Магнитное поле Земли слабеет

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Московский Государственный Университет

имени М.В. Ломоносова

Реферат

по магниторазведке

на тему: Магнитное поле Земли слабеет

Студенты:

Фотиади Ольга

Лацис Михаил (210 гр.)

МОСКВА 2012

Мы живём окружённые и пронизываемые физическими, химическими и биологическими полями различного происхождения, которые являются одной из определяющих основ жизни. Это естественные и искусственные поля, которые постоянно воздействуют на нас, однако люди зачастую даже не подозревают об этом.

Через физические поля осуществляется взаимодействие Земли как планеты с Солнцем и со всем остальным макрокосмическим пространством. В пределах Земли и околоземного пространства природные физические поля принято называть геофизическими, что подчёркивает их непосредственную связь с нашей планетой. Особо следует подчеркнуть прямую связь полей, которые мы называем геофизическими, именно с литосферой, с другими глубинными «сферами» земного шара и лишь опосредственную связь с процессами, происходящими в ближнем и дальнем космосе. Это значит, что все рассматриваемые геофизические поля обусловлены особенностями строения литосферы и Земли в целом (гравитационные и геомагнитные поля) либо характером геодинамических, физических и химических процессов (сейсмические, радиоактивные, температурные, электромагнитные поля).

Изучение геофизических полей Земли позволяет заниматься исследованием строения Земли, её оболочек, природной геологической среды как источника существования всего живого на Земле, поиском и разведкой полезных ископаемых.

Магнитное поле Земли во многом определяет характеристики жизни на Земле. Какие-либо изменения параметров магнитного поля могут повлечь за собой и изменение или даже прекращение существования жизни. К сожалению, на сегодняшний день магнитное поле планеты Земля далеко не статично — оно постоянно движется, при этом скорость движения увеличивается, а также происходят и другие изменения. Все эти процессы довольно опасны и представляют серьезную угрозу существованию жизни на Земле. В их числе не только изменение магнитного поля Земли, но и истончение озонового слоя, возможность извержения супервулканов, глобальное потепление — все это на сегодняшний день волнует множество людей, опасающихся наступления конца света. Как показывают проведенные исследования, эти опасения не напрасны. Состояние магнитного поля Земли не отличается статичностью уже на протяжении многих лет: с 1885 года ученые регистрируют планомерное видоизменение и движение поля.

Магнитное поле выходит из южного полюса, огибает планету и входит на северном полюсе. По мнению ученых, оно начинается на глубине 4 800 км в недрах Земли, создавая огромный кокон, который и защищает от воздействия жесткого излучения космических частиц. Они движутся от Солнца со скоростью 1 600 000 км/ч. Большая часть космического излучения проходит мимо Земли, попадая в атмосферу только на полюсах.

Ядро нашей планеты неразрывно связано с магнитным полем Земли. Еще в XVII веке было замечено, что дипольное магнитное поле нашей планеты существенно изменяется. Геомагнитное поле имеет постоянную составляющую -- дипольное поле (его вклад 99%) и переменную (1%). Основное магнитное поле по конфигурации почти аналогично витку с током (диполю), который смещен относительно центра Земли, а ось наклонена к оси ее вращения на 11,5 градуса. Средняя напряженность поля -- 0,56 Эрстед. Магнитное поле распространяется на 20--25 радиусов Земли и образует своеобразный защитный экран, который препятствует проникновению потоков космического излучения: протонов, альфа- и бета-частиц к поверхности нашей планеты. Величина поля не остается постоянной. Оно систематически уменьшается, примерно на 0,05% в год. За последние 100 лет напряженность поля уменьшилась почти на 5%. При таком темпе его уменьшения (через 2000 лет) земное дипольное поле должно полностью исчезнуть. И тогда на Землю обрушится поток космического излучения, соответственно увеличится и уровень радиации. Последствия могут быть самыми плачевными. Одновременно наблюдается перемещение магнитных полюсов и мировых магнитных аномалий. Смещение оси диполя относительно центра Земли увеличилось с 252 км в 1829 году до 451 км в 1965-м. Уменьшение напряженности геомагнитного поля должно сказываться уже в настоящее время. Некоторые ученые связывают изменения (инверсию) магнитного поля в прошлом с мутациями и гибелью флоры и фауны на поверхности Земли. Палеомагнитные исследования горных пород (направление намагниченности горных пород в различные геологические эпохи) показали, что такие изменения поля на нашей планете происходили неоднократно. При этом северный и южный полюса меняются местами. Причина данного явления до сих пор полностью не разгадана.

