Открихме нов етап в развитието на науката за земния магнетизъм, наука, която съществува вече четири века.

Както знаете, през 1600 г. в Лондон е публикувана известната книга на Уилям Гилбърт „За магнита“, където за първи път е установено, че нашата планета е голям сферичен магнит, който не се различава по своите прояви на повърхността от всеки друг сферичен магнит. Сферичните магнити са изработени от Гилбърт от естествена магнетизирана желязна руда (магнетит) и са изследвани като модели на Голямата Земя. Такъв малък модел на земното кълбо е наречен от Гилбърт terrella - земя.

През следващите векове изучаването на магнетизма на нашата планета се развива интензивно. В момента изучаването на земното магнитно поле е разклонена област на знанието, свързана с много науки за Земята и Слънцето. Благодарение на най-новите научни изследвания наскоро бяха очертани пътища, които правят възможно, поне в общи линии, да се изясни произходът на земния магнетизъм. За първи път след много десетилетия интензивни търсения и търсения учените успяха да измерят интензитета на геомагнитното поле не само на повърхността на планетата, но и на големи разстояния от Земята. В момента устройствата, инсталирани на изкуствени спътници и ракети, отварят завесата пред тайните на разпространението на магнитното поле на големи разстояния от центъра на Земята. Сега можем, въз основа на внимателни наблюдения, да заявим, че източниците на земния магнетизъм са главно в три сфери на нашата планета: в ядрото, кората и високата атмосфера. Основното магнитно поле на Земята е повече или по-малко постоянно. Това се обяснява от повечето съвременни изследвания като резултат от действието на затворени системи от електрически токове в течноподобно ядро, чиято външна обвивка е на 3000 километра от земната повърхност. Вътре в сърцевината има, така да се каже, намотка от проводник, протичаща с електрически ток. Той създава основното магнитно поле, наблюдавано на Земята, и контролира движението на стрелката на компаса. Но първичното поле не е строго постоянно: то се променя, отразявайки промените в силата и посоката на електрическия ток. Такива промени изглежда са два вида: някои са много бавни, откриваеми след десетки хиляди години, а други са по-бързи, вековни промени. Последните се обясняват със суперпозицията върху полето на основните токови системи в течното ядро ​​на полета от малки вихрови течения, образувани на повърхността му и бързо движещи се от изток на запад.

Както е известно, географските и магнитните полюси на Земята не съвпадат, а ъглите между магнитните и географските меридиани, наречени деклинация, се променят във времето поради вековния ход на полето. Но за да използвате компаса в морската и въздушната навигация, е необходимо да знаете точно разпределението на деклинацията по цялата повърхност на земното кълбо. За тази цел в много страни е създадена държавна служба на земния магнетизъм, която следи състоянието на магнитното поле на Земята, изготвя карти на разпространението на това поле, необходими за навигационно обслужване и други практически нужди.

Втората област от източници на геомагнитно поле е земната кора. Скалите, съдържащи оксиди на желязо и други феромагнитни метали, охлаждайки се в първичното магнитно поле на Земята, могат да придобият много силна магнетизация. Интересно е да се отбележи, че именно този преформиран магнетизъм на железните руди създава първата идея, че Земята е феромагнитна магнетизирана топка (Гилбърт). Но феромагнитните елементи са неравномерно разпределени в земната кора. Там, където са се натрупали повече, са открити значителни отклонения от нормалното в разпределението на магнитното поле. Такива места на повърхността на Земята се наричат ​​магнитни аномалии. В нашата страна има много магнитни аномалии. На една от тях - Курската магнитна аномалия - силата на магнитното поле е пет пъти по-голяма от средната сила на земното поле. Провеждането на магнитно изследване е от голямо научно и практическо значение, тъй като е свързано със систематичното използване на полезните изкопаеми в земната кора и изясняването на структурата на геомагнитното поле като цяло.

Трябва също така да се отбележи, че изследванията на магнитното поле, което възниква в земната кора, в момента служат за изясняване на много въпроси от геоложката история. В далечни геологични времена, на стотици милиони години от нас, са се случвали вулканични изригвания; лавите се охладиха в магнитното поле на Земята и в същото време се намагнетизираха в посоката на магнитното поле на Земята, което съществуваше тогава. Ако оттогава скалите не са били подложени на сериозни размествания и измествания, тогава чрез избиране на парчета от тези скали и измерване на посоката на остатъчната магнетизация може да се разбере как е било насочено геомагнитното поле по време на епохата на охлаждане на лавата. Оказа се също, че седиментните скали, включително зърната от предварително магнетизирани феромагнитни скали, когато са били отложени във водни тела, са фиксирали в себе си посоката на геомагнитното поле, което е съществувало по време на образуването на скалите. Изследванията на скали, които позволяват да се определи как е насочено геомагнитното поле в отдалечени геоложки епохи, се наричат ​​палеомагнитни. През последните години беше извършен обширен цикъл от такива работи. В резултат на това учените стигнаха до извода, че земното поле във всички геоложки епохи има същата структура като сегашното време, тоест това е поле на магнетизирана топка с два полюса (дипол); но в различно време тези полюси променят мястото си на повърхността на Земята; например през докамбрия северният магнитен полюс се премества от северозапад на изток и по-нататък в югоизточна посока.

Изработка и изпращане на Анатолий Кайдалов.
_____________________

Читател!
Първо, трябва честно да ви предупредя: въпросът, който току-що прочетохте на корицата, е "Защо Земята е магнит?" - ужасно сложно. Нещо повече, признавам ви тайно: все още няма окончателен отговор на него. Но не е ли интересно да се опитате сами да разрешите мистерията, която никой в ​​света все още не е разрешил? Знам, че трудностите няма да те уплашат! Но вие, като разумен човек, разбирате добре: с докосване, с такъв бърз замах няма да разкриете тайната на природата. Трябва да се подготвите правилно, да проучите от всички страни проблема, с който трябва да се справите. Но сложният въпрос има много страни. В какъв ред трябва да се изучават?
Нека направим план за действие. Тъй като сте решили да разберете защо Земята е магнит, не ви пречи първо да се запознаете със свойствата на магнитите. Въоръжени с тази информация ще можете да изследвате магнитните свойства на нашата прекрасна планета. И тогава се опитвате да намерите обяснение за тези свойства.
За експерименти ще ви трябва малко: магнит, игли, пирон, железни стружки (можете да ги получите, като изпилите същия пирон върху лист хартия с фино назъбена пила), парче тел и батерия за фенерче.
И така, към бизнеса!

КАК ДА СИ НАПРАВИМ МАГНИТЕН КОМПАС?

Докоснете с игла всеки магнит в апартамента: магнитен държач за сапун, магнит за високоговорител или в най-лошия случай магнитна гума на вратата на хладилника.
Поставете иглата върху железните стружки. Вижте: железни зърна веднага се залепиха по него! Преди не залепваха, а сега залепват. Оказва се, че щом иглата „заговори“ с магнита, тя самата стана магнит - намагнетизира се!
Но обърнете внимание: в средата на иглата зърната се забиха малко, но краищата са залепени наоколо, така че се оказаха „таралежи“! Това означава, че в краищата магнитът привлича много по-силно, отколкото в средата.
Можете да проверите това с помощта на друг опит: докоснете с пирон средата на намагнетизирана игла - тя няма да се привлече, но ако докоснете краищата - ще се привлече. Мястото, където магнитът привлича най-силно, се нарича ПОЛЮС.
Колко игли имат такива места? Пребройте накратко – две.
Така че има два полюса. Има ли разлика между тях?
Прикрепете магнитна игла към поплавъка (може просто да пробиете парче корк или стиропор) и го оставете да плува в чинията.
Вижте: иглата се е обърнала така, че единият край сочи на север, а другият на юг. Можете да проверите това със Слънцето (по обед то е точно на юг) или с компас.
Опитайте да завъртите иглата-магнит наобратно. Виждате ли - тя веднага се върна на предишната си позиция. И упорито се връща, както и да го въртите.
Но тъй като единият магнитен полюс винаги е обърнат на север, а другият - на юг, тогава полюсите на магнита са различни един от друг!
Естествено, полюсът, който гледа на север, се нарича СЕВЕРЕН ПОЛЮС, а този, който гледа на юг, се нарича ЮЖЕН ПОЛЮС.
Магнитният компас, използван от моряците в древността, е много подобен на вашия домашен компас: той беше просто магнит върху поплавък.
Модерен корабен компас също има поплавък, но художникът не го е нарисувал така, че да виждате магнитите. Има няколко от тях в морския компас (четири или шест).
Колкото и да се накланя корабът, когато се търкаля, магнитите ще останат в хоризонтално положение.

ВЪЗМОЖНО ЛИ Е ДА СЕ ОТДЕЛИ СЕВЕРНИЯТ МАГНИТЕН ПОЛЮС ОТ ЮЖНИЯ?

Счупете магнитната си игла по средата (какво да правите, науката струва пари!). Само внимавайте да не се убодете: увийте иглата с мокра кърпа или хартия и след това я счупете. Готов? Сега поставете двете половини върху железните стружки. И едното, и другото, сякаш нищо не е било, привличат и двата края!
Оставете да плава тази половина от иглата, която искате да лишите от южния полюс, оставяйки я само на север. Той все още гледа на север, а другият край на половината - този, който живееше в средата на иглата - на юг. Значи това е Южният полюс!
По същия начин ще се убедите, че втората половина, на която сте искали да оставите само южния полюс, „отглежда“ нов северен полюс.
Оказва се, че магнитите дори надминават гущерите: на гущера му пораства само опашка и дори тогава му трябва време за това, а магнитът възстановява всеки полюс на мястото на изгубения, от който и да е край, и освен това моментално!
Колко дълго запазва тази необикновена способност?
Счупването на игла на още по-малки части е трудно и опасно - можете да нараните ръцете си. Но ако успеете да се сдобиете с пила за прободен трион (тя е дълга, тънка, крехка и освен това добре намагнетизирана), бързо ще се убедите, че както и да я счупите, всеки от нейните фрагменти, дори и най-малкият, трябва да има и двете магнитни полюси - както северен, така и южен.
Сигурен съм, че когато мислите за това, ще измислите (или може би вече сте измислили) идея, която ще ви позволи много просто да обясните този удивителен факт: „Вероятно всеки магнит се състои от много малки магнитчета и всеки Магнитът има двата полюса - северен и южен.

КАК РАБОТИ МАГНИТЪТ?

И така, вие предположихте, че всеки магнит се състои от много микроскопични магнити, чиито северни полюси гледат в една посока, а южните полюси в другата.
Представете си - учените успяха да докажат, че магнитът е устроен по този начин.
Но ето какво е интересно: оказва се, че малки магнити - те се наричат ​​DOMAIN - има дори в немагнетизирано желязо! И защо не проявява магнитните си свойства по никакъв начин, въпреки че е направо "натъпкан" с магнити-домейни? Вероятно сами се досещате: докато желязото не се магнетизира, неговите домейни са разположени „някои в гората, други за дърва за огрев“. Но когато желязото се магнетизира, всичките му области се завъртат като миниатюрни магнитни стрели и започват да насочват северните си полюси в една посока, а южните си полюси в другата.
Сега разбирате как се е магнетизирала вашата игла - това е желязо! Щом докоснете магнита с игла, всички негови домейни се обърнаха в една посока, сякаш по команда: „Равно!!!“ Да, останаха. Самата игла се превърна в магнит! И ще остане магнит, докато нещо не наруши структурата на магнитните домейни.
В немагнетизираното желязо магнитните домейни са разположени произволно ...
...но магнитът, общувайки с желязото, поставя "железен" ред сред домейните.

КАК ДА ДЕМАГНЕТИЗИРАМ МАГНИТ?

Помолете един от възрастните да загрее магнетизираната игла, така че да се нагорещи (по-добре е да не я загрявате с кибрит, а в пламъка на кухненска горелка). Оставете иглата да изстине и я потопете отново в железни стружки. Краищата на иглата вече не се привличат! Иглата е демагнетизирана! Защо?
Знаете, разбира се, че всички вещества в света са изградени от малки, малки частици - атоми. Желязото, разбира се, също се състои от атоми. Във всяка област, нито повече, нито по-малко - хиляда милиарда железни атоми! Нещо повече, железните атоми в домейна са обект на същата "желязна дисциплина", както самите домейни в магнита. Но дори в твърдо тяло, а също и в игла, атомите вибрират непрекъснато, леко "танцуват" на място. Колкото по-загрято е тялото, толкова по-бърз и хаотичен е този танц.
След като нагреете магнетизирана игла, вие доведохте танца на железните атоми до неистов танц. Ясно е, че е нарушена "желязната дисциплина" на атомите в домените - домените са изчезнали, а с тях е изчезнала и намагнитването. Вярно, по-късно, когато
иглата е изстинала, домейните са се появили отново в нея, но сега изглеждат навсякъде. За да ги накарате да се завъртят отново в една посока, е необходима нова „магнитна команда“, тоест иглата ще трябва да се намагнетизира отново.

КАКВО ОКОЛЯВА МАГНИТА?

Потопете върха на нокътя в железните стружки и доближете магнита до шапката. Още не е пипнал шапката, а зърната вече полепват по върха! Това означава, че магнитните сили действат на разстояние.
Пространството около магнита, където действат магнитни сили, се нарича МАГНИТНО ПОЛЕ.
Проучете как вашата магнетизирана игла на поплавък се държи в магнитно поле. Донесете магнит към него със северния полюс. Тя веднага се "развълнува" и се обърна към него... какъв стълб? Южен! Сега донесете магнита с южния полюс - иглата се обърна и заплува към него със северния полюс. Ясно е какъв извод ще направите от това: различните полюси изпитват очевидна симпатия един към друг - те се привличат. Юг на север, север на юг.

Но обратно към магнитното поле. За съжаление не го усещаме и не го виждаме. И все пак можете да го направите видим! Поставете лист дебела хартия или тънък плексиглас върху магнита и поръсете железни стружки отгоре на равномерен слой. Сега потупайте леко листа с пръст. Вижте как се получи снимката!
Всяко желязно зрънце, попаднало в магнитно поле, се магнетизирало, „придобило“ северния и южния полюс и се превърнало, така да се каже, в малка магнитна стрела. Хиляди такива стрелки нарисуваха картина: тя веднага показва в каква посока действат магнитните сили. Обърнете внимание: на полюсите, където магнитното поле е най-силно, линиите, по които действат магнитните сили - те се наричат ​​ЛИНИИ НА МАГНИТНОТО ПОЛЕ - вървят плътно и плътно.
Гледате снимката и магнитното поле се вижда напълно! Веднага става ясно къде е по-силно, къде по-слабо и в каква посока магнитните сили ще обърнат магнитната стрелка в една или друга точка на това поле.
Ето как изглежда магнитното поле на магнит с цилиндрична форма. А как изглежда с подковообразен магнит? Можете да видите това на третата страница на корицата (в самия край на книгата).

