что такое геомагнитное поле
Правда ли, что магнитные бури влияют на здоровье человека?
Сильная магнитная буря может нарушить работу электросети или серьезно повредить искусственный спутник Земли.
Но повлиять на работу клеток, тканей или органов человека магнитные бури неспособны.
Существуют ли магнитные бури
Да. Порой магнитная буря — весьма яркое событие, не заметить которое очень сложно.
Самая сильная зарегистрированная магнитная буря случилась 1—2 сентября 1859 года. Из-за нее вышли из строя телеграфные линии в США, а жители Кубы, Ямайки и Багамских островов посреди ночи наблюдали в небе северное сияние. Причем оно было таким ярким, что спящие птицы проснулись и начали щебетать, а люди встали и пошли на работу, потому что подумали, что уже утро.
Происшествие получилось таким запоминающимся, что ему дали собственное имя — Кэррингтонское событие, в честь астронома Ричарда Кэррингтона, который первым сообщил о нем.
Супермагнитная буря 1989 года—Официальный журнал Общества геонаук Азии и Океании
Но даже менее масштабные бури иногда попадают в историю. Например, из-за электромагнитной бури 13—14 марта 1989 года в канадском Квебеке отключились трансформаторы, так что в городе больше 9 часов не было электроэнергии.
А во время магнитной бури, которая длилась с 19 октября по 5 ноября 2003 года, на несколько часов отключалась радиосвязь и примерно 30 часов не работала американская навигационная система для самолетов. В космосе происшествия были еще серьезнее: магнитная буря серьезно повредила японский спутник ADEOS-2.
К счастью, такие крупные магнитные бури возникают довольно редко — примерно раз в два с половиной года. Гораздо чаще, примерно раз в два-три дня, возникают слабые бури, способные вызвать только слабые колебания электросети.
Курс о больших делах
Что вообще такое магнитная буря
Солнце — не только источник жизни на нашей планете, но и генератор мощного электромагнитного излучения. Обычно оно работает в относительно спокойном режиме. Но иногда на Солнце происходят вспышки — мощные выбросы энергии, которые длятся от нескольких минут до нескольких часов.
Если вспышка происходит на стороне Солнца, обращенной к Земле, через два-три дня излучение достигает нашей планеты. Так как у излучения очень много энергии, по дороге оно может повредить космические аппараты — как это и произошло с японским спутником в 2003 году.
Но излучение не обрушивается на поверхность нашей планеты и обитающих на ней людей и животных, потому что у нас есть отличная «встроенная защита» — расплавленное железное ядро Земли. Оно превращает планету в гигантский магнит, окруженный собственным магнитным полем.
Когда поток электромагнитного излучения Солнца долетает до Земли, он ударяет в магнитное поле нашей планеты. В результате магнитное поле Земли начинает колебаться. Это и есть магнитные, или геомагнитные бури — эти два понятия обозначают одно и то же.
Если магнитная буря достаточно сильная, колеблющееся магнитное поле создает во всех проводах на земной поверхности электрический ток — даже если они были обесточены. Если же в проводах уже бежал ток, магнитная буря его усиливает. Именно по этой причине во время Кэррингтонского события перестал работать телеграф.
При этом большую часть электромагнитного излучения магнитное поле Земли переправляет на Северный и Южный полюса. Когда атомы и молекулы, из которых состоят верхние слои атмосферы, получают избыточную энергию от солнечного излучения, в небе в этих областях земного шара возникает полярное сияние.
Как магнитные бури влияют на человека
Найти ответ на этот вопрос пытается гелиобиология — научное направление, которое изучает влияние солнечной активности, в том числе геомагнитных бурь, на здоровье человека. Это научное направление в 30-х годах прошлого века основал российский физик Александр Чижевский.
Обзор гелиобиологических исследований за 20 лет — Открытый журнал биомедицинских наукPDF, 329 КБ
Гелиобиологи пытаются выяснить, есть ли связь между магнитными бурями и психическими заболеваниями, смертностью от сердечно-сосудистых заболеваний и обострениями болезней нервной системы. Но с самим научным направлением есть ряд концептуальных проблем.
С точки зрения физики при магнитной буре возникает гигантское переменное магнитное поле. Теоретически такие поля способны вызывать в теле человека лишний электрический ток, который мог бы нарушить работу нервных клеток, ведь они передают информацию от тела к мозгу и обратно при помощи электричества.
Колебания магнитных полей, к которым приводят магнитные бури — Организация экономического сотрудничества и развитияPDF, 1,86 МБ
Электричество и здоровье — Бельгийская биоэлектромагнитная группаPDF, 510 КБ
Но на практике этого не происходит. Чтобы разобраться почему, придется углубиться в физические тонкости.
Интенсивность воздействия магнитных полей принято измерять в теслах. Магнитное поле Земли, которое защищает нас от лишней солнечной энергии и которое начинает колебаться при магнитных бурях, воздействует на нашу планету с интенсивностью примерно 30 микротесла.
Во время Кэррингтонского события магнитное поле Земли колебалось с амплитудой в 1,76 микротесла. Этого достаточно, чтобы электрический ток возник в длинных металлических проводах, но недостаточно, чтобы лишний ток появился в человеческом теле.
Во время более слабых магнитных бурь колебание магнитного поля Земли еще меньше — как правило, оно не превышает 0,5 микротесла. Магнитный поток такой же интенсивности воздействия образуется в центре обычного канадского города и без всяких магнитных бурь: его создает бегущий по проводам электрический ток и работающие электроприборы, которыми пользуются горожане.
Поэтому большинство международных организаций считает, что организм человека эволюционно приспособлен к воздействию магнитного поля Земли и его незначительным колебаниям во время магнитных бурь.
Теоретически есть еще один механизм, при помощи которого магнитные бури способны влиять на живых существ. Некоторые животные — например, лососи, морские черепахи, медоносные пчелы и перелетные птицы — способны использовать геомагнитное поле Земли, чтобы ориентироваться в пространстве. Как именно они это делают, мы пока не знаем, но уже есть несколько предположений.
Например, в глазах перелетных птиц есть белок криптохром. Возможно, благодаря ему птицы буквально видят геомагнитное поле Земли. Если это действительно так, вполне возможно, что магнитные бури способны на время сбить перелетных птиц и других животных-навигаторов с верного пути.
Криптохром и магниторецепция животных — Журнал группы теоретической и вычислительной биофизики
Но у людей криптохромов и связанного с ними «геомагнитного чувства» нет. Магнитные бури не мешают нам ориентироваться в пространстве. Это природное явление просто лежит вне пределов нашего восприятия.
Зачем информацию о вспышках на Солнце передают в новостях
С новостями вообще интересно. Так, видимо, и появился миф о влиянии геомагнитных бурь на организм человека: люди не понимали смысла этих сообщений в прогнозах. На самом деле они предназначены для технических специалистов — например, для тех, кто отвечает за навигацию.
Судя по данным, которые у нас есть, геомагнитные бури опасны только для электросетей, навигационных устройств, космических аппаратов на орбите Земли. Ощутимого влияния на людей они не оказывают, так что нет смысла принимать лекарства или устанавливать дома какие бы то ни было приборы, якобы способные защитить от магнитных бурь.
Как пережить магнитную бурю
Возможно, люди, которые жалуются на геомагнитные бури, на самом деле страдают от эффекта ноцебо. Это то же самое, что эффект плацебо, но наоборот. Возможно, эти люди так уверены во вреде электромагнитных бурь, что действительно начинают испытывать неприятные ощущения.
Однако это не означает, что подобные пациенты выдумывают неприятные симптомы или притворяются, что болеют. Их жалобы могут быть симптомом тревожного расстройства, связанного с беспокойством о здоровье. Это состояние может сильно испортить человеку жизнь, но, к счастью, неплохо изучено в современной медицине. Чтобы избавиться от неприятных ощущений, имеет смысл проконсультироваться с психотерапевтом.
Магнитные бури: природа и влияние на человека. Справка
Геомагнитные бури – возмущение магнитного поля Земли длительностью от нескольких часов до нескольких суток, вызванное поступлением в окрестности Земли возмущенных высокоскоростных потоков солнечного ветра и связанной с ними ударной волны. Геомагнитные бури происходят в основном в средних и низких широтах Земли.
