Магнитосфера Земли и динамика ее магнитных полюсов

Главная > Естественные науки > Науки о Земле > Науки о геосфере > Геофизика > Магнитосфера Земли


"На стыке геологии и квантовой механики может появиться квантовая геофизика. Именно она, может быть, объяснит природу магнитного поля Земли, ибо постоянный магнетизм это чисто квантовое явление. (Марат Аминов)

Инверсии геомагнитного поля за последние 4,5 миллиона лет

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.

Недавно было подтверждено существование мощного магнитного поля Земли уже 4,2 миллиарда лет назад, в древнейшую геологическую эпоху — Катархей. Это стало известно благодаря детальному изучению древних вкраплений кристаллов циркона, обнаруженных в недрах гряды Джек Хиллс в Австралии [в области одного из древнейших кратонов?]. До этого исследования считалось, что магнитное поле не могло существовать в период древнее 3,4 миллиарда лет назад.

Напряженность современного магнитного поля составляет около 0,1 А/м, и считается, что в геологическом прошлом величина напряженности могла колебаться, но максимум на порядок величин. Геомагнитное поле Земли за последние 2,0 - 2,5 млрд. лет (это больше половины ее геологической истории) принципиально не изменялось.

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 как 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.

Данные пояса делятся на две области: внешние и внутренние пояса. Первые расположены на высоте около 17000 км от поверхности Земли и состоят в основном из отрицательно заряженных элементарных частиц (электронов). Вторые находятся в 4000 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).

Магнитосфера Земли резко асимметрична. Она "сжата" в направлении от Земли к Солнцу, и вытянута в противоположном направлении. В направлении Солнца она простирается на 14 земных радиусов. Из них регулярное магнитное поле - на 10, далее - хаотичное, что обусловлено взаимодействием с "солнечным ветром". Поле в целом дипольное (то есть, имеются два полюса – северный и южный), но есть и недипольная составляющая, и наложенные внешние. Их изменения вызывают колебания напряженности поля и его ориентировки (положения магнитных полюсов).

Изучение истории магнитного поля Земли геологическими методами показало, что время от времени магнитные полюса менялись местами. Это явление получило название инверсий магнитного поля. Следует особо подчеркнуть, что речь идёт о смене положения только магнитных полюсов. Нет абсолютно никаких данных, которые свидетельствовали бы о смене положения полюсов вращения (то есть географических). Поэтому встречающиеся иногда в негеологической литературе различного рода высказвания о том, что это сама планета, по мнению геологов, «переворачивалась», являются недоразумением.

Как уже сказано, магнитное поле имеется не у всех планет. Следовательно, природа земного магнетизма нуждается в особом объяснении. Современные модели объясняют возникновение магнитного поля Земли на основе "теории динамо" - вихревых токов в ионизированной жидкой среде, возникающих в недрах вращающегося планетного тела.

Следовательно, для формирования у планеты магнитного поля нужны два условия:

1) наличие во внутренних частях оболочек со свойствами жидкости;
2) достаточно высокая скорость вращения вокруг своей оси. На нашей планете оба эти условия имеются.

В рамках модели «динамо» находят своё объяснение и инверсии – их проявление геофизики связывают со сменой ориентировки вихревых токов в земном ядре. По их предположениям, магнитное поле у Земли в момент инверсии не исчезает полностью, а распадается на недипольные составляющие, после чего «собирается» в новую дипольную систему.

Разделы страницы о геомагнитосфере и инверсиях геомагнитных полюсов:


Движение магнитных полюсов Земного шара

Вращающееся внутреннее ядро - динамомашина, которая определяет положение северного и южного магнитного полюсов.

Перемещение северного магнитного полюса Земли Движение северного магнитного полюса Земли

Северный магнитный полюс Земли впервые открыл Джеймс Кларк Росс еще в 1830-х годах. В то время полюс располагался над нынешней территорией Нунавут в Канаде. Полюс располагался под паковыми льдами в границах нынешней канадской Арктики ещё с начала XVII века. Это приводило к тому, что стрелка компаса показывала на север не точно, а лишь приблизительно. С тех пор ученые постоянно отслеживают его движение, и до недавнего времени скорость его перемещения была небольшой. Каждый день полюс движется по эллиптической траектории, и, кроме того, смещается в северном и северо-западном направлении. Но затем, в 1990-е годы, полюс начал двигаться быстрее, направляясь из Канады в Сибирь. В 2005 году северный магнитный полюс имел координаты 82° 07' с.ш. 114° 04' з.д.

Скорость смещения всё время меняется, поэтому любые его координаты являются временными и неточными. Со второй половины ХХ века полюс довольно быстро движется в сторону Таймыра. В 2009 году скорость движения северного полюса составляла 64 километра в год. Сейчас он движется со скоростью около 10 км в год.

