Вплив геомагнітного поля Землі на клімат

Міністерство  науки та освіти, молоді та спорту України

ДВНЗ «Криворізький  національний університет»

Кафедра екології

Курсова робота

з дисципліни: «Метеорологія та кіматологія»

за темою: «Вплив геомагнітного поля Землі

на клімат»

                                                                                                              Виконала:

                                                                                                                      ст. гр. ЕО-10

                                                                                                                          Левицька О. С.

                                                                                                                 Прийняла:

                                                                                                                          доцент кафедри

                                                                                                                       Панова С. М.

м. Кривий Ріг

2012 р.

Зміст

Вступ..................................................................................................................................3

1. Характеристика геомагнітного  поля Землі.................................................................4

     1.1. Гравітаційне поле землі........................................................................................4

     1.2. Земний магнетизм.................................................................................................5

     2. Структура магнітного поля Землі..............................................................................11

          2.1. Нормальне магнітне поле...................................................................................11

          2.2. Материкове магнітне поле.................................................................................16

          2.3. Магнітні аномалії та їх геологічні причини.....................................................17

    3.  Вплив магнітного поля на клімат..............................................................................23

          3.1. Дослідження та висовки вчених........................................................................23

                 3.1.1. Основоположна теорія Генріка Свенсмарка..........................................23

                 3.1.2. Дослідження датських вчених                                                                 26

          3.2. Власні дослідження залежності клімату

                 від геомагнітного поля Землі.............................................................................27

    4. Вплив магнітного  поля на живі організми.................................................................29

          4.1. Магнітні поля та їх взаємодія з живими організмами.....................................29

          4.2. Геомагнітні бурі..................................................................................................31

Висновок..........................................................................................................................36

Література........................................................................................................................37

ВСТУП

Гравітація або тяжіння — властивість тіл із масою притягуватись одне до одного. Гравітаційна взаємодія найслабша із фундаментальних взаємодій, однак її характерною особливістю є те, що тіла, які мають масу, завжди притягаються одне до одного. Притягання дуже великих мас в астрономічних масштабах створює значні сили, завдяки яким світ є таким, яким людина його знає. Зокрема, гравітація є причиною земного тяжіння, внаслідок якого предмети падають додолу. Законами гравітації визначається рух Місяця навколо Землі і Землі та інших планет навколо Сонця.

Гравітаційне поле Землі  – фізичне поле, зумовлене тяжінням маси Землі і відцентровою силою, яка виникає внаслідок добового обертання Землі. Незначною мірою  залежить також від тяжіння Місяця і Сонця й інших небесних тіл  та маси земної атмосфери. Гравітаційне поле Землі характеризується силою тяжіння, потенціалом сили тяжіння і різними його похідними.

Гравітаційне поле Землі  є однією з причин кругообігів  у літосфері, атмосфері та гідросфері.

1. Характеристика геомагнітного поля Землі

1.1. Гравітаційне поле Землі

Навколо Землі існує  поле тяжіння, зумовлене її масою. Це поле називається гравітаційним. Сила тяжіння притаманна як малим, так  і великим тілам. Чим більша маса тіла, тим потужніше його гравітаційне поле. Біля поверхні Землі його середнє значення становить близько 9,8 м/с². З висотою напруженість поля зменшується. Теоретично гравітаційне поле Землі поширюється до безкінечності. Ближче до поверхні Землі сила тяжіння набуває дещо іншого характеру. Тут проявляються сили, які не тільки притягують, а і відштовхують тіла, що знаходяться на поверхні Землі. Відштовхуюча сила зумовлена обертанням Землі навколо своєї осі і називається відцентровою. Рівнодіюча двох сил — гравітаційної та відцентрової — називається силою тяжіння. Визначається сила тяжіння масою тіл. Маса, власне, і є сила, з якою тіла притягаються в напрямі до центра Землі. Сила тяжіння утримує тіла і предмети на поверхні Землі, а гравітаційне поле утримує на відстані супутник Землі Місяць.

Розподіл величини сили тяжіння на поверхні Землі залежить від географічної широти: зі збільшенням широти вона зростає. Зменшення сили тяжіння в напрямі до екватора пояснюється двома причинами: збільшенням у цьому напрямку відцентрової сили і збільшенням відстані від центра планети, а також особливостями її внутрішньої будови. Якби Земля була правильною нерухомою кулею, за складом однорідною від поверхні до центру, то її сила тяжіння скрізь була б однаковою і направленою до центру планети.

На полюсах, де відцентрова сила практично відсутня, а відстань до центру Землі найменша, сила тяжіння найбільша і становить 9,83 м/с². На екваторі відцентрова сила і відстань найбільші, тому сила тяжіння найменша — 9,78 м/с².

Вплив гравітаційного поля на розвиток планети та її географічну оболонку величезний. Сила тяжіння визначає справжню форму земної поверхні — геоїд, зумовлює рухи земної кори. Під її впливом відбувається переміщення пухких гірських порід, мас води, льоду, повітря. Гравітаційне поле Землі є однією з причин кругообігів у літосфері, атмосфері і гідросфері.[1]

Саме ж гравітаційне поле зумовлене, як уже було зазначено, масою Землі. Підраховано, що повна маса Землі (F) становить 5,976 · 10²⁷ г. Безпосередньо цю масу виміряти неможливо, але розрахувати її порівняно просто за формулою гравітаційного тяжіння:

де k_e — гравітаційна стала, яка дорівнює 6,67 · 10⁸; m₁, m₂ — маси тіл, що притягаються, г; d — відстань між центрами тіл, см.

Об'єм сферичної Землі також легко приблизно підрахувати, оскільки з вимірювань дуг її кола відомий радіус. Знайдений таким чином об'єм нашої планети становить 1,083 · 10²⁷ см³.

Знаючи масу і об'єм Землі, можна  знайти її середню густину. Вона становить 5,52 г/см³, тобто вдвічі більша за щільність граніту"

Встановлено, що земна кора має  середню густину 2,7 г/см³. Таким чином, щоб середня густина Землі дорівнювала 5,52 г/см³, внутрішня частина Землі повинна бути щільніша, ніж зовнішня. Збільшення густини з глибиною можна пояснити відмінностями в хімічному складі і тією величезною силою, з якою зовнішні частини Землі тиснуть на внутрішні. Передбачається, що внутрішнє ядро має густину близько 13 г/см³.[4]

1.2. Земний магнетизм

Земля — це величезний сферичний магніт. Хоча про наявність у планети магнетизму людям стало відомо давно, а вивченням його властивостей займаються вчені різних країн світу, в природі її магнітного поля багато ще залишається нез'ясованим. Відомо, що серед металів тільки залізо і нікель можуть бути постійними магнітами. Ці матеріали називаються феромагнітними. Але феромагнітні речовини перестають бути магнітом, якщо їх нагріти вище точки Кюрі (770 °С для заліза і 358 °С для нікелю). Оскільки температура в надрах Землі значно вища за ці величини, то земне ядро, яке складається головним чином із заліза і нікеля, не може бути феромагнітним через відсутність для цього відповідних умов.

З багатьох теорій, які були висунені для пояснення походження магнітного поля Землі, найбільш популярною нині є теорія динамо. Згідно з нею Земля є скоріше електромагнітом, ніж постійним магнітом: електричний струм, що якимось чином генерується внаслідок турбулентної конвекції в рідкому ядрі, утворює навколо себе поле однорідного намагнічування, або постійне поле. Нез'ясованим залишається питання про джерело енергії, яке викликає конвекцію в земному ядрі, де дуже мало або зовсім немає радіоактивних елементів. Допускають три варіанти: 1) на межі між внутрішнім і зовнішнім ядром відбувається поступова кристалізація заліза з виділенням тепла; 2) внаслідок опускання заліза з мантії вниз вивільняється гравітаційна енергія; 3) тепло виділяється при фазових змінах речовин, що відбуваються внаслідок гіпотетичного розширення Землі.

Магнітне поле Землі досягає  висоти 80—90 тис. км від її поверхні. До висоти 44 тис. км магнітне поле постійне, його величина зменшується з віддаленням від земної поверхні поступово. На висоті від 44 до 90 тис. км магнітне поле змінне, залежно від знаку воно захоплює і утримує електрони або протони. Сфера навколоземного простору, в якому знаходяться заряджені частини, захоплені магнітним полем Землі, має назву магнітосфери.[6]

Будова магнітосфери Землі, тобто  навколишнього простору, фізичні  властивості якого визначаються магнітним полем Землі та його взаємодією з потоком заряджених частинок сонячного вітру, в минулому уявлялася досить простою. Вважалося, що магнітосфера утворює симетричний диполь. Але вже перші прямі вимірювання магнітних полів, які були зроблені безпосередньо у космосі, не підтвердили цю гіпотезу. Виявилося, що магнітосфера Землі вкрай асиметрична: з боку Сонця магнітне поле сильно стиснуте, а з протилежного боку — навпаки, дуже витягнуте і утворює довгий, до 1 млн км, магнітосферний хвіст (рис. 1). Це є наслідком обтікання магнітосфери сонячним вітром. При цьому тут, в залежності від тиску сонячного вітру, границя магнітосфери з боку Сонця — магнітопауза — то наближається до Землі (при зростанні тиску), то віддаляється (при його послаблені). Плазма сонячного вітру обтікає магнітосферу Землі з надзвуковою швидкістю, внаслідок чого перед магнітосферою утворюється ударна хвиля, яка відокремлена від магнітопаузи перехідною областю.

Рис. 1. Схема магнітосфери

Силові лінії геомагнітного  поля, що відходять назад під дією сонячного вітру, утворюють хвіст, або "шлейф" магнітосфери. Він розділений магнітно-нейтральним шаром на два сектори — північний і південний. Магнітні силові лінії секторів зв'язані з полярними областями Землі. В магнітно-нейтральному шарі концентрується щільна і гаряча плазма з температурою близько мільйона градусів, яка своїм тиском перешкоджає анігіляції силових ліній протилежних напрямів у секторах "шлейфу".[2]

Всередині магнітосфери розташовані радіаційні пояси. Вони складаються із заряджених частинок протонів і електронів, захоплених магнітними полем Землі з потоку сонячного вітру. Радіаційні пояси утворюють в атмосфері шар іоносфери і вважаються областю захопленої радіації, вони є мовби магнітними пастками для заряджених частинок космосу.

Магнітне поле наочно проявляється при роботі з компасом: магнітна стрілка в будь-якій точці  земної поверхні встановлюється в певному  напрямі. Кут, який утворюють магнітний  і географічний меридіани, називається магнітним схиленням. Воно обчислюється за північним кінцем стрілки компаса і може бути західним або східним (рис. 2).

Рис. 2. Магнітне схилення

Лінії, що з'єднують точки з однаковим схиленням, називаються ізогонами. Нульова ізогона — це лінія, яка з'єднує точки, в яких стрілка компаса спрямована одночасно на магнітний і географічний полюси. Вона ділить земну кулю на дві частини. Зараз лінія нульового схилення проходить через середні частини Північної та Південної Америки, а в Євразії робить дуже звивистий шлях зі Скандинавії через Центральну Європу до Єгипту, далі до Сомалі і через Гімалаї виходить в море Лаптєвих, звідки знову повертає на південь (див. рис. 3). З метою характеристики земного магнетизму визначають також магнітне нахилення, тобто кут, утворений магнітною стрілкою і горизонтальною площиною. Вільно підвішена магнітна стрілка зберігає горизонтальне положення тільки на лінії магнітного екватора, який не збігається з географічним. На північ і на південь від магнітного екватора стрілка нахиляється до земної поверхні, причому тим більше, чим вища широта. Лінії, що з'єднують точки з однаковим нахиленням, називаються ізоклінами. Оскільки магнітні полюси не збігаються з географічними, ізокліни також не збігаються з параллелями.

Рис. 3. Карта магнітного схилення

Магнітні полюси змінюють своє положення з року в рік. Зараз північний магнітний полюс знаходиться серед островів Канади і має координати 77° пн. ш. і 102е зх. д., а південний магнітний полюс розташовується в Антарктиді близько 65° пд. ш. і 139° сх. д. Вважається доведеним, що 300 млн років тому магнітні полюси знаходилися в сучасній екваторіальній області.

Магнітне поле біля поверхні Землі характеризується також величиною  напруги земного магнетизму. Вона визначається кількістю коливань магнітної  стрілки за одиницю часу, або періодом її коливання, подібно до того, як сила тяжіння визначається періодом коливання маятника. Напруга магнетизму на полюсах більша, ніж на екваторі. Місця найбільшої напруги магнітного поля називаються полюсами напруги.

