Схема магнитного поля земли. Магнитосфера Земли: строение, основные области и процессы

Что такое магнитосфера Земли. Как устроена магнитосфера. Какие основные области выделяют в магнитосфере. Какие процессы происходят в магнитосфере. Как магнитосфера взаимодействует с солнечным ветром. Что такое магнитные бури и суббури.

Что такое магнитосфера Земли

Магнитосфера Земли — это область околоземного космического пространства, где поведение заряженных частиц определяется магнитным полем нашей планеты. Она образуется в результате взаимодействия солнечного ветра с геомагнитным полем.

Основные характеристики магнитосферы Земли:

• Обнаружена в 1958 году в ходе измерений на спутнике «Explorer-1»
• Термин «магнитосфера» введен в 1959 году астрономом Томасом Голдом
• Простирается на расстояние более 10 радиусов Земли с дневной стороны
• С ночной стороны образует длинный хвост протяженностью более 1,5 млн км
• Защищает Землю от губительного воздействия солнечного ветра

Строение и основные области магнитосферы

В строении магнитосферы Земли выделяют несколько основных областей:

1. Ударная волна

Образуется на границе магнитосферы с солнечным ветром. Замедляет и отклоняет поток солнечных частиц.

2. Магнитопауза

Внешняя граница магнитосферы. Представляет собой токовый слой толщиной 400-800 км. Положение магнитопаузы определяется балансом давления солнечного ветра и магнитного поля Земли.

3. Внутренняя магнитосфера

Включает в себя:

• Плазмосферу — область холодной плазмы на высотах от 1000 км до 4-6 радиусов Земли
• Радиационные пояса — области захваченных заряженных частиц высоких энергий
• Кольцевой ток — поток ионов, текущий вокруг Земли на расстоянии 3-6 радиусов

4. Хвост магнитосферы

Вытянутая область магнитосферы с ночной стороны Земли длиной более 1,5 млн км. Здесь происходит накопление и высвобождение энергии магнитного поля.

Взаимодействие магнитосферы с солнечным ветром

Магнитосфера Земли постоянно взаимодействует с потоком заряженных частиц от Солнца — солнечным ветром. Основные процессы этого взаимодействия:

• Обтекание магнитосферы потоком солнечного ветра
• Пересоединение силовых линий магнитного поля на дневной стороне
• Проникновение частиц солнечного ветра через каспы (воронки) в полярных областях
• Формирование хвоста магнитосферы с ночной стороны
• Ускорение и нагрев плазмы в погранслоях магнитосферы

Интенсивность взаимодействия зависит от параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля. При усилении солнечной активности возрастает поступление энергии в магнитосферу.

Магнитные бури и суббури в магнитосфере

При повышенном поступлении энергии от солнечного ветра в магнитосфере развиваются глобальные возмущения:

Магнитосферная суббуря

Кратковременное (1-3 часа) усиление магнитосферно-ионосферных токов в полярных областях. Сопровождается:

• Взрывным высвобождением энергии в хвосте магнитосферы
• Ускорением заряженных частиц
• Усилением полярных сияний

Магнитная буря

Длительное (до нескольких суток) глобальное возмущение магнитосферы. Характеризуется:

• Усилением кольцевого тока
• Многократным развитием суббурь
• Значительными колебаниями геомагнитного поля
• Нарушением работы навигационных систем и электросетей

Магнитные бури возникают при воздействии на магнитосферу мощных потоков солнечного ветра, связанных с корональными выбросами массы на Солнце.

Влияние магнитосферы на околоземное пространство

Магнитосфера Земли оказывает значительное влияние на процессы в околоземном космическом пространстве:

• Защищает поверхность планеты от губительного воздействия солнечной радиации
• Формирует радиационные пояса из захваченных заряженных частиц
• Вызывает полярные сияния при высыпании частиц в атмосферу
• Влияет на распространение радиоволн в ионосфере
• Воздействует на работу искусственных спутников Земли

Изучение процессов в магнитосфере имеет большое значение для космической погоды и ее влияния на технологические системы.

Методы исследования магнитосферы

Для изучения структуры и динамики магнитосферы Земли используются различные методы:

• Наземные магнитные обсерватории
• Измерения на искусственных спутниках Земли
• Регистрация полярных сияний
• Радиозондирование ионосферы
• Математическое моделирование

Особую роль играют долговременные измерения параметров плазмы и магнитного поля на специализированных спутниках. Это позволяет исследовать различные области магнитосферы и процессы, происходящие в них.

Магнитосферы других планет

Магнитосферы обнаружены у большинства планет Солнечной системы, имеющих собственное магнитное поле:

• Меркурий — компактная магнитосфера из-за слабого магнитного поля
• Юпитер — мощная магнитосфера, простирающаяся до орбиты Сатурна
• Сатурн — протяженная магнитосфера с рекомпрессиями в хвостовой части
• Уран и Нептун — магнитосферы с необычной геометрией полей

Изучение магнитосфер других планет позволяет лучше понять общие закономерности взаимодействия планетных магнитных полей с солнечным ветром.

Мой компас земной

Ученые наблюдают все ускоряющийся сдвиг северного магнитного полюса Земли. А ведь именно на него указывает стрелка любого компаса. В связи с этим требуется все более частое обновление карт магнитного поля, являющихся основой для всех навигационных систем. Кстати, ученые уже давно говорят о том, что магнитные полюса могут и вовсе поменяться местами, как это не раз происходило в истории планеты.

N + 1 обратился за разъяснениями к геологу Владиславу Стрекопытову.

Трудно представить себе современную жизнь без навигационных систем самого различного уровня — от систем управления движением кораблей в океанах до карт Google в бытовых смартфонах. Это может показаться странным, но и сегодня, в эпоху GPS, как и прежде, когда люди полагались лишь на компас, основой для ориентирования на местности остается магнитное поле Земли, а именно — конфигурация его силовых линий, расходящихся от магнитных полюсов.

Именно относительно магнитных полюсов, один из которых расположен в Северном полушарии, а другой в Южном, определяется положение точек и объектов на поверхности Земли. Местоположение магнитных полюсов не совпадает в точности с географическими Северным и Южным полюсами, поэтому синяя стрелка компаса указывает на север не точно, а лишь приблизительно, отличаясь на величину магнитного склонения.

Карта изолиний магнитного склонения, построенная на основе модели WMM 2015. Звездочкой обозначено положение северного магнитного полюса

British Geological Survey

Это не было бы проблемой, если бы магнитные полюса находились всегда на одном и том же расстоянии от географических. Тогда введенная поправка легко устраняла бы это расхождение. Проблема заключается в том, что магнитные полюса Земли имеют свойство постоянно смещаться. Есть суточные циклические блуждания магнитных полюсов и их долгосрочный дрейф, который хорошо заметен на промежутках в месяцы и годы (эти смещения измеряются десятками километров).

Долгосрочные смещения магнитных полюсов, скорее всего, являются отражением изменений, происходящих на уровне глубинных процессов в ядре Земли. Внутренняя часть металлического ядра (внутреннее ядро) является твердой, а внешняя (внешнее ядро) состоит из жидких металлов. Согласно существующим воззрениям, именно внешнее ядро — вернее, динамо-механизм (эффект магнитного динамо), связанный с вихревыми токами, вызванными конвекцией жидких металлов в этой зоне, — отвечает за возникновение у нашей планеты магнитного поля. Поток жидкого железа в ядре Земли создает электрический ток, который, в свою очередь, создает магнитное поле.

Именно присутствие в составе планеты жидкого ядра является необходимым условием генерации магнитного поля, а сила этого поля определяется интенсивностью конвективных потоков в нем. У таких планет земной группы, как Меркурий и Венера, магнитное поле хоть и присутствует, но оно далеко не такое сильное, как у Земли. Скорее всего, этого связано с низкой интенсивностью конвективных потоков в жидких ядрах этих планет. Для Марса же зафиксирован лишь остаточный магнетизм — по-видимому, раньше у него было жидкое ядро, но впоследствии оно затвердело.

Перемещение северного магнитного полюса (яркие точки) относительно географического Северного полюса (туская точка справа внизу)

Nature

Положение магнитных полюсов Земли с учетом их дрейфа вычисляется в рамках глобальных моделей магнитного поля, создаваемых различными международными геофизическими организациями. Модели являются основой для профессиональных и военных морских и топографических карт и реально служат для навигации, их используют военные ведомства всех стран, в том числе министерства обороны США и стран НАТО. Самые известные из этих моделей — Международное геомагнитное аналитическое поле (International Geomagnetic Reference Field, IGRF) и Всемирная магнитная модель (World Magnetic Model, WMM). Каждые пять лет эти модели корректируются.

Последняя корректировка была в 2015 году, и модели должны были действовать до 2020 года. Однако резкое увеличение скорости смещения северного магнитного полюса, наблюдающееся в последние годы, заставляет специалистов пересмотреть модели досрочно. В частности, геофизические службы США и Великобритании собираются обновить Всемирную магнитную модель WMM2015 в самое ближайшее время.

По результатам ежегодной проверки модели WMM2015 в начале 2018 года исследователи из Национального управления океанических и атмосферных исследований США (National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA) и Британской геологической службы в Эдинбурге сделали заключение о том, что уровень ошибок в фиксации вариаций магнитного поля Земли, выдаваемых моделью, скоро превысит допустимый для навигационных систем предел.

Геометрия магнитного поля Земли увеличивает погрешности модели в местах, где поле меняется наиболее быстро, например в районе Северного полюса. Об этом сообщает журнал Nature.

В каждой точке поверхности Земли магнитное поле имеет вертикальную и горизонтальную составляющие, и стрелка компаса, поворачиваясь вокруг своей оси, выстраивается именно вдоль горизонтальной составляющей. Таким образом, стрелка всегда параллельна направлению силовых линий магнитного поля.

Угол, на который отклоняется стрелка под действием магнитного поля Земли в вертикальной плоскости, называется магнитным наклонением. На магнитном полюсе Земли силовые магнитные линии перпендикулярны поверхности, а магнитное наклонение равно 90 градусов. Из-за этого вблизи от магнитных полюсов Земли магнитный компас бесполезен для определения направления.

Общая схема силовых линий геомагнитного поля

Peter Reid, The University of Edinburgh

Магнитный полюс Северного полушария Земли был обнаружен в 1831 году английским полярным исследователем Джеймсом Россом в Канадском архипелаге (70 градусов 05 минут 00 секунд северной широты, 96 градусов 47 минут 00 секунд западной долготы). Магнитное наклонение в данной точке было равно 89 градусов 59 минут.

В 1841 году Джеймс Росс определил местоположение магнитного полюса Южного полушария Земли (75 градусов 05 минут 00 секунд южной широты, 154 градуса 08 минут 00 секунд восточной долготы), находящегося в Антарктиде. С тех пор положение магнитных полюсов относительно географических координат четко отслеживается.

В связи с несимметричностью магнитного поля Земли (наличием локальных магнитных аномалий) северный и южный магнитные полюса Земли не являются антиподальными (диаметрально противоположными) точками. Соответственно, они и смещаются по-разному. И если южный магнитный полюс движется со скоростью около 10 километров в год, то северный магнитный полюс, для которого ранее были характерны такие же скорости, в последние годы резко ускорил свое движение.

Сейчас северный магнитный полюс уже дрейфует со скоростью около 65 километров в год, и эта скорость только нарастает. В настоящее время он уже вышел за пределы 200-мильной зоны Канады, пересек Линию перемены дат и уверенно движется в сторону российского арктического побережья. При сохранении такой скорости северный магнитный полюс через 50 лет достигнет архипелага Северная Земля.

Если скорость смещения северного магнитного полюса сохранится, то новая Всемирная магнитная модель, которая будет готова к концу января, тоже прослужит не более двух лет.

Тем временем ученые работают над тем, чтобы понять причину столь резких изменений в картине геомагнитного поля и предсказать, как будут развиваться события дальше. Спутники миссии Swarm Европейского космического агентства (ESA) регулярно отслеживают из космоса пространственные изменения магнитосферы Земли.

Наблюдения показывают, что магнитное поле сейчас в среднем по планете ослабевает со скоростью около 20 нанотесла в год, то есть на 5 процентов в столетие. Это изменение, конечно, неравномерное — где-то поле и растет. Но в целом за прошлые 150 лет снижение составило 10 процентов.

Изменение геомагнитного поля за первое полугодие 2014 года по данным спутниковой группы Swarm

earthobservatory.nasa.gov

Такое ослабление магнитного поля Земли вместе с резким ускорением дрейфа магнитных полюсов может свидетельствовать и о приближении такого события, как инверсия магнитного поля Земли, когда произойдет так называемая переполюсовка — северный и южный магнитные полюса поменяются местами.

В ближайший к нам период геологической истории инверсии магнитного поля (переполюсовки) происходили в среднем четыре раза за миллион лет. Последний раз это случилось около 780 тысяч лет назад. А сто миллионов лет назад был период, когда поле оставалось в одной полярности почти 40 миллионов лет. За всю историю планеты произошло, по крайней мере, несколько сотен инверсий магнитного поля.

До сих пор в периодичности смены полюсов ученые не могли обнаружить никакой закономерности.

Информация об изменениях полярности — инверсиях магнитного поля — зафиксирована в горных породах и рудах, содержащих ферромагнитные минералы (магнетит, гематит, титаномагнетит), сохраняющие остаточную намагниченность, которая содержит информацию о состоянии магнитного поля Земли на момент формирования этих пород. Изучение остаточной намагниченности в разновозрастных породах является основанием для составления временной шкалы инверсий магнитного поля.

Существует мнение, что в момент смены полярности напряженность магнитного поля резко падает, из-за чего исчезает магнитная защита нашей планеты от потока ионизированных частиц, идущих от Солнца, — солнечного ветра. После смены полярности прежняя напряженность магнитного поля восстанавливается, по геологическим меркам, очень быстро — за первые десятки тысяч лет. Но этого времени вполне достаточно, чтобы на Земле погибло все живое. Некоторыми учеными инверсии магнитного поля рассматриваются в качестве одной из вероятных причин эпизодов массовых вымираний.

В любом случае, когда мы говорим о большой вероятности того, что полюса скоро поменяются местами, мы рассуждаем в масштабах геологического времени, где понятие «скоро» означает десятки тысяч лет. Да и сама смена полюсов — событие, происходящее не за одну минуту и даже не за сто лет. Во время переполюсовки общая картина геомагнитного поля нарушается, возникают несколько полюсов полярности, которые перемещаются, как бы «вытесняя» друг друга. На схеме ниже приведена построенная по результатам моделирования схема изменения магнитной полярности Земли в период инверсии магнитного поля.

Результаты численного моделирования магнитного поля Земли: слева — обычное состояние, справа — состояние магнитосферы Земли в период инверсии

Nature

Изучение ископаемых останков организмов периода последней инверсии магнитного поля, произошедшей 780 тысяч лет назад, показало, что никаких радикальных изменений в растительной или животной жизни на Земли в связи с инверсией полюсов не происходило. Видимо, организмы успевали адаптироваться к изменившейся полярности.

Изотопные исследования кернов осадочных пород и льда, относящихся к периоду инверсии, также не показывают каких-либо значимых изменений в составе атмосферы Земли или объемов континентального оледенения. Это означает то, что изменение полярности не влияет на положение оси вращения нашей планеты, так как любое изменение положения оси вращения неизбежно привело бы к серьезным климатическим изменениям.

Результаты компьютерного моделирования, подкрепленные геологическими данными, свидетельствуют о том, что даже в периоды смены магнитных полюсов Земля остается защищенной от губительного солнечного излучения и в полном объеме сохраняет свою атмосферную оболочку.

Владислав Стрекопытов

Инверсия магнитного поля Земли требует меньше времени чем считалось

Благодаря археологическим исследованиям известно, что северный и южный магнитный полюса Земли иногда меняются местами. Это явление называется инверсией магнитного поля. Подобные события не имеют какой-то ярко выраженной периодичности. Между очередной сменой полюсов может пройти от нескольких десятков тысяч до миллионов лет.

Схема магнитного поля Земли. Источник: NASA/Peter Reid, University of Edinburgh/astrobio.net

Палеомагнитные данные говорят о том, что в последний раз инверсия магнитного поля нашей планеты произошла 780 тыс. лет тому назад — задолго до появления современного человека. В то же время в распоряжении геологов имеется ряд свидетельств того, что и после смены «полярности» оно может переживать периоды нестабильности. Во время них направление магнитных силовых линий может быстро меняться на практически противоположное, а затем так же стремительно возвращаться к исходному.

Схема инверсии магнитного поля. Источник: NASA

Чтобы лучше разобраться в этих процессах, международный коллектив ученых изучил сталагмиты из пещеры Саньсин в южном Китае. Они образовались в период 107-91 тыс. лет назад. Палеомагнитный анализ показал, что в то время магнитное поле Земле пережило большое количество аномалий. Амплитуда разворота силовых линий в течение этого периода иногда превышала 100º. При этом у вращений наблюдалась четко выраженная асимметрия: полярность в Восточном полушарии поворачивалась относительно нормального направления преимущественно на юг и на восток. Напряженность поля над отдельными участками поверхности снижалась на 90%.

Но самое интересное заключается во времени, требовавшемся на подобные «развороты». В период между 106 и 103 тыс. лет назад для сдвига магнитных линий на 100º понадобилось менее двух веков. Раньше ученые считали, что такие процессы должны растягиваться на многие тысячелетия.

 

Расположение пещеры Саньсин, в которой собирались образца сталагмитов для палеомагнитного исследования, и фотографии двух исследованных сталагмитов. Источник: Yu-Min Chou et al./ Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018 Наклон магнитной оси Земли в период от 99 до 96 тысяч лет назад (слева) и схема максимального смещения магнитного полюса планеты за этот период (справа). Источник: Yu-Min Chou et al./ Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018

Различные недобросовестные СМИ часто любят пугать свою аудиторию апокалиптическими сценариями о том, что следующий «разворот» магнитного поля станет чуть ли не концом света. Конечно же, это не так. За время своего существования земная биосфера успешно пережила сотни магнитных инверсий. В то же время такое событие, безусловно, может нанести ущерб современной цивилизации, особенно системам электроснабжения и навигации. Но на данный момент ученые не располагают никакими данными, позволяющими хотя бы приблизительно рассчитать, сколько осталось до следующей смены магнитных полюсов.

