Реферат по Физике Земли. Реферат_Фиика земли_Албаков М.М.. Магнитное поле Земли. Составляющие вектора магнитного поля. Нормальные и аномальные составляющие магнитного поля Земли. Дрейф и вариации магнитного поля. Гипотезы происхождения магнитного поля Земли
 Скачать 40.42 Kb.
|
 Министерство науки и высшего образования Российской Федерации ФГБОУ ВО «РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Серго Орджоникидзе» (МГРИ) _____________________________________________________________________ КАФЕДРА ГЕОФИЗИКИ Реферат На тему «Магнитное поле Земли. Составляющие вектора магнитного поля. Нормальные и аномальные составляющие магнитного поля Земли. Дрейф и вариации магнитного поля. Гипотезы происхождения магнитного поля Земли. Выполнил: ст. группы НД-18-2 Албаков М.М Проверил: доц. Лобанов А.М. Москва 2021 г. Содержание Введение……………………………………………………………………...…………3 1.Структура и свойства магнитного поля Земли……………………………………..4 2.Нормальное и аномальное магнитное поле……………………………………...…6 3.Исследования дрейфа магнитных полюсов…………………………….…………..7 4.Основные гипотезы происхождения магнитного поля Земли…………….………9 Заключение…………………………………………………………………….………11 Список литературы………………………………………………………………..…..13 Введение Магнитное поле Земли— это магнитное поле, создаваемое внутренними источниками, т.е. силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела с магнитным моментом, независимо от состояния их движения, магнитной составляющей электромагнитного поля. Специальный раздел в геофизике, исследующий происхождение и природу магнитного поля Земли, называется геомагнетизмом. В геомагнетизме рассматриваются проблемы зарождения и эволюции постоянной основной составляющей геомагнитного поля, природы переменной составляющей (около 1% основного поля), а также структуры магнитосферы — высших намагниченных плазменных слоев в атмосфере Земли, взаимодействующих с солнечным ветром и защищающих Землю от космических лучей. Важной задачей является изучение вариационных закономерностей в геомагнитном поле, так как они вызваны внешними воздействиями, в основном связанными с солнечной активностью. 1.Структура и свойства магнитного поля ЗемлиНа небольшом расстоянии от поверхности земли, около трех ее радиусов, магнитные силовые линии имеют дипольное расположение. Эта область известна как плазменная атмосфера Земли. Чем дальше от нее удаляется земная поверхность, тем сильнее становится влияние солнечного ветра: На солнечной стороне магнитное поле Земли сжимается, а на противоположной стороне, ночью, его вытягивают в длинный «хвост». В настоящее время магнитное поле Земли является магнитным диполем. Истинный южный магнитный полюс (отрицательный, где линии магнитного поля «входят» в планету) находится вблизи географического северного полюса (в канадском секторе Арктики), истинный северный магнитный полюс (положительный, где линии магнитного поля «выходят» из Земли) сейчас находится вблизи географического южного полюса (в Индийском океане вблизи Антарктиды). Условно магнитные полюса Земли, однако, обозначаются в соответствии с их географическим расположением — Южный магнитный полюс называют Северным полюсом ради простоты и наоборот. Например, ось магнитного диполя имеет наклон около 11.5 градусов относительно земной оси вращения, а центр магнитного диполя смещен примерно на 430 км относительно центра Земли. Магнитные полюса движутся по поверхности нашей планеты со скоростью до 40 км в год. Например, в 1900 году магнитный северный полюс имел координаты 69°с.ш. и 97°з.д., а в 2005 году — 83°с.ш. и 118°з.д. Это означает, что он двинулся на север и запад и приблизился к Северному полюсу. За тот же период Южный полюс сместился с 72° ю.ш. и 148° в.д. на 64° ю.ш. и 138° в.д. То есть, он двинулся на север и запад и отошел от Южного полюса. На магнитное поле Земли воздействует поток намагниченной солнечной плазмы. В результате взаимодействия с земным полем образуется внешний предел околоземного магнитного поля, так называемая магнитопауза. Это ограничивает магнитосферу Земли. Благодаря влиянию солнечных корпускулярных потоков размер и форма магнитосферы постоянно меняются, создается переменное магнитное поле, определяемое внешними источниками. Своей изменчивостью она обязана существующим системам тока, которые развиваются на разных высотах от нижних слоев ионосферы до магнитопауз. Изменения магнитного поля Земли с течением времени, вызванные различными