Як показують результати вимірювань, на поверхні планети часто спостерігаються магнітні аномалії. Вони проявляються у відхиленні значень елементів земного магнетизму від їх середніх величин для даного місця. Розрізняють регіональні і локальні магнітні аномалії. Регіональні охоплюють великі площі, вони викликані глибинними процесами. Прикладом регіональної аномалії є Східносибірська аномалія, де має місце західне схилення замість східного. Локальні магнітні аномалії пов'язані з місцевими особливостями будови земної кори (наприклад, з покладами залізних руд), як, наприклад, в Курську, Кривому Розі.

Магнітне поле зазнає періодичних і неперіодичних  коливань. Найбільш сильні періодичні магнітні коливання одержали назву  магнітних бур. Вони зумовлені змінами  електричних токів в атмосфері  під впливом сонячного вітру.

Магнетизм має велике практичне значення. За допомогою магнітної стрілки визначають напрями сторін горизонту. На встановленні зв'язків магнітних елементів з геологічними структурами базуються магнітометричні методи пошуків корисних копалин. Дослідження палеомагнетизму Землі дозволяє відтворити історію розвитку земної кори. Магнітосфера захищає географічну оболонку Землі від прямого впливу сонячного вітру, від проникнення в нижні шари атмосфери електронів і протонів високих енергій, а отже, змінює вплив космосу на живу природу.[3]

2. Структура  магнітного поля Землі

Магнітне поле на поверхні Землі Н_Т може бути представлене у вигляді векторної суми:

        Н_Т= Н₀+ Н_m+ Н_а +Н_е + σН,

 де  Н₀ – поле однорідної намагніченості земної кулі (дипольне);

Н_m – поле, викликане неоднорідністю глибоких шарів Земної кулі (недипольне, або материкове);

Н_а – поле, зумовлене намагніченістю верхніх частин земної кори (аномальне);

Н_е – поле, зв’язане з зовнішніми причинами;

σН – поле варіацій, також викликане зовнішніми причинами.

Сума дипольного і  недипольного полів називається  головним магнітним полем Землі. Аномальне поле:

Н_а= Н’_а + Н’’_а ,

де Н’_а – регіональна аномалія (викликається зокрема глибокими шарами земної кори і розповсюджується великі площі);

Н’’_а – місцева, або локальна, аномалія (зумовлена менш глибокими шарами земної кори та розповсюджується на обмежені площі).

Існують регіональні  і локальні поля різних порядків; їх розділено умовно. Маються випадки, коли регіональні аномалії викликаються породами, залягаючими близько до земної поверхні (наприклад, Курська магнітна аномалія).[2]

2.1. Нормальне  магнітне поле

Суму полів Н₀, Н_m та Н_е часто називають нормальним магнітним полем Н_н.

Полем Н_е практично нехтують (воно мале), у зв’язку з чим нормальне поле дорівнює головному. Якщо при цьому не беруть до уваги також поле σН, то поле, яке спостерігається, буде сумою нормального і аномального полів:

Н_m=Н_н+Н_а

Якщо необхідно виділити місцеву аномалію, то під нормальним полем розуміють суму:

Н₀+Н_m+Н_е+Н’_а

Коли треба виділити недипольне (залишкове) поле, під нормальним полем розуміють дипольне поле Н₀. Таким чином, поняття нормального поля є умовним, і за нормальне поле приймають ряд різноманітної структури в залежності від того, яку частину аномального поля треба виділити.

В магніторозвідці під нормальним магнітним полем розуміють або  суму дипольного поля і материкової  аномалії, яка охоплює всю територію  колишнього СРСР, на фоні якої треба  виділити ті чи інші регональні аномалії, або базисне магнітне поле, на фоні якого треба виділити місцеву аномалію. Іноді бажаючи підкреслити, що мова йде про нормальне поле, карти якого побудовано Інститутом земного магнетизму, іносфери і розповсюдження радіохвиль АН СРСР (ІЗМІРАН) на всій території колишнього СРСР, говорять про державне нормальне магнітне поле. При будуванні карт нормального поля ІЗМІРАН застосовує методику послідовного графічного згладжування ізоліній магнітного поля, яке спостерігається, поєднуючи іноді графічне згладжування з попереднім арефметичним усередненням (найпростішим магнетичним згладжуванням) елементів земного магнетизму на певних площах. Операція згладжування, якщо вона виконується вручну, повторюється кілька разів (послідовно будують кілька карт, кожна з яких є згладженою відносно попередньої). У теперішній час математичне згладження виконується на електронно-обчислювальних машинах. Побудована таким чином карта нормально поля колишнього СРСР зображує одну аномалію, яка охоплює всю територію колишнього СРСР. Її називають Східно-Сибірською материковою аномалією. Можна припустити, що карта відповідає полю:

Н_н=Н₀ +Н_m

Операція математичного згаджування  служить іноді самостійним способом будування карт нормально поля. На результат усереднення впливають  вибір радіусу усереднення і густота розрахункових точок.

Карти нормального поля ІЗМІРАН широко застосовують у магніторозвідці при будуванні карт магнітних аномалій, особливо для широких територій. Разом з тим карти нормально поля ІЗМІРАН мають і суттєві недоліки, які виражжаються в тому, що для певних територій ріваень нормально поля або зависокий, або занизький. В результаті аномальне магнітне поле на картах, що побудовані на базі такого нормального поля для певних площ, виявляється все без вийнятку або в області від’ємних значень, або лише додатніх. Однак вздовж профілів спостереження видимі коливання аномальних кривих, які мали б різні знаки, якщо був би  врахований місцевий магнітний фон. У зв’язку з цим в ІЗМІРАН уточнюються карти нормального поля шляхом виключення з нього ряду регіональних аномалій, не врахованих раніше.

Операція згладжування ізоліній магнітного поля равнозначна перерахунку його на певну висоту (приблизно 50-500 км). Однак це не означає, що магнітна зйомка на такій висоті могла б дати той  же результат. Перерахунок на висоту проводиться для умов поного вакууму, у дійсності ж на вказаній висоті циркулюють електричні токи. У просторі, заповненому токами, виникає непотенціальне магнітне поле. Воно накладається на потенціальне поле, яке створюється безпосередньо земним шаром, і викривляє його. Крім того, точність перерахунків залежить від показності вихідних даних і способів перерахунку. Тим не менш, у деяких випадках карти нормального поля складаються шляхом перерахунку поля уверх. На рис. 4-6 показані карти нормальних полів відповідно Т_н , Z_н , Н_н , складені в ІЗМІРАН. Нормальне поле Z_н в колишньому СРСР змінюється від 0,6 Е на широті полярного кола і довготі 110° до 0,4 Е на південних кордонах. Нормальне поле Н_н на континентальній території колишнього СРСР змінюється від 0,4 Е в районі півострову Таймир до 0,28 Е на південних кордонах.

Градієнт нормального  поля, або нормальний градієнт, - зміна  нормального поля у заданому напрямку в гамах на одиницю відстані (метр, кілометр). Нормальний градієнт елементів Z_н і Н_н в меридіональному напрямку складає на території колишнього СРСР в середньому 5 гам/км. Нормальний градієнт, знятий з карт нормального поля, відрізняється від градієнта, який був би, якби напруженість поля змінювалася півномірно від магнітного полюса до магнітного екватора. Такий градієнт складав би для Z_н 6 гам/км, для Н_н - 3,5 гам/км.

 Рис. 4. Карта нормального геомагнітного  поля Т_н (епоха 1965 р). [2¹]

Рис. 5. Карта нормального геомагнітного  поля Z_н (епоха 1965 р.) [2¹]

Рис. 6. Карта нормального  геомагнітного поля Н_н (епоха 1965 р.) [2²]

значення ізоліній –  в ерстедах

Нормальнив вертикальний градієнт складає 20-30 гам/км.

Щоб визначити величину необхідного елементу (наприклад, Z_н) нормального геомагнітного поля, необіхдно зняти його значення з ізолінії нормального поля, що проходить через точку, для якої роблять визначення, і ввести поправку за віковий хід. Поправку за віковий хід в цій точці знаходять по відповійній ізолінії на карті ізопор даного елементу та множать на різність років між роком, для якого береться значення елемента, і роком карти ізопор. Поправку алгебраїчно додають до значення елементугеомагітного поля, знятого з карти нормального поля.

