Згідно з сучасними уявленнями, утворилася приблизно 4,5 млрд років тому, і з цього моменту нашу планету оточує магнітне поле. Все, що знаходиться на Землі, у тому числі люди, тварини та рослини, піддаються його впливу.
Магнітне поле тягнеться до висоти близько 100 000 км (рис. 1). Воно відхиляє чи захоплює частки сонячного вітру, згубні всім живих організмів. Ці заряджені частинки утворюють радіаційний пояс Землі, а вся область навколоземного простору, де вони знаходяться, називають магнітосферою(Рис. 2). З освітленої Сонцем боку Землі магнітосфера обмежена сферичною поверхнею з радіусом приблизно 10-15 радіусів Землі, а з протилежного боку вона витягнута подібно до кометного хвоста на відстань аж до декількох тисяч радіусів Землі, утворюючи геомагнітний хвіст. Магнітосфера відокремлена від міжпланетного поля перехідною областю.
Магнітні полюси Землі
Вісь земного магніту нахилена до осі обертання Землі на 12°. Вона розташована приблизно на 400 км осторонь центру Землі. Точки, в яких ця вісь перетинає поверхню планети, - магнітні полюси.Магнітні полюси Землі не збігаються з істинними географічними полюсами. В даний час координати магнітних полюсів такі: північний - 77 ° пн.ш. та 102° з.д.; південний - (65 ° пд.ш. і 139 ° с.д.).
Рис. 1. Будова магнітного поля Землі
Рис. 2. Будова магнітосфери
Силові лінії, що йдуть від одного магнітного полюса до іншого, називаються магнітними меридіанами. Між магнітним та географічним меридіаном утворюється кут, званий магнітним відмінюванням. Кожне місце Землі має свій кут відміни. У районі Москви кут відмінювання дорівнює 7° на схід, а Якутську — близько 17° на захід. Це означає, що північний кінець стрілки компаса у Москві відхиляється Т вправо від географічного меридіана, що проходить через Москву, а Якутську — на 17° вліво від відповідного меридіана.
Вільно підвішена магнітна стрілка розташовується горизонтально тільки лінії магнітного екватора, який збігається з географічним. Якщо рухатися на північ від магнітного екватора, північний кінець стрілки буде поступово опускатися. Кут, утворений магнітною стрілкою та горизонтальною площиною, називають магнітним нахилом. На Північному та Південному магнітних полюсах магнітне нахилення найбільше. Воно дорівнює 90 °. На Північному магнітному полюсі вільно підвішена магнітна стрілка встановиться вертикально північним кінцем вниз, але в Південному магнітному полюсі її південний кінець опуститься вниз. Таким чином, магнітна стрілка показує напрямок силових ліній магнітного нуля над земною поверхнею.
З часом положення магнітних полюсів щодо земної поверхні змінюється.
Магнітний полюс був відкритий дослідником Джеймсом К. Россом у 1831 р. за сотні кілометрів від його нинішнього місцезнаходження. У середньому протягом року він переміщається на 15 км. В останні рокишвидкість переміщення магнітних полюсів різко зросла. Наприклад, Північний магнітний полюс зараз переміщається зі швидкістю близько 40 кілометрів на рік.
Зміна магнітних полюсів Землі називається інверсією магнітного поля.
Протягом геологічної історії нашої планети земне магнітне поле змінювало свою полярність понад сто разів.
Магнітне поле характеризується напруженістю. У деяких місцях Землі магнітні силові лінії відхиляються від нормального поля, утворюючи аномалії. Наприклад, у районі Курської магнітної аномалії (КМА) напруженість поля вчетверо вище за норму.
Існують добові зміни магнітного поля Землі. Причина цих змін магнітного поля Землі — електричні струми, що перебувають у атмосфері на великій висоті. Викликані вони сонячним випромінюванням. Підлога дією сонячного вітру магнітне поле Землі спотворюється і набуває «шлейф» у напрямку від Сонця, який простягається на сотні тисяч кілометрів. Основною причиною виникнення сонячного вітру, як ми вже знаємо, є грандіозні викиди речовини з корони Сонця. Під час руху до Землі вони перетворюються на магнітні хмари і призводять до сильних, іноді екстремальних збурень на Землі. Особливо сильні обурення магнітного поля Землі. магнітні бурі.Деякі магнітні бурі починаються несподівано майже одночасно по всій Землі, а інші розвиваються поступово. Вони можуть тривати кілька годин і навіть доби. Часто магнітні бурі відбуваються через 1-2 дні після сонячного спалаху через проходження Землі через потік частинок, викинутих Сонцем. З часу запізнення швидкість такого корпускулярного потоку оцінюють у кілька мільйонів км/год.
Під час сильних магнітних бур порушується нормальна робота телеграфу, телефону та радіо.
Магнітні бурі часто спостерігаються на широті 66-67 ° (в зоні полярних сяйв) і виникають одночасно з полярними сяйвами.
Будова магнітного поля Землі змінюється залежно від широти. Проникність магнітного поля збільшується у бік полюсів. Над полярними областями силові лінії магнітного поля більш-менш перпендикулярні до земної поверхні і мають воронкоподібну конфігурацію. Через них частина сонячного вітру з денного боку проникає у магнітосферу, а потім і у верхню атмосферу. Сюди ж у період магнітних бур спрямовуються частинки з хвостової частини магнітосфери, досягаючи меж верхньої атмосфери у високих широтах Північної та Південної півкуль. Саме це заряджені частинки викликають тут полярні сяйва.
Отже, магнітні бурі та добові зміни магнітного нуля пояснюються, як ми вже з'ясували, сонячним випромінюванням. Але якою є основна причина, що створює постійний магнетизм Землі? Теоретично вдалося довести, що у 99 % магнітне полі Землі викликають джерела, приховані всередині планети. Головне магнітне поле обумовлено джерелами, розташованими у глибинах Землі. Їх можна умовно поділити на дві групи. Основна їх частина пов'язана з процесами в земному ядрі, де внаслідок безперервних та регулярних переміщень електропровідної речовини створюється система електричних струмів. Інша пов'язана з тим, що гірські породи земної кори, намагнічуючись головним електричним полем (полем ядра), створюють власне магнітне поле, яке сумується з магнітним полем ядра.
Крім магнітного поля навколо Землі є й інші поля: а) гравітаційне; б) електричне; в) теплове.
Гравітаційним полемЗемлі називають полем сили тяжіння. Вона спрямована по схилу перпендикулярно до поверхні геоїду. Якби в Землі була фігура еліпсоїда обертання і в ньому рівномірно розподілялися б маси, то вона мала нормальне гравітаційне поле. Різниця між напруженістю реального гравітаційного поля та теоретичного – аномалія тяжкості. Різний речовий склад, щільність гірських порід викликають ці аномалії. Але можливі інші причини. Їх можна пояснити наступним процесом— врівноваження твердої та відносно легкої земної кори на більш важкій верхній мантії, де й відбувається вирівнювання тиску шарів, що лежать вище. Ці течії викликають тектонічні деформації, рух літосферних плит і цим створюють макрорельєф Землі. Сила тяжіння утримує атмосферу, гідросферу, людей, тварин Землі. Силу тяжкості потрібно обов'язково враховувати щодо процесів у географічної оболонці. Терміном « геотропізм» називають ростові рухи органів рослин, які під впливом сили земного тяжіння завжди забезпечують вертикальний напрямок зростання первинного кореня перпендикулярно поверхні Землі. Гравітаційна біологія використовує рослини як експериментальні об'єкти.
Якщо не зважати на силу тяжкості, неможливо розрахувати вихідні дані для запуску ракет і космічних кораблів, зробити гравіметричну розвідку рудних копалин і, нарешті, неможливий подальший розвиток астрономії, фізики та інших наук.
Основні питання, що розглядаються на лекції:
1. Природа геомагнетизму.
2. Елементи магнітного поля Землі.
3. Структура геомагнітного поля.
4. Магнітосфера та радіаційні пояси Землі.
5. Вікові варіації геомагнітного поля.
6. Аномалії геомагнітного поля.
1. Природа геомагнетизму.Земний магнетизм, чи геомагнетизм, – це властивість Землі як небесного тіла, що зумовлює існування навколо неї магнітного поля. Геомагнітологія - наука про земне.
Теорія гідромагнітного динамо заснована на встановленому геофізиками факті, що на глибині 2900 км знаходиться "рідке" зовнішнє ядро Землі з гарною електропровідністю (106-105 см/м).
Вперше ідея гідромагнітного динамо була запропонована в 1919 р. Лармором в Англії для пояснення магнетизму Сонця. У земному магнетизмі (1947 р) радянський фізик Я. І. Френкель висловив ідею про те, що теплова конвекція у земному ядрі є саме тією причиною, яка приводить у дію гідромагнітне динамо земного ядра.
