Магнитосфера

Магнитосфера Земли — это область пространства, в которой ее магнитное поле способно взаимодействовать с окружающими заряженными частицами. Она выполняет функцию невидимого космического щита, защищающего атмосферу от солнечной и космической радиации. Без достаточно сильного магнитного поля вся наша планета превратилась бы в безжизненную пустыню, похожую на Марс. В этой статье мы поговорим о том, какие процессы приводят к образованию магнитосферы, разберем ее строение и особенности, а также приведем некоторые интересные факты о магнитосфере Земли.

Механизм образования магнитосферы Земли

Магнитосфера Земли образуется благодаря стабильному магнитному полю. Оно непрерывно генерируется благодаря процессам, происходящим в недрах нашей планеты. Во внешней части ядра, слое толщиной порядка 2 200 километров, сплавы железа и никеля разогреваются до высоких температур в диапазоне 4 000 – 5 500 °C. Давление в этой области значительно меньше, чем в самом центре Земли, поэтому металлы переходят в состояние расплавленной сверхпроводящей жидкости. За счет разницы температур возникает явление тепловой конвекции, то есть перемещения слоев вещества с разной температурой: потоки горячего вещества поднимаются ближе к мантии, где остывают и возвращаются обратно к границе с внутренним ядром.

Согласно общепринятой теоретической модели образования магнитосферы благодаря конвекции, электропроводности и вращению Земли вокруг своей оси возникает так называемый эффект геодинамо. Проще говоря, наша планета работает как динамо-машина колоссальных размеров, преобразуя механическую энергию в магнитную. Давайте подробнее рассмотрим процессы, которые привели к формированию магнитного поля Земли.

• Цикличное движение сверхпроводящей жидкости проходило в первичном магнитном поле, сформированном на ранних этапах эволюции планеты. Возможно, это было внешнее магнитное поле «молодого» Солнца.
• Под воздействием инерционной силы Кориолиса, вызванной вращением Земли, конвекционные потоки в земном ядре начали закручиваться и принимать форму спиралей.
• В соответствии с принципом магнитной индукции в замкнутых контурах конвекционных потоков начал генерироваться электрический ток.
• Токовые контуры начали формировать собственные магнитные поля и усиливать их, благодаря чему система стала самоподдерживающейся.

Строение магнитосферы Земли

Магнитосфера Земли ограничена силовыми линиями, то есть векторами, отражающими направление и силу магнитного поля. Если визуализировать силовые линии, они будут представлять собой замкнутые контуры. Возникая в ядре Земли, они выходят через Южный географический полюс, простираются далеко за пределы поверхности и атмосферы планеты, после чего возвращаются обратно к ядру через Северный полюс. При инверсиях, то есть сменах магнитных полюсов из-за изменения интенсивности магнитного поля, этот же процесс повторяется в обратном направлении. Инверсия — это очень редкое явление, механизм которого до конца не изучен. Однако палеомагнитологи фиксируют неоднократные смены направления силовых линий в прошлом Земли.

Давайте рассмотрим основные структурные элементы земной магнитосферы.

• Головная ударная волна. Это область пространства между магнитосферой и окружающей средой, где скорость солнечного ветра (потока заряженных частиц) резко падает, и направление его движения начинает меняться. Этот слой формируется только на обращенной к Солнцу стороне Земли и удален от поверхности планеты на 90 000 километров.
• Магнитопауза. Представляет собой внешнюю границу, где показатели давления солнечного ветра и магнитного поля уравновешиваются. На дневной стороне Земли высота магнитопаузы нестабильна. Она зависит от интенсивности потоков солнечной плазмы и находится в диапазоне 60 000 – 80 000 километров.
• Магнитный хвост. На ночной стороне Земли ее магнитное поле не испытывает какого-либо значительного давления, а потому магнитосфера вытягивается в колоссальную цилиндрическую структуру, которую называют хвостом. По усредненным оценкам магнитный хвост имеет протяженность 1,5 млн километров, что почти в 4 раза превышает высоту орбиты Луны.
• Плазмосфера. Во внутренней части магнитосферы на отдалении от 60 до 20 000 километров от Земли сформирован еще один специфичный слой — плазмосфера. Между дневной и ночной сторонами планеты формируются полярные каспы — узкие воронки в местах схождения и расхождения силовых линий. Здесь ультрафиолетовое излучение Солнца проникает в ионосферу и передает атомам высокую энергию, что приводит к образованию двух плазменных структур со стороны Восточного и Западного полушарий.

Образование радиационных поясов Ван Аллена

В структуре магнитосферы Земли присутствует еще один важный элемент, который частично пересекается с плазмосферой. Это радиационные пояса, существование которых в 1958 году предсказал американский физик Джеймс Ван Аллен. Они охватывают высоту от 1 000 до 60 000 километров и состоят из высокоэнергетических протонов и электронов. Источниками этих частиц являются Солнце и космическое излучение, заполняющее межзвездное пространство. Протоны и электроны циркулируют вдоль силовых линий магнитного поля и образуют зоны повышенной радиации, интенсивность которой уменьшается по мере удаления от Земли.

Радиационные пояса Ван Аллена могут представлять опасность для космических аппаратов, выходящих за пределы низкой околоземной орбиты (160 – 2 000 километров). Излучение заряженных частиц способно нанести непоправимый ущерб микроэлектронике и солнечным батареям. Чтобы предотвратить такие последствия, инженеры постоянно совершенствуют системы радиационной защиты. Кроме того, специалисты стремятся выводить межпланетные аппараты в космос через безопасные зоны, расположенные за пределами радиационных поясов.

Функции магнитосферы Земли

Главной функцией магнитосферы Земли является защита атмосферы и биосферы от воздействия солнечного ветра. Отклоняя высокоскоростные потоки плазмы, она не позволяет им выбивать из атмосферы молекулы кислорода, азота и других атмосферных газов, благодаря чему они надежно удерживаются гравитационным полем нашей планеты. Важную роль в функционировании экосистем играет озоновый слой, который поглощает ультрафиолетовое излучение, опасное для живых организмов. Без магнитосферы или при более слабом магнитном поле озоновый слой также был бы разрушен.

Кроме того, магнитосфера выполняет функцию регулятора космической погоды. Наличие многослойного щита и радиационных поясов Ван Аллена способствует значительному снижению уровня радиации в околоземном пространстве. Помимо губительного воздействия на здоровье человека радиация способна выводить из строя электронные технические устройства. Отметим, что при особенно мощных корональных выбросах магнитосфера Земли может не справляться со своими защитными функциями, что приводит к нарушению работы энергосетей и спутниковых систем. Например, в 1859 году из-за многочисленных вспышек на Солнце отказали почти все телеграфные сети в Европе и США, а в 2005 году навигационные спутники на 10 минут полностью потеряли связь с наземными приемниками.

Явления в магнитосфере Земли

Наиболее распространенным явлением в магнитосфере являются полярные сияния. Во время особенно высокой солнечной активности происходят возмущения магнитного поля Земли, которые называют магнитными бурями. В приполярных областях, где между замыкающимися силовыми линиями образуются каспы, в атмосферу активно проникают заряженные частицы из радиационных поясов. Сталкиваясь с атомами газов, частицы переводят их в возбужденное состояние, что сопровождается выбросом энергии и ярким свечением в видимом диапазоне.

Методы исследования магнитосферы Земли

Базовым инструментом для изучения магнитного поля Земли является магнитометр. Это достаточно широкая группа устройств, с помощью которых можно определить силу и направление магнитного поля в той точке, где проводится измерение. Приведем пример трех основных типов магнитометров.

• Простейшим механическим, или магнитостатическим магнитометром является компас. Его подвешенная стрелка, состоящая из намагниченных металлических элементов, выравнивается строго между полюсами, показывая одним концом на север, а другим — на юг.
• Более сложными устройствами являются индукционные магнитометры. Они представляют собой катушки с постоянным током, в которых под воздействием внешнего магнитного поля меняется показатель электродвижущей силы, то есть работы по перемещению заряда по контуру цепи.
• Наиболее чувствительными приборами являются квантовые магнитометры, которые фиксируют изменения в поведении атомов. Под воздействием магнитного поля энергетические уровни атомов (зоны, по которым движутся электроны) расщепляются на подуровни, что сказывается на характере поглощения и излучения света. Улавливая мельчайшие изменения спектральных линий, квантовые магнитометры предоставляют исчерпывающую информацию о магнитном поле.