Спостережені значення поля, з яких віднімається (для обчислювання аномального поля) нормальне поле з поправкою за віковий хід, попередньо приводять до середньорічного значення шляхом введення поправки за варіацію, що складається з суми двох різностей: між миттєвим і середньодобовим показниками МВС та між середньодобовими і середньорічними показниками обсерваторської МВС.

В результати магнітних зйомок на великих площах вводять також поправку за нормальний градієнт магнітного поля. Її знімають з карти нормального поля у вигляді різностей міжзначеннями ізоліній нормального поля, січних профілів спостережень. Поправку рівномірно розподіляють між точками спостережень по даному профілю (пропорційно відстані між точками спостережень), і відповідні пропорційні долі алгебраїчно складаються з виміряними значеннями поля на кожній точці спостережень. Частіше за все цю поправку вносять графічно.[5]

2.2. Материкове магнітне поле

Материкове поле –  недипольна (неоднорідна) частина головного  магнітного поля Землі. Його називають  також залишковою чистиною головного  магніткого поля Землі (залишкове поле). Для виділення материкового поля по формулам вичисляють поле однорідного намагнічення та віднімають його з нормального магнітного поля. Таку опрецію вперше виконав у 1899 р. Л. Пауер для епохи 1895 р. Пізніше карти материкових магнітних полів  для  різних  епох  (1907, 1912, 1942 роки)  побудовані  Є. Вестиним. На рис. 7 показані ізолінії вертикальної складової материкового поля по В. П. Орлову.

Рис. 7. Вертикальна складова материкового поля для епохи 1955 р. [2³]

(За В. П. Орловим)

1 – ізолінії додатних  значень; 2 – ізолінії від’ємних  значень; 3 – ізолінії нульових значень; значення ізоліній – в тисячах грам

На поверхні Землі  мається шість материкових аномалій. Найбільш інтенсивною є Східно-Азіатська  материкова аномалія (φ=45° п. ш.,  λ=100° с. д.,  Z_m=0,175 Е для епохи 1950 р.) вона охоплює весь азіатський материк і частину Європейського, значення вертикальної складової в її епіцентрі складає 30% нормального поля. Велика материкова аномалія розташована у Західній Африці.

До теперішнього часу ще не вироблена єдина точка зору відносно того, чи мають фізичну  реальність материкові аномалії, або вони є наслідком формальних математичних операцій. Якщо вірна перша точка зору, то виникає питання про джерела материкових аномалій та, зокрема, про глибину їх залягання. Якщо материкові аномалії викликані намагніченими породами, глибина джерел не може бути більше 100-120 км, тому що глибше породи повинні знаходитись при температурі вище точки Кюрі. Можливо, материкові аномалії зумовлені глибинними електричними токами, що може бути при достатньо більшій провідності середовища, яка передбачається на глибині, рівній половині земного радіусу (3000 км) поблизу ядра.

Якщо вірно твердження Е. Буларда про те, що вся недипольна частина головного поля пересувається  до заходу зі швидкістю 0,18±0°,015 в рік (західний дрейф), то єдиним поясненням материкових аномалій може бути гіпотеза про наявність вихрових токів на межі ядро-оболонка Землі. [2]

2.3. Магнітні  аномалії та їх геологічні  причини

Основними критеріями наявності  магнітної аномалії на ділянці є  знінення градієнтів елементів земного магнетизму відносно їх значень, які приймаються за нормальні.

Градієнт напруженості нормального поля складає декілька грамів на 1 км, а градієнт аномального  поля досягає десятків і навіть сотень грам на 1 км, в деяких випадках аномальне  поле змінюється на десятки та сотні грам навіть у межах декількох метрів (на ділянках неглибокого залягання сильно магнітних порід). Разом з тим, інтенсивність аномалій здебільшого не перевищує 10 % інтенсивності нормального магнітного поля Землі, що складає для вертикальної складової декілька тисяч грам. Однак іноді аномальне поле за своєю інтенсивністю перевищує нормальне. Наприклад, інтенсивність Курської магнітної анмалії (КМА) досягає 1,80 Е (при чому близька до цієї величини інтенсивність спостерігається напротязі кількох сотень кілометрів), нормального поля складає 0,46 Е.

Регіональні аномалії простираються  на десятки і сотні кілометрів, локальні – займають площі від  кількох десятків квадратних кілометрів до кількох кв. метрів.