источниками, были названы геомагнитными колебаниями, которые варьировались как продолжительность и положение на Земле и в ее атмосфере. Магнитосфера — область околоземного пространства, контролируемая магнитным полем Земли. Магнитосфера образуется в результате взаимодействия солнечного ветра с плазмой верхней атмосферы и магнитным полем Земли. С точки зрения формы магнитосфера представляет собой пещеру и длинный хвост, повторяющий форму магнитных линий силы. Точка Солнца в среднем имеет 10 радиусов Земли, а хвост магнитосферы простирается за пределы орбиты Луны. Топология магнитосферы определяется областями поступления солнечной плазмы в магнитосферу и природой существующих систем. Хвост магнитосферы образован линиями силы магнитного поля Земли, которые выходят из полярных областей и расширяются под воздействием солнечного ветра до сотен земных радиусов от Солнца в ночной части Земли. В результате плазма солнечного ветра и корпускулярные течения Солнца, кажется, обтекают магнитосферу Земли, придавая ей своеобразную форму хвоста. В тыльной части магнитосферы, на большом удалении от Земли, интенсивность магнитного поля Земли, а значит, и его защитные свойства, ослабляются, и некоторые частицы плазмы Солнца могут проникать в магнитосферу Земли и попадать в радиационные пояса магнитосферы и магнитные ловушки. При проникновении в головную часть магнитосферы в область овалов аврор под влиянием изменяющегося давления солнечного ветра и межпланетного поля хвост служит местом формирования потоков извергающихся частиц, вызывающих авроры и авроры. Магнитосфера отделена от межпланетного пространства магнитопаузой. Вдоль магнитопаузы частицы корпускулярных потоков проходят через магнитосферу. Влияние солнечного ветра на магнитное поле Земли иногда очень сильно. Магнитопауза — это внешний предел магнитосферы Земли (или планеты), где динамическое давление солнечного ветра уравновешивается давлением собственного магнитного поля. Для типичных параметров солнечного ветра точка подсолнечника находится в 9-11 радиусах от центра Земли. В период магнитных возмущений на Земле магнитопауза может выходить за пределы геостационарной орбиты (6,6 радиуса Земли). При слабых солнечных ветрах солнечная точка находится на расстоянии 15-20 земных радиусов. 2.Нормальное и аномальное магнитное поле В первом приближении магнитное поле Земли может быть представлено полем намагниченного шара, или магнитного диполя (Тдип), расположенного в области центра Земли, ось которого по отношению к оси вращения Земли составляет 11°. Места выхода продолжений оси этого диполя на поверхность Земли называют геомагнитными полюсами Земли. Область выхода южного конца оси диполя носит название северного магнитного полюса, а область выхода северного окончания оси диполя — южного. Например, северный магнитный полюс находится на 72° с. ш. и 96° з. д. и отстоит от северного географического полюса Земли на 1400 км. Вклад дипольной составляющей (Tдип) в наблюденное магнитное поле Земли составляет примерно 70 %, что объясняет такие глобальные особенности, как наличие магнитных полюсов Земли и увеличение напряженности магнитного поля в два раза при переходе от экватора к полюсам. В наблюденном поле выделяют также составляющие, связанные с особенностями внутреннего строения Земли, называемые материковыми аномалиями (Tм). Эти плавно изменяющиеся компоненты образуют на Земле шесть крупных, соизмеримых с площадью материков, положительных и отрицательных аномалий с амплитудой (0,1–0,2) ⋅ 105 нТл. В настоящее время еще не выработана единая точка зрения относительно происхождения Tм. Видимо, источники их располагаются на глубине около 2900 км, на уровне внешней границы ядра Земли. Нормальным геомагнитным полем (или главным магнитным полем Земли) в рассматриваемой точке в практике магниторазведки принято называть сумму полей диполя (Tдип) и материковых аномалий (Tм): Тнорм = Tдип + Tм. По существу, нормальное магнитное поле Земли представляет собой магнитное поле усредненной, безрельефной, сферически однородной в магнитном отношении Земли. Нормальное магнитное поле Земли рассчитывают специально. Существуют таблицы или карты Тнорм, Zнорм и других элементов магнитного поля для определенного периода времени (середина года, кратного пяти — 1995, 2000 г. и т. д.) и для каждой точки Земли, находящейся на уровне моря (при нулевой высоте). 3.