15.44 Как характеризуется общая циркуляция воздуха?

Общей циркуляцией атмосферы называют замкнутые течения воздушных масс в масштабах полушария или всего земного шара, приводящие к широтному и меридиональному переносу вещества и энергии в атмосфере. Главной причиной возникновения воздушных течений в атмосфере служит неравномерное распределение тепла на поверхности Земли, что приводит к неодинаковому нагреванию почвы и воздуха в различных поясах земного шара. Таким образом, солнечная энергия является первопричиной всех движений в воздушной оболочке Земли. Кроме притока солнечной энергии к важнейшим факторам, вызывающим возникновение ветра, относятся также вращение Земли вокруг своей оси, неоднородность подстилающей поверхности и трение воздуха о почву. В земной атмосфере наблюдаются воздушные движения самых различных масштабов – от десятков и сотен метров (местные ветры) до сотен и тысяч километров (циклоны, антициклоны, муссоны, пассаты, планетарные фронтальные зоны). Простейшая схема глобальной циркуляции атмосферы была составлена более 200 лет назад. Ее основные положения не потеряли своего значения и до сих пор.

Основной причиной атмосферных движений является неоднородность нагревания различных участков поверхности Земли и атмосферы. Подъем теплого и опускание холодного воздуха на вращающейся Земле сопровождается формированием циркуляционных систем различного масштаба. Совокупность крупномасштабных атмосферных движений получила название общей циркуляции атмосферы.

16.Магнитное поле Земли

16.1Какая природа земного магнетизма?

Вероятно, магнитное поле Земли обусловлено силами, порождаемыми ее внешним ядром — железной оболочкой, которая располагается на глубине около 2900 км под поверхностью. Давление на такой глубине очень велико, и температура превышает 4000 °С. При такой температуре железо находится в жидком состоянии. Из-за вращения Земли потоки расплавленного железа закручиваются подобно штопору, их движение порождает электричество, а оно, в свою очередь, создает магнитное поле, окружающее земной шар и защищающее нас от облучения частицами с высокой энергией, которыми Солнце бомбардирует Землю. Однако некоторые частицы притягиваются магнитными полюсами, вызывая сполохи на ночном небе — полярное сияние.

16.2 Какими параметрами характеризуется земной магнетизм?

Точки Земли, в которых напряжённость магнитного поля имеет вертикальное направление, называют магнитными полюсами. Таких точек на Земле две: северный магнитный полюс и южный магнитный полюс.

Прямая, проходящая через магнитные полюсы, называется магнитной осью Земли. Окружность большого круга в плоскости, которая перпендикулярна к магнитной оси, называется магнитным экватором. Вектор магнитного поля в точках магнитного экватора имеет приблизительно горизонтальное направление.

Средняя напряжённость поля на поверхности Земли составляет около 0,5 Э (40 А/м) и сильно зависит от географического положения.[1] Напряжённость магнитного поля на магнитном экваторе около 0,34 Э (Эрстед), у магнитных полюсов около 0,66 Э. В

196

некоторых районах (в так называемых районах магнитных аномалий) напряжённость резко возрастает. В районе Курской магнитной аномалии она достигает 2 Э.

Дипольный магнитный момент Земли на 1995 год составлял 7,812·1025 Гс·см³ (или 7,812·1022 А·м²), уменьшаясь в среднем за последние десятилетия на 0,004·1025 Гс·см³ или на 1/4000 в год.

Распространена аппроксимация магнитного поля Земли в виде ряда по гармоникам — ряд Гаусса.

Для магнитного поля Земли характерны возмущения, называемые геомагнитными пульсациями вследствие возбуждения гидромагнитных волн в магнитосфере Земли; частотный диапазон пульсаций простирается от миллигерц до одного килогерца.

16.3 Где расположены магнитные полюса – Северный и Южный?

Расположение северного магнитного полюса не совпадает с географическим северным полюсом. Примерно с начала XVII века полюс располагается под паковыми льдами в границах нынешней канадской Арктики. Это приводит к тому, что стрелка компаса показывает на север не точно, а лишь приблизительно.

