V. Циклы и ритмы магнитосферы

СОДЕРЖАНИЕ

Есть ли у человека геомагнитное чувство?

1. Регулярные геомагнитные пульсации

2. Геомагнитные солнечно-суточные вариации

3. Геомагнитные лунно-суточные вариации

4. Внутрисезонный цикл вариации геомагнитной возмущенности

5. Цикл колебаний вертикальной составляющей вектора геомагнитной индукции

6. Полугодовой период вариации геомагнитной возмущенности

7. Квазидвухлетние вариации геомагнитного поля

8. Квазичетырехлетние вариации геомагнитного поля

9. Квазишестилетние вариации геомагнитного поля

10. Цикл геомагнитной возмущенности

11. Цикл вариации геомагнитного поля Земли

12. Цикл инверсий геомагнитного поля

Есть ли у человека геомагнитное чувство?

Магнитное поле Земли защищает нашу планету от космического излучения, которое смертельно опасно для всего живого. Магнитное поле отклоняет высокоактивные заряженные частицы, не позволяя им проникать внутрь атмосферы. При резком возрастании солнечной активности возникают геомагнитные бури, которые выводят из строя околоземные спутники, мешают работе навигационных приборов и систем связи, вызывают аварии в электросетях.

Солнечная буря 2003 года вызвала обесточивание электросетей в Швеции Солнечный ветер – выброс плазмы из солнечной короны в межпланетное пространство. Достигая орбиты Земли, частицы солнечного ветра (протоны и электроны) имеют среднюю скорость около 400 км/с, число частиц – несколько десятков в 1 см3. В природе активизация солнечной активности проявляется расширением зоны полярных сияний, а у метеозависимых людей магнитные бури вызывают сильное ухудшение самочувствия

Чувствует ли человек магнитные поля и может ли использовать их для ориентации? Официальная наука всегда утверждала, что нет, и исследования в этой области долгое время считались лженаукой. А может, чувство геомагнитного поля у нас таки есть, просто мы не умеем им пользоваться? Хорошо известно, что магнитное поле Земли чувствуют и используют для навигации многие живые существа: перелетные птицы и почтовые голуби, стайные рыбы и мигрирующие насекомые. Собаки и кошки находят дорогу домой за сотни километров. В последнее время исследования в этой сфере потихоньку ведутся, и некоторые наблюдения просто поражают. Например, животные семейства псовых, справляя нