Навіщо знати людині, що земля магніт. Проект "Чому Земля – магніт?"
Відкрили новий етап у розвитку науки про земний магнетизм, науки, що налічує вже чотири століття свого існування.
Як відомо, ще в 1600 році в Лондоні вийшла знаменита книга Вільяма Гільберта «Про магніт», де вперше було встановлено, що наша планета є великим кулястим магнітом, що нічим не відрізняється за своїми проявами на поверхні від будь-якого іншого сферичного магніту. Кульові магніти виточувалися Гільбертом із природної намагніченої залізної руди (магнетиту) і досліджувалися як моделі Великої Землі. Така мала модель земної кулі було названо Гільбертом терреллою - землею.
У наступні століття вивчення магнетизму нашої планети активно розвивалося. В даний час вчення про земне магнітне поле являє собою розгалужену область знань, пов'язаних з багатьма науками про Землю та Сонце. Завдяки новітнім науковим дослідженням останнім часом було намічено шляхи, дозволяють хоча б загалом з'ясувати походження магнетизму Землі. Вперше після багатьох десятків років напружених пошуків та пошуків вчені отримали можливість виміру напруженості геомагнітного поля не тільки на поверхні планети, а й на великих відстанях від Землі. В даний час прилади, встановлені на штучних супутниках і ракетах, відкривають завісу над таємницями розподілу магнітного поля великих відстанях від центру Землі. Тепер ми можемо на основі ретельних спостережень стверджувати, що джерела земного магнетизму знаходяться в основному в трьох сферах нашої планети: в ядрі, корі та високій атмосфері. Головне магнітне поле Землі більш менш постійно. Це пояснюється більшістю сучасних досліджень як результат дії замкнутих систем електричних струмів у рідкоподібному ядрі, зовнішня оболонка якого стоять на 3000 кілометрів від земної поверхні. Усередині ядра є котушка з провідника, обтічна електричним струмом. Вона створює первинне магнітне поле, що спостерігається на Землі та управляє переміщенням стрілки компаса. Але первинне поле не строго постійно: воно змінюється, відображаючи зміни в силі та у напрямку електричних струмів. Такі зміни бувають, мабуть, двох пологів: одні – дуже повільні, які виявляються після закінчення десятків тисяч років, та інші – більш швидкі, вікові зміни. Останні пояснюються накладенням на полі головних струмових систем у рідкому ядрі полів від дрібних вихрових струмів, що утворюються на його поверхні та швидко переміщуються зі сходу на захід.
Як відомо, географічні та магнітні полюси Землі не збігаються, а кути між магнітними та географічними меридіанами, які називаються відміною, з часом змінюються внаслідок вікового ходу поля. Але для використання компаса в морській та повітряній навігації треба точно знати розподіл відміни на всій поверхні земної кулі. Для цієї мети в багатьох країнах створено державну службу земного магнетизму, яка стежить за станом магнітного поля Землі, становить карти розподілу цього поля, необхідні для штурманської служби та інших практичних потреб.
Другою областю джерел геомагнітного поля є кора. Гірські породи, що містять оксиди заліза та інших феромагнітних металів, остигаючи в первинному магнітному полі Землі, можуть набувати дуже сильної намагніченості. Цікаво відзначити, що саме цей магнетизм залізних руд, що вдруге утворився, і створив перше уявлення про те, що Земля є феромагнітною намагніченою кулею (Гільберт). Але феромагнітні елементи нерівномірно розподілені у земній корі. Там, де їх накопичилося більше, у розподілі магнітного поля виявлено суттєві відхилення від нормального. Такі місця Землі отримали назву магнітних аномалій. У нашій країні є багато магнітних аномалій. На одній з них - Курської магнітної аномалії - напруженість магнітного поля вп'ятеро більша за середню напруженість поля Землі. Проведення магнітної зйомки має, таким чином, величезне наукове та практичне значення, бо воно пов'язане з планомірним використанням корисних копалин земної кори та з'ясування структури геомагнітного поля в цілому.