Каждый день полюс движется по эллиптической траектории, и, кроме того, смещается в северном и северо-западном направлении со скоростью около 10 км в год, поэтому любые его координаты являются временными и неточными. Со второй половины ХХ века полюс довольно быстро движется в сторону Таймыра. В 2009 году скорость движения северного магнитного полюса составляла 64 километра в год.

Как заявил в 2005 году в Оттаве руководитель геомагнитной лаборатории канадского министерства природных ресурсов Ларри Ньюитт, северный магнитный полюс Земли, как минимум 400 лет «принадлежавший» Канаде, «покинул» эту страну. Имеющий свойство перемещаться магнитный полюс, примерно с начала ХVII века располагавшийся под паковыми льдами в границах нынешней канадской Арктики, вышел за пределы 200мильной зоны Канады.

Расположение южного магнитного полюса также не совпадает с географическим южным полюсом. В настоящее время он лежит на краю Антарктиды.

16.4 В чем выражается напряженность магнитного поля?

Напряженность магнитного поля Земли невелика: от 0 34 эрстеда на экваторе до 0 66

эрстеда у полюсов. Исключением являются отдельные районы магнитной аномалии, где напряженность магнитного поля Земли больше в связи с залежами магнетитовых и других железных руд. Так, в районе сильнейшей в мире Курской магнитной аномалии над мощными пластами железных руд вертикальная составляющая напряженности поля в некоторых местах достигает 2 эрстед; эти места окаймлены полосами, где горизонтальная составляющая напряженности поля при резких изменениях склонения вместо нормальной для этой широты величины ( около 0 2 эрстеда) достигает 1 1 эрстеда.

Напряженность магнитного поля Земли составляет обычно 40 А / м, а во время магнитных бурь подвергается сильному изменению. Магнитные бури, главным образом, вызываются сконцентрированным потоком корпускул ( протонов), которые обладают собственным магнитным полем. Поток, нарушающий магнитной поле Земли, характеризуется величиной Ак. Во время магнитных бурь часть заряженных частиц, проникая с поясов радиации в низшие слои атмосферы, приводит к ее дополнительной ионизации.

Горизонтальная составляющая напряженности магнитного поля Земли почти всюду направлена под некоторым углом к направлению географического меридиана; этот угол

197

называют магнитным склонением, его измеряют при помощи деклинаторов, простейшим деклинатором является магнитный компас.

16.5Роль земного магнетизма в жизни на Земле?

Впространстве, окружающем Землю, существует магнитное поле, которое играет исключительную роль в жизни нашей планеты:

•магнитное поле Земли защищает поверхность Земли от проникновения от Солнца и из Космоса частиц высоких энергий;

•является ориентиром морской, воздушной, подводной и спутниковой навигации, а также подземных маркшейдерских съемок;

•позволяет производить разведку полезных ископаемых;

•дает качественно новую информацию о внутреннем строении и эволюции Земли, глубинном состоянии вещества ее недр и ее верхней атмосфере (магнитосфере);

•магнитные бури несут информацию о сложных взаимодействиях верхней атмосферы Земли с корпускулярным излучением Солнца (солнечным ветром).

16.6Что относится к основному магнитному полю?

По форме основное магнитное поле Земли до расстояний менее трех радиусов близко к полю эквивалентного магнитного диполя. Его центр смещен относительно центра Земли в направлении на 18° с.ш. и 147,8° в. д. Ось этого диполя наклонена к оси вращения Земли на 11,5°. На такой же угол геомагнитные полюса отстоят от соответствующих географических полюсов. При этом южный геомагнитный полюс находится в северном полушарии. В настоящее время он расположен недалеко от северного географического полюса Земли в Северной Гренландии. Его координатыj = 78,6 + 0,04° Т с.ш., l = 70,1 + 0,07° T з.д., где Т – число десятилетий от 1970. У cеверного магнитного полюса j = 75° ю.ш., l = 120,4° в.д. (в Антарктиде). Реальные магнитные силовые линии магнитного поля Земли в среднем близки к силовым линиям этого диполя, отличаясь от них местными нерегулярностями, связанными с наличием намагниченных пород в коре. В результате вековых вариаций геомагнитный полюс прецессирует относительно географического полюса с периодом около 1200 лет. На больших расстояниях магнитное поле Земли несимметрично. Под действием исходящего от Солнца потока плазмы (солнечного ветра) магнитное поле Земли искажается и приобретает «шлейф» в направлении от Солнца, который простирается на сотни тысяч километров, выходя за орбиту Луны.