Основні положення гіпотези гідромагнітного динамо зводяться до наступного.
1. Завдяки так званому гіромагнітному (від грец. Гіро - обертаюся, кружляю) ефекту і обертання Землі під час її утворення могло виникнути дуже слабке магнітне поле. Гіромагнітний ефект – це намагнічування феромагнітних тіл внаслідок їх обертання та обертання їх за певних умов намагнічування. У гіромагнітному ефект виявляється зв'язок між механічним і магнітним моментами атома.
2. Наявність вільних електронів у ядрі та обертання Землі у такому слабкому магнітному полі призвели до індукування в ядрі вихрових електричних струмів.
3. Індуковані вихрові струми, у свою чергу, створюють (генерують) магнітне поле, як це відбувається в динамо-машинах. Збільшення магнітного поля Землі має призвести до нового збільшення вихрових струмів у ядрі, а останнє – збільшення магнітного поля.
4. Процес, подібний до регенерації, триває доти, поки розсіювання енергії внаслідок в'язкості ядра та його електричного опору не компенсується додатковою енергією вихрових струмів та іншими причинами.
Таким чином, за Френкелем, земне ядро є своєрідним природним турбогенератором. Роль турбіни в ньому грають теплові потоки: вони піднімають з надр ядра вгору по радіусу великі маси розплавленого металу, що має властивість рідини. Холодніші, а значить і більш важкі частинки верхніх шарів опускаються вниз. Сила Коріоліса «закручує» їх навколо земної осі, утворюючи таким чином гігантські витки всередині «земної динамо-машини». У цих замкнутих потоках гарячого металу, як і у витках дроту на якорі звичайної динамо-машини, мав колись давно виникнути індукційний струм. Він поступово підмагнічував земне ядро. Початкове дуже слабке магнітне поле посилювалося доти, доки з часом не дійшло свого граничного значення. Ця межа була досягнута в далекому минулому. І хоча земний турбогенератор продовжує роботу, кінетична енергія потоків рідкого металу витрачається тепер не на підмагнічування земного ядра, а цілком перетворюється на теплоту.
Магнітне поле Землі існує близько З млрд. років, що приблизно на 1,5 млрд. років менше її віку. Значить, воно не було реліктовим і за відсутності механізму, що відновлює, не змогло б існувати протягом усієї геологічної історії Землі.
2. Елементи магнітного поля Землі.У кожній точці поверхні Землі магнітне поле характеризується повним вектором напруженості Нт, величина та напрямок якого визначається трьома елементами земного магнетизму; горизонтальної складової напруженості Н, магнітним відхиленням D та нахиленням I. Магнітне відмінювання – це кут у горизонтальній площині між географічним та магнітним меридіанами; магнітне нахилення – кут у вертикальній площині між горизонтальною площиною та напрямком повного вектора Нт.
Величини Н, X, У, Z, D і I звуться елементів земного магнетизму, у своїй елементи Н, X, У і Z називають силовими компонентами земного магнітного поля, а D і I – кутовими.
Повний вектор напруженості магнітного поля Землі Hт, його силові складові Н, X, У та Z мають розмірність А/м, відмінювання D та нахилення I – кутові градуси, хвилини та секунди. Напруженість магнітного поля Землі порівняно невелика: повний вектор Нт змінюється від 52,5 А/м на полюсі до 26,3 А/м на екваторі.
Рис. 5.1 – Елементи земного магнетизму
Абсолютні значення величин елементів земного магнетизму малі, і тому їхнього виміру застосовуються високоточні прилади – магнітометри і магнітні вариометры; є варіометри для вимірювання величин Н і величин Z. Застосовуються похідні магнітні станції, оснащені складними оптико-механічними та квантовими магнітометрами. Лінії, що з'єднують на карті точки з однаковим відмінюванням D, називаються ізогонами, з однаковим нахиленням I - ізоклінами, з однаковими Н або Z - ізодинами горизонтальних або вертикальних складових повного вектора напруженості Нт і з однаковими X або У - ізодинами північних або східних складових. Значення елементів земного магнетизму безперервно змінюються у часі, і тому магнітні карти оновлюються кожні п'ять років.
3. Структура геомагнітного поля.Магнітне поле Землі за структурою неоднорідне. Воно складається із двох частин: постійного та змінного полів. Постійне поле спричинене внутрішніми джерелами магнетизму; джерелами змінного поля є електричні струмиу верхніх шарах атмосфери – іоносфері та магнітосфері. У свою чергу, постійне магнітне поле за своєю природою неоднорідне і складається з декількох частин. Тому в цілому магнітне поле Землі складається з наступних полів:
Нт =Але+Hм+Hа+Hв+δH, (5.1)
де Нт – напруженість магнітного поля Землі; Але – напруженість дипольного поля, створювана однорідною намагніченістю земної кулі; Нм - напруженість недипольного, або материкового поля, створювана внутрішніми причинами, зумовленими неоднорідністю глибоких шарів Землі; На – напруженість аномального поля, створювана різною намагніченістю верхніх частин земної кори; Нв – напруженість поля, джерело якого пов'язані з зовнішніми причинами; δH – напруженість поля магнітних варіацій, спричинених зовнішніми причинами.
Сума полів Но+Hм=НГ утворює головне магнітне полі Землі. Аномальне поле складається з двох частин: поля регіонального характеру Нр та поля місцевого (локального) характеру Нл. На регіональну аномалію може накладатися локальна, тоді Hа = Нр+Нл.
Суму полів Но+Hм+H зазвичай називають нормальним полем. Однак поле Hв робить дуже невеликий внесок у загальне геомагнітне поле Нт. Систематичне вивчення геомагнітного поля, за даними магнітних обсерваторій та магнітних зйомок, показує, що зовнішнє поле по відношенню до внутрішнього становить менше 1% і тому їх можна знехтувати. І тут нормальне поле збігається з головним магнітним полем Землі.
Геомагнітні полюси розташовуються там, де земна магнітна вісь перетинає поверхню Землі. Хоча північний магнітний полюс знаходиться у Південній півкулі, а Південний – у Північній, в побуті їх називають за аналогією з географічними полюсами.
Згодом магнітні полюси змінюють своє становище. Так, північний магнітний полюс за добу переміщається поверхнею Землі на 20,5 м (7,5 км на рік), а південний – на 30 м (11 км на рік).
4. Магнітосфера та радіаційні пояси Землі.Магнітне поле Землі існує не лише поблизу земної поверхні, а й на великих відстанях від неї, що виявлено за допомогою космічних ракет та міжпланетних космічних станцій. На відстані 10-14 земних радіусів геомагнітне поле зустрічається з міжплатним магнітним полем та з полем так званого сонячного вітру. Сонячний вітер є закінчення плазми сонячної корони (коронального газу, що складається головним чином з водню і гелію) в міжпланетний простір. Швидкість частинок сонячного вітру (протонів та електронів) величезна – близько 400 км/с, кількість частинок (корпускул) – кілька десятків на 1см 3 , температура – до 1,5–2 млн градусів. На межі магнітного поля та магнітного поля Землі напруженість становить близько (0,4-0,5) · 10-2 А/м.
Область дії магнітного поля Землі називається магнітосферою, та її зовнішня межа – магнитопаузой (рис. 5.3). На геомагнітне поле суттєво впливає сонячний вітер. Розширюється магнітосфера, на великі відстані: найменша – у бік Сонця – сягає 10–14 земних радіусів, найбільше – з нічного боку – близько 16 радіусів Землі. Магнітний хвіст має ще великі розміри(за даними штучних супутників Землі – у сотні земних радіусів).
Рисунок 5.3 – Будова магнітосфери Землі: 1 – сонячний вітер; 2 – ударний фронт; 3 – магнітна порожнина; 4 – магнітопауза; 5 – верхня межа полярної магнітосферної щілини; 6 – плазмова мантія; 7 – зовнішній радіаційний пояс чи плазмосфера; 9 – нейтральний шар; 10 – плазмовий шар
Максимум внутрішнього протонного пояса розташований на відстані 3,5 радіусу Землі (22 тис. км). Усередині плазмосфери поблизу поверхні Землі існує другий електронний радіаційний пояс. Поблизу полюсів цей пояс знаходиться на відстані 100 км, проте основна його частина знаходиться на відстані 4,4 – 10 тис. км від поверхні планети. Електрони у ньому мають енергію десятка – сотні кеВ. Інтенсивність потоків електронів оцінюється в 109 частинок на см 2 /с, тобто на порядок вищий, ніж у зовнішньому електронному поясі.
Потужність радіації у радіаційних поясах досить висока – кілька сотень і навіть тисяч біологічних еквівалентів рентгену на добу. Тому космічні корабліз космонавтами на борту запускають на орбіти, що знаходяться нижче цих поясів.