Слід зазначити, що дослідження магнітного поля, що у земної корі, служать нині з'ясуванні багатьох питань геологічної історії. У далекі геологічні часи, що від нас на сотні мільйонів років, відбувалися вулканічні виверження; лави остигали в магнітному полі Землі, і при цьому вони намагнічувалися в напрямку земного магнітного поля, що існувало тоді. Якщо з тих пір породи не піддавалися серйозним дислокаціям і зсувам, то, вибираючи шматки цих порід та вимірюючи напрямок залишкової намагніченості, можна з'ясувати, як було спрямоване геомагнітне поле в епоху остигання лав. Виявилося також, що осадові породи, включаючи крупинки раніше намагнічених феромагнітних гірських порід, при осадженні їх у водоймищах закріплювали в собі напрямок геомагнітного поля, яке існувало під час утворення порід. Дослідження гірських порід, що дозволяють визначити, як було направлено геомагнітне поле у віддалені геологічні епохи, називаються палеомагнітними. Протягом останніх років виконано великий цикл таких робіт. В результаті вчені дійшли висновку, що земне поле у всі геологічні епохи мало таку ж будову, як і в даний час, тобто воно було полем намагніченої кулі з двома полюсами (дипольним); однак у різні часи ці полюси змінювали своє місце на Землі; наприклад, у докембрійські часи північний магнітний полюс переміщався з північного заходу на схід і далі в південно-східному напрямку.
Магнітне поле Землі – це освіта, що породжується джерелами всередині планети. Воно є об'єктом вивчення відповідного розділу геофізики. Далі розглянемо докладніше, що являє собою магнітне поле Землі, як воно утворюється.
Загальна інформація
Неподалік поверхні Землі, приблизно з відривом трьох її радіусів, силові лінії від магнітного поля розташовуються за системою "двох полярних зарядів". Тут знаходиться область, звана "плазмовою сферою". З віддаленням від поверхні планети наростає вплив потоку іонізованих частинок із сонячної корони. Це веде до стиску магнітосфери з боку Сонця, і навпаки, магнітне поле Землі витягується зі зворотного, тіньового боку.
Плазмова сфера
Відчутна дія на поверхневе магнітне поле Землі надає спрямований рух заряджених частинок у верхніх шарах атмосфери (іоносфери). Місце розташування останньої - від ста кілометрів і від поверхні планети. Магнітне поле Землі утримує плазмосферу. Однак її структура залежить від активності сонячного вітру і взаємодії його з утримуючим шаром. І частота магнітних бур на нашій планеті обумовлена спалахами на Сонці.
Термінологія
Існує поняття "магнітна вісь Землі". Це пряма, яка проходить через відповідні полюси планети. "Магнітним екватором" називається велике коло площини, перпендикулярне цій осі. Вектор на ній має наближений до горизонтального напрямок. Усереднена напруженість магнітного поля Землі значно залежить від географічного розташування. Приблизно вона дорівнює 05 Е, тобто 40 А/м. На магнітному екваторі цей показник дорівнює приблизно 0,34 Е, а поблизу полюсів він близький до 0,66 Е. У деяких аномаліях планети, наприклад, в межах Курської аномалії, показник збільшений і становить 2 Е. Силові лінії магнітосфери Землі зі складною будовою , спроектовані на її поверхню і схожі на її ж полюсах, звуться "магнітних меридіанів".
природа виникнення. Припущення та припущення
Нещодавно отримало право на припущення про зв'язок виникнення магнітосфери Землі з течією струму в рідкометалевому ядрі, що знаходиться на відстані чверті-третини радіусу нашої планети. У вчених є припущення і про так звані "телуричні струми", що протікають поблизу земної кори. Слід сказати, що з часом відбувається трансформація формування. Магнітне поле Землі неодноразово змінювалося останні сто вісімдесят років. Це зафіксовано в океанічній корі, і це засвідчують дослідження залишкової намагніченості. Шляхом зіставлення ділянок з обох боків хребтів океану визначають час розбіжності цих ділянок.
Зсув магнітних полюсів Землі
Розташування цих ділянок планети є непостійним. Реєструється факт їх зміщень вже з кінця ХІХ століття. У Південній півкулі магнітний полюс змістився за цей час на 900 км і опинився в акваторії Індійського океану. У Північній частині відбуваються аналогічні процеси. Тут полюс зміщується у напрямку магнітної аномалії в Східному Сибіру. З 1973 по 1994 роки відстань, на яку зрушив тут ділянку, становила 270 км. Ці попередньо розраховані дані підтвердилися пізніше замірами. За останніми даними, швидкість руху магнітного полюса Північної півкулі значно збільшилася. Вона виросла з 10 км/рік у сімдесятих роках минулого століття до 60 км/рік на початку нинішнього. У цьому напруженість у земного магнітного поля нерівномірно зменшується. Так, за останні 22 роки вона в окремих місцях знизилася на 1.7%, а десь на 10%, хоча є й ділянки, де вона навпаки зросла. Прискорення у зміщенні магнітних полюсів (приблизно на 3 км на рік) дає привід припустити, що їхнє переміщення не є екскурс, це чергова інверсія.
