Магнитосфера Земли и последствия ее изменения

Министерство  образования и науки Российской Федерации

ФГОУ СПО Перевозский строительный колледж

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

По дисциплине: Физика

Тема: Магнитосфера Земли и последствия ее изменения.

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил  студент группы 1-111: Айсин И.К.

Проверила преподаватель: Прокофьева Л.В.

 

 

 

 

 

Перевоз 2011

Магнитосфера Земли и  последствия ее изменения

Постепенное ослабевание  магнитного поля планеты может занять сотни, а то и тысячи лет. Но не столь  серьезные флуктуации могут длиться  месяцами и на некоторое время  оставлять все искусственные  спутники практически беззащитными. По крайней мере, такую картину  открывает исследование, обобщившее данные, собранные орбитальными аппаратами за последние 9 лет. На их основе ученые выстроили модель, показывающую, как  внезапные изменения течений  в жидком ядре Земли меняют магнитосферу нашей планеты.

 

«Такие изменения, – говорит  один из участников исследования, геофизик из Германии Миоара Мандэ (Mioara Mandea), –  особенно ярко наблюдаются в районе Южной Атлантики, над которой  магнитосфера планеты имеет наименьшую толщину, примерно втрое меньше средней». Впрочем, эта Южно-Атлантическая  аномалия известна уже довольно давно  и не представляет собой серьезной  опасности – так, что-то вроде  «дупла» в надежном магнитном  щите, оберегающем нашу планету, а  в определенные периоды накрывающем  даже Луну:

Среди опасностей, с которыми столкнутся люди при освоении Луны, важное место занимает космическая  радиация и потоки солнечного ветра. Однако удалось рассчитать периоды, в течение которых их даже там  надежно защитит наша родная Земля.

Луну от Земли  отделяют около 385 тыс. км, и когда  люди снова окажутся на ней, им придется столкнуться со смертельно опасным  воздействием космической радиации, от которой мы надежно защищены влиянием магнитного поля нашей планеты. Еще  одна опасность – бури на Солнце. В считанные минуты взвихренные  ими заряженные частицы достигают  лунной поверхности, грозя и электронике, и людям.

Чтобы избежать потенциального риска, придется возвести надежно защищенную базу или, по крайней  мере, разместить ее в глубокой ложбине, укрытой толстыми и высокими холмами  лунного грунта. Ну а людям, работающим снаружи, придется быть постоянно на стороже: как только со спутников  поступит сигнал о приближении солнечного ветра, они должны будут успеть в  укрытие.

По крайней  мере, так считалось до сих пор. Однако новое исследование, проведенное  группой Эрики Харнетт (Erika Harnett), показывает, что время от времени  «заботливая длань» земной магнитосферы сможет защитить людей и там. Астрономам и ранее было известно, что время  от времени Луна проходит в границах земной магнитосферы, отклоняющей потоки заряженных частиц. Теперь же, когда  ученые смоделировали этот процесс  на компьютере, удалось в точности вычислить время, в течение которого люди смогут чувствовать себя почти  в полной безопасности.

Заметим, что  излучение – далеко не единственная опасность, которая может грозить  будущей лунной базе. Среди других – местная пыль, мельчайшая и  даже ядовитая.

Земная магнитосфера создается вращением расплавленного электропроводящего ядра нашей планеты  и простирается примерно на 58 тыс. км в космос. Это поле образует своего рода «кокон», имеющий форму вытянутой  капли и оберегающий планету  от целого ряда неприятностей –  прежде всего, от космических лучей  и от особенно вредной солнечной  радиации.

Последняя серьезная  перемена в этой картине произошла  примерно 780 тыс. лет назад, когда  магнитные полюса Земли поменялись местами (такое происходит время  от времени). Такой процесс сопровождается временным ослаблением магнитного поля, за которым следует период быстрого восстановления и реорганизации, уже с новой полярностью. Некоторые  исследования говорят о том, что  следующая смена полюсов уже  очень и очень близка – впрочем, эти данные еще далеко не определенны.

Наблюдения  за взаимодействиями между расплавленным  ядром Земли и порождаемым  им магнитным полем немецкие ученые ведут с помощью орбитальных  спутников Oersted и CHAMP. На основе собранных  этими аппаратами данных удалось  создать модель движения ядра, которая прекрасно согласуется с изменениями, фиксируемыми в магнитосфере. Ученые считают, что ослабление магнитного поля в области Южно-Атлантической аномалии может служить серьезным предупреждением: если оно свидетельствует об общем ослаблении магнитосферы, то мы не можем быть спокойны за орбитальные спутники, которые могут оказаться практически лицом к лицу с жесткой радиацией и потоками высокоэнергетических частиц, исходящими от Солнца. В норме магнитосфера под этими воздействиями деформируется (взгляните на рисунок слева – поток солнечного ветра деформирует земную магнитосферу), но отклоняет эти течения.

