Где находятся магнитные полюсы земли

Где находятся магнитные полюсы земли

Его использование возможно благодаря тому, что наша планета обладает собственным магнитным полем. На данном уроке вы узнаете, какую форму оно имеет, где расположены магнитные полюса Земли. Вы узнаете, что представляют из себя магнитные бури и магнитные аномалии.

Магнитное поле Земли

Итак, начнем с самого начала. Чем объяснить, что магнитная стрелка устанавливается в данном месте Земли в определенном направлении?

Если магнитная стрелка компаса способна ориентироваться в пространстве, значит, на нее воздействует некое магнитное поле. Это и есть магнитное поле нашей планеты. Когда о нем говорят, часто используют понятие магнитосферы.

Магнитосфера — это область околоземного, включая ближайшее космическое, пространства, на которую простирается магнитное поле Земли.

Магнитосфера, как и любое магнитное поле, описывается магнитными линиями. Именно вдоль них и устанавливается стрелка компаса.

Магнитное поле Земли напоминает по форме магнитное поле полосового магнита. Для наглядности можно представить себе, что внутри Земли находится гигантский магнит. Тогда магнитные линии будут выглядеть как на рисунке 1.

Земной магнетизм до сих пор изучается. У ученых нет точного ответа, что именно является его причиной. Установлено, что большую роль играют электрические токи, текущие как в атмосфере, так и в самой земной коре.

Магнитные полюса Земли

Сразу заметим, что географические полюса не совпадают с магнитными (рисунок 2). Поэтому стрелка компаса всегда показывает нам лишь приблизительное направление на север.

Где находятся магнитные полюсы Земли?

Южный магнитный полюс Земли находится недалеко от Северного географического полюса (2100 км, в границах нынешней канадской Арктики). В этом месте магнитные линии становятся вертикальными и входят в землю.

Северный магнитный полюс находится вблизи Южного географического полюса, на краю Антарктиды. В этом месте, наоборот, магнитные линии выходят из Земли.

Как показать, что Южный магнитный полюс находится на севере, а Северный магнитный полюс — на юге? Это легко сделать, используя компас:

• Во-первых, магнитные стрелки всегда выстраиваются вдоль линий магнитного поля. Северный полюс магнитной стрелки всегда совпадает с направлением магнитной линии;
• Во-ворых, вспомните, как взаимодействуют полюсы магнитов между собой. Так, стрелка компаса, показывающая направление на север, взаимодействует с Южным магнитным полюсом — они притягиваются. По той же логике стрелка компаса показывает на юг, так как там находится Северный магнитный полюс.

Вообще, магнитное поле Земли менялось в ходе истории нашей планеты. Это было связано с крупными природными катастрофами. Последние несколько десятков тысячелетий таких изменений не происходило.

Зачем нужно магнитное поле Земле?

В первую очередь магнитное поле защищает планету от космического излучения. Один из источников такого излучения — это Солнце. Оно постоянно испускает поток частиц, имеющих огромные скорости. Это явление называют солнечным ветром. Среди этих частиц есть и электроны, и протоны, и ионы гелия и многие другие. Дело в том, что если эти частицы беспрепятственно будут достигать Земли, то нанесут огромный вред всем живым организмам.

Магнитное поле нашей планеты препятствует проникновению этих частиц в атмосферу. Оно отклоняет их от первоначального направления движения. Эти частицы начинают двигаться вдоль магнитных линий магнитного поля нашей планеты. Так они достигают полюсов. На них же магнитные линии имеют вертикальное направление. Поэтому поток частиц концентрируется в верхних слоях атмосферы. Это причина северных и южных сияний (рисунок 3).

Магнитные бури

Иногда возникают магнитные бури, способные влиять на магнитное поле нашей планеты.

Магнитные бури — это кратковременные изменения магнитного поля Земли, которые сильно влияют на магнитную стрелку.

Чем объясняют появление магнитных бурь?

Появление таких бурь связано с солнечной активностью. Что это означает?
Солнечной активностью называют ряд процессов, происходящих на Солнце. Некоторые из них приводят к возникновению сильных магнитных полей. Они же и оказывают влияние на Землю.

Например, так происходит при вспышках на Солнце. В таких ситуациях скорость частиц, которые испускает Солнце, возрастает настолько, что они способны воздействовать на магнитосферу Земли.

Магнитные бури не остаются незамеченными.

• Они влияют на погоду. Могут возникать циклоны и увеличиваться облачность;
• Самочувствие некоторых людей может ухудшиться. Например, пациенты с сердечно-сосудистыми заболеваниями в это время испытывают определенные сложности и недомогания;
• Иногда возникают проблемы с электроприборами. Например, помехи в радиоэфире, ухудшение качества связи.

Магнитные аномалии

Магнитные аномалии — это области, в которых направление магнитной стрелки постоянно отклонено от направления магнитной линии Земли (стрелка не указывает на магнитный полюс).

Где находится область, в которой наблюдается самая большая магнитная аномалия?

Самая большая магнитная аномалия — это Курская магнитная аномалия. Ее площадь составляет около $160 \space км^2$. Расположена в пределах Курской, Белгородской и Орловской областей. В этой области на небольшой глубине находятся гигантские залежи железной руды. А как вы помните, эта руда — естественный магнит. В таком огромном количестве она создает настолько сильное магнитное поле, что компас буквально начинает «сходить с ума»‎‎.

Магнитное поле других планет

Заметим, что магнитные поля других планет выполняют ту же функцию, что и на Земле. Они отражают солнечный ветер и защищают планеты от воздействия космического излучения.

Современные исследования установили факт отсутствия магнитного поля у Луны. Но некоторые породы лунного грунта, доставленные на Землю, оказались сильно намагниченными. Это позволяет ученым предполагать, что магнитное поле у Луны когда-то существовало.

Планеты-гиганты: Юпитер и Сатурн

Рассмотрим планеты Солнечной системы. Самым сильным магнитным полем обладают планеты-гиганты: Юпитер и Сатурн.

Магнитное поле Юпитера превосходит магнитное поле Земли в 12 000 раз. Представьте себе радиус Юпитера. Он составляет около 69 911 км. Так его магнитное поле распространяется на 15 таких радиусов вокруг всей планеты.

Магнитосфера Сатурна напрямую связана с металлическим водородом. Это вещество в жидком состоянии находится внутри планеты. Кроме того, Сатурн является единственной планетой, чья ось вращения совпадает с осью магнитного поля. Другими словами: магнитные и географические полюса на этой планете совпадают.

Необычные магнитосферы: Уран и Нептун

Магнитная ось Урана отклонена от оси вращения планеты на $59 \degree$. Ученые предполагают, что у этой планеты не два, а четыре магнитных полюса: два северных и два южных. Из-за этого магнитное поле имеют довольно необычную форму. По мере удаления от планеты оно будто закручивается в длинную спираль.

У Нептуна тоже довольно интересная магнитосфера. Магнитная ось отклонена от оси вращения планеты на $47 \degree$. Из-за такого угла магнитосфера постоянно изменяется по мере вращения планеты.

Меркурий, Венера и Марс

Магнитное поле Меркурия в 100 раз меньше магнитного поля Земли. У Венеры оно тоже незначительное.

А вот у Марса магнитное поле концентрируется в южном полушарии. Такая форма поля могла образоваться в результате столкновения с гигантскими космическими телами.

Упражнения

Упражнение №1

Почему стальные рельсы, долго лежащие на складах, через некоторое время оказываются намагниченными?

На стальные рельсы действует магнитное поле Земли. Они успевают намагнититься, так как находятся очень долгое время в неподвижном состоянии.

Обратите внимание, что рельсы сделаны из стали. Поэтому они вообще имеют возможность намагнититься. Если бы на их месте были бы, например, медные детали, они бы не намагнитились и через 100 лет.

Упражнение №2

Почему на судах, предназначенных для экспедиций по изучению земного магнетизма, запрещается использовать материалы, которые намагничиваются?

Намагниченные предметы будут обладать собственным магнитным полем. Это негативно скажется на измерениях — сделает их неточными или совсем неверными.

Северный магнитный полюс стремится в Сибирь. Что это значит?

В отличие от географических полюсов, магнитные имеют свойство свободно гулять на десятки километров в год. В 2019 году это движение было столь быстрым и неожиданным, что ученым, которые отвечают за Всемирную магнитную модель, пришлось экстренно корректировать представление магнитного поля Земли. Скорость смещения за последние 20 лет выросла с 15 километров в год до 55. Чем грозит столь быстрый дрейф магнитного полюса?

В смещении северного магнитного полюса ничего необычного нет. Когда в ходе экспедиции в 1821 году впервые обнаружили непосредственную точку, куда указывает компас, она находилась на полуострове Бутия в канадской Арктике. Через 70 лет норвежец Амундсен заново открыл северный магнитный полюс в 50 километрах от первой локации. Следующие 90 лет полюс мигрировал на север со скоростью примерно 15 километров в год.

А вот в 1990-х движение точки, в которую указывают все наши компасы, только ускорялось. К 2017 году эта точка преодолела географический Северный полюс и продолжает двигаться в сторону Сибири и полуострова Таймыр. За это время скорость перемещения выросла в четыре раза и сейчас составляет 50—60 километров в год.

«К 2040 году все компасы, вероятно, будут указывать восточнее истинного севера, — рассказывал ученый Кьяран Бегган из Британской геологической службы, которая отслеживает перемещение северного магнитного полюса. — Последние 350 лет магнитный север скитался по одной и той же части Канады».