По материалам: https://nplus1.ru

МАГНИТОСФЕРА • Большая российская энциклопедия

МАГНИТОСФЕ́РА Зем­ли, за­пол­нен­ная плаз­мой по­лость, об­ра­зую­щая­ся в по­то­ке сол­неч­но­го вет­ра при его взаи­мо­дей­ст­вии с гео­маг­нит­ным по­лем. Об­на­ру­же­на экс­пе­ри­мен­таль­но в 1958 в ре­зуль­та­те из­ме­ре­ний, про­ве­дён­ных на ИСЗ «Explo­rer-1» (США). Тер­мин «М.» ввёл в 1959 амер. ас­тро­ном Т. Голд, обо­зна­чив им око­ло­зем­ное про­стран­ст­во вы­ше ио­но­сфе­ры, в ко­то­ром гео­маг­нит­ное по­ле осу­ще­ст­в­ля­ет до­ми­ни­рую­щий кон­троль над дви­же­ни­ем га­за и бы­ст­рых за­ря­жен­ных час­тиц. Голд счи­тал, что М. рас­про­стра­ня­ет­ся до рас­стоя­ния ок. 10 зем­ных ра­диу­сов от цен­тра Зем­ли (позд­нее бы­ло ус­та­нов­ле­но, что это рас­стоя­ние зна­чи­тель­но боль­ше).

Наи­боль­ший вклад в маг­нит­ное по­ле Зем­ли вно­сит его ди­поль­ная со­став­ляю­щая, соз­да­вае­мая то­ко­вы­ми ис­точ­ни­ка­ми, рас­по­ло­жен­ны­ми глу­бо­ко под по­верх­но­стью пла­не­ты (см. Зем­ной маг­не­тизм). По­ток час­тиц сол­неч­но­го вет­ра, взаи­мо­дей­ст­вуя с маг­нит­ным по­лем Зем­ли, из­ме­ня­ет его ди­поль­ную кон­фи­гу­ра­цию, соз­да­вая внут­ри по­то­ка по­лость. Пер­вое оп­ре­де­ле­ние фор­мы и по­ло­же­ния этой по­лос­ти, на­зван­ной М., бы­ло вы­пол­не­но в 1964 по дан­ным ИСЗ «IMP-1» («Inter­planetary Monitoring Platform», США).

Строение магнитосферы и приграничные области

Рис. 1. Схема магнитосферы Земли в плоскости, проходящей через магнитные полюсы Земли и линию Земля – Солнце. Линиями со стрелками обозначены силовые линии магнитного поля.

Спут­ни­ко­вые из­ме­ре­ния со­ста­ва, плот­но­сти и энер­гии час­тиц, дви­жу­щих­ся в око­ло­зем­ном кос­мич. про­стран­ст­ве, а так­же из­ме­ре­ния маг­нит­но­го и элек­трич. по­лей по­зво­ли­ли вы­де­лить отд. об­лас­ти М., от­ли­чаю­щие­ся ря­дом осо­бен­но­стей (рис. 1).

Сред­няя ско­рость сол­неч­но­го вет­ра вбли­зи ор­би­ты Зем­ли (ок. 400 км/с) при­мер­но в 5 раз пре­вы­ша­ет ско­рость маг­ни­тоз­ву­ко­вых волн. По­это­му пе­ред М. с её днев­ной сто­ро­ны по­сто­ян­но су­ще­ству­ет ото­шед­шая удар­ная вол­на (на­зы­вае­мая так­же го­лов­ной удар­ной вол­ной), за­мед­ляю­щая и от­кло­няю­щая по­ток сол­неч­но­го вет­ра. То­ко­вый слой, яв­ляю­щий­ся гра­ни­цей М., на­зы­ва­ют маг­ни­то­пау­зой. Его по­ло­же­ние оп­ре­де­ля­ет­ся ба­лан­сом ди­на­мич. дав­ле­ния со сто­ро­ны сол­неч­но­го вет­ра и маг­нит­но­го дав­ле­ния со сто­ро­ны маг­нит­но­го по­ля Зем­ли. Тол­щи­на маг­ни­то­пау­зы из­ме­ня­ет­ся от 100 км до 3000 км и со­став­ля­ет в ср. 400–800 км. Вслед­ст­вие из­ме­не­ния па­ра­мет­ров сол­неч­но­го вет­ра маг­ни­то­пау­за из­ме­ня­ет по­ло­же­ние в про­стран­ст­ве, пе­ре­ме­ща­ясь со ско­ро­стя­ми 10–300 км/с (пре­им. 20–40 км/с). Ди­на­мич. дав­ле­ние сол­неч­но­го вет­ра умень­ша­ет­ся при уда­ле­нии от Солн­ца. В ре­зуль­та­те с ноч­ной сто­ро­ны Зем­ли фор­ми­ру­ет­ся вы­тя­ну­тая ко­ме­то­об­раз­ная полость – хвост М., про­тя­жён­ность ко­то­рой со­став­ля­ет бо­лее 1,5 млн. км. В М., ог­ра­ни­чен­ной маг­ни­то­пау­зой, при­ня­то вы­де­лять внут­рен­нюю и хво­сто­вую час­ти.

М. не изо­ли­ро­ва­на от сол­неч­но­го вет­ра. По­это­му че­рез её гра­ни­цу по­сто­ян­но по­сту­па­ют элек­тро­маг­нит­ная энер­гия и ве­ще­ст­во, в ре­зуль­та­те че­го в М. при­сут­ст­ву­ют то­ко­вые сис­те­мы и круп­но­мас­штаб­ное элек­трич. по­ле. В пре­об­ра­зо­ва­нии энер­гии сол­неч­но­го вет­ра в энер­гию то­ко­вых сис­тем М. и элек­тро­маг­нит­но­го по­ля Зем­ли осо­бую роль иг­ра­ют фи­зич. про­цес­сы, про­ис­хо­дя­щие в по­гра­нич­ных об­лас­тях М. К та­ким об­лас­тям от­но­сят­ся: ото­шед­шая удар­ная вол­на, маг­ни­тос­лой (об­ласть про­стран­ст­ва ме­ж­ду удар­ной вол­ной и маг­ни­то­пау­зой) и са­ма маг­ни­то­пау­за. В маг­ни­то­пау­зе вы­де­ля­ют осо­бые об­лас­ти: касп (во­рон­ка, че­рез ко­то­рую час­ти­цы сол­неч­но­го вет­ра про­ни­ка­ют в М.), тур­бу­лент­ный по­гра­нич­ный слой (с днев­ной сто­ро­ны) и по­гра­нич­ный слой на гра­ни­це хво­стовой час­ти М. Эти об­лас­ти ха­рак­те­ри­зу­ют­ся вы­со­ким уров­нем элек­тро­маг­нит­ной тур­бу­лент­но­сти и про­ис­хо­дя­щим в них пе­ре­со­еди­не­ни­ем маг­нит­ных си­ло­вых ли­ний меж­пла­нет­но­го маг­нит­но­го по­ля с маг­нит­ным по­лем М. За счёт энер­гии, вы­сво­бо­ж­даю­щей­ся в ре­зуль­та­те та­ко­го пе­ре­со­еди­не­ния, про­ис­хо­дит ус­ко­ре­ние плаз­мы и её на­грев. Кон­цеп­ция пе­ре­со­еди­не­ния по­зво­ля­ет объ­яс­нить наи­боль­шее чис­ло яв­ле­ний, экс­пе­ри­мен­таль­но на­блю­дае­мых в маг­ни­то­сфе­ре.

Фи­зич. про­цес­сы, про­ис­хо­дя­щие в ука­зан­ных пе­ри­фе­рий­ных об­лас­тях око­ло­зем­но­го про­стран­ст­ва, обес­пе­чи­ва­ют по­сту­п­ле­ние энер­гии во внутр. об­лас­ти М. Энер­гия, по­сту­паю­щая внутрь М., воз­рас­та­ет при по­яв­ле­нии вбли­зи ор­би­ты Зем­ли вы­со­ко­ско­ро­ст­ных час­тиц меж­пла­нет­ной сре­ды. По­сту­п­ле­ние энер­гии за­ви­сит так­же от ори­ен­та­ции век­то­ра на­пря­жён­но­сти меж­пла­нет­но­го маг­нит­но­го по­ля: чем боль­ше со­став­ляю­щая век­то­ра, на­прав­лен­ная пер­пен­ди­ку­ляр­но к плос­ко­сти эк­лип­ти­ки в сто­ро­ну Юж. по­лу­ша­рия, тем боль­ше энер­гии по­сту­па­ет в М. От­клик М. на ди­на­ми­ку из­ме­не­ния па­ра­мет­ров сол­неч­но­го вет­ра и меж­пла­нет­но­го маг­нит­но­го по­ля но­сит не­ли­ней­ный ха­рак­тер. Ко­ли­че­ст­вен­ное опи­са­ние та­ко­го от­кли­ка осуществ­ля­ет­ся на ос­но­ве ин­дек­сов гео­маг­нит­ной ак­тивно­сти, которые определяются в хо­де изме­ре­ний, про­во­ди­мых ми­ро­вой се­тью маг­нит­ных об­сер­ва­то­рий.

При по­вы­шен­ном уров­не по­сту­п­ле­ния энер­гии в М. в её хво­сто­вой час­ти воз­рас­та­ет энер­гия маг­нит­но­го по­ля, ко­торая за­тем транс­фор­ми­ру­ет­ся в ки­не­тич. энер­гию элек­тро­нов и ио­нов. Та­кой про­цесс но­сит взрыв­ной ха­рак­тер. В ре­зуль­та­те воз­ни­ка­ет маг­ни­то­сфер­но-ио­но­сфер­ное воз­му­ще­ние, на­зы­вае­мое маг­ни­то­сфер­ной суб­бу­рей. При этом в об­лас­ти вы­со­ких ши­рот обо­их по­лу­ша­рий пла­не­ты рез­ко (в неск. раз) воз­рас­та­ет си­ла то­ка в маг­ни­то­сфер­но-ио­но­сфер­ных то­ко­вых сис­те­мах, из­ме­ня­ет­ся их гео­мет­рия, а так­же про­ис­хо­дят вы­сы­па­ния в верх­нюю ат­мо­сфе­ру за­ря­жен­ных час­тиц вы­со­кой энер­гии, что вы­зы­ва­ет по­ляр­ные сия­ния. Вре­менной мас­штаб од­ной изо­ли­ро­ван­ной маг­ни­то­сфер­ной суб­бу­ри со­став­ля­ет 1–3 ч, взрыв­ной фа­зы суб­бу­ри – 15–30 мин. Ес­ли на Солн­це про­ис­хо­дит ко­ро­наль­ный вы­брос мас­сы, вы­со­ко­ско­ро­ст­ные по­то­ки сол­неч­ной плаз­мы обес­пе­чи­ва­ют по­вы­шен­ное по­сту­п­ле­ние энер­гии внутрь М. в те­че­ние нескольких ча­сов. В этом слу­чае про­цесс ге­не­ра­ции суб­бурь идёт не­пре­рыв­но на про­тя­же­нии дли­тель­но­го вре­ме­ни; соз­да­ёт­ся маг­ни­то­сфер­ное воз­му­ще­ние, на­зы­вае­мое маг­нит­ной бу­рей. Про­дол­жи­тель­ность ср. маг­ни­то­сфер­ной бу­ри (вклю­чаю­щей маг­нит­ную бу­рю, по­ляр­ные сия­ния, ио­но­сфер­ные воз­му­ще­ния и др.) со­став­ля­ет ок. 30 ч, за этот пе­риод мо­жет про­ис­хо­дить неск. суб­бурь (до 10 суб­бурь во вре­мя дли­тель­ных маг­ни­то­сфер­ных бурь).

Внутренняя и хвостовая части магнитосферы

Во внутр. части М. выделяют плаз­мо­сфе­ру, ра­диа­ци­он­ные поя­са Зем­ли и коль­це­вой ток.

Плаз­мо­сфе­ра яв­ля­ет­ся про­дол­же­ни­ем ио­но­сфе­ры на боль­шие вы­со­ты: на­чи­нает­ся с выс. ок. 1000 км над по­верх­ностью Зем­ли и про­сти­ра­ет­ся до рас­стоя­ний в 4–6 ра­диу­сов Зем­ли. В этой об­лас­ти внутр. М. пре­об­ла­да­ет хо­лод­ная плаз­ма, за­хва­чен­ная маг­нит­ным по­лем Зем­ли. Плот­ность плаз­мы со­став­ля­ет 100–1000 см^–3, энер­гия час­тиц – ме­нее 1–2 эВ. В плаз­мо­сфе­ре пре­об­ла­да­ют ионы во­до­ро­да, 10–20% со­став­ля­ют ио­ны ге­лия, 5–10% – ио­ны ки­сло­ро­да.

Ра­ди­ац. поя­са Зем­ли со­сто­ят в осн. из элек­тро­нов и про­то­нов, неск. про­цен­тов от об­ще­го чис­ла час­тиц в поя­сах со­став­ля­ют бо­лее тя­жё­лые за­ря­жен­ные час­ти­цы. Час­ти­цы в этих поя­сах име­ют энер­гию от де­сят­ков кэВ до со­тен МэВ.

Коль­це­вой ток те­чёт во­круг пла­не­ты на рас­стоя­ни­ях 3–6 ра­диу­сов Зем­ли в при­эк­ва­то­ри­аль­ной об­лас­ти и на­прав­лен на за­пад. Ток соз­да­ёт­ся дви­же­ни­ем ио­нов с энер­ги­ей 1–300 кэВ. В от­ли­чие от ра­ди­ац. поя­сов, ко­то­рые поч­ти це­ли­ком со­сто­ят из про­то­нов и элек­тро­нов сол­неч­но­го вет­ра, коль­це­вой ток обо­га­щён ио­на­ми ки­сло­ро­да, азо­та и др. хи­мич. эле­мен­тов, рас­про­стра­нён­ных в ио­но­сфе­ре. По­то­ки час­тиц коль­це­во­го то­ка во вре­мя маг­ни­то­сфер­ных воз­му­ще­ний воз­рас­та­ют в 10–30 раз, то­гда как по­то­ки ио­нов в ра­ди­ац. поя­сах в та­кие пе­рио­ды умень­ша­ют­ся.

Хво­сто­вая часть М. со­сто­ит из двух по­ло­вин – се­вер­ной и юж­ной до­лей. В центр. об­лас­ти хво­ста те­чёт элек­трич. ток, на­прав­лен­ный с ут­рен­ней сто­ро­ны М. на её ве­чер­нюю сто­ро­ну. Этот ток под­дер­жи­ва­ет про­ти­во­по­лож­но на­прав­лен­ные маг­нит­ные по­ля в до­лях хво­сто­вой час­ти М. Ин­дук­ция маг­нит­ных по­лей со­став­ля­ет ок. 20–30 нТл. Ра­ди­ус маг­ни­то­сфер­но­го хво­ста в его по­пе­реч­ном се­че­нии име­ет тен­ден­цию к рос­ту с уда­ле­ни­ем от Зем­ли и дос­ти­га­ет при­мер­но 25–30 ра­диу­сов Зем­ли на рас­стоя­нии ок. 200 её ра­диу­сов.

В хво­сто­вой час­ти М. рас­по­ло­жен ак­тив­ный плаз­мен­ный слой (вклю­чаю­щий ней­траль­ный то­ко­вый слой с вы­со­ким уров­нем элек­тро­маг­нит­ной тур­бу­лент­но­сти). Этот слой обес­пе­чи­ва­ет ре­гу­ляр­ные вы­сы­па­ния за­ря­жен­ных час­тиц в зо­не по­ляр­ных сия­ний и фор­ми­ру­ет ра­ди­ац. поя­са Зем­ли во внутр. маг­ни­то­сфе­ре.

Токовые системы магнитосферы

Рис. 2. Области магнитосферы Земли и магнитосферные токовые системы.

Маг­нит­ное по­ле, соз­да­вае­мое то­ко­вы­ми сис­те­ма­ми М., вме­сте с гл. маг­нит­ным по­лем Зем­ли оп­ре­де­ля­ет струк­ту­ру плаз­мен­ных об­ра­зо­ва­ний в око­ло­зем­ном кос­мич. про­стран­ст­ве и ха­рак­те­ри­зу­ет гео­маг­нит­ную ак­тив­ность. Осн. маг­ни­то­сфер­ные то­ковые сис­те­мы (рис. 2): по­верх­но­ст­ные то­ки на маг­ни­то­пау­зе, то­ко­вая сис­те­ма хво­ста маг­ни­то­сфе­ры, коль­це­вой ток и про­доль­ные то­ки, те­ку­щие вдоль си­ло­вых ли­ний гео­маг­нит­но­го по­ля. По­след­ние об­ра­зу­ют вы­со­ко­ши­рот­ные трёх­мер­ные маг­ни­то­сфер­но-ио­но­сфер­ные то­ко­вые сис­те­мы, ко­то­рые вклю­ча­ют в се­бя три зо­ны то­ков. Пер­вая зо­на – это зо­наль­ные то­ки на при­по­люс­ной гра­ни­це ав­ро­раль­ной зо­ны (зо­ны по­ляр­ных сия­ний), ко­то­рые вте­ка­ют в ио­но­сфе­ру на ут­рен­ней сто­ро­не этой зо­ны, а вы­те­ка­ют из ио­но­сфе­ры на её ве­чер­ней сто­ро­не. Вто­рая зо­на – зо­наль­ные то­ки на эк­ва­то­ри­аль­ной гра­ни­це ав­ро­раль­ной зо­ны, ко­то­рые, на­обо­рот, вте­ка­ют в ио­но­сфе­ру на ве­чер­ней сто­ро­не этой зо­ны, а вы­те­ка­ют на её ут­рен­ней сто­ро­не. Тре­тья зо­на – это то­ки в по­ляр­ной шап­ке, ко­то­рые на­прав­ле­ны в ио­но­сфе­ру на её ве­чер­ней сто­ро­не и вы­те­ка­ют из неё на ут­рен­ней сто­ро­не. Сум­мар­ный ток в этих трёх сис­те­мах в спо­кой­ной М. име­ет ве­ли­чи­ну ок. 500 тыс. А, в пе­рио­ды маг­ни­то­сфер­ных воз­му­ще­ний он воз­рас­та­ет в неск. раз.

Маг­ни­то­сфе­ра Зем­ли яв­ля­ет­ся слож­ной и чрез­вы­чай­но не­од­но­род­ной плаз­мен­ной сис­те­мой. В ней мо­гут ге­не­ри­ро­вать­ся и рас­про­стра­нять­ся раз­но­об­раз­ные ти­пы элек­тро­маг­нит­ных ко­ле­ба­ний, ре­ги­ст­ри­руе­мые ап­па­ра­ту­рой, ус­та­нав­ли­вае­мой на ИСЗ. Спут­ни­ко­вые на­блю­де­ния по­зво­ли­ли вы­явить круп­но­мас­штаб­ную струк­ту­ру М. и да­ли воз­мож­ность по­стро­ить пред­ва­рит. мо­де­ли фи­зич. про­цес­сов, про­ис­хо­дя­щих в око­ло­зем­ной сре­де.

Двигатель без топлива – Газета Коммерсантъ № 130 (1774) от 24.07.1999

&nbspДвигатель без топлива
Работает от Солнца и Земли
       В Московском институте электромеханики разработан прототип космического двигателя, работающего от магнитного поля Земли и электрической энергии солнечных батарей и не расходующего ни грамма топлива. Такого двигателя еще не было ни в космосе, ни на земле, ни у нас, ни у американцев. Изобретение может иметь огромное коммерческое значение, поскольку позволит сохранить на орбите спутники, погибающие вместе с исчерпанием топливного ресурса.
       
       Десятки спутников стоимостью каждый в несколько миллионов долларов ежегодно превращаются в неуправляемый бесполезный металлолом просто потому, что у них кончается топливо (точнее, «рабочее тело»). Ведь для нормальной работы спутников связи необходимо время от времени запускать двигатели и проводить маневры, поддерживающие положение на заданной орбите, а на борт можно взять лишь очень небольшой запас топлива. Двигатель, не требующий топлива и использующий энергетическую схему другого типа, был бы здесь спасительным решением.
       Именно такого типа двигатель предложен ведущим научным сотрудником НИИ электромеханики Рудольфом Бихманом (НИИ электромеханики — участник программы создания метеорологических спутников серии «Метеор»). Предупреждая естественные вопросы, скажем сразу, что Бихман не одержимый изобретатель-одиночка и не случайный человек в области космической техники. Управление космическими аппаратами является его основной специальностью.
       
Пусть и не вечный двигатель, но бесплатный
       Схема работы двигателя станет понятна каждому, кто способен вспомнить школьный курс физики. Вокруг Земли существует постоянное магнитное поле. В полном соответствии с теорией на изолированный разомкнутый проводник с током в магнитном поле действует сила (сила Ампера, направление которой определяется правилом левой руки). Но изолированных разомкнутых проводников в природе не существует. Существуют только замкнутые проводники (контуры), на половинки которых действуют взаимно уравновешивающие силы. Поэтому считается, что замкнутый проводник в магнитном поле не может создать линейной силы (тяги). Однако ситуация может измениться, если внести в эту схему некоторые важные изменения. Во всяком случае, так считает изобретатель Бихман.
       Основная идея изобретения состоит в следующем: чтобы создать нужную тягу, необходимо изолировать одну половинку замкнутого проводника (контура) от магнитного поля. В этом случае на одну часть проводника (не изолированную от магнитного поля Земли) будет действовать сила Ампера, а в изолированной от магнитного поля половине никакой силы не возникнет. Таким образом, одна из двух сил останется неуравновешенной — она-то и создаст тягу. Для создания тяги на спутнике достаточно разместить замкнутый проводник, одна половинка которого будет изолирована от магнитного поля Земли. Пропуская через проводник электрический ток, можно создать такую же силу (тягу), какую создают обычные ракетные двигатели. Только если время работы обычного ракетного двигателя ограничено запасом топлива, то новый электрический двигатель может работать сколь угодно долго, была бы только электроэнергия и внешнее магнитное поле. Запас электроэнергии можно всегда пополнить от солнечных батарей, ну а уж бесплатного магнитного поля Земли на наш век хватит. Тяга у такого двигателя небольшая, но в космосе большего и не требуется. Для изменения орбиты спутника достаточно очень маленькой тяги, лишь бы двигатель мог ее создавать в течение длительного времени — порядка часов и суток.
       
Прошлый раз тоже говорили — ничего не выйдет
       Г-ну Бихману удалось официально зарегистрировать свое изобретение. Факт регистрации означает прохождение предварительной экспертизы, а также гарантирует автору приоритет и подтверждение авторства. От регистрации до выдачи патента проходит немалый срок (несколько месяцев). В это время проходит окончательная экспертиза. После выдачи патента автор получает право коммерческого использования изобретения (продажа прав на использование, получение штрафов за нелегальное использование и т. п.). На сегодня у Рудольфа Бихмана имеется только право на приоритет, а патент, дающий право торговать изобретением, еще не получен, хотя заявка на него уже подана.
       Революционная идея нового космического двигателя не вызвала большого энтузиазма у коллег. Напротив, она до сих пор вызывает большие сомнения, ведь в учебниках написано, что замкнутый контур в магнитном поле силу создать не может. А раз «не может», то и двигателя никакого быть не может и, следовательно, говорить не о чем. Кроме того, уж больно простой получается двигатель — моток проволоки, половина которого упрятана в непрозрачную для магнитного поля трубку. И все. Если бы все было так просто, почему бы кому-нибудь другому не изобрести подобное раньше, говорят скептики.
       Имеются недоверчивые отзывы коллег и из других организаций. Заместитель директора по науке Института прикладной механики и электродинамики (НИИПМЭ, Москва) Владимир Ким сообщил в ответ на наш запрос, что возможности перемещения аппаратов в космосе путем пропускания токов через проводники неоднократно анализировались, но получить перемещение их центра масс оказалось невозможно.
       Недоверие коллег, однако, не смущает г-на Бихмана. «Когда,— говорит он,— я первым сделал систему ориентации для спутников ‘Метеор’ с использованием замкнутых контуров с током, то все специалисты тоже говорили — ничего не выйдет. А сейчас это серийные двигатели, и они летают в космосе уже тридцать лет».
       
Эта штука работала, и даже при свидетелях
       Для убеждения неверующих Рудольф Бихман соорудил демонстрационную установку. Эксперимент получился убедительным. Действующую модель двигателя экспериментаторы подвесили на проволоке как маятник и замеряли амплитуду колебаний. Если амплитуда увеличивается, значит, двигатель создал тягу вдоль вектора скорости. Если же амплитуда колебаний уменьшается, значит, двигатель создает тягу против скорости. Эксперимент показал наличие тяги, которая к тому же изменялась при изменении направления тока. О чем и был составлен протокол.
       В этом опыте двигатель с потребляемой мощностью 90 Вт и массой 10 кг создавал силу около 5 г. Для сравнения: существующие отечественные электроракетные двигатели с тягой 15 г имеют массу 40 кг, потребляют мощность 450 Вт и, главное, расходуют невосполнимый запас рабочего тела в темпе 70 мг в секунду. Время непрерывной работы такого традиционного двигателя — всего несколько месяцев.
       Мы связались с коллегами Бихмана по институту, присутствовавшими при опыте,— старшим научным сотрудником Аллой Куриленко и ведущим научным сотрудником Павлом Олейником. Они подтвердили, что «принимали участие в испытаниях макетного образца двигателя и с удивлением констатировали наличие развиваемой двигателем линейной силы за счет взаимодействия с магнитным полем Земли».
       Тем не менее, осторожное отношение начальства к изобретению Рудольфа Бихмана не изменилось, и это можно понять. Одно дело, когда оформляется коллективная заявка на усовершенствование какого-нибудь агрегата,— тут все ясно и риска никакого. Другое дело — «изобретение века», к тому же сделанное индивидуально и в инициативном порядке. Пока работоспособность двигателя не будет подтверждена многократно и одна из российских космических фирм не согласится провести испытания электрического двигателя уже в реальном полете, отношение к изобретению вряд ли изменится.
       
       ИВАН Ъ-ШВАРЦ
       

устройство из Российского квантового центра

После того как врач произносит «Давайте снимем кардиограмму!», вы уже направляетесь к кушетке и собираетесь снимать ботинки и рубашку, чтобы медсестра смогла закрепить на груди и конечностях десяток электродов. Но все оказывается совсем не так: вы подходите к соседнему столу, рядом с которым на держателе закреплена небольшая коробочка. Проходит несколько секунд — и все, кардиограмма снята. Никаких кушеток, никаких проводов, никаких электродов.

Да и сама эта кардиограмма тоже непроста: с ее помощью врач может более чем за сутки обнаружить признаки скорого инфаркта, может увидеть признаки бессимптомно протекающей ишемической болезни сердца. По своей информативности такая коробочка может дать результат, сопоставимый с возможностями самого дорогого и сложного диагностического комплекса — позитрон-эмиссионного томографа. Это картина из совсем близкого будущего: уже сейчас в лабораториях Российского квантового центра ученые работают над действующими прототипами магнитных сенсоров, которые в будущем смогут слушать не только сердце, но, возможно, и мозг.

От токов к полям

Изобретение электрокардиографии (ЭКГ) в конце XIX — начале XX века впервые позволило медикам в прямом эфире наблюдать за работой сердца. Электрические токи, проходящие по сердцу по мере его сокращений, отражались на фотопленке (а потом на бумаге) в виде чередований пиков — их форма могла указывать на ишемическую болезнь сердца, на другие типы поражений. Однако у ЭКГ при всем ее удобстве были и остаются существенные недостатки. Например, с ее помощью мы можем регистрировать не все токи, а только те, которые текут в сторону электродов, снимающих показания. Кроме того, ЭКГ фиксирует не сами токи напрямую, а разницу потенциалов на коже, которые связаны с токами сердца лишь опосредованно. В результате у ЭКГ возникают «слепые зоны», участки сердечной мышцы, состояние которых не видно или видно недостаточно хорошо в общепринятой электрокардиографии. Из-за этого медики не могли, например, обнаруживать некоторые типы «бессимптомной» ишемической болезни сердца и некоторые другие патологии.

В 1963 году двое американских ученых — Герхард Боул и Ричард Макфи — попытались впервые обойти эту проблему и уловить не разность потенциалов на коже, а магнитные поля, которые порождаются непосредственно токами в сердечной мышце. Они использовали магнитные катушки с металлическими сердечниками, но результаты оказались более чем скромными: индукция магнитного поля, которое генерируют биотоки, составляет лишь 10−14−10−10 Тл (для сравнения: величина магнитного поля Земли около 5•10−5 Тл). Поэтому на первой стадии ученые фиксировали в основном шумы. Ситуация улучшилась, когда магнитокардиограмму попытались снять в специальной комнате, изолированной от внешних магнитных полей, но в клинический метод МКГ превратилась только с появлением СКВИДов (SQUID, Superconducting Quantum Interference Device), сверхпроводящих магнитных датчиков, которые фиксировали сверхслабые магнитные поля (до 1014 Тл) благодаря квантовому эффекту Джозефсона.

История клинической практики магнитокардиографии не была простой — многие врачи ранее заявляли, что этот метод не дает существенного улучшения диагностики по сравнению с ЭКГ. Однако последние данные, в особенности японских медиков, где магнитная диагностика распространена шире, указывают, что МКГ дает существенные преимущества.

СКВИДы позволили создать первые медицинские кардиографы, пригодные для широкого использования в клинической практике. Однако даже современные приборы такого типа крайне дороги (они стоят около $1−1,5 млн), для их работы требуется, чтобы датчики, джозефсоновские контакты, находились в сверхпроводящем состоянии. А это означает, что магнитокардиографы требуют сложной и дорогой крио­ген­ной системы, работающей с жидким гелием. Эти устройства сопоставимы по сложности и дороговизне с компьютерным томографом, и при всех своих преимуществах они вчистую проигрывают обычной электрокардиографии, поскольку та значительно дешевле и проще.

Дешево и чувствительно

Группа ученых из Российского квантового центра (РКЦ) нашла способ решить эту проблему: они создали высокочувствительные магнитные сенсоры, способные работать при комнатной температуре, компактные и в сотни раз более дешевые, чем техника на базе СКВИДов. «Мы используем квантовый эффект — обменное взаимодействие в тонких пленках из ферримагнетиков, состоящих из железа и редкоземельных металлов», — говорит доктор физико-математических наук Владимир Белотелов, руководитель группы «Магнитооптика, плазмоника и нанофотоника» РКЦ, доцент кафедры фотоники и физики микроволн физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Ферримагнетики — «промежуточный» материал между ферромагнетиками и антиферромагнетиками. Если в ферромагнитном материале магнитные моменты атомов за счет квантового обменного взаимодействия выстраиваются в одном направлении (так получаются постоянные магниты), а в антиферромагнетиках магнитные моменты соседних атомов направлены в противоположные стороны и компенсируют друг друга, то в ферримагнетиках они компенсируются лишь частично.

Сенсоры, которые создает группа Владимира Белотелова, сделаны из монокристаллической пленки феррит-граната R3Fe5O12 (R обозначает редкоземельный элемент). Чтобы детектировать внешнее магнитное поле, магнитные моменты атомов в этой пленке раскручивают управляющими катушками до частоты в сотни килогерц. В результате в пленке возникают миллиарды согласованно вращающихся и прецессирующих «волчков» — атомов. «Если сенсоры оказываются во внешнем магнитном поле, даже очень слабом, то оно порождает асимметрию в этой прецессии. Возникающая асимметрия и регистрируется — либо самими катушками, в которых появляются так называемые кратные гармоники, либо с помощью лазера», — объясняет Владимир Белотелов. Второй метод точнее, но и сложнее: прецессия намагниченности меняет поляризацию отраженного от пленки лазерного луча. Этот метод обеспечивает вполне достаточную чувствительность для магнитокардиографии — 10−11−10−13 Тл. Сейчас ученые работают над проектом, поддержанным Российским научным фондом (РНФ), который так и называется «Сверхчувствительные сенсоры магнитного поля для магнитокардиографии».

Сенсор такого типа уже создан, но на пути к серийному производству предстоит еще много сделать: нужно, например, заставить сенсоры не «слышать» магнитное поле Земли, поля электрических и электронных приборов — весь тот магнитный шум, который нас постоянно окружает. Для этого датчики будут работать в группе. Поле сердца гораздо сильнее зависит от точки в пространстве (оно более неоднородно), чем магнитный шум. Поэтому картина с группы сенсоров позволяет после математической обработки «вычесть» помехи. Но сперва нужно откалибровать датчики, научить их работать хотя бы в «тепличных условиях».

Тепличные условия в данном случае — это гигантский металлический контейнер с дверью 10-сантиметровой толщины. Это расположенная в полуподвале здания Российского квантового центра безмагнитная камера, внутри которой три человека и экспериментальное оборудование изолированы от магнитного поля Земли. По словам Владимира Белотелова, магнитоизолирующая камера ослабляет внешнее поле примерно в тысячу раз. Ученые уже пытаются снять магнитную кардиограмму у крыс: крысу, предварительно усыпив, укладывают на доску, в которой находится датчик. Начинается эксперимент: ученые параллельно снимают «обычную» и магнитную кардиограмму. «Это только первый шаг, нам еще нужно научиться отсекать помехи и шумы, очищать полезный сигнал, но мы рассчитываем, что уже через пару лет у нас будет готовый к производству прибор», — говорит Владимир Белотелов.

По своей информативности эта коробочка может дать результат, сопоставимый с возможностями сложного диагностического комплекса — позитрон-эмиссионного томографа.

Сердце и мозг

Однако ученые не планируют останавливаться на достигнутом. Группа Белотелова уже работает над еще более чувствительными сенсорами — с использованием плазмонов. Если на монокристаллическую магнитную пленку нанести тонкий слой металла с прорезями, то при взаимодействии с лазерным излучением на границе двух сред возникают плазмон-поляритоны — квазичастицы, представляющие собой устойчивые коллективные колебания электронного газа, взаимодействующего с фотонами электромагнитного поля. «Поляритоны очень чувствительны к изменению магнитного поля», — говорит Белотелов. По его словам, использование этой технологии позволит решить значительно более сложную задачу, нежели создание магнитокардиографа, — магнитоэнцефалографию (МЭГ), то есть считывание колебаний магнитного поля, порождаемого очень слабыми токами в мозгу.

Сейчас для регистрации этих слабых токов используется электроэнцефалография (ЭЭГ), но она имеет те же недостатки, что и ЭКГ: по электрическим потенциалам на коже головы нужно восстановить, какие токи протекают в глубине мозга. Можно, конечно, вживить электроды прямо в мозг — такой метод иногда используется в научных экспериментах (например, для управления протезами), но этот способ вряд ли подходит для рутинных обследований. Умение более точно регистрировать электрические токи в мозге открывает массу возможностей — от создания действительно удобных интерфейсов «мозг-компьютер» и «чтения мыслей» до массы медицинских применений. Плазмонные датчики могут обеспечить необходимое для этого микронное пространственное разрешение, но за это надо будет платить снижением чувствительности. «Чтобы шагнуть в сторону магнитоэнцефалографии, нам нужно поднять чувствительность датчиков на три порядка величины. Это задача, над которой мы сейчас думаем», — говорит Владимир Белотелов.

Как работает сенсор на основе ферримагнетика

Феррит-гранатовая пленка на предметном столике микроскопа. Это основа сверхчувствительных сенсоров магнитного поля 

Основной элемент сенсора — пленка из ферримагнетика. Для создания сенсоров используют феррит-гранат с ионами редкоземельных металлов, например иттрия, лютеция или тулия. Монокристаллическую пленку феррит-граната выращивают с помощью метода эпитаксии на специальной подложке из галлий-гадолиниевого граната. Кристаллическая подложка отличается тем, что почти не имеет дефектов, это «самый правильный» кристалл, известный сегодня. В результате выращенная пленка лишена неоднородностей.

 

Монокристалл феррит-граната 

Чтобы сделать сенсор, нужно создать на поверхности пленки специальный рельеф — это непростая задача, поскольку пленка отличается исключительной твердостью. Полученный квадрат пленки размером в десяток миллиметров помещают внутрь управляющих катушек, которые создают вращающееся с частотой в сотни килогерц внешнее магнитное поле. Оно заставляет намагниченность этой пленки тоже описывать круг. В результате магнитные моменты миллиардов атомов начинают вращаться в унисон. Если сенсор оказывается даже в очень слабом внешнем магнитном поле, то в этом вращении возникает асимметрия, появляются гармоники, которые регистрируются самими управляющими катушками. Еще большей чувствительностью обладает метод регистрации с помощью лазерного луча: колебания намагниченности меняют интенсивность отраженного лазерного излучения.

 

Схема сверхчувствительных сенсоров магнитного поля 

Работа для ферримагнетика

Возможные применения сверхчувствительных магнитных сенсоров вовсе не ограничиваются медицинскими приборами, отмечает коллега Белотелова, Петр Ветошко, предложивший использовать для сенсоров пленки феррит-граната.

По его словам, один из возможных вариантов использования — дефектоскопия. Сенсоры могут чувствовать очень слабые вариации намагниченности, возникающие на микроскопических трещинах в металле. Сейчас для магнитной диагностики металлических конструкций используются сенсоры на базе СКВИДов, поэтому это достаточно дорогой метод исследования (его используют, в частности, для поиска дефектов в конструкциях космических аппаратов). Применение сенсоров на базе феррит-гранатов может сделать этот способ дефектоскопии значительно доступнее.

Магнитные сенсоры могут использоваться в системах передачи информации, например, на подводные лодки с помощью так называемых сверхнизкочастотных магнитных волн.

Кроме того, магнитные сенсоры могут решить проблему обмена данными с электроникой буровых снарядов. Данные на буровой снаряд, который находится на глубине в несколько километров под землей, нельзя передавать с помощью проводов — никакие кабели не выдерживают нагрузок. Сейчас для этого используются колебания давления в буровой жидкости — специальный клапан создает их, а датчик давления преобразует их в электрические сигналы. Однако скорость передачи данных при этом не превышает одного бита в секунду. Магнитные сенсоры могут решить эту проблему, значительно повысив скорость передачи информации.

Высокочувствительные магнитные сенсоры можно использовать в металлодетекторах. Причем, если современные «рамки» генерируют магнитные поля и по отклику находят крупные скопления металла, чувствительные сенсоры способны обнаруживать металлические предметы в пассивном режиме. При этом по конфигурации магнитных полей можно даже отличать предметы друг от друга — например, мобильный телефон от пистолета. Возможно, сенсоры пригодятся и фундаментальной физике. «Сейчас мы работаем над проектом, в рамках которого будем измерять чувствительность феррит-гранатового сенсора при температурах жидкого гелия. Теория предсказывает, что он должен стать гораздо чувствительнее СКВИДа. А это открывает возможность со­здания высокочувствительных антенн, например, для поиска гравитационных волн», — говорит Петр Ветошко.

В режиме обновления: что означает «миграция» полюса в сторону Сибири | Статьи

В середине января ученые заявили, что необычно большая скорость, с которой смещается северный магнитный полюс Земли, привела к досрочному обновлению Всемирной модели магнитного поля — необходимой в том числе для нормального функционирования навигационных систем (а еще для работы карт в наших мобильных телефонах). Используется модель по всему миру, в том числе и в России, а отечественные магнитные обсерватории также предоставляют данные, необходимые для ее создания. «Известия» попросили российских ученых объяснить, что значат эти новости, может ли обновление модели привести к серьезным последствиям, что вообще происходит с магнитным полюсом и кто занимается такими исследованиями в России.

«Что-то происходит…»

«Что-то странное происходит на вершине мира. Северный магнитный полюс Земли удаляется от Канады и движется в сторону Сибири, движимый расплавленным металлом, скрытым внутри планеты. Полюс движется так быстро, что ученым-геологам пришлось пойти на неожиданный шаг» — так начинается статья Александры Витце, опубликованная на сайте авторитетного научного журнала Nature 9 января 2019 года.

Фото: commons.wikimedia.com

Модель магнитного поля Земли

В ней, в частности, говорится о том, что высокая скорость, с которой северный магнитный полюс планеты меняет свое местоположение, вынудила ученых досрочно обновить так называемую Всемирную модель магнитного поля (World Magnetic Model или WMM), которая в том числе лежит в основе всех навигационных систем: от приборов военных и гражданских кораблей и самолетов до карт, доступных пользователям смартфонов.

Об этом же сообщили и на сайте Британской геологической службы (British Geological Survey) — одной из организаций, которая отвечает за выпуск обновленной версии модели. Ее сотрудник Чиаран Бегган объяснил, что в последние несколько десятилетий полюс, который обычно находится где-то между российскими и канадскими владениями на Севере, всё быстрее смещался в сторону Сибири. «Полюс двигается со скоростью примерно 50 км в год. При этом он почти не двигался с 1900-х по 1980-е, но заметно ускорился в последние 40 лет», — отметил он.

Спустя несколько дней об этом написали большинство англоязычных СМИ, а вслед за ними — и российские. При этом в сообщениях отмечалось, что неточности в существующей модели могут привести в том числе к трудностям в навигации. В первую очередь в Арктике, то есть на территории, расположенной в непосредственной близости от северного магнитного (не путать с географическим) полюса.

Фото: commons.wikimedia.com/Cavit

Схема перемещения северного магнитного полюса Земли

Представить обновленную версию должны были уже 15 января, однако в итоге эту дату перенесли на 30 января из-за шатдауна в США, где не работает большая часть служб, связанных с правительством. Сотрудники Национального управления океанических и атмосферных исследований США (NOAA) также принимали участие в обновлении модели. Один из них, Арно Чуллиа, пояснил изданию Nature, что ошибка «увеличивается постоянно».

Автор цитаты

Вообще-то магнитные полюса земли «блуждают» постоянно, при этом смещение северного магнитного полюса в последние годы действительно ускорилось. 

При этом само по себе увеличение скорости его движения — уже не новость, пояснил «Известиям» Владимир Павленко, ведущий научный сотрудник ИГЕМ РАН, советник ректора по международному сотрудничеству в Арктике Северного арктического федерального университета, вице-президент Международного арктического научного комитета.

— В Российской академии наук есть собственный геофизический центр, который на протяжении длительного времени осуществляет мониторинг изменения координат и направления движения северного магнитного полюса Земли, — отмечает ученый. 

Владимир Павленко, ведущий научный сотрудник ИГЕМ РАН, советник ректора по международному сотрудничеству в Арктике Северного арктического федерального университета, вице-президент Международного арктического научного комитета

Фото: ИГЕМ РАН/igem.ru

В частности, специалист этого центра, по словам ученого, подтвердил сообщения об ускорении движения северного магнитного полюса в 2018 году на одной из арктических конференций. Николай Семаков, кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник Института нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН, который работает на одной из российских магнитных обсерваторий, рассказал «Известиям», что о подобном сценарии они предупреждали еще несколько десятилетий назад. 

— Тридцать лет назад мы опубликовали прогноз, согласно которому «истинный магнитный полюс через 200–250 лет окажется в Восточном полушарии». Об этом в том числе говорилось в монографии «Физика Земли. Новый взгляд на некоторые проблемы», изданной новосибирским издательством «Наука» в 1989 году. Сейчас такой прогноз представляется «замедленным», — говорит ученый. 

«Путешествие с компасом, под которым лежит топор» 

Всемирная модель магнитного поля — одна из двух моделей, которые используются для определения местоположения магнитных полюсов Земли.

— Положение северного магнитного полюса Земли в настоящее время не определяется непосредственно из полевых наблюдений, а вычисляется, исходя из Мировой магнитной модели или близкой к ней модели IGRF (International Geomagnetic Reference Field). Обе эти модели строятся на основе обобщения спутниковых и наземных данных о магнитном поле Земли, — рассказывает Андрей Костеров, доцент кафедры физики Земли СПбГУ НИИФ (Научно-исследовательского института физики им. А.В. Фока).

Магнитная и метеорологическая обсерватория при Университете Торонто

Фото: commons.wikimedia.org/Общественное достояние

И согласно обеим этим моделям, добавляет он, получается, что северный магнитный полюс «довольно резко ускорил свое движение» примерно с 2000 года. 

Данные, которые ложатся в основу Всемирной модели магнитного поля, предоставляют магнитные обсерватории, которые работают по всей планете, пояснил «Известиям» заместитель директора Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, доктор геолого-минералогических наук, профессор РАН, профессор МГУ, и доступ к ним имеют ученые со всего мира. 

Автор цитаты

— WMM — модель глобальная, она не может быть чьей-то, поскольку для ее корректного функционирования необходима информация о состоянии и изменениях магнитного поля Земли от как можно большего количества обсерваторий со всей планеты, — объясняет Роман Веселовский. 

Сама по себе WMM — это математическая модель, которая позволяет вычислять числовые характеристики магнитного поля Земли в любой точке на ее поверхности (а также над и под земной поверхностью). В том числе — напряженность или силу магнитного поля, его склонение и наклонение. Склонение означает угол между направлением на северный географический полюс и направлением на северный магнитный полюс, на который, собственно, и указывает стрелка компаса.

Фото: commons.wikimedia.com

Карта магнитных отклонений WMM 2010

— Она «зашита» во все устройства, оснащенные компасом (смартфоны, GPS-навигаторы и т.п.). Если неправильно учесть магнитное склонение в данном месте, можно улететь/уплыть/заехать не туда. Магнитные полюса (северный и южный) находятся в постоянном движении — миграции. Соответственно, в каждой точке на поверхности Земли меняется и магнитное склонение, — продолжает ученый.

Именно поэтому ее обновляют регулярно — раз в пять лет. Однако в этот раз это сделали досрочно: предыдущая версия появилась в конце 2014 года, следующая должна была появиться в конце 2019-го и действовать до 2025 года. По словам Романа Веселовского, именно тот факт, что ученые были вынуждены досрочно обновить World Magnetic Model (Всемирная модель магнитного поля), говорит о значимости изменений.

Роман Веселовский: 

— Если модели магнитного поля (WMM, IGRF) вовремя не обновить, то ошибки с навигацией возникнут на всей Земле, но эти ошибки будут тем больше, чем ближе мы приближаемся к полярным областям. Результат несвоевременного обновления модели магнитного поля будет примерно таким же, как путешествие с компасом, под которым лежит топор (вспомним Жюля Верна).

Сеть обсерваторий 

Все магнитные обсерватории, действующие в мире, объединены в общую международную сеть Intermagnet — именно благодаря ей полученные на них данные становятся доступными ученым из разных стран. На сайте организации можно посмотреть их полный список и расположение на карте. Всего обсерваторий больше ста, десять из них расположены на территории России. В том числе станции действуют в Новосибирской и Иркутской областях, на Камчатке, недалеко от села Паратунка, в Магадане, Хабаровске и в Якутии — недалеко от Якутска и от поселка Тикси. Действуют обсерватории также в Петербурге и Ярославской области (собственно магнитных обсерваторий в стране больше, однако не все включены в международную сеть и занимаются соответствующими измерениями).

Обсерватория имени Эрнста Кренкеля — геофизическая полярная обсерватория на острове Хейса архипелага Земля Франца-Иосифа

Фото: ТАСС/ Лев Федосеев

Чем ближе обсерватории сети Intermagnet расположены друг к другу, тем точнее будут полученные с их помощью данные, объясняет Роман Веселовский. Поэтому идеальным, по его словам, был бы вариант, при котором их сеть равномерно покрывала бы весь земной шар. Но этот вариант очень дорогой и крайне трудный в реализации. Пока же изучать магнитное поле Земли помогают в том числе ее искусственные спутники, с которых ведутся дополнительные измерения.

Значимость данных, полученных на той или иной обсерватории, помимо прочего, определяется продолжительностью времени, в течение которого на ней велись непрерывные наблюдения, объясняет Николай Семаков. Сам он работает в расположенной в Новосибирске обсерватории, которая относится к Институту нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН. При этом иногда даже после многолетних наблюдений от использования станции приходится отказываться из-за возникшего «магнитного засорения» прилегающей территории.

Специалисты, которые работают собственно в обсерваториях, ведут постоянное наблюдение за состоянием магнитного поля — различные параметры земного магнетизма там фиксируют ежесекундно, говорит ученый, чтобы на основе этих данных вывести минутные, часовые или среднегодовые значения. Последние в том числе используются и при создании Всемирной модели магнитного поля.  

Магнитное поле Земли взаимодействует с солнечным ветром

Фото: commons.wikimedia.org

Кроме того, такие обсерватории выполняют дополнительные задачи — например, туда приходят запросы от Гидромета, связанные с конкретными магнитными бурями, — а также «по мере возможности», объясняет Николай Семаков, занимаются собственными исследованиями. В случае с сотрудниками новосибирской обсерватории речь идет как раз об изучении особенностей движения расчетных и истинных магнитных полюсов.

Автор цитаты

Ранее, по его словам, получать более точные данные о состоянии магнитного поля помогали так называемые пункты векового хода — в СССР действовала целая сеть таких пунктов, расположенных в том числе в труднодоступных районах. В 1990-е, отмечает ученый, большинство из них были заброшены.

— Это особенно печально в связи с устремленностью истинного магнитного полюса к «пустынным» в отношении обеспеченности магнитными обсерваториями и ПВХ сибирским берегам, — говорит Николай Семаков.

Долгое время ближайшими к северному магнитному полюсу обсерваториями были канадская магнитная обсерватория «Резолют-Бей» и российская «Мыс Челюскин» (наблюдения на ней прекратились в 2011 году). При этом наблюдения показывали, что северный магнитный полюс постепенно смещается от канадской станции к российской. Среди других отечественных обсерваторий, которые на протяжении предыдущих десятилетий находились ближе всего к месту «блуждания» полюса, Николай Семаков называет в том числе станции на острове Хейса, мысе Желания, Диксоне и в районе поселка Тикси.

Кроме того, чтобы собрать необходимые данные, ученые периодически проводят дополнительные наблюдения, в том числе на дрейфующих льдах.

Евгений Константинович Федоров — советский геофизик, начальник Гидрометслужбы СССР, государственный и общественный деятель, академик АН СССР, генерал-лейтенант инженерно-технической службы, Герой Советского Союза

Фото: commons.wikimedia.org

— Здесь уместно вспомнить академика Евгения Константиновича Федорова, который в начале 1977 года не позволил прекратить магнитные наблюдения на станции «Северный полюс – 22». Станция на уникальной льдине проработала до 1982 года и провела магнитные наблюдения в непосредственной близости к магнитному полюсу. А в 1934 году он же вместе с Иваном Дмитриевичем Папаниным тоже «нестандартно» организовал магнитную обсерваторию на мысе Челюскин, — рассказывает ученый.

Правда, по его словам, сейчас организовывать дополнительные наблюдения «оказывается гораздо более сложным делом, чем в 1980-е годы».

В статье, которую группа ученых, в том числе Николай Семаков, опубликовала в журнале «Наука из первых рук» в 2016 году, отмечалась необходимость развития новых магнитных обсерваторий в арктической зоне России, а также создания своеобразного организационного центра, который мог бы координировать их работу. Сейчас, по словам геомагнитолога, была достигнута предварительная договоренность о создании магнитной обсерватории на острове Самойловском в устье реки Лены. Других организационных изменений, по словам Николая Семакова, «пока не наблюдается».

Увеличение числа обсерваторий, считает Роман Веселовский, позволит повысить точность наблюдений, однако поскольку модель аналитического магнитного поля «уверенно работает», можно сказать, что и сейчас действующих станций достаточно.

Идти за полем 

Все специалисты, с которыми связывались «Известия», говорят, что такая скорость смещения магнитного полюса зафиксирована впервые в истории научных наблюдений, однако вряд ли это происходит впервые в истории планеты.

— Насколько мне известно, за историю геомагнитных наблюдений (с середины XIX века) подобное увеличение скорости миграции полюсов не наблюдалось. В геологическом прошлом такие быстрые перемещения полюса неоднократно случались, — объясняет Роман Веселовский.

Фото: Global Look Press/Simone Brandt

Внутренняя структура Земли

Само по себе смещение полюса связано со внутренними процессами, которые происходят в жидком ядре планеты, расположенном на глубине от 2,9 тыс. до 5,1 тыс. км — именно оно генерирует магнитное поле планеты и приводит к перемещению полюса. Однако, как отмечается в том числе и в статье, опубликованной в журнале Nature, точно объяснить, почему полюс начал так активно «двигаться» именно сейчас, нельзя.

Роман Веселовский называет это «нормальной жизнью» магнитного поля, которое, напоминает ученый, «живет» в несколько ином масштабе времени, нежели мы. При этом для большинства жителей Земли досрочное обновление Всемирной модели магнитного поля, по его словам, не повлечет никаких последствий.

— В досрочном обновлении WMM для обычного человека нет ничего страшного; изменения магнитного поля необходимо своевременно учитывать, что и было сделано, — говорит ученый.

С этой точкой зрения согласен и Владимир Павленко. Правда, по его словам, «активность» магнитного полюса действительно приводит к определенным трудностям в Арктике.

— Что касается вопросов, связанных с локализацией определенных объектов в северном полярном полушарии и в арктической шапке, то, конечно, есть определенные сложности. Потому что интерпретация получаемых данных от центров не только России, но и Канады и США занимает определенное время и не всегда удается успевать за внесением соответствующих изменений в навигационные карты, — объясняет он, добавляя при этом, что происходит это, несмотря на все изменения, в плановом режиме. 