В результате вспышек на Солнце в космическое пространство выбрасывается огромное количество вещества (в основном протонов и электронов), часть которого, двигаясь со скоростью 400–1000 км/с, за один – два дня достигает земной атмосферы. Магнитное поле Земли захватывает из космического пространства заряженные частицы. Слишком сильный поток частиц возмущает магнитное поле планеты, из-за чего быстро и сильно изменяются характеристики магнитного поля.
Таким образом, геомагнитная буря – это быстрые и сильные изменения в магнитном поле Земли, возникающие в периоды повышенной солнечной активности.
Пик активности Солнца во время предыдущего солнечного цикла пришелся на 2001–2002 годы, когда солнечные ветры исходили с поверхности нашего светила почти постоянно, а солнечные пятна достигли своего максимума. Тогда же специалисты отмечали и крайне неблагоприятные последствия активности и для нашей планеты – электронное оборудование давало сбои, спутники на орбите работали с ошибками.
Самая мощная за всю историю наблюдательной астрономии вспышка произошла 4 ноября 2003 года. Ее энергии, как показали расчеты, могло бы хватить для снабжения электричеством такого города, как Москва, в течение 200 млн. лет.
Влияние магнитных бурь на жизнь и здоровье людей
Геомагнитные бури оказывают влияние на многие области деятельности человека, из которых можно выделить нарушения связи, систем навигации космических кораблей, возникновение поверхностных зарядов на трансформаторах и трубопроводах и даже разрушение энергетических систем.
Магнитные бури также оказывают влияние на здоровье и самочувствие людей. Они опасны в первую очередь для тех, кто страдает артериальной гипертонией и гипотонией, болезнями сердца. Примерно 70% инфарктов, гипертонических кризов и инсультов происходит именно во время солнечных бурь.
Магнитные бури нередко сопровождаются головными болями, мигренями, учащенным сердцебиением, бессонницей, плохим самочувствием, пониженным жизненным тонусом, перепадами давления. Ученые связывают это с тем, что при колебаниях магнитного поля замедляется капиллярный кровоток и наступает кислородное голодание тканей.
В 1930-х годах в Ницце (Франция) случайно было замечено, что частота инфарктов миокарда и инсультов у пожилых людей резко возрастала в дни, когда в работе местной телефонной станции наблюдались сильные нарушения вплоть до полного прекращения связи. Впоследствии было установлено, что нарушения телефонной связи происходят во время магнитных бурь. На этом основании и был сделан вывод, что инфаркты и инсульты, как и сами срывы телефонной сети, связаны с магнитными бурями.
Острые споры вызывал в свое время вопрос о влиянии солнечной активности на возникновение несчастных случаев и травматизма на транспорте и в производстве. На это впервые указал еще в 1928 году Александр Чижевский, а в 1950-х годах немецкие ученые Рейнхольд Рейтер и Карл Вернер из анализа около 100 тысяч автокатастроф установили их резкое увеличение на второй день после солнечной вспышки. Позже российский судебный медик из Томска Владимир Десятое обнаружил резкое возрастание числа самоубийств (в 4 ‑ 5 раз по сравнению с днями спокойного Солнца) также на вторые сутки после вспышки на Солнце. А это как раз соответствует началу магнитных бурь.
Негативному воздействию магнитных бурь подвержены по разным данным от 50 до 75% населения Земли. При этом момент начала стрессовой реакции может сдвигаться относительно начала бури на разные сроки для различных бурь и для конкретного человека. Многие люди начинают реагировать не на сами магнитные бури, а за 1-2 дня до них, т.е. в момент вспышек на самом Солнце.
Также замечено, что до 50% населения планеты способны к адаптации, т.е. к уменьшению до нуля реакции на подряд идущие друг за другом несколько магнитных бурь с интервалом 6‑7 дней, и что молодые люди практически не ощущают воздействия магнитных бурь.
У теории влияния магнитных бурь на человека есть противники, которые придерживаются того мнения, что гравитационные возмущения, связанные с изменением взаимного расположения Земли, Луны и планет солнечной системы, неизмеримо малы в сравнении с теми, которым люди подвергаются в обычной жизни (тряска, ускорения и торможения в общественном транспорте, резкий спуск и подъем и т.д.).
Материал подготовлен на основе информации РИА Новости и открытых источников
Щит для Земли: зачем нашей планете магнитное поле и как оно изменяется?
Магнитное поле защищает поверхность Земли от солнечного ветра и вредного космического излучения. Оно работает как своеобразный щит — без его существования атмосфера была бы разрушена. Рассказываем, как формировалось и менялось магнитное поле Земли.
Читайте «Хайтек» в
Строение и характеристики магнитного поля Земли
Магнитное поле Земли, или геомагнитное поле — магнитное поле, генерируемое внутриземными источниками. Предмет изучения геомагнетизма. Появилось 4,2 млрд лет назад.
Собственное магнитное поле Земли (геомагнитное поле) можно разделить на cледующие основные части:
Более чем на 90% оно состоит из поля, источник которого находится внутри Земли, в жидком внешнем ядре, — эта часть называется главным, основным или нормальным полем.
Оно аппроксимируется в виде ряда по гармоникам — ряда Гаусса, а в первом приближении вблизи поверхности Земли (до трех ее радиусов) близко к полю магнитного диполя, то есть имеет такой вид, как будто земной шар представляет собой полосовой магнит с осью, направленной приблизительно с севера на юг.
Реальные силовые линии магнитного поля Земли, хотя в среднем и близки к силовым линиям диполя, отличаются от них местными нерегулярностями, связанными с наличием намагниченных пород в коре, расположенных близко к поверхности.
Из-за этого в некоторых местах на земной поверхности параметры поля сильно отличаются от значений в близлежащих районах, образуя так называемые магнитные аномалии. Они могут накладываться одна на другую, если вызывающие их намагниченные тела залегают на разных глубинах.
Оно определяется источниками в виде токовых систем, находящимися за пределами земной поверхности, в ее атмосфере. В верхней части атмосферы (100 км и выше) — ионосфере — ее молекулы ионизируются, формируя плотную холодную плазму, поднимающуюся выше, поэтому часть магнитосферы Земли выше ионосферы, простирающаяся на расстояние до трех ее радиусов, называется плазмосферой.
Плазма удерживается магнитным полем Земли, но ее состояние определяется его взаимодействием с солнечным ветром — потоком плазмы солнечной короны.
Таким образом, на большем удалении от поверхности Земли магнитное поле несимметрично, так как искажается под действием солнечного ветра: со стороны Солнца оно сжимается, а в направлении от Солнца приобретает «шлейф», который простирается на сотни тысяч километров, выходя за орбиту Луны.
Эта своеобразная «хвостатая» форма возникает, когда плазма солнечного ветра и солнечных корпускулярных потоков как бы обтекают земную магнитосферу — область околоземного космического пространства, еще контролируемую магнитным полем Земли, а не Солнца и других межпланетных источников.
Она отделяется от межпланетного пространства магнитопаузой, где динамическое давление солнечного ветра уравновешивается давлением собственного магнитного поля.
Наглядное представление о положении линий магнитной индукции поля Земли дает магнитная стрелка, закрепленная таким образом, что может свободно вращаться и вокруг вертикальной, и вокруг горизонтальной оси (например, в кардановом подвесе), — в каждой точке вблизи поверхности Земли она устанавливается определённым образом вдоль этих линий.
Поскольку магнитные и географические полюса не совпадают, магнитная стрелка указывает направление с севера на юг только приблизительно.
Вертикальную плоскость, в которой устанавливается магнитная стрелка, называют плоскостью магнитного меридиана данного места, а линию, по которой эта плоскость пересекается с поверхностью Земли, — магнитным меридианом.
Таким образом, магнитные меридианы — это проекции силовых линий магнитного поля Земли на ее поверхность, сходящиеся в северном и южном магнитных полюсах. Угол между направлениями магнитного и географического меридианов называют магнитным склонением.
Оно может быть западным (часто обозначается знаком «−») или восточным (знак «+») в зависимости от того, к западу или востоку отклоняется северный полюс магнитной стрелки от вертикальной плоскости географического меридиана.
Далее линии магнитного поля Земли, вообще говоря, не параллельны ее поверхности. Это означает, что магнитная индукция поля Земли не лежит в плоскости горизонта данного места, а образует с этой плоскостью некий угол — он называется магнитным наклонением. Оно близко к нулю лишь в точках магнитного экватора — окружности большого круга в плоскости, которая перпендикулярна к магнитной оси.
Природа магнитного поля Земли
Впервые объяснить существование магнитных полей Земли и Солнца попытался Дж. Лармор в 1919 году, предложив концепцию динамо, согласно которой поддержание магнитного поля небесного тела происходит под действием гидродинамического движения электропроводящей среды.
Однако в 1934 году Т. Каулинг доказал теорему о невозможности поддержания осесимметричного магнитного поля посредством гидродинамического динамо-механизма.
А поскольку большинство изучаемых небесных тел (и тем более Земля) считались аксиально-симметричными, на основании этого можно было сделать предположение, что их поле тоже будет аксиально-симметричным, и тогда его генерация по такому принципу будет невозможна согласно этой теорем.
Даже Альберт Эйнштейн скептически относился к осуществимости такого динамо при условии невозможности существования простых (симметричных) решений. Лишь гораздо позже было показано, что не у всех уравнений с аксиальной симметрией, описывающих процесс генерации магнитного поля, решение будет аксиально-симметричным, и в 1950-х годах. несимметричные решения были найдены.
С тех пор теория динамо успешно развивается, и на сегодняшний день общепринятым наиболее вероятным объяснением происхождения магнитного поля Земли и других планет является самовозбуждающийся динамо-механизм, основанный на генерации электрического тока в проводнике при его движении в магнитном поле, порождаемом и усиливаемом самими этими токами.
Необходимые условия создаются в ядре Земли: в жидком внешнем ядре, состоящем в основном из железа при температуре порядка 4–6 тысяч кельвинов, которое отлично проводит ток, создаются конвективные потоки, отводящие от твердого внутреннего ядра тепло (генерируемое благодаря распаду радиоактивных элементов либо освобождению скрытой теплоты при затвердевании вещества на границе между внутренним и внешним ядром по мере постепенного остывания планеты).
Силы Кориолиса закручивают эти потоки в характерные спирали, образующие так называемые столбы Тейлора. Благодаря трению слоев они приобретают электрический заряд, формируя контурные токи. Таким образом, создается система токов, циркулирующих по проводящему контуру в движущихся в (изначально присутствующем, пусть и очень слабом) магнитном поле проводниках, как в диске Фарадея.
Она создает магнитное поле, которое при благоприятной геометрии течений усиливает начальное поле, а это, в свою очередь, усиливает ток, и процесс усиления продолжается до тех пор, пока растущие с увеличением тока потери на джоулево тепло не уравновесят притоки энергии, поступающей за счет гидродинамических движений.
Высказывались предположения, что динамо может возбуждаться за счет прецессии или приливных сил, то есть что источником энергии является вращение Земли, однако наиболее распространена и разработана гипотеза о том, что это все же именно термохимическая конвекция.
Изменения магнитного поля Земли
Инверсия магнитного поля — изменение направления магнитного поля Земли в геологической истории планеты (определяется палеомагнитным методом).
При инверсии северный магнитный полюс и южный магнитный полюс меняются местами, и стрелка компаса начинает показывать противоположное направление. Инверсия — относительно редкое явление, которое ни разу не происходило за время существования Homo sapiens. Предположительно, последний раз оно произошло около 780 тысяч лет назад.
Инверсии магнитного поля происходили через интервалы времени от десятков тысяч лет до огромных промежутков спокойного магнитного поля в десятки миллионов лет, когда инверсии не происходили.