Движение  геомагнитных полюсов Перемещение южного магнитного полюса Земли

Согласно математической модели IGRF, в 2007 году географические координаты Южного магнитного полюса 64°30' ю.ш., 137°42' в.д., он находится в антарктическом море Д'Юрвиля. Когда же люди впервые достигли Южного магнитного полюса, его координаты были 72°25' ю.ш., 155°16' в.д. и он находился на суше, в глубине Антарктиды.

Колебания геомагнитного поля, их причины и 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).

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.

Кроме того, есть предположение, что короткопериодические изменения зависят не от ядра, а от движения воды Мирового океана. Ионы растворенных в воде солей являются переносчиками электрического заряда, соответственно, их движение приводит к образованию магнитного поля и может влиять на конфигурацию магнитосферы.

Имеются также короткопериодические (от нескольких минут до нескольких часов) колебания МПЗ, совпадающие с гармоникамии собственных колебаний Земного шара (54 минуты), и возникающими до или после землетрясений.

Инверсии магнитного поля Земли (смена полюсов, геомагнитный разворот)

Существование магнитного поля Земли является одним из важнейших условий возникновения и существования жизни. Оно экранирует Землю от смертоносных космических лучей, от «солнечного ветра», обеспечивает сохранение атмосферы. Эволюция организмов происходила на поверхности Земли в пространстве геомагнитного поля.

Состояние поля подвержено изменениям – колебаниям напряженности, перемещениям полюсов, которые фиксируются остаточной намагниченностью минералов в осадках океанов, морей, озер, в лессовых толщах, в лавовых потоках. Полюса перемещаются, вплоть до смены знака на противоположный (инверсии), когда образуются

  1. относительно продолжительные интервалы преимущественно прямой (современной) или обратной полярности (хроны, субхроны)
  2. и кратковременные (обычно 5-10 тыс. лет) отклонения магнитных полюсов от географических на угол больше 40° определяются как экскурсы
  3. .

Полагают, что во время инверсий и экскурсов происходит существенное уменьшение средней интенсивности дипольного поля до ~25% обычного значения. Инверсии включают в себя до десятка и более состояний той или иной полярности поля и промежуточных состояний, когда дипольное поле и магнитные полюса отсутствуют. (М.С.Бараш, Эволюция морской биоты и изменение геомагнитного поля)

Средняя периодичность инверсий геомагнитного поля

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, Только за последние 160 миллионов лет это происходило около 100 раз [т.е., в среднем - 1 раз за 1,6 млн лет]. Сами инверсии длятся от 1200 до 10000 лет.

Положение полюсов и то, куда указывает стрелка компаса, не является постоянным для нашей планеты. Периодически, примерно раз в 450 тысяч или миллион лет, северный и южный полюса Земли меняются местами [в см. надолго], а еще чаще происходят временные перевороты магнитной оси. Следы этих процессов ученые часто находят в древних глинах и в отложениях вулканических пород.

Недавно ученые обнаружили, что после последнего временного сдвига оси, что произошло около 40 тысяч лет назад, северная стрелка компаса несколько тысяч лет указывала на современный южный полюс. Кроме того, примерно 780 тысяч лет назад полюса постоянно были направлены в эти стороны, а впоследствии их положение резко поменялось (см. секцию ниже).

Последние события в динамике и силе геомагнитного поля

Инверсия около 780 тысяч лет назад

Последняя достоверная инверсия геомагнитного поля случилась 780 тысяч лет назад [по новейшим оценкам - 785 000]. Её длительность составила от 1 200 до 10 000 лет в зависимости от географического положения изученных пород с остаточной намагниченностью. В то время в недрах Земли существовало не два, а множество слабых очагов магнитной активности, возникавших и исчезавших каждые несколько тысяч лет. Ситуация нормализовалась лишь примерно через 22 тысячи лет, когда полюса окончательно поменялись местами и приобрели свой текущий вид.

Инверсия около 40 тысяч лет назад (события Лашампа и Адамса)

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 60-х 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 4 раза).

Около 41 тыс. лет назад произошло событие Лашамп - смещение полюсов Земли, которое продлилось почти 800 лет и повлекло за собой множественные изменения флоры и фауны. Кроме этого, с помощью анализа годовых колец исследователи смогли датировать всплеск уровня радиоуглерода в атмосфере, который предшествовал событию Лашамп и произошел около 42 тыс. лет назад. Обнаруженные изменения исследователи назвали событием Адамса («переходным геомагнитным событием Адамса»). Этот драматический момент в истории нашей планеты, связанный с электрическими бурями, широко распространенными полярными сияниями и космической радиацией, был вызван смещением магнитных полюсов (они полностью поменялись местами) и изменением солнечных ветров.

Что же касается 40000 лет назад, то в это время (и еще несколько тысячелетий после) взрывались крупные европейские вулканы.

Ослабление геомагнетизма в последние столетия

К слову сказать, 2500 лет назад магнитное поле Земли было в 2,5 раза сильнее нынешнего. За последние 200 лет магнитное поле Земли ослабело на 15%. Это может быть признаком либо смены полюсов, либо полного его исчезновения.

Влияние колебаний геомагнетизма на флору и фауну

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).

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). Пишут, что, якобы, не отмечено никакой корреляции между массовыми вымираниями земных видов и периодами инверсий геомагнитного поля [может, плохо искали?]. Однако, есть предположение, что, например, смена магнитных полюсов Земли вместе с падением солнечной активности 42 000 лет назад могли создать условия, которые, возможно, повлияли на исчезновение мегафауны и гибель неандертальцев.

Вадимир Голубев. ГЕОКОСМОС: Кн. 1. Природа Земли и жизни (выдержки)

Геодинамический мегацикл фанерозоя содержит две надпорядковые палеомагнитные эпохи: кембрийско–пермскую и триасово–четвертичную, причем инверсии учащаются с юрского периода, когда палеозойская фаза мегацикла сменяется мезозойской–кайнозойской фазой. В палеозое доминирует обратная полярность поля, а в мезозое и кайнозое — прямая (современная). Суммарная длительность эпох обратной полярности почти вдвое больше эпох прямой полярности, однако от палеозоя к мезозою и кайнозою доля эпох переменной полярности возрастает с 35 до 50 и 80 %.

Детальнее изучены геомагнитные инверсии мезозоя и кайнозоя, но и для всего фанерозоя неплохо опознаются изменения частоты инверсий с периодичностью 30–50, 75–100 и 170–230 млн лет. Стратиграфическая привязка периодов разноречива, но во всех вариантах они интерпретируются как тектонические циклы, а режим переменной и отчасти прямой полярности обычно соотносится с тектономагматической активизацией. Инверсии заметно учащены во второй половине кембрийского, в конце девонского, в юрском и в конце неогенового периодов, т. е. в начале каледонского, герцинского, альпийского и неотектонического [?] геодинамических [не геодинамических=суперконтинентальных, а тектонических] циклов. Учащение инверсий связано с изменениями геомагнитной напряженности, резко возросшей с начала мезозоя, а в позднем кайнозое спавшей, но оставшейся вдвое повышенной от уровня палеозоя.

Смена полярности геомагнитного поля длится в среднем 10–15 тыс. лет, а интервал между инверсиями колеблется от 3–5 до 20–30 млн лет в палеозое и до 0,5–1 млн лет — в мезозое и кайнозое. В позднем кайнозое (последние 4,5 млн лет) инверсии повторяются с периодичностью порядка 200 тыс. лет, что свидетельствует не только об экстремальной неотектонической дестабилизации поля. Короткопериодные инверсии, запечатленные в остаточной намагниченности вулканических пород, дают указание на ее приведение к единой полярности более глубокими длиннопериодными инверсиями в результате интенсивного вулканизма и перегрева ранее изверженных пород. В итоге в истории Земли остаются запечатленными главным образом инверсии высшего ранга.

Авторский анализ периодичности инверсий по палеомагнитным реперам (И.Гаршин)

Инверсии геомагнитного поля за последние 5 млн лет (с выявленным ритмом)

Попробуем выделить кратные интерывалы между кайнозойскими инверсиями на иллюстрации слева (за последние 5 миллионов лет):

Как теперь видим - определённые закономерности и периодичность, всё-таки, есть - и полный период (в этом, по-видимому, минимальном ранге) составляет 1,6 миллиона лет. Это, как раз, в точности соответствует статистике, что за последние 160 миллионов лет инверсий было около сотни.

Важнейшие палеомагнитные стратиграфические реперы за последние четверть миллиарда лет (кайнозой, мезозой и конец палеозоя):

Попробуем и здесь выделить кратные интерывалы между этими геомагнитными рэперами: 66-1=65; 125-66=59; 174-125=49; 266-174=92 - периодичяность (в этом макроранге) около 30 млн лет (19 предыдущих рангов). С такой периодичностью Солнце со своими планетами ныряют через плоскость Галактики.

Сетевые ресурсы о геомагнетизме и магнитосфере Земного шара

Обзоры о магнитосфере Земли

Новости о магнитодинамике Земли

Библиография о геомагнитном поле, его колебаниях и инверсиях

Труды по геомагнетизму на русском языке

Труды по геомагнетизму на русском языке


Главная
Геофизика : Геомагнетизм | Линеаменты | Нуклеары | Плюмы | Фотогеология | Правильные геоструктуры | Георегулярности (статья)
Близкие по теме страницы: Феномены Земного шара | Геозакономерности золота География | Карты
На правах рекламы (см. условия): [an error occurred while processing this directive]    


© «Сайт Игоря Гаршина», 2002, 2005. Автор и владелец - Игорь Константинович Гаршин (см. резюме). Пишите письма (Письмо И.Гаршину).
Страница обновлена 22.03.2024
Яндекс.Метрика