Как сделать макет магнитного поля земли

Добавил пользователь Евгений Кузнецов
Обновлено: 09.10.2024

Исследователи зафиксировали аномально быстрое смещение северного магнитного полюса Земли по сравнению с предыдущими годами: он движется со скоростью около 55 километров в год вместо обычных 10—15 км от побережья Канады в сторону Евразийского материка. Из-за этого в декабре 2019 года пришлось выпустить внеплановое обновление Всемирной магнитной модели (WMM), описывающей магнитное поле Земли с большой точностью и используемой для навигации.

Всемирная магнитная модель (WMM, World Magnetic Model) разрабатывается совместно Национальным геофизическим центром данных США (National Geophysical Data Center, NGDC) и Британской геологической службой (British Geological Survey,BGS). Она представляет магнитное поле Земли в виде стандартного разложения в ряд магнитного потенциала поля, учитывая как состояние поля на момент создания, так и его вариации во времени, что позволяет экстраполировать изменение поля со временем на следующие несколько лет. Обновлённая магнитная модель выпускается каждые пять лет. Предыдущая версия модели была выпущена в 2015 г., и следующее плановое издание модели запланировано на 2020 год.

Из-за аномально высокой скорости дрейфа магнитного полюса в начале 2019 года было принято решение о внеплановом обновлении модели, об этом мы уже писали. Наконец 10 декабря было официально объявлено о выходе новой версии. Об этом сообщается на сайте Национального управления океанических и атмосферных исследований (National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA).

Со времени формального открытия северного магнитного полюса Земли в 1831 году установлено, что его положение непостоянно во времени. Полюса испытывают регулярное смещение, называемое дрейфом полюсов. Так, за время наблюдения северный магнитный полюс сместился на 2250 километров. Данные исторических наблюдений позволяют реконструировать положение полюсов и в ранние эпохи — начиная с 1600-х годов в связи с интенсивным развитием мореплавания. Положение магнитных полюсов до времени прямых измерений реконструируется по направлению магнитного склонения в разных точках мира, измеренному, в том числе с кораблей. Южный магнитный полюс при этом ведёт себя более спокойно, но также подвержен смещению. Раньше плановые выпуски WMM удовлетворительно отслеживали эти движения, закладывая в модели соответствующие поправки для экстраполяции данных, точности которой хватало на последующие пять лет.

"> Дрейф северного и южного магнитного полюса. Эпоха инструментальных наблюдений — с 1831 г. (северный полюс) и с 1903 г. (южный) — жёлтые кружки. Экстраполированные исторические данные с 1590 года обозначены цветами от синего к жёлтому. С сайта NOAA.

"> Фрагмент военной топографической карты (квадрат M-34-119) с информацией об ориентации и смещении магнитного поля.

Происхождение магнитного поля Земли и других планет остаётся пока непрояснённым. Правдоподобной теорией сегодня является модель геомагнитного динамо: поле возникает за счёт вращения внешнего металлического ядра Земли, находящегося в жидком состоянии (на глубинах от 2900 до 5000 км). Модель достаточно сложна и включает в себя как необходимые элементы проводящую жидкость (расплавленный металл внешнего ядра), высокую температуру ядра, обеспечивающую конвекцию, а также вращение магнитной среды за счёт вращения небесного тела. Эта модель объясняет наличие долгоживущего магнитного поля у планет и звёзд: магнитное поле в проводящей среде, раз возникнув по любым причинам, быстро по космическим меркам затухает, поэтому для его поддерживания в течение миллиардов лет необходимы дополнительные механизмы.

"> Упрощённая модель магнитосферы Земли и механизм геодинамо генерации магнитного поля.

Более интересным является также то, что модель динамо допускает как смещение магнитных полюсов, так и их инверсию. Про частичную инверсию магнитного поля в недавнем (40 000 лет назад) геологическом прошлом в связи с возможностью её исследования на годичных кольцах обнаруженного ископаемого дерева мы писали недавно. Математически модель магнитного геодинамо представляет собой типичную хаотическую систему, в которой инверсия полюсов выступает как неизбежное время от времени явление, но происходит практически непредсказуемо и через нерегулярные промежутки времени. Такая непредсказуемость траектории в сложной нелинейной системе называется динамическим хаосом и является математическим следствием чувствительности траектории к начальным условиям и параметрам. Здесь ситуация сродни проблеме предсказания погоды: внутренняя сложность и неустойчивость системы приводит к невозможности предсказания поведения системы за пределами некоторого временн?го горизонта (для погоды это несколько дней или недель). Система магнитного динамо является, таким образом, хаотической и бистабильной: периодически она перескакивает из одной области пространства состояний в другую, и нынешний Северный магнитный полюс находится то в северном, то в южном полушарии. Последняя полная инверсия полюсов предположительно имела место около 800 тысяч лет назад, то есть до возникновения человека как вида, поэтому о последствиях такой инверсии в будущем мы можем только высказывать предположения. Многое зависит от того, будет ли инверсия происходить путём быстрого движения магнитных полюсов из одного полушария в другое, или же (катастрофический сценарий) магнитное поле в период инверсии уменьшится до критических значений и не сможет защищать Землю от космического излучения.

"> Всемирная магнитная модель WMM-2020. Карта магнитных склонений.

Идея разработки вечного бестопливного двигателя не нова, за разработку такого агрегата во все времена брались именитые ученые своего времени. Однако ни технических средств для реализации задумки, не возможностей того времени не хватало. В некоторых случаях дело доходило только до теоретического обоснования, но существуют примеры реально разработанных альтернативных двигателей, которые призваны создать конкуренцию классическим электрическим машинам. Одним из таких вариантов является магнитный двигатель.

Миф или реальность?

Вечный двигатель знаком практически каждому еще со школьной скамьи, только на уроках физики четко утверждалось, что добиться практической реализации невозможно из-за сил трения в движущихся элементах. Среди современных разработок магнитных моторов представлены самоподдерживающие модели, в которых магнитный поток самостоятельно создает вращательное усилие и продолжает себя поддерживать в течении всего процесса работы. Но основным камнем преткновения является КПД любого двигателя, включая магнитный, так как он никогда не достигает 100%. Со временем мотор все равно остановится.

Поэтому все практические модели требуют повторного вмешательства через определенное время или каких-либо сторонних элементов, работающих от независимого источника питания. Наиболее вероятным вариантом бестопливных двигателей и генераторов выступает магнитная машина. В которой основной движущей силой будет магнитное взаимодействие между постоянными магнитами, электромагнитными полями или ферромагнитными материалами.

Актуальным примером реализации являются декоративные украшения, выполненные в виде постоянно двигающихся шаров, рамочек или других конструкций. Но для их работы необходимо использовать батарейки, которые питают постоянным током электромагниты. Поэтому далее рассмотрим тот принцип действия, который подает самые обнадеживающие ожидания.

Устройство и принцип работы

Сегодня существует достаточно большое количество магнитных двигателей, некоторые из них схожи, другие имеют принципиально отличительную конструкцию.

Для примера мы рассмотрим наиболее наглядный вариант:

Принцип действия магнитного двигателя

Как видите на рисунке, мотор состоит из следующих компонентов:

Магнит статора здесь только один и расположен он на пружинном маятнике, но такое размещение требуется только в экспериментальных целях. Если вес ротора окажется достаточным, то инерции движения хватит для преодоления самого малого расстояния между магнитами и статор может иметь стационарный магнит без маятника.
Ротор дискового типа из немагнитного материала.
Постоянные магниты, установленные на роторе в форме улитки в одинаковое положение.
Балласт — любой увесистый предмет, который даст нужную инерционность (в рабочих моделях эту функцию может выполнять нагрузка).

Разновидности магнитных двигателей и их схемы

Сегодня существует много моделей бестопливных генераторов, электрических машин и моторов, чей принцип действия основан на природных свойствах постоянных магнитов. Некоторые варианты были спроектированы именитыми ученными, достижения которых стали основополагающим камнем в фундаменте науки. Поэтому далее мы рассмотрим самые популярные из них.

Николы Тесла

В данном примере мы рассмотрим одну из разработок известного ученого, конструкция которой приведена на рисунке ниже:

Магнитный двигатель Тесла

Конструктивно магнитный двигатель Тесла состоит из таких элементов:

электрического генератора, который представлен двумя дисками из проводника, помещенными в униполярной магнитной среде;
гибкого ремня, изготовленного из проводящего материала, расположенного по периферии дисков;
независимых магнитов, сохраняющих униполярность полей при вращении дисков.

Такой двигатель, по словам изобретателя, может функционировать и в качестве генератора, вырабатывая электрическую энергию при вращении дисков.

Минато

Этот пример нельзя назвать самовращающимся двигателем, так как для его работы требуется постоянная подпитка электрической энергией. Но такой электромагнитный мотор позволяет получать значительную выгоду, затрачивая минимум электричества для выполнения физической работы.

Схема двигателя Минато

Как видите на схеме, особенностью этого вида является необычный подход к расположению магнитов на роторе. Для взаимодействия с ним на статоре возникают магнитные импульсы за счет кратковременной подачи электроэнергии через реле или полупроводниковый прибор.

При этом ротор будет вращаться, пока его элементы не размагнитятся. Сегодня все еще ведутся разработки по улучшению и повышению эффективности устройства, поэтому назвать его полностью завершенным нельзя.

Николая Лазарева

Это не только простейший гравитационный двигатель, но и одна из реально работающих моделей вечного двигателя. Пример приведен на рисунке ниже:

Двигатель Лазарева

Как видите, для изготовления такого двигателя или генератора вам потребуется:

колба;
жидкость;
трубка;
прокладка из пористого материала;
крыльчатка и нагрузка на вал.

Принцип действия заключается в том, что вода по тонкой трубке из-за избытка давления будет подниматься вверх и скапывать на прокладку и вращать крыльчатку. Далее вода будет просачиваться сквозь губку и под воздействием магнитного поля Земли дальше стекать в нижний резервуар. Цикл будет повторяться до тех пор, пока жидкость не исчезнет, что в идеально герметичном контуре не произойдет никогда. Для усиления момента на вращаемый вал добавляют магнитные усилители.

Говарда Джонсона

В своих исследованиях Джонсон руководствовался теорией потока непарных электронов, действующих в любом магните. В его двигателе обмотки статора формируются из магнитных дорожек. На практике эти агрегаты получили реализацию в конструкции роторного и линейного двигателя. Пример такого устройства приведен на рисунке ниже:

Двигатель Джонсона

Как видите, на оси вращения в двигателе устанавливаются сразу и статор и ротор, поэтому классически вал вращаться здесь не будет. На статоре магниты повернуты одноименным полюсом к роторным, поэтому они взаимодействуют на силах отталкивания. Особенность работы ученого заключалась в длительном вычислении расстояний и зазоров между основными элементами мотора.

Перендева

Данный вид двигателя, как и предыдущий, представляет собой еще одну модель магнитного взаимодействия между статором и ротором, где обе части содержат постоянные магниты. Схема конструкции обоих представляет собой диск или кольцо, в котором точечно устанавливаются вектолиты.

Магниты статора и ротора в двигателе Переднева

Как видите на рисунке, положение активных элементов имеет угол смещения, который и определяет эффективность вращения машины. Взаимодействие магнитных потоков в двигателе происходит при задании начального крутящего момента. Точность положения и угла наклона можно отстроить только в лабораторных или заводских условиях.

Василия Шкондина

Получить вечный генератор Василию Шкодину не удалось, КПД такого магнитного двигателя и сегодня не превышает 83%. Но и этого более чем достаточно, чтобы его повсеместно применяли для велосипедов, байков и самокатов. Он может эксплуатироваться как в режиме тяги, так и для рекуперации электроэнергии.

Двигатель Шкондина

На рисунке приведена конструкция магнитного двигателя Шкодина. Как видите, и ротор и статор представляют собой кольца. Из магнитных деталей он содержит 11 пар неодимовых магнитов. Ротор устройства содержит 6 электромагнитов, смещенных на одинаковое расстояние друг относительно друга.

