Геомагнитное поле и его основные свойства | Статья в журнале «Молодой ученый»

Авторы: ,

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №25 (211) июнь 2018 г.

Дата публикации: 25.06.2018

Статья просмотрена: 3 раза

Библиографическое описание:

Натрадзе А. Т., Ярошенко А. А. Геомагнитное поле и его основные свойства // Молодой ученый. — 2018. — №25. — С. 132-134. — URL https://moluch.ru/archive/211/51687/ (дата обращения: 22.10.2018).



Магнитное поле Земли или геомагнитное поле — магнитное поле, генерируемое внутри земными источниками. Геомагнитное поле оказывает довольно глубокое воздействие на геофизические, биофизические и экологические процессы на Земле. Оно сыграло выдающуюся роль в эволюции Земли, в происхождении и защите жизни на Земле.

Геомагнитное поле пронизывает все три оболочки Земли: литосферу, гидросферу и атмосферу, воздействует на живую и неживую природу, на все четыре царства природы: растительное, животное, минеральное и, конечно, человеческое. Магнитное поле Земли также оказывает существенное влияние на климат и погоду. Изменения его интенсивности могут привести к значительным колебаниям в температуре, в атмосферном давлении и в частоте выпадения осадков, а также к бурям, ураганам и другим стихийным бедствиям.

Геомагнитное поле намагничивает все минералы и горные породы. Магнитную память о древнем геомагнитном поле сохраняют входящие в состав всех горных пород ферримагнитные минералы. Их естественная остаточная намагниченность появляется во время их образования и сохраняется полностью или частично до нашего времени [1–2].

Геомагнитное поле состоит из главного геомагнитного поля, источники которого находятся во внешнем электропроводящем ядре Земли, аномального, создаваемого намагниченными горными породами, и внешнего геомагнитных полей. В соответствии с общей теорией геомагнетизма Гаусса главное геомагнитное поле состоит из дипольной и недипольной частей. В первом приближении теории геомагнитное поле является полем диполя, наклоненного к оси вращения Земли на угол 10–12 градусов. Аномальное поле составляет около 3 % геомагнитного поля, а внешнее, связанное с солнечно-земными взаимодействиями, — менее 1 %. Измерения магнитного поля Земли выполняются на магнитных обсерваториях, магнитные съемки бывают сухопутными, водными, воздушными и спутниковыми [2].

Силовые линии и напряжённость геомагнитного поля находятся в непрерывном изменении. Изменения (вариации) геомагнитного поля имеют периоды как в сотни и тысячи лет, так и от нескольких месяцев, до долей секунд. Кроме того, имеется тенденция смещения силовых линий геомагнитного поля на запад со скоростью 0.2 градуса в год (так называемый западный дрейф). Длиннопериодные вариации с периодом от 60 до 1800 и более лет называются «вековыми», короткопериодные (с периодом меньше одного года) очень различны как по своим периодам, так и по своей природе. Источники вековых вариаций, по современным представлениям, находятся в ядре Земли, источники короткопериодных — в верхних слоях атмосферы, в ионосфере и магнитосфере. Интенсивность короткопериодных вариаций зависит от активности солнечно-земных взаимодействий.

На Земной поверхности существуют так называемые магнитные аномалии, напряженность которых существенно превышает среднее аномальное геомагнитное поле. Магнитные аномалии во многих случаях связаны с залежами полезных ископаемых. Таким образом, непосредственные измерения геомагнитного поля прямо связаны с поиском полезных ископаемых (включая алмазы) как на суше, так и на дне мирового океана.

Геомагнитное поле, в первом приближении, можно рассматривать как магнитное поле однородно намагниченного шара — планеты Земля. Такое представление утвердилось в науке с 1600 г. — со времени выхода в свет книги В. Гильберта «О магнитах, магнитных телах и большом магните Земля, новая физиология, доказываемая множеством опытов и рассуждений» и удовлетворительно отражает характер изменения магнитного поля Земли на акватории Мирового океана [3].

Для описания глобальных явлений вблизи земной поверхности и геомагнитного поля, в частности, обычно используется система ортогональных сферических географических координат, несколько отличная от сферической системы координат. В этой системе координат r — расстояние до центра Земли (на земной поверхности r  R0 — радиус Земли), - географическая широта и — географическая долгота, при этом = 0 на экваторе,  на северном полюсе, =-/2 на южном;  на Гринвичском меридиане и   на тихоокеанском меридиане, лежащим в одной плоскости с Гринвичским. Декартова система координат Земли 123, с центром в центре Земли, ось 1 которой направлена вдоль оси вращения Земли к северному полюсу, а ось 2 в точку пересечения Гринвичского меридиана и экватора, связана с системой сферических географических координат следующими соотношениями:

.

В декартовой системе координат Земли скалярный потенциал () магнитного поля Земли, рассматриваемой как равномерно намагниченный шар, при , представляет собой потенциал точечного магнитного диполя с магнитным моментом , расположенного в начале координат:

, (1)

где i — направляющие косинусы вектора магнитного момента ;

— его компоненты; .

По современным данным магнитный момент Земли равен M0 = 8.25 1022Ам2. Направляющие косинусы определяют декартовы координаты Северного магнитного полюса Земли:

который находится в Антарктиде и определяется условием ортогональности направления геомагнитного поля поверхности Земли, при этом:

,

где — географические координаты Северного магнитного полюса.

В сферической географической системе координат скалярный потенциал будет иметь вид:

(2)

где cos = sin0 sin + cos0 coscos ( — 0),

Орты сферической системы координат в каждой точке пространства образуют ортогональную систему и направлены. В этих ортах напряженность геомагнитного поля, определяемого скалярным потенциалом (2) будет равна:

,

где — элементы длины вдоль направлений , соответственно. Компоненты напряженности:

определяются выражениями:

(3)

Величина радиуса Земли R0 несоизмеримо велика по сравнению с размерами зданий, кораблей и других сооружений и объектов, создаваемых человеком, поэтому для описания координат точек этих объектов обычно пользуются локальной географической системой декартовых координат, начало которой обычно помещают в центр тяжести объекта, ось х направляется на географический север по касательной к меридиану, проходящему через данную точку, ось у — на восток по касательной к широтной линии, ось z — вертикально вниз по направлению к центру Земли. Эта локальная географическая система координат является правой, и ее орты связаны с ортами глобальной сферической системы в точке расположения ее центра следующим образом:

следовательно, в локальной географической системе координат:

Формулы (3) при в локальной географической системе координат удобно представить в виде:

(4)

где коэффициенты определяются следующими выражениями:

(5)

В ряде случаев удобно пользоваться локальной геомагнитной декартовой системой координат, которая получается из локальной географической поворотом на угол D вокруг оси Z, так, что ось Х геомагнитной системы совпадает с направлением горизонтальной проекции вектора , или, как иногда говорят, с направлением магнитного меридиана.

Несмотря на простейшие предположения о геомагнитном поле как о поле равномерно намагниченного шара, на основании которых были написаны формулы (1) — (4), эти формулы позволяют описывать геомагнитное поле на акватории океана и на тех участках суши, на которых нет выходов магнитных руд, с погрешностью порядка 25 %, т. е. вполне удовлетворительно передают характер глобального изменения компонент геомагнитного поля как функции и . Например, согласно (4), на магнитных полюсах получаем = 49.70 А/м в то время как среднее значение на полюсах составляет 50.9 А/м; на магнитном экваторе , в то время как максимальное значение на магнитном экваторе составляет 32.6 А/м (погрешность 23 %).

Следует отметить, что согласно (4) изменение при перемещении точки на 1 км составляет величину порядка 8·10–3 А/м, таким образом, в пределах рукотворных объектов геомагнитное поле можно считать практически однородным [2–3].

Как уже отмечалось ранее, фундаментальный вклад в описание геомагнитного поля был сделан великим немецким математиком К. Ф. Гауссом, в 1839г. построившим аналитическую модель геомагнитного поля, существенно уточнившую простейшую модель, основанную на представлении магнитного потенциала Земли в виде (4).

Таким образом, Геомагнитное поле является одним из обязательных условий существования и развития жизни на Земле, потому что, как уже было сказано выше, оно, наравне с атмосферой, защищает Землю от пагубного разрушительного воздействия солнечного ветра и космических лучей. Более того, жизнь на Земле могла возникнуть только после дифференциации вещества Земли, возникновения ядра и, соответственно, геомагнитного поля.

Литература:

  1. Дема Р. Р., Молочкова О. С., Нефедьев С. П. «Материаловедение», 2014.
  2. Краснов И. П. «Основы классической теории намагничения тел» намагничения тел» Центральный НИИ им. академика А. Н. Крылова. — СПб., 2008.
  3. Сандомирский С. Г. «Магнитный контроль структуры стальных и чугунных изделий. Современное состояние». Литье и металлургия, 2008.
Основные термины (генерируются автоматически): геомагнитное поле, магнитное поле Земли, локальная географическая система, координата, Земля, намагниченный шар, центр Земли, скалярный потенциал, земная поверхность, Гринвичский меридиан.


Похожие статьи

Использование магнитного поля Земли в решении проблем...

Однако конфигурация магнитного поля Земли такова, что часть этих частиц проникает внутрь магнитосферы, а из нее в верхнюю атмосферу.

Началась крупнейшая за всю историю регистрации геомагнитная буря, вызвавшая отказ телеграфных систем по всей Европе и...

Исследование возможности использования вариаций магнитного...

Однако конфигурация магнитного поля Земли такова, что часть этих частиц проникает внутрь магнитосферы, а из нее в верхнюю атмосферу.

Н-компонента, направленная вдоль магнитного меридиана, Е-компонента направлена на географический восток.

Управление движением автономного мобильного робота...

В данной работе представлен способ управления движением автономного мобильного робота в относительной системе координат гравитационного и магнитного поля Земли. В процессе разработки были получены: общая структурная и функциональная схема мобильного робота...

Энергетическая установка на постоянных магнитах

Использование магнитного поля Земли в решении проблем...

Магнитное поле – управляемо. Система контролирует положение ротора и регулирует его подвеску.

Устранение влияния атмосферной рефракции на примере...

Параллактический треугольник связывает между собой горизонтные и экваториальные координаты светила с географическими

...участков земной поверхности, наблюдения за ледниками, уровнем моря, гравитационным и магнитным полем Земли применяются РЛС.

Модель гравитационного поля планеты в системе гравитирующих...

Простейшую модель центрального поля шара построил Ньютон. Учет несферичности Земли привел к использованию разложения

Введем новую характеристику гравитационного поля системы — квазикруговую скорость (ККС) с помощью скалярного произведения

Музыка космоса. Принципы преобразования электромагнитной...

Для начала давайте разберемся, что такое магнитное поле земли.

При изменении магнитного поля возникает электрическое поле планеты. А взаимодействие и магнитного и электрического поля дает электромагнитное поле земли.

О генерации магнитных полей 2d конвективными течениями...

Отметим, что уравнения (11)-(12) содержат два типа нелинейности: векторная (скобки Пуассона) и скалярная.

, (7). . Система уравнений зависимости поля от значения напряженности на поверхности земли, согласно уравнению (3) будет иметь вид: , (8).

Волновое уравнение для электромагнитного поля в вакууме

Умножая скалярно уравнения (1.7) и (1.8) последовательно на , , , получаем, что каждая из компонент полей или удовлетворяет скалярному уравнении.

А взаимодействие и магнитного и электрического поля дает электромагнитное поле земли.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Использование магнитного поля Земли в решении проблем...

Однако конфигурация магнитного поля Земли такова, что часть этих частиц проникает внутрь магнитосферы, а из нее в верхнюю атмосферу.

Началась крупнейшая за всю историю регистрации геомагнитная буря, вызвавшая отказ телеграфных систем по всей Европе и...

Исследование возможности использования вариаций магнитного...

Однако конфигурация магнитного поля Земли такова, что часть этих частиц проникает внутрь магнитосферы, а из нее в верхнюю атмосферу.

Н-компонента, направленная вдоль магнитного меридиана, Е-компонента направлена на географический восток.

Управление движением автономного мобильного робота...

В данной работе представлен способ управления движением автономного мобильного робота в относительной системе координат гравитационного и магнитного поля Земли. В процессе разработки были получены: общая структурная и функциональная схема мобильного робота...

Энергетическая установка на постоянных магнитах

Использование магнитного поля Земли в решении проблем...

Магнитное поле – управляемо. Система контролирует положение ротора и регулирует его подвеску.

Устранение влияния атмосферной рефракции на примере...

Параллактический треугольник связывает между собой горизонтные и экваториальные координаты светила с географическими

...участков земной поверхности, наблюдения за ледниками, уровнем моря, гравитационным и магнитным полем Земли применяются РЛС.

Модель гравитационного поля планеты в системе гравитирующих...

Простейшую модель центрального поля шара построил Ньютон. Учет несферичности Земли привел к использованию разложения

Введем новую характеристику гравитационного поля системы — квазикруговую скорость (ККС) с помощью скалярного произведения

Музыка космоса. Принципы преобразования электромагнитной...

Для начала давайте разберемся, что такое магнитное поле земли.

При изменении магнитного поля возникает электрическое поле планеты. А взаимодействие и магнитного и электрического поля дает электромагнитное поле земли.

О генерации магнитных полей 2d конвективными течениями...

Отметим, что уравнения (11)-(12) содержат два типа нелинейности: векторная (скобки Пуассона) и скалярная.

, (7). . Система уравнений зависимости поля от значения напряженности на поверхности земли, согласно уравнению (3) будет иметь вид: , (8).

Волновое уравнение для электромагнитного поля в вакууме

Умножая скалярно уравнения (1.7) и (1.8) последовательно на , , , получаем, что каждая из компонент полей или удовлетворяет скалярному уравнении.

А взаимодействие и магнитного и электрического поля дает электромагнитное поле земли.

Задать вопрос