Магнитное поле Земли

Магнитное поле Земли

Межпланетное магнитное поле

Если бы межпланетное пространство было вакуумом, то единственными

магнитными полями в нем могли быть лишь поля Солнца и планет, а также поле

галактического происхождения, которое простирается вдоль спиральных ветвей

нашей Галактики. При этом поля Солнца и планет в межпланетном пространстве

были бы крайне слабы.

На самом деле межпланетное пространство не является вакуумом, а

заполнено ионизованным газом, испускаемым Солнцем (солнечным ветром[1]).

Концентрация этого газа 1-10 см-3, типичные величины скоростей между 300 и

800 км/с, температура близка к 105 К (напомним, что температура короны

2(106 К).

Поскольку газ солнечного ветра почти полностью ионизованный, то его

электропроводность очень велика (102 Мо/см). Проводники с высокой

проводимостью имеют особенность сопротивляться изменению магнитного поля.

Другими словами, проникновение магнитного поля в такой проводник

невозможно.

Движущийся солнечный ветер будет уносить солнечное магнитное поле в

межпланетное пространство. Так как поток плазмы начинается в короне Солнца

(или ниже нее), то в солнечном ветре имеются магнитные поля. Величина

магнитных полей на Солнце составляет от 1 до 1000 Гс.

Поток солнечной плазмы «выметает» из внутренней части солнечной

системы планетные и галактические магнитные поля. Солнечный ветер будет

«гнать» галактическое поле перед собой до тех пор, пока не будет достигнуто

динамическое равновесие между давлением солнечного ветра и давлением

галактической среды. Это происходит на расстоянии от 10 до 100

астрономических единиц[2] (а. е.). Следовательно, межпланетное пространство

ограничено полостью в галактической среде, размеры которой дают верхнюю

границу величины солнечно-межпланетного магнитного поля. Силовые линии

магнитного поля солнечного ветра простираются в межпланетное пространство

за орбиту Земли, при этом один их конец находится на Солнце. Характеристики

солнечного ветра и межпланетных магнитных полей нерегулярны и асимметричны

из-за волокнистой структуры короны, нерегулярностей магнитных полей в

фотосфере и т. д.

Радиальная компонента межпланетного магнитного поля Вr должна

уменьшаться обратно пропорционально квадрату расстояния от Солнца (т. е.

как r-2). Она может быть выражена через величину радиальной компоненты поля

на поверхности Солнца. Если на Солнце магнитное поле равно Br0= 0,5 Гс, то

на расстоянии 1 а.е. поле .Br(1(.

Истечение плазмы из Солнца происходит таким образом, что плазма

просто отталкивает силовые линии поля и покидает Солнце в радиальном

направлении. Если бы Солнце не вращалось, то такое радиальное истечение

плазмы привело бы к тому, что силовые линии магнитного поля были бы также

радиальны и параллельны движению частиц. Поскольку Солнце вращается, то

магнитное поле приобретает поперечную компоненту (в плоскостях,

перпендикулярных оси вращения) и силовые линии магнитного поля становятся

спиральными.

Направление спирального поля можно оценить, если предположить, что

один конец силовой линии закреплен на Солнце и вращается вместе с ним.

Тогда частицы, которые непрерывно испускаются данной областью вращающейся

короны, будут двигаться в экваториальной плоскости по спиралям Архимеда.

(Это напоминает работу вращающегося поливального устройства). Таким

образом, межпланетное магнитное поле приобретает и поперечную компоненту

B(. Можно оценить, что вблизи орбиты Земли угол спирали с радиусом

составляет около 45° и радиальная и поперечная компоненты B(=Br=1(.

Первые измерения магнитных полей за пределами магнитосферы Земли были

проведены на спутнике «Пионер-1» в октябре 1958 г. Они позволили установить

существование и положение области перехода от внешней части геомагнитного

поля к межпланетному пространству. Эти результаты были подтверждены

измерениями на других ИСЗ. Экспериментально было установлено, что имеются

значительные нерегулярности, наложенные на спиральное межпланетное поле.

Спутниковые измерения межпланетного магнитного поля выявили тесную

связь между величиной магнитного поля, перпендикулярного оси вращения

аппарата (поперечной составляющей В(), и значением магнитного индекса К или

А.

Перед началом и в период геомагнитных бурь величина В( увеличивается

на порядок и приобретает более нерегулярный характер, чем в спокойные

периоды.

Это объясняется тем, что плазма из возмущенных областей на Солнце

может уносить в межпланетное пространство более интенсивные и более

нерегулярные поля. А это приводит к появлению нерегулярностей в спокойном

межпланетном поле, что подтверждают измерения на спутниках.

Обнаружена также прямая корреляция между изменениями межпланетного

поля по данным спутников и солнечной активностью. По этим данным была

оценена средняя скорость распространения возмущения, равная (1000км/с.

Вектор межпланетного магнитного поля имеет радиальную составляющую Вr,

направленную или от Солнца (знак +), или к Солнцу (знак –). Межпланетное

пространство разделено на чередующиеся спиральные секторы, в каждом из

которых радиальная компонента направлена либо наружу, либо вовнутрь.

В пределах каждого сектора скорость солнечного ветра и плотность

частиц систематически изменяются. Наблюдения с помощью ракет показывают,

что оба параметра резко увеличиваются на границе сектора. В конце второго

дня после прохождения границы сектора плотность очень быстро, а затем,

через два или три дня, медленно начинает расти. Скорость солнечного ветра

уменьшается медленно на второй или третий день после достижения пика.

Секторная структура и отмеченные вариации скорости и плотности тесно

связаны с магнитосферными возмущениями. Секторная структура довольно

устойчива, поэтому вся структура потока вращается с Солнцем по крайней мере

в течение нескольких солнечных оборотов, проходя над Землей приблизительно

через каждые 27 дней.

Магнитное поле земли

Английский ученый Уильям Гильберт, придворный врач королевы Елизаветы,

в 1600 г. впервые показал, что Земля является магнитом, ось которого не

совпадает с осью вращения Земли. Следовательно, вокруг Земли, как и около

любого магнита, существует магнитное поле. В 1635 г. Геллибранд обнаружил,

что поле земного магнита медленно меняется, а Эдмунд Галлей провел первую в

мире магнитную съемку океанов и создал первые мировые магнитные карты (1702

г.). В 1835 г. Гаусс провел сферический гармонический анализ магнитного

поля Земли. Он создал первую в мире магнитную обсерваторию в Гёттингене.

О распределении силовых линий магнитного дипольного поля и о магнитных

полюсах наклонения Пс, Пю можно судить по рисунку.

Составляющие геомагнитного поля определены следующим образом. В любой

точке О вектор напряженности магнитного поля В может быть разложен на

составляющие, как это показано на рисунке. Можно выбрать в качестве

составляющих абсолютную величину полного вектора В (модуль) и два угла: D и

I. Угол D образован направлением на север и горизонтальной составляющей

вектора В, т. е. Н; I – это угол между В и Н, Угол D считается

положительным, если Н отклоняется к востоку, а I положительно при

отклонении В вниз от горизонтальной плоскости. Величина D называется

магнитным склонением, а I – наклонением. Вертикальная плоскость, которая

проходит через Н, именуется местной магнитной меридиональной плоскостью.

Используется также разложение В на северную (X) и восточную (Y)

составляющие вектора Н. Третьей служит вертикальная составляющая Z, которая

считается положительной, если В направлено вниз. Напряженности B, H, Z, X,

Y измеряются в гауссах (Гс) или гаммах ((). 1(=10-5Гс. Углы D и I

измеряются в дуговых градусах и минутах. Все приведенные семь величин В, Н,

D, I, X, У, Z называются магнитными элементами. Соотношения между ними ясны

из рисунка.

H=B cos I, Z=B sin I=H tg I,

X=H cos D, Y=H sin D,

X2+Y2=H2 X2+Y2+Z2=H2+Z2=B2

Ясно, что для полного описания вектора В достаточно иметь три

независимых элемента. По ним могут быть рассчитаны все остальные.

Обычная стрелка магнитного компаса уравновешивается, вращаясь

горизонтально на вертикальной оси. В северной полусфере Земли почти везде

северный полюс магнитной стрелки направлен вниз (т. е. I положительно), а в

южном полушарии I отрицательно, поскольку вниз направлен южный полюс

стрелки. Линия, которая разделяет области положительного и отрицательного

I, называется магнитным экватором или экватором наклонения. Естественно,

что на ней I=0, т. е. магнитная стрелка в любой точке на этой кривой

располагается горизонтально.

На полюсах магнитного наклонения горизонтальная компонента полного

вектора В исчезает и магнитная стрелка устанавливается вертикально. Эти

точки еще называют полюсами наклонения. Таких точек в принципе может быть

несколько. Две основные из них обычно называются магнитными полюсами Земли.

Они расположены в Арктике и в Антарктиде. Координаты их 75°,6 с. ш., 101°

з. д. и 66°,3 ю.ш., 141° в. д. Местоположение магнитных полюсов не является

постоянным. Приведенные выше координаты относятся к эпохе 1965 г.

Чтобы определить азимут[3] вектора Н, нужно выбрать некоторое нулевое

направление, от которого можно отсчитывать магнитное склонение D. За такое

направление принято направление на северный географический полюс. Таким

образом, D определяется относительно условного направления, поскольку ось

вращения Земли не связана непосредственно с конфигурацией геомагнитного

поля. То же относится и к элементам Х и Y. Поэтому D, X, Y называют

относительными магнитными элементами, тогда как H, Z и I именуются

собственными магнитными элементами.

Несколько слов о магнитных картах. Обычно через каждые 5 лет

распределение магнитного поля на поверхности Земли представляется

магнитными картами трех или более магнитных элементов. На каждой из таких

карт проводятся изолинии, вдоль которых данный элемент имеет постоянную

величину. Линии равного склонения D называются изогонами, наклонения I –

изоклинами, величины полной силы В – изодинамическими линиями или

изодинами. Изомагнитные линии элементов H, Z, Х и Y называются

соответственно изолиниями горизонтальной, вертикальной, северной или

восточной компонент.

Направление оси магнитного диполя практически не меняется с 1829 г.

При этом магнитный момент диполя систематически уменьшался. Его уменьшение

может быть аппроксимировано выражением

(=(15,77-0,003951t)(1025 Гс(см3,

где t — время в годах, отсчитываемое вперед пли назад от 1900 г. н. э. По

этой формуле можно рассчитать, что если уменьшение магнитного момента будет

продолжаться с такой же скоростью, то к 3991 г. магнитный момент станет

равным нулю.

Мы будем постоянно иметь дело с геомагнитными силовыми линиями, а

также различного рода координатами.

Геомагнитные дипольные координаты — это дополнение к широте (’ и

восточной долготе ('. Они определяются относительно полярной оси и нулевого

меридиана. Если точка Р имеет географические координаты ( и (, то

геомагнитные координаты могут быть вычислены по следующим формулам:

cos(’=-cos( cos(0 - sin( sin(0 cos((-(0),

sin(’=sin( ( sin((-(0) cosec(’.

Магнитное склонение дипольного поля Y – это угол, образованный

магнитным и географическим меридианами в точке Р. Он определяется из

выражения

sin(–()= sin(0(sin((-(0)/sin(’)

Существуют таблицы, которые содержат геомагнитные координаты сетки

точек, расположенных через ровные угловые интервалы в географических

координатах ( и (. Имеются также сетки географических и геомагнитных

координат. По этим сеткам можно легко найти геомагнитные координаты любой

точки с известными географическими координатами, и наоборот.

Обратный переход от геомагнитных координат к географическим можно

произвести по формулам

cos(=cos(’ ( cos(0 – sin(’ ( sin(0 cos(’

Если рассматривать только дипольную часть геомагнитного поля в любой

точке Р с геомагнитными координатами (’ и (', то потенциал V1, описываемый

членами первого порядка, равен V1= –((cos(/r2) Tак как V1 не зависит от

долготы, то восточная компонента дипольного поля В равна нулю. Северная Я и

вертикальная Z составляющие поля получаются равными

H=((sin(’/r3)=H0(a/r)3sin(’,

Z=2((cos(’/r3)=Z0(a/r)3cos(’; Z0=2H0

где Z0 и Н0 – максимальные значения Z и H на геоцентрической сфере радиуса

а, содержащей точку Р. H0 соответствует полю на геомагнитном экваторе, а Z0

– на северном полюсе. На южном полюсе Z= –Z0.

Наклонение I и магнитную широту (' можно определить из следующих

уравнений:

tgI=(Z/H)2ctg(’, tg('=1/2tgI.

Каждая силовая линия дипольного поля лежит в плоскости геомагнитного

меридиана. Ее уравнение

r=re (sin2(’

где re – радиальное расстояние, на котором данная силовая линия пересекает

плоскость геомагнитного экватора, с величиной поля равной (/re3 Величину

re, можно принять за параметр, определяющий силовую линию.

Напряженность поля в точке Р можно определить через параметр силовой

линии

B=(H2+Z2=(c/r3=(/re3 ( c/sin6(’=Bec/sin6(’,

Bc=(/re3

Представление геомагнитного поля центральным диполем только лишь

первое весьма грубое приближение. Используя более высокие члены разложения

по сферическим гармоникам, можно построить геомагнитную систему координат,

лучшую, чем дипольная. Так, если использовать наряду с дипольными еще пять

старших сферических гармонических членов и рассчитать геометрическое место

точек пересечения земной поверхности садовыми линиями, которые

располагаются в экваториальной плоскости на расстоянии пяти-шести радиусов

Земли, то полученная таким образом линия хорошо совпадает с зоной полярных

сияний.

Было также показано, что если проектировать по силовым линиям на

поверхность Земли лежащие в плоскости экватора геоцентрические окружности с

радиусами Lc=a cosec2(c , то полученные таким путем широты (c упорядочивают

явления в полярной шапке лучше, чем дипольные геомагнитные широты.

Часто используют «исправленные» геомагнитные координаты при описании

различных авроральных явлений и поглощения космического радиоизлучения в

полярной шапке. Они были рассчитаны Хакурой на основе исследований

Халтквиста. Дальнейшее усовершенствование этих «исправленных» геомагнитных

координат выполнил Густавсон, использовав коэффициенты разложения поля на

эпоху 1965 г.

При объяснении некоторых явлений, которые связаны с суточными

вариациями полярных сияний, было введено понятие геомагнитных полуночи и

полудня. Затем появилось и более общее понятие геомагнитного времени.

Если данная точка определена географическими координатами ( и ( и

геомагнитными координатами (' и (', то геомагнитное время может быть

выражено соотношением 15(t’=(’H – (’. Здесь (’H – геомагнитная долгота

полудня в данный момент времени. Геомагнитное время t' отсчитывается от

геомагнитного полудня и относительно истинного положения Солнца Н.