Магнитное поле Земли: как оно появилось?

Магнитное поле Земли появилось 4,2 млрд лет назад. Впервые объяснить его природу попытались в 1919 году. Современные ученые до сих пор работают над этим вопросом, усовершенствуя объяснение возникновения геомагнетизма.

Собственное магнитное поле нашей планеты делится на главное и внешнее поле, а также выделяют поля мировых аномалий. Основное или главное поле формируется полем, источник которого расположен внутри земного шара. Внешнее геомагнитное поле определяется источниками в виде токовых систем, которые находятся за пределами планеты — в атмосфере. Также выделяют мировые аномалии, которые образуются в местах залегания сильно намагниченных пород в земной коре. Из-за этого возникают отклонения от нормальных силовых линий диполя.

Первоначальные объяснения

Первое объяснение существования магнитных полей нашей планеты попытался дать ирландский физик-теоретик и математик Джозеф Лармор в 1919 году. По его мнению, они самогенерируются за счет вращения огромного металлического ядра. Современные математические расчеты демонстрируют, что в этом случае не может быть сформировано стабильное магнитное поле. Тем более невозможна существующая конфигурация — осесимметричная.

Современные объяснения

Сразу нужно уточнить, что актуальные объяснения природы возникновения магнитного поля нашей планеты являются настолько сложными, что невозможно разобраться в них без специального образования. По этой причине ниже мы дадим объяснение в упрощенной форме, конечно, без упрощений и опущенных деталей обойтись не получится.

Сейчас природу магнитного поля объясняют самовозбуждающимся динамо-механизмом, все необходимые условия для которого есть в земном ядре. Его внешняя часть — это железо в жидком состоянии, а внутренняя часть является твердой. Именно в ней происходит распад радиоактивных элементов, который сопровождается высвобождением тепла. Именно оно отводится от внутреннего ядра конвективными потоками.

Сила инерции, которая возникает при движении материальной точки относительно вращающейся системы отсчета, приводит к закручиванию этих потоков в спирали, из которых получаются столбы Тейлора.

В результате трения слоев эти столбы приобретают электрический заряд и формируют контурные токи. Они циркулируют по проводящему контуру в проводниках, которые движутся в магнитном поле (принцип униполярного генератора). Эта система токов образует магнитное поле, усиливающее главное поле планеты. Это приводит и к усилению тока. Процесс продолжается до уравновешивания притоков энергии, поступающих благодаря гидродинамическому движению, растущими потерями, выделяющегося при протекании электрического тока, джоулева тепла.

Детальный разбор динамо-механизма

1. Конвекционные потоки во внешней части земного ядра, представляющей собой железо в жидком состоянии, формируют токи.
2. Токи циркулируют по замкнутому контуру и образуют геомагнитное поле.
3. В соответствии с теоремой Джеффри Ингрэма Тейлора и Джозефа Праудмана вращение твердого ядра обусловливает постоянную скорость движения потоков вдоль вертикальной оси.
4. Таким образом, образуются столбообразные области нейтральной стратификации (столбы Тейлора).
5. Первичные и вторичные потоки поворачивают линии магнитного поля и вытягивают их, превращая меридиональную компоненту в трансверсальную и наоборот.

Таким образом, динамо возбуждается из-за термохимической конвекции, хотя были мнения, что источником энергии является вращение планеты.