КАК ИЗГЛЕЖДА МАГНИТНОТО ПОЛЕ НА ЗЕМЯТА?

Сега можете да продължите към втората част от вашия план: да изследвате магнетизма
свойства на нашата планета. Не можете да поставите картонена кутия с железни стружки върху земното кълбо, но можете да съдите за магнитното поле на Земята по поведението на две магнитни игли. Една стрелка - конвенционален компас, може да се върти само наляво и надясно. Тя се допълва от още една магнитна стрелка, която може да се върти нагоре и надолу - нарича се TILT ARROW.
След като обиколите цялото земно кълбо с тези две стрелки, както и го обиколите от всички страни и на различни височини в космически кораб (колко жалко, че всичко това е само във въображението!), Вие ще нарисувате линиите на магнитното поле на Земята и вижте как изглежда неговото магнитно поле.
По време на това пътуване ще откриете две забележителни точки на Земята: стрелката
наклонът тук става вертикален и сочи надолу, а стрелката на обикновен компас не показва абсолютно нищо - върти се както си иска. Тези две точки са магнитните полюси на Земята!

ЗАЩО МАГНИТНОТО ПОЛЕ НА ЗЕМЯТА СЕ „ТЪМБЛИРА“?

Вие и аз сме късметлии - в наши дни геофизиците, тоест физиците, които изучават Земята, могат да я докоснат, да я осветят и да я претеглят не по-лошо от лекар на пациент. И толкова много от тях предполагат, че в дълбините на земното кълбо, особено в ядрото на Земята - нейното ядро, наистина има много богати на желязо вещества и дори чисто желязо! Вярно е, че в дълбините на нашата планета е ужасно горещо - на много голяма дълбочина температурата е толкова висока, че желязото там е в разтопено състояние, сякаш е в доменна пещ.
„Но може ли разтопеното желязо да се магнетизира? - ще се изненадате. „Току-що нагрях иглата и след това тя загуби магнитните си свойства!“
Виждате ли, вашето възражение би било правилно, ако не ставаше дума за ядрото на Земята. Има съвсем други условия! Цялата земна дебелина притиска веществото на ядрото. Колосалното налягане „притиска“ железните атоми заедно с такава невероятна сила, че в средата на ядрото течното желязо отново става твърдо, въпреки че температурата там е четири хиляди градуса. Тук, на повърхността, желязото при такава температура отдавна би се превърнало в пара!
Ами ако при такива необичайни условия магнитните свойства на желязото също са необичайни? Напълно възможно е (учените го признават) въпреки адската жега да е способен да се магнетизира. Но дори и твърдото желязно ядро ​​на Земята да е магнетизирано, пак можем да кажем с увереност: не железният магнит вътре в нашата планета е главният „виновник“ за това, че Земята има магнитно поле!
Откъде такава увереност? Появи се не толкова отдавна - след като геофизиците успяха да разберат какво е било магнитното поле на Земята преди хиляди и дори милиони години. Оказа се, че много камъни (особено тези, съдържащи желязо) имат отлична магнитна памет! Да предположим, че лавата се е изляла някъде по време на вулканично изригване и докато е изстивала, магнитното поле на Земята я е магнетизирало. След това се промени, но втвърдената лава имаше "памет" за магнитното поле, което първо я магнетизира - ОСТАТЪЧНО МАГНЕТИЗИРАНЕ. Това е, което геофизиците са се научили да измерват. И те откриха нещо невероятно: магнитни полюси.
Земите са сменяли местата си много пъти! Да кажем, че се е случило седем пъти през последните милиони години. И седмият път те смениха местата си преди около десет хиляди години. И ето какво е изненадващо: "размяната" на магнитните полюси се извърши с фантастична скорост - магнитното поле на Земята имаше нужда само от няколко десетилетия, за да се преобърне! За нас с вас това е много време, но за нашата планета, която живее повече от четири милиарда години, това е кратък момент!
Никой не е очаквал такава скорост от магнит, „скрит“ в ядрото на Земята. Всъщност учените отдавна знаят, че магнитните полюси на Земята се движат. Но за да се премести северният магнитен полюс на мястото на южния и обратно? И толкова бързо? Не, нито един уважаващ себе си железен магнит няма да има магнитно поле, което да се търкаля като акробат! Да, и няма да може: можете само да ремагнетизирате железен магнит „насила“ - с помощта на по-силен магнит (можете да направите това с вашата магнетизирана игла). Никой обаче не е виждал железен магнит внезапно да смени полюсите си без причина - не без причина го наричат ​​ПОСТОЯНЕН МАГНИТ.

Някои геофизици сравняват нашата планета с доменна пещ: тежкото желязо тече надолу към ядрото на Земята - нейното ядро, а по-леката "шлака" изплува нагоре. Вие и аз живеем на тънка кора от „шлака“, замръзнала отгоре.
А в наше време, след всяко вулканично изригване, лавата, изстивайки, се магнетизира в магнитното поле на Земята...

Но ако не железният магнит в ядрото на Земята е основният виновник, че има магнитно поле, тогава кой е?
Сега ще преминете към третата и най-трудна част от вашия план: ще се опитате да обясните магнитните свойства на Земята.

МОЖЕ ЛИ МАГНИТЪТ ДА БЪДЕ „НЕПОСТОЯНЕН“?

Опънете жицата върху иглата на компаса (няма значение какъв вид - закупена или собствена, домашна, на плувка) и докоснете краищата й за момент до „плюса“ и „минуса“ на батерията на фенерчето. Стрелката се отклони, сякаш към нея беше докаран магнит!
Ефектът ще бъде още по-силен, ако навиете петдесет навивки тънка тел около картонена или хартиена тръба и свържете краищата й към батерия. Телена намотка, по която протича електрически ток, се държи като истински магнит! Той не само завърта магнитната игла, но може и да намагнетизира железни предмети - можете да проверите това, като поставите пирон вътре в бобината и забиете края му в железни стружки.
Телена намотка с електрически ток се нарича ЕЛЕКТРОМАГНИТ. Но какъв удивителен магнит е това - електромагнит! Може да се включва и изключва, магнитното му поле се контролира много лесно. Увеличих тока, като свързах друга батерия - магнитното поле се увеличи. Намалях тока като го прекарах през крушка - полето стана по-слабо. Размених краищата на намотката, магнитното поле веднага се „обърна“ - това лесно се открива от магнитна игла. Човек би искал да нарече намотка с ток „непостоянен магнит“!
Как изглежда неговото магнитно поле? Покрийте намотката с лист хартия с железни стърготини и щракнете върху листа.
Вижте: линиите на магнитното поле на намотка с ток са точно същите като тези на магнит със същите размери във формата на цилиндър! Но в края на краищата и има Земя - помниш ли? - магнитното поле е така, сякаш вътре има магнит под формата на цилиндър ...
И се обзалагам, че знам какво си мислите в момента! „Сега, ако в ядрото на Земята нямаше железен магнит, а намотка с електрически ток, тогава странното поведение на магнитното поле на Земята би било по-лесно обяснимо... Но откъде идва намотката от тел в земното ядро?"
Прав си, не може да е там. Все пак идеята ти заслужава сериозно обсъждане! Ами ако електрическият ток може да тече в кръг без намотка?
Но преди да се реши дали може да тече така или не, първо трябва да се разбере какво е това - електрически ток.

КАКВО Е ЕЛЕКТРИЧЕСКИ ТОК?

„Ток“ означава, че нещо тече. По тръби текат течности и газове: вода, масло, въздух, горими газове...
И какво и къде тече през жицата, когато свържете краищата й към батерията?
Дълго време учените смятаха, че през жиците протича специална електрическа течност. Какво представлява тази мистериозна течност, от какво се състои, никой не можеше да обясни. Но в самия край на миналия век английският физик Джоузеф Джон Томсън открива невероятно леки и малки електрически частици. Те се оказаха много по-малки дори от малки, малки атоми! Томсън нарече откритите от него частици ЕЛЕКТРОНИ.
Малко след това откритие друг английски физик, Ърнест Ръдърфорд, установява, че електроните „живеят“ във всеки атом – те непрекъснато обикалят около атомното ядро.
Но каква интересна особеност се оказа в металните атоми: електроните, които са най-отдалечени от атомното ядро, лесно напускат своите атоми и започват да бродят из целия метал. Всеки метал е пълен с такива бездомни или, както ги наричат ​​физиците, свободни електрони. И разбира се, във всяка метална тел също има много от тях. Те се стрелват произволно между металните атоми... докато се появи сила, която ги кара да се движат в една посока.
Свързахте, например, краищата на проводника към "плюса" и "минуса" на батерията - и веднага се появи сила, която накара електроните да се движат към "плюса" на батерията. По жицата течеше ток.
Вярно е, че свободните електрони - "същества" са толкова неспокойни, че дори по време на това насочено движение продължават да се втурват от една страна на друга. С една дума, те се държат като рояк мушици, когато са издухани от ветреца: всяка мушица в рояка се втурва напред-назад, привидно произволно, но като цяло роят все още се движи под въздействието на вятъра в една посока ! Ето какво представлява електрическият ток – това е насочено движение на електрони!

КАК ДА НАКАРАМ ЕЛЕКТРОНИТЕ ДА СЕ ДВИЖАТ В КРЪГ?

Сега можем да се върнем към въпроса: възможно ли е електрическият ток да тече в кръг без телена намотка? Нека първо разберем дали е възможно да се създаде насочено движение на електрони директно в дебелината на метал - твърд или течен? Говорейки за дебелината на метала, ние, разбира се, имаме предвид желязното ядро ​​на Земята.
В дълбините на океана се случват такива неща. Вземете например известното течение Гълфстрийм: мощен поток от вода тече в океана, сякаш през гигантска невидима тръба, въпреки че в действителност, разбира се, няма тръба. Не може ли мощен "поток" от електрони да възникне и в ядрото на Земята? Освен това потокът е под формата на пръстен, така че електроните се движат сякаш по завоите на гигантска телена намотка, въпреки че, разбира се, там няма намотка. Какво може да накара електроните да се движат по този начин?
Спомнете си опита си - "жица с ток върху магнитна стрелка." След като го направихте, открихте, че електрическият ток създава магнитно поле. Тогава научихте, че електрическият ток е насочено движение на електрони. Това означава, че тези движещи се електрони създават магнитно поле около себе си! Всеки електрон, докато се движи, се превръща в малък магнит!
Но в този случай други магнити трябва по някакъв начин да влияят на електрон-магнита. Те наистина въздействат! Ако електрон нахлуе в домейна на магнит, тоест в неговото магнитно поле, той подвежда извънземното. Вижте снимката: електронът щеше да пресече „чуждото“ магнитно поле и да влети в него през силовите линии на магнитното поле, но това не се случи! Магнитното поле изкриви пътя на „натрапника“ и вместо по права линия той полетя... как? Кръгъл!

ЗАЩО ЗЕМЯТА Е МАГНИТ?

Нека се опитаме да си представим как нашата планета може да има магнитно поле...
В ядрото на Земята, както си спомняте, ядрото е направено от твърдо желязо, нагрято до много висока температура. И тогава един ден, по време на хаотичен топлинен танц на железни магнитни атоми, определен брой от тях, макар и малък, случайно се оказаха обърнати в една посока. Може ли това да се случи? Съвсем! Случва се и с хора танцьори. Веднага се появи магнитно поле в ядрото - слабо, много слабо, но се появи. Щеше да изчезне веднага, но в този момент започна най-интересното ...
Сърцевината от твърдо желязо е заобиколена в сърцевината от слой течно желязо. И течността може да тече! Дори в застояло езерце водата, поне бавно, се смесва. И течната дебелина на ядрото още повече живее бурен живот: Земята в края на краищата се върти като връх - вече само от това вероятно възникват потоци в течната част на ядрото.
Представете си, че един от тези потоци протича през слабо, много слабо, произволно генерирано магнитно поле. Какво ще се случи със свободните електрони, които са в изобилие в желязото, както във всеки метал? Ясно е, че когато те заедно с потока започнат да пресичат магнитното поле, то ще изкриви пътя им и ще ги накара да се движат в кръг, сякаш по завоите на гигантска намотка! Но тази невидима намотка веднага ще има собствено магнитно поле, нали?
Сега внимание! Вижте как е насочено собственото магнитно поле на „намотката“: точно по същия начин като слабо, много слабо, произволно генерирано поле, което извива пътя на електроните и ги кара да се движат в кръг! И двете полета са се развили - магнитното поле е станало по-силно. То вече е в състояние да огъва пътя на по-голям брой електрони, да ги въвлича в "танц" около ядрото - кръговият електрически ток се е увеличил, увеличило се е и магнитното му поле.
Все повече и повече електрони се движат в кръг, кръговият ток става по-силен, неговото магнитно поле става по-силно - докато всички електрони, пресичащи магнитното поле, се включат в хорото около ядрото.
В дълбините на Земята се появи мощен електромагнит, който освен това е „електроцентрала за себе си“ - в края на краищата той „задвижва“ електрони в кръг, тоест захранва се с електрически ток! И всичко започна с произволно появяващо се слабо, много слабо магнитно поле и с потоци от течно желязо, пресичащи това поле.
Но потоците течности са нещо доста нестабилно. В океана например теченията често променят посоката си. Те също могат да променят посоката си в течната част на ядрото. До какво може да доведе това, сами се досещате: електроните ще започнат да кръжат около ядрото в обратна посока, магнитното поле на Земята ще се „преобърне“!
Така че изпълнихте плана си: запознахте се със свойствата на магнитите, изучавахте магнитните свойства на Земята и се опитахте да намерите обяснение за тези свойства. Но за да се докаже, че магнитното поле на Земята се е появило точно както вие и аз предположихме, е необходимо да разберете какви точно са потоците от течно желязо в дълбините на Земята, как възникват и как текат. Освен това трябва да сравните магнитните свойства на Земята с магнитните свойства на нейните сестри - други планети от Слънчевата система, и да разберете какво имат вътре - има ли течно ядро, какви потоци възникват в него поради въртене на планетата?
С една дума, има още много работа. Слушай, ами ако ти се окажеш човекът, който най-накрая ще разгадае вековната мистерия на природата: защо Земята е магнит?
Пожелавам ти успех!

