Зміна магнітного поля Землі. Найдетальніша карта магнітного поля Землі: відео

Зміст статті

ГЕОМАГНЕТИЗМ,земний магнетизм, магнітне поле Землі та навколоземного космічного простору. Земля має магнітне поле дипольного типу, ніби в її центрі розташований гігантський смуговий магніт. Конфігурація цього поля повільно змінюється, мабуть у результаті руху розплавленого матеріалу у зовнішньому ядрі Землі на глибинах понад 2900 км. Головне магнітне поле обумовлено джерелами, які у глибинах Землі. На повільні варіації головного магнітного поля накладаються швидкі, але слабкі зміни, спричинені електричними струмами в іоносфері. Електричні властивості іоносфери пов'язані з присутністю в ній заряджених частинок, що виникають при іонізації атмосфери сонячним промінням. Вітри, що дмуть в іоносфері в присутності постійного магнітного поля Землі, призводять до виникнення електричних струмів, які, у свою чергу, створюють додаткове магнітне поле, що змінюється.

Крім цих регулярних магнітних варіацій, спостерігаються також обурення, обумовлені сонячними спалахами, що відбуваються час від часу - джерелами ультрафіолетових і рентгенівських променів і обуреного потоку заряджених частинок сонячного вітру. Ця радіація збільшує іонізацію та викликає додаткові електричні струми в іоносфері. Іноді сонячний вітер настільки ефективно взаємодіє з геомагнітним полем, що формує кільцевий електричний струм на відстані кілька радіусів земної кулі; це призводить до зменшення головного магнітного поля; такі магнітні обурення відчуваються в усьому світі, але найбільше проявляються в полярних районах. У періоди сильних магнітних збурень відбуваються особливо інтенсивні полярні сяйва, і навіть часто порушується далекий радіозв'язок.

Дослідження магнітного поля Землі використовуються для вивчення фізичного стану глибоких надр та процесів, що відбуваються у високих шарах атмосфери. Спостереження магнітних варіацій проводяться на земній поверхні, в океанах, а також з повітря та з космосу за допомогою літаків та супутників. Магнітне поле відіграє також важливу роль в областях, що віддаляються від поверхні Землі на тисячі та більше кілометрів; у межах інтенсивний потік частинок, захоплених магнітним полем, створює серйозні проблеми для аерокосмічних досліджень. Сонячні та галактичні космічні промені, незважаючи на їхню високу енергію, відхиляються магнітним полем Землі до того, як потраплять у межі атмосфери.

Історична довідка.

Якщо смуговий магніт вільно підвісити на нитки, прикріпленої для його центру, вісь магніту першому наближенні зорієнтується у бік північ – південь. Точно не відомо, коли було вперше виявлено таку властивість магніту. Можливо, китайці були знайомі з ним уже в 1100, проте практичне використання цього явища почалося лише через 200 років. У Західній Європі магнітний компас застосовується в навігації з 1187 року.

Основи науки про геомагнетизм були закладені в період між 13 та 16 століттями. До середини 15 в. стало відомо, що підвішений магніт який завжди вказує точно північ. Перші відомості про нахилення напрямку земного магнітного поля щодо горизонтальної площини з'явилися в середині 16 ст. У 1600 р. У.Гільберт, придворний лікар Єлизавети I, опублікував знаменитий трактат Про магніт, магнітні тіла і великий магніт – Землі. Нова фізіологія, доведена безліччю аргументів та дослідів (De magnete, magneticisque corporibus et de magno magnete tellure. Physiologia nova; русявий. переклад 1956), в якому описав властивості магніту та земного магнетизму. Він зазначив, що Земля, мабуть, є величезним сферичним магнітом.

Варіації магнітного поля в часі були зафіксовані у 1635 р. Геллібрандтом, професором астрономії Грешам-Колледжа (Лондон). У 1701 р. астроном Е.Галлей опублікував першу карту геомагнітного поля. У середині 18 в. було встановлено зв'язок між полярним сяйвом і магнітними варіаціями. У 19 ст. К. Гаусс, який зробив великий внесок у розвиток знань про геомагнетизм, удосконалив прилади для вимірювання магнітних варіацій і встановив їх у магнітній обсерваторії в Геттінгені, побудованої в 1833 з немагнітних матеріалів. У 1834 Гаус і В.Вебер взяли участь у програмі Ф.Гумбольдта спостережень за магнітними явищами, яку одночасно проводили прибл. 50 обсерваторій, що входили до Геттінгенського магнітного союзу. Гаусс узагальнив магнітні дані та математично довів гіпотезу Гільберта про те, що джерело головного (основного) магнітного поля знаходиться всередині Землі.

Опис геомагнітного поля.

У будь-якій точці Землі магнітне поле вичерпним чином характеризується його інтенсивністю та напрямком, кут якого з горизонтальною площиною називається магнітним способом ( I). Якщо спроектувати поле на горизонтальну площину, напрям у першому наближенні буде орієнтоване з півночі на південь, але у загальному випадку утворюватиме деякий кут із справжнім напрямом географічного меридіана; це відхилення носить назву магнітного відмінювання ( D). Амплітуда, або напруженість, магнітного поля називається повною магнітною інтенсивністю ( F). Магнітне поле може бути представлене двома взаємно перпендикулярними компонентами: горизонтальною ( H) та вертикальною ( Z). Якщо вектори, що показують інтенсивність і напрямок горизонтальної компоненти в різних точках Землі, нанести на карту, то видно, що вони розходяться від точки поблизу Південного полюса і сходяться в точці поблизу Північного полюса. Ці точки називаються відповідно Південним та Північним магнітними полюсами. На полюсах магнітне поле спрямоване вертикально. Лінію, де магнітне поле спрямоване горизонтально, називають магнітним екватором.

Магнітні полюси не збігаються з географічними та дуже швидко переміщаються. Північний магнітний полюс знаходиться у північних водах Канади. Його координати в 1900 були 69 ° пн.ш. і 97 ° з.д., в 1950 - 72 ° пн.ш. і 96 ° з.д., в 1980 - 75 ° пн.ш. і 100 ° з.д, а в 1985 - 77 ° пн.ш. та 102° з.д. Південний магнітний полюс 1985 мав координати 65,5° пд.ш. і 139,5 ° с.д. Пряма лінія, проведена через ці магнітні полюси, не проходить через центр Землі.

Вимірювання геомагнітного поля показують, що на поверхні Землі в цілому воно може бути представлене як поле смугового магніту, вміщеного в центрі планети. Його ще називають полем магнітного диполя; поза сферою воно має таку конфігурацію, як би сфера була однорідно намагнічена. Ця модель дає найкращий (але далеко не ідеальний) збіг з дійсним полем. Дві точки, де вісь диполя перетинає земну поверхню, називають геомагнітними полюсами. На початку 1990-х років геомагнітний екватор був нахилений до географічного екватора на 12 °. Північний геомагнітний полюс мав координати 79 ° пн.ш. і 70 ° з.д., а вісь диполя відстояла від центру Землі на 460 км у напрямку Тихого океану (18 ° пн.ш., 148 ° с.д.). Повна магнітна напруженість на геомагнітних полюсах дорівнює приблизно 0,6 гаус, на магнітному екваторі напруженість приблизно вдвічі менша.