Це опосередковано підтверджується і збільшенням про " полярних щілин " Півдні і півночі магнітосфери. У розширення, що утворилися, стрімко проникає іонізований матеріал сонячної корони і космосу. Від цього в приполярних областях Землі збирається все більше енергії, що саме по собі чревато додатковим розігрівом полярних крижаних шапок.
Координати
У науці, що вивчає космічні промені, використовують координати геомагнітного поля, названі на честь вченого Мак-Ілвайна. Він першим запропонував використовувати їх, оскільки вони ґрунтуються на змінених варіантах активності заряджених елементів у магнітному полі. Для точки використовуються дві координати (L, B). Вони характеризують магнітну оболонку (параметр Мак-Ілвайна) та індукцію поля L. Останній - параметр, що дорівнює співвідношенню середнього віддалення сфери від центру планети до його радіусу.
"Магнітний спосіб"
Декілька тисячоліть тому китайці зробили дивовижне відкриття. Вони з'ясували, що намагнічені предмети здатні розташовуватися у певному напрямку. А в середині шістнадцятого століття Георг Картманн – німецький учений – зробив чергове відкриття у цій галузі. Так виникло поняття "магнітний спосіб". Під цією назвою мається на увазі кут відхилення стрілки вгору або вниз від горизонтальної поверхні під впливом магнітосфери планети.
З історії досліджень
В області північного магнітного екватора, відмінного від географічного, північний кінець відходить вниз, а в південному, навпаки, – вгору. В 1600 англійським лікарем Вільямом Гільбертом вперше були зроблені припущення про наявність магнітного поля Землі, що викликає певну поведінку предметів, попередньо намагнічених. У своїй книзі він описав досвід із кулею, забезпеченою залізною стрілкою. В результаті досліджень він дійшов висновку про те, що Земля є великим магнітом. Експерименти проводив і англійський астроном Генрі Геллібрант. В результаті своїх спостережень він дійшов висновку про те, що магнітне поле Землі схильне до повільних змін.
Хосе де Акост описав можливість використання компаса. Він також встановив, чим відрізняються Магнітний та Північний полюси, а в його знаменитій Історії (1590) була обґрунтована теорія про лінії без магнітного відхилення. Значний внесок у вивчення питання вніс і Христофор Колумб. Йому належить відкриття мінливості магнітного відмінювання. Трансформації поставлені у залежність від зміни географічних координат. Магнітне відмінювання - це кут відхилення стрілки від напрямку Північ-Південь. У зв'язку із відкриттям Колумба активізувалося дослідження. Відомості про те, що являє собою магнітне поле Землі, вкрай необхідні були мореплавцям. Працював над цією проблемою і М. В. Ломоносов. Він вивчення земного магнетизму рекомендував вести системні спостереження, використовуючи при цьому постійні пункти (подоба обсерваторій). Також дуже важливо було, на думку Ломоносова, здійснювати і на море. Ця думка великого вченого була реалізована в Росії через шістдесят років. Відкриття Магнітного полюса на Канадському архіпелазі належить полярному досліднику англійцю Джону Россу (1831). А в 1841 він відкрив інший полюс планети, але вже в Антарктиді. Гіпотезу про походження магнітного поля Землі висунув Карл Гаус. Незабаром він довів, що більшість його живиться з джерела всередині планети, але причина його незначних відхилень перебуває у зовнішньому середовищі.
Як правило, саме звичайні явища і говорять про глибинні таємниці та загадки природи. Одним із найяскравіших прикладів є тяжіння Землі. На перший погляд, звична справа, коли предмети падають на землю. Але знадобився геній Ейнштейна, щоб пояснити гравітацію викривленням простору та часу. Те саме можна сказати і про магнітне поле Землі, розмова про яке піде нижче.
Хто винайшов компас?
Освічені жителі Європи знали про магнітні властивості деяких речовин та предметів ще з античних часів. Римський історик Пліній Старший розповідав про якогось пастуха, який жив на Криті. Той підбив залізом свої сандалі, і до них стали прилипати дрібні чорні камінці, що валялися на схилах Ідо. Ім'я пастуха було Магніс, від нього виникло слово " магніт".
У той же час китайці користувалися магнітами, які називали чу-ши, що у перекладі означало " люблячі камінь " . Жителі Піднебесної винайшли компас на тисячу років раніше за європейців. Це була смужка намагніченого заліза, закріплена на шматку пробки, що плавала у воді. Ним користувалися купці, що ганяли каравани пустелею.
Вигадали китайці і більш витончені навігаційні прилади. Це компас лопань, що дійшов до наших днів На ньому, на відміну від європейського, є багато кілець. Називаються вони тсен або шари та розділені на 24 сектори, по 15 градусів кожен.
Цей компас взяли на озброєння послідовники системи фен-шуй. Вона враховується під час будівництва будинків та облаштування внутрішніх приміщень. За допомогою ієрогліфів, які нанесені на сектори кілець, визначаються сприятливі та негативні напрямки у приміщеннях.
А ось у Європі честь винаходи компасу надали собі італійці. Нібито на початку XIV століття у приморському місті Амальфі жив майстер Флавіо Джойя. Він був закоханий у дочку багатого Доменіко, який жив у цьому ж місті. Той хотів видати свою кохану та гарну доньку за забезпеченого судновласника, а бідний майстер заважав його планам.
І тоді хитрий і підступний Доменіко поставив, як йому здавалося, нездійсненне завдання перед закоханим Флавіо. Він сказав, що чоловік його дочки повинен досконало володіти лоцманським мистецтвом і зажадав провести човен уночі в тумані з одного рибальського села до іншого. Майстер Джойя взяв голку, зроблену з магнітного залізняку, і, звіряючи дорогою, блискуче впорався із завданням.
Італійці поставили пам'ятник Флавіо. Майстер стоїть на вершині невеликої скелі у просторій накидці за модою XIV століття. У лівій руці він тримає компас і звіряє по ньому напрямок.
Пам'ятник подобається всім, окрім німців. Ті вважають, що компас винайшли давні тевтони. У цьому твердженні є частка істини, оскільки слово "компас" походить з німецької мови, а чи не з італійської.
Одна справа винайти компас, а інша справа пояснити, чому його стрілка постійно вказує на північ. Певну ясність це питання вніс у XVI столітті придворний лікар Єлизавети I Вільям Гільберт. Крім медицини, він захоплювався багатьма іншими питаннями і, прочитавши все, що відомо про магніти, зайнявся власними дослідами. У 1601 році побачив світ його наукова праця під назвою "Про магніт, магнітні тіла і великий магніт - Землю". Автор висловив здогад, що блакитна планета є величезним магнітом, а його вісь проходить через полюси.
Гільберт навіть зробив мініатюрну модель Землі. Він намагнітив сталеву кулю і назвав її Тереллою, тобто маленькою Землею. Коли до поверхні цієї кулі підносили магнітну стрілку, вона своїм вістрям завжди вказувала на полюси. Після цього Гільберта стали вважати основоположником науки про магнітні властивості нашої планети.
Згодом стало ясно, що стрілка компаса завжди прагне зайняти положення вздовж магнітних силових ліній Землі. А ті віялоподібно розходяться з одного полюса і знову сходяться в іншому полюсі.
Однак після цього відкриття відразу ж постало питання: чому Земля є магнітом? Магнетит, що є магнітною породою, становить незначну частину земної кори. Інші породи, за рідкісним винятком, яскраво вираженими магнітними властивостями не мають.
Ядро Землі та магнітні властивості
Донедавна превалювала гіпотеза, що магнітні властивості планети обумовлені її рідким залізо-нікелевим ядром. Але чомусь воно породжує магнетизм - залишалося незрозумілим. У XX столітті було встановлено, що лава, що остигає, відбиває в собі напрямок і силу магнітного поля Землі. Було досліджено тисячі зразків лави та визначено їх вік. Внаслідок цього фахівці дійшли висновку, що в історії планети траплялися періоди, коли інтенсивність магнітного поля різко падала.
У гіпотезі про ядру був ще один істотний недолік. Як відомо, магнітне поле Землі дуже чуйно реагує на сонячну активність. Тут маються на увазі спалахи на Сонці, які породжують магнітні бурі. Багато людей виявляють до них підвищену чутливість.
Звідси напрошується висновок: якби джерело земного магнетизму знаходилося в ядрі планети, то навряд чи сонячна активність могла б на нього суттєво впливати. І ще один цікавий факт. У таких космічних тіл, як Місяць, Венера, Марс ядра є, а магнітного поля практично немає. І як це пояснити?
Ефект геомагнетизму та водно-повітряний
океан Землі
Нещодавно в науковому світі з'явилася нова гіпотеза, яка намагається пояснити існування у блакитної планети сильного магнітного поля. Вона говорить, що найважливішу роль формуванні геомагнетизму грає водно-повітряний океан планети.
Під впливом сонячної енергії із блакитної планети за добу випаровується 1 трильйон кубометрів води. При цьому краплі води електризуються і набувають позитивного заряду. А негативний заряд іде у земну твердь. На тих місцях планети, де панує ніч, спостерігається конденсація рідини.
Повітряне середовище є непостійним, тобто весь час перебуває в русі. Внаслідок цього і в атмосфері, і в земній корі виникають потоки іонів. Це і є причиною магнетизму. А річ тут у тому, що магнітне поле створюється тоді, коли електропровідний матеріал оточує змінне або електричне поле, що обертається. Як таке поле виступає повітряне середовище, що містить у собі різні заряди.
Ця гіпотеза чудово пояснює, чому планети, на яких немає атмосфери і океанів, не мають магнітного поля. Також зрозуміло, чому спалахи на Сонці суттєво впливають на земний магнетизм. Можна також пояснити, чому в геологічній історії блакитної планети відбувалася різка зміна магнітного поля.
Це, швидше за все, було з катастрофами, викликаними падінням великих метеоритів. При цьому глобально змінювалися прозорість атмосфери та рівень випаровування води. Все це у комплексі і впливало на магнітне поле Землі.
Висновок
Багато екологи вважають, що нинішня діяльність людської цивілізації починає негативно впливати на стан атмосфери блакитної планети. Це може позначитися і силі магнітного поля. Адже воно захищає Землю від згубного сонячного вітру. Тож людям є про що подумати і, поки не пізно, вжити відповідних заходів.
Статтею написав Максим Шипунов
МАГНЕТИЗМ ПОТРІБНА ЛЮДИНІУявіть, що залізо, нікель та інші матеріали несподівано втратили свої магнітні властивості. Зупинилися б усі фабрики та заводи, згасло б електричне освітлення; телеграф, телефон та радіо перестали б діяти; зупинилися б трамваї, тролейбуси та електропоїзди. На кораблях і літаках компаси вийшли б з ладу і т. д. Сталася б страшна катастрофа, бо буквально вся техніка використовує магнітні матеріали. Вони необхідні при виготовленні найважливіших машин та приладів; їх роблять статори і сердечники гігантських динамомашин і трансформаторів, виготовляють дрібні деталі складних приладів, що застосовуються у військовій справі, в лабораторіях і заводах. Ось яке величезне значення у житті грає магніт. ЩО ЗНАЛИ В СТАРОВИНУ ПРО МАГНЕТИЗМ?Дивовижна здатність магніту притягувати залізо була відома ще в давнину. Індуські лікарі дві з половиною тисячі років тому рекомендували користуватися магнітом для витягування залізних наконечників стріл, що встромилися в тіло. Але ні римляни, ні греки, ні єгиптяни, ні індуси не знали, що магніт може бути вказівником півдня та півночі і служити як компас. Це відкриття було зроблено китайцями. У якому столітті китайці почали скористатися компасом, сказати важко. Але принаймні за 200 років до нашої ери в знаменитому китайському словнику "Шо-вень" слово "магніт" було пояснено так: "Магніт-камінь, який може дати напрямок". У Європу компас привезли араби. Вони запозичували його в китайців і в ІХ столітті почали ним користуватися для мореплавства. У європейських книгах у XII столітті компас вперше описується так: "Шматок магнітної руди на поплавці". Але жодних теорій, що пояснюють властивості магніту, не існувало на початок ХІХ століття. Якщо, звичайно, не брати до уваги таких пояснень, які пропонувалися, наприклад, давньогрецькими філософами - Фалесом Мілетським і Платоном. Фалес вважав, що у магніті є «душа», від якої походить тяжіння. У той час думали, що тільки одухотворені предмети можуть приводити в рух ті, що оточують їх. Платон наділяв магніт «божественною силою», яка породжує тяжіння. Чудовий римський поет Лукрецій Кар у своїй книзі «Про природу речей», написану 2100 років тому, намагався пояснити всі явища природи, у тому числі й магнетизм, «витіканням» з тіл матеріальних частинок, що летять на всі боки. Не тільки в давнину, а й у середні віки висловлювалися абсолютно фантастичні думки з приводу властивостей магніту. Автор одного із середньовічних трактатів про магнетизм пише: «Магніт любить червоний колір і обернутий у червону фланель він краще зберігає силу, ніж без такого одязі», «Магніт не любить часнику та цибулі», «Труна Магомета магнітною силою тримається в повітрі» і т.д. д.
Намагнічений брусок має два магнітні полюси - північний та південний. Магнітне поле такого бруска є дипольним, тобто полем із двома полюсами ("ді" означає два). Форму його можна побачити за допомогою залізної тирси. Силові лінії цього поля проходять так, як орієнтується тирса. Кожна тирса є стрілкою компаса. Вона орієнтується вздовж магнітного поля, щодо дотичної силової лінії магнітного поля.Земля також намагнічена. Вона має своє магнітне поле із двома полюсами, навколо глобуса можна створити таке магнітне поле, якщо всередину полюса помістити намагнічений брусок. Але як? Спочатку його треба розмістити вздовж осі обертання Землі. Половина бруска у північній півкулі, а інша половина у південній.
Південний магнітний полюс треба направити до північного географічного полюса. Тоді північний магнітний полюс бруска співпадатиме з південним географічним полюсом.
Після цього треба відхилити брусок від осі обертання Землі на 11°. Потрібно відхилити його так, щоб він своїм південним магнітним полюсом упирався в місто Тулі (Гренландія). Тоді магнітне поле бруска, прив'язане таким чином до Землі, буде схоже на магнітне поле Землі.
Магнітне поле земного диполя однакове з усіх боків: з денною, нічною, ранковою та вечірньою. Воно залежить від становища Сонця. Над магнітним екватором воно проходить горизонтально. Над магнітними полюсами силові лінії магнітного поля Землі спрямовані вертикально. Вважають, що магнітне поле направлено від північного магнітного полюса до південного. Отже, силові лінії магнітного поля Землі спрямовані у південній півкулі знизу вгору, а північному- зверху вниз. Силові лінії, що виходять із північного магнітного полюса (у південній півкулі), входять у південний магнітний полюс у північній півкулі.
Щоб не було плутанини через те, що північний магнітний полюс знаходиться в південній півкулі, а південний - у північній, домовилися називати магнітний полюс у північній півкулі північним геомагнітним полюсом. Стрілка компаса повертається північ своїм північним магнітним полюсом. Це відбувається тому, що на півночі знаходиться південний магнітний полюс. Ми дотримуватимемося термінології, прийнятої вченими. Вважатимемо, що північний геомагнітний полюс знаходиться в північній півкулі (поблизу Тулі). Але пам'ятатимемо, що там насправді південний магнітний полюс. Від цього залежить напрямок силових ліній магнітного поля.
Чи є магнітне поле Землі полем диполя? У принципі так, а в деталях – ні. Ці деталі дуже важливі. Їх вдалося встановити лише порівняно недавно, коли космічні апарати дозволили вимірювати магнітне поле далеко поза Землі. Ці виміри дозволили встановити, яка насправді форма магнітного поля Землі у деталях.
Виявилося, що магнітне поле Землі з боку Сонця не таке, як із протилежного (нічного) боку.
В області, що примикає до Землі, магнітне поле є дипольним і залежить від становища і навіть наявності Сонця. У більш віддаленої від Землі області, на відстанях, більших за три радіуси Землі, відмінність у магнітних полях дуже істотна. Воно полягає у наступному.