Еще один признак  приближающейся смены полюсов –  общее ослабление магнитного поля Земли, которое за последние 150 лет ослабло, по расчетам, примерно на 10%. Так что  Миоара Мандэ с коллегами продолжают исследования, стараясь построить максимально  точную модель, которая позволит с  уверенностью сказать, когда нас  ждет эта большая магнитная катастрофа.

Кстати, по некоторым  данным, магнитное поле нашей планеты  может способствовать распространению  жизни в дальнем космосе. Об этом ниже.

 

Магнитные миграции или Споры  Жизни

 

Магнитное поле Земли способно отправлять микроорганизмы в межпланетные и даже межзвездные путешествия.

Гипотеза, согласно которой бактерии и простейшие микроорганизмы способны путешествовать с одной  планеты на другую, долгое время  не принималась всерьез научным  сообществом. Однако в конце XX в. ситуация сильно изменилась. Во-первых, в 1990 году были найдены метеориты, состоящие  из марсианской породы. Во-вторых, выяснилось, что многие микроорганизмы, а в  особенности споры бактерий, обладают поразительными способностями длительное время переносить жесткие условия  открытого космоса, и затем вновь  активизироваться в более благоприятной  среде. Если сопоставить эти открытия, идея о межпланетном переселении  простейших форм жизни на метеоритах выглядит вовсе не фантастически.

Тем не менее  у скептиков остается весьма сильный  аргумент против данной концепции. Чтобы  подобное путешествие стало потенциально возможным, в поверхность планеты  должен удариться не просто метеорит, а гигантский астероид – энергии  столкновения должно хватить на то, чтобы вырвать из ее поверхности  кусок скальной породы и придать  ему ускорение, достаточное для  межпланетного путешествия. В процессе такого соударения происходит разрушительный взрыв, в чреве которого у бактерий остается совсем немного шансов на выживание. Кроме того, столь гигантские астероиды падают на планеты не так  уж часто, и еще реже им удается  выбить из ее поверхности тело с  достаточным для выхода в космос ускорением. Ну а вероятность того, что оно в скором времени упадет на другую планету, и вовсе исчезающее мала.

Однако согласно расчетам американского исследователя  магнитного поля Земли Тома Деела (Tom Dehel), существует еще один фактор, подтверждающий предположение о способности  планет обмениваться спорами жизни. Оказывается, флуктуации магнитных  полей в верхних слоях атмосферы  вполне способны вырвать обладающую электрическим зарядом бактерию из гравитационного плена. Интересно, что предположение о способности  магнитного поля земли поднимать  и удерживать электрически заряженные бактерии на больших высотах было высказано еще в 1908 г. химиком  Сванте Аррениусом. Однако тогда еще  не существовало исследовательских  инструментов, способных подтвердить  это предположение экспериментально. Это было сделано лишь в наши дни.

Из выкладок Тома Деела следует, что бактерии, несущие электрический заряд, могут  долгое время оставаться в верхних  слоях атмосферы, где притяжение планеты будет уравновешиваться магнитными силами. Здесь некоторые  из них, по-видимому, сохраняют даже способность к размножению, постепенно адаптируясь к среде, переходной от космоса к нормальной атмосфере, что впоследствии сильно повышает их шансы на успешный космический перелет.

Путешествие бактерий может начаться в составе  магнитосферных плазмоидов – структур заключенного в магнитных полях  ионизированного газа, которые периодически выталкиваются земной магнитосферой. Скорость этих образований часто  достаточна для того, чтобы не только преодолеть земную гравитацию, но даже и вырваться за пределы солнечной  системы. Самое примечательное, что  магнитосферные плазмоиды образуются постоянно, в отличие от гигантских астероидов, посещающих нашу планету  не каждую сотню миллионов лет. Таким  образом бактерии могут путешествовать к другим планетам, звездам и даже (по крайней мере, теоретически) –  к соседним галактикам.

 

Магнитосферы планет и  деформация магнитосферы планеты звездным ветром

 

Магнитосфера — область  пространства вокруг небесного тела, в которой поведение окружающей тело плазмы определяется магнитным  полем этого тела.

 

В случае набегающего потока плазмы, например, в случае взаимодействия планет с собственным магнитным  полем с солнечным ветром, магнитосфера представляет полость достаточно сложной  формы, обтекаемую солнечным ветром.

Проникновение плазмы в магнитосферу Земли происходит непосредственно  через промежутки между замкнутыми и «разомкнутыми» магнитными силовыми линиями в магнитопаузе, именуемые  дневными полярными каспами, или  вследствие гидромагнитных эффектов и  неустойчивостей. Проникновение солнечноветровой плазмы может сопровождаться дневными полярными сияниямив высокоширотной ионосфере. К развитию таких неустойчивостей  приводят, в частности, резкие изменения  параметров межпланетной среды. Это  проявляется в зависимости частоты  и интенсивности полярных сияний от уровня солнечной активности.

Часть плазмы, проникшей в  магнитосферу, образует радиационный пояс планеты (пояс Ван Аллена) и  плазменный слой.

В Солнечной Системе, помимо Земли, магнитосфера имеется у всех планет, кроме Меркурия.

 

Космические лучи — элементарные частицы и ядра атомов, родившиеся и ускоренные до высоких энергий  во Вселенной.

 

Физика космических лучей  изучает:

 

— процессы, приводящие к  возникновению и ускорению космических  лучей;

— частицы космических  лучей, их природу и свойства;

— явления, вызванные частицами  космических лучей в космическом  пространстве, атмосфере Земли и  планет.

 

Изучение потоков высокоэнергетичных заряженных и нейтральных частиц, попадающий в магнитосферу Земли  из космического пространства (первичные  лучи), а также потоков вторичных  частиц, родившихся в ядерных реакциях в верхних слоях земной атмосферы  является важнейшими экспериментальными задачами.

Космические лучи являются составляющей естественной радиации (фоновой радиации) на поверхности земли и в атмосфере.

До развития ускорительной  техники космические лучи служили  единственным источником элементарных частиц высокой энергии. Так, позитрон и мюон были впервые найдены в  космических лучах.

Химический спектр космических  лучей в пересчете энергии  на нуклон более чем на 94 % состоит  из протонов, ещё на 4 % — из ядер гелия (альфа-частиц). Есть также ядра других элементов, но их доля значительно меньше. В пересчете энергии на частицу  доля протонов составляет около 35 %, доля тяжёлых ядер соответственно больше.

Традиционно частицы, наблюдаемые  в КЛ, делят на следующие группы: L, M, H, VH (соответственно, легкие, средние, тяжелые и сверхтяжелые). Особенностью химического состава первичного космического излучения является аномально  высокое (в несколько тысяч раз) содержание ядер группы L (литий, бериллий, бор) по сравнению с составом звёзд  и межзвёздного газа. Данное явление  объясняется тем, что частицы  КЛ под воздействием галактического магнитного поля хаотически блуждают в пространстве около 7 млн лет, прежде чем достигнуть Земли. За это время  ядра группы VH могут неупруго провзаимодействовать с протонами межзвёздного газа и  расколоться на более легкие фракции. Данное предположение подтверждается тем, что КЛ обладают очень высокой  степенью изотропии.

 

Вторичные частицы в магнитосфере Земли: частицы альбедо, радиационный пояс

 

Внутри магнитосферы, как  и в любом дипольном поле, есть области, недоступные для частиц с кинетической энергией E, меньше критической. Те же частицы с энергией E<Eкр, которые  все-таки уже там находятся, не могут  эти области покинуть. Эти запрещённые  области магнитосферы называются зонами захвата. В зонах захвата дипольного (квазидипольного) поля Земли действительно  удерживаются значительные потоки захваченных  частиц (прежде всего, протонов и электронов).

 

В околоземном пространстве можно выделить две торообразные области, расположенные в экваториальной плоскости примерно на расстоянии от 300 км (в зоне БМА) до 6000 км (внутренний РПЗ) и от 12000 км до 40000 км (внешний  РПЗ). Основным наполнением внутреннего  пояса являются протоны с высокими энергиями от 1 до 1000 МэВ, а внешнего — электроны.

Максимум  интенсивности протонов низких энергий  расположен на расстояниях L~3 радиусов Земли от её центра. Малоэнергичные электроны заполняют всю область  захвата. Для них нет разделения на внутренний и внешний пояса. Поток  протонов во внутреннем поясе довольно устойчив во времени. Процесс взаимодействия ядер первичного космического излучения  с атмосферой сопровождается возникновением нейтронов. Поток нейтронов, идущий от Земли (нейтроны альбедо), беспрепятственно проходит сквозь магнитное поле Земли. Поскольку нейтроны нестабильны (среднее  время распада ~ 900 с), часть из них  распадается в зонах, недоступных  для заряженных частиц малых энергий. Таким образом, продукты распада  нейтронов (протоны и электроны) рождаются прямо в зонах захвата. В зависимости от энергии и  питч-углов эти протоны и электроны  могут либо оказаться захваченными, либо покинуть эту область.

 

Частицы альбедо — это  вторичные частицы, отраженные от атмосферы  Земли. Нейтроны альбедо обеспечивают радиационный пояс протонами с энергией до 103 МэВ и электронами с энергией до нескольких МэВ.