Исследования дрейфа магнитных полюсов Магнитный полюс — это блуждающая точка на поверхности северного и южного полушария Земли, где геомагнитное поле направлено вертикально (горизонтальная составляющая равна нулю). Несмотря на то, что все линии равного магнитного склонения сходятся на магнитном полюсе, склонение на самом полюсе не определено. Все компасы направлены к Южному или Северному магнитным полюсам, но в силу наличия недипольной составляющей МПЗ, стрелки непосредственно на полюса не указывают. И даже в полярных областях сходимость линий магнитного склонения не является радиальной. До 2019 г. для расчёта главного поля использовались модели эпохи 2015 г. Во все эпохи шёл дрейф магнитных полюсов. Скорость дрейфа Северного магнитного полюса в 1970-х годах составила 10 км/год, в 2001 г. — 40 км/год, в 2004 г. — 60 км/год, в 2015 г. — 48 км/год. Начиная с 2016 г. необычно большая скорость, с которой смещается Северный магнитный полюс Земли, привела к серьёзным ошибкам в расчётах модели 2015 г. В начале 2019 г. невязка определения Северного магнитного полюса составила порядка 40 км. Для устранения такого рода ошибок с начала 2019 г. началось досрочное обновление международных моделей МПЗ. В феврале — WMM — Национальным геофизическим центром данных США (NGDC), а в декабре вышла обновлённая версия WMM 2020. В том же декабре 2019 г. Международной ассоциацией геомагнетизма и аэрономии (IAGA) выпущена очередная версия модели IGRF-13. Эти модели необходимы для функционирования как профессиональных навигационных систем, так и бытовых навигаторов, в том числе для мобильных телефонов. С меньшими скоростями и несоосно изменялось и положение Южного магнитного полюса (ЮМП). На рисунке 6 хорошо виден узел схождения изогон (линий равного магнитного склонения) между Австралией и Антарктидой. Это и есть ЮМП. Задача определения положения Южного магнитного полюса имеет длинную историю. Первые геомагнитные измерения (измерения склонения) в Антарктическом регионе были выполнены в ходе второй кругосветной экспедиции Дж. Кука (1772–1775). Однако оценок местоположения ЮМП не делалось. Первое экспериментальное определение местоположения ЮМП было выполнено в ходе кругосветной антарктической экспедиции русских мореплавателей Ф. Беллинсгаузена и М. Лазарева (1819–1821). Вскоре после экспедиции к Северному магнитному полюсу немецкий физик К. Гаусс рассчитал на основе сферического гармонического анализа нахождение ЮМП в точке с координатами 66 ° ю.ш., 146 ° в.д. Достичь этой точки и провести инструментальные измерения удалось только 16 января 1909 г. Британской антарктической экспедицией под руководством Эрнеста Шеклтона (экспедиция на "Нимроде"). Далее ЮМП определялся в 1912, 1931, 1951, 1962 гг. 4.Основные гипотезы происхождения магнитного поля Земли Происхождение магнитного поля Земли объясняют различными причинами, связанными с внутренним строением Земли. Наиболее достоверной и приемлемой гипотезой, объясняющей магнетизм Земли, является гипотеза вихревых токов в ядре (гипотез амагнитного гидродинамо).Она основана на установленном геофизиками факте, что на глубине 2900 км под мантией Земли находится внешнее жидкое ядро с высокой электрической проводимостью, которая объясняется большим числом свободных электронов в веществе ядра вследствие высоких температур и давления. Благодаря так называемому гиромагнитному эффекту и вращению Земли во время её образования могло возникнуть очень слабое магнитное поле. Наличие свободных электронов в ядре и вращение Земли в таком слабом магнитном поле привели к индуцированию в ядре вихревых токов. Эти токи, в свою очередь, создают (регенерируют) магнитное поле, как это происходит в динамомашинах. Увеличение же магнитного поля Земли должно привести к новому увеличению вихревых токов в ядре, а последнее — к увеличению магнитного поля и т.