Магнітні картки.

Розподіл геомагнітного поля біля земної поверхні то, можливо представлено як ізомагнітних ліній, тобто. ліній, вздовж яких значення конкретної компоненти залишається незмінним. Карти відмінювання називаються картами ізогону (рис. 1). Магнітні карти засновані на численних магнітних зйомках, що виконуються на суші, на морі та з повітря. У США магнітні карти готуються Береговою та геодезичною службою та Військово-гідрографічним управлінням.

Крім магнітних зйомок високоточні спостереження за магнітним полем Землі ведуться у всіх частинах світу в магнітних обсерваторіях. З супутників здійснюються магнітні зйомки на великих висотах, де немає впливу регіональних магнітних аномалій, таких, як намагнічені тіла в земній корі, наприклад залізні руди.

Магнітні виміри.

У магнітних обсерваторіях через регулярні інтервали часу визначають абсолютні значення магнітних елементів (а чи не їх варіацій) з більшою точністю.

Магнітне відмінювання Dвизначається шляхом вимірювання азимуту (горизонтального напрямку) стрілочного магніту, вільно підвішеного на некрученій нитці таким чином, що магніт розташований горизонтально. Азімут відраховується від направлення на географічну північ, яка встановлюється за допомогою астрономічних чи геодезичних спостережень. Стандартними приладами магнітне відмінювання визначається з точністю 0,1".

Спочатку магнітний спосіб Iвизначалося шляхом виміру нахилу магнітної стрілки, центр якої закріплений на горизонтальній осі; ця вісь перпендикулярно орієнтується магнітному меридіану таким чином, що стрілка може повертатися в площині меридіана. Однак точність цих вимірювань була невисокою, тому стали користуватися індукційним нахиломіром, що складається з круглої багатовиткової котушки, яка обертається з великою швидкістю навколо осі, що проходить уздовж діаметра котушки. Вісь прикріплюється до рамки таким чином, що її орієнтація може бути виміряна. Цей метод заснований на виникненні в котушці індукованого електричного струму при зміні магнітного потоку, що проходить через неї. Якщо напрямок осі котушки не збігається з напрямком магнітного поля, то всередині котушки індукується змінний струм. Напрямок магнітного поля визначається в момент, коли гальванометр не показує індукованого струму в котушці, що обертається. За допомогою індукційного наклонометра магнітний спосіб може бути встановлено з точністю до 0,1".

Інтенсивність горизонтальної складової вимірюється методом, який розробив Гаус. Вимірювання виконуються у два етапи. Спочатку вимірюється період крутильних коливань вільно обертається в горизонтальній площині магніту; цей період залежить від напруженості геомагнітного поля H, а також від магнітного моменту Mта моменту інерції магніту. Потім магніту прикріплюють немагнітну смужку з відомим моментом інерції, після чого експеримент повторюють. Завдяки додаванню моменту інерції період коливань змінюється, що дозволяє обчислити твір MH. На другому етапі вимірюють відхилення магнітної стрілки під впливом земного магнітного поля та під дією поля магніту, використаного в першому експерименті, отримуючи відносини M/H. Комбінуючи обидві величини, MHі M/H, можна встановити H.

Подібним чином вимірюють вертикальну компоненту Z. Якщо визначено Hі Z, магнітний спосіб може бути знайдено з співвідношення tg I = Z/H.

Протонний магнітометр.

Його дія ґрунтується на ядерній прецесії (зміні орієнтації осі обертання) навколо напряму магнітного поля. Ядра водню (протони), що у воді, під впливом штучного магнітного поля, орієнтованого приблизно під прямим кутом до земного магнітного поля, поляризуються. Потім поляризує магнітне поле раптово вимикається. Протони починають вільно прецесувати навколо напряму земного магнітного поля Fдоки ядерні спини не досягнуть нового рівноважного стану. Прецесія протонів індукує невелику електрорушійну силу в котушці. Частота fцього сигналу така сама, як частота прецесії протонів і пов'язана з величиною магнітного поля Fспіввідношенням 2 pf = gF, де g- Гіромагнітне відношення протона, відоме з високою точністю. Вимірювання частоти сигналу в котушці дозволяє визначити загальну магнітну інтенсивність. Сконструйовано також протонні магнітометри для вимірювання Hі Z. При вимірі кожного з цих компонентів використовується пара кілець Гельмгольца (котушки для створення надзвичайно однорідного магнітного поля) для того, щоб призвести до нульового значення компонент, який в даний момент не підлягає вимірюванню.

Вікові магнітні варіації.

Річні середні значення магнітних елементів, виміряні в обсерваторіях, та результати магнітних зйомок, виконані з інтервалом у кілька років, показують, що земне магнітне поле піддається віковим (повільно мінливим) варіаціям. Ці варіації завдають карти як ліній рівних значень річних змін (карти изовариаций, чи ізопор) певних епох. Ізопори утворюють овали навколо регіонів, де відбуваються швидкі річні зміни. Протягом однієї або двох декад ізопори можуть суттєво змінюватися. Їхні центри мають тенденцію до дрейфу в західному напрямку.

Спостерігається також повільне обертання напрямку поля навколо фіксованого напряму. Наприклад, спостереження у Лондонській обсерваторії показують, що магнітне поле зробило майже три чверті обороту за останні 400 років.

Палеомагнетизм.

Вивчення магнетизму, «збереженого» у мінералах та гірських породах, забезпечує інформацію про історію земного магнітного поля у геологічному минулому. Якщо гаряча речовина охолоджується в магнітному полі від температури вище точки Кюрі (температура, вище за яку намагнічена речовина втрачає свою намагніченість) до нижчих температур, його залишкова намагніченість буде зберігати напрям зовнішнього магнітного поля, що існував при охолодженні. Тому мінерали, що сформувалися з розплаву, «запам'ятовують» напрям геомагнітного поля. Крім того, при опаді накопиченні намагнічені частинки у водних басейнах орієнтуються під впливом земного магнітного поля. Ці феномени лежать в основі палеомагнетизму, але їхня інтерпретація винятково складна, оскільки магнетизм порід не завжди стабільний.

Палеомагнітні дані стали основою теорії дрейфу материків. В результаті досліджень різновікових гірських порід було встановлено, що їхня намагніченість відхиляється від напрямку сучасного магнітного поля. Таким чином, складається враження, що магнітні полюси в геологічному минулому переміщалися щодо Землі. Це інтерпретується як свідчення того, що взаємне розташування материків у різні геологічні епохи змінювалося.

Природа магнітного поля Землі та її вікових варіацій.

Головне дипольне магнітне поле Землі можна пояснити, якби вона була однорідно намагнічена. Однак намагніченість порід поверхневих шарів суперечить цьому. Лабораторні експерименти показують, що точка Кюрі знижується із збільшенням тиску. Оскільки тиск і температура збільшуються з глибиною, досить малоймовірним, що нижче певної глибини феромагнітні речовини можуть зберігати свою намагніченість. Хоча лабораторні експерименти не повністю моделюють температуру і тиск у глибоких шарах Землі, прийнято вважати, що головне магнітне поле Землі не може бути обумовлене постійною намагніченістю земної речовини.

