Магнитное поле Земли, трансформированное потоком солнечного ветра

(меридиональная плоскость)

Магнитный момент Земли М=8,1×10²⁵ Гс×см³. Средняя напряженность магнитного поля на поверхности Земли составляет около 0,4 Гс.

На малых расстояниях от Земли поле несколько искажается под влиянием магнитных аномалий: Бразильской, Южноатлантической, Северной и др. На расстояниях уже более 6-7 радиусов Земли оно искажено солнечным ветром (магнитным полем, вмороженным в плазму Солнечного ветра).

Хвост земной магнитосферы простирается до траектории Луны.

На расстояниях 6-7 радиусов Земли магнитное поле можно считать почти дипольным, сферически симметричным и не зависящим от долготы.

Поля земного магнетизма относительно быстро изменяются. Изменения, называемые вековыми вариациями, дополняются слабыми суточными, вызываемыми приливами. Но иногда отклонения от обычного магнитного поля бывают весьма интенсивными (1000 g) и кратковременными. Это - "магнитные бури", обусловленные солнечной активностью. Предвесниками их являются "тепловые взрывы" - резкие и внезапные перепады температуры в стратосфере, особено над полярными районами Земли. В этих случаях, вероятно в результате взаимодействия корпускулярного излучения Солнца с магнитным полем на границе открытого космоса на высоте 50 км, температура за несколько часов возрастает на 40°С. Очаги таких взрывов появляются обычно над областями с повышенной геомагнитной активностью и затем мигрируют на огромные расстояния.

Палеомагнитные наблюдения показывают, что напряженность поля Земли 1500 лет назад была примерно в 1,5 раза выше, а 5500 лет назад в 2 раза ниже, чем наблюдаемая в настоящее время. В целом изменение интенсивности магнитного поля Земли по палеомагнитным данным представлено на рис. 9.10. Геомагнитный полюс в геологическом прошлом перемещался со временем, так и относительно географического. Существовали периоды обратной напряженности со сменой знаков полюсов.

Разрабатываемые законы космической электромеханики переносятся на астрофизические объекты. Движение Земли и планет вокруг Солнца и движения искусственных космических станций вокруг Земли подчиняется общим законам. Появилось новое направление – геомеханика.

Электромеханическая система планет состоит из магнитогидродинамического (МГД) генератора и униполярного двигателя (МГД-насоса), совмещенных в сферической электрической машине и имеющих общее магнитное поле (рис. 9.11).

Рис. 9.10. Изменение интенсивности магнитного поля Земли

Рис. 9.11. Электрическая машина - планета Земля1 - твердое ядро; 2 - жидкое ядро и жидкая магма; 3 - твердая "магма"; 4 - кора Земли

МГД-генератор состоит из токов ядра Земли (J _я.з.), замыкающихся на границе твердого и жидкого ядра, и токов радиационных полюсов (J_р.п.). Статором униполярного двигателя является твердое ядро и кора Земли, ротором - жидкая магма, двигающаяся по спиралевидным траекториям в замкнутом объеме жидой сферы. Чтобы униполярный двигатель работал, необходимо иметь поперечный ток (J_п), который замыкается на границе твердой и жидкой мантии.

Круговой поперечный ток на плоском изображении Земли имеет вид синусоиды (рис. 9.12).

J_п определяет смещение оси магнитного поля относительно оси вращения, смещение оси материковых плит и т.п.

Динамические процессы в электрической машине планеты являются источником энергии тайфунов, циклонов, антициклонов, землетрясений и других глобальных энергетических событий.

Рис. 9.12. Положение поперечного тока на плоском изображении планеты

Все в окружающем нас мире подчиняется циклам, которые можно назвать космическими. Они оказывают влияние на органическую и неорганическую природу. Человек ощущает более короткие циклы, неживая природа геологические циклы, длящиеся миллионы лет.

Примерно через 100 млн лет наступает половина большого галактического цикла. И происходит "переплюсовка" магнитного поля, изменение положения оси вращения, что сопровождается катаклизмами. За половину цикла поперечный ток изменяет направление. А это приводит к замедлению вращения Земли вокруг своей оси, Земля тормозится, что ведет к значительному выделению тепла.

Первая стадия переходного процесса самая активная. Идет выделение огромного количества тела, что может явиться причиной глобального потепления. Следует учитывать, что кинематическая энергия Земли превышает годичную антропогенную в 20 млрд. раз. Поэтому недоучитывать этот фактор при анализе явлений глобальной экологии нельзя.

Антропогенная добыча и переработка ресурсов также сказывается на физико-геохимическом состоянии среды и стуктуре геофизических полей - гравитационного, электрического, магнитного. Выработка электроэнергии (в 1990 г. она уже составляла 10²⁶ эрг/год) вызывает сильное воздействие на электромагнитное поле Земли. Передача электроэнергии и энергопотребление изменили характер геомагнитных бурь и магнитосферных возмущений, около 30% которых обязано функционированию линий электропередач. Очевидно, локально происходит интенсивное взаимодействие первичных и наведенных электромагнитных полей.

Разумеется, что такое крупное силовое поле Земли как магнитное имеет важное экологическое значение. Различия геомагнитных полей в разных районах Земли являются одной из причин биологических напряжений организмов при их миграции. Изменение магнитной среды влечет за собой и изменение состояния здоровья человека. Особенно чувствительны к изменению магнитного поля животные, чем-нибудь выведенные из состояния равновесия. Установлено, что возмущенность магнитного поля влияет на ход протекания лучевой болезни.

Вероятно, близки к эффекту магнитных бурь и возмущений действия любых переменных магнитных полей, включая систематические передвижения через интенсивные магнитные аномалии, вызванные в частности крупными магнетитовыми залежами. Однако, эта проблема едва поставлена, как и многие, многие другие, относящиеся к силовым полям Земли.

Все биологические системы (растения и животные) постоянно находятся под воздействием электромагнитных полей естественной и искусственной природы.

Влияние сильных электромагнитных полей на биосистемы, приводящие к тепловым эффектам, изучены достаточно полно, действия же относительно слабых полей исследованы явно недостаточно.

При определении влияния геомагнитных бурь на состояние экипажей космических кораблей "Союз" и станции "Мир" были отмечены повышенная активность регуляторных систем и изменение сосудистого тонуса.

У больных ишемической болезнью сердца, помещенных на время бури в экранированную палату, с ослаблением геомагнитного поля в 4,5-6 раз, наблюдалось улучшение самочувствия, прекращение приступов стенокардии, нормализация артериального давления и частоты сердечного ритма.

В настоящее время у биосистем установлено наличие определенных амплитудно-частотных окон к воздействию этого излучения.

Локальные изменения электромагнитного фона следует рассматривать как экологический фактор, имеющий такое же значение для жизнедеятельности микробов, как температура, влажность, давление, солнечная радиация и т.п.

Во многих организмах имеются ферромагнитные включения, на которых магнитное поле оказывает ориентирующее влияние.

Сказывается это и на растениях. Установлено, что экранирование растений от геомагнитного фона существенно изменяет ряд физиологических и биохимических их показателей.

Несмотря на то, что влияние электромагнитного воздействия на биосистемы далеко не выяснено, высокая чувствительнось их к воздействию даже слабых низкочастотных излучений не вызывает сомнений.

4. Радиационные поля

Наконец, отметим и радиационное поле Земли, образованное электронами и протонами различных энергий. Космическими наблюдениями установлено, что это поле начинается на высоте 500-600 км над земной поверхностью в западном полушарии и на высоте около 1500 км - в восточном. Его внешняя граница находится условно на расстоянии 5000-10000 км от поверхности Земли.

Это область ближайшего околоземного космического пространства, в виде кольца окружающего планету, получила название радиационного пояса Земли (пояса Ван-Аллена). Здесь огромные потоки протонов и электронов захвачены дипольным магнитным полем Земли (рис. 9.11).

Рис. 9.13. Меридиональное сечение радиационого пояса Земли

Оболочки L=1-3 - внутренняя часть пояса; L ок. 2 - стабильный пояс ядер аномальной компоненты космических лучей; L ок. 2,6 - квазистабильный пояс

Радиационный пояс Земли окружен так называемым плазменным слоем (захваченные потоки электронов и протонов плотностью ок. 1см^-3 и энергией до 1 кэВ).

Детальное изучение изменений потоков высокоэнергетичных захваченных частиц привело к установлению нового природного явления, связанного с воздействием сейсмической активности Земли на внутреннюю границу радиационного пояса, - сейсмомагнитосферной связи.

Из эпицентра предстоящего землетрясения испускается электромагнитное излучение, возникающее из-за механизмов перемещений подземных пород (трения, растрескивания, пьезоэффекта и т.п.). Космический аппарат регистрирует всплеск высыпающихся частиц. Это лежит в основе разрабатываемого сейчас нового метода оперативного прогноза землетрясений.

В 1983 г. отечественные ученые дополнительно открыли явление модуляции высокочастотных сейсмических шумов Земли.