Геомагнитное поле: особенности, строение, характеристики и история исследований

Геомагнитное поле (ГП) генерируется источниками, расположенными внутри Земли, а также в магнитосфере и ионосфере. Оно защищает планету и жизнь на ней от пагубного влияния космической радиации.

Общая характеристика

Наша планета – это громадный магнит. Северный его полюс находится в "верхней" части Земли, неподалеку от географического полюса, а южный - рядом с соответствующим географическим полюсом. Из этих точек на многие тысячи километров в космос простираются силовые магнитные линии, сосставляющие собственно магнитосферу.

Магнитные и географические полюса достаточно удалены друг от друга. Если провести четкую грань между магнитными полюсами, в итоге можно получить магнитную ось с углом наклона в 11,3° к оси вращения. Эта величина непостоянна, а все потому, что магнитные полюса перемещаются относительно поверхности планеты, ежегодно меняя свое местоположение.

Природа геомагнитного поля

Магнитный экран генерируется электрическими токами (движущимися зарядами), которые рождаются во внешнем жидком ядре, расположенном внутри Земли на очень приличной глубине. Это текучий металл, и он перемещается. Данный процесс именуется конвекцией. Движущееся вещество ядра образует токи и, как следствие, магнитные поля.

Магнитный экран надежно защищает Землю от космической радиации. Основной ее источник – солнечный ветер – движение ионизированных частиц, истекающих из солнечной короны. Магнитосфера отклоняет этот непрерывный поток, перенаправляя его вокруг Земли, благодаря чему жесткая радиация не оказывает губительного влияния на все живое голубой планеты.

Если бы у Земли не было геомагнитного поля, то солнечный ветер лишил бы ее атмосферы. По одной из гипотез, именно это и случилось на Марсе. Солнечный ветер - далеко не единственная угроза, поскольку Солнце также высвобождает большое количество вещества и энергии в виде корональных выбросов, сопровождающихся сильнейшим потоком радиоактивных частиц. Однако и в этих случаях магнитное поле Земли защищает ее, отклоняя эти течения от планеты.

Магнитный экран меняет свои полюса приблизительно раз в 250 000 лет. Северный магнитный полюс становится на место северного, и наоборот. У ученых нет четкого объяснения, почему такое происходит.

История исследования

Знакомство людей с удивительными свойствами земного магнетизма произошло еще на заре цивилизации. Уже во времена античности человечеству был известен магнитный железняк – магнетит. Однако кто и когда выявил, что природные магниты одинаково ориентируются в пространстве по отношению к географическим полюсам планеты, неизвестно. По одной из версий, китайцы были знакомы с этим явлением уже в 1100 году, однако использовать его на практике начали лишь спустя два века. В Западной Европе магнитный компас начали использовать в навигации в 1187 году.

Строение и характеристики

Магнитное поле Земли можно разделить на:

• главное магнитное поле (95%), источники которого находятся во внешнем, проводящем электроток ядре планеты;
• аномальное магнитное поле (4%), создаваемое горными породами в верхнем слое Земли с хорошей магнитной восприимчивостью (одна из самых мощных – Курская магнитная аномалия);
• внешнее магнитное поле (также называемое переменным, 1%), связанное с солнечно-земными взаимодействиями.

Регулярные геомагнитные вариации

Изменения геомагнитного поля во времени под влиянием как внутренних, так и внешних (по отношению к поверхности планеты) источников называют магнитными вариациями. Они характеризуются отклонением составляющих ГП от среднего значения в месте наблюдения. Магнитные вариации имеют непрерывную перестройку во времени, при этом зачастую такие перемены носят периодический характер.

Регулярные вариации, повторяющиеся ежесуточно, – это изменения магнитного поля, связанные с солнечно- и лунно-суточными изменениями напряженности ГП. Вариации достигают максимума днем и при лунном противостоянии.

Нерегулярные геомагнитные вариации

Данные изменения возникают в результате влияния солнечного ветра на земную магнитосферу, изменений внутри самой магнитосферы и ее взаимодействия с ионизированным верхним слоем атмосферы.

• Двадцатисемидневные вариации существуют как закономерность к повторному росту магнитной возмущенности через каждые 27 суток, соответствующих периоду вращения главного небесного светила относительно земного наблюдаиеля. Данная тенденция обусловлена существованием активных областей-долгожителей на нашей родной звезде, наблюдаемых в течение нескольких ее оборотов. Проявляется она в виде 27-суточной повторяемости геомагнитной возмущенности и магнитных бурь.
• Одиннадцатилетние вариации связаны с периодичностью пятнообразовательной деятельностью Солнца. Выявлено, что в годы наибольшего скопления темных областей на солнечном диске магнитная активность также достигает своего максимума, однако рост геомагнитной активности отстает от роста солнечной в среднем - на год.
• Сезонные вариации имеют два максимума и два минимума, соответствующие периодам равноденствий и времени солнцеворота.
• Вековые, в отличие от вышеперечисленных, - внешнего происхождения, образуются в результате движения вещества и волновых процессов в жидком электропроводящем ядре планеты и являются главным источником информации об электрической проводимости нижней мантии и ядра, о физических процессах, приводящих к конвекции вещества, а также о механизме генерации геомагнитного поля Земли. Это самые медленные вариации - с периодами от нескольких лет до года.