Геологическая служба совместно с коллегами из США занимается сбором информации для Всемирной магнитной модели — крупномасштабного пространственного представления магнитного поля Земли.

Эта магнитная оболочка вокруг нашей планеты защищает все живое от смертоносного и разрушительного солнечного излучения. Не будь ее, Земля сегодня могла бы выглядеть как Марс: солнечный ветер сдул бы живительную атмосферу и лишил планету океанов и растительности.

Во время экспедиций автоматических аппаратов к Марсу было выявлено, что магнитное поле этой планеты обладает напряженностью в 500 раз слабее земного. Оно крайне неустойчивое.

Инверсия полюсов

Магнитное поле Земли также может ослабевать в случаях, когда происходит инверсия: северный и южный магнитные полюсы меняются местами, а стрелка компаса начинает указывать в противоположном направлении. За историю существования человека как живого вида такого не случалось.

Однако в истории планеты инверсии магнитного поля бывали, и случалось это не раз. За последние 80 млн лет ученые насчитали 183 таких разворота. И носили они статистически абсолютно случайный характер, никаких закономерностей или периодичности ученые в ходе изысканий не обнаружили.

При этом сильно различаются и оценки того, насколько быстро происходили подобные развороты. Некоторые специалисты подсчитали, что в среднем на завершение разворота нужно 7 тыс. лет. Последний разворот, который имел место 780 тыс. лет назад, произошел за 22 тыс. лет, как считают ученые.

Хотя бывали и случаи, когда разворот случался всего за несколько сотен лет. Так было, например, в конце последнего ледникового периода, примерно 41 тыс. лет назад. Речь про событие, которое получило название палеомагнитного экскурса Лашамп-Каргаполово. Это была не полная инверсия, а экскурс: полярность сменилась, но магнитное поле вскоре восстановило прежнюю полярность.

Немецкий исследовательский центр наук о Земле в 2012 году опубликовал работу, посвященную этому событию. Ученые писали, что 41 тыс. лет назад компас в районе Черного моря указывал на юг. Как об этом узнаю́т? По анализу намагниченности океанических отложений и лавовых потоков.

«Геометрия поля обратной полярности с силовыми линиями, ориентированными в противоположном направлении по сравнению с сегодняшней конфигурацией, просуществовала всего около 440 лет, и это было связано с напряженностью поля, которая составляла только четверть от сегодняшней», — рассказывал один из ведущих авторов работы Норберт Новачик.

Фактическая смена полярности длилась всего 250 лет. С точки зрения геологических масштабов времени это очень быстро.

В этот период магнитное поле было еще слабее — всего 5% от его нынешней напряженности. Как итог, Земля почти полностью лишилась своего экрана, защищающего ее от жестких космических лучей, значительно выросло радиационное воздействие. Это подтверждается пиками радиоактивного бериллия, который был обнаружен в кернах льда, извлеченных из ледникового щита в Гренландии. Они возникли в результате столкновения высокоэнергетических протонов с атомами в атмосфере планеты.

Ученые отмечают, что в последние 200 лет магнитное поле Земли уменьшилось примерно на 10%. Вкупе с ускорившимся дрейфом северной точки можно было бы спекулировать о том, что грядет смена магнитных полюсов планеты. Однако процесс этот может быть столь долгим, что к моменту полной инверсии человеческая цивилизация будет выглядеть совершенно иначе.

Но падение напряженности магнитного поля, которое сопровождает инверсию, делает Землю менее защищенной от враждебного космического излучения. Вскоре после того, как были составлены первые хронологические карты инверсий, ученые начали сопоставлять их с известными массовыми вымираниями на планете.

И действительно, некоторые периоды инверсий совпадали с периодами геологических катастроф и значительным сокращением биоты. Но из-за крайней сложности подобных исследований и недостатка информации обнаружить какие-либо четкие взаимосвязи практически невозможно. Ведь инверсия может быть не причиной, а следствием подобного вымирания, которое началось в результате падения крупного астероида, последовавшей вулканической активности и инверсии.

Что известно точно, так это то, что смещение северного магнитного полюса будет означать и смещение полярных сияний. Кто знает, где будут наблюдать их в ближайшие тысячи или сотни лет.

Почему магнитный полюс дрейфует?

Чем ученые объясняют смещение северного магнитного полюса? Надо понимать, что магнитное поле создается благодаря богатому железом ядру планеты, которое находится в постоянном вращении. Как у любого магнетика, у него есть юг и север. Магнитный полюс — это место, где поле проходит перпендикулярно поверхности Земли и где свободно вращающаяся магнитная стрелка будет указывать ровно вниз.

Из учебников физики мы знаем, что силовые линии магнитного поля входят в южный полюс и выходят из северного. Так что с точки зрения науки на севере у нас на самом деле находится южный магнитный полюс, а на юге — северный. Но земляне договорились отказаться от этой условности, чтобы избежать путаницы. Так что давайте перевернем страницу и забудем этот шаг в сторону от повествования.

Филип Ливермор с коллегами из Университета Лидса в Великобритании в относительно свежей научной работе пришли к выводу, что движение магнитного полюса на севере связано с «перетягиванием каната» между двумя участками отрицательного магнитного поля под Канадой и Сибирью. В последние годы канадское пятно значительно ослабло, что позволило сибирскому потянуть полюс в своем направлении. В следующий десяток лет полюс продолжит двигаться в сторону Сибири и пройдет расстояние в 660 километров.

«В период с 1999 по 2019 год на сибирском пятне наблюдалось незначительное усиление, а на канадском участке значительно снизилось абсолютное значение», — комментирует Ливермор.

Команда ученых смоделировала это изменение напряженности, чтобы выяснить, что за изменения в ядре Земли их вызвали, и пришли к выводу, что примерно в 1970-х годах в ядре произошло изменение потока жидкого железа.

В последние 7 тыс. лет северный магнитный полюс хаотично перемещался вокруг географического, следуя непредсказуемым потокам железа в ядре. И куда бы он ни двинулся сейчас, можно с уверенностью сказать, что вряд ли он останется там надолго.

Читайте также:

Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!

Есть о чем рассказать? Пишите в наш Telegram-бот. Это анонимно и быстро

Куда бежит магнитный полюс?

Куда указывает стрелка компаса? Ответ на этот вопрос даст любой: конечно, на Северный полюс! Более осведомленный уточнит: стрелка показывает направление не на географический полюс Земли, а на магнитный, и что в реальности они не совпадают. Самый знающий добавит, что магнитный полюс вообще не имеет постоянной «прописки» на географической карте. Судя же по результатам последних исследований, полюс не только имеет природную склонность к «бродяжничеству», но в своих блужданиях по поверхности планеты иногда способен перемещаться со сверхзвуковой скоростью!

О смещении географического положения магнитных полюсов на поверхности планеты ученые заговорили с начала прошлого века после повторных, с интервалом в год, измерениий координат истинного Северного магнитного полюса. С тех пор в научной печати достаточно регулярно появляется информация об этих «странствиях», особенно Северного магнитного полюса, который сейчас уверенно движется от островов Канадского арктического архипелага к Сибири. Раньше он перемещался со скоростью около 10 км в год, в последние же годы эта скорость возросла (Newitt et al., 2009).

В СЕТИ ИНТЕРМАГНЕТА

Но это касается изменения географического положения полюсов год от года, а насколько стабильно они ведут себя в масштабе реального времени – в течение секунд, минут, суток? Судя по наблюдениям путешественников, полярных мореплавателей и авиаторов, магнитная стрелка иногда вертится «как бешеная», поэтому устойчивость положения магнитных полюсов давно ставилась под сомнение. Однако до сих пор ученые не пытались оценить ее количественно.

В магнитных обсерваториях мира сегодня ведется непрерывная запись всех компонентов вектора магнитной индукции, которые применяют для расчета среднегодовых значений параметров магнитного поля и создания карт земного магнетизма, использующихся для выявления аномалий при проведении магниторазведочных работ. Эти же записи позволяют изучить и поведение магнитного полюса на временных интервалах меньше года.

Что же происходит с полюсом в спокойный период и во время магнитных бурь? Насколько сильно такая буря может «раскачать» магнитный диполь в центре Земли? И, наконец, насколько большую скорость способен в реальности развивать магнитный полюс?

Ответы на эти вопросы имеют не только научный, но и практический интерес. Ведь вместе со смещением магнитного полюса и расширением области его «блуждания» не только меняется область полярных сияний, но и возрастает риск возникновения аварийных ситуаций в протяженных линиях электропередач, помех в работе спутниковых навигационных систем и коротковолновой радиосвязи.

Сквозь магнитные бури

К угловым элементам земного магнетизма относятся магнитное склонение (Δ), равное углу между северным направлением истинного (географического) и магнитного меридианов, и магнитное наклонение (Ι) – угол наклона магнитной стрелки по отношению к горизонту. Склонение характеризует величину «расхождения» между географическим и магнитным азимутами, наклонение – удаленность наблюдателя от магнитного полюса. При значении Ι = 90° (когда магнитная стрелка располагается вертикально) наблюдатель находится в точке истинного магнитного полюса. В остальных случаях по значениям Δ и Ι можно рассчитать координаты виртуального магнитного полюса (ВМП), который не обязательно совпадает с истинным из-за того, что представление глобального магнитного поля Земли в виде единого диполя все-таки является неоправданно упрощенным при его детальном исследовании.