Якби магнітосфера була відсутня, то потоки сонячного і космічного вітру, не зустрічаючи опору, прямували до поверхні Землі і надавали згубний вплив на всі живі істоти, включаючи людину.
5. Вікові варіації геомагнітного поля.Процес зміни середньорічних значень тієї чи іншої елемента земного магнетизму у період кілька десятиліть і сторіч носить назву вікових варіацій, які зміна від року в рік називається віковим ходом.
Судити про минуле геомагнітного поля – його напрямок та напруженості – дозволяє так званий ефект «вморожування магнітного поля в матеріал». Будь-яка гірська порода, будь-яка речовина, що містить залізо або інший феромагнітний елемент, постійно під впливом магнітного поля Землі. Елементарні магнітики у цьому матеріалі прагнуть орієнтуватися вздовж магнітних силових ліній.
Якщо матеріал нагрівати, настане момент, коли тепловий рух частинок стане настільки енергійним, що зруйнує магнітну впорядкованість. Потім, коли матеріал буде остигати, то, починаючи з точки Кюрі (точкою Кюрі називається температура, нижче за яку породи стають феромагнітними; для чистого заліза точка Кюрі 769°С, для магнетиту – 580°С), магнітне поле отримує верх над силами хаотичного руху . Елементарні магнітики знову вишикуються так, як велить їм магнітне поле, і залишаться в цьому положенні, поки тіло не буде знову нагріте. Таким чином, геомагнітне поле виявляється хіба що «вмороженим» у матеріал.
В даний час магнітне поле Землі зменшується на 2,5% за 100 років, і приблизно за 4000 років, якщо не зміниться характер цього спаду, воно має зменшитися до нульового значення. Проте палеомагнітологи стверджують, що цього не станеться.
Якщо скласти всі циклічні криві з різними періодами коливання магнітного поля Землі, то отримаємо так звану «згладжену, або середню, криву», яка досить добре співпадає з синусоїдою, що має період 8000 років. В даний час сумарне значення коливань магнітного поля знаходиться на спадному відрізку синусоїди.
Різна тривалість періодів коливання геомагнітного поля пояснюється, мабуть, відсутністю збалансованості рухомих частин гідромагнітного динамо та різної їх електропровідністю.
Інверсія – це взаємообмін магнітних полюсів подекуди. При інверсіях Північний магнітний полюс переміщається місце Південного, а Південний – місце Північного.
Іноді замість інверсії говорять про «перескоку» полюсів. Однак це слово по відношенню до полюсів не зовсім підходить, оскільки переміщуються полюси не так вже й швидко – за деякими оцінками «перескок» триває 5 і навіть 10 тис. років.
За останні 600 тис. років встановлено 12 епох інверсії геомагнітного поля (Готтенборга – 10–12 тис. років, Лашамі – 20 – 24 тис. років тощо). Характерно, що з цими епохами збігаються суттєві геологічні, кліматичні та біологічні зміни на планеті.
6. Аномалії геомагнітного поля.Магнітна аномалія – це відхилення величин елементів земного магнетизму від нормальних значень, які б у цьому місці у разі однорідного намагнічування Землі.
Якщо в якому-небудь місці виявляються різкі зміни магнітного відмінювання та способу, то це вказує, що під земною поверхнею приховані гірські породи, що містять феромагнітні мінерали. До них відносяться магнетит, титано-магнетит, гематит та ін. Найбільшу магнітну сприйнятливість має магнетит, тому значна кількість аномалій пов'язана з його наявністю в гірських породах.
Залежно від розмірів магнітні аномалії поділяють на материкові, регіональні та локальні. Материкові аномалії є наслідком перебування під їхніми центрами потужних вихрових струмів. Причини регіональних та локальних аномалій – гірські породи, що мають підвищені магнітні властивості. Ці породи, перебуваючи у магнітному полі Землі, намагнічуються та створюють додаткове магнітне поле.
Магнітні властивості тією чи іншою мірою притаманні всім гірським породам. При приміщенні будь-якої породи в магнітне поле кожен елемент її обсягу набуває намагніченості. Здатність речовини змінювати свою намагніченість під впливом зовнішнього магнітного поля називається магнітною сприйнятливістю. Залежно від числового значення та знака магнітної сприйнятливості всі природні речовини поділяються на три групи: діамагнітні, парамагнітні, феромагнітні. При цьому для діамагнітних речовин магнітна сприйнятливість негативна, а для парамагнітних та феромагнітних – позитивна.
У діамагнітних речовин (кварц, мармур, графіт, мідь, золото, срібло, свинець, вода та ін.) намагніченість пропорційна напруженості магнітного поля та спрямована назустріч йому. Діамагнітні речовини викликають ослаблення магнітного поля Землі та сприяють утворенню негативних магнітних аномалій.
У парамагнітних речовин (метаморфічні та вивержені породи, лужні метали та ін) намагніченість також пропорційна напруженості магнітного поля, але на відміну від діамагнітних має однаковий з ним напрямок. У феромагнітних речовин (залізо, нікель, кобальт та ін.) намагніченість значно більша, ніж у діа- і парамагнітних речовин, не пропорційна напруженості магнітного толю, сильно залежить від температури та «магнітної передісторії» речовини.
Основний внесок у створення аномалій магнітного поля вносять феромагнітні.мінерали (магнетит, титаномагнетит, ільменіт та ін) і горди породи, що містять їх. оскільки в цілому магнітна сприйнятливість гірських порід змінюється у великих межах (у мільйони разів), то інтенсивність аномалій магнітного поля варіює також у широких межах.
Змінне магнітне поле Землі.Джерела змінного магнітного поля перебувають поза земного простору. За своїм походженням вони є струмами індукційного характеру, що виникають у високих шарах атмосфери (від ста до кількох тисяч кілометрів). Утворюються індукційні струми закінченням плазми – потоком заряджених частинок обох знаків (корпускул), що летять від Сонця. Проникаючи в магнітне поле Землі, корпускули захоплюються ним і викликають низку складних явищ, таких, як іонізація атмосфери, полярні сяйва, утворення радіаційних поясів Землі та ін.
Змінне магнітне поле накладається на головне магнітне поле Землі та обумовлює різні його варіації у часі. Одні їх відбуваються плавно, підпорядковуються певної закономірності. Це звані періодичні (незбурені) варіації. Інші мають безладний характер, параметри геомагнітного поля (періоди, амплітуди, фази) безперервно та різко змінюють своє значення.
Сонячно-добові варіації є зміни елементів земного магнетизму з періодом, рівним тривалості сонячної доби. Сонячно-добові варіації елементів земного магнетизму залежать від пори року та географічної широти, оскільки вони визначаються інтенсивністю ультрафіолетових променів Сонця і, отже, становищем Землі стосовно Сонця. При цьому характерно, що фази коливань і за широтою, і за часом залишаються практично незмінними, змінюються в основному амплітуди коливання.
Місячно-добові варіації елементів земного магнетизму пов'язані з положенням Місяця по відношенню до горизонту та зумовлені впливом сили тяжіння Місяця на земну атмосферу. Місячно-добові варіації елементів земного магнетизму невеликі – становлять лише 10–15 % сонячно-добових варіацій.
До обурених неперіодичним коливань відноситься магнітні бурі. Одна з їх характерних рис – раптовість появи. На тлі досить спокійного магнітного поля, майже в той самий момент на всій земній кулі, всі елементи земного магнетизму раптово змінюють свої значення, і подальший хід бурі зазнає дуже швидких і безперервних змін.
За інтенсивністю (за величиною амплітуди) магнітні бурі прийнято ділити на слабкі, помірні та великі. Амплітуди елементів земного магнетизму під час великих магнітних бур досягають для магнітного відмінювання кількох градусів, для вертикальної і горизонтальної складових –2 –4 А/м і більше. Інтенсивність бур зростає від низьких геомагнітних широт до високих. Тривалість бур зазвичай становить кілька діб. Частота та сила магнітних бур залежить від сонячної активності.
Останніми роками вчені стали отримувати практичну користь з магнітних бур, отримавши можливість з допомогою «промацувати» Землю до великих глибин. Спосіб дослідження надр Землі з використанням магнітних збурень називається магнітно-телуричним зондуванням, тому що тут одночасно розглядаються магнітні обурення та телуричні (тобто земні) струми, спричинені ними Землі. В результаті магнітно-телуричного зондування встановлено, що на глибині 300-400 км електропровідність Землі різко збільшується. До цих глибин Земля є ізолятором.
Спочатку розглянемо, що таке магнітне полі Землі. Адже насамперед від нього залежить ступінь впливу космічних факторів на земну атмосферу, а також на життя та здоров'я людини.
Магнітосфера Землі оточена інтенсивною радіацією, яка за короткий термін здатна розкласти на іони та електрони все повітря в атмосфері Землі та призвести до інших необоротних наслідків у біосфері та літосфері Землі, після чого життя на Землі було б неможливим. Захищає нас від цієї радіації магнітне поле Землі. Власне, іншого захисту від високоенергійної корпускулярної радіації у природі не існує. Якби цей захист був бездоганним, то тут ми могли б докладніше і не описувати, як влаштовано захисна оболонкаЗемлі. Але виявляється, що в магнітному полі Землі є слабкі місця, або дефекти, через які частина сонячної радіації все ж таки потрапляє в її атмосферу. Ці дефекти в магнітній оболонці Землі характерні для певних зон, розташування яких залежить від природи та зміни магнітного поля Землі. Зони характеризуються особливим космічним кліматом, а космічна погода у цих зонах істотно відрізняється від такої в інших частинах земної кулі.
Що таке магнітне поле Землі? Ми знаємо, що намагнічений брусок завжди має два полюси – північний та південний або, іншими словами, є диполем. Конфігурацію магнітного поля прийнято характеризувати магнітними силовими лініями, які мають певний напрямок (який позначається стрілкою), а щільність цих ліній визначається величиною магнітного поля. Щоб визначити напрямок силової лінії магнітного поля, треба розташовувати компас у різних точках простору навколо магніту. Напрямок стрілки кожен раз і показуватиме напрямок силової лінії магнітного поля. Хто з нас не пам'ятає шкільні досліди з магнітами та металевими тирсою? Тут кожна тирса - магнітна стрілка. У цих дослідах магнітне поле диполя виглядає так: силові лінії магнітного поля виходять з одного полюса магніту та входять до іншого полюса. У міру віддалення від бруска напруженість магнітного поля дуже швидко зменшується.
Тепер уявімо, що такий брусок ми помістили всередину шкільного глобусу південним магнітним полюсом вгору (тобто північному географічному полюсу), а північним вниз. Далі цей магнітний брусок нахилимо щодо географічної осі так, щоб між ними утворився кут в 11 °, іншими словами, розведемо географічні та геомагнітні полюси приблизно на 1100 км на земній кулі. Після такої маніпуляції вийде магнітний диполь, схожий на земний. Щоправда, у реального земного магнітного диполя зміщені не лише полюси. Центр диполя ледь не збігається з центром земної кулі, але для цієї проблеми це несуттєво. Дипольне поле Землі показано на рис 1. Магнітне поле такого диполя досить легко розрахувати.
1. Схема дипольного магнітного поля Землі. Вісь Землі (СЮ) та вісь магнітного диполя (П ЗП Ю) не збігаються. Магнітні меридіани йдуть від одногомагнітного полюси до іншого.
(Увага!!! У цьому малюнку помилка. Див. коментарі внизу. Правильний малюнок на самому кінці сторінки.- Прим. адміна.)
Але реальне магнітне поле Землі відрізняється від поля диполя. Це спричинено дією на нього сонячної корпускулярної радіації.
В екваторіальній площині (посередині диполя) магнітні силові лінії йдуть паралельно поверхні Землі, тоді як ближче до полюсів вони виходять із Землі на півдні та входять у Землю на півночі. Ця відмінність у напрямі силових ліній магнітного поля є важливим. Від того, як вони спрямовані, залежить, наскільки здатні протистояти сонячній корпускулярній радіації.
Щоб магнітне поле служило захистом від сонячної корпускулярної радіації і взагалі будь-яких частинок, які мають негативний або позитивний електричний заряд, треба, щоб воно було спрямоване впоперек напрямку радіації. У низьких широтах магнітне поле Землі спрямоване упоперек потоку радіації, і воно служить хорошим захистом від неї. На жаль, чим ближче до полюсів, тим цей захист менш надійний. Там, де силові лінії магнітного поля вертикальні (на полюсах), вони не здатні протидіяти радіації, і вона без перешкод може "скочуватися" вздовж силових ліній в атмосферу Землі.
Все було б точно так, як тут описано, якби магнітне поле Землі було точно полем диполя. Насправді земний магнітний диполь розташовується над порожнечі і навколо нього течуть електричні струми, які змінюють його магнітне полі. Ззовні на магнітне поле Землі діє сила тиску сонячного вітру, тобто сонячної плазми.
Що є сонячна корпускулярна радіація, ми розглянемо трохи далі. Тут скажемо тільки, що з поверхні Сонця безперервно радіально на всі боки поширюється плазма, що складається з ядер легких хімічних елементів, потоки якої назвали сонячним вітром. Цей сонячний вітер, підходячи до магнітного поля Землі, деформує його, як звичайний вітер міг би деформувати надуту повітрям кулю. В результаті магнітне поле Землі з боку Сонця не тягнеться до нескінченності, як це було б у разі ідеального диполя, а підтиснуте сонячним вітром до відстані 10 земних радіусів (земний радіус дорівнює 6.370 км).
Таким чином, з денного боку наш земний будинок тягнеться до космосу приблизно на 63.700 км. Далі магнітне поле Землі закінчується і починається реальний космос, характеристики якого зовсім інші, ніж у межах магнітної оболонки Землі - магнітосфери. Цей космос усередині магнітосфери прийнято називати ближнім космосом або навколоземним космічним простором. Це розподіл зовсім на умовне, оскільки далекий космос має зовсім інші магнітні поля, інші характеристики заряджених частинок тощо.
Сонячний вітер, який піджав з денної сторони магнітосферу Землі, змінює силові лінії магнітного поля на нічному боці та витягує їх у напрямку руху від Сонця, як гумку рогатки. Так утворюється шлейф, або хвіст, магнітосфери, що тягнеться на нічному боці Землі на сотні земних радіусів. Таким чином, якщо ідеальний магнітний диполь симетричний щодо магнітної осі, що з'єднує полюса, то магнітне поле Землі дуже сильно деформоване - ближче до Землі (на відстані 3 - 4 радіусів Землі) диполь залишився майже недоторканим і магнітні силові лінії обертаються разом із Землею, так само як і земна атмосфера, тоді як зовнішні силові лінії, витягнуті в хвіст магнітосфери, що неспроможні обертатися із Землею, завжди витягнуті у нічному напрямі. При цьому приполюсні силові лінії на денному боці сонячний вітер вивертає так, що вони йдуть на нічний бік через полюс хвіст магнітосфери.
Якби був відсутній сонячний вітер, то найуразливішими місцями на Землі були області біля полюсів, де магнітні силові лінії вертикальні. Але сонячний вітер хіба що прикриває ці області денними силовими лініями, що він спрямовує через полюси хвіст магнітосфери. При цьому на денній стороні залишається найбільш уразливою смуга між силовими лініями, що замикаються через денну та нічну сторони Землі. З якого ясно, що з денного боку є дві області, куди сонячна корпускулярна радіація може прорватися у верхню атмосферу, незважаючи на магнітний захист Землі. Видно також, що полярні шапки (області навколо полюсів) захищені денними магнітними силовими лініями. Наскільки сонячний вітер спотворює магнітне поле Землі, видно зі зіставлення рис. 1 та 2.
На нічній стороні Землі зовнішні силові лінії, за які безпосередньо "чіпляється" сонячний вітер і які витягнуті в хвіст магнітосфери на сотні радіусів Землі, рвуться. Після розриву половинки силової лінії (південна і північна) знову зростаються (або хлопаються) і швидко прямують назад у напрямку Землі, захоплюючи із собою заряджені частки. На місце цих силових ліній у хвіст магнітосфери надходять нові, які щойно були розірвані. Цей процес триває безперервно.
На рис.2 можна побачити, що у нічній боці на широтах 70° півночі і півдня також є силові лінії, які упираються майже вертикально в поверхню Землі і, отже, не перешкоджають вторгнення радіації у верхню атмосферу. Таким чином, можна зробити висновок про те, що у певних областях магнітне поле недостатньо добре захищає Землю та її атмосферу від сонячної корпускулярної радіації. Ці вразливі області є два овали, розташованих навколо північного і південного геомагнітних полюсів, денні частини яких віддалені від магнітного полюса на 10°, а нічні - на 20°. Ширина цього овалу становить лише кілька градусів, тобто кілька сотень кілометрів. Ці два овали є тими місцями, де розташовується кухня космічної погоди, де найчастіше видно північні та південні сяйва, де на висоті 100 км течуть електричні струми завбільшки сотні тисяч ампер, де умови здоров'ю людини у сенсі впливу нього космічної погоди несприятливі.
Ми встановили, де розташовані зони поганої космічної погоди на Землі та з чим пов'язане їхнє таке розташування. Далі необхідно проаналізувати, що являє собою сонячна корпускулярна радіація. Тому перейдемо до розгляду викиду сонячної плазми під час сонячних бур.