_____________________

Разпознаване - BK-MTGC.

По правило само най-обикновените явления говорят за дълбоките тайни и мистерии на природата. Един от най-ярките примери е привличането на Земята. На пръв поглед е обичайно нещо, когато предмети падат на земята. Но беше необходим гениалността на Айнщайн, за да обясни гравитацията като кривина на пространството и времето. Същото може да се каже и за магнитното поле на Земята, което ще бъде разгледано по-долу.

Кой е изобретил компаса?

Просветените европейци са знаели за магнитните свойства на някои вещества и предмети от древни времена. Римският историк Плиний Стари говори за някакъв пастир, който живеел в Крит. Той изби сандалите си с желязо и малки черни камъчета, които лежаха по склоновете на планината Идо, започнаха да се придържат към тях. Овчарят се казваше Магнис, от която думата " магнит".

В същото време китайците използваха магнити, които наричаха чу-ши, което в превод означаваше „обичащ камък“. Жителите на Поднебесната империя са изобретили компаса хиляда години по-рано от европейците. Това беше лента от магнетизирано желязо, закрепена към парче корк, плаващо във водата. Използван е от търговци, които карали кервани през пустинята.

Китайците също излязоха с по-сложни навигационни устройства. Това е компас избухвамкойто е достигнал до наши дни. На него, за разлика от европейския, има много пръстени. Те се наричат ​​цен или слоеве и са разделени на 24 сектора, по 15 градуса всеки.

Този компас е възприет от последователите на системата Фън Шуй. Взема се предвид при изграждането на къщи и подреждането на вътрешните помещения. С помощта на йероглифи, които се нанасят върху секторите на пръстените, се определят благоприятните и отрицателните посоки в помещенията.

Но в Европа италианците си присвоиха честта да изобретят компаса. Твърди се, че в началото на 14 век майсторът Флавио Джоя е живял в крайбрежния град Амалфи. Той беше влюбен в дъщерята на богатия Доменико, който живееше в същия град. Той искаше да омъжи любимата си и красива дъщеря за богат корабособственик, но бедният господар се намеси в плановете му.

И тогава хитрият и коварен Доменико постави, както му се струваше, невъзможна задача на влюбения Флавио. Той каза, че съпругът на дъщеря му трябва да бъде перфектен пилот и поиска да вземе лодката през нощта в мъгла от едно рибарско селище до друго. Майстор Джоя взе игла, изработена от магнитна желязна руда, и, проверявайки пътя по нея, блестящо се справи със задачата.

Италианците издигат паметник на Флавио. Майсторът стои на върха на малка скала в просторно наметало по модата на 14 век. В лявата си ръка държи компас и проверява посоката по него.

Всички харесват паметника, освен немците. Те вярват, че древните тевтонци са изобретили компаса. В това твърдение има известна истина, тъй като думата "компас" идва от немски език, а не от италиански.

Едно е да измислиш компас, а друго е да обясниш защо стрелката му сочи право на север през цялото време. Известна яснота по този въпрос внася през 16 век придворният лекар на Елизабет I Уилям Гилбърт. В допълнение към медицината той обичаше много други въпроси и след като прочете всичко, което се знае за магнитите, той се зае със собствените си експерименти. През 1601 г. излиза неговият научен труд, озаглавен „За магнита, магнитните тела и големия магнит – Земята“. Авторът предполага, че синята планета е огромен магнит и оста му минава през полюсите.

Гилбърт дори направи миниатюрен модел на Земята. Той магнетизира стоманена топка и я нарече Терела, тоест малка Земя. Когато магнитна игла се изнесе на повърхността на тази топка, тя винаги сочеше с върха си към полюсите. След това Гилбърт се счита за основател на науката за магнитните свойства на нашата планета.

Впоследствие стана ясно, че стрелката на компаса винаги се стреми да заеме позиция по магнитните силови линии на Земята. И те се разпръскват от единия полюс и отново се събират в другия полюс.

След това откритие обаче веднага възникна въпросът: защо Земята е магнит? Магнетитът, който е магнитна скала, съставлява незначителна част от земната кора. Други скали, с редки изключения, нямат изразени магнитни свойства.

Земното ядро ​​и магнитни свойства

Доскоро преобладаващата хипотеза беше, че магнитните свойства на планетата се дължат на нейното течно желязо-никелово ядро. Но защо генерира магнетизъм остава неясно. През 20-ти век беше установено, че охлаждащата лава отпечатва посоката и силата на магнитното поле на Земята. Изследвани са хиляди проби от лава и е определена тяхната възраст. В резултат на това експертите стигнаха до извода, че в историята на планетата е имало периоди, когато интензитетът на магнитното поле е спаднал рязко.

Имаше и друг съществен недостатък в хипотезата за ядрото. Както знаете, магнитното поле на Земята е много чувствително към слънчевата активност. Това се отнася за слънчеви изригвания, които генерират магнитни бури. Много хора са чувствителни към тях.

Това предполага заключението: ако източникът на земния магнетизъм беше в ядрото на планетата, тогава е малко вероятно слънчевата активност да може значително да го повлияе. И още един интересен факт. Такива космически тела като Луната, Венера, Марс имат ядра, но практически няма магнитно поле. И как да го обясня?

Ефектът на геомагнетизма и вода-въздух
Земен океан

Съвсем наскоро в научния свят се появи нова хипотеза, която се опитва да обясни съществуването на силно магнитно поле на синята планета. В него се казва, че най-важната роля във формирането на геомагнетизма играе водно-въздушният океан на планетата.

Под въздействието на слънчевата енергия на ден от синята планета се изпаряват 1 трилион кубически метра вода. В този случай водните капки се наелектризират и придобиват положителен заряд. И отрицателният заряд отива в земната твърд. И в тези места на планетата, където царува нощта, се наблюдава течна кондензация.

Въздушната среда е нестабилна, тоест постоянно се движи. В резултат на това възникват йонни потоци както в атмосферата, така и в земната кора. Това е причината за магнетизма. И въпросът тук е, че магнитно поле се създава, когато електропроводим материал е заобиколен от променливо или въртящо се електрическо поле. Като такова поле действа въздушната среда, съдържаща различни заряди.

Тази хипотеза идеално обяснява защо планетите, които нямат атмосфера и океани, нямат магнитно поле. Също така е разбираемо защо слънчевите изригвания значително влияят на земния магнетизъм. Това може също да обясни защо геоложката история на синята планета е видяла рязка промяна в магнитното поле.

Това най-вероятно се дължи на катастрофи, причинени от падането на големи метеорити. В същото време прозрачността на атмосферата и нивото на изпарение на водата се променят в световен мащаб. Всичко това в комплекс се отрази и на магнитното поле на Земята.

Заключение

Много еколози смятат, че настоящата дейност на човешката цивилизация започва да се отразява неблагоприятно на състоянието на атмосферата на синята планета. Това също може да повлияе на силата на магнитното поле. Но предпазва Земята от разрушителния слънчев вятър. Така че хората има за какво да се замислят и преди да е станало късно да вземат съответните мерки.

Статията е написана от Максим Шипунов

През последните дни в сайтовете за научна информация се появиха голям брой новини за магнитното поле на Земята. Например новината, че то се е променило значително напоследък или че магнитното поле допринася за изтичането на кислород от земната атмосфера и дори че кравите се ориентират по линиите на магнитното поле на пасища. Какво е магнитното поле и колко важни са всички горепосочени новини?

Магнитното поле на Земята е зоната около нашата планета, където действат магнитните сили. Въпросът за произхода на магнитното поле все още не е окончателно решен. Повечето изследователи обаче са съгласни, че наличието на магнитно поле на Земята поне отчасти се дължи на нейното ядро. Ядрото на Земята се състои от твърда вътрешна и течна външна част. Въртенето на Земята създава постоянни течения в течното ядро. Както читателят може би си спомня от уроците по физика, движението на електрически заряди води до появата на магнитно поле около тях.

Една от най-често срещаните теории, обясняващи естеството на полето, теорията на динамото ефекта, предполага, че конвективните или турбулентни движения на проводяща течност в сърцевината допринасят за самовъзбуждане и поддържане на полето в стационарно състояние.

Земята може да се разглежда като магнитен дипол. Южният му полюс се намира на географския северен полюс, а северният, съответно, на южния. Всъщност географският и магнитният полюс на Земята не съвпадат не само по "посока". Оста на магнитното поле е наклонена спрямо оста на въртене на Земята с 11,6 градуса. Поради факта, че разликата не е много значителна, можем да използваме компас. Стрелката му сочи точно южния магнитен полюс на Земята и почти точно географския север. Ако компасът беше изобретен преди 720 000 години, той щеше да сочи както към географския, така и към магнитния северен полюс. Но повече за това по-долу.

Магнитното поле предпазва жителите на Земята и изкуствените спътници от вредното въздействие на космическите частици. Такива частици включват например йонизирани (заредени) частици на слънчевия вятър. Магнитното поле променя траекторията на тяхното движение, насочвайки частиците по силовите линии. Необходимостта от магнитно поле за съществуването на живот стеснява кръга от потенциално обитаеми планети (ако изхождаме от предположението, че хипотетично възможните форми на живот са подобни на земните жители).

Учените не изключват някои от планетите от земния тип да нямат метално ядро ​​и съответно да са лишени от магнитно поле. Досега се смяташе, че планетите, състоящи се от твърди скали, подобно на Земята, съдържат три основни слоя: твърда кора, вискозна мантия и твърдо или разтопено желязно ядро. В скорошна работа учени от MIT предложиха формирането на "скалисти" планети без ядро. Ако теоретичните изчисления на изследователите се потвърдят от наблюдения, тогава, за да се изчисли вероятността за среща с хуманоиди във Вселената или поне нещо, което прилича на илюстрации от учебник по биология, те ще трябва да бъдат пренаписани.

Земляните също могат да загубят своята магнитна защита. Вярно е, че геофизиците все още не могат да кажат точно кога ще се случи това. Факт е, че магнитните полюси на Земята са нестабилни. Периодично сменят местата си. Не толкова отдавна изследователите установиха, че Земята "помни" смяната на полюсите. Анализът на подобни „спомени“ показа, че през последните 160 милиона години магнитният север и юг са сменили местата си около 100 пъти. Последният път, когато това събитие се случи преди около 720 хиляди години.

Смяната на полюсите е придружена от промяна в конфигурацията на магнитното поле. През "преходния период" на Земята проникват много повече космически частици, опасни за живите организми. Една от хипотезите, обясняващи изчезването на динозаврите, твърди, че гигантските влечуги са изчезнали именно при следващата смяна на полюсите.

В допълнение към "следите" от планирани дейности за смяна на полюсите, изследователите забелязаха опасни промени в магнитното поле на Земята. Анализът на данните за състоянието му в продължение на няколко години показа, че през последните месеци те са започнали да се появяват при него. Учените отдавна не са регистрирали толкова резки "движения" на полето. Зоната, която тревожи изследователите, се намира в Южния Атлантически океан. „Дебелината“ на магнитното поле в тази област не надвишава една трета от „нормалната“. Изследователите отдавна обръщат внимание на тази "дупка" в магнитното поле на Земята. Данните, събирани в продължение на 150 години, показват, че полето тук е отслабнало с десет процента през този период.

В момента е трудно да се каже как това заплашва човечеството. Една от последиците от отслабването на напрегнатостта на полето може да бъде повишаване (макар и незначително) на съдържанието на кислород в земната атмосфера. Връзката между магнитното поле на Земята и този газ е установена с помощта на сателитната система Cluster, проект на Европейската космическа агенция. Учените са установили, че магнитното поле ускорява кислородните йони и ги "изхвърля" в открития космос.

Въпреки факта, че магнитното поле не се вижда, жителите на Земята го усещат добре. Прелетните птици, например, намират пътя си, като се фокусират върху него. Има няколко хипотези, които обясняват как точно усещат полето. Едно от последните предполага, че птиците възприемат магнитно поле. Специални протеини - криптохроми - в очите на мигриращите птици могат да променят позицията си под въздействието на магнитно поле. Авторите на теорията смятат, че криптохромите могат да действат като компас.

Освен птиците, морските костенурки използват магнитното поле на Земята вместо GPS. И, както показва анализът на сателитни снимки, представени като част от проекта Google Earth, крави. След изучаване на снимки на 8510 крави в 308 региона на света, учените стигнаха до извода, че тези животни са предпочитани (или от юг на север). Освен това „отправните точки” за кравите не са географски, а именно магнитните полюси на Земята. Механизмът на възприемане на магнитното поле от кравите и причините за такава реакция към него остават неясни.

В допълнение към изброените забележителни свойства допринася и магнитното поле. Те възникват в резултат на резки промени в полето, настъпващи в отдалечени райони на полето.

Магнитното поле не е пренебрегнато и от привържениците на една от „теориите на конспирацията“ – теорията за лунната измама. Както бе споменато по-горе, магнитното поле ни предпазва от космически частици. „Събраните“ частици се натрупват в определени части на полето – така наречените радиационни пояси на Ван Ален. Скептиците, които не вярват в реалността на кацанията на Луната, смятат, че по време на полета през радиационните пояси астронавтите ще получат смъртоносна доза радиация.

Магнитното поле на Земята е удивително следствие от законите на физиката, защитен щит, ориентир и създател на полярните сияния. Без него животът на Земята може да изглежда съвсем различно. Като цяло, ако нямаше магнитно поле, то трябваше да бъде изобретено.

През 1905 г. Айнщайн назовава причината за земния магнетизъм като една от петте основни мистерии на съвременната физика.

Също през 1905 г. френският геофизик Бернар Брюн измерва магнетизма на отлагания от плейстоценска лава в южния департамент Кантал. Векторът на намагнитване на тези скали беше почти 180 градуса с вектора на планетарното магнитно поле (неговият сънародник П. Дейвид получи подобни резултати дори година по-рано). Brunhes заключи, че преди три четвърти милион години, по време на изливане на лава, посоката на линиите на геомагнитното поле е била противоположна на съвременната. Така беше открит ефектът на инверсия (обръщане на полярността) на магнитното поле на Земята. През втората половина на 20-те години на миналия век заключенията на Брунхес бяха потвърдени от P. L. Mercanton и Monotori Matuyama, но тези идеи бяха признати едва в средата на века.

Сега знаем, че геомагнитното поле е съществувало най-малко от 3,5 милиарда години и през това време магнитните полюси са разменили местата си хиляди пъти (Брунхес и Матуяма са изследвали последното обръщане, което сега носи техните имена). Понякога геомагнитното поле запазва ориентацията си за десетки милиони години, а понякога за не повече от петстотин века. Самият процес на обръщане обикновено отнема няколко хилядолетия и след завършването му силата на полето като правило не се връща към предишната си стойност, а се променя с няколко процента.

Механизмът на геомагнитното обръщане не е съвсем ясен и днес, а дори и преди сто години изобщо не позволяваше разумно обяснение. Следователно откритията на Брунхес и Дейвид само затвърдиха оценката на Айнщайн – наистина земният магнетизъм е бил изключително мистериозен и неразбираем. Но по това време той е бил изучаван повече от триста години, а през 19 век такива звезди на европейската наука като великия пътешественик Александър фон Хумболт, брилянтния математик Карл Фридрих Гаус и брилянтния физик експериментатор Вилхелм Вебер са били ангажирани с него. Така че Айнщайн наистина е погледнал в корена.

Колко магнитни полюса мислите, че има нашата планета? Почти всеки ще каже, че две са в Арктика и Антарктика. Всъщност отговорът зависи от определението на понятието полюс. Географските полюси се считат за точките на пресичане на земната ос с повърхността на планетата. Тъй като Земята се върти като твърдо тяло, има само две такива точки и нищо друго не може да бъде измислено. Но с магнитните полюси ситуацията е много по-сложна. Например, полюс може да се счита за малка област (в идеалния случай отново точка), където магнитните силови линии са перпендикулярни на земната повърхност. Всеки магнитометър обаче регистрира не само планетарното магнитно поле, но и полетата на местните скали, електрическите токове на йоносферата, частиците на слънчевия вятър и други допълнителни източници на магнетизъм (и средният им дял не е толкова малък, от порядъка на няколко процента). Колкото по-точно е устройството, толкова по-добре прави това - и следователно става все по-трудно да се изолира истинското геомагнитно поле (нарича се основно), чийто източник се намира в дълбините на земята. Следователно полюсните координати, определени чрез директно измерване, не са стабилни дори за кратък период от време.

Можете да действате по различен начин и да установите позицията на полюса въз основа на определени модели на земния магнетизъм. В първото приближение нашата планета може да се разглежда като геоцентричен магнитен дипол, чиято ос минава през центъра. В момента ъгълът между него и земната ос е 10 градуса (преди няколко десетилетия беше повече от 11 градуса). При по-точно моделиране се оказва, че оста на дипола е изместена от центъра на Земята по посока на северозападната част на Тихия океан с около 540 km (това е ексцентричен дипол). Има и други определения.

Но това не е всичко. Земното магнитно поле всъщност няма диполна симетрия и следователно има множество полюси и в огромен брой. Ако разглеждаме Земята като магнитен квадрупол, квадрупол, ще трябва да въведем още два полюса – в Малайзия и в южната част на Атлантическия океан. Октуполният модел определя осемте полюса и т. н. Най-напредналите съвременни модели на земния магнетизъм работят с цели 168 полюса. Трябва да се отбележи, че само диполната компонента на геомагнитното поле временно изчезва по време на инверсията, докато останалите се променят много по-слабо.

Полюсите са обърнати

Много хора знаят, че общоприетите имена на полюсите са точно обратното. В Арктика има полюс, към който сочи северният край на магнитната стрелка - следователно трябва да се счита за юг (едноименните полюси се отблъскват, противоположните се привличат!). По същия начин северният магнитен полюс се намира на високи географски ширини в южното полукълбо. Традиционно обаче кръщаваме полюсите според географията. Физиците отдавна са се съгласили, че силовите линии излизат от северния полюс на всеки магнит и навлизат в южния. От това следва, че линиите на земния магнетизъм напускат южния геомагнитен полюс и се изтеглят на север. Това е конвенцията и не си струва да я нарушавате (време е да си припомним тъжния опит на Паниковски!).

Магнитният полюс, както и да го определяте, не стои неподвижен. Северният полюс на геоцентричния дипол през 2000 г. имаше координати 79,5 N и 71,6 W, а през 2010 г. - 80,0 N и 72,0 W. Истинският северен полюс (този, който разкриват физическите измервания) се е изместил от 2000 г. от 81,0 N и 109,7 W до 85,2 с.ш. и 127,1 з.д. Почти през целия 20-ти век той не надвишава 10 км годишно, но след 1980 г. изведнъж започва да се движи много по-бързо. В началото на 90-те години скоростта му надхвърля 15 км годишно и продължава да расте.

Лорънс Нюит, бивш ръководител на геомагнитната лаборатория в Канадската геоложка служба, каза пред Popular Mechanics, че истинският полюс сега мигрира на северозапад, премествайки се с 50 км годишно. Ако векторът на неговото движение не се промени в продължение на няколко десетилетия, тогава до средата на 21 век той ще бъде в Сибир. Според реконструкция, извършена преди няколко години от същия Нюит, през 17-ти и 18-ти век северният магнитен полюс се измества основно на югоизток и едва около 1860 г. се обръща на северозапад. Истинският южен магнитен полюс се движи в една и съща посока през последните 300 години и средното му годишно изместване не надвишава 10–15 km.

Откъде идва магнитното поле на Земята? Едно от възможните обяснения е просто поразително. Земята има вътрешно твърдо желязо-никелово ядро, чийто радиус е 1220 km. След като тези метали са феромагнитни, защо не приемем, че вътрешното ядро ​​има статична намагнитност, която осигурява съществуването на геомагнитното поле? Мултиполярността на земния магнетизъм може да се дължи на асиметрията на разпределението на магнитните домени вътре в ядрото. Миграцията на полюсите и обръщането на геомагнитното поле е по-трудно да се обясни, но може би може да се опита.

От това обаче нищо не излиза. Всички феромагнетици остават феромагнетици (т.е. запазват спонтанно намагнитване) само под определена температура - точката на Кюри. За желязото тя е 768°C (за никела много по-ниска), а температурата на вътрешното ядро ​​на Земята е много по-висока от 5000 градуса. Следователно трябва да се разделим с хипотезата за статичен геомагнетизъм. Възможно е обаче в космоса да има охладени планети с феромагнитни ядра.

Нека разгледаме друга възможност. Нашата планета също има течно външно ядро ​​с дебелина приблизително 2300 km. Състои се от стопилка от желязо и никел с примес на по-леки елементи (сяра, въглерод, кислород и вероятно радиоактивен калий - никой не знае със сигурност). Температурата на долната част на външното ядро ​​почти съвпада с температурата на вътрешното ядро, а в горната зона на границата с мантията пада до 4400°C. Следователно е съвсем естествено да се предположи, че поради въртенето на Земята там се образуват кръгови течения, които може да са причина за възникването на земния магнетизъм.

конвективно динамо

„За да се обясни появата на полоидално поле, е необходимо да се вземат предвид вертикалните потоци на материята в ядрото. Те се образуват поради конвекция: нагрята желязо-никелова стопилка излиза от долната част на ядрото към мантията. Тези струи са усукани от силата на Кориолис като въздушните течения на циклоните. Възходящите потоци се въртят по посока на часовниковата стрелка в северното полукълбо и обратно на часовниковата стрелка в южното полукълбо, обяснява професорът от Калифорнийския университет Гари Глацмайер. - При приближаване до мантията веществото на ядрото изстива и започва обратно движение в дълбочина. Магнитните полета на възходящите и низходящите потоци взаимно се компенсират и следователно полето не се установява вертикално. Но в горната част на конвекционната струя, където тя образува примка и се движи хоризонтално за кратко време, ситуацията е различна. В Северното полукълбо линиите на полето, които са обърнати на запад преди изкачването на конвекцията, се обръщат на 90 градуса по часовниковата стрелка и се ориентират на север. В южното полукълбо те се обръщат обратно на часовниковата стрелка от изток и също се насочват на север. В резултат на това в двете полукълба се генерира магнитно поле, насочено от юг на север. Въпреки че това в никакъв случай не е единственото възможно обяснение за възникването на полоидното поле, то се счита за най-вероятното.

Именно тази схема обсъждаха геофизиците преди около 80 години. Те вярваха, че потоците на проводящата течност на външното ядро, благодарение на тяхната кинетична енергия, генерират електрически токове, които обгръщат земната ос. Тези токове генерират магнитно поле предимно от диполен тип, чиито силови линии на земната повърхност са удължени по меридианите (такова поле се нарича полоидално). Този механизъм е свързан с работата на динамо, откъдето идва и името му.

Описаната схема е красива и илюстративна, но за съжаление е погрешна. Основава се на предположението, че движението на материята във външното ядро ​​е симетрично спрямо земната ос. Въпреки това през 1933 г. английският математик Томас Каулинг доказва теорема, според която никакви осесиметрични потоци не могат да осигурят съществуването на дългосрочно геомагнитно поле. Дори да се появи, възрастта му ще е кратка, десетки хиляди пъти по-малка от възрастта на нашата планета. Имаме нужда от по-сложен модел.

„Не знаем точно кога е възникнал земният магнетизъм, но това може да се е случило малко след формирането на мантията и външното ядро“, казва Дейвид Стивънсън, един от водещите експерти по планетарен магнетизъм, професор в Калифорнийския технологичен институт. - За да включите геодинамото, е необходимо външно семенно поле и не непременно мощно. Тази роля, например, може да се поеме от магнитното поле на Слънцето или полетата от токове, генерирани в ядрото поради термоелектричния ефект. В крайна сметка това не е толкова важно, имаше достатъчно източници на магнетизъм. При наличието на такова поле и кръговото движение на потока проводяща течност, изстрелването на вътрешнопланетарно динамо стана просто неизбежно.

Магнитна защита

Мониторингът на земния магнетизъм се извършва с помощта на широка мрежа от геомагнитни обсерватории, чието създаване започва през 1830-те години.

За същите цели се използват корабни, авиационни и космически инструменти (например скаларни и векторни магнитометри на датския сателит Oersted, които работят от 1999 г.).

Силата на геомагнитното поле варира от приблизително 20 000 нанотесла край бреговете на Бразилия до 65 000 нанотесла близо до южния магнитен полюс. От 1800 г. диполният му компонент е намалял с почти 13% (и с 20% от средата на 16 век), докато квадруполният му компонент леко се е увеличил. Палеомагнитните изследвания показват, че в продължение на няколко хилядолетия преди началото на нашата ера интензитетът на геомагнитното поле упорито се изкачва нагоре и след това започва да намалява. Въпреки това настоящият диполен момент на планетата е значително по-висок от средната му стойност през последните сто и петдесет милиона години (през 2010 г. бяха публикувани палеомагнитни измервания, които показват, че преди 3,5 милиарда години магнитното поле на Земята е било два пъти по-слабо от сегашното) . Това означава, че цялата история на човешките общества от появата на първите държави до нашето време е паднала върху локалния максимум на земното магнитно поле. Интересно е да се мисли дали това е повлияло на прогреса на цивилизацията. Подобно предположение престава да изглежда фантастично, като се има предвид, че магнитното поле защитава биосферата от космическата радиация.

И ето още едно обстоятелство, което си струва да се отбележи. В младостта и дори в юношеството на нашата планета цялото вещество на нейното ядро ​​е било в течна фаза. Твърдото вътрешно ядро ​​се формира сравнително наскоро, може би само преди милиард години. Когато това се случи, конвекционните токове станаха по-подредени, което доведе до по-стабилна работа на геодинамото. Поради това геомагнитното поле е придобило големина и стабилност. Може да се предположи, че това обстоятелство е повлияло благоприятно на еволюцията на живите организми. По-специално, увеличаването на геомагнетизма подобри защитата на биосферата от космическото излъчване и по този начин улесни появата на живот от океана на сушата.

Ето общоприетото обяснение за подобно изстрелване. Нека, за простота, зародишното поле е почти успоредно на оста на въртене на Земята (всъщност е достатъчно то да има ненулев компонент в тази посока, което е почти неизбежно). Скоростта на въртене на веществото на външното ядро ​​намалява с намаляване на дълбочината и поради високата му електропроводимост линиите на магнитното поле се движат заедно с него - както казват физиците, полето е "замръзнало" в средата. Следователно силовите линии на полето за семена ще се огъват, придвижвайки се напред при по-големи дълбочини и изоставайки при по-плитки. В крайна сметка те ще се разтегнат и деформират толкова много, че ще създадат тороидално поле, кръгли магнитни бримки, които се увиват около земната ос и сочат в противоположни посоки в северното и южното полукълбо. Този механизъм се нарича w-ефект.

Според професор Стивънсън е много важно да се разбере, че тороидалното поле на външното ядро ​​е възникнало поради полоидалното зародишно поле и от своя страна е довело до ново полоидално поле, наблюдавано на земната повърхност: „И двата вида планетарно геодинамо полетата са взаимосвързани и не могат да съществуват едно без друго."

Преди 15 години Гари Глацмайер, заедно с Пол Робъртс, публикува много красив компютърен модел на геомагнитното поле: „По принцип, за да се обясни геомагнетизмът, отдавна има адекватен математически апарат - уравненията на магнитохидродинамиката плюс уравненията, описващи силата на гравитация и топлинни потоци вътре в земното ядро. Моделите, базирани на тези уравнения, са много сложни в оригиналната си форма, но могат да бъдат опростени и адаптирани за компютърни изчисления. Точно това направихме Робъртс и аз. Суперкомпютърно изпълнение направи възможно конструирането на самосъгласувано описание на дългосрочната еволюция на скоростта, температурата и налягането на потоците на материята във външното ядро ​​и еволюцията на свързаните с тях магнитни полета. Открихме също, че ако пуснем симулацията през времеви интервали от порядъка на десетки и стотици хиляди години, тогава неизбежно възникват обръщания на геомагнитното поле. Така че в това отношение нашият модел върши доста добра работа за предаване на магнитната история на планетата. Има обаче проблем, който все още не е решен. Параметрите на веществото на външното ядро, които са включени в такива модели, все още са твърде далеч от реалните условия. Например, трябваше да приемем, че неговият вискозитет е много висок, в противен случай ресурсите на най-мощните суперкомпютри няма да са достатъчни. Всъщност това не е така, има всички основания да се смята, че той почти съвпада с вискозитета на водата. Сегашните ни модели са безсилни да отчетат турбуленцията, която несъмнено има. Но компютрите набират скорост всяка година и след десет години ще има много по-реалистични симулации.

„Работата на геодинамото неизбежно е свързана с хаотични промени в потоците от желязо-никелова стопилка, които се превръщат във флуктуации в магнитните полета“, добавя професор Стивънсън. - Инверсиите на земния магнетизъм са просто най-силните възможни флуктуации. Тъй като те са стохастични по природа, те трудно могат да бъдат предсказани предварително - във всеки случай не можем."