Одним из самых, на наш взгляд, эффективных и наглядных способов исследования поведения полюсов является преобразование значений элементов земного магнетизма в более «интегральные» и удобные для сопоставления характеристики – мгновенные координаты магнитных полюсов и локальную магнитную постоянную (Bauer, 1914; Kuznetsov et al., 1990; 1997). Преимущество этого преобразования в том, что оно не требует никаких предположений об истинных источниках наблюдаемого магнитного поля, но при этом позволяет увидеть, в частности, насколько магнитные полюса могут «разбегаться и разгоняться» на коротких (меньше года) временных интервалах.

Оказалось, что даже в дни спокойного состояния магнитного поля в периоды осеннего или весеннего равноденствия виртуальный северный магнитный полюс может вообще реально не побывать в точке своего рассчитанного «среднесуточного» положения! Дело в том, что в течение светового дня полюс не остается в неподвижности, а его «траектория» напоминает овал. Например, в спокойные дни по данным магнитной обсерватории «Ключи» (Новосибирск) северный магнитный полюс описывает по часовой стрелке петлю, вытянутую примерно на 10 км в направлении с юго-востока на северо-запад.

Во время магнитной бури колебания магнитной оси Земли происходят намного сильнее, но их также нельзя назвать хаотичными. Так, 17 марта 2013 г. всего за 20-минутный интервал магнитный полюс «пробежал» по эллипсу размером более 20 км, выписывая по пути мелкие вензеля с периодом в несколько секунд. Интересно, что в отдельные периоды возмущения магнитного поля полюс может менять направление своего движения, перемещаясь против часовой стрелки.

Одна из самых мощных магнитных бурь произошла 29–31 октября 2003 г. О степени «расшатывания» магнитного диполя ядра Земли во время этой бури можно судить по траектории движения северного магнитного полюса, который совершил настоящий «вояж» по окрестным островам, неоднократно отклоняясь в разные стороны на сотни километров от своей «нормальной», среднегодовой позиции. Для сравнения ­заметим, что путь, пройденный северным магнитным полюсом, рассчитанный по среднегодовым значениям склонения и наклонения на основе данных канадской обсерватории Резольют-Бей, за последние 40 лет представляет собой линию длиной не более 500 км.

Со скоростью звука

Сегодня в мире работает более ста магнитных обсерваторий, данные измерений которых сохраняются в единой базе ИНТЕРМАГНЕТ (InteRMagNet – International Real Magnetic Net). И хотя в ней обычно представлены данные с минутным интервалом, большинство магнитных обсерваторий измеряют значения элементов земного магнетизма ежесекундно. Но даже расчеты по средним минутным значениям на основе данных обсерваторий, расположенных на разных широтах земного шара, позволяют оценить закономерности и скорости движения магнитных полюсов.

Прежде чем рассчитать скорость движения полюса за определенный период времени, требуется преобразовать величины склонения и наклонения в координаты соседних географических точек, которые за это время посещал магнитный полюс, а затем оценить общую длину соединяющей их дуги большого круга, которая и является минимальной оценкой пути, пройденного полюсом. Именно минимальной – потому что эта дуга представляет собой кратчайший путь по сфере от одной точки до другой. А общая траектория объекта нашего исследования на поверхности земного шара как во время магнитных бурь, так и в период «покоя» представляет собой не просто дугу, а набор «петель» различной формы и размеров.

Для вычисления скоростей виртуальных магнитных полюсов мы выбрали 17 марта 2013 г.: в течение этих суток наблюдалось как спокойное, так и возмущенное состояние магнитного поля. Для каждой из 1440 минут этих суток на основе минутных значений характеристик земного магнетизма был рассчитан путь, пройденный виртуальным магнитным полюсом, и определена скорость его движения.

ЗДЕСЬ БЫЛ ПОЛЮС

Результаты вычислений впечатлили даже опытных магнитологов: оказалось, что в отдельные моменты магнитные полюса могут перемещаться не только со скоростью автомобиля, но и реактивного самолета, превышающего скорость звука!

Интересно, что полученные оценки скоростей зависели от географического положения обсерваторий, данные которых были использованы для расчетов. Так, по данным среднеширотных и низкоширотных обсерваторий скорости движения виртуальных магнитных полюсов (как средние, так и максимальные) оказались значительно меньше, чем по данным обсерваторий, расположенных в Арктике и Антарктике. Кстати сказать, степень удаленности обсерватории от истинного магнитного полюса аналогично влияет и на суточный разброс положения виртуального магнитного полюса. Эти данные также свидетельствуют в пользу того, что наиболее точную информацию о параметрах движения истинных магнитных полюсов можно получить именно в тех районах, где эти полюсы реально «блуждают».

