наибольшей мере на магнитное поле Земли влияет солнечная активность. Солнечные взрывы и мощные потоки солнечной радиации являются фактором, который наиболее глобально влияет на магнитное поле планеты. Такие факторы как испытания ядерных и водородных боеприпасов, запуски ракет влияют на магнитное поле только в локальных масштабах.

Солнечная радиация, вспышки солнечной активности и другие явления приводят к увеличению числа заряженных частиц, которые врываются в атмосферу планеты. Эти частицы могут двигаться по поверхности геомагнитного поля и приводят к появлению колебаний магнитного поля.

Возмущения магнитного поля значительно влияют на многие оптические свойства атмосферы, изменяются режимы пропускания радиоволн в атмосфере, также возмущения магнитного поля планеты влияют на самочувствие людей. Доказано, что в периоды магнитных бурь, самочувствия людей ухудшается, увеличивается количество чрезвычайных случаев, аварий. Поэтому изучение магнитного поля Земли и механизма этого возмущения является довольно важным заданием.

Список использованной литературы

1. Брюнелли Б. Е., Намгаладзе А. А. Физика ионосферы. — М:. Наука, 1988. — 543 с.

2. Вайнштейн В. И., Быков А. М., Топтыгин И. М. Турбулентность, двойные слои и ударные волны в космической плазме. — М:. Наука, 1989 — 1998 с.

3. Вайнштейн В. А. Магнитное поля в космосе. — М.: наука, 1983.

4. Витинский Ю. И. Солнечная активность. — М.: Наука, 1983 с. — 193 с.

5. Каплан С. А., Цитович В. А. Плазменная астрофизика. — М:. Наука, 1988. — 356 с.

6. Кауфман У. Планеты и луны. Пер с англ. — М:. Мир, — 276 с.

7. Липеровский В. А., Пудовкин М. И. Аномальное сопротивление и двойные связи в магнитосферной плазме. — М:. Наука, 1983. — 436 с.

8. Мишин В. Е., Ружин Ю. Я, Телегин В. А. Взаимодействие электронных потоков с ионосферной плазмой. — Л.: Госметеоиздат, 1989 — 264 с.