§ 54. Магнитное поле Земли

ПЛАНЕТА ЗЕМЛЯ КАК ГИГАНТСКИЙ МАГНИТ И ЕЁ ПОЛЮСЫ

С древнейших времён мореплаватели и путешественники ориентировались по магнитной стрелке компаса. Стрелка, свободно вращающаяся на острие, в любой точке планеты сама поворачивается и указывает определённое направление. Это происходит потому, что планета Земля сама представляет собой гигантский естественный магнит, окружённый невидимым магнитным полем (рис. 142).

Магнитные линии поля Земли выходят из одного участка планеты, огибают земной шар в космическом пространстве и входят в противоположный участок, замыкаясь в недрах планеты. Те области земной поверхности, где магнитные линии направлены строго вертикально (перпендикулярно горизонту), называют магнитными полюсами Земли.

Главная и самая неожиданная особенность земного магнетизма заключается в расположении магнитных полюсов:

• Поскольку северный полюс магнитной стрелки (N) по закону физики притягивается к противоположному, южному полюсу магнита, а стрелка компаса указывает на север, это означает, что вблизи Северного географического полюса Земли расположен её Южный магнитный полюс (S).
• Соответственно, вблизи Южного географического полюса Земли расположен её Северный магнитный полюс (N).

Географические и магнитные полюсы планеты не совпадают друг с другом. Ось вращения Земли наклонена по отношению к магнитной оси, поэтому стрелка компаса (рис. 143) указывает на географический север лишь приблизительно. Угол между направлением на географический север и направлением магнитной стрелки называют магнитным склонением; его обязательно учитывают штурманы морских судов и пилоты авиации.

ДРЕЙФ МАГНИТНЫХ ПОЛЮСОВ И ПРИРОДА ГЕОМАГНЕТИЗМА (ГЕОДИНАМО)

Многолетние научные наблюдения показали, что магнитные полюсы Земли не зафиксированы на месте, а непрерывно и с разной скоростью перемещаются — совершают дрейф. По данным измерений на 2020 год, магнитные полюсы занимали следующие координаты:

• Южный магнитный полюс (расположенный в Северном полушарии, в районе Канадского Арктического архипелага и смещающийся в сторону Сибири): около 86,5° с. ш. и 162,9° в. д.;
• Северный магнитный полюс (расположенный у берегов Антарктиды): около 64,1° ю. ш. и 135,9° в. д.

Каково происхождение магнитного поля Земли?

Внутри земного шара нет твёрдого стального стержня: при температурах в тысячи градусов любые постоянные магниты полностью теряют свои свойства (размагничиваются). Современная наука объясняет геомагнетизм теорией геодинамо:

• Земля обладает массивным металлическим ядром, состоящим преимущественно из расплавленного железа и никеля.
• В жидком внешнем ядре происходят непрерывные тепловые конвекционные потоки электропроводящей магмы, вращающейся вместе с планетой.
• Движение колоссальных масс расплавленного металла порождает мощные круговые электрические токи, которые, по закону электродинамики, создают глобальное магнитное поле планеты.

ЗАЩИТНЫЙ ЩИТ ЗЕМЛИ: МАГНИТОСФЕРА И СОЛНЕЧНЫЙ ВЕТЕР

Магнитное поле Земли простирается в космос на десятки тысяч километров, образуя невидимую защитную оболочку — магнитосферу.

Солнце непрерывно испускает во все стороны мощный поток высокоэнергетических заряженных частиц (протонов и электронов), летящих со скоростями в сотни километров в секунду — так называемый солнечный ветер. Кроме того, на планету непрерывно обрушиваются космические лучи из глубин Вселенной.

Если бы у Земли не было магнитного поля, этот губительный радиационный поток сдул бы атмосферу планеты, испарил океаны и уничтожил всё живое на поверхности (именно это произошло с Марсом, потерявшим своё магнитное поле миллиарды лет назад). Магнитосфера Земли работает как гигантский отражатель: магнитные силы отклоняют летящие заряженные частицы в стороны, заставляя их огибать планету или захватывая их в радиационные пояса на огромной высоте.

МАГНИТНЫЕ АНОМАЛИИ: КУРСКАЯ МАГНИТНАЯ АНОМАЛИЯ (КМА)

В большинстве районов планеты магнитное поле распределено относительно спокойно и равномерно. Однако на Земле существуют особые зоны, где стрелка компаса полностью сбивается с толку, начинает хаотично вращаться или указывает совершенно неверное направление. Такие области называют магнитными аномалиями (от греческого anomalia — отклонение, неправильность).

Причина аномалий — залегание близко к поверхности огромных подземных месторождений железных руд (в первую очередь природного магнитного железняка — магнетита), обладающих сильным собственным магнетизмом.

Крупнейшей на планете является Курская магнитная аномалия (КМА), расположенная на территории Курской, Белгородской и Орловской областей России. Здесь сосредоточены колоссальные мировые запасы железной руды. Магнитное притяжение залежей настолько мощное, что в некоторых точках стрелка компаса вертикально устремляется прямо в землю! Известны также Восточно-Сибирская, Канадская и Бразильская магнитные аномалии. Подобные искажения поля служат геологам надёжным ориентиром для поиска новых месторождений полезных ископаемых.

МАГНИТНЫЕ БУРИ И ПОЛЯРНЫЕ СИЯНИЯ

Иногда спокойное магнитное поле Земли испытывает резкие и сильные возмущения, длящиеся от нескольких часов до нескольких суток. Такие явления называют магнитными бурями (рис. 142).

Механизм возникновения магнитных бурь:

1. При сильных вспышках и взрывах на Солнце в космическое пространство выбрасываются колоссальные сгустки солнечной плазмы (миллиарды тонн заряженных частиц).
2. Спустя 1–2 суток этот мощный плазменный фронт достигает окрестностей Земли и с силой ударяет по её магнитосфере.
3. Вторжение солнечных зарядов резко деформирует магнитное поле Земли, вызывая быстрые и хаотичные скачки его напряжённости.

Магнитные бури сопровождаются масштабными последствиями:

• Полярные сияния: В приполярных широтах захваченные полем электроны и протоны прорываются в верхние слои атмосферы и бомбардируют атомы кислорода и азота, заставляя их светиться ослепительными изумрудно-зелёными и фиолетовыми переливами на высоте 100–400 км.
• Техногенные сбои: Резкие колебания поля наводят паразитные вихревые токи в протяжённых проводниках, приводя к авариям на линиях электропередачи, сбоям в трансформаторах, отказу спутниковой электроники, радиосвязи и систем GPS-навигации.
• Биологическое действие: У метеозависимых людей и людей с сердечно-сосудистыми заболеваниями во время магнитных бурь наблюдаются скачки артериального давления и ухудшение самочувствия.

Магнетизм планет:

Собственными магнитными полями обладают и другие планеты Солнечной системы. Например, у газового гиганта Юпитера магнитное поле в 20 раз сильнее земного, а его радиационные пояса простираются на миллионы километров. У Солнца поле примерно в 200 раз мощнее земного, а у открытых астрономами нейтронных звёзд (магнетаров) напряжённость поля превосходит земную в триллионы раз.