Магнитное поле Земли. Радиационные пояса Земли

Магнитное поле Земли. Радиационные пояса Земли

Известно, что магнитная стрелка, подвешенная на нити (или укрепленная на острие), устанавливается в каждой точке вблизи земной поверхности определенным образом. Этот факт свидетельствует о том, что вокруг Земли существует магнитное поле. О его существовании люди знали давно, они с давних времен использовали для ориентации компасы, стрелка которых одним концом показывает на север, другим — на юг. Магнитная стрелка устанавливается вдоль линий магнитной индукции поля Земли, которое называют геомагнитным. Наш земной шар — это очень большой магнит. Исследования показали, что магнитное поле Земли напоминает магнитное поле громадного стержневого магнита (рис. 1, а). Схематически это поле изображено на рис. 1, б. Как видно (это впервые установил У. Гильберт в 1600 г.), магнитные полюсы (S и Ν) не только не совпадают с соответствующими географическими полюсами (Ю и С), но расположены в разных полушариях: южный магнитный полюс расположен на 75-м градусе северной широты и на 99-м градусе западной долготы, а северный магнитный полюс — на бб-м градусе южной широты и 141-м градусе восточной долготы. Магнитные полюсы, кроме того, находятся не на самой поверхности Земли, а под ней.

 

 

 

 

 

 

 

                                                                          Рис. 1

Вертикальная плоскость, в которой располагается ось магнитной стрелки, называется плоскостью магнитного меридиана данной точки земной поверхности. Угол φ (рис. 2) между географическим и магнитным меридианами данной местности называют магнитным склонением. Магнитное склонение называют западным или восточным в зависимости от того, к западу или востоку от плоскости географического меридиана отклоняется северный полюс магнитной стрелки.

 

 

 

 

 

 

                                                                             Рис. 2

Угол i, который магнитная стрелка образует с горизонтом, называется магнитным наклонением. Склонение, наклонение и численное значение горизонтальной составляющей магнитной индукции (элементы земного магнитного поля) полностью характеризуют по величине и направлению магнитное поле Земли в данном месте. Составляются специальные магнитные карты, на которых нанесены изогоны (линии одинакового склонения) и изоклины (линии одинакового наклонения), позволяющие штурманам корабля или самолета ориентироваться с помощью компаса. На земном шаре встречаются области, в которых характеристики земного магнитного поля сильно отличаются от их значений в соседних местностях. Такие области называют магнитными аномалиями. Причиной магнитной аномалии является наличие под поверхностью земли больших залежей магнитной железной руды. Новейшие исследования геомагнитного поля показали, что оно имеет более сложную структуру, чем та, которая изображена на рис. 1. Оказалось, что на геомагнитное поле существенно влияет так называемый солнечный ветер, который представляет собой поток быстрых заряженных частиц (электронов и протонов), которые являются результатом процессов, происходящих на Солнце. Благодаря этому влиянию магнитное поле на дневной стороне земного шара сильно отличается от магнитного поля на ночной стороне. Действительная картина линий магнитной индукции геомагнитного поля показана на рисунке 3.

                                                                      Рис. 3

 

 

 

 

 

Солнечный ветер как бы сжимает поле с дневной стороны до 8 ÷ 14R (R — радиус Земли), при этом на ночной стороне линии поля оказываются отброшенными далеко от Земли, образуя длинный "хвост" (диаметром ~40R и длиной более 900R). Начиная с расстояния ~8R этот хвост разделен на части плоским нейтральным слоем, в котором магнитная индукция поля близка к нулю. Геомагнитное поле образует магнитосферу — "броневой пояс", окружающий Землю наряду с атмосферой и ионосферой, где индукция геомагнитного поля существенно превышает индукцию межпланетного поля. Магнитосфера не подпускает к земле потоки космических частиц. Чтобы понять это, вспомним, что заряженные частицы в однородном магнитном поле движутся по винтовой линии (см. Действие магнитного поля на движущийся заряд), радиус и шаг которой зависят от значения магнитной индукции В и которая как бы намотана на линию магнитной индукции:

R=mvsinα/qB; h=2πmvcosα/qB.

Если же заряженная частица движется в неоднородном магнитном поле, то она тоже будет описывать винтовую линию вокруг линий индукции. Однако по мере перемещения частицы вдоль винтовой линии радиус и шаг ее не остаются неизменными. Если частица, перемещаясь, попадает в область более сильного поля, то ее радиус и шаг винтовой линии уменьшаются (рис. 4, а); при перемещении же частицы в направлении, в котором поле ослабевает, ее радиус и шаг винтовой линии возрастают (рис. 4, б). Предположим, что начальная скорость частицы направлена таким образом, что частица, описывая винтовую линию, перемещается в область более сильного поля. В этом случае она будет встречать противодействие со стороны поля: на частицу будет действовать сила, стремящаяся вернуть ее назад. В результате шаг винтовой линии будет уменьшаться до нуля, после чего частица, продолжая движение по винтовой линии, начнет перемещаться обратно — в область более слабого поля. Теперь указанная сила начнет подгонять частицу, вследствие чего шаг винтовой линии будет возрастать.

 

 

 

 

 

                                                                           Рис. 4

Следовательно, поток электронов и протонов, приносимый солнечным ветром, достигая Земли, захватывается геомагнитным полем, и частицы далее движутся по винтовым линиям вокруг линий магнитной индукции (рис. 5), совершая колебания от одного полюса к другому за 0,1-1 с. Эта область называется радиационным поясом Земли — область, состоящая из захваченных частиц солнечного ветра. Пояс охватывает Землю со всех сторон, кроме приполярных областей. Его условно разделяют на два: внутренний и внешний. Внутренний пояс находится на высоте 500-1000 км, внешний — на высоте 10000-15000 км.

 

 

 

 

 

 

                                                                             Рис. 5

Благодаря геомагнитному полю частицы, приносимые "солнечным ветром", огибают Землю, и лишь в полярных областях небольшая их часть вторгается в верхние слои атмосферы из радиационного пояса Земли и, сталкиваясь с молекулами кислорода и азота, возбуждает их или ионизирует. При обратном переходе в невозбужденное состояние атомы кислорода излучают фотоны с λ = 0,56 мкм и λ = 0,63 мкм, а ионизированные молекулы азота при рекомбинации высвечивают синие и фиолетовые полосы спектра. При этом возникает необычайно величественное зрелище — полярное сияние. Особенно динамично и ярко северное сияние во время магнитных бурь. Известно, что на Солнце происходят все время быстро протекающие процессы: происходят вспышки, появляются, перемещаются и исчезают пятна. В этом проявляется солнечная активность. Временами солнечная активность резко усиливается. Это приводит к резкому увеличению плотности и скорости "солнечного ветра", воздействующего на магнитосферу Земли. В результате магнитосфера претерпевает существенные возмущения, начинается период сильных магнитных бурь на Земле.