Свинтицкого

Еще в конце 90-х украинский конструктор предложит модель самовращающегося магнитного двигателя, который стал настоящим прорывом в технике. За основу им был взят асинхронный двигатель Ванкеля, которому не удалось решить проблему с преодолением 360° оборота.

Игорь Свинтицкий эту проблему решил и получил патент, обратился в ряд компаний, однако асинхронное магнитное чудо техники никого не заинтересовало, поэтому проект был закрыт и за его масштабное тестирование ни одна компания не взялась.

Джона Серла

От электрического мотора такой магнитный двигатель отличает взаимодействие исключительно магнитного поля статора и ротора. Но последний выполняется наборными цилиндрами с таблетками из специального сплава, которые создают магнитные силовые линии в противоположном направлении. Его можно считать синхронным двигателем, так как разница частот в нем отсутствует.

Двигатель Серла

Полюса постоянных магнитов расположены так, что один толкает следующий и т.д. Начинается цепная реакция, приводящая в движение всю систему магнитного двигателя, до тех пор, пока магнитной силы будет хватать хотя бы для одного цилиндра.

Алексеенко

Интересный вариант магнитного двигателя представил ученый Алексеенко, который создал устройство с роторными магнитами необычной формы.

Двигатель Алексеенко

Как видите на рисунке, магниты имеют необычную изогнутую форму, которая максимально сближает противоположные полюса. Что делает магнитные потоки в месте сближения значительно сильнее. При начале вращения отталкивание полюсов получается значительно большим, что и должно обеспечить непрерывное движение по кругу.

На Земле можно искусственно создать такие же мощные магнитные поля, как у черных дыр и нейтронных звезд, заявили ученые из Университета Осаки (Япония). Это важно для проведения фундаментальных исследований в области физики, материаловедения и астрономии, сообщает Scientific Reports.

Большинство магнитных полей на Земле, даже искусственных, не особенно сильны. Мощность магнитно-резонансной томографии (МРТ), используемой в больницах, составляет около 1 Тесла, или 10 000 Гаусс. Лабораторный эксперимент 2018 года с использованием лазеров создал поле до 1200 Тесла, или чуть более 1 килотесла. Но никто не смог подняться выше этого уровня.

Взаимодействие сверхгорячих электронов и вакуума, создаваемого при взрыве трубки, создаст поток электрического тока. Ученые установили, что в данном случае ток может усилить уже существующее магнитное поле на два-три порядка.

Мощное магнитное поле продержится всего 10 наносекунд. Но этого достаточно для современных физических экспериментов.

Ученые рассчитали, что для создания такого поля понадобится лазерная система с энергией импульса от 0,1 до 1 килоджоуля и общей мощностью от 10 до 100 петаватт (миллион миллиардов ватт). Подобные устройства уже существуют или проектируются.

В том же 1905 году французский геофизик Бернар Брюнес провел в южном департаменте Канталь замеры магнетизма лавовых отложений эпохи плейстоцена. Вектор намагниченности этих пород составлял почти 180 градусов с вектором планетарного магнитного поля (его соотечественник П. Давид получил аналогичные результаты даже годом раньше). Брюнес пришел к заключению, что три четверти миллиона лет назад во время излияния лавы направление геомагнитных силовых линий было противоположным современному. Так был обнаружен эффект инверсии (обращения полярности) магнитного поля Земли. Во второй половине 1920-х годов выводы Брюнеса подтвердили П. Л. Меркантон и Монотори Матуяма, но эти идеи получили признание лишь к середине столетия.

Сейчас мы знаем, что геомагнитное поле существует не менее 3,5 млрд лет и за это время магнитные полюса тысячи раз обменивались местами (Брюнес и Матуяма исследовали последнюю по времени инверсию, которая сейчас носит их имена). Иногда геомагнитное поле сохраняет ориентацию в течение десятков миллионов лет, а иногда — не более пятисот веков. Сам процесс инверсии обычно занимает несколько тысячелетий, и по его завершении напряженность поля, как правило, не возвращается к прежней величине, а изменяется на несколько процентов.

Механизм геомагнитной инверсии не вполне ясен и поныне, а уж сто лет назад он вообще не допускал разумного объяснения. Поэтому открытия Брюнеса и Давида только подкрепили эйнштейновскую оценку — действительно, земной магнетизм был крайне загадочен и непонятен. А ведь к тому времени его исследовали свыше трехсот лет, а в XIX веке им занимались такие звезды европейской науки, как великий путешественник Александр фон Гумбольдт, гениальный математик Карл Фридрих Гаусс и блестящий физик-экспериментатор Вильгельм Вебер. Так что Эйнштейн воистину глядел в корень.

Как вы думаете, сколько у нашей планеты магнитных полюсов? Почти все скажут, что два — в Арктике и Антарктике. На самом деле ответ зависит от определения понятия полюса. Географическими полюсами считают точки пересечения земной оси с поверхностью планеты. Поскольку Земля вращается как твердое тело, таких точек всего две и ничего другого придумать нельзя. А вот с магнитными полюсами дело обстоит много сложнее. Например, полюсом можно счесть небольшую область (в идеале опять-таки точку), где магнитные силовые линии перпендикулярны земной поверхности. Однако любой магнитометр регистрирует не только планетарное магнитное поле, но и поля местных пород, электрических токов ионосферы, частиц солнечного ветра и прочих дополнительных источников магнетизма (причем их средняя доля не так уж мала, порядка нескольких процентов). Чем точнее прибор, тем лучше он это делает — и потому все больше затрудняет выделение истинного геомагнитного поля (его называют главным), источник которого находится в земных глубинах. Поэтому координаты полюса, определенные с помощью прямого измерения, не отличаются стабильностью даже в течение короткого отрезка времени.

Можно действовать иначе и установить положение полюса на основании тех или иных моделей земного магнетизма. В первом приближении нашу планету можно считать геоцентрическим магнитным диполем, ось которого проходит через ее центр. В настоящее время угол между нею и земной осью составляет 10 градусов (несколько десятилетий назад он был больше 11 градусов). При более точном моделировании выясняется, что дипольная ось смещена относительно центра Земли в направлении северо-западной части Тихого океана примерно на 540 км (это эксцентрический диполь). Есть и другие определения.

Но это еще не все. Земное магнитное поле реально не обладает дипольной симметрией и потому имеет множественные полюса, причем в огромном количестве. Если считать Землю магнитным четырехполюсником, квадруполем, придется ввести еще два полюса — в Малайзии и в южной части Атлантического океана. Октупольная модель задает восьмерку полюсов и т. д. Современные наиболее продвинутые модели земного магнетизма оперируют аж 168 полюсами. Стоит отметить, что в ходе инверсии временно исчезает лишь дипольная компонента геомагнитного поля, а прочие изменяются много слабее.

Полюса наоборот

Многие знают, что общепринятые названия полюсов верны с точностью до наоборот. В Арктике расположен полюс, на который указывает северный конец магнитной стрелки, — следовательно, его стоило бы считать южным (одноименные полюса отталкиваются, разноименные притягиваются!). Аналогично, северный магнитный полюс базируется в высоких широтах Южного полушария. Тем не менее по традиции мы именуем полюса в соответствии с географией. Физики давно условились, что силовые линии выходят из северного полюса любого магнита и входят в южный. Отсюда следует, что линии земного магнетизма покидают южный геомагнитный полюс и стягиваются к северному. Такова конвенция, и нарушать ее не стоит (самое время припомнить печальный опыт Паниковского!).

Магнитный полюс, как его ни определяй, не стоит на месте. Северный полюс геоцентрического диполя в 2000 году имел координаты 79,5 N и 71,6 W, а в 2010-м — 80,0 N и 72,0 W. Истинный Северный полюс (тот, который выявляют физические замеры) с 2000 года сместился с 81,0 N и 109,7 W к 85,2 N и 127,1 W. В течение почти всего ХХ века он делал не более 10 км в год, но после 1980 года вдруг начал двигаться гораздо быстрее. В начале 1990-х годов его скорость превысила 15 км в год и продолжает расти.

Откуда вообще у Земли магнитное поле? Одно из возможных объяснений просто бросается в глаза. Земля обладает внутренним твердым железо-никелевым ядром, радиус которого составляет 1220 км. Поскольку эти металлы ферромагнитны, почему бы не предположить, что внутреннее ядро имеет статическую намагниченность, которая и обеспечивает существование геомагнитного поля? Мультиполярность земного магнетизма можно списать на несимметричность распределения магнитных доменов внутри ядра. Миграцию полюсов и инверсии геомагнитного поля объяснить сложнее, но, наверное, попытаться можно.

Однако из этого ничего не получается. Все ферромагнетики остаются таковыми (то есть сохраняют самопроизвольную намагниченность) лишь ниже определенной температуры — точки Кюри. Для железа она равна 768°C (у никеля много ниже), а температура внутреннего ядра Земли значительно превышает 5000 градусов. Поэтому с гипотезой статического геомагнетизма приходится расстаться. Однако не исключено, что в космосе имеются остывшие планеты с ферромагнитными ядрами.

Рассмотрим другую возможность. Наша планета также обладает жидким внешним ядром толщиной приблизительно в 2300 км. Оно состоит из расплава железа и никеля с примесью более легких элементов (серы, углерода, кислорода и, возможно, радиоактивного калия — в точности не знает никто). Температура нижней части внешнего ядра почти совпадает с температурой внутреннего ядра, а в верхней зоне на границе с мантией понижается до 4400°C. Поэтому вполне естественно предположить, что благодаря вращению Земли там формируются круговые течения, которые могут оказаться причиной возникновения земного магнетизма.

Конвективное динамо

Именно такую схему ученые-геофизики обсуждали лет 80 назад. Они считали, что потоки проводящей жидкости внешнего ядра за счет своей кинетической энергии порождают электрические токи, охватывающие земную ось. Эти токи генерируют магнитное поле преимущественно дипольного типа, силовые линии которого на поверхности Земли вытянуты вдоль меридианов (такое поле называется полоидальным). Этот механизм вызывает ассоциацию с работой динамо-машины, отсюда и произошло его название.

Описанная схема красива и наглядна, но, к сожалению, ошибочна. Она основана на предположении, что движение вещества внешнего ядра симметрично относительно земной оси. Однако в 1933 году английский математик Томас Каулинг доказал теорему, согласно которой никакие осесимметричные потоки не способны обеспечить существование долговременного геомагнитного поля. Даже если оно и появится, то век его окажется недолог, вдесятки тысяч раз меньше возраста нашей планеты. Нужна модель посложнее.

Магнитная защита

Сегодня поговорим об очень сложной теме! О том, как работают магниты. И почему жить на магните размером с планету – это хорошо.

Все из-за одиночества электронов

Вся материя, включая нас самих, состоит из крошечных частиц – атомов. У атомов, в свою очередь, есть электроны – еще более маленькие частицы, от перемещения которых зависит все, что связано с электричеством. А там, где движение электронов – там всегда и магниты.

Сложность в том, что ученые еще не знают, что такое магнитное поле. То есть, мы понимаем, что оно есть и можем его зафиксировать. Но что это и с помощью каких частиц передается его воздействие – пока что неизвестно.

• Электроны имеют вокруг себя электрическое поле потому что у них всегда есть электрический заряд – отрицательный.

В теории относительности один наблюдатель даже может видеть электрическое поле, а другой – магнитное, то есть фундаментально они дополняют друг друга. Поэтому их объединяют в единую силу – электромагнетизм.

Но у атомов железа, кобальта, никеля и некоторых других веществ есть электроны без пары, некому подавить их магнитное поле. Такие одинокие электроны превращают в магнит и сам атом.

Важно запомнить, что у любого магнита есть два полюса, которые называют северным и южным.

Если два магнита поднести друг к другу одинаковым полюсом (север-север, например) – они будут отталкиваться, а если разным (север-юг) – наоборот, притягиваться.

Если подносить два магнита друг к другу одинаковыми полюсами, то их поля будут направлены противоположно, а значит мешать друг другу. А если разными, то, наоборот, направлены в одну сторону, а значит усиливать друг друга.

Притяжение и отталкивание тоже происходит, когда поля разных магнитов оказываются достаточно близко, что их линии стали влиять друг на друга – соединяться или отталкиваться. Сильнее всего магнитное поле у полюсов, поэтому притяжение и отталкивание в основном происходит там же.

Земля – это магнит

Половину стрелки, указывающую на ближайший полюс, обычно красят в красный цвет, а другую половину – в синий. При этом для каждого полушария красить стрелки приходится по-разному, чтобы компас указывал именно на ближайший полюс.

Правда, в каждом компасе есть секрет. Компасы для Северного полушария, например, где красная стрелка должна указывать на север, на самом деле абсолютно всегда указывают на магнитный юг Земли!

Напомним, в трех тысячах километров под землей начинается ядро планеты. По размерам его можно сравнить с Марсом, но фактически ядро состоит из двух частей – внешнего жидкого ядра и твердого внутреннего. Внутреннее ядро – это действительно кусок чистого железа, но его магнитных свойств не хватает для обеспечения того мощного и подвижного магнитного поля, которое есть у Земли.

Главным действующим лицом здесь оказывается внешняя, жидкая часть ядра, тоже состоящая в основном из железа. Из-за вращения Земли вещество там находится в постоянном движении – вращается вокруг центра планеты. Причем из-за того, что это жидкость, там допустимы разные скорости: чем ближе к центру, тем быстрее движется вещество.

Помните в начале статьи мы подчеркнули, что магнитные поля всегда там, где движение электронов? Это очень важно и для процессов в ядре Земли, ведь жидкое железо служит отличным проводником – средой для перемещения электронов.

Допустим, в процессе формирования у Земли появилось очень слабое магнитное поле просто от нахождения железа внутри ядра. Твердое ядро начало постепенно остывать, и от ядра вверх, в сторону мантии, стали подниматься потоки горячего вещества. А сверху, от мантии к ядру, начали опускаться потоки более холодной материи. В точности как в атмосфере, где теплый воздух всегда стремится вверх, так как он менее плотный, а холодный как более тяжелый двигается вниз.

Но Земля вращается — вращается и вещество в жидком ядре, причем с разными скоростями. Поэтому эти потоки закручиваются, то есть появляется дополнительное движение.

Показать, что происходит с линиями магнитного поля в ядре, непросто – обычно получается что-то вроде слипшихся в кастрюле спагетти

В итоге магнитное поле спонтанно усиливается до возможного в данный момент максимума. Для этого процесса подобрали термин – эффект динамо. Динамо само по себе не создает магнитное поле Земли, но усиливает и поддерживает уже существующее.

Жизнь на магните

Это, конечно, упрощенная картина, в деталях все выглядит довольно сложно – даже Альберт Эйнштейн сначала отказывался верить, что в центре Земли происходит такой хаос. Но открытия XX века позволяют думать, что за столь мощное магнитное поле землянам действительно стоит благодарить спонтанно начавшийся миллиарды лет назад эффект динамо, а не что-то иное.

Почему благодарить? Дело в том, что магнитное поле позволяет защитить жизнь на Земле от самых опасных частиц из космоса, в частности, от самой вредной части солнечной радиации.

Такие частицы, попадая в линии нашего магнитного поля, вынуждены двигаться вдоль его линий – то есть отклониться от маршрута и либо облететь Землю стороной, либо прилететь к полюсам Земли и стать частью полярного сияния. Если бы поле Земли было слабее, радиация бы не просто убила наших предков – жизнь на планете вообще была бы невозможна.

Не всем планетам так повезло – на Марсе, по всей видимости, динамо прекратилось очень давно. Без динамо нет и сильного магнитного поля. В итоге солнечная радиация уже миллиарды лет сносит атмосферу планеты в открытый космос, а ее поверхность похожа на пустыню после ядерной войны.

При этом у земного устройства магнитного поля есть и другие последствия – из-за высокой подвижности жидкого ядра подвижно и переменчиво и само магнитное поле. Помимо магнитных аномалий – мест с более слабым или сильным магнитным полем, известно, например, что северный магнитный полюс Земли постепенно смещается в сторону Сибири. А в прошлом планеты было как минимум 183 смены магнитных полюсов – когда магнитный север спонтанно становился югом и наоборот! Но это уже тема для другого письма.

Читайте также: