Магнитосфера Земли

Геомагнитное поле (магнитосфера Земли) формируется в результате вращения жидкого внешнего ядра Земли, которое является хорошим проводником электрического тока, так как состоит в основном из железа и никеля. Ось геомагнитного поля не совпадает с географическими полюсами планеты.

Общие сведения о магнитосфере Земли

Геомагнитное поле защищает нашу планету от роя заряженных частиц солнечного происхождения (солнечного ветра). Благодаря геомагнитному полю, наша планета теряет гораздо меньше атмосферы по сравнению с другими телами Солнечной Системы, где отсутствует подобное магнитное поле (к примеру, Марс и Венера). Форму поля задаёт солнечный ветер: в направлении Солнца его радиус минимален, в то время, в тени Солнца следы поля протягиваются на миллионы километров. Заряженные элементарные частицы солнечного ветра вместе с космическими лучами после отклонения геомагнитным полем скапливаются в определенных областях, которые называются радиационными поясами Земли. В западной литературе эти пояса часто называются поясами Ван Аллена, в честь американского физика, который впервые их заподозрил в 1958 году на основе измерений спутника “Экспловер-1”. Радиационные пояса представляют собой большую опасность для электроники и электросистем космических аппаратов, в связи с этим инженеры стараются минимизировать их нахождение внутри поясов.

Первые расположены на высоте около 17 тысячах км от поверхности Земли и состоят в основном из отрицательно заряженных элементарных частиц (электронов), вторые находятся в 4 тысячах км от поверхности Земли и состоят в основном из положительно заряженных частиц (протонов). Расстояние радиационных поясов от поверхности Земли находится в сильной зависимости от географического положения. Ближе всего к поверхности Земли радиационные пояса проходят над Бразилией (Южно-Атлантическая геомагнитная аномалия или Бразильская геомагнитная аномалия).

На вышеприведенной карте хорошо видно, что наибольшая плотность таких частиц наблюдается как раз над Бразилией. В этой области сила геомагнитного поля на уровне моря подобна характеристикам геомагнитного поля над другими областями на высоте около тысячи километров.

Южная Атлантическая геомагнитная аномалия создаёт значительные помехи в работе низкоорбитальных телескопов. Так телескоп “Хаббл” не осуществляет наблюдения в этой области, а на снимках телескопа WISE в этой области наблюдается множество артефактов (следов от заряженных частиц), на которые часто обращали внимание участники волонтерского проекта по поиску гипотетической девятой планеты.

Колебания геомагнитного поля и их влияние на биосферу

Так как солнечный ветер является переменным по интенсивности и составу элементарных частиц (наиболее сильные ливни рождаются в мощных солнечных вспышках), то и геомагнитное поле испытывает постоянные колебания. Во время особо сильных вспышек на Солнце частицы солнечного ветра могут проникать в верхние слои атмосферы и вызывать сияния в виде зеленоватых всполохов (полярные сияния). Чаще всего это происходит в полярных регионах Земли, где геомагнитное поле является наиболее слабым (именно там находятся геомагнитные полюса). Хотя при особо сильных солнечных вспышках полярные сияния наблюдаются даже в тропиках (к примеру, во время геомагнитной бури 1859 года полярные сияния наблюдались в тропическом Карибском море). Возмущения геомагнитного поля Земли вызывают не только полярные сияния, но и могут приводить к сбоям электроники, авариям на линиях электропередач и даже к катастрофам (к примеру, вызвать отказ навигационных систем самолета или выключение системы аварийной защиты атомной электростанции). В дополнение на тему влияния геомагнитного поля на земную жизнь можно отметить, что многие животные на Земле используют геомагнитное поле для навигации (к примеру, перелетные птицы). Очевидно, что геомагнитные возмущения оказывают влияние и на центральную нервную систему человека (в человеческом организме присутствует небольшое количество железа, именно благодаря ему, кровь человека обладает красным цветом, а нервная система представляет собой инфраструктуру для передачи электромагнитных импульсов). Художественную иллюстрацию о том, какое сильное влияние геомагнитное поле оказывает на биосферу Земли, можно посмотреть в фильмах-катастрофах “Земное ядро” и “Знамение”.

Изменения в геомагнитном поле происходят не только по причине колебаний в интенсивности солнечного ветра. Другой причиной подобных изменений являются слабоизученные процессы, которые происходят в ядре нашей планеты.

Открытие геомагнитного поля

Впервые закономерность того, что намагниченные предметы располагаются в строгом направлении, было открыто в Китае ещё несколько тысяч лет назад. Это открытие привело к изобретению компаса, который оказал важнейшее влияние на морскую навигацию во времена Великих географических открытий (навигация по астрономическим объектам затруднена из-за частой облачности). Первоначально считалось, что северный геомагнитный полюс совпадает с направлением на Полярную звезду. Однако во время плавания Колумба к берегам Американского континента было отмечено, что эти направления различаются на 12 градусов.

В месте расположения геомагнитных полюсов стрелка компаса может принимать вертикальное положение. В северном геомагнитном полюсе стрелка компаса направлена вниз, а в южном геомагнитном полюсе наоборот вверх. В связи с асимметричностью геомагнитного поля, прямая линия, которая соединяет геомагнитные полюса не проходит через центр Земли.

Северный геомагнитный полюс был впервые обнаружен в 1831 году английским мореплавателем Джоном Россом, южный геомагнитный полюс соответственно в 1841 году его племянником (Джеймсом Россом). С тех пор исследования показали, что оба полюса испытывают ежегодные перемещения по поверхности Земли.

Северный геомагнитный полюс за последние 500 лет переместился из района Канадского архипелага в район Центральной Арктики.