16.7 Что такое переменное геомагнитное поле?

Переменное магнитное поле Земли (так же называемое внешним) определяется источниками в виде токовых систем, находящимися за пределами земной поверхности и в ее атмосфере. Основными источниками таких полей и их изменений являются корпускулярные потоки замагниченной плазмы, приходящие от Солнца вместе с солнечным ветром, и формирующие структуру и форму земной магнитосферы.

Земное магнитное поле находится под воздействием потока намагниченной солнечной плазмы. В результате взаимодействия с полем Земли образуется внешняя граница околоземного магнитного поля, называемая магнитопаузой. Она ограничивает земную магнитосферу. Из-за воздействия солнечных корпускулярных потоков размеры и форма магнитосферы постоянно меняются, и возникает переменное магнитное поле, определяемое внешними источниками. Его переменность обязана своим происхождением токовым системам, развивающимся на различных высотах от нижних слоев ионосферы до

198

магнитопаузы. Изменения магнитного поля Земли во времени, вызванные различными причинами, называются геомагнитными вариациями, которые различаются как по своей длительности, так и по локализации на Земле и в ее атмосфере.

16.8 Какие известны магнитные аномалии?

По величине охватываемой территории Магнитные аномалии делятся на континентальные, региональные и локальные. Континентальные Магнитные аномалии распространяются на площадь 10—100 тысяч км2. Для них нормальным полем является поле однородно намагниченного шара (поле диполя). По современным представлениям, они связаны с особенностями движения вещества в ядре Земли, то есть входят в главное геомагнитное поле. Наиболее крупные континентальные Магнитные аномалии известны в Восточной Сибири и в районе Зондских островов.

Региональные Магнитные аномалии, охватывающие площадь 1—10 тысяч км2, вызываются особенностями строения земной коры (главным образом кристаллического фундамента) и выделяются на фоне главного геомагнитного поля (поле диполя + континент. Магнитные аномалии) (известны на Сибирской, Восточно-Европейской платформах и в других районах), Локальные Магнитные аномалии охватывают территорию от нескольких м2 до сотен км2, вызываются неоднородностью строения верхних частей земной коры или особенностями намагниченности горных пород (например, вследствие удара молнии). Часто локальные Магнитные аномалии связаны с залежами полезных ископаемых, поэтому их изучение с помощью магнитной разведки имеет большое практическое значение.

Наиболее интенсивные Магнитные аномалии наблюдаются в области залегания железных руд и других железосодержащих пород (например, Криворожская и Курская Магнитные аномалии определяются залежами железистых кварцитов, Магнитные аномалии в районе горы Магнитной на Урале и горы Кирунавара в Швеции связаны с залежами магнетита).

16.9 Какое происхождение основного геомагнитного поля?

Наблюдаемые свойства магнитного поля Земли согласуются с представлением о его возникновении благодаря механизму гидромагнитного динамо. В этом процессе первоначальное магнитное поле усиливается в результате движений (обычно конвективных или турбулентных) электропроводящего вещества в жидком ядре планеты или в плазме звезды. При температуре вещества в несколько тысяч К его проводимость достаточно высока, чтобы конвективные движения, происходящие даже в слабо намагниченной среде, могли возбуждать изменяющиеся электрические токи, способные, в соответствии с законами электромагнитной индукции, создавать новые магнитные поля. Затухание этих полей либо создает тепловую энергию (по закону Джоуля), либо приводит к возникновению новых магнитных полей. В зависимости от характера движений эти поля могут либо ослаблять, либо усиливать исходные поля. Для усиления поля достаточно определенной асимметрии движений. Таким образом, необходимым условием гидромагнитного динамо является само наличие движений в проводящей среде, а достаточным – наличие определенной асимметрии (спиральности) внутренних потоков среды. При выполнении этих условий процесс усиления продолжается до тех пор, пока растущие с увеличением силы токов потери на джоулево тепло не уравновесят приток энергии, поступающей за счет гидродинамических движений.

Динамо-эффект – самовозбуждение и поддержание в стационарном состоянии магнитных полей вследствие движения проводящей жидкости или газовой плазмы. Его

199