Магнитное поле Земли: как оно устроено и как защищает жизнь на планете

Как возникает магнитное поле Земли

Земля — это, фактически, огромный электромагнит. Течение жидкого металла во внешнем ядре Земли порождает хаотические электрические токи. Вращение Земли вокруг своей оси заставляет эти токи образовывать магнитное поле, которое распространяется вокруг всей планеты. В свою очередь, магнитное поле упорядочивает токи. В результате такой  обратной связи процесс становится самоподдерживающимся.

Магнитное поле Земли простирается от ядра до верхних слоев атмосферы, ограничивая область, известную как магнитосфера. Она состоит из невидимых силовых линий, исходящих из одного полюса и входящих в другой.

Магнитное поле Земли довольно слабое — порядка 10^-5 Тл (тесла). Для сравнения, бытовой холодильник образует магнитное поле с магнитной индукцией 0,05 Тл, магниты Большого адронного коллайдера способны «выдать» 8,3 Тл, а магнитные поля нейтронных звезд составляют от 10⁶ до 10⁸ Тл.

Почему магнитное поле Земли так важно для жизни на ней

Силовые линии магнитного поля препятствуют проникновению в атмосферу Земли «солнечного ветра» — потоков заряженных частиц, опасных для всего живого. Магнитное поле отклоняет солнечный ветер от Земли, как камень в ручье или лобовое стекло автомобиля отклоняют поток воды или воздуха. Кроме того, магнитное поле препятствует испарению земной атмосферы в космос под воздействием ультрафиолетового излучения.

То, что произошло бы с Землей в отсутствие магнитного поля, можно увидеть на примере Марса. Поскольку в ядре Марса в какой-то момент стало слишком мало текучего жидкого металла, магнитное поле ослабело, атмосферу унесли солнечными ветрами, и Марс стал непригодным для жизни.

Различные возмущения в атмосфере – от гроз до вспышек солнечной активности — вызывают колебания магнитного поля Земли. Метеочувствительные люди в такие дни жалуются на головные боли и общее недомогание. Большинство людей магнитных бурь не замечают. Но их можно «услышать». Международная группа ученых, используя данные миссии Европейского космического агентства Cluster, создала запись магнитной «песни» Земли, когда на нее обрушивается солнечная буря.

Напоминает звуковые эффекты из фантастического фильма.

Как Северное сияние связано с магнитным полем Земли

Когда заряженные частицы солнечного ветра сталкивается с атомами газа в земной атмосфере, они тормозятся при ударе, и, сбавив скорость, начинают двигаться по силовым линиям магнитного поля Земли. Избыток энергии излучается в виде света (фотонов). Так получается световое шоу, известное как Северное сияние.

Северное сияние характерно для полярных регионов, но в короткие промежутки времени оно может наблюдаться и в других частях мира.

Почему географический и магнитный полюса не совпадают

Географические полюса обозначают условную ось вращения Земли. Но на течение жидкого металла в ядре Земли, помимо вращения планеты, влияют также процессы в самом ядре и литосфере. При этом ядро не строго симметрично, а процессы в нем бывают локальными.  Поэтому координаты географического полюса и магнитного полюса не совпадают. Кроме того, магнитные полюса постоянно дрейфуют относительно географических полюсов со скоростью несколько километров в год.

В 2020 году координаты Южного магнитного полюса были такими: 64,07 ° ю.ш., 135,88 ° в.д. (на фото сверху). Северный же магнитный полюс в настоящее время находится примерно в десяти градусах от географического Северного полюса, в Северном Ледовитом океане недалеко от Аляски. Таким образом, северный конец компаса в настоящее время указывает примерно на Аляску, а не точно на географический север.

Любопытный курьез: по традиции конец магнита, указывающий на север, называется северным. Начало этой традиции положил французский ученый XIII века Пьер Пелерен де Марикур, который подписывал свои труды псевдонимом Пётр Перегрин. Он одним из первых изучил и описал свойства магнита, сделал инструкцию, как намагнитить иглу (компас), и заметил, что магнит всегда ориентируется по линии север-юг. Перегрин назвал концы стрелки компаса соответственно северным и южным. В современных учебниках концы постоянных магнитов всегда изображают красным (N, North) и синим (S, South).

Естественно, Петр Перегрин ничего не знал ни о природе магнитных полей, ни о наличии у Земли магнитных полюсов. Однако теперь каждый школьник знает, что у магнитов притягиваются противоположные полюса, и «северный» полюс магнита в стрелке компаса, по логике названия, притягивается к южному, а не северному, магнитному полюсу Земли. Таким образом, магнитный полюс, расположенный в Северном полушарии, является фактически южным по магнитной полярности.

 

В любой точке земной поверхности вектор напряженности магнитного поля Земли направлен по касательной к его силовым линиям. На экваторе он направлен горизонтально относительно уровня моря и ровной земной поверхности, у магнитных полюсов — вертикально. Это позволяет говорить о вертикальной и горизонтальной составляющих магнитного поля Земли. Как видно из рисунка, вблизи от магнитных полюсов горизонтальная составляющая магнитного поля Земли крайне мала.  Поэтому магнитные компасы в полярных широтах работают плохо.

Угол между географическим и магнитным меридианами, в каждой точке земной поверхности, который показывает отличие между показаниями магнитного компаса и истинным направлением на географический север, называют магнитным склонением. Значение магнитного склонения указывается на магнитных картах и используется для определения истинного меридиана по показанию магнитного компаса.

Почему магнитные полюса Земли время от времени меняются местами

Да, магнитное поле Земли периодически меняет свою полярность: северный и южный магнитные полюса меняются местами. Последний раз это случилось 781 тыс лет назад. Информация об изменениях полярности — инверсиях магнитного поля — зафиксирована в горных породах и рудах, содержащих ферромагнитные минералы. Изучая остаточную намагниченность, приобретенную в момент формирования этих пород, ученые могут судить о состоянии магнитного поля Земли в прошлом.

С тех пор, как родилась Земля, магнитные полюса менялись местами минимум несколько сот раз. Происходило это  с разными временными интервалами: от 30 тысяч лет до нескольких десятков миллионов. Сначала геофизики не могли найти никакой закономерности. Сейчас считается, что интервал зависит от скорости глобальной субдукции – погружения в мантию одних литосферных плит земной коры под другие. Субдукция воздействует на устоявшиеся течения во внешнем ядре Земли, замедляя и изменяя их. Это, в конечном итоге, и может привести к остановке «планетарного динамо» и его перезапуску в обратном направлении.

Предполагается, что в этот момент напряженность магнитного поля резко падает, и Земля оказывается беззащитной перед космическим излучением; затем напряженность магнитного поля восстанавливается , но через десятки тысяч лет. И этого времени вполне достаточно, чтобы на Земле погибла значительная часть живых существ. Инверсии магнитного поля  считаются одной из вероятных причин массовых вымираний.

Читайте также:

Магнитное поле Земли слабеет из-за загадочной аномалии

Ядро Земли оказалось асимметричным. Как это влияет на магнитное поле?