д. Процесс подобной регенерации длится до тех пор, пока рассеивание энергии вследствие вязкости ядра и его электрического сопротивления не компенсируется добавочной энергией вихревых токов и другими причинами. Физической основой гипотезы магнитного гидродинамо служат, во-первых, наличие в Земле хорошо проводящего электрический ток железистого ядра; во-вторых, наличие в ядре двух автономных частей - жидкой внешней и твёрдой внутренней; в-третьих, факт вращения Земли вокруг своей оси. Существует несколько причин, по которым источник главного геомагнитного поля может находиться лишь в ядре Земли. Прежде всего наличие вековых вариаций магнитного поля Земли с периодами сотни и тысячи лет, источник которых явно располагается в недрах Земли, а не в её магнитосфере, доказывает, что главное поле никак не может быть связано с какими-либо процессами в коре или мантии - движения вещества в этих оболочках недостаточно интенсивны, их характерное время измеряется миллионами лет. Следовательно, источник вековых вариаций главного геомагнитного поля может быть помещен только во внешнее ядро, где вещество находится в жидком состоянии и может быстро реагировать на приложенные к нему силы. Далее, ядро не может быть постоянным магнитом в условиях преобладающих в нём высоких температур (явно значительно выше точки Кюри). Следовательно, в качестве единственного возбудителя главного магнитного поля Земли остаются только электрические токи внутри ядра. Но почему источник геомагнитного поля, признав его переменный характер, нельзя разместить, например, в коре или мантии? Дело в том, что для генерации столь сильного магнитного поля, как земное, требуется ток большой силы. Если бы такой ток протекал в мантийных или коровых породах, обладающих очень низкой электропроводностью, то он привёл бы к выделению колоссального количества тепла - намного больше того, что наблюдается. Таким образом, если главное магнитное поле Земли генерируется электрическими токами, то единственным местом их циркуляции может быть ядро Земли, состоящее из хорошо проводящих железо-никелевого сплава (внутренняя часть) и смеси железа, никеля и серы (внешняя часть). Заключение Последний раз полюса земли были изменены в ходе грандиозной перемагничивания («наклона» полюсов) около 780 000 лет назад, на границе эпох, которые ученые называют разворотом Брунеса-Матуямы. Палеонтологическая хроника не фиксирует каких-либо драматических изменений в жизни растений или животных. Изучение глубоководных океанических отложений, основанное на количестве изотопов кислорода в отложениях этого периода, также не выявило никаких изменений в ледниковой активности. Это явилось дополнительным свидетельством того, что изменение полярности магнитного поля Земли не влияет на ось вращения Земли, так как наклон оси вращения нашей планеты существенно влияет на климат и оледенение, и любое изменение будет зафиксировано в «ледниковых летописях». Другая гипотеза Судного дня, как следствие геомагнитного «опрокидывания», использует страх перед грядущей солнечной активностью. Эта гипотеза ошибочно предполагает, что процесс перемагничивания полюсов (инверсии) приведет к мгновенному состоянию, в котором Земля останется без магнитного поля, защищая нас от солнечных вспышек и выбросов корональной материи из недр Солнца. Хотя магнитное поле Земли действительно может со временем становиться все слабее и сильнее, нет ни малейшего признака того, что оно когда-либо полностью исчезло. Ослабление магнитного поля Земли, несомненно, приведет к небольшому увеличению количества солнечной радиации на Земле — и в то же время к возможности любоваться прекрасным видом северного сияния на низких широтах — как видите, ничего смертельного. Более того, даже при слабом магнитном поле толстые слои земной атмосферы могут обеспечить защиту от проникновения солнечных частиц в земную атмосферу. Наука доказывает, что разворот магнитного полюса в геологическом масштабе времени является обычным явлением, которое происходит постепенно на протяжении тысяч лет. И хотя условия, приводящие к развороту геомагнитных полюсов, не вполне предсказуемы — движение N-образного магнитного полюса, например, может незаметно изменить направление — в многомиллионной геологической хронике не было замечено ничего подобного, что позволило бы серьезно отнестись к одному из сценариев конца света 2012 года, связанному с разворотом геомагнитных полюсов. Однако инверсия может быть выгодным бизнесом для производителей магнитных компасов. Список литературы Кононович Е. Магнитное поле Земли, энциклопедия мира — Универсальная научно-популярная он-лайн энциклопедия. Пудовкин М.И. Основы солнечной физики. Санкт-Петербург, 2003. Солнечно-земная физика. Выпуск 4 — Сборник научных трудов. Издательство Сибирского отделения РАН, 2004. А.С. Амянтов, А.Н. Зайцев, В.И. Одинцов, В.Г. Петров Вариации магнитного поля Земли. Москва, 2006. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. — М.: Наука, 1976. Александров Н.Л. Полярное сияние. COL, Науки о Земле, Процессы на поверхности Земли, 2007. |