Комментарий главного редактора

Магнитные обсерватории дают сегодня много информации об изменении географического положения магнитных полюсов Земли год от года. При этом скорости движения виртуальных магнитных полюсов, рассчитанные на основе данных обсерваторий из различных регионов, значительно варьируют (от 2-х до 65-ти км в год) и могут существенно меняться со временем. Арктические же исследования по установлению положения истинного северного магнитного полюса, которые в течение нескольких последних десятилетий ведут канадские магнитологи, очень сложны (Newitt, Niblett, 1986; Newitt, Barton, 1996, Newitt et al., 2009).

На практике магнитологи во время наблюдений в обсерваториях и «в поле», как правило, имеют дело с фактическими («мгновенными») значениями элементов земного магнетизма, привязанными к конкретной секунде и конкретному месту. И скорости движения магнитных полюсов, определенные на основе таких экспериментальных данных, оказываются намного больше скоростей, полученных при последующих усреднениях (минутных, часовых, суточных, годовых). При каждой такой процедуре траектории движения полюса становятся все более «выпрямленными», а скорости его движения, соответственно, уменьшаются.

Однако минутные и секундные данные магнитных обсерваторий, пересчитанные в соответствующие географические координаты магнитных полюсов, показывают удивительную подвижность последних. Представим себе сложность ситуации, в которую могут попасть наши канадские коллеги, занимающиеся установлением положения истинного северного магнитного полюса в то время, когда он «летает» мимо них со скоростью самолета ледовой разведки!

Любопытный вывод можно сделать и относительно инверсии магнитного поля Земли, то есть перехода северного магнитного полюса в южное полушарие (или южного – в северное). Если допустить, что истинные магнитные полюса могут приближаться к географическому экватору со среднегодовой скоростью порядка 10 км/год, то процесс инверсии может уложиться в 1–2 тыс. лет. Но если бы они могли достаточно долгое время сохранять такое целенаправленное движение со скоростью самолета, автомобиля или даже пешехода, то инверсия произошла бы за считанные годы, дни и даже часы!

Чем ближе к полюсу находится магнитная обсерватория, тем ближе будут располагаться координаты истинного магнитного полюса и виртуального, рассчитанного на основе параметров магнетизма, измеренного этой обсерваторией. Ближайшими к северному магнитному полюсу обсерваториями в последние годы были канадская магнитная обсерватория «Резольют-Бей» и российская – «Мыс Челюскин». При этом, как свидетельствует многолетние данные, от первой обсерватории полюс удалялся, а ко второй приближался. В ближайшие десятилетия область «блуждания» северного магнитного полюса может переместиться в российский сектор Арктики, поэтому уже сейчас, на наш взгляд, уместно ставить вопрос об организации российской службы истинного магнитного полюса. Остро встает вопрос и об организации современной арктической геомагнитной обсерватории на побережье моря Лаптевых или архипелаге Северная Земля вместо обсерватории «Мыс Челюскин», закрытой в 2011 г.

Bauer L. A. The local magnetic constant and its variations // Terr. Mag. (Washington), 1914. V. 19. P. 113—125.

InterMagNet (International Real Magnetic Network, 2013) register. URL: http://www.intermagnet.org/data-donnee/

Kuznetsov V. V., Pavlova I. V., and Semakov N. N. Estimation of the Position of Virtual Magnetic Poles // Geol. Geofiz. 1990. V. 31. N. 2. P. 115—116.

Kuznetsov V. V., Pavlova I. V., Semakov N. N., Newitt L. R. Virtual magnetic poles, magnetic anomalies, and the location of the north magnetic pole //Russian Geology and Geophysics, 1997. V. 38. N. 7. P. 1312—1320.

Merrill R. T., McElhinny M. W., and McFadden P. L. The magnetic field of the Earth, paleomagnetism, the core and the deep mantle //Academic Press, 1998. 531 pp.

Newitt L. R. and Barton C. E. The position of the North Magnetic Pole in 1994 // J.Geomag. Geoelectr., 1996. V. 48. P. 221—232.

Newitt L. R., Chulliat A., and Orgeval J.-J. Location of the North Magnetic Pole in April 2007 // Earth Planets Space, 2009. V. 61. P. 703—710.

Newitt L. R. and Niblett E. R. Relocation of the north magnetic dip pole //Can. J. Earth Sci. 1986. V. 23. P. 1062—1067.

Weinberg B. P. Catalogue of magnetic determinations in U.S.S.R. and in adjacent countries from 1556 to 1926 //Central Geophysical Observatory, Leningrad, 1929.

Авторы благодарят всех сотрудников магнитных обсерваторий сети «ИНТЕРМАГНЕТ», данные которых были использованы в работе

Что такое магнитное поле Земли: составляющие, работа и изменения

Магнитное поле Земли – это настоящая загадка для ученых. Несмотря на то, что основным теориям его происхождения и механизма работы уже чуть больше века, полностью объяснить процессы внутри планеты пока не удается. Попробуем разобраться в неизведанном вместе.

Строение и характеристики магнитного поля Земли

Геомагнитное поле неоднородно. В зависимости от особенностей формирования и механизмов работы ученые выделяют 3 основные его части. Но каждая работает как часть единой системы – магнитосферы, неотделимо от других составляющих магнитного поля Земли.

Главное поле

Это поле, которое формируется в жидком железном внешнем ядре планеты и составляет около 90% его мощности. По сути можно представить всю планету, как огромный стержневой магнит с силовыми линиями, простирающимися в космос. Его ось проходит рядом с ядром и наклонена примерно на 10° по отношению к планетарной.

Там, где воображаемая линия выходит из Земли находятся полюса магнитного поля:

1. Северный перемещается по территории Канады. С 2015 по 2020 годы его географическое положение установили на острове Эсмир.
2. Южный «сбежал» с берегов Антарктиды возле станции «Восток» и постепенно продвигается по морю Моусона в Индийском океане к Австралии.

Учитывая, что источник поля жидкий и постоянно находится в движении, геомагнитные полюса сдвигаются примерно на 2 мм в секунду. Поэтому ежегодно Национальное агентство геопространственной разведки США (NOAA) публикует данные об изменениях. Последние правки в магнитную карту внесли в 16 декабря 2021 года.

Поля мировых аномалий

В отличие от обычного стержневого магнита, силовые линии вокруг планеты не распространяются идеально согласно математической модели диполя. Им «мешает» ряд аномалий, провоцирующих локальное изменение магнитного поля Земли.

Ученые делят их на 3 типа по площади:

1. Местные. Это области площадью до 1000 км 2 . Они появляются из-за залежей магнитных пород, ударов молний, падений метеоритов. Отличаются минимальным влиянием на глобальную геомагнитную картину.
2. Региональные. Их протяженность может составлять до 10000 км 2 . Это аномалии, связанные с намагниченностью кристаллического фундамента земной коры, извержениями базальтовых магматических пород при смещении тектонических плит. Создают сложные магнитные взаимодействия с главным полем в соответствии с принципом суперпозиции.
3. Континентальные. Это аномалии площадью до 100000 км 2 . Они уже по сути являются миниверсиями основного поля планеты. Континентальные аномалии дипольны и формируются из-за завихрений течений во внешнем ядре.

Источники магнитных аномалий находятся на разной глубине. Поэтому их силовые линии взаимодействуют, пересекаются и накладываются, что только усложняет общую картину.

Внешнее магнитное поле

Электрические токи в ионосфере планеты также формируют постоянное магнитное поле Земли. Молекулы воздуха выше 100 км от поверхности ионизируются и превращаются в плазму. Поэтому данная часть магнитосферы также называется плазмосферой. Она удерживается главным полем планеты и выступает в роли щита от солнечной плазмы. Ее внешний слой располагается на удалении в 3 земных радиуса.

Магнитосфера планеты же распространяется дальше до области, которая называется магнитопаузой. В ней магнитное воздействие Солнца и Земли уравновешивается.

Заряженные частицы солнечного ветра обтекают магнитосферу, но часть их захватывается в области хвоста. Эти частицы формируют 2 радиационных пояса вокруг планеты: внутренний на высоте 500 км и внешний – на 10000 км. Когда частицы из радиационного пояса попадают в нижние слои атмосферы, появляются полярные сияния. Обычно это происходит только в области вокруг магнитных полюсов.

Характеристики поля

Обычно при исследовании и определении физических показателей магнитного поля Земли в отдельных точках используется трехмерная диаграмма.

Она формируется на основании данных о:

1. Напряженности, измеряемой в Гауссах или микротеслах. Она уменьшается от полюсов к экватору. Также ученые обнаружили, что есть временной цикл изменений напряженности с шагом в 200 млн лет.
2. Наклонение. Источник поля находится под землей. Поэтому и силовые линии не распространяются строго над поверхностью планеты. Ученые используют вертикальный угол для определения наклонения. На магнитном полюсе он равен 90°. На экваторе – 0°.
3. Склонение. Это параметр, показывающий, куда и насколько смещен магнитный полюс по отношению к географическому.

Если же брать физические данные об индукции, напряженности и других показателях магнитного поля Земли, то обычно применяются усредненные показатели на конкретный год.

Так, по данным за 2015 год от NOAA:

Характеристики магнитного поля Земли

Индукция (интенсивность)		27-63 мкТл
Напряженность	Экватор	0,33 Э
	Магнитный полюс	0,67 Э
	В зоне аномалий	до 1,9 Э
Дипольный момент		7,72х1025 Гс·см³

Природа магнитного поля Земли

Основную теорию, объясняющую формирования геомагнитного поля придумал в 1919 году ирландец Джозеф Лармор. Она предполагает, что причиной формирования поля является геодинамо. То есть процесс предположительно выглядит следующим образом.

Твердое внутреннее ядро вырабатывает тепло за счет ядерной реакции распада. Затем жидкий железный внешний слой отводит тепло. Потоки закручиваются спиралями за счет силы Кориолиса и формируют так называемые столбы Тейлора – огромные спиралевидные течения внутри планеты.

Потоки внутри внешнего ядра создают трение и генерируют электрический ток, усиливая небольшое природное магнитное поле металлов. Это провоцирует усиление токов и выработку все большего количества тепла, пока процесс не стабилизируется.

Существует также версия, что магнитное поле формируется за счет вращения Земли на основе приливных сил. Но она менее распространена и основной в настоящее время считается теория геодинамо.

Изменения магнитного поля Земли

Ежегодно магнитные полюса постепенно сдвигаются. При этом согласно отчетам NOAA этот процесс ускоряется. Так вместо запланированного смещения с 2015 по 2018 годы на 5°, магнитные полюса сдвинулись на 8°.

Параллельно с этим происходит постепенное ускоряющееся ослабление поля. По данным научного журнала Scientific American в 20-м веке процесс шел со скоростью 5% в столетие. На 2014 год он ускорился в 10 раз до 5% за десятилетие.

Поклонники концов света тут же заявили, что все вокруг будет уничтожено, ведь вот-вот магнитные полюса поменяются местами, а поле исчезнет.

Среди наиболее популярных теорий катастроф можно выделить следующие:

1. Солнечный ветер уничтожит всю электронику на планете. Сгорят даже провода. Технологический прогресс будет отброшен на 200 лет назад.
2. Животные потеряют ориентиры и сойдут с ума. Для примера, перелетные птицы ориентируются на магнитные полюса при перелетах, а пчелы строят соты в соответствии с изолиниями.
3. Все живое умрет из-за солнечной радиации. Альтернативный вариант – все потеряют память.

Однако согласно статье от НАСА, эти теории не имеют под собой основания. Во время смены полюсов магнитные потоки перепутаются и компасы действительно перестанут адекватно работать. Но защитное поле магнитосферы никуда не денется. Максимальное влияния на человеческую жизнь, которое окажет подобный процесс – возможность любоваться северным сиянием в самых разных точках на планете.

Смещение магнитных полюсов Земли

Это естественный и нерегулярный процесс для планеты, но он отражается на структуре геологических пород. Поэтому ученые смогли получить некоторые данные о его течении. Так за последние 83 млн лет магнитные полюса поменялись местами уже 184 раза. Периодичность разворотов различная, между событиями были обнаружены перерывы от 100 тыс. до 50 млн лет. В среднем на полную инверсию полюсов планета тратит от 2000 до 12000 лет.

Последняя инверсия названа событием Брунхеса-Матуямы. Она произошла 781000 лет назад и заняла по разным подсчетам от 100 до 22000 лет. Последнее неполное обращение (экскурсия) случилось не так давно – 42000 лет назад. Оно называется событием Лашампа и произошло как раз в последний Ледниковый период.

Ученые до сих пор не выработали единой теории, объясняющей как происходит смена полюсов и что ее вызывает.

На данный момент существует 3 версии изменений в работе магнитного поля Земли:

1. Неорганизованное динамо. Согласно компьютерным моделям, столбы Тейлора могут случайно накладываться друг на друга и перепутываться. Это приводит к реорганизации потоков и смещению магнитных полюсов. Аналогичные процессы с итоговой инверсией магнитного поля регулярно наблюдаются на Солнце.
2. Внешняя и внутренняя оппозиция. Дэвид Губбинс считает, что смена потоков внутри внешнего ядра вызывает экскурсии, а если подземная буря затронет и внутреннее ядро – инверсию магнитного поля и полную смену полюсов.
3. Внешний драйвер. Американский ученый Ричард Мюллер считает, что инверсии и экскурсии нерегулярны, потому что вызываются внешними событиями. Он считает, что полюса смещаются из-за смены потоков во внешнем ядре, вызванной падением метеорита или тектоническими сдвигами. При этом оно всегда должно сопровождаться глобальными изменениями климата.

Последние научные данные указывают, что экскурсии и инверсии могут быть связаны с ледниковыми периодами и вымираниями живых существ. Но пока достоверной статистической информации нет. Для примера, в Новой Зеландии была обнаружена окаменелость дерева каури, которое как раз смогло успешно пережить событие Лашампа и ледниковый период.

Геомагнитные координаты (координаты Мак-Илвейна)

Систему придумал малоизвестный американский ученый Карл Мак-Илвейн (или Илвайн в некоторых источниках). Он предложил контролировать движения заряженных частиц в магнитном поле в соответствии с его индукцией и параметром Мак-Илвейна. Это помогает проводить анализ радиационных поясов вокруг планеты и обнаруживать новые скопления заряженных частиц.