Магнітне поле диполя характеризується "воронками" над магнітними полями. У реального магнітного поля Землі ці воронки перебувають над магнітними полюсами, а зміщуються убік екватора приблизно 1000 км від полюсів. Крім того, форма магнітних силових ліній на денній стороні дуже відрізняється від такої на нічній стороні. Оскільки це залежить від положення Сонця, то саме Сонце "винне" у цій відмінності. Як зрозуміти суть цього впливу-впливу Сонця на форму магнітного поля Землі?
Сонячний вітер та магнітосфера Землі
Як Сонце може вплинути на магнітне поле Землі? Цілком очевидно, що воно не може діяти на магнітне поле своїм тяжінням. Не може діяти на магнітне поле та сонячне світло, а також рентгенівське, інфрачервоне та гамма-випромінювання. Те саме стосується і радіохвиль, які випромінює Сонце. Вони теж мають бути виключені з тих чинників, яких залежить форма магнітного поля Землі. Що ж лишається? Заряджені частинки, які викидаються з атмосфери Сонця та йдуть у міжпланетний простір. Ми вже говорили про ці частинки. Вони мають різні енергії, а значить і різні швидкості. Заряджені частинки з невеликими швидкостями, які безперервно виходять із Сонця у всі країни, називають сонячним вітром. Потоки високоенергійних заряджених частинок викидаються із сонячної атмосфери іноді. Вони мають великі швидкості і досягають Землі швидше частинок сонячного вітру.
Можна вважати, що агент, який визначає форму магнітного поля Землі, а точніше, деформацію магнітного диполя Землі, знайдено. Це сонячні заряджені частки. Залишається з'ясувати, як заряджені частки роблять. Щоб у цьому розібратися, треба згадати, як заряджені частинки взаємодіють із магнітним полем.
Якщо заряджена частка рухається в магнітне поле, її рух залежить від цього поля. Винятком є лише один випадок – коли заряджена частка рухається строго вздовж силової лінії магнітного поля. У цьому випадку заряджена частка не відчуває наявності магнітного поля, вона рухається так, ніби магнітного поля взагалі немає. Якщо заряджена частка рухається упоперек магнітного поля, то траєкторія змінюється: замість прямої лінії до входження в полі вона стає коло. Чим сильніше магнітне поле, тим менше це коло (у тієї ж частки). Але з іншого боку, що більше енергія частки, тим важче магнітному полю зігнути її траєкторію в маленьке коло.
Є певна умова балансу. Для того, щоб змінити траєкторію заряджених частинок з певною енергією, магнітне поле має мати певну величину і бути спрямоване перпендикулярно до руху частинок. Якщо ця умова виконується, то заряджені частинки починають обертатися довкола силових ліній. Швидкість їх обертання та радіуси кіл, якими вони обертаються, залежать від величини магнітного поля та енергії частинок. Позитивно заряджені частинки обертаються однією сторону, а негативно заряджені- в протилежну. Сонячні заряджені частинки підходять до магнітного поля Землі під різними кутами: і поздовжньо, і перпендикулярно, і косо. Ті з частинок, що підходять вздовж силових ліній (над магнітними полюсами), повинні безперешкодно проникати всередину магнітної оболонки Землі (магнітосфери). Ті частки, які підходять до силових ліній перпендикулярно, далеко вглиб магнітосфери не пройдуть. Їхні траєкторії закручуються навколо силової лінії магнітного поля. Що ж буде з частинками, що косо падають на магнітне поле? Це особливо важливо знати, що таких частинок більшість.
Коли заряджена частка рухається під деяким кутом (але не прямим) до силової лінії магнітного поля, це рух можна розкласти на два: вздовж поля і поперек нього. Власне, в даному випадку ми вектор швидкості частинки розкладаємо на складові вздовж магнітного поля і поперек нього. Рух такої частки магнітному полі стане рухом по спіралі. Частка обертатиметься навколо силової лінії і одночасно зміщуватиметься вздовж силової лінії. Траєкторія частинки матиме форму спіралі.
Радіус цієї спіралі та її крок будуть незмінними в тому випадку, якщо залишатимуться незмінними енергія частинки та форма та напруженість магнітного поля. Це означає, що силові лінії магнітного поля мають бути прямими, відстань між якими незмінна у напрямку руху частки. Це умова однорідності магнітного поля. Але цей випадок однорідного магнітного поля нам мало цікавий. Адже магнітне поле Землі неоднорідне. Як у цьому випадку рухатимуться частки?
Якщо силові лінії магнітного поля сходяться, тобто частка, рухаючись по спіралі, просувається у дедалі сильніше магнітне поле, то її просування у цьому полі поступово уповільнюється. Магнітне поле протидіє просуванню частки. Воно безперешкодно пропускає частинку всередину лише у тому випадку, якщо вона рухається строго вздовж силової лінії магнітного поля. Рухаючись по спіралі у бік сильнішого магнітного поля, заряджена частка якоюсь відстані перестає заглиблюватися. Після цього моменту вона поступово (теж по спіралі) рухається у протилежний бік. Магнітне поле виштовхує заряджену частинку у бік слабкішого поля.
Магнітне поле Землі неоднорідне. Це видно формою силових ліній. У міру руху від екватора до полюсів вздовж силових ліній видно, що вони згущуються дедалі більше. Це означає, що магнітне поле зростає. У такому магнітному полі, яке збільшується в обох напрямках від екватора, заряджена частка виявляється пійманою, захопленою. Повертаючись по спіралях, заряджені частинки рухаються у такому полі послідовно, відбиваючись від сильнішого поля поперемінно то південному, то північній півкулі. При цьому заряджені частинки знаходяться вище за земну атмосферу. Такі заряджені частки справді були виміряні у магнітосфері Землі. Їх назвали поясами радіації.
Як деформується магнітне поле Землі сонячними частинками? Оскільки заряджені частинки взаємодіють з магнітним полем, вони можуть це поле деформувати. Потік заряджених частинок, що пролітає від Сонця, взаємодіє із зовнішніми силовими лініями магнітосфери Землі. Кінці силових ліній залишаються колишньому місці, у Землі. А самі лінії "вивертаються" і витягуються потоком заряджених частинок на нічний бік. Вони прикривають магнітні полюси, і вирви над полюсами зникають. Натомість утворюються нові вирви на полуденному меридіані. Нові вирви віддалені від полюсів приблизно на 1000 км.
Дуже важливо, що ці вирви можуть зміщуватися. Чим сильніша енергія сонячного потоку заряджених частинок, тим більше силових ліній він вивертає з денного боку на нічний. Тим більше вирва віддаляється від полюса.
Під дією сонячних заряджених частинок з денного боку магнітосфера Землі обмежена певною відстанню від Землі. Коли Сонце спокійне, ця відстань дорівнює приблизно десяти земним радіусам. Під час сонячних бур потік сонячних частинок посилюється і підтискає магнітосферу із сонячного боку ближче до Землі. У цей час вирви зміщуються ще далі від полюса. За дуже сильних сонячних бурях магнітосфера на денній стороні може бути стиснута до трьох земних радіусів. Тоді вирви зміщуються від полюса.
Під дією сонячних заряджених часток змінюється як положення воронок, які в диполя перебувають над полюсами.
Вирви не тільки зміщуються у напрямку екватора. Вони змінюють свою форму. Кожна вирва при цьому перетворюється на сплюснуту вирву-щілину, у формі підкови. Вона охоплює певну область на денному боці магнітосфери.
Нічна частина магнітосфери мало схожа на денну. Якщо на денній стороні магнітне поле Землі простягається максимум на відстань у десять земних радіусів, то на нічному боці воно є на великій відстані, що дорівнює ста радіусам Землі і більше. Силові лінії магнітного поля Землі витягуються у бік руху сонячних частинок, тобто від Землі. Так утворюється шлейф силових ліній магнітосфери Землі. Фахівці називають хвостом магнітосфери.
Заряджені частинки безперешкодно рухаються вздовж силових ліній магнітного поля. Це означає, що сонячні заряджені частинки через вирви на денній стороні можуть проникати крізь магнітосферу до Землі, до її атмосфери. Але всередині магнітосфери є заряджені частинки, які там захоплені. У хвості магнітосфери також є заряджені частинки. Вони рухаються вздовж силових ліній магнітного поля. Куди вони попадуть? Можна простежити, що вони потраплять до Арктики та Антарктики.
Якщо простежити за шляхом заряджених частинок на денній і нічній сторонах магнітосфери, то виявиться, що вони приходять якраз у кільце (овал), яке світиться полярним сяйвом. Це що, випадковість чи закономірність?
