Физические поля Земли
Вокруг земного шара помимо гидросферы* и атмосферы* сконцентрированы еще физические поля. Так называются особые формы материи, отличные от твердых, жидких и газообразных тел, но объединенные свойством создавать условия для взаимодействия на расстоянии источника поля и какого-либо объекта (например, частицы тела, жидкости или газа). Естественно, что эти взаимодействия передаются с некоторой конечной скоростью. Земля имеет два физических поля: гравитационное и магнитное.
Гравитационное поле Земли подчиняется закону всемирного тяготения. Последний был установлен И.Ньютоном в 1747 году и выражает всеобщее свойство материи, состоящее в том, что сила взаимного притяжения двух материальных точек пропорциональна произведению масс этих точек, деленному на квадрат расстояния между ними. Коэффициент пропорциональности называется гравитационной постоянной. Математически эта сила выражается формулой
G = f*M*m/r2
где G - сила тяготения, f - гравитационная постоянная, f ~ 6,673*10-11 м3с-2кг-1, M - масса источника тяготения, m - масса тяготеющей точки, r - расстояние между источником тяготения и тяготеющей точкой.
Для случая гравитационного поля какого-либо большого небесного тела (например, Земли) формулу, выражающую закон всемирного тяготения, удобно записывать в виде
F =  *m/r2 где - постоянная тяготения рассматриваемого небесного тела, = f M. В частности, для Земли = 3,986*1014 м3c-2, Луны - 4,890*1012 м3c-2, Солнца - 1,321*1020 м3c-2.
Если рассматривается тяготеющая точка, которая находится на поверхности небесного тела (например, Земли), то последнюю формулу записывают в виде
F = gm,
где g - ускорение свободно падающей материальной точки, g = /r2. Если вычислить величину g, исходя из среднего значения радиуса Земли r = 6371 км, то найдем, что g = 9,8 м c-2. Эта хорошо известная физическая постоянная, к сожалению, очень часто называется неверно: ускорение свободного падения, ускорение силы тяготения. Но нет понятия "ускорение движения" (например, падения), как нет и понятия "ускорение силы" (например, силы тяготения).
Существенно, что ускорение свободно падающей (т.е. падающей в вакууме) материальной точки зависит от места его определения на поверхности Земли. В каждом конкретном случае эту величину можно найти только экспериментально. Если же необходимо ее вычислить, то можно пользоваться приближенной формулой
g = 9,7805 (1 - h/r)2 (1 + 0,0053 Sin  ), где h - высота нахождения точки над поверхностью Земли,
r - расстояние между центром Земли и точкой,
- широта места.
Например, для широты Санкт-Петербурга ( = 60o), для точки, находящейся на поверхности Земли, (h=0) из последней формулы получим g = 9,819 м c-2.
Одним из самых удивительных свойств гравитационного поля является его всепроницаемость: отгородиться от его воздействия невозможно; оно действует на любой материальный объект и проникает через любой экран. Другим свойством гравитационного поля является то, что его действие, непрерывно убывая, простирается практически на неограниченные расстояния.
Наличие у Земли гравитационного поля является одним из необходимейших условий существования жизни не ней: оно удерживает атмосферу и Мировой океан от их рассеяния в космосе; оно притягивает к поверхности Земли людей, животных и все другие материальные объекты; оно направляет течение рек и создает на поверхности водоемов выталкивающие (архимедовы) силы, удерживающие на ней суда и т.п.
Помимо гравитационного поля у Земли есть еще одно поле - магнитное. По сравнению с гравитационным полем оно является достаточно слабым: его средняя величина составляет всего 0,5 эрстеда, в то время как величина поля, создаваемого обычным школьным демонстрационным магнитом, доходит до нескольких десятков эрстед.
Геомагнитное* поле похоже на дипольное. Так называется поле магнита, у которого полюсы находятся очень близко друг к другу. Если диполь находится в центре шара, то магнитное поле на его поверхности имеет полюса, расположенные в диаметрально противоположных точках. Магнитные полюса Земли не совпадают с географическими. Магнитная ось нашей планеты наклонена к оси ее вращения на 11,5o. Магнитный полюс в Северном полушарии находится около берегов Северной Америки (71o с.ш., 96o з.д.), а полюс в Южном полушарии - около берегов Антарктики (70o ю.ш., 150o в.д.). Таким образом, магнитные полюса Земли не находятся в диаметрально противоположных точках земного шара, а магнитная ось не только не совпадает с осью вращения Земли, но и не проходит через ее центр. Величина геомагнитного поля на полюсах примерно в два раза больше, чем на экваторе, причем величина поля в Северном полушарии несколько больше, чем в Южном.
Действие магнитных сил в околоземном пространстве и на доступных глубинах внутри Земли обнаруживается: моментом сил, приложенным к свободно подвешенным магнитным стрелкам; электродвижущей силой (эдс), индуцируемой во вращающихся витках проводника; отклоняющим действием, испытываемым заряженными частицами космического излучения; эффектом поляризации радиоволн и др.
Различают два вида источников геомагнитного поля: внутренние и внешние. Первые расположены внутри планеты, вторые - вне ее. Первые создают достаточно постоянное магнитное поле, имеющее небольшие вековые вариации, вторые - намного более слабое, но зато переменное магнитное поле. Поле, создаваемое внутренними источниками, называется главным, а поле, создаваемое внешними источниками, - переменным. Природа и происхождение этих полей различны, но между ними существует глубокая взаимосвязь.
Главное магнитное поле Земли характеризуется напряженностью, которую в первом приближении можно считать распределенной аналогично напряженности однородно намагниченного шара или магнитного диполя. Действительная картина распределения напряженности поля на поверхности Земли очень сложна. Ее представляют специальными картами.
Главное геомагнитное поле имеет вековые вариации. Они проявляются, в частности, в том, что магнитный момент Земли уменьшается, а само поле дрейфует к западу со скоростью 0,15o в год. Очевидно, эти изменения происходят вследствие изменения интенсивности и топологии токовых систем в проводящем ядре Земли, которые и являются источником поля. Из-за вековых вариаций приходится регулярно составлять магнитные карты заново.
Переменное геомагнитное поле характеризуется изменениями, или вариациями, которые различаются по источнику и продолжительности действия. Выделяют: регулярные вариации, магнитные бури и короткопериодические колебания. Регулярные вариации имеют определенную продолжительность. Примером являются солнечно-суточные и лунно-суточные вариации, у которых период равен солнечным и лунным суткам соответственно. Магнитные бури появляются внезапно, а потом долгое время могут отсутствовать. Их продолжительность может составлять от нескольких десятков минут до нескольких часов. Короткопериодические колебания имеют период от десятых долей секунды до нескольких минут.
Большинство вариаций геомагнитного поля связано с солнечной деятельностью. Связь эта проявляется по-разному. Например, солнечно-суточные вариации усиливаются в том месте земного шара, где освещенность Солнцем в данное время больше, т.е. днем и летом. Некоторые короткопериодические вариации обнаруживают связь с расположением магнитной оси Земли по отношению к Солнцу. В полярных областях геомагнитное поле никогда не бывает спокойным. Магнитные бури имеют тенденцию к повторению через 27 дней. Бури обнаруживают также 11-летнюю цикличность (совпадающую с цикличностью солнечной активности).
Магнитные возмущения, охватывающие всю Землю, называются мировыми магнитными бурями. Они сопровождаются усилением интенсивности полярных сияний, изменением высоты и плотности ионизированных слоев. Это приводит, в частности, к нарушениям связи на коротких волнах. Мировые магнитные бури часто начинаются внезапно. Обычно это происходит через сутки-двое после вспышки на Солнце.
Магнитные бури и некоторые короткопериодические колебания возникают тогда, когда усиливается деятельность Солнца, когда на нем появляются солнечные пятна или вспышки.
Рис. 2.22. Магнитосфера Земли в меридианальном разрезе
Дело в том, что от Солнца к Земле непрерывно летит поток заряженных частиц, или, как говорят, "дует солнечный ветер" (рис. 24). Подлетая к Земле, частицы вступают во взаимодействие с магнитным полем Земли: ведь летящая заряженная частица - это электрический ток, а проводник с током отклоняется магнитным полем. Под напором летящих частиц силовые линии геомагнитного поля деформируются, прогибаются, как прогнулись бы под напором настоящего ветра упругие стальные полоски, имеющие форму силовых линий магнитного поля. Со стороны Солнца магнитное поле оказывается сдавленным, с ночной стороны образуется шлейф из вытянутых силовых линий. Длина шлейфа превышает радиус Земли более, чем в 80 раз. Силовые линии, образующие шлейф, вибрируют. Человек воспринимает эти вибрации как часть короткопериодических вариаций магнитного поля Земли. Большое количество частиц, особенно наиболее быстрых, улавливается силовыми линиями, т.е. начинает двигаться вдоль них от одного магнитного полюса к другому. Над Землей образуются слои, в которых собирается большое количество прилетевших от Солнца частиц. Эти слои загораживают Землю от новых потоков солнечных частиц, экранируют ее от солнечного излучения.
Область локализации геомагнитного поля, обтекаемого солнечным ветром, называется магнитосферой Земли* . Магнитосфера имеет внутреннюю и внешнюю области.
Область магнитосферы Земли, которая удерживает в ограниченном объеме заряженные частицы околосолнечной плазмы, называется геомагнитной ловушкой. Последняя образована замкнутыми магнитными силовыми линиями, близкими по форме к силовым линиям магнитного диполя. Она начинается с высот в несколько сотен километров и простирается до границы магнитосферы на дневной стороне Земли в плоскости экватора. Области геомагнитной ловушки, заполненные заряженными частицами (корпускулярным излучением), получили название радиационных поясов Земли. Эти пояса представляют значительную радиационную опасность для космонавтов.
Внешняя часть магнитосферы состоит из магнитных силовых линий, "заметаемых" солнечным ветром с дневной стороны на ночную и образующих на ночной стороне так называемый магнитный шлейф. Процессы, происходящие в магнитном шлейфе Земли на ночной стороне, вносят существенную роль в развитии магнитных возмущений и полярных сияний.
Однако некоторая доля частиц проходит сквозь магнитосферу в ионосферу* , т.е. в тот слой атмосферы, где много ионизированных, а значит, заряженных частиц.
Перемещаясь в магнитном поле Земли, заряженные частицы образуют электрические токи определенного направления. Связанные с этими токами магнитные поля и создают солнечно-суточные вариации.
В периоды солнечной активности поток поступающих от Солнца частиц становится более концентрированным. Причем они прорываются в атмосферу нерегулярно, отдельными группами, вызывая резкие кратковременные изменения магнитного поля земного шара. Это и есть магнитные возмущения, или магнитные бури.
de.ifmo.ru
Рейтинг публикации:
|