Происхождение геомагнитного поля Земли науке не известно. В настоящее время принята за основу теория гидромагнитного динамо (ГД). Впервые эта идея была предложена английским физиком Лармором для объяснения магнетизма Солнца, а затем разрабатывалась Я. И. Френкелем и С. И. Брагинским применительно к Земле.

Механизм ГД заключается в следующем. В результате разницы температур в жидком ядре Земли возникают конвекционные потоки вещества в виде восьмерок, которые тормозят вращение периферийных слоев ядра и ускоряют движение внутренних слоев. При наличии затравочного магнитного поля в данной системе должно возникнуть самовозбуждение ГД и появиться электрический ток, который и создает магнитное поле, что крайне сомнительно. Математическое описание теории ГД является трехмерной задачей. Уравнения, которые приходится решать, являются нелинейными уравнениями в частных производных. В переводе на обычный русский язык это означает, что эта задача практически не поддается решению. С помощью такой математики можно объяснить все что угодно и доказать, что дважды два равно пяти. Разработаны кинематические модели ГД для крупномасштабного поля скоростей, ламинарное и турбулентное динамо, но они еще больше запутывают проблему. Кроме того, магнитное поле, возникающее при таком механизме его генерации, будет крайне неустойчивым, чего в действительности не наблюдается.

Магнитное поле нашей планеты представляет собой сложную автоколебательную систему с различными периодами пульсаций, которые зависят от множества факторов: электрических токов в ионосфере и магнитосфере, солнечного ветра, изменения орбитальной скорости Земли, вариаций скорости ее вращения вокруг своей оси, лунных и солнечных приливов, напряженности межпланетного и галактического магнитного поля и т. д. Вариации геомагнитного поля имеют различный период -- от сотых долей секунды до миллионов лет. Исходя из палеомагнитных данных (исследование направления намагниченности горных пород в прошлом), в конце Архея -- 2,65 млрд. лет назад -- магнитный полюс находился на экваторе планеты. Там же были расположены ледники, аналогичные современным полярным шапкам. Приблизительно 700 млн. лет назад северный магнитный полюс был расположен в районе Калифорнийского полу­острова (США). Обнаружено существование в далеком прошлом магнитных полюсов в Тихом океане, Японии, Сибири, Аляске, Австралии, Индии. Так как ось магнитного полюса почти совпадает с географическим полюсом, то можно предположить, что ось вращения Земли тоже периодически меняет свое положение в космическом пространстве. В далеком прошлом тропический климат был на Русской равнине, в Антарктиде, Сибири. Ледники были расположены в Южной Америке, Африке, Индии, Австралии. Дрейфом континентов эти изменения климата объяснить невозможно, так как скорость перемещения материков по поверхности планеты слишком мала.

Изучение поля с помощью археомагнитного метода показало, что основное дипольное магнитное поле испытывает медленные вариации с периодами: 11, 22, 60, 550, 1200, 1800, 7500 лет. Смены полярности полюсов Земли происходили неоднократно. На более продолжительных интервалах времени, согласно палеомагнитным исследованиям, магнитное поле неоднократно меняло свою полярность, т. е. северный и южный полюса менялись местами (инверсия поля). Моменты возникновения инверсии распределены во времени случайно. Изменения полярности поля происходили с периодом в 150 тысяч лет, но были обнаружены и более короткие периоды -- в 50 тысяч лет. На сравнительно короткий период (1000--10 000 лет) геомагнитное поле предположительно почти исчезало, а затем снова восстанавливалось, но уже с другой полярностью. За последние 76 млн. лет на Земле 171 раз магнитные полюса менялись местами. Последняя смена полярности магнитного поля произошла 12,5 тысячи лет назад.