С конца 1950-х годов ученые получили дополнительный инструмент исследования магнитосферы в виде спутниковых систем. Поначалу спутники предоставляли ограниченные данные о силе и протяженности магнитного поля, но вскоре благодаря им была создана высокоточная глобальная карта магнитосферы, определен характер ее взаимодействия с атмосферой и гравитационным полем. Кроме того, космические аппараты позволили обнаружить неизвестные ранее магнитные аномалии, вызванные месторождениями полезных ископаемых.

Важную роль в исследовании магнитосферы играют наземные наблюдения. Глобальные магнитные обсерватории одновременно обрабатывают данные, полученные из разных регионов планеты, что позволяет заблаговременно прогнозировать магнитные бури. Кроме того, регистрация изменений в магнитосфере предоставляет ценную информацию о внутреннем строении Земли и происходящих там процессах.

Интересные факты о магнитосфере Земли

• Океанские приливы и отливы оказывают влияние на земную магнитосферу. Соленая морская вода является проводящей средой, и при движении внутри магнитного поля Земли в ней возникают электрические токи, которые, в свою очередь, индуцируют вторичные магнитные поля. Чаще всего этими значениями можно пренебречь, но однажды во время особенно сильных приливных волн в североамериканском заливе Фанди была зафиксирована локальная магнитная аномалия.
• Если рассматривать Землю как огромный магнит, направления векторов силовых линий указывают на то, что Северный географический полюс на самом деле является южным магнитным полюсом, и наоборот. Дело в том, что географические стороны света на картах появились за много веков до открытия физических свойств магнитных полей, поэтому ученые решили не нарушать устоявшуюся терминологию.
• Изучая тектонику плит в срединно-океанических хребтах, палеомагнитологи восстановили изменения магнитосферы на протяжении последних 160 млн лет. Богатые железом минералы в застывших потоках лавы показывают ориентацию магнитного поля и характер смещения полюсов. За указанный период произошло более 100 инверсий, при которых магнитные полюса менялись местами.

Вопрос-ответ

Как образуется магнитосфера Земли и как она защищает планету от космической радиации?

Магнитосфера Земли образуется из-за конвекционных движений в ее жидком внешнем ядре. Расплавленные металлические элементы являются хорошей проводящей средой. В них генерируется электрический ток, который поддерживает стабильность магнитного поля.

Какие явления происходят в магнитосфере и как они влияют на земные процессы?

В магнитосфере происходят магнитные бури, то есть возмущения магнитного поля под воздействием солнечного ветра. Особенно сильные магнитные бури могут привести к сбоям в работе электронных приборов и энергосетей или даже к их выходу из строя.

Какие методы используются для исследования магнитосферы и какие спутники участвуют в этих исследованиях?

Для исследования магнитосферы Земли используют магнитометры, определяющие характеристики магнитного поля. Они являются основой наземных обсерваторий и спутниковых сетей, которые круглосуточно наблюдают за изменениями в магнитосфере.

Как магнитные бури и полярные сияния связаны с деятельностью Солнца?

От Солнца во все стороны исходят потоки заряженных частиц — в основном протонов и электронов. Во время особенно сильных выбросов они оказывают повышенное давление на магнитное поле, вызывая магнитные бури. При этом множество частиц проникают в земную атмосферу и взаимодействуют с атомами газов. В результате высвобождения энергии образуются полярные сияния.

Какие перспективы и задачи стоят перед учеными в изучении магнитосфер Земли и других планет?

Изучая магнитосферу Земли, ученые смогут более детально понять принцип передачи импульса от солнечного ветра в плазмосферу и радиационные пояса. Исследование магнитосфер других планет позволяет уточнить их внутренний химический состав и определить вероятность возникновения жизни.

Иван Стефанов

Изображение на обложке: Freepik