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 5 миллионов 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.

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 явным 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 Перемещение южного магнитного полюса Земли Движение  геомагнитных полюсов

Примерно с начала XVII века полюс располагается под паковыми льдами в границах нынешней канадской Арктики. Это приводит к тому, что стрелка компаса показывает на север не точно, а лишь приблизительно. Каждый день полюс движется по эллиптической траектории, и, кроме того, смещается в северном и северо-западном направлении/ 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.

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.

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).

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) и 2) Кратковременные (обычно 5-10 тыс. лет) отклонения магнитных полюсов от географических на угол больше 40° определяются как экскурсы. 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. Сами инверсии длятся от 1200 до 10000 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 4 раза]. К слову сказать, 2500 лет назад магнитное поле Земли было в 2,5 раза сильнее нынешнего. [Значит мы стоим на пороге новой инверсии?]

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 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.

Анализ периодичности инверсий по палеомагнитным реперам

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. Если кликнуть на рисунке, то можно это лучше увидеть (там цветом эти диапазоны отмечены).

Важнейшие палеомагнитные стратиграфические реперы:

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.

Библиография о геомагнитном поле, его колебаниях и инверсиях


На правах рекламы (см. условия):    


© «Сайт Игоря Гаршина», 2002, 2005. Пишите письма (Письмо И.Гаршину).
Страница обновлена 13.09.2018
Я.Метрика: просмотры, визиты и хиты сегодня