Таким образом, не обнаружено никакой периодичности в смене полюсов, и этот процесс считается стохастическим. За длительными периодами спокойного магнитного поля могут следовать периоды многократных инверсий с различной длительностью и наоборот. Как показывают исследования, смена магнитных полюсов может длиться от нескольких сотен до нескольких сотен тысяч лет.
Специалисты из Университета Джонса Хопкинса (США) предполагают, что во время инверсий магнитосфера Земли ослабевала настолько, что космическое излучение могло достигать поверхности Земли, поэтому это явление могло наносить вред живым организмам на планете, а очередная смена полюсов может привести к еще более серьезным последствиям для человечества вплоть до глобальной катастрофы.
Научные работы в последние годы показали (в том числе и в эксперименте) возможность случайных изменений направления магнитного поля («перескоков») в стационарном турбулентном динамо. По словам заведующего лабораторией геомагнетизма Института физики Земли Владимира Павлова, инверсия — достаточно длинный по человеческим меркам процесс.
Геофизики из Лидского университета Йон Маунд и Фил Ливермор полагают, что через пару тысяч лет произойдет инверсия магнитного поля Земли.
Смещение магнитных полюсов Земли
Впервые координаты магнитного полюса в Северном полушарии были определены в 1831 году, повторно — в 1904 году, затем в 1948 году и 1962, 1973, 1984, 1994 годах; в Южном полушарии — в 1841 году, повторно — в 1908 году. Смещение магнитных полюсов регистрируется с 1885 года. За последние 100 лет магнитный полюс в Южном полушарии переместился почти на 900 км и вышел в Южный океан.
Новейшие данные по состоянию арктического магнитного полюса (движущегося по направлению к Восточно-Сибирской мировой магнитной аномалии через Северный Ледовитый океан) показали, что с 1973 по 1984 год его пробег составил 120 км, с 1984 по 1994 год — более 150 км. Хотя эти данные расчетные, они подтверждены замерами северного магнитного полюса.
После 1831 года, когда положение полюса было зафиксировано впервые, к 2019 году полюс сместился уже более чем на 2 300 км в сторону Сибири и продолжает двигаться с ускорением.
Скорость его перемещения увеличилась с 15 км в год в 2000 году до 55 км в год в 2019 году. Такой быстрый дрейф приводит к необходимости более частой корректировки навигационных систем, использующих магнитное поле Земли, например, в компасах в смартфонах или в резервных системах навигации кораблей и самолетов.
Напряженность земного магнитного поля падает, причем неравномерно. За последние 22 года она уменьшилась в среднем на 1,7 %, а в некоторых регионах, — например в южной части Атлантического океана, — на 10%. В некоторых местах напряженность магнитного поля, вопреки общей тенденции, даже возросла.
Ускорение движения полюсов (в среднем на 3 км/год) и движение их по коридорам инверсии магнитных полюсов (эти коридоры позволили выявить более 400 палеоинверсий) позволяет предположить, что в данном перемещении полюсов следует усматривать не экскурс, а очередную инверсию магнитного поля Земли.
Как появилось магнитное поле Земли?
Специалисты океанографического Института Скриппса и Калифорнийского Университета предположили, что магнитное поле планеты сформировалось благодаря мантии. Американские ученые развили гипотезу, предложенную 13 лет назад группой исследователей из Франции.
Известно, что в течение долгого времени профессионалы утверждали, что именно внешнее ядро Земли генерировало ее магнитное поле. Но потом специалисты из Франции предположили, что мантия планеты была всегда твердой (с момента своего рождения).
Это заключение и заставило ученых задуматься о том, что не ядро могло формировать магнитное поле, а жидкая часть нижней мантии. Состав мантии представляет собой силикатный материал, который считается плохим проводником.
Но так как нижняя мантия должна была оставаться жидкой в течение миллиардов лет, движения жидкости внутри нее не производило электрического тока, а ведь для генерации магнитного поля он был просто необходим.
Сегодня профессионалы считают, что мантия могла быть более мощным проводником, чем считалось прежде. Такое умозаключение специалистов вполне оправдывает состояние ранней Земли. Силикатное динамо возможно только в том случае, если электропроводность ее жидкой части была намного выше и имела низкие показатели давления и температуры.