Именно своевременное внесение обновлений, судя по всему, — главное, на чем стоит сосредоточиться человечеству. Прогнозировать поведение поля, по словам Романа Веселовского, люди по-прежнему не умеют, но даже если просто вовремя реагировать на его изменения и обновлять модели, «ничего страшного не случится».

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

 

Эволюция магнитного поля Земли за последние 24 млн лет Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

геология

УДК 523.31-3; 550.384

эволюция магнитного поля земли за последние 24 млн лет

Л.В. Гребенюк

Саратовский государственный университет,

кафедра охраны окружающей среды и безопасности жизнедеятельности E-mail: [email protected]

Рассмотрена история развития магнитного поля Земли за последние 24 млн лет на основе региональной магнитостратиграфической схемы неогена юга европейской части России и Закавказья. Схема создана по результатам работ автора по палеомагнитному исследованию опорных разрезов Кавказского региона и скважин Северного Прикаспия и Нижнего Поволжья. Выявленные инверсии геомагнитного поля привязаны к стратиграфической шкале восточного Паратетиса. Проанализированы особенности изменений магнитной полярности в неогене. Полученные результаты о режимах генерации магнитного поля могут являться научно-справочным материалом для специалистов разного профиля, занимающихся проведением палеореконструкций жизни планеты.

Ключевые слова: магнитное поле Земли, развитие органической жизни, вымирание видов, инверсия, магнитостратиграфическая схема неогена, Северный Прикаспий, Кавказ.

Earth’s Magnetic Field Evolution During Last 24 mln Years

L.V. Grebenyuk

The history of Earth’s magnetic field during the last 24 mln years is considered in terms of our regional magnetostratigraphic Neogene scheme of the southern European Russia and Transcaucasian region. The scheme results from the author’s paleomagnetic studies of base sections in the Caucasian region and bore holes in the northern Cis-Caspian and Lower

Volga regions. The revealed inversions of the geomagnetic field are referenced to the stratigraphic scale of the Eastern Para-Tethys. Peculiarities of the magnetic polarity changes in Neogene are analyzed. The obtained results about the generation modes of the magnetic field can serve reference information for various specialists engaged in life paleoreconstruction. Key words: Earth’s magnetic field, development of organic life, extinction of kinds, magnetostratigraphic Neogene scheme, Caucasian region, Cis-Caspian region.

Изучение внутреннего строения Земли и процессов, протекающих в глубинах планеты, представляет собой одну из основных задач современного естествознания. Все геосферы, являющиеся средой обитания живых организмов, выделились из недр основного тела Земли в процессе длительного развития планеты. Дальнейшая эволюция биосферы также во многом будет определяться жизнью земных недр, ее важнейших абиотических экологических факторов [1].

К таким факторам относится геомагнитное поле, изучение которого с целью реконструкции эволюции Земли составляет одно из основных направлений современной геофизики и геоэкологии. Магнитное поле Земли изменяется во времени и в пространстве, о чем можно судить на основании исследований магнитных свойств горных пород.

Древние породы имеют способность намагничиваться в период своего формирования. При образовании осадочных пород в процессе осаждения магнитных частиц на них оказывает ориентирующее действие геомагнитное поле; частицы стремятся расположиться таким образом, чтобы их векторы намагниченности оказались направленными «по полю». При обезвоживании осадка полученная ориентация частиц закрепляется, и осадок приобретает ориентационную остаточную на-

магниченность, сохраняющуюся в последующие эпохи [2].

На протяжении истории Земли геомагнитное поле неоднократно меняло свою полярность. Обращения полярности привели к тому, что разрезы осадочных и вулканогенных толщ оказались расчлененными на чередующиеся зоны прямой (N) и обратной (R) намагниченности. Существовали периоды, когда инверсии происходили по нескольку раз за миллион лет, но случались и периоды длительного затишья, когда десятки миллионов лет магнитное поле сохраняло свою полярность.

Еще в 60-х годах была предложена гипотеза о сильном влиянии обращений магнитного поля Земли на развитие органической жизни, и прежде всего на катастрофические периоды вымирания глобального характера [3]. Эволюцию биоты связывали с разрушением магнитного экрана, резким усилением ионизирующего излучения в моменты инверсии и прямым мутагенным влиянием ослабленного магнитного поля при перепо-люсовках [4-7].

Особую актуальность данные исследования приобрели в последние годы, когда в печати появились научные публикации о предстоящей инверсии геомагнитного поля. Приводятся факты, указывающие на приближающуюся смену полярности магнитного поля Земли:

1) уменьшение на протяжении последних 2,5 тыс. лет напряженности геомагнитного поля;

2) ускорение падения напряженности поля в последние десятилетия;

3) резкое ускорение смещения магнитного полюса;

4) особенности распределения магнитных силовых линий, характерные стадии подготовки инверсии.

Не исключено, что инверсия может произойти при жизни ближайших поколений и окажется катастрофой для человеческой цивилизации. В частности, несколько лет назад канадский научно-популярный журнал «Discovery magazine» составил список из двадцати наибольших опасностей, где инверсия значится под шестым номером [8].

Полученные к настоящему времени результаты недостаточны для подтверждения либо опровержения распространенного мнения об универсальном экологическом влиянии магнитных инверсий и их чрезвычайной роли в исчезновении и появлении ведущих фаунистических групп. Работы по данной теме продолжаются, ведутся сбор и систематизация материалов.

Исследования выполняются совместно па-леомагнитологами и палеонтологами по трем основным направлениям. Наиболее распространены сопоставления конкретных инверсий со стратиграфическими уровнями, отмеченными исчезновением отдельных видов. Второе направление предусматривает детальный анализ особенностей вымирания крупных таксонов (от рода и выше) в течение длительных (до 5-10 млн лет)

эпох частых инверсий. Наконец, в некоторых работах проводятся общие сопоставления крупных этапов геомагнитной и биологической эволюции по фанерозою в целом [9].

Для осуществления подобных исследований, несомненно, необходима качественная и детальная палеомагнитная основа — шкала магнитной полярности. Базой общей шкалы магнитной полярности кайнозоя являются главным образом данные морских магнитных съемок. Однако конкретные вопросы стратиграфии, палеогеографии, тектоники и т.д. не могут решаться на основе океанской аномалийной шкалы. В связи с этим должна быть создана магнитостратиграфическая шкала континентов, построенная путем сопоставления региональных магнитостратиграфических схем.

Начиная с работ А.Н. Храмова (1958), прочное признание получил классический стратиграфический принцип разработки палеомагнитной шкалы. Процедура ее построения предусматривает изучение стратотипических и опорных разрезов, тщательную привязку магнитозон к биостратиграфическим (фаунистическим) подразделениям и последовательный «монтаж» сводных палеомагнитных разрезов и местных специализированных схем. Путем синтеза имеющихся материалов в конечном итоге создается общая магнитостратиграфическая шкала [2].

Известно, что неогеновый и четвертичный периоды Земли составляют последние 24 млн лет. Первая региональная схема магнитной зональности для данного временного интервала была создана в 70-х годах XX века на основе морских разрезов Средиземноморья [10]. Несколько позднее подобная схема была построена для Северного Кавказа, где сосредоточены многочисленные опорные разрезы данного возраста [11, 12]. Длительное время северокавказская схема оставалась основной разработкой в отечественной магнито-стратиграфии неогена.

За два последних десятилетия значительно возросли требования к точности измерений и методике лабораторных исследований, и как следствие вполне закономерно встал вопрос о детализации и ревизии первого макета магни-тостратиграфической схемы неогена Кавказа. В настоящей работе отражены результаты автора по уточнению и детализации региональной маг-нитостратиграфической схемы морского неогена Кавказской области с широким привлечением палеомагнитных материалов по Прикаспию.

В качестве объектов исследования выбирались разрезы, где в непрерывной последовательности представлены значительные стратиграфические интервалы с четкими границами между ярусами и надежно обоснованные палеонтологически. При интерпретации учитывались объемы возможных размывов и перерывов в осадконакоплении. Изучена коллекция из 1077 ориентированных «верх-низ» штуфов 13 скважин Северного Прикаспия и

Нижнего Поволжья. Кроме того, на современной аппаратуре проведено повторное палео- и петромагнитное исследование ряда коллекций из опорных разрезов Северного Кавказа и Закав-

казья (1657 ориентированных штуфов). Мощность изученных разрезов варьирует от 50-100 до 800-900 м. Схемы расположения разрезов приведены на рис. 1, 2.

Рис. 1. Схема расположения изученных скважин неогеновых отложений Северного Прикаспия и Нижнего Поволжья

Рис. 2. Схема расположения разрезов неогеновых отложений Кавказского региона: 1 — р. Большой Зеленчук, р. Малый Зеленчук, р. Кубань; 2 — р. Чанты-Аргун, с. Эрсеной, р. Аксай; 3 — р.). Привлекался термомагнитный и дифференциальный термомагнитный анализы (ТМА и ДТМА). Магнитная фракция части образцов изучалась под бинокуляром. Измерения естественной остаточной намагниченности пород производились на спин-магнитометре JR-4, а магнитной восприимчивости — на каппаметрах ИМВ-2 и КТ-5.

Проведен ряд независимых тестов (тест состава, инверсий, анализ кучностей и критерий внешней сходимости), положительные результаты которых интерпретируются как достоверный показатель первичной природы характеристической компоненты естественной остаточной намагниченности.

Изученные коллекции представлены терри-генными и терригенно-карбонатными породами: глинами, алевролитами, тонкозернистыми песчаниками и мергелем. Основные носители намагниченности пород — аллотигенный магнетит и аути-генные сульфиды железа. Зерна магнетита имеют угловатые очертания, несут явные следы водной транспортировки в виде царапин и штрихов на плоскостях и гранях, нередки сростки магнетита с силикатами. На кривых ДТМА магнетит диагностируется по отрицательным пикам в области точки Кюри (570-580°С). Аутигенная природа сульфидных магнитных минералов подтверждается округлыми, почковидными, пластинчатыми и трубчатыми зернами алевро-песчаной размерности. Магнитные сульфиды определяются на кривых ДТМА по ряду термомагнитных эффектов при температуре 320-340°С [13].

Отложения по магнитным свойствам весьма неоднородны: магнитная восприимчивость изменяется от 5-10 ■ 10-5 до 1300-1600 ■ 10-5 ед. СИ, значения естественной остаточной намагниченности при этом варьируют от 0,1-0,5 ■ 10-3 до 260-430 ■ 10-3 А/м.

Неоген в опорных разрезах Кавказского региона представлен практически в полном объеме, однако степень изученности разных интервалов шкалы неодинакова. Наиболее детально охарактеризована ее плиоценовая часть, достаточно полный материал собран по верхнему и среднему миоцену. Наименее изученным остается нижний миоцен, представленный глинами верхней части майкопской серии. В разрезах Прикаспийского региона также наиболее изученными оказались отложения среднего и верхнего миоцена и верхний плиоцен.

Практически для каждого изученного подразделения получены палеонтологические определения по фауне моллюсков, остракод и фораминифер. Для ряда разрезов определены

спорово-пыльцевые комплексы. Детальные литолого-палеонтологическая и палеомагнитная характеристики изученных разрезов приведены в публикациях [16, 17].

На основе палеомагнитного изучения опорных разрезов была уточнена и детализирована магнитостратиграфическая схема Кавказа [12] и впервые построена схема магнитной зональности Северного Прикаспия (рис. 3). Выявленные магнитозоны местных схем хорошо охарактеризованы палеонтологически и сопоставлены с неогеновыми ярусами Восточного Паратетиса.

В сводной палеомагнитной колонке кавказской схемы зафиксировано 96 интервалов прямой и обратной полярности. Отмечается широкий временной спектр выделенных магнитозон: от микро- (длительностью менее 0,5 млн лет) до ортозон (0,5-1 млн лет). Каркас сводного разреза составляют 16 сложнопостроенных ортозон, проиндексированных согласно рекомендациям Стратиграфического кодекса [18]. Три крупные магнитозоны плиоцена идентифицированы с ортозонами Гильберт, Гаусс и Матуяма магнитох-ронологической шкалы А. Кокса [19].

В сводной палеомагнитной колонке Северного Прикаспия и Нижнего Поволжья задокументировано по 29 магнитозон прямой и обратной полярности различного ранга (от микро- до ортозон), сгруппированных по преобладающей полярности в 9 ортозон.

По этим двум местным магнитострати-графическим схемам составлена региональная палеомагнитная схема неогена юга европейской части России и Закавказья. В целом схема характеризуется сложной магнитополярной структурой, обусловленной частыми переполюсовками магнитного поля на продолжении всего неогена. Только достоверно установленных инверсий в неогене около сотни, а их общее число значительно превышает эту цифру.

В целом региональная магнитостратиграфи-ческая схема неогена включает по 46 зон прямой и обратной намагниченности, занимающих различный стратиграфический объем. По преобладающей полярности они объединены в более крупные магнитозоны, имеющие в соответствии с таксономической шкалой общих магнитополяр-ных подразделений ранг ортозон [18].

Всего в палеомагнитной колонке выделено 16 ортозон, 13 из которых относятся к миоценовой части шкалы, и 3 (Гильберт, Гаусс, Матуяма) — к плиоцену. Временные объемы ортозон варьируют от 0,5 до 4,5 млн лет, и они формируют каркас магнитополярной шкалы, адаптированной к стратиграфическим построениям на региональном и трансрегиональном уровнях. По рангу ортозоны близки к хронам магнитохронологической шкалы, но в отличие от них четко привязаны к региональным и общим стратиграфическим подразделениям, что отражено в их индексации.

Рис. 3. Региональная магнитостратиграфическая схема неогеновых отложений юга европейской части России и Закавказья: н. — нижний; ср. — средний; в. — верхний

Ниже приводится краткая характеристика ортозон в их стратиграфической последовательности (см. рис. 3).

Магнитостратиграфическая схема неогена юга европейской части России и Закавказья начинается снизу крупной ортозоной обратной полярности R1N1k-s, которая охватывает кавказский и нижнюю половину сакараульского региоярусов. Она осложнена 5 и-микрозонами прямой полярности, 4 из которых зарегистрированы в кавказии, а самая верхняя относится к сакараулу. Граница кавказского и сакараульского региоярусов осталась неохарактеризованной из-за отсутствия отложений данного возраста в изученных разрезах.

Выше следует зона NlNlS, эквивалентная верхней половине сакараульского яруса.Л-кг соответствует прямонамагни-ченному нижнекараганскому подъярусу.

Верхняя половина караганского, конский и низы сарматского ярусов с их преобладающей обратной полярностью эквивалентны ортозоне R4Nlkг-sГl, осложненной 5 и-микрозонами. 2 из них фиксируются в караганском, 2 — в конкском региоярусе и ! приурочена к середине нижнесарматского подъяруса.

Вышележащая ортозона прямой полярности N4N1sг2, соответствующая среднесармат-скому подъярусу, практически монополярна и лишь в средней своей части расщеплена узкой г-микрозоной.

3 крупные ортозоны R5N1sг3, N5N1sг3 и NR1N1sг3-m соответствуют верхнесарматскому подъярусу. Ортозона обратной полярности R5N1sг3 начинается в самых верхах среднего и продолжается в верхнем сармате. В своей нижней части она осложнена 1 и-микрозоной. Выше следует зона N5N1sг3 с 2 микрозонами обратного знака. Завершает строение палеомагнитной колонки сарматского яруса ортозона переменной полярности NR1N1sг3-m, состоящая из 4 микро- и субзон прямой и 4 — обратной намагниченности.т осложнена в средней части 2 сближенными г-микрозонами.

Выше в магнитостратиграфической схеме следует зона Гильберт, эквивалентная понтиче-скому региоярусу и большей части киммерийского яруса. На фоне преобладающей обратной полярности в ней установлены 4 микрозоны, которые, вероятно, являются аналогами эпизодов Твера, Сидуфиал, Нунивак и Кочити.

Крупная магнитозона прямой полярности, соответствующая ортозоне Гаусс, охватывает верхи киммерийского яруса, нижнеакчагыльский подъярус в полном объеме и низы среднеак-чагыльского подъяруса. У границы нижнего и среднего акчагыла зафиксировано 2 микрозоны обратного знака, сопоставимые с микрозонами Маммот и Каена.

Завершает палеомагнитную колонку неогена магнитозона обратного знака, выделенная в среднем-верхнем акчагыле и имеющая продолжение в эоплейстоцене. Эта магнитозона идентифицируется как ортозона Матуяма. В ее пределах документируется 3 и-микрозоны. Две из них сближены и соответствуют микрозоне Реюньон, а верхняя является аналогом микрозоны Олдувей, маркирующей границу плиоцена и плейстоцена.

Выделенные ортозоны создают определенный структурный рисунок магнитостратиграфической схемы неогена, который во многом облегчает работу по изучению главных этапов и рубежей в эволюции магнитного поля Земли, понимание специфики его развития. Анализ шкалы магнитной полярности позволяет получить представление о динамике геомагнитного поля в неогене. Документируются более длительные эпохи преимущественно обратной полярности, разделенные практически монополярными интервалами прямой полярности, зафиксированными в верхнем сакарауле, среднем и верхнем сармате, верхнем мэотисе и нижнем акчагыле.

Палеомагнитная схема Кавказа и Северного Прикаспия является в настоящее время наиболее полной и палеонтологически обоснованной схемой магнитной зональности морского неогена России, а для ее европейской части — единственной специализированной схемой.

Таким образом, приведенная выше информация, полученная на основе применения методов палеомагнитологии, вносит существенный вклад в изучение истории нашей планеты и в прогнозирование ее дальнейшего развития.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант 07-05-00353/

Библиографический список

1. Основы экологии, безопасности жизнедеятельности и экономико-правового регулирования природопользования: Учеб. пособие / Под ред. М.Д. Гольдфейна. М., 2006. 408 с.

2. Молостовский Э.А., Храмов А.Н. Магнитостратиграфия и ее значение в геологии. Саратов, 1997. 180 с.

3. Uffen R. Influence of the Earth’s core on the origion and evolution of life // Nature. 1963. Vol. 198, № 48. 76 p.

4. Simpson J.F. Evolutionary pulsations and geomagnetic polarity // Bul. Geol. Soc. America. 1966. Vol. 77, № 2. P. 197-204.

5. Халфин Л.Л. Теоретические вопросы стратиграфии. Новосибирск, 1980. 199 с.

6. Black D.I. Cosmic ray effects and faunal extinctinns at geomagnetic field reversals. Earth Planet. Sci. Letters. 1967. № 3. P. 225-236.

7. Waddington C.I. Paleomagnetic field reversal and cosmic radiation // Science. 1967. Vol. 158. P. 913-915.

8. Савин М.Г. Кувырок магнитного поля // Химия и жизнь — XXI век. Февраль 2007. С. 6-10.

9. Молостовский Э.А. К проблеме взаимосвязей массовых вымираний с инверсиями магнитного поля Земли (МПЗ) // Проблемы изучения биосферы: Тез. докл. Всерос. науч. конф. Саратов, 1996. С. 87-88.

10. Ryan W.B.F., Cita M.B., Rawson M.D. at el. A paleomagnetic assignment of Neogene stage boundaries and the development of isochronous datum planes between the Mediterranean, the Pacific and Indian Oceans in order to investigate the response of the world ocean to the Mediterranean

«salinity crisis» // Riv. Ital. Paleont. Stratigr. 1974. Vol. 80. № 4. P. 631-687.

11. Молостовский Э.А. Новые данные по палеомагнитной шкале СССР и некоторые общие вопросы магнитострати-графии // Современное состояние исследований в области геомагнетизма. М., 1983. С. 143-162.

12. Молостовский Э.А. Шкала магнитной полярности мезозоя и кайнозоя и ее значение для стратиграфии (по материалам западной части СССР): Автореф. дис. … д-ра геол.-минерал. наук. М., 1986. 34 с.

13. БуровБ.В., ЯсоновП.Г. Введение в дифференциальный термомагнитный анализ горных пород. Казань, 1979. 160 с.

14. Молостовский Э.А., Храмов А.Н. Магнитостратиграфия и ее значение в геологии. Саратов, 1997. 180 с.

15. Палеомагнитология. Л., 1982. 312 с.

16. Гребенюк Л.В., Застрожнов А.С. Магнитостратиграфия неогеновых отложений Северного Прикаспия // Изв. Сарат. ун-та. 2002. Т. 2. С. 125-130.

17. Гребенюк Л.В, Молостовский Э.А. Магнитостратигра-фия миоценовых отложений Северного Кавказа // Недра Поволжья и Прикаспия. 2008. Вып. 53. С. 20-29.

18. Стратиграфический кодекс. СПб., 1992. 120 с.

19. Cox A. Geomagnetic reversals // Science. 1969. Vol. 163, № 3864. P. 237-245.

удк [551.8:551.247:553.634:551.736.1 ](470.44/.47)

палеогеографические и тектонические условия формирования нижнепермской галогенной формации юго-восточной окраины

русской плиты

Ю.А. Писаренко, о.П. Гончаренко1, В.Ю. Писаренко, о.С. Киреенко, Т.Г. Карпова

научно-исследовательский институт геологии и геофизики, Саратов

E-mail: [email protected] 1Саратовский государственный университет, кафедра петрографии и минералогии E-mail: [email protected]

нижнепермская галогенная формация в пределах юго-восточной окраины русской плиты является крупной по площади распространения, мощности и полноте развития галогенного осадко-накопления. Проведенные исследования галогенной формации позволили впервые по юго-восточной части русской плиты построить литолого-фациальные карты отдельных этапов солена-копления и установить пространственную миграцию солеродного бассейна во времени. разработанная модель пермского этапа со-ленакопления позволит в пределах рассматриваемой территории осуществлять более надежный прогноз районов, перспективных на горно-химическое сырье, а также выделять подсолевые палео-поднятия как объекты для скопления углеводородов. Ключевые слова: палеогеография, тектоника, галогенная формация, пермь, калийное сырье.

Paleogeographic and Tectonic Environment in the Lower Permian Halogen Formation from the southeastern Margin of the Russian Plate

Yu.A. Pisarenko, O.P. Goncharenko*, V.Yu. Pisarenko, O.S. Kireyenko, LG. forpova

The Lower Permian halogen formation within the southeastern margin of the Russian Plate is to be considered a large one in terms of its spatial extent, thickness and completeness of halogen sedimentation development. Examination of the halogen formation has made it possible to construct lithology-facies maps of individual salt-accumulation stages and to determine the spatial migration of the salt-generating basin in time. The developed model of the Permian sedimentation stage within the area will enable more reliable forecasting of the regions prospective for mining-chemical feedstock; this will also allow to reveal subsalt swells as the objects of hydrocarbon accumulation.

Key words: paleogeography, tectonics, halogen formation, the Permian, potassium stock.

Магнитное поле Земли

Магнитное поле Земли похоже на что из стержневого магнита наклонен на 11 градусов от ось вращения Земля. Эта проблема с этой картинкой заключается в том, что температура Кюри железо около 770 С. Ядро Земли горячее, чем это, и, следовательно, не магнитный. Так как же Земля получила свое магнитное поле?

Магнитные поля окружают электрические токи, поэтому мы предполагаем, что циркулирующие электрические токи в расплавленном металлическом ядре Земли являются источником магнитного поля.Токовая петля дает поле, подобное земному. Величина магнитного поля, измеренная на поверхности Земли, составляет около половины Гаусса и падает в сторону Земли в северном полушарии. Величина колеблется по поверхности Земли в пределах от 0,3 до 0,6 Гаусса.

Магнитное поле Земли объясняется динамо-эффектом циркулирующего электрического тока, но оно не является постоянным по направлению.Образцы горных пород разного возраста в одинаковых местах имеют разное направление постоянной намагниченности. Сообщалось о 171 инверсии магнитного поля за последние 71 миллион лет.

Хотя детали динамо-эффекта подробно не известны, вращение Земли играет роль в генерировании токов, которые, как предполагается, являются источником магнитного поля. Маринер 2 обнаружил, что Венера не имеет такого магнитного поля, хотя содержание железа в ее ядре должно быть таким же, как и на Земле.Период вращения Венеры в 243 земных дня слишком медленный, чтобы вызвать эффект динамо.

Взаимодействие магнитного поля Земли с частицами солнечного ветра создает условия для явлений полярных сияний вблизи полюсов.

Северный полюс стрелки компаса — это северный магнитный полюс. Его привлекает географический Северный полюс, который является южным магнитным полюсом (притягиваются противоположные магнитные полюса).

9.3 Магнитное поле Земли — Физическая геология

Глава 9 Внутренние поверхности Земли

Тепло также передается от твердого внутреннего ядра к жидкому внешнему ядру, что приводит к конвекции жидкого железа внешнего ядра. Поскольку железо является металлом и проводит электричество (даже в расплавленном состоянии), его движение создает магнитное поле.

Магнитное поле Земли определяется Северным и Южным полюсами, которые обычно совпадают с осью вращения (Рисунок 9.13). Магнитные силовые линии текут на Землю в северном полушарии и выходят из Земли в южном полушарии. Из-за формы силовых линий магнитная сила движется под разными углами к поверхности в разных местах (красные стрелки на рисунке 9.13). На Северном и Южном полюсах сила вертикальная. В любом месте на экваторе сила горизонтальна, а повсюду между ними магнитная сила находится под некоторым промежуточным углом к ​​поверхности. Как мы увидим в главе 10, различия в этих ориентациях являются важным свидетельством понимания дрейфа континентов как аспекта тектоники плит.

Магнитное поле Земли создается во внешнем ядре за счет конвективного движения жидкого железа, но, как мы обнаружили в главе 8, магнитное поле нестабильно в течение геологического времени. По причинам, которые до конца не изучены, магнитное поле периодически спадает, а затем восстанавливается. Когда он действительно восстанавливается, он может быть ориентирован так, как был до распада, или он может быть ориентирован с обратной полярностью. За последние 250 млн лет произошло несколько сотен инверсий магнитного поля, и их время было совсем не регулярным.Самые короткие из них, которые геологи смогли определить, длились всего несколько тысяч лет, а самые длинные — более 30 миллионов лет в меловом периоде (рис. 9.14).

Рис. 9.13. Изображение магнитного поля Земли в виде стержневого магнита, совпадающего с ядром. Южный полюс такого магнита указывает на Северный полюс Земли. Красные стрелки показывают ориентацию магнитного поля в различных местах на поверхности Земли. [SE после: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/ 1/17 / Earths_Mintage_Field_ Confusion.svg]

Упражнение 9.3 Что вам говорит ваш магнитный измеритель угла падения?

Обычные компасы указывают только на северный магнитный полюс, но если у вас есть измеритель магнитного угла наклона (или iPhone с соответствующим приложением *), вы также можете измерить угол магнитного поля в вашем местоположении в вертикальном направлении. смысл. Для выполнения этого упражнения не нужно покупать приложение (или iPhone)!

Используя рисунок 9.13 в качестве руководства, опишите, где бы вы были на Земле, если вертикальные углы будут следующими:

Вверх под небольшим углом Параллельно земле

Вертикальная ориентация	Общее местонахождение	Вертикальная ориентация	Общее местонахождение
Прямо вниз
Вниз под крутым углом

* См. Приложение для определения магнитного наклона по адресу: http: // www.hotto.de/mobileapps/iphonemintageinclinationmeter.html

Рис. 9.14. Хронология инверсии магнитного поля за последние 170 млн лет. Первые 5 млн лет магнитной хронологии более подробно показаны на рис. 9.15. [SE после: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/c/c0/Geomintage_polarity_0-169_Ma.svg]

Изменения в магнитном поле Земли были изучены с помощью математической модели, и было показано, что инверсии имеют место, когда модель использовалась для моделирования периода в несколько сотен тысяч лет.Тот факт, что произошли инверсии поля, показывает, что модель является достаточно точным представлением Земли. По словам ведущего автора исследования Гэри Глатцмайера из Калифорнийского университета в Санта-Круз: «Наше решение показывает, как конвекция во внешнем жидком ядре постоянно пытается изменить направление поля, но что твердое внутреннее ядро ​​препятствует инверсии магнитного поля, потому что поле в внутреннее ядро ​​может измениться только в гораздо более длительном временном масштабе диффузии. Только один раз из многих попыток инверсия оказывается успешной, что, вероятно, является причиной того, что времена между инверсиями поля Земли длинные и распределены случайным образом.Изображение силовых линий магнитного поля Земли в стабильный период и во время переворота показано на рисунке 9.15. Чтобы узнать больше об этих явлениях, посетите сайт Глатцмайера «Геодинамо» по адресу: http://es.ucsc.edu/~glatz/geodynamo.html.

Рис. 9.15. Изображение магнитного поля Земли между инверсиями (слева) и во время инверсии (справа). Линии представляют собой силовые линии магнитного поля: синие, когда поле направлено к центру Земли, и желтые, когда оно направлено в сторону. Ось вращения Земли вертикальна, а контур ядра показан в виде белого пунктирного круга.[из: http://en.wikipedia.org/wiki/Geomintage_reversal]

Дополнительная информация о геомагнитных полях

Магнитосфера имеет форму кометы в ответ на динамическое давление солнечный ветер. Он сжат со стороны, направленной к Солнцу, примерно до 10 земных радиусов и имеет вытянутый в виде хвоста на стороне от Солнца более чем на 100 земных радиусов. В магнитосфера отклоняет поток большинства частиц солнечного ветра вокруг Земли, в то время как Силовые линии геомагнитного поля направляют движение заряженных частиц в магнитосфере.

Дифференциальный поток ионов и электронов внутри магнитосферы и в ионосфера образуют текущие системы, которые вызывают вариации в напряженности магнитного поля Земли. Эти ВНЕШНИЕ токи в ионизированном верхняя атмосфера и магнитосфера изменяются на гораздо более короткие шкала времени , чем ВНУТРЕННЯЯ Основная Поле и могут создавать магнитные поля величиной до 10% от основного поля .

Это компонент главного поля, моделируемый Международной геомагнитной справкой. Поле (IGRF) и магнитная модель мира (WMM).Другими важными источниками являются поля, возникающие из электрические токи, протекающие в ионизированных верхних слоях атмосферы, и поля, индуцированные токи, текущие в земной коре. Составляющая основного поля медленно меняется во времени и можно грубо описать как стержневой магнит с северным и южным полюсами глубоко внутри Земля и силовые линии магнитного поля, уходящие далеко в космос. Магнитное поле Земли изменяется как в пространстве, так и во времени .

В сети есть несколько хороших сайтов, на которых можно найти информацию о геомагнитное поле.Некоторые из сайтов, которые, по нашему мнению, стоит посетить, включают наши собственные ответы на часто задаваемые вопросы, Scientific American Спросите у экспертов, геологический Обследование Канады и геологической службы США. Опрос. На сайте AGU есть несколько статей ученых.

Outreach
Плакат группы по геомагнетизму
Геомагнетизм Tri-Fold

Отслеживание изменений магнитных полюсов Земли | News

Поскольку магнитное поле Земли меняется со временем, положение Северного и Южного магнитных полюсов постепенно меняется.Магнитное склонение — угол между магнитным севером и истинным севером — в данном месте также изменяется со временем. Наша программа просмотра карт исторического магнитного склонения отображает местоположения геомагнитных полюсов и исторические линии склонения, рассчитанные для 1590–2020 годов.

Магнитная история Земли

Сэр Джеймс Кларк Росс впервые открыл Северный магнитный полюс на севере Канады в 1831 году. С 1831 года полюс перемещается через канадскую Арктику в сторону России. Ученые NCEI из Кооперативного института исследований в области наук об окружающей среде (CIRES) Университета Колорадо в Боулдере рассчитали движение Северного и Южного магнитных полюсов с 1590 по 2025 год, используя две модели: gufm1 и IGRF.Gufm1 объединяет тысячи магнитных наблюдений, сделанных моряками, занятыми в торговом и военно-морском судоходстве. IGRF является продуктом совместных усилий разработчиков моделей магнитного поля и институтов, занимающихся сбором и распространением данных о магнитном поле со спутников, обсерваторий и исследований по всему миру. Исследование 2007 года, проведенное канадско-французским международным сотрудничеством, показало, что Северный магнитный полюс перемещается примерно на северо-северо-запад со скоростью 55 км в год.Согласно последнему отчету IGRF, в настоящее время полюс движется в том же направлении, но с несколько сниженной скоростью — около 45 км в год.

Ученые NCEI и CIRES создали анимацию , показывающую изменения местоположения по склонению и «блуждание» Северного магнитного полюса за последние 50 лет. Посмотрите, как сходятся изогонические линии на полюсе. Просмотрите исторические данные до 1590 года с помощью нашего Map Viewer .

Пластины и полярность: синхронность

Магнитное поле Земли медленно менялось на протяжении всего своего существования.Когда тектонические плиты формируются вдоль океанических хребтов, существующее магнитное поле «замораживается» в породе, поскольку они охлаждаются ниже примерно 700 ° C. Медленно движущиеся пластины действуют как своего рода магнитофон, оставляя информацию о силе и направлении прошлых магнитных полей. Отобрав образцы этих пород и используя методы радиометрического датирования, стало возможным реконструировать историю магнитного поля Земли примерно за последние 160 миллионов лет. Если «проиграть ленту задом наперед», запись покажет, что магнитное поле Земли усиливается, ослабевает и часто меняет полярность.Магнитные Северный и Южный полюса даже перевернулись или «перевернулись», что известно как переворот геомагнитного полюса.

Инверсии геомагнитных полюсов происходили на протяжении всей истории Земли. Последний произошел 780 000 лет назад. Хотя это звучит пугающе, переворачивание шеста может происходить долго и не представляет непосредственной угрозы. Ученые определили, что в краткосрочной перспективе земная окружающая среда не изменится и не угрожает жизни из-за переворота полюса.

Магнитное поле Земли

Магнитное поле Земли

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ

---

В первом приближении магнитное поле Земли напоминает огромный стержневой магнит.Силовые линии выходят из южной половины Земли и снова входят в северную половину.

Некоторые особенности поля Земли изменяются предсказуемым образом по всей поверхности земного шара и, в принципе, могут быть использованы при оценке географического положения. Например, в каждом месте на Земле силовые линии пересекают поверхность Земли под определенным углом наклона. На диаграмме выше обратите внимание, что вблизи экватора силовые линии приблизительно параллельны поверхности Земли; угол наклона в этой области считается равным 0.Однако по мере продвижения на север от экватора линии поля становятся все круче. На магнитном полюсе силовые линии направлены почти прямо вниз в Землю, и говорят, что наклон равен 90. Таким образом, угол наклона зависит от широты. Как следствие, у животного, способного различать углы магнитного наклона, есть механизм, который оно могло бы использовать для определения его широты. Как мы обсудим, этой способностью обладают вылупившиеся головорезы.

Второй геомагнитный параметр, который изменяется по поверхности Земли, — это сила или напряженность поля. Хотя интенсивность изменяется несколько менее предсказуемо, чем наклон, общая тенденция такова, что поле наиболее сильное около магнитных полюсов и самое слабое около экватора. Также было показано, что вылупившиеся ползунки обнаруживают напряженность магнитного поля.

Важные особенности поля Земли:

• Угол наклона : угол, под которым силовые линии магнитного поля пересекают поверхность Земли.Этот угол колеблется от 0 градусов на экваторе до 90 градусов на полюсах.
• Интенсивность : Магнитное поле также различается по силе над земной поверхностью. Он наиболее силен на полюсах и наиболее слаб на экваторе.

---

Изучение реакции черепах на магнитные поля

Изменение магнитного поля Земли может занять больше времени, чем предполагалось ранее | Наука

Вращение и конвекция расплавленного железа в центре планеты создают динамо-эффект, генерирующий магнитное поле Земли.alxpin / iStock

Вращаясь вокруг твердого внутреннего ядра нашей планеты, более чем на 1800 миль под поверхностью, горячее жидкое железо генерирует магнитное поле, которое простирается за пределы атмосферы. Это поле предоставляет нам все, от направления компаса до защиты от космических лучей, поэтому неудивительно, что в начале этого года ученые были встревожены, когда заметили, что северный магнитный полюс быстро дрейфует в сторону Сибири. В то время как геофизики изо всех сил пытались выпустить обновленную модель магнитного поля Земли с опережением ее пятилетнего графика, мигрирующий полюс поставил насущный вопрос: готовится ли магнитное поле Земли к изменению?

Магнитное состояние нашего мира постоянно меняется, при этом северный и южный магнитные полюса меняются на несколько градусов каждые столетие или около того.Иногда магнитное поле испытывает полное изменение полярности, в результате чего северный и южный магнитные полюса меняются местами, хотя никто точно не знает, что вызывает этот поворот. (Фактически, северный полюс планеты сейчас является магнитным южным полюсом, но он все еще называется «магнитным севером», чтобы соответствовать нашим географическим измерениям.)

В исследовании, опубликованном сегодня в журнале Science Advances , исследователи сообщают о новом предполагаемом графике последнего изменения полярности, названного изменением полярности Брюнес-Матуяма, которое произошло около 780 000 лет назад.Используя комбинацию образцов лавы, океанических отложений и ледяных кернов, они смогли отследить развитие этого разворота и продемонстрировать, что его структура была более длинной и сложной, чем предполагалось в предыдущих моделях. Полученные данные могут помочь лучше понять, как развивается магнитная среда нашей планеты, и, как мы надеемся, послужить основой для прогнозов следующего крупного возмущения.

«[Изменение полярности] — одно из немногих геофизических явлений, которые являются поистине глобальными», — говорит Брэд Сингер, профессор геолого-геофизических наук в Университете Висконсин-Мэдисон и ведущий автор исследования.«Это процесс, который начинается в самых глубоких частях Земли, но он проявляется в горных породах по всей поверхности планеты и очень существенно влияет на атмосферу. … Если мы сможем установить хронологию для определения времени разворота, у нас будут маркеры, которые мы сможем использовать для датировки горных пород по всей планете и определения общих временных точек по всей Земле ».

Генерация магнитного поля Земли начинается в самом ее центре. Тепло от твердого внутреннего ядра, образующегося в результате радиоактивного распада, нагревает окружающее жидкое железо, заставляя его циркулировать, как горшок с водой на плите.Движение жидкости или конвекция утюга создает электрический ток, который создает магнитное поле. Когда Земля вращается, магнитное поле примерно совпадает с осью вращения, создавая магнитные северный и южный полюса.

За последние 2,6 миллиона лет магнитное поле Земли перевернулось 10 раз и почти перевернулось более 20 раз во время событий, называемых экскурсиями. Некоторые исследователи полагают, что изменение полярности вызвано нарушением баланса между вращением Земли и температурой ядра, что изменяет движение жидкости в жидком железе, но точный процесс остается загадкой.

Схематическое изображение невидимых силовых линий магнитного поля, генерируемых Землей, представленных в виде дипольного магнитного поля. На самом деле, наш магнитный экран прижат ближе к Земле на стороне, обращенной к Солнцу, и чрезвычайно удлинен на ночной стороне из-за солнечного ветра. Питер Рид / НАСА

Сингер и его коллеги получили более точные хронологические оценки последнего изменения полярности, используя новые методы датировки застывшей лавы. Базальтовая лава, извергающаяся около 1100 градусов по Цельсию (2 012 градусов по Фаренгейту), содержит магнетит, оксид железа, внешние электроны которого ориентируются вдоль магнитного поля Земли.Когда лава остывает до 550 градусов по Цельсию (1022 градуса по Фаренгейту), «направление намагничивания блокируется, буквально встраивается в поток», — говорит Сингер. В результате история магнитного поля запечатлена в затвердевшей лаве, которую Сингер и его команда смогли прочитать с помощью специального процесса для измерения изотопов аргона в образцах распавшейся лавы.

К несчастью для геологов (но к счастью для всех нас), вулканы не извергаются постоянно, поэтому лава становится рекордсменом эволюции магнитного поля.Чтобы соединить недостающие даты, исследовательская группа объединила новые измерения из семи различных источников лавы по всему миру с прошлыми записями намагниченных элементов в океанских отложениях и кернах антарктического льда. В отличие от лавы, океан обеспечивает непрерывную запись намагничивания, поскольку частицы магнитного материала постоянно оседают на морском дне и выравниваются с полем планеты. «Но эти записи сглаживаются и деформируются из-за уплотнения, а на дне морского дна обитает множество тварей… так что запись немного разрушается», — говорит Сингер.

Антарктический лед предлагает третий способ раскрыть историю магнитного поля Земли, поскольку он содержит образцы изотопа бериллия, который образуется при сильном взаимодействии космического излучения с верхними слоями атмосферы — именно то, что происходит, когда магнитное поле ослабевает во время экскурсии или поворота.

Объединив все три этих источника, исследователи составили подробный рассказ о том, как магнитное поле эволюционировало во время его последнего обращения. В то время как предыдущие исследования предполагали, что все обращения проходят три фазы за промежуток времени не более 9000 лет, команда Сингера обнаружила гораздо более сложный процесс обращения, для завершения которого потребовалось более 22000 лет.

«Мы можем увидеть гораздо больше нюансов нарастания и убывания сильных сторон и направленного поведения в течение этого 22 000-летнего периода, чем когда-либо прежде», — говорит Сингер. «И это не соответствует [трехфазному] шаблону … поэтому я думаю, им придется вернуться к чертежной доске».

Полученные данные ставят под сомнение, будут ли будущие инверсии полей проявлять аналогичные сложности и длительность. «Это важный документ, поскольку он документирует новые вулканические данные и объединяет вулканические и осадочные данные, относящиеся к нестабильности геомагнитного поля до последнего изменения полярности», — говорит Джеймс Ченнелл, геофизик из Университета Флориды, который не участвовал в новом исследовании, по электронной почте.«Является ли эта пред-инверсионная нестабильность характерной для всех смен полярностей? Пока что нет никаких свидетельств этого от более старых обращений ».

Соавторы исследования Роб Коу и Тревор Дуарте ориентируют ядра из участка лавового потока, регистрирующего изменение полярности магнитного поля Матуяма-Брюнес в национальном парке Халеакала, Гавайи, в 2015 году. Брэд Сингер

Даже с тремя наборами измерений остается вопрос, дает ли объединенная история достаточно информации о том, сколько времени занимает разворот и в каком именно состоянии находится поле, когда происходят такие перевороты.«Пока нет полной записи, свидетельствующей о сложной последовательности событий, описанной авторами, я не уверен, что неопределенность возрастов позволяет нам различать более двух различных фаз», — говорит Жан-Пьер Вале, геофизик из Парижского института физики Земли, который не участвовал в исследовании, в электронном письме. Валет также сомневается в продолжительности инверсии, утверждая, что неточности в данных предполагают, что весь процесс мог длиться от 13 000 до 40 000 лет — все еще дольше, чем предыдущие оценки.

Получение дополнительных сведений о процессах, ведущих к смене полярности, может иметь решающее значение для будущих цивилизаций, поскольку смещение магнитного поля может иметь далеко идущие последствия для планеты.

«Когда [магнитное] поле слабое, то есть во время инверсий, главное дипольное поле коллапсирует до величины порядка десяти процентов от его нормальной силы», — говорит Сингер. Этот коллапс может создать проблемы для жизни на Земле, поскольку магнитное поле стабилизирует молекулы озона, защищая планету от ультрафиолетового излучения.Сингер указывает, что недавняя работа предполагает, что современные люди адаптировались к защитным генам после того, как неандертальцы пострадали от радиации во время экскурсии, которая ухудшила магнитное поле.

«Давно обсуждается, влияют ли инверсии магнитного поля на биоту на поверхности Земли», — говорит он. «Большинство ранних заявлений отчасти абсурдны, потому что хронология не была достаточно точной, чтобы знать, что открытие окаменелостей неандертальцев, например, было связано с экскурсией.Но теперь мы знаем это время гораздо лучше ».

Последние 200 или более лет магнитное поле Земли ослабевает со скоростью пять процентов каждое столетие. Если это ослабление и недавняя миграция северного магнитного полюса указывают на надвигающееся изменение поля, это может иметь серьезные последствия для технологий, которые полагаются на спутники, которые могут быть повреждены космическим излучением. Тем не менее, Сингер предупреждает, что в ближайшие пару тысячелетий изменение ситуации не произойдет.

«То, что мы наблюдаем сейчас при быстром движении северного полюса, на самом деле вполне нормально, — говорит Сингер. «Есть публикации, основанные на гораздо более плохих записях, чем те, с которыми мы работаем, которые предполагают, что изменение может произойти менее, чем за время жизни человека, и это просто не подтверждается подавляющим большинством документов. … Реальный разворот, окончательный разворот занимает несколько тысяч лет ».

Это должно дать человечеству время, чтобы лучше защитить свои технологии от радиации при следующем обращении.А пока не беспокойтесь, если ваш компас сдвинется на градус или два.

наука о планете Земля Ядро Земли Геология Физика

Рекомендованные видео

1 Магнитное поле Земли (геомагнитное поле).Обратите внимание, что …

Контекст 1

… Магнитное поле Земли предоставляет потенциально полезную информацию, которую птицы могут использовать для информации о направлении и / или местоположении. Было ясно продемонстрировано, что птицы способны определять направление магнитного поля Земли по компасу и что они могут использовать эту информацию как часть компаса. Магнитная информация также может быть полезна как часть карты, и появляется все больше свидетельств того, что птицы могут определять свое приблизительное положение на Земле на основе геомагнитных сигналов.В дополнение к прямому использованию для ориентации и навигации, магнитная информация, по-видимому, также может влиять на другие физиологические процессы, такие как ожирение и миграционная мотивация, в качестве триггера для изменений в поведении. Хотя поведенческие реакции на геомагнитные сигналы относительно хорошо изучены, физиологические механизмы, позволяющие птицам ощущать магнитное поле Земли, только начинают пониматься, и понимание магнитных чувств животных, в том числе птиц, остается одним из наиболее важных. нерешенные проблемы биологии.Очень сложно почувствовать магнитные поля, столь же слабые, как у Земли, используя только биологически доступные материалы. Только два основных механизма считаются теоретически жизнеспособными у наземных животных: магниторецепция на основе минералов железа и магниторецепция на основе пар радикалов. На основании современных научных данных механизмы магниторецепции на основе железа и минералов и магниторецепции на основе пар радикалов, по-видимому, существуют у птиц, но они, по-видимому, используются для разных целей. Вероятные первичные сенсорные молекулы и несколько областей мозга, участвующих в обработке магнитной информации, были идентифицированы у птиц для каждого из этих двух типов магнитных чувств.Тем не менее, мы все еще далеки от понимания детальной функции любого из, по крайней мере, двух различных магнитных органов чувств, существующих у некоторых, если не у всех видов птиц, и в настоящее время не было идентифицировано первичной сенсорной структуры вне разумных сомнений в качестве источника. магниторецепции птиц. Это захватывающая, но сложная область, в которой, вероятно, будет сделано несколько крупных открытий в ближайшие 1-2 десятилетия. Движущиеся электрические заряды, такие как электроны, создают магнитные поля. В микроскопическом масштабе электронные (и ядерные) спины могут генерировать магнитные поля.В макроскопическом масштабе магнитное поле B, например, создается вокруг провода, когда через него проходит ток. Магнитное поле в заданном месте можно описать как трехмерный (3D) вектор, для которого сила, B, измеряется как плотность магнитного потока с использованием единицы «Тесла» (Тл), 1 Тл = 1 (В * с ) / м 2 = 1 (Н * с) / (Кл * м) = 10 000 Гаусс (В = Вольт, с = секунда, м = метр, Н = Ньютон, С = Кулон). Некоторые материалы, которые называются «ферромагнетиками», могут быть постоянно намагничены магнитным полем, и эта намагниченность сохраняется после того, как намагничивающее поле было снято.Магнетит (Fe 3 O 4), оксид железа, является хорошо известным примером ферромагнитного минерала (Mouritsen, 2013). Земля генерирует собственное магнитное поле (геомагнитное поле), которое в основном вызвано электрическими токами в жидком внешнем ядре Земли («эффект динамо»). Магнитное поле, измеренное на поверхности Земли, похоже на магнитное поле, которое можно было бы увидеть, если бы большой дипольный магнит был помещен в центр Земли (см. Рис. 8.1). Магнитное поле Земли в настоящее время имеет южный полюс магнитного поля, расположенный рядом с географическим Северным полюсом Земли (называемый в биологии «Магнитный Север» или «Магнитный Северный полюс»).На протяжении всей этой главы я буду следовать условным обозначениям, используемым в литературе по исследованию ориентации птиц, и использовать термин «Магнитный Север» или «Магнитный Северный полюс» для обозначения не физического магнитного Северного полюса, а магнитного полюса, расположенного ближе всего к географический Северный полюс. Точно так же северный полюс магнитного поля вблизи географического Южного полюса Земли будет называться «Магнитный Юг» или «Магнитный Южный полюс» (Mouritsen, 2013). Силовые линии магнитного поля покидают магнитный южный полюс и снова входят в магнитный северный полюс.Полярность силовых линий магнитного поля всегда указывает на Магнитный Север; следовательно, они могут обеспечить высоконадежный ориентир направления, который можно использовать в качестве основы для магнитного компаса в любой точке планеты Земля, кроме магнитных полюсов. На магнитных полюсах силовые линии указывают прямо в небо (на Южном Магнитном полюсе) или прямо на Землю (на Северном Магнитном полюсе). На магнитном экваторе силовые линии магнитного поля параллельны поверхности Земли. Угол между силовыми линиями магнитного поля и поверхностью Земли называется «магнитным наклоном».Таким образом, магнитное наклонение постепенно изменяется от -90 ° на Южном магнитном полюсе до 0 ° на магнитном экваторе до + 90 ° на Северном магнитном полюсе (см. Рисунок 8.1). Напряженность магнитного поля Земли колеблется от c. 30000 нТл (нано Тесла = 10 −9 Тл; 1 Тл = 1 В · с · м −2; 1 нТл = 10 −5 Гаусс) вблизи магнитного экватора до точки c. 60 000 нТл на магнитных полюсах. Магнитные поля земной силы обычно измеряются калиброванным трехосевым феррозондовым магнитометром. Теоретически магнитное наклонение и магнитная напряженность могут быть полезны для определения своего местоположения, но на большинстве частей Земли магнитное наклонение и магнитная сила изменяются преимущественно с севера на юг, но не сильно с востока на запад; поэтому кажется, что по информации о геомагнитном поле легче определить широту, чем долготу (Mouritsen, 2013).Магнитный Северный полюс в настоящее время расположен на севере Канады, а Магнитный Южный полюс в настоящее время расположен к югу от Австралии. Следовательно, географический и магнитный полюса не совпадают (см. Рисунок 8.1). Отклонение между географическим и магнитным севером называется «магнитным склонением». Магнитное склонение — это угол между магнитным севером (т. Е. Направлением, в котором указывает северный конец стрелки компаса) и географическим севером. Склонение положительное, когда магнитный север находится к востоку от географического севера, и отрицательное, когда магнитный север находится к западу от географического севера.Склонение в основном невелико, но вблизи магнитных полюсов склонение может стать серьезной проблемой для навигации птиц с использованием магнитного компаса, если они не найдут способ его компенсировать. С другой стороны, магнитное склонение теоретически могло бы быть полезным параметром для определения, например, положения Восток-Запад, если бы оно было объединено с другими подсказками карты (Mouritsen, 2013). Направление магнитного поля вокруг провода можно определить по «правилу правой руки»: если вы обхватите провод правой рукой так, чтобы большой палец указывал в направлении тока, то магнитное поле вокруг провода бежит в том направлении, в котором указывают ваши пальцы.Магнитное поле уменьшается с увеличением расстояния по мере удаления от провода. Если вы создаете катушку из проволоки, то создаваемое магнитное поле внутри катушки будет намного сильнее, чем снаружи катушки, потому что многие параллельные линии магнитного поля, созданные разными частями проволоки, совпадают и, таким образом, складываются в центре катушки. катушка. По этой причине конструкции катушек обычно используются для создания и изменения магнитных полей (Mouritsen, 2013). Типичными конструкциями катушек, которые используются для создания магнитных полей земной силы для научных экспериментов, являются так называемые «катушки Гельмгольца» — пара параллельных катушек, расположенных на расстоянии одного радиуса друг от друга (Kirschvink, 1991).В паре катушек Гельмгольца магнитное поле очень однородно в центральном пространстве c. 60% радиуса витков (Киршвинк, 1991). Магнитное поле, создаваемое в центре пары катушек Гельмгольца, равно B = (0,9 * 10-6 Тл м / A * n * I) / R, где T — единица Тесла, n — количество витков в каждой катушке. , I — ток, протекающий через катушки, измеренный в амперах (A), а R — радиус катушек, измеренный в метрах (м) (Kirschvink, 1991). Одна пара катушек Гельмгольца может изменять магнитное поле только вдоль одной оси.Для создания любого желаемого трехмерного магнитного поля в идеале необходимы три пары катушек Гельмгольца, ориентированные перпендикулярно друг другу. Если добавить искусственно созданное поле к существующему полю (например, к полю Земли), то результирующее поле вычисляется простым векторным сложением двух полей (см. Рисунок 8.2; …