Влияние магнитного поля на живой мир

Несмотря на то, что магнитный экран нельзя увидеть, обитатели планеты прекрасно его ощущают. К примеру, перелетные птицы строят свой маршрут, ориентируясь именно на него. Ученые выдвигают несколько гипотез относительно данного явления. Одна из них предполагает, что пернатые воспринимают его визуально. В глазах перелетных птиц имеются особые белки (криптохромы), которые способны менять свое положение под влиянием геомагнитного поля. Авторы данной гипотезы уверены, что криптохромы могут выполнять роль компаса. Однако не только птицы, но и морские черепахи используют магнитный экран в качестве GPS-навигатора.

Воздействие магнитного экрана на человека

Влияние геомагнитного поля на человека принципиально отличается от любого иного, будь то радиация или опасный ток, поскольку оно воздействует на человеческий организм полностью.

Ученые считают, что геомагнитное поле действует в ультранизком диапазоне частот, в результате чего отвечает основным физиологическим ритмам: дыхательному, сердечному и мозговому. Человек может и не ощущать ничего, но организм при этом все же реагирует на него функциональными изменениями нервной, сердечно-сосудистой систем и деятельности мозга. Психиатры уже много лет отслеживают взаимосвязь между всплесками интенсивности геомагнитного поля и обострением психических недугов, часто приводящих к суициду.

«Индексирование» геомагнитной активности

Возмущения магнитного поля, связанные с изменениями магнитосферно-ионосферной токовой системы, называются геомагнитной активностью (ГА). Для определения ее уровня используются два индекса – А и К. Последний показывает величину ГА. Он высчитывается на основе измерений магнитного экрана, осуществляемых ежедневно с трехчасовым интервалом, начиная с 00:00 UTC (всемирное координированное время). Наибольшие показатели магнитного возмущения сопоставляются со значениями геомагнитного поля спокойного дня для определенного научного учреждения, при этом в расчет принимаются максимальные величины из наблюдаемых отклонений.

На основе полученных данных исчисляется индекс К. В силу того, что он является квазилогарифмической величиной (т.е. увеличивается на единицу при увеличении возмущенности примерно в 2 раза), его нельзя усреднять с целью получения долгосрочной исторической картины состояния геомагнитного поля планеты. Для этого имеется индекс А, представляющий собой дневное среднее значение. Определяется он достаточно просто – каждое измерение индекса К преобразуется в эквивалентный индекс. Значения К, полученные на протяжении всего дня, усредняются, благодаря чему удается получить индекс А, значение которого в обычные дни не превышает порог в 100, а в период серьезнейших магнитных бурь может переваливать за 200.

Поскольку возмущения геомагнитного поля в разных точках планеты проявляются неодинаково, то значения индекса А из разных научных источников могут заметно разниться. Для того чтобы не было такого разбега, индексы А, полученные обсерваториями, сводятся к среднему и появляется глобальный индекс А_р. То же самое и с индексом К_р, который представляет собой дробную величину в интервале 0-9. Его значение от 0 до 1 говорит о том, что геомагнитное поле в норме, а значит, сохраняются оптимальные условия для прохождения на коротковолновых диапазонах. Конечно, при условии довольно интенсивного потока солнечного излучения. Геомагнитное поле в 2 балла характеризуется как умеренное магнитное возмущение, что немного усложняет прохождение дециметровых волн. Значения от 5 и до 7 говорят о наличии геомагнитных бурь, создающих серьёзные помехи упомянутому диапазону, а при сильном шторме (8-9 баллов) делают прохождение коротких волн невозможным.

Влияние магнитных бурь на человеческое здоровье

Отрицательному воздействию магнитных бурь подвержены 50-70% населения всего мира. При этом начало стрессовой реакции у одних людей отмечается за 1-2 дня до магнитного возмущения, когда наблюдаются вспышки на солнце. У других - в самый пик или через некоторое время после чрезмерной геомагнитной активности.

Метозависимым людям, а также тем, кто страдает хроническими болезнями, необходимо отслеживать информацию о геомагнитном поле на неделю, чтобы при возможном приближении магнитных бурь исключить физические и эмоциональные нагрузки, а также любые действия и события, способные привести к стрессу.

Синдром дефицита магнитного поля

Ослабление геомагнитного поля в помещениях (гипогеомагнитное поле) возникает из-за конструктивных особенностей различных строений, материалов стен, а также намагниченных конструкций. При нахождении в помещении с ослабленным ГП нарушается кровообращение, поставка кислорода и питательных веществ к тканям и органам. Ослабление магнитного экрана также влияет на нервную, сердечно-сосудистую, эндокринную, дыхательную, костную и мышечную системы.

Японский врач Накагава «обозвал» данное явление «синдромом дефицита магнитного поля человека». По своей значимости это понятие вполне может конкурировать с дефицитом витаминов и минералов.

Основными симптомами, указывающими на наличие данного синдрома, являются:

• повышенная утомляемость;
• снижение работоспособности;
• бессонница;
• головная и суставные боли;
• гипо- и гипертония;
• сбои в пищеварительной системе;
• нарушения в работе сердечно-сосудистой системы.