Инверсия геомагнитного поля

Аномально высокая скорость движения северного геомагнитного полюса и уменьшение интенсивности геомагнитного поля в последние годы порождают спекуляции на тему скорой инверсии геомагнитного поля. Инверсией геомагнитного поля называют процесс перестановки местами южного и северного геомагнитного полюсов. В нормальном состоянии геомагнитного поля северный геомагнитный полюс находится вблизи северного географического полюса. В обратном состоянии же наблюдается противоположная картина: северный геомагнитный полюс находится вблизи южного географического полюса.

Во времени наступления инверсий не обнаружено никакой периодичности (в отличие от, к примеру, 22-летней периодичности в инверсиях магнитного поля Солнца, которая равна двухкратному периоду солнечной активности).

Типичное время между инверсиями составляет от 0.1 до 1 миллиона лет, сами инверсии длятся между 1 и 10 тысячами лет. Предполагается, что во время инверсий происходит очень сильное ослабление геомагнитного поля, и, следовательно, создаётся нешуточная угроза земной жизни (частицы солнечного ветра в больших количествах проникают в земную атмосферу). В тоже время не отмечено никакой корреляции между массовыми вымираниями земных видов и периодами инверсий геомагнитного поля.

Последняя достоверная инверсия геомагнитного поля случилась 780 тысяч лет назад. Её длительность составила от 1200 до 10000 лет в зависимости от географического положения изученных пород с остаточной намагниченностью. С другой стороны изучается возможность более свежей кратковременной инверсии геомагнитного поля, которая случилась всего 41 тысячу лет назад. Событие получило название Laschamp, так как впервые было обнаружено в 60х годах 20 века в остаточной намагниченности лавового потока с таким названием во Франции. Позже следы этой инверсии были обнаружены и в других местах Земли. Длительность инверсии составила 250-440 лет, во время неё геомагнитное поле было ослаблено на 75%.

В тоже время в спокойные периоды геомагнитные полюсы испытывают лишь хаотичный дрейф вблизи географических полюсов.

Кроме того можно отметить, что текущее ослабление геомагнитного поля за последние 180 лет на 10% не является уникальным. Изучение остаточной намагниченности пород в Ливане показывает, что 2500 лет назад геомагнитное поле было в 2.5 раза сильнее, чем сейчас, после чего оно ослабло сразу почти на 30% всего за 180 лет.

Магнитные поля у других тел Солнечной Системы

Кроме Земли мощное магнитное поле в Солнечной Системе наблюдается у Солнца,

Меркурия, Юпитера, Ганимеда, Сатурна, Урана, Нептуна.

1 Гс – это системная единица измерения силы магнитного поля (названа в честь великого математика Карла Фридриха Гаусса). 1 Гс в 10 тысяч раз меньше, чем одна Тесла. Одна Тесла соответствует мощности такого магнитного поля, в котором на 1 метр длины проводника электрического поля, которое перпендикулярно направлению магнитной индукции, с током силой 1 ампер действует сила в 1 ньютон.

Отсутствие магнитного поля на Венере (планете, которая очень близка к Земле по массе и размеру) объясняется небольшой угловой скоростью вращения планеты (около 243 земных суток). Другим объяснением этого феномена является отсутствие на Венере тектонической активности плит, что приводит к слабым конвективным потокам в ядре. Отсутствие тектонической активности на Венере объясняется дефицитом воды (которая может играть роль смазки) или высокими температурами на поверхности (невозможностью нормального затвердевания коры или повышенной активностью местных вулканов).

Магнитные поля ледяных гигантов (Урана и Нептуна), в отличие от других планет, обладают сразу четырьмя магнитными полюсами (по два северных и южных магнитных полюса). Теоретики предполагают, что магнитные поля ледяных гигантов образуются на небольших глубинах, к примеру, в океане жидкого аммиака.

Магнитное поле ближайшей к нам звезды было открыто в начале 20 века через регистрацию зеемановского расщепления спектральных линий в солнечных пятнах. В вышеприведенной таблице указано, что индукция магнитного поля на Солнце составляет около 4 тысяч гаусс. С другой стороны в 2014 году японские астрофизики зарегистрировали у одной из светлых областей солнечной поверхности диаметром около 1000 км рекордную величину индукции в рекордные 6250 Гаусс.

Магнитные поля белых карликов и нейтронных звезд

Ещё более сильные магнитные поля наблюдаются у звездных остатков (белых карликов и нейтронных звезд), которые отличаются крайне высокой угловой скоростью вращения. Оценки индукции их магнитных полей достигают 10¹² Гаус. Измерение магнитных полей у подобных объектов стало возможным через регистрацию поляризации. Одновременно проводятся попытки измерения магнитных полей аккреционных дисков черных дыр также через регистрацию приходящего излучения. В настоящее время в этом направлении получены противоречивые результаты. Измерения, опубликованные в конце прошлого года и выполненные с рекордно высокой точностью показали, что величина индукции магнитного поля у аккреционного диска черной дыры лишь в несколько сотен раз больше, чем аналогичный показатель у Солнца (461 ± 12 гауссов). Прошлые оценки предполагали, что этот показатель у черных дыр должен быть в 400 раз выше. Новая оценка стала возможной благодаря сильной вспышке у V404 Лебедя, которая случилась 15 июня 2015 года и наблюдалась практически во всем диапазоне электромагнитного спектра (от рентгеновских лучей до радиоизлучения). Новая оценка ставит перед теоретиками серьезную проблему: наблюдаемая индукция не может полностью объяснить формирование мощных полярных джетов аккреционного диска черной дыры – следовательно, в их образовании участвует какой-то ещё механизм.