МАГНІТНЕ І ЕЛЕКТРИЧНЕ ПОЛЯ ЗЕМЛІ

Історія вивчення магнітного поля Землі.

На Землі діють невидимі процеси, які людьми майже не відчуваються. Перш за все – це земний магнетизм. Явище магнетизму відоме людям досить давно.

В 1600 р. англійський вчений Уільям Гілберт в своїй книзі «Про магніт, магнітні тіла і великий магніт – Землю» представив Землю, як гігантський постійний магніт, вісь якого не збігалася з віссю обертання Землі. Гілберт підтвердив своє припущення на досліді: він виточив з природного магніту велику кулю і, наближаючи до поверхні кулі магнітну стрілку показав, що вона встановлюється так, як стрілка компаса на Землі. Графічно магнітне поле Землі подібне на магнітне поле постійного магніту.

В 1702 році вчений Галлей створив перші магнітні карти Землі.

Наша планета Земля є гігантським  сферичним магнітом. В природі магнітного поля нашої планети ще багато залишається невідомим. Магнітне поле Землі – область, де діють магнітні сили.  

Постійними магнітами можуть бути тільки певні метали: залізо і нікель. Їх називають феромагнітними матеріалами. Ці речовини, якщо їх нагріти вище точки Кюрі (770°С для заліза і 358°С для нікелю) втрачають свої магнітні властивості. Зрозуміло, якщо в надрах Землі температура значно вища за дані температури, то земне ядро, яке складається в переважно із заліза не може бути феромагнітним і створювати магнітне поле Землі. 

Причини виникнення магнітного поля Землі.

Причини походження магнітного поля Землі намагалися пояснити вчені з різних країн. З багатьох теорій, які розглядалися для пояснення виникнення магнітного поля Землі, найбільш поширеною є теорія динамо. Згідно з нею Земля є швидше електромагнітом, ніж постійним магнітом: електричний струм, що генерується внаслідок конвекції в рідкому ядрі, утворює навколо себе постійне магнітне поле . Залишається нез’ясованим питання про саме джерело енергії, яке  викликає різницю температур в земному ядрі. Фізики пропонують такі варіанти: 1) відбувається поступова кристалізація заліза з виділенням певної кількості тепла на межі між внутрішнім і зовнішнім ядром; 2) внаслідок опускання заліза з мантії вниз вивільняється гравітаційна енергія.

Землю можна розглядати як магнітний диполь. Його південний полюс знаходиться на географічному Північному полюсі, а північний, відповідно, на Південному. Насправді, географічний і магнітний полюси Землі не збігаються не тільки «по напрямі». Вісь магнітного поля нахилена по відношенню до осі обертання Землі на 11,6◦. Через те, що різниця не дуже велика, ми можемо користуватися компасом.

Область навколоземного простору, в межах якої виявляється земне магнітне поле, називається магнітосферою. Магнітосфера простягається на 70-80 тис. км в напрямі Сонця. Вона екранує поверхню Землі, захищає від шкідливого впливу заряджених частинок, високих енергій і космічних променів, визначає характер погоди. Вчених і звичайних громадян тепер хвилюють можливі наслідки такого явища як поступове послаблення  магнітного поля Землі.

 Зміни магнітного поля

Справді, з часів Карла Гауса, який вперше виміряв напруженість магнітного поля Землі, тобто на протязі 170 років магнітне поле Землі постійно послаблюється. А магнітне поле є своєрідним щитом, який захищає Землю і все живе на ній від згубного радіаційного впливу так званого сонячного вітру, тобто випромінюваних Сонцем електронів, протонів і інших частинок. Магнітосфера Землі відхиляє потік цих частинок, що летять з космосу до полюсів, забираючи їхню початкову енергію. На полюсах Землі потоки цих космічних частинок затримуються у верхніх шарах атмосфери, перетворюючись у фантастично красиві полярні сяйва.

Якщо магнітного поля не буде, або воно дуже ослабне, то все живе на Землі може опинитися під прямою дією сонячного і космічного випромінювання. А це, як можна передбачити, призведе до радіаційного опромінення всіх живих організмів. Вченим-палеомагнітологам, тобто тим, хто займається вивченням давніх магнітних полів, вдалося встановити з певною точністю, що магнітне поле Землі постійно відчуває коливання з різними періодами. Коли вчені склали всі криві коливань, то отримана результуюча крива по формі подібна до синусоїди з періодом у 8 тисяч років. Відрізок цієї кривої, який відповідає нашому часу, знаходиться на спадній частині цієї кривої. І це спадання буде продовжуватися ще приблизно дві тисячі років. Після цього магнітне поле знову почне підсилюватися. Це підсилення поля буде продовжуватися чотири тисячі років, а потім настане черговий спад. Попередній максимум був на початку нашої ери. 

Звичайно, не можна повністю розглянути всі методики, які привели до таких висновків. Про причини коливань напруженості магнітного поля є багато думок, але певної обґрунтованої теорії з цього питання на існує. Можна згадати, що фізики довели наявність такого явища як інверсія, тобто періодична зміна магнітних полюсів Землі: північний полюс переміщується на місце південного, південний – на місце північного. Такі переміщення тривають від 5 до 10 тисяч років.  Останнє таке переміщення пройшло приблизно 700тис. років тому. Якоїсь періодичності чи регулярності цього явища не виявлено. Причини цього перемагнічування полягають в складних взаємодіях рідкої частини ядра з космосом. Існує гіпотеза, що при зміні полюсів магнітне поле Землі зникає, і планета залишається на якийсь час без свого захисту. Але ця гіпотеза не знаходить надійного наукового обґрунтування, і залишається не більше, ніж гіпотезою. Під час такого перехідного періоду на Землю може проникати більше космічних частинок, шкідливих для живих організмів.

 У магнітному полі планети було помічено небезпечні зміни. Тривожна зона знаходиться в південній частині Атлантичного океану. Товщина магнітного поля в цьому районі не перевищує третини від нормальної. Вчені давно звернули увагу на цю дірку в магнітному полі Землі. Зібрані за 150 років дані показали, що за цей період поле послабилося там на 10%. Важко сказати, чим це загрожує людству. 

Ще в 1635 році вчений Геллібранд встановив, що магнітне поле Землі змінюється. Пізніше було встановлено, що існують постійні і короткочасні зміни магнітного поля. Причиною постійних змін є наявність корисних копалин. На Землі є такі території, де її власне магнітне поле сильно спотворюється наявністю покладів залізної руди.

Причиною короткочасних змін магнітного поля Землі є дія сонячного вітру, тобто дія потоку заряджених частинок, які викидаються Сонцем. Магнітне поле цього потоку взаємодіє з магнітним полем Землі, виникають «магнітні бурі». На частоту і силу магнітних бур впливає сонячна активність. В роки найбільшої сонячної активності (1 раз в кожні 11,5 років) виникають такі магнітні бурі, що порушують радіозв’язок, а стрілки компасів починають незрозуміло обертатися. Результатом взаємодії заряджених частинок «сонячного вітру» з атмосферою Землі в північних широтах є таке явище, як північне сяйво.

Вплив магнітного поля на живі організми.

Магнітне поле захищає жителів Землі і штучні супутники від згубного впливу космічних частинок. До таких частинок належать, наприклад, іонізовані заряджені частинки сонячного вітру. Магнітне поле змінює траєкторію їх руху, направляючи частинки вздовж ліній магнітного поля.

Магнітне поле Землі допомагає багатьом живим організмам орієнтуватися в просторі. Деякі морські бактерії розміщені в придонному мулі під певним кутом до силових ліній магнітного поля Землі, що пояснюється наявністю в них маленьких феромагнітних частинок.

 Недавно вчені виявили, що в птахів в ділянці очей розміщується маленький магнітний «компас», крихітне тканинне поле, в якому розміщуються кристали магнетиту, який може намагнічуватися в магнітному полі.  

Оскільки на виробництві і в побуті людина може піддаватися взаємодії магнітних полів, були розроблені допустимі рівні напруженості магнітного поля. Згідно різних оцінок для людини вважається безпечним магнітне поле напруженістю 300-700 ерстед. Якщо говорити точніше, то на виробництві і в побуті на людину діють не магнітні, а електромагнітні поля. Справа в тому, що при роботі будь-якого електричного пристрою і магнітне, і електричне поля можуть проявлятися у вигляді єдиного цілого, яке називається електромагнітним полем. Це пояснюється єдиною природою магнітних і електричних явищ.

  Властивості електричного поля Землі

Електричне поле Землі, як планети, спостерігається в корі Землі, в морях, в океанах, атмосфері і магнітосфері. Розподіл потенціалу поля несе в собі певну інформацію про будову Землі, про процеси, які проходять в нижніх шарах атмосфери, в іоносфері, магнітосфері, а також в міжпланетному просторі і на Сонці.

Вимірювання електрометром показали, що біля поверхні Землі існує електричне поле, навіть якщо поблизу нема заряджених тіл. Це означає, що наша планета володіє певним електричним зарядом, тобто є зарядженою кулею великого радіуса. Дослідження електричного поля показали, що в середньому модуль його напруженості Е=130 В/м, а силові лінії вертикальні і направлені до Землі. Найбільше значення напруженість електричного поля має в середніх широтах, а до полюсів і екватора вона зменшується. Вважають, що наша планета має негативний заряд, а атмосфера заряджена позитивно.

Методика вимірювання електричного поля Землі визначається тим середовищем, в якому спостерігається поле. Найбільш універсальний спосіб –визначення різниці потенціалів за допомогою роз’єднаних в просторі електродів. Цей спосіб використовується при реєстрації земних струмів при вимірюваннях з літальних апаратів електричного поля атмосфери, а з космічних апаратів електричного поля магнітосфери і космічного простору.

Існування електричного поля в атмосфері Землі зв’язане з процесами іонізації повітря і просторовим розподілом, що виникає при іонізації позитивних і негативних електричних зарядів. Іонізація повітря проходить під дією космічних променів ультрафіолетового випромінювання Сонця, випромінювання радіоактивних речовин, які знаходяться на поверхні Землі і в повітрі, електричних розрядів в атмосфері. Деякі атмосферні процеси приводять до часткового розділення різнойменних зарядів і виникнення атмосферних електричних полів.

Існування електричного поля атмосфери приводить до виникнення струмів, які розряджають електричний «конденсатор» атмосфера – Земля. В процесі обміну зарядами між поверхнею Землі і атмосферою значну роль відіграють опади. В середньому опади приносять позитивних зарядів в 1,1 – 1,4 рази більше, ніж негативних. Зменшення зарядів з атмосфери поповнюється за рахунок  струмів, пов’язаних з блискавками і стіканням зарядів з гострих предметів. 

Електричні поля в атмосфері обумовлені процесами, які протікають як в атмосфері, так і в магнітосфері. Припливні рухи повітряних мас, вітри, турбулентність – все це є джерелом генерації електричного поля в іоносфері.  Величина напруженості електричного поля в іоносфері залежить від розміщення точки спостереження, години доби, загального стану магнітосфери та іоносфери, від активності Сонця.