Context 2

… Магнитное поле Земли предоставляет потенциально полезную информацию, которую птицы могут использовать для информации о направлении и / или местоположении.Было ясно продемонстрировано, что птицы способны определять направление магнитного поля Земли по компасу и что они могут использовать эту информацию как часть компаса. Магнитная информация также может быть полезна как часть карты, и появляется все больше свидетельств того, что птицы могут определять свое приблизительное положение на Земле на основе геомагнитных сигналов. В дополнение к прямому использованию для ориентации и навигации, магнитная информация, по-видимому, также может влиять на другие физиологические процессы, такие как ожирение и миграционная мотивация, в качестве триггера для изменений в поведении.Хотя поведенческие реакции на геомагнитные сигналы относительно хорошо изучены, физиологические механизмы, позволяющие птицам ощущать магнитное поле Земли, только начинают пониматься, и понимание магнитных чувств животных, в том числе птиц, остается одним из наиболее важных. нерешенные проблемы биологии. Очень сложно почувствовать магнитные поля, столь же слабые, как у Земли, используя только биологически доступные материалы. Только два основных механизма считаются теоретически жизнеспособными у наземных животных: магниторецепция на основе минералов железа и магниторецепция на основе пар радикалов.На основании современных научных данных механизмы магниторецепции на основе железа и минералов и магниторецепции на основе пар радикалов, по-видимому, существуют у птиц, но они, по-видимому, используются для разных целей. Вероятные первичные сенсорные молекулы и несколько областей мозга, участвующих в обработке магнитной информации, были идентифицированы у птиц для каждого из этих двух типов магнитных чувств. Тем не менее, мы все еще далеки от понимания детальной функции любого из, по крайней мере, двух различных магнитных органов чувств, существующих у некоторых, если не у всех видов птиц, и в настоящее время не было идентифицировано первичной сенсорной структуры вне разумных сомнений в качестве источника. магниторецепции птиц.Это захватывающая, но сложная область, в которой, вероятно, будет сделано несколько крупных открытий в ближайшие 1-2 десятилетия. Движущиеся электрические заряды, такие как электроны, создают магнитные поля. В микроскопическом масштабе электронные (и ядерные) спины могут генерировать магнитные поля. В макроскопическом масштабе магнитное поле B, например, создается вокруг провода, когда через него проходит ток. Магнитное поле в заданном месте можно описать как трехмерный (3D) вектор, для которого сила, B, измеряется как плотность магнитного потока с использованием единицы «Тесла» (Тл), 1 Тл = 1 (В * с ) / м 2 = 1 (Н * с) / (Кл * м) = 10 000 Гаусс (В = Вольт, с = секунда, м = метр, Н = Ньютон, С = Кулон).Некоторые материалы, которые называются «ферромагнетиками», могут быть постоянно намагничены магнитным полем, и эта намагниченность сохраняется после того, как намагничивающее поле было снято. Магнетит (Fe 3 O 4), оксид железа, является хорошо известным примером ферромагнитного минерала (Mouritsen, 2013). Земля генерирует собственное магнитное поле (геомагнитное поле), которое в основном вызвано электрическими токами в жидком внешнем ядре Земли («эффект динамо»). Магнитное поле, измеренное на поверхности Земли, похоже на магнитное поле, которое можно было бы увидеть, если бы большой дипольный магнит был помещен в центр Земли (см. Рисунок 8.1). Магнитное поле Земли в настоящее время имеет южный полюс магнитного поля, расположенный рядом с географическим Северным полюсом Земли (называемый в биологии «Магнитный Север» или «Магнитный Северный полюс»). На протяжении всей этой главы я буду следовать условным обозначениям, используемым в литературе по исследованию ориентации птиц, и использовать термин «Магнитный Север» или «Магнитный Северный полюс» для обозначения не физического магнитного Северного полюса, а магнитного полюса, расположенного ближе всего к географический Северный полюс. Точно так же северный полюс магнитного поля вблизи географического Южного полюса Земли будет называться «Магнитный Юг» или «Магнитный Южный полюс» (Mouritsen, 2013).Силовые линии магнитного поля покидают магнитный южный полюс и снова входят в магнитный северный полюс. Полярность силовых линий магнитного поля всегда указывает на Магнитный Север; следовательно, они могут обеспечить высоконадежный ориентир направления, который можно использовать в качестве основы для магнитного компаса в любой точке планеты Земля, кроме магнитных полюсов. На магнитных полюсах силовые линии указывают прямо в небо (на Южном Магнитном полюсе) или прямо на Землю (на Северном Магнитном полюсе). На магнитном экваторе силовые линии магнитного поля параллельны поверхности Земли.Угол между силовыми линиями магнитного поля и поверхностью Земли называется «магнитным наклоном». Таким образом, магнитное наклонение постепенно изменяется от -90 ° на Южном магнитном полюсе до 0 ° на магнитном экваторе до + 90 ° на Северном магнитном полюсе (см. Рисунок 8.1). Напряженность магнитного поля Земли колеблется от c. 30000 нТл (нано Тесла = 10 −9 Тл; 1 Тл = 1 В · с · м −2; 1 нТл = 10 −5 Гаусс) вблизи магнитного экватора до точки c. 60 000 нТл на магнитных полюсах. Магнитные поля земной силы обычно измеряются калиброванным трехосевым феррозондовым магнитометром.Теоретически магнитное наклонение и магнитная напряженность могут быть полезны для определения своего местоположения, но на большинстве частей Земли магнитное наклонение и магнитная сила изменяются преимущественно с севера на юг, но не сильно с востока на запад; поэтому кажется, что по информации о геомагнитном поле легче определить широту, чем долготу (Mouritsen, 2013). Магнитный Северный полюс в настоящее время расположен на севере Канады, а Магнитный Южный полюс в настоящее время расположен к югу от Австралии. Следовательно, географический и магнитный полюса не совпадают (см. Рисунок 8.1). Отклонение между географическим и магнитным севером называется «магнитным склонением». Магнитное склонение — это угол между магнитным севером (т. Е. Направлением, в котором указывает северный конец стрелки компаса) и географическим севером. Склонение положительное, когда магнитный север находится к востоку от географического севера, и отрицательное, когда магнитный север находится к западу от географического севера. Склонение в основном невелико, но вблизи магнитных полюсов склонение может стать серьезной проблемой для навигации птиц с использованием магнитного компаса, если они не найдут способ его компенсировать.С другой стороны, магнитное склонение теоретически могло бы быть полезным параметром для определения, например, положения Восток-Запад, если бы оно было объединено с другими подсказками карты (Mouritsen, 2013). Направление магнитного поля вокруг провода можно определить по «правилу правой руки»: если вы обхватите провод правой рукой так, чтобы большой палец указывал в направлении тока, то магнитное поле вокруг провода бежит в том направлении, в котором указывают ваши пальцы. Магнитное поле уменьшается с увеличением расстояния по мере удаления от провода.Если вы создаете катушку из проволоки, то создаваемое магнитное поле внутри катушки будет намного сильнее, чем снаружи катушки, потому что многие параллельные линии магнитного поля, созданные разными частями проволоки, совпадают и, таким образом, складываются в центре катушки. катушка. По этой причине конструкции катушек обычно используются для создания и изменения магнитных полей (Mouritsen, 2013). Типичными конструкциями катушек, которые используются для создания магнитных полей земной силы для научных экспериментов, являются так называемые «катушки Гельмгольца» — пара параллельных катушек, расположенных на расстоянии одного радиуса друг от друга (Kirschvink, 1991).В паре катушек Гельмгольца магнитное поле очень однородно в центральном пространстве c. 60% радиуса витков (Киршвинк, 1991). Магнитное поле, создаваемое в центре пары катушек Гельмгольца, равно B = (0,9 * 10-6 Тл м / A * n * I) / R, где T — единица Тесла, n — количество витков в каждой катушке. , I — ток, протекающий через катушки, измеренный в амперах (A), а R — радиус катушек, измеренный в метрах (м) (Kirschvink, 1991). Одна пара катушек Гельмгольца может изменять магнитное поле только вдоль одной оси.Для создания любого желаемого трехмерного магнитного поля в идеале необходимы три пары катушек Гельмгольца, ориентированные перпендикулярно друг другу. Если к существующему полю (например, Земли) добавить искусственно созданное поле, то результирующее поле вычисляется простым векторным сложением двух полей (см. Рис. 8.2; Киршвинк, 1991). Следовательно, также можно использовать одну пару катушек Гельмгольца для создания любого трехмерного магнитного поля, но в этом случае эта пара катушек должна быть очень точно ориентирована в трехмерном пространстве (см. Рисунок 8.2; Моуритсен, 2013). Хотя расположение Гельмгольца легко вычислить и построить, центральное однородное пространство можно увеличить до c. 110% радиуса катушек за счет использования более сложных конструкций катушек, таких как система катушек Мерритта-4 (Kirschvink, 1991; Zapka et al., 2009, рисунок 20.2 в Mouritsen, 2013). Чтобы контролировать артефакты, можно — независимо от выбранной конструкции катушки — ожидать, что катушки будут иметь «двойную обертку» (Kirschvink, 1991; Kirschvink et al., 2010). Это означает, что во время создания катушек каждая катушка содержит два отдельных, но идентично обернутых провода, каждый с отдельными разъемами, так что можно пропускать ток через обе половины обмотки в одном и том же направлении (тогда магнитное поле в центре катушка изменится), или можно пропустить ток через одну половину катушек в одном направлении, но в противоположном направлении через вторую половину обмоток.В этом случае ток, протекающий через одну половину обмоток, создаст магнитное поле, которое точно нейтрализует магнитное поле, создаваемое другой половиной обмоток, и фоновое поле не изменится. При использовании катушек с двойной оберткой через катушки проходит точно такое же количество тока, независимо от того, является ли магнитный …

Контекст 3

… Хотя поведенческие реакции на геомагнитные сигналы относительно хорошо изучены, физиологические механизмы возможность птиц ощущать магнитное поле Земли только начинается, и понимание магнитных чувств животных, в том числе птиц, остается одной из наиболее значительных нерешенных проблем в биологии.Очень сложно почувствовать магнитные поля, столь же слабые, как у Земли, используя только биологически доступные материалы. Только два основных механизма считаются теоретически жизнеспособными у наземных животных: магниторецепция на основе минералов железа и магниторецепция на основе пар радикалов. На основании современных научных данных механизмы магниторецепции на основе железа и минералов и магниторецепции на основе пар радикалов, по-видимому, существуют у птиц, но они, по-видимому, используются для разных целей. Вероятные первичные сенсорные молекулы и несколько областей мозга, участвующих в обработке магнитной информации, были идентифицированы у птиц для каждого из этих двух типов магнитных чувств.Тем не менее, мы все еще далеки от понимания детальной функции любого из, по крайней мере, двух различных магнитных органов чувств, существующих у некоторых, если не у всех видов птиц, и в настоящее время не было идентифицировано первичной сенсорной структуры вне разумных сомнений в качестве источника. магниторецепции птиц. Это захватывающая, но сложная область, в которой, вероятно, будет сделано несколько крупных открытий в ближайшие 1-2 десятилетия. Движущиеся электрические заряды, такие как электроны, создают магнитные поля. В микроскопическом масштабе электронные (и ядерные) спины могут генерировать магнитные поля.В макроскопическом масштабе магнитное поле B, например, создается вокруг провода, когда через него проходит ток. Магнитное поле в заданном месте можно описать как трехмерный (3D) вектор, для которого сила, B, измеряется как плотность магнитного потока с использованием единицы «Тесла» (Тл), 1 Тл = 1 (В * с ) / м 2 = 1 (Н * с) / (Кл * м) = 10 000 Гаусс (В = Вольт, с = секунда, м = метр, Н = Ньютон, С = Кулон). Некоторые материалы, которые называются «ферромагнетиками», могут быть постоянно намагничены магнитным полем, и эта намагниченность сохраняется после того, как намагничивающее поле было снято.Магнетит (Fe 3 O 4), оксид железа, является хорошо известным примером ферромагнитного минерала (Mouritsen, 2013). Земля генерирует собственное магнитное поле (геомагнитное поле), которое в основном вызвано электрическими токами в жидком внешнем ядре Земли («эффект динамо»). Магнитное поле, измеренное на поверхности Земли, похоже на магнитное поле, которое можно было бы увидеть, если бы большой дипольный магнит был помещен в центр Земли (см. Рис. 8.1). Магнитное поле Земли в настоящее время имеет южный полюс магнитного поля, расположенный рядом с географическим Северным полюсом Земли (называемый в биологии «Магнитный Север» или «Магнитный Северный полюс»).На протяжении всей этой главы я буду следовать условным обозначениям, используемым в литературе по исследованию ориентации птиц, и использовать термин «Магнитный Север» или «Магнитный Северный полюс» для обозначения не физического магнитного Северного полюса, а магнитного полюса, расположенного ближе всего к географический Северный полюс. Точно так же северный полюс магнитного поля вблизи географического Южного полюса Земли будет называться «Магнитный Юг» или «Магнитный Южный полюс» (Mouritsen, 2013). Силовые линии магнитного поля покидают магнитный южный полюс и снова входят в магнитный северный полюс.Полярность силовых линий магнитного поля всегда указывает на Магнитный Север; следовательно, они могут обеспечить высоконадежный ориентир направления, который можно использовать в качестве основы для магнитного компаса в любой точке планеты Земля, кроме магнитных полюсов. На магнитных полюсах силовые линии указывают прямо в небо (на Южном Магнитном полюсе) или прямо на Землю (на Северном Магнитном полюсе). На магнитном экваторе силовые линии магнитного поля параллельны поверхности Земли. Угол между силовыми линиями магнитного поля и поверхностью Земли называется «магнитным наклоном».Таким образом, магнитное наклонение постепенно изменяется от -90 ° на Южном магнитном полюсе до 0 ° на магнитном экваторе до + 90 ° на Северном магнитном полюсе (см. Рисунок 8.1). Напряженность магнитного поля Земли колеблется от c. 30000 нТл (нано Тесла = 10 −9 Тл; 1 Тл = 1 В · с · м −2; 1 нТл = 10 −5 Гаусс) вблизи магнитного экватора до точки c. 60 000 нТл на магнитных полюсах. Магнитные поля земной силы обычно измеряются калиброванным трехосевым феррозондовым магнитометром. Теоретически магнитное наклонение и магнитная напряженность могут быть полезны для определения своего местоположения, но на большинстве частей Земли магнитное наклонение и магнитная сила изменяются преимущественно с севера на юг, но не сильно с востока на запад; поэтому кажется, что по информации о геомагнитном поле легче определить широту, чем долготу (Mouritsen, 2013).Магнитный Северный полюс в настоящее время расположен на севере Канады, а Магнитный Южный полюс в настоящее время расположен к югу от Австралии. Следовательно, географический и магнитный полюса не совпадают (см. Рисунок 8.1). Отклонение между географическим и магнитным севером называется «магнитным склонением». Магнитное склонение — это угол между магнитным севером (т. Е. Направлением, в котором указывает северный конец стрелки компаса) и географическим севером. Склонение положительное, когда магнитный север находится к востоку от географического севера, и отрицательное, когда магнитный север находится к западу от географического севера.Склонение в основном невелико, но вблизи магнитных полюсов склонение может стать серьезной проблемой для навигации птиц с использованием магнитного компаса, если они не найдут способ его компенсировать. С другой стороны, магнитное склонение теоретически могло бы быть полезным параметром для определения, например, положения Восток-Запад, если бы оно было объединено с другими подсказками карты (Mouritsen, 2013). Направление магнитного поля вокруг провода можно определить по «правилу правой руки»: если вы обхватите провод правой рукой так, чтобы большой палец указывал в направлении тока, то магнитное поле вокруг провода бежит в том направлении, в котором указывают ваши пальцы.Магнитное поле уменьшается с увеличением расстояния по мере удаления от провода. Если вы создаете катушку из проволоки, то создаваемое магнитное поле внутри катушки будет намного сильнее, чем снаружи катушки, потому что многие параллельные линии магнитного поля, созданные разными частями проволоки, совпадают и, таким образом, складываются в центре катушки. катушка. По этой причине конструкции катушек обычно используются для создания и изменения магнитных полей (Mouritsen, 2013). Типичными конструкциями катушек, которые используются для создания магнитных полей земной силы для научных экспериментов, являются так называемые «катушки Гельмгольца» — пара параллельных катушек, расположенных на расстоянии одного радиуса друг от друга (Kirschvink, 1991).В паре катушек Гельмгольца магнитное поле очень однородно в центральном пространстве c. 60% радиуса витков (Киршвинк, 1991). Магнитное поле, создаваемое в центре пары катушек Гельмгольца, равно B = (0,9 * 10-6 Тл м / A * n * I) / R, где T — единица Тесла, n — количество витков в каждой катушке. , I — ток, протекающий через катушки, измеренный в амперах (A), а R — радиус катушек, измеренный в метрах (м) (Kirschvink, 1991). Одна пара катушек Гельмгольца может изменять магнитное поле только вдоль одной оси.Для создания любого желаемого трехмерного магнитного поля в идеале необходимы три пары катушек Гельмгольца, ориентированные перпендикулярно друг другу. Если к существующему полю (например, Земли) добавить искусственно созданное поле, то результирующее поле вычисляется простым векторным сложением двух полей (см. Рис. 8.2; Киршвинк, 1991). Следовательно, также можно использовать одну пару катушек Гельмгольца для создания любого трехмерного магнитного поля, но в этом случае эта пара катушек должна быть очень точно ориентирована в трехмерном пространстве (см. Рисунок 8.2; Моуритсен, 2013). Хотя расположение Гельмгольца легко вычислить и построить, центральное однородное пространство можно увеличить до c. 110% радиуса катушек за счет использования более сложных конструкций катушек, таких как система катушек Мерритта-4 (Kirschvink, 1991; Zapka et al., 2009, рисунок 20.2 в Mouritsen, 2013). Чтобы контролировать артефакты, можно — независимо от выбранной конструкции катушки — ожидать, что катушки будут иметь «двойную обертку» (Kirschvink, 1991; Kirschvink et al., 2010). Это означает, что во время создания катушек каждая катушка содержит два отдельных, но идентично обернутых провода, каждый с отдельными разъемами, так что можно пропускать ток через обе половины обмотки в одном и том же направлении (тогда магнитное поле в центре катушка изменится), или можно пропустить ток через одну половину катушек в одном направлении, но в противоположном направлении через вторую половину обмоток.В этом случае ток, протекающий через одну половину обмоток, создаст магнитное поле, которое точно нейтрализует магнитное поле, создаваемое другой половиной обмоток, и фоновое поле не изменится. При использовании катушек с двойной оберткой через катушки проходит точно такое же количество тока, независимо от того, изменяется магнитное поле или нет. Катушки с двойной оберткой также позволяют проводить по-настоящему двойные слепые эксперименты (Киршвинк, 1991; Запка и др.