Сейсмічні та інші геофізичні дані показують, що Земля має ядро ​​(подібне за щільністю із залізом або залізо-нікелевим сплавом), яке знаходиться на глибині бл. 2900 км і виявляє деякі властивості рідини. У. Ельзассер, Е. Буллард та інші вчені припустили, що в ядрі відбуваються конвективні рухи. Переміщення провідної речовини в магнітному полі індукує електрорушійну силу, яка викликає електричні струми, що породжують додаткове магнітне поле подібно до дії динамо-машини, що самозбуджується.

Магнітне поле поблизу центрів вікового ходу може бути добре представлене ізольованими диполями, розташованими поблизу поверхні рідкого ядра Землі. Відносно короткий час, протягом якого відбуваються вікові варіації, підтверджує, що й причина пов'язані з рухами в ядрі. Електричні струми, які індукуються цими переміщеннями поблизу поверхні ядра, ймовірно, призводять до виникнення вікових варіацій.

Варіометри.

Крім абсолютних вимірювань геомагнітного поля магнітні обсерваторії ведуть безперервний запис компонентів H, Dі Z, оскільки відбуваються регулярні та нерегулярні варіації магнітного поля. Амплітуда цих варіацій набагато менша, ніж напруженість постійного магнітного поля. Прилади вимірювання варіацій називаються вариометрами. Їхня дія заснована на тому, що зміни кожного магнітного елемента викликають відповідне відхилення магнітної стрілки, до якої прикріплюється дзеркальце, а на нього прямує світло від маленької лампи. Відбитий промінь падає на поверхню покритого фотопапіром циліндра, який обертається з постійною швидкістю навколо осі. У варіометрах, що одночасно вимірюють три компоненти поля, фіксуються відразу три криві на одній магнітограмі (рис. 2). Для реєстрації варіацій різної амплітуди та частоти використовують різні типи варіометрів.

Квантовий магнітометр.

Для спостережень за швидкоплинними варіаціями розроблено магнітометр на парах рубідії. Цей прилад використовує оптичне накачування. Світло від рубідії лампи проходить через камеру, що містить пари рубідія, і падає на фотоелемент, що реєструє інтенсивність світла. Магнітометр орієнтують так, щоб промінь світла розташовувався майже паралельно магнітному полю. Якщо докласти змінне магнітне поле, що створюється котушкою і має частоту, що відповідає одному з переходів зееманівських в атомах рубідія, то збільшиться поглинання за рахунок магнітного резонансу. Частота, що відповідає зееманівському переходу, є відомою функцією напруженості магнітного поля. Резонансна частота визначається частотою магнітного поля, що додається, що дозволяє встановити інтенсивність магнітного поля.

Магнітометр на парах рубідія прийнятний для точних вимірювань варіацій магнітного поля, що швидко змінюються, оскільки з його допомогою може бути досягнута чутливість порядку 0,02 гами (1 гамма = 10 -5 гаус = 10 -9 тесла = 1 нТ). Для виміру абсолютних значень інтенсивності використовують протонний магнітометр.

Сонячні та місячні магнітні варіації.

Відповідно до характеру запису варіацій на магнітограмі виділяються «магніто-спокійні» та «магніто-обурені» дні. Ці магнітні збурення набагато більш часті та інтенсивні у полярних широтах.

Навіть в ідеально спокійних умовах запису на одній станції магнітні елементи H, Dі Zсистематично змінюються залежно від часу. Ці варіації звуться сонячно-добової спокійної магнітної варіації і позначаються S q; тут Sпоказує, що варіація залежить від місцевого часу обсерваторії (тобто її довготи щодо Сонця), а індекс qозначає "спокійний".

На північ і південь від екватора до 30° варіація S qгоризонтальною складовою Hвідповідно збільшується (у північному напрямку) протягом денного часу з максимумом поблизу полудня та зменшується (у південному напрямку) у нічний час; фаза варіації змінюється на зворотну північ чи південь від екваторіального пояса. У північній півкулі S qвідмінювання Dмає направлення на схід у ранкові години та на захід – у пополудні; те саме стосується вертикальної складової Z, яка зменшується на ніч. Ці зміни Dі Zзмінюють свій знак на зворотний на південь від екватора.

Якщо розглядати всі три елементи спільно, S qмає амплітуду, набагато більшу вдень, ніж уночі, що вказує на те, що S qвиникає внаслідок електричних струмів, що течуть в іоносфері. Електричні струми, відповідальні за виникнення S q, Вимірюються за допомогою геофізичних ракет, що запускаються поблизу екватора.

Середні за місяць чи рік величини амплітуд S qзмінюються відповідно до зміни сонячної активності; вони найбільші, коли Сонце спостерігається максимум плям. Амплітуда S qі, певною мірою, її глобальний розподіл щоденно змінюється; проте у цих змінах немає простого слідування за сонячної активністю.

Є й інші регулярні варіації, накладені на Sqта мінливі залежно від місячного часу. Ці варіації, названі «місячно-добовими варіаціями» ( L), представлені головним чином регулярними напівдобовими змінами магнітного поля. Їхня амплітуда набагато менше, ніж амплітуда S q,наприклад, варіація S qгоризонтальною складовою Hколивається в межах 30 гам у низьких широтах; коливання L- Лише бл. 3 гам. Варіація L, на відміну від S qмайже не виражена на магнітограмах (за винятком геомагнітного екватора, де її величина незвичайно велика). Її можна виділити лише на основі тонкого математичного аналізу, в якому S qта інші варіації зазнають опосередкування. Хоча Lваріює в залежності від місячного часу, в основному вона змінюється в денний час, коли електропровідність іоносфери максимальна. Отже, варіація Lзобов'язана електричним струмам, які індукуються приливними рухами в нижніх шарах іоносфери.

У межах вузького пояса над магнітним екватором S qзначно зростає в полуденний годинник. Цей ефект зумовлений існуванням «електроджету» – концентрованого електричного струму, що тече у межах вузького пояса в іоносфері. Місячно-добова варіація Lзростає з більшою швидкістю, ніж S q. Вважають, що екваторіальний електроджет, поточний із заходу Схід, виникає внаслідок підвищення електропровідності у напрямі поперек магнітного поля (що у цій галузі спрямовано горизонтально).

Магнітні бухти.

Часто спостерігаються магнітні варіації, при яких лінія запису Hна магнітограмі своїм контуром нагадує бухту, утворену береговою лінією. «Магнітні бухти» мають максимальну амплітуду і найчастіше спостерігаються в авроральних зонах (зонах полярних сяйв) з нічного боку Землі, по одній у кожній півкулі; їх центри відстоять від геомагнітних полюсів на 23°. Типова магнітна бухта вказує на інтенсивний електроджет в іоносфері в західному напрямку, що протікає через авроральну зону в ранні ранкові години (за місцевим часом), і слабкіший електроджет, що тече в східному напрямку в пізні вечірні години. Розсіяні струми від цих авроральних електроджетів поширюються над усією Землею і збуджують магнітні бухти набагато меншої інтенсивності в низьких широтах.

Потужні магнітні збурення в авроральних зонах, які називаються полярними штормами, тісно пов'язані з областю поширення полярних сяйв та інших полярних збурень.

Вплив сонячних спалахів.

Внаслідок спостережень за Сонцем були виявлені несподівані спалахи поблизу сонячних плям. Одночасно з ними реєструються обурення на магнітограм станцій, розташованих на денній стороні Землі. У земному магнітному полі сонячний спалах викликає несподіване збільшення S qтривалістю 20-30 хв, тому ефект сонячного спалаху позначають S qaде значок aсвідчить про збільшення інтенсивності.

У момент спалаху збільшується потік жорсткого випромінювання від Сонця; це призводить до збільшення іонізації, зростання електропровідності іоносфери та посилення електричного струму, що викликає S q. Різке збільшення іонізації у нижчих областях іоносфери викликає помітне поглинання радіохвиль і перерви радіозв'язку великі відстані.

Магнітна буря.

Особливо інтенсивні магнітні збурення, що поширюються на всю земну кулю, називають магнітними бурями. Деякі магнітні бурі починаються несподівано майже одночасно по всій Землі, а інші розвиваються поступово. Ознакою магнітної бурі, що раптово починається, служить різка зміна всіх трьох магнітних елементів на магнітограмі. Горизонтальний компонент Hраптово збільшує інтенсивність, чому іноді передує невеликий негативний імпульс. При раптовому початку бурі амплітуда варіації максимальна в авроральних зонах і зменшується до екватора; збільшення S qі Lспостерігається в межах вузького пояса на магнітному екваторі вдень.

Після раптового початку бурі лінія запису горизонтального компонента Hпротягом кількох годин зазвичай розташовується вище за рівень, що передував бурі; цей етап (позитивних значень) сприймається як перша чи початкова фаза. Значення Hстановлять від 10 до 20 гам у середніх широтах. За цією фазою слід суттєве зменшення до значень значно нижче за нормальні. Падіння амплітуди на кілька десятків гам під час бурі середньої інтенсивності відповідає її головній фазі. Максимальне відхилення досягається через 12 год. Після цього значним зменшенням відбувається повільне повернення до нормального рівня, яке триває кілька днів. Ці особливості є середні характеристики магнітних бур у середніх і низьких широтах; Показники окремих бур можуть істотно відрізнятися від середніх. Великі магнітні бурі проходять ці фази швидше, ніж слабкі.

У міру наближення до авроральної зони зміни магнітного поля, пов'язані з магнітною бурею, накладаються магнітні бухти. Зміни поля тут набагато нерегулярніші й інтенсивніші, ніж низьких широтах; варіації під час бур можуть досягати кількох тисяч гам. У межах полярних шапок (навколополярні області всередині авроральної зони) ступінь обурення трохи менше, ніж в авроральній зоні, але набагато сильніша, ніж на низьких широтах.

Варіації у високих широтах свідчать про існування інтенсивних і концентрованих авроральних електроджетів, які спрямовані на схід перед «магнітною опівночі» і на захід – після неї. Магнітна північ визначається як час, коли Сонце розташовується над магнітним меридіаном, протилежним до того, на якому розташовується станція; Відмінність між локальною опівночі та магнітною опівночі залежить від положення станції (і певною мірою від пори року), ця відмінність дуже незначна в низьких широтах, але у високих широтах може досягати більше однієї години. Електроджет, спрямований на захід, набагато сильніший за орієнтований на схід; загальна сила струму для бурі середньої інтенсивності становить 300 000 ампер і більше під час максимуму після магнітної півночі.

Часто магнітні бурі відбуваються через 1-2 дні після сонячного спалаху через проходження Землі через потік частинок, викинутих Сонцем. Виходячи з часу запізнення, швидкість такого корпускулярного потоку оцінюють кілька мільйонів км/год.

Теорія магнітних бур була розвинена С.Чапменом, В.Ферраро, Х.Альфвеном, С.Зінгером, А.Деслером, Є.Паркером та іншими. Коли на деякій відстані від Землі потік сонячних частинок – протонів та електронів – стикається із земним магнітним полем, це викликає «магнітний удар», який у вигляді сильної гідромагнітної ударної хвилі проходить через навколишній Землю електропровідний газ. Несподіваний початок магнітної бурі означає прихід гідромагнітної ударної хвилі.

Сонячний газ, огортаючи Землю, стискає її магнітне поле і, отже, збільшує його інтенсивність. Зростання магнітного поля у початковій фазі магнітної бурі відбувається як наслідок цього ефекту. Деякі із сонячних частинок захоплюються земним магнітним полем на відстані понад 40 000 км від Землі. Коли рух зарядженої частки магнітному полі орієнтовано косо по відношенню до магнітної силової лінії, вона переміщається по спіралі навколо цієї лінії. У міру того, як вона вторгається в область з інтенсивним магнітним полем, що становить її швидкості, паралельна вектору напруженості поля поступово зменшується, а швидкість обертання зростає, при цьому загальна швидкість залишається постійною. Коли паралельна полю складова швидкості стає нульовою, частка як би відбивається і починає рухатися назад вздовж силової лінії, продовжуючи спіралеподібне обертання навколо неї (точка, де відбувається відбиття, називається «точкою магнітного дзеркала», за аналогією зі звичайним оптичним дзеркалом, що відбиває світло). Таким чином, захоплені магнітним полем заряджені частинки, обертаючись по спіралі навколо силових ліній, коливаються між двома дзеркальними точками, одна з яких розташована у північній, а інша – у південній півкулі.

Магнітне поле слабшає із збільшенням відстані від Землі, через що збільшується радіус кривизни спірального руху частинок навколо силових ліній на зовнішній частині траєкторії. До того ж магнітні силові лінії вигнуті назовні, тому частинки, що коливаються вздовж них, відчувають відцентрове прискорення, спрямоване від Землі, що сприяє збільшенню радіуса кривизни траєкторії частинки в її частині, більш віддаленій від Землі в порівнянні з ближчою до Землі. А оскільки протони та електрони обертаються навколо магнітних силових ліній у протилежних напрямках, ці ефекти викликають дрейф протонів у західному напрямку, а електронів – у східному.

Сумарна швидкість дрейфу залежить від енергії частки та кута, утвореного вектором її швидкості із силовою лінією, коли частка перетинає екватор. Ці два чинники лежать у певному діапазоні, тому частки мають різні швидкості дрейфу і, захоплені земним магнітним полем, швидко розподіляються, формуючи оболонку навколо Землі. Західний дрейф протонів і східний дрейф електронів є нічим іншим, як електричний струм, «розмазаний» по оболонці. Цей струм, що має всюди західний напрямок, генерує магнітне поле, спрямоване так, що воно послаблює магнітне поле Землі. Цим можна пояснити особливості головної фази магнітної бурі.

Мікропульсації.

Вони є швидкими коливаннями невеликої амплітуди, які спостерігаються як у спокійні, так і в обурені періоди. У середніх та низьких широтах часто спостерігаються два умовні класи мікропульсацій: P cі P t. Мікропульсації P cпродовжуються більш-менш безперервно протягом багатьох годин з періодом від 10 до 60 сек; їхня амплітуда становить близько 0,1 гама. P tскладаються з рядів пульсацій з невеликою амплітудою, кожен ряд триває від 10 до 20 хв, індивідуальні пульсації мають період від 40 до декількох хвилин і амплітуду ок. 0,5 гами. Пульсація P cвідбувається найчастіше в ранкові години. P tчасто асоціюється з магнітними бухтами та спостерігається найчастіше вночі.

При використанні чутливіших приладів, ніж звичайні варіометри, виявляються пульсації з більш короткими періодами. З достатньою надійністю спостерігалися коливання із частотою 2 Гц, але, можливо, існують пульсації та з більшою частотою. Амплітуда швидких пульсацій дуже мала - близько 0,1 гами або менше. Для їх вимірювання використовується котушка з великою кількістю витків дроту (до 20 000) або величезна дротяна петля, що охоплює площу 50-75 км 2 і квантові магнітометри.

В авроральних зонах і поблизу них виявлено гігантські мікропульсації з амплітудою, значно більшою, ніж у P c, що досягає декількох десятків гам. Огинаюча гігантська мікропульсація поступово зростає і зменшується з періодом від однієї до декількох хвилин. В авроральній зоні також виявлені пульсації з періодами в кілька хвилин, деякі з них складаються з кількох майже синусоїдальних коливань, що продовжуються протягом декількох годин. Найчастіше вони виникають у роки високої сонячної активності. В авроральній зоні спостерігаються і більш швидкі мікропульсації з періодом від декількох секунд до 30 с, пов'язані, мабуть, з авроральною активністю. Феномен гігантських мікропульсацій недостатньо досліджений. Висловлюється припущення, що їх типи обумовлені коливаннями магнітних силових ліній у зовнішній області атмосфери Землі.

Геомагнітне поле у ​​високих шарах атмосфери.

З початком запуску ракет та супутників у високі верстви атмосфери геомагнітне поле стало предметом пильного інтересу. Раніше вважали, що земне магнітне поле простягається великі відстані. Л.Бірман припустив, що хвости комет, що складаються з іонів, витягуються в бік від Сонця під натиском потоку заряджених часток, що безперервно випускається ним. За його розрахунками, щільність іон-електронних пар поблизу Землі становить прибл. 100/см3. Ідею було підтримано Є.Паркером, який назвав цей безперервний корпускулярний потік «сонячним вітром». За його розрахунками, якщо сонячний вітер справді існує, земне магнітне поле має бути зосереджено в обмеженій області навколо Землі, розмір та форма якої залежить від сили сонячного вітру. Згідно з даними магнітометра, встановленого на космічному апараті «Піонер-1» (1958), межа земного магнітного поля у напрямку Сонця знаходиться на відстані прибл. 80000 км від Землі (магнітосфера Землі). За межами цієї зони зареєстровано магнітне поле інтенсивністю близько 10 НТ. У міжзоряному просторі є магнітне поле близько 0,1 нТ.

Важливе відкриття зроблено групою вчених під рук. Дж.Ван Аллена в 1958. За допомогою приладів, встановлених на першому в США супутнику "Експлорер-1", вони виявили, що у зовнішній атмосфері Землі існує радіація високої інтенсивності. Виміри, зроблені з радянських супутників під керівництвом С.Н.Вернова та А.Е.Чудакова (1958), виявили другу зону радіації. Ці зони отримали назву радіаційних поясів, або поясів Ван Аллена. Перший пояс тягнеться від 960 до 8000 км над земною поверхнею; другий - від 16 000 до 64 000 км. У межах внутрішнього поясу є протони із високою енергією. Протони малої енергії та електрони заповнюють більш широку область. Захоплення заряджених частинок земним магнітним полем згодом було перевірено в експериментах Аргус (1958), коли за допомогою ядерного вибуху на великих висотах в зовнішні шари атмосфери були штучно введені електрони. Виявилося, що захоплені електрони залишаються у тонкій оболонці магнітосфери протягом кількох днів.

Земні струми.

Земні, або телуричні, струми течуть у приповерхневому шарі земної кори. Непрямо про їх існування можна укласти на основі вимірювань потенціометром різниці потенціалів між двома електродами, поміщеними в ґрунт. Виміряна різниця потенціалів є електрорушійною силою, що виникає в результаті електричних струмів, величина яких залежить від опору кори. Розмір опору (від 100 до кількох мільйонів і більше ОмЧсм) залежить від геологічної структури і помітно змінюється з глибиною. Оскільки верхній шар земної кори має електропровідність, мінливе магнітне поле індукує в ньому електричні струми. Наприклад, магнітна варіація S qіндукує світові земні струми. Оскільки опір Землі не ізотропний, земні струми мають переважний напрямок.

Дослідження земних струмів в авроральних зонах служить добрим індикатором полярних збурень, а також корисні вивчення мікропульсацій.

Література:

Акасор С., Пелмен С. Сонячно-земна фізика, Ч. 1-2, М., 1974-1975
Вак'є Ст. Геомагнетизм у морській геології. Л., 1976
Яновський Б.М. Земний магнетизм. Л., 1978
Бєлов К.П., Бочкарьов Н.Г. Магнетизм на Землі та в космосі. М., 1983

Якщо довгий і тонкий магнітний стрижень - магнітну стрілку - зміцнити на вістрі або підвісити так, щоб вона могла вільно обертатися, то в кожній точці поблизу земної поверхні під дією магнітного поля Землі вона завжди встановиться приблизно в тому самому напрямку (з півночі на південь ). З давніх-давен відомий компас, що використовує цю властивість і має велике значення в морській та повітряній навігації. Точне знання магнітного поля для можливо більшого числа пунктів на Землі надзвичайно важливе для науки і практики, тому протягом доби день у день на магнітних обсерваторіях, розподілених по всій земній кулі, ведуться систематичні магнітні спостереження. Перша магнітна карта була опублікована в 1701 р. Е. Галлеєм, який зібрав спостереження багатьох моряків за напрямом магнітної стрілки. Нині карти магнітного поля складаються також з допомогою магнітометрів, встановлених на штучних супутниках Землі.

Зручним та наочним способом графічного зображення магнітного поля служить побудова його силових ліній, дотичні до яких у кожній точці вказують напрямок поля. Це видно на наступному досвіді. Покладемо на магніт лист скла, зверху насипаємо на нього трохи залізної тирси і злегка струсимо його. Тирса розташується у вигляді ланцюжків, які і покажуть напрямок силових ліній поля. Густота цих ліній, т. е. число ліній, що проходять через одиницю поверхні, характеризуватиме величину напруженості магнітного поля. У першому наближенні на невеликих віддаленнях від поверхні Землі її магнітне поле таке, ніби земна куля являла собою магніт з віссю, спрямованої приблизно з півночі на південь, що проходить через центр Землі і нахиленої на 11 ° до осі обертання Землі (рис. 1). Найкраще наближення до поля, що спостерігається на Землі, дає магнітний диполь, зміщений щодо центру Землі на 436 км.

Напруженість магнітного поля становить у полюса 0,62 Гс, у екватора – 0,31 Гс. Координати північного магнітного полюса 76 ° пн. ш., 101° з. буд.; південного - 66 ° пд. ш., 140 ° ст. д. Спостерігається безліч нерегулярних відхилень від суто дипольного поля. У сучасну епоху північний полюс диполя розташований у Південній півкулі. На основі вивчення намагніченості вивержених та осадових порід на суші та морському дні отримані вказівки на те, що дипольне поле Землі іноді мало майже протилежний напрямок у порівнянні з сьогоденням. Походження власного магнітного поля Землі зазвичай приписується дії механізму, пов'язаного з електричними струмами в квазірідкому ядрі планети.

Довгий час передбачалося, що близьке до спокійне дипольному магнітне поле Землі простягається необмежено далеко у вакуумі міжпланетного простору. Проведені на космічних апаратах виміри показали, що це негаразд. Виявляється, власне магнітне поле Землі є перешкодою на шляху надзвукового іонізованого газу, безперервно випромінюваного Сонцем, - сонячного вітру. Внаслідок цього поле зосереджено області кінцевих розмірів. З освітленої Сонцем боку Землі область обмежена приблизно сферичною поверхнею з радіусом «10-15 радіусів Землі (R), а з протилежного боку вона витягнута подібно до кометного хвоста на відстані аж до декількох тисяч радіусів Землі, утворюючи геомагнітний хвіст. Цю область простору, заповнену магнітними силовими лініями, з'єднаними із Землею, називають магнітосферою Землі (рис. 2). Магнітосфера відокремлена від міжпланетного магнітного поля перехідною областю. У певних зонах магнітосфери – радіаційних поясах – є потік заряджених частинок, захоплених магнітним полем Землі. У магнітосфері є складна система електричних струмів. Зміни цих та іоносферних струмів викликають як повільні безперервні зміни, так і порівняно швидкі зміни, які називають магнітними бурями. Варіації поля на поверхні Землі, зумовлені цими струмами, як правило, не перевищують 1%, але у зовнішніх частинах магнітосфери, поблизу її межі - магнітопаузи, де напруженість поля приблизно в тисячу разів менша, ніж на поверхні Землі, відносні зміни можуть бути значно більшими .

Деякі найшвидші варіації відбуваються за малу частку секунди; спостерігаються добові, сезонні варіації. У фазі з циклом сонячної активності відмічені 11-річні варіації. Зміна електричних струмів у ядрі Землі створює вікові варіації магнітного поля Землі; потрібні сотні років, щоб ці варіації помітно позначилися на полі.

Магнітне поле Землі можна уявити як величезний кокон, який захищає нас від космічного випромінювання та заряджених частинок, які бомбардують планету у вигляді сонячного вітру. Без цього поля життя, яке ми його знаємо, не існувало б.

Більшість поля утворюється на глибині понад 3000 км за рахунок руху розплавленого заліза у зовнішньому ядрі. Інші 6% частково пов'язані з електричними струмами в просторі, що оточує Землю, і частково з намагніченими породами у верхній літосфері - твердій оболонці Землі, що складається з кори та верхньої мантії.

Оскільки це «літосферне магнітне поле» дуже слабке, його важко знайти з космосу. Але тріо супутників ЄКА під назвою Swarmздатне відображати його магнітні сигнали. На основі даних, зібраних з їх допомогою, була випущена нова карта магнітного поля найвищої роздільної здатності.

«Об'єднавши дані Swarmз історичними даними з німецького супутника CHAMPі використовуючи новий метод моделювання, вдалося зафіксувати крихітні магнітні сигнали земної кори», пояснив Нільс Олсен з Технічного університету Данії, один із учених, які працювали над створенням карти.

«Зрозуміти кору нашої рідної планети нелегко. Ми не можемо просто пробурити її, щоб дізнатися про структуру, склад та історію. Тому спостереження із космосу мають велику цінність. Вони дають чіткий глобальний погляд на магнітну структуру жорсткої зовнішньої оболонки Землі», - додав керівник місії SwarmРуне Флобергаген.

Презентація нової карти відбулася цього тижня на конференції Swarm Science Meetingв Канаді. Вона дає змогу детально побачити варіації магнітного поля, зумовлені геологічними структурами земної кори.

Одна з таких аномалій відбувається в Центральноафриканській Республіці, зосередженій навколо міста Бангі, де магнітне поле значно сильніше та чіткіше. Причина цієї аномалії досі невідома, але деякі вчені припускають, що вона може бути результатом метеориту понад 540 мільйонів років тому.

Магнітне поле перебуває у постійному русі. Кожні кілька сотень тисяч років полярність перевертається так, що магнітна північ стає півднем, і навпаки.

Коли завдяки вулканічній активності формується нова кора, головним чином уздовж дна океану, багаті на залізо мінерали в магмі, що твердне, орієнтовані на магнітну північ. Так виходить моментальний знімок стану магнітного поля, в якому воно знаходилося, коли остигали породи.

Магнітні полюси з часом змінюють полярність, і мінерали, що затверділи, утворюють «смуги» на морському дні, що забезпечують літопис магнітної історії Землі. Нова карта надає безпрецедентний глобальний погляд на ці смуги, пов'язані з тектонікою плит, відображеною в серединно-океанічних хребтах.

«Ці магнітні відбитки свідчать про розворот полюсів, що дозволяють відновити минулі зміни основного поля та дослідити рухи тектонічних плит. Отримана карта визначає характеристики магнітного поля приблизно до 250 км і допоможе дослідити геологію та температури у земній літосфері», - зазначив Дхананджай Рават з Університету Кентуккі в США.

«Магнітне поле Землі захищає нас від космічного випромінювання та заряджених частинок сонячного вітру, які бомбардують Землю. Без магнітного поля наша планета мала б зовсім іншу атмосферу, і не виключено, що на ній не було б життя.

Дослідження магнітного «щита» Землі – головне завдання супутникового угруповання Swarm Європейського космічного агентства, яке виведено на орбіту у листопаді 2013 року. У ході місії Swarm передбачається побудувати високоточні карти довготривалої зміни магнітного поля Землі. На основі таких карт можна отримати нові знання про природні процеси, що відбуваються в океані, іоносфері, магнітосфері і глибоко всередині планети - в ядрі, мантії, корі.

У червні 2014 року в Копенгагені відбулася спеціальна конференція, де учасники проекту Swarm обговорили дані, отримані за шість місяців. Результати спостережень викликають занепокоєння: геомагнітне поле слабшає та змінює свою конфігурацію .

Угруповання Swarm складається з трьох ідентичних супутників, які знаходяться на низькій орбіті, що проходить через полярні області Землі. Такі параметри орбіти зумовлені зміною магнітного поля Землі, близькою до поля еквівалентного магнітного диполя. Два супутники летять на висоті 450 км. паралельно один одному на відстані близько 100 км. Третій знаходиться на висоті 530 км, та його орбіта лежить в іншій азимутальній площині. Коли супутники рухаються орбітою, кожен наступний виток трохи зміщується по довготі, що дозволяє поступово покрити орбітами всю земну кулю і отримати глобальну картину розподілу вектора магнітного поля. Кожен апарат Swarm оснащений високочутливими магнітометрами для вимірювання величини, напряму та варіацій магнітного поля, акселерометром – для визначення неоднорідності швидкості руху середовища, електростатичним аналізатором та приладами для точної орієнтації у просторі.

(Еквівалентний магнітний диполь - віртуальний постійний магніт, поле якого найкращим чином відповідає великомасштабному магнітному полю Землі. Вісь еквівалентного диполя відповідає геомагнітній осі.

Азімутальна площина - площина перерізу, що проходить через один із меридіанів та обидва полюси Землі.

Ортогональні компоненти вектора геомагнітного поля - три компоненти розкладання вектора, спрямовані північ, схід і вертикально до земної поверхні).

Swarm – четвертий космічний проект дослідження геомагнітного поля. Перші магнітні виміри з космосу зроблено в 1980 році американським супутником Magsat, який пропрацював лише дев'ять місяців. Потім був досить тривалий період, коли на орбіті не було жодного спеціалізованого геомагнітного супутника. Лише 1999 року запустили супутник Oersted і ще за рік - супутник CHAMP. Обидві місії виявилися вельми успішними. Спочатку розрахований термін їхнього життя був перевищений у кілька разів - вони пропрацювали понад десять років і дали надзвичайно велику кількість інформації. Тепер на зміну одиночним космічнимапаратам прийшло угруповання Swarm.

Що ж відбувається?

На початку конференції в Копенгагені супутники зробили понад дві тисячі обертів навколо Землі, і орбіти, поступово зміщуючи довготу, поступово покрили всі довготривалі сектори. Перші виміри Swarm показують, що за період близько 15 років у магнітному полі Землі відбулися значні зміни. Напруженість геомагнітного поля знижується, причому нерівномірно. У середньому вона зменшилася на 1,5%, а деяких регіонах, наприклад у південній частині Атлантичного океану, - на 10%. У ряді місць напруженість поля, попри загальну тенденцію, дещо зросла.

Супутникові дані про поступове ослаблення магнітного поля земного диполя підтверджуються вимірами наземних геомагнітних обсерваторій, які мають набагато довші ряди спостережень. Окремі обсерваторії проводять вимірювання геомагнітного поля в точках свого розташування протягом ста років і більше. Ще одне джерело інформації проеволюції магнітного поля Землі - палеомагнітні дослідження, засновані на зміні намагніченості породи в Керна, - дозволяє зробити оцінки величини поля в далекому минулому.

Загалом, як і належить, у геомагнітному полі домінує дипольна складова, на яку накладається поле великомасштабних та локальних магнітних аномалій. Дрібномасштабні варіації магнітного поля спостерігаються при перетині високоширотних областей Північної та Південної півкуль. Амплітуда цих варіацій зараз порівняно невелика, що свідчить про слабку інтенсивність геомагнітних бур. Це цілком очікувано, оскільки ми зараз перебуваємо на спаді 11-річного циклу сонячної активності, і Сонце було дуже спокійним.

Отримані дані будуть включені в останню версію великомасштабної моделі геомагнітного поля, за якою можна визначити величину напруженості поля в будь-якій географічній точці.

Супутники Swarm підтвердили попередні дані про те, щопомітно зміщуються магнітні полюси Землі . Північний магнітний полюс дрейфує з канадського сектора Арктики у бік східносибірського узбережжя. Південний полюс змістився з континентальної частини Антарктиди у Південний океан, у бік Нової Зеландії.

Наземні, а потім супутникові виміри показують, що швидкість дрейфу північного магнітного полюса у напрямі географічного полюса у 1990-х роках різко збільшилася і досягла 50 км/год, тоді як на початку ХХ століття вона становила лише 10 км/год. Якщо полюс збереже швидкість і напрямок зміщення, приблизно через 50 років він прийде до північних сибірських островів. За даними попереднього супутника Swarm CHAMP, швидкість руху північного магнітного полюса, досягнувши значення приблизно 60 км/рік в 2003 році, потім стала сповільнюватися і в 2009 році зменшилася до значення близько 45 км/рік. При цьому полюс став трохи розвертатися у бік Канади,рухаючись, як і раніше, у північно-західному напрямку.

Що відбувається з магнітними полюсами та магнітним полем у районі Бразильської аномалії зараз, покажуть спостереження Swarm.

Полюси навпаки

Спостереження вікового ходу геомагнітного поля з наземних магнітних обсерваторій показують, що величина всіх трьох ортогональних компонентів вектора геомагнітного поля повільно змінюється рік у рік. Вікова варіація для кожної компоненти може мати різну форму і досягати кількох відсотків від повної вимірюваної величини. Вікові варіації властиві і дипольною, і недипольною складовою геомагнітного поля. За останнє століття дипольне поле зменшувалося приблизно на 0,05% на рік . Відносна величина річної зміни недипольного поля в середньому більша, але змінюється від регіону до регіону, де напруженість поля може як зменшуватися, так і збільшуватися. Досить часто, іноді раз на кілька років, відбуваються події прискорення вікового ходу – так звані геомагнітні джерки.

Повний магнітний момент земного диполя зменшується протягом року приблизно одну тисячну свого значення. Отже, короткий (у геологічному відношенні) відрізок часу достатній, щоб повністю змінити всю картину геомагнітного поля, включаючи перехід через нуль і зміну полярності. Оцінки, зроблені за палеомагнітними даними, показують, що дійсно в далекому минулому відбувалися переполюсування, абоінверсії магнітного поля Землі. Північний та південний полюси мінялися місцями .

Під час переполюсувань, що відбувалися поступово, магнітне поле Землі втрачало дипольну структуру. Перед інверсією поле слабшало, а післяїї поступово зростало до колишніх значень. У минулому інверсії в середньому відбувалися кожні 250 000 років. Але від часу останньої минуло вже 780 000 років. Пояснення такого тривалого періоду стабільності поки немає, а коректність інтерпретації палеомагнітних даних періодично критикується. Однакте, що в даний час головне магнітне поле Землі досить інтенсивно зменшується, незаперечний факт . Це може бути ознакоюпочатку глобальних процесів у надрах Землі.

Механізм зміни магнітних полюсів і сама природа магнітного поля Землі поцього дня точно невідомі, і є кілька теорій, які пояснюють його походження. Немає достатніх знань для точного передбачення еволюції геомагнітного поля.

Зникнення магнітного щита та озонова діра

Нині напруженість магнітного поля Землі становить близько 30 000 нТл.на екваторі (де вектор поля направлений по горизонталі) та 60 000 нТл на полюсах (де вектор направлений вертикально). Це значення на кілька порядків менше значення магнітного поля, створюваного медичними приладами для магнітноготомографії. Отже, живі організми досить адаптовані до змін величини магнітного поля Землі. Ми також не відчуваємо дискомфорту, переміщаючись із Північної півкулі до Південної, де магнітне поле земного диполя спрямоване у протилежний бік. Проте зменшення дипольного моменту, яке ми зараз спостерігаємо, викликає занепокоєння. Воно вказує на підвищення ймовірності переполюсування - найдраматичнішої глобальної зміни магнітного поля Землі. Якщо зменшення дипольної компоненти поля зі швидкістю 0,5% на рік продовжиться, ця основна складова поля зникне вже в четвертому тисячолітті. А квадрупольна та тетрапольна складові будуть відігравати все більш істотну роль, що призведе до складної, багатополярної топології поля. Палеомагнітні дослідження вказують, щотака конфігурація завжди передувала переполюсовці. Фактично Земля у цей період позбавляється свого міцного магнітного щита .

Ослаблення геомагнітного поля виразно позначиться на земній атмосфері. Магнітне поле екранує Землю від енергійних заряджених частинок, що приходять із космосу та від Сонця. Збільшення потоків частинок призводить до збільшення оксидів азоту у середній атмосфері. Ці частки, поступово осідаючи, активно руйнують стратосферний озон. В результаті зменшення концентрації озону збільшується шкідлива ультрафіолетова радіація.

Наразі зменшення вмісту озону фіксується на всіх широтах., і особливо помітно на високих, незважаючи на активні заходи, вжиті в рамках Монреальського протоколу захисту озонового шару Землі. Найбільш драматичні втрати озону відбуваються у Південній півкулі над Антарктикою. У весняний період тут розвивається найбільша озонова дірка. Однак у 2012 році рекордно мала концентрація озону була зафіксована і в Арктиці, хоча атмосферна циркуляція така, що значних озонових дірок там утворюватися не повинно.

Моделювання показує, що при нульовому геомагнітному полі концентрація озону в атмосфері зменшиться на 50% . Таке скорочення вмісту озону та поява численних озонових дірок призведуть до катастрофічних наслідків для біосфери. Зміна спектра сонячного випромінювання, що проходить через земну атмосферу до Землі, порушить весь біологічний ланцюжок. Насамперед це вплине на мікроорганізми, що мешкають в океані та створюють основну біомасу на Землі. Ступінь їхньої пристосовності до зміни спектру сонячної радіації визначить подальші біологічні та кліматичні наслідки ослаблення магнітного щита Землі.

Зазначимо, що при переполюсуванні настануть складні часиі длявисокоорганізованих організмів, здатних орієнтуватися магнітним полем, наприклад перелітних птахівта морських тварин.

Зміни магнітного поля позначаться і техніці. Якщо головне магнітне поле Землі ослабне та перестане бути дипольним, традиційні технічні засоби орієнтації, які людина використовує протягом тисячоліть, перестануть працювати. Стрілка компаса не знайде ні півночі, ні півдня.

При ослабленні магнітного поля Землі низькоорбітальні космічні апарати піддаються підвищеному радіаційному опроміненню та бомбардуванні частинками великих енергій. Під час сонячних спалахів виходять із ладу прилади. Космонавти, а також пасажири та екіпажі трансконтинентальних авіарейсів можуть отримати небезпечну дозу радіації. Так, при прольоті над Бразильською магнітною аномалією, яка проявляється до висот 600 км, на населеній космічній станції вживаються спеціальні заходи захисту. Щільність потоку заряджених частинок у районі аномалії перевищує аналогічну величину, виміряну у віддалених районах, кілька порядків.

Від Канади до Росії

Якщо полюс продовжить свій рух у тому напрямі, як і зараз, то зона максимальних геомагнітних варіацій, небезпечних технологічних систем, поступово покриватиме північні території Росії. Саме ті території, на яких передбачається розвивати нові енергетичні проекти.

Чим допоможе Swarm?

Космічна місія Swarm розрахована на чотири-п'ять років. Дані, отримані європейськими супутниками, можуть використовуватися не лише безпосередніми учасниками проекту, а й науковими організаціями світу, які подали відповідну заявку до ЄКА. Шість заявок було подано від Росії. Геофізичний центр РАН також бере участь у аналізі результатів спостережень Swarm. Супутникові дані будуть відкриті і для дослідників, які приєднаються до програми в майбутньому.

Найбільший інтерес викликають дані щодо поведінки внутрішнього магнітного поля Землі. На базі вимірювань Swarm буде побудовано нову модель головного поля, яка має відображати його сучасний стан. Ця модель залишиться актуальною протягом наступних п'яти років для визначення вектора геомагнітного поля у будь-якій точці земної кулі. Порівняння інтенсивності поля, що вимірюється супутником нині, з інтенсивністю минулих десятиліть покаже, наскільки змінилася структура геомагнітного поля у різних регіонах Землі та загалом планети. Ці зміни відображають еволюцію глибинних земних шарів: рідкого ядра, кори та мантії, а їх вивчення дозволить просунутися у побудові несуперечливоїфізичної теорії генерації магнітного поля в надрах Землі – теорії геодинамо.

На основі свідчень супутникових магнітометрів можна обчислити варіації магнітного поля літосферного походження. Побудова детальних карт літосферного поля має велике практичне значення вивчення геології і тектоніки, оскільки ця частина геомагнітного поля пов'язані з геологічними структурами.

Модельне уявлення головного магнітного поля Землі у його сучасному стані (ліворуч)і в процесі переполюсування (праворуч) . Згодом магнітне поле Землі з дипольного може перетворитися на мультипольне, а потім знову сформується стабільна дипольна структура. Однак напрямок поля зміниться на протилежний: північний геомагнітний полюс опиниться на місці південного, а південний переїде до Північної півкулі. Такі події переполюсування вже неодноразово відбувалися у геологічному минулому нашої планети.

На відміну від попередніх – одноапаратних – місій Swarm дає можливість виділяти структури різних масштабів та оцінювати просторові градієнти магнітного поля. Нові карти розподілу геомагнітного поля матимуть просторово-тимчасовий дозвіл, недосяжний раніше. Якщо за час роботи супутникового угруповання на орбіті наземні обсерваторії зафіксують події глобального чи локального прискорення вікових варіацій геомагнітного поля (джерки), супутникові спостереження допоможуть зрозуміти їхню природу, яка досі не з'ясована.

Особливу увагу передбачається приділити вивченню магнітної аномалії Бразильської, де спостерігається найбільше падіння напруженості магнітного поля.

У завдання Swarm входять також уточнення положення та моніторинг дрейфу північного та південного магнітних полюсів. Це тим більше важливо, що обидва полюси в даний час знаходяться в океані і визначити їх точне положення за допомогою експедицій наземних досліджень досить непросто.

Є ще одна цікава проблема, для вирішення якої використовуватимуться спостереження Swarm. Попередні оцінки показують, що високочутливі магнітометри, встановлені на борту Swarm, можуть детектувати магнітне поле, яке індукує океанські течії. Вивчення океанського магнітного сигналу з космосу та аналіз супутникових даних при прольотах Swarm над океанами дозволять як оцінити параметри самих течій, а й розрахувати електропровідність верхньої мантії Землі.

Завдання, перераховані вище, відносяться до вивчення джерел внутрішньогомагнітного поля Землі Однак дані спостережень Swarm допоможуть і у вивченні електродинамічної взаємодії в системі сонячний вітер – магнітосфера – іоносфера. Серед завдань сонячно-земної фізики, які передбачається вирішити, - визначення структури електричних струмів, що точаться між магнітосферою та іоносферою вздовж силових ліній геомагнітного поля, зв'язок цих струмів з полярними сяйвами, іоносферні електричні поля та струми під час спокійних умов та геомагнітних бур, хвильові рухи і передачі енергії у верхній атмосфері Землі, варіації щільності атмосфери».http://www.nkj.ru/archive/articles/24756/