Инверсию поля можно объяснить следующим. Если скорости вращения земной коры и ядра сравняются, то напряженность электрического поля значительно уменьшится. Магнитное поле Земли исчезнет на продолжительное время, до тех пор пока не восстановится разность в скоростях вращения внутреннего ядра и коры планеты. В следующий период между инверсиями ядро будет опережать вращение Земли. Направление конвекционных токов изменится, соответственно поменяется полярность геомагнитного поля.

Оно не только неуклонно перемещается, но изменяется и качественно, в частности, падает напряженность магнитного поля Земли, причем этот процесс весьма неравномерен.

В настоящее время наблюдаются значительные изменения магнитных полей в Солнечной системе и на нашей планете. В 1957-м и 2001 годах, в период высочайшей активности Солнца, поменялась полярность его дипольного магнитного поля. Примерно на один год Солнце превратилось в монополь. На Земле отмечено значительное смещение магнитных полюсов, дрейф мировых магнитных аномалий -- Бразильской, Канадской, Сибирской.

За последние 100 лет напряженность магнитного поля уменьшилась почти на 5%. В настоящее время скорость уменьшения напряженности поля еще более возросла и составляет 1,7% за последние 22 года. При таком темпе его изменения земное дипольное поле должно почти полностью исчезнуть уже через 2000 лет. И тогда на Землю обрушится поток солнечного и космического излучения. Соответственно, увеличится и уровень радиации на поверхности нашей планеты. Последствия могут быть самыми плачевными.

Новые наблюдения системы спутников показали учёным, что ориентирование силовых линий магнитных полей Солнца и Земли в одном направлении позволит значительному количеству плазмы беспрепятственно войти в атмосферу нашей планеты.

Неожиданно широкий пласт высокоэнергетических заряженных частиц в земной магнитосфере был обнаружен астрофизиками из космического центра Годдарда (Goddard Space Flight Center). Новые данные свидетельствуют о том, что защита нашей планеты от вредного космического излучения значительно ослабла и продолжает истощаться.

Напомним, что солнечный ветер (потоки ионизированных частиц, разогнанные иногда до полутора миллионов километров в час) чаще всего проявляется на Земле в виде красивых полярных сияний. В обычное время планета защищена от него своим магнитным щитом (магнитосферой). Тот же самый солнечный ветер вызывает магнитные бури, влияет на работу спутников, выводит из строя электрические сети на Земле, мешает космонавтам работать в открытом космосе, угрожая их здоровью и даже жизни. И вот теперь система спутников THEMIS обнаружила во внешнем слое магнитосферы постепенно разрастающийся слой заряженных частиц шириной почти в 6,5 тысячи километров.

«Если так будет продолжаться, то в 2011—2012 годах (пик солнечного цикла) Жители планеты испытают на себе сильнейшие геомагнитные бури, увидят самые яркие полярные сияния и зарегистрируют самые сильные волнения в радиационном поясе Земли «, -- рассказывает Дэвид Сайбек (David Sibeck), эксперт NASA по космической погоде. Об этом открытии учёные рассказали на очередном собрании Американского геофизического союза (American Geophysical Union) в Сан-Франциско.

Конечно, бывало всякое. Солнце уже не раз бушевало и сильнее, но если раньше нас защищала магнитосфера, то что же будет на этот раз? И что стало причиной образования тех самых «протечек»?

Солнечный ветер всё время меняется и треплет магнитное поле Земли, как ветер флаг или флюгер. Силовые линии магнитного поля нашей планеты выравниваются в разных направлениях над различными регионами. Ближе к экватору (где солнечный ветер сильнее всего «давит» на магнитосферу) линии направлены на север. Солнечный ветер обладает своим собственным полем, которое также постоянно меняется в течение 11-летнего цикла солнечной активности.

Ранее считалось, что когда вектора полей сонаправлены, а именно оба «указывают» на север, то это лишь усиливает защиту Земли.

Данный вывод был сделан на основе наблюдений: когда линии магнитного поля солнечного ветра направлены на юг, полярные сияния ярче, возрастает опасность нахождения в открытом космосе без соответствующей защиты.

«Учёные вполне логично считали, что наибольшее количество заряженных частиц попадают в земную магнитосферу, когда линии магнитного поля солнечного ветра „указывают“ на юг», -- рассказывает Сайбек в пресс-релизе NASA. Однако THEMIS показала, что это не так. Данные с системы спутников указывали на то, что «слой солнечных частиц» становится толще, когда поля сонаправлены, говорит исследовательница Марит Ойросет (Marit Шieroset) из университета Калифорнии в Беркли, впервые заметившая этот эффект в ходе работы с THEMIS.

В результате дальнейших исследований и расчётов выяснилось, что выравнивание линий полей (в одном направлении) позволяет проходить через магнитную защиту Земли до 20 раз большему количеству заряженных частиц.

Чтобы выяснить, каков механизм данного процесса, астрофизики создали несколько компьютерных моделей, которые сымитировали процессы, наблюдаемые системой THEMIS.

Астрофизики предполагают, что возможным виновником всего являются направленные на север силовые магнитные линии солнечного ветра, которые соединяются с магнитосферой Земли, рассказывает физик Джимми Раедер (Jimmy Raeder) из университета Нью-Гемпшира (University of New Hampshire), принимавший участие в разработке компьютерных моделей.

По мере приближения такой линии к нашей планете она «падает» на полюса (а за ней и принесённые заряженные частицы) и охватывает Землю, как осьминог свою жертву.

Это явление, известное как магнитное перезамыкание (magnetic reconnection), прорывает в магнитосфере Земли гигантские бреши, позволяя плазме войти внутрь (в высоких широтах в обоих полушариях с освещённой стороны планеты).

«Мы и ранее (с помощью других спутников) время от времени наблюдали на полюсах нечто подобное, однако не придавали этому должного значения», -- рассказывает Раедер.

Впрочем, одного (пусть даже и широкого) слоя заряженных частиц всё же недостаточно для того, чтобы создать значительные геомагнитные бури. Пока что Земля и её обитатели наслаждаются периодом относительного спокойствия, хотя в магнитосфере продолжается накопление запаса высокоэнергетических частиц.

Сегодня ученые обнаружили место, где прямое космическое излучение проникает на Землю. У побережья Бразилии в Атлантическом океане обнаружена область значительного ослабления магнитного поля — район Южно — Атлантической аномалии. Ученые из NASA бьют тревогу -- площадь зоны аномалии составляет 8 млн. кв. км, и она неуклонно увеличивается. Изучались воздействия космического излучения на технику — оно приводило к полному отказу всех спутниковых средств связи. Магнитное поле над Южно — Атлантической аномалией стало значительно тоньше, и космическое излучение проникает все ближе к поверхности Земли. В первую очередь пострадают пассажиры авиарейсов, пролетающих над Атлантикой. Самолет, находящийся над зоной аномалии и попавший под излучение, потеряет связь и может потерпеть крушение. По прогнозам ученых, явление Южно — Атлантической аномалии связано с глобальным ослаблением магнитного поля планеты. Этот вывод сделан на основании экспериментов, в результате которых ученые определили, что с 1640 года магнитное поле планеты уменьшилось на 10%. Но ученые уже пришли к выводу, что оно может исчезнуть в 10 раз быстрее, буквально за 1 500 лет. Если оно исчезнет совсем, то нашей планете будет уготована участь Марса.

В других районах напряженность несколько возросла, то есть можно говорить о значительных видоизменениях магнитной материи. В среднем магнитные полюса движутся с ускорением на 3 километра в год. Этот невидимый защитный экран слабеет и его исчезновение лишь вопрос времени. В процессе ослабления защитных функций магнитного поля, воздействие космических частиц будет ощущаться все сильнее. Прямое воздействие излучения влечет за собой повышение радиации и увеличения заболевания раком. Космическое излучение оказывает воздействие на человека на генетическом уровне, вызывая мутации и изменения в ДНК. Пока пострадали только космонавты, попавшие под кратковременное воздействие этого жесткого излучения, у 39 из них через несколько лет обнаружилась катаракта. Проникновение этого излучения на поверхность Земли поставит под угрозу жизнь на планете.

Подобная инверсия магнитного поля Земли происходила на планете и ранее, и неоднократно. Но несмотря на то, что структура магнитного поля Земли претерпевала такие значительные изменения, после них сохранилась жизнь. Однако нужно задуматься над тем, какой ценой это было достигнуто.

Согласно некоторым научным гипотезам, во время перемещения магнитных полюсов магнитосфера исчезнет на неопределенный период, в течение которого на планету обрушатся неизмеримые потоки космических лучей — это, безусловно, представляет неимоверную угрозу всем ее жителям. Кроме того, как известно, постепенно истончается и озоновый слой, а значит, Земля ослабляет свою защиту и в этом аспекте. Исчезновение магнитосферы, пусть даже не на длительный период, в совокупности с истощением озонового слоя могут стать причиной конца света, так как жизнь на Земле вряд ли сохранится при указанных обстоятельствах.

Кроме того, что передвижение и видоизменение магнитосферы Земли может стать основной причиной конца света, эти процессы могут усугубить сложившуюся ситуацию, и, опять же, стать причиной исчезновения жизни на Земле. К примеру, одной из причин конца света называют крупную техногенную катастрофу. Если она произойдет, это может повлечь за собой сильнейшее землетрясение, которое, в свою очередь, способно изменить скорость обращения планеты вокруг своей оси. Такие случаи уже имели место быть, к примеру, в 2004 году в юго-восточной Азии произошло крупное землетрясение, которое унесло жизни более чем 200 тысяч жителей близлежащих районов. Это событие изменило не только судьбы людей, но и укоротило сутки на 3 микросекунды. Изменение скорости вращения планеты становится первопричиной смены магнитных полюсов. Это может быть очень опасно, ведь «защитный экран», которым, по сути, является магнитное поле Земли сегодня, исчезает, а все живое, не выдерживая испепеляющих космических лучей, погибает.

Магнитное поле земли слабеет, но это происходило уже неоднократно, принося с собой непоправимые последствия, однако прекращения жизни на Земле еще не последовало. Гипотеза периодических планетарных катаклизмов говорит о том, что окончательная инверсия магнитного поля планеты должна произойти в 2021 году.

По мнению ученых, в безопасности мы можем находиться еще как минимум 1500 лет. Но что будет потом, если магнитное поле Земли действительно настолько ослабнет, что уже не сможет защищать Землю от потоков радиоактивных космических лучей?

Если все-таки это произойдет, большинство населения всей планеты погибнет.

Но что бы быть в чем-то уверенным и знать, что происходит, нужно проводить специальные исследования. Магнитное поле планеты настолько важно для жизни человечества, что ученые настойчиво пытаются разгадать причины его изменения. Эти исследования сложны еще и потому, что его нельзя увидеть и изучить, можно только смоделировать.

Однако наука стремится стать коммерческой областью, и это диктуют современные условия жизни. А в таких условиях смена магнитного поля Земли мало кого интересует. А ведь множество, если не глобальных, то хотя бы локальных и личностных проблем, можно было бы предотвратить, если знать заранее, когда магнитосфера ослабнет настолько, что последствия этого станут неизбежными. Это касается в первую очередь проблем с информационными хранилищами данных, которые могут быть уничтожены мгновенно, если магнитные поля Земли ослабнут еще процентов на 20.

Таким образом, несмотря на то, что современные люди предпочитают больше предаваться размышлениям о грядущем конце света на основе различных пророчеств и предсказаний, следует лучше изучить влияние магнитного поля Земли на атмосферу и биосферу. Ведь колебания магнитного поля Земли могут усилиться или наоборот, оно может начать стабилизороваться и тогда повода для беспокойства не останется.

магнитный поле земля геофизический

Список литературы

1. Н. В. Короновский. Магнитное поле геологического прошлого Земли. Соросовский образовательный журнал, N5, 1996, стр. 56−63.

2. Паркинсон У. Введение в геомагнетизм. М., Мир, 1986.

3. http: //www. agnivek. ru/

4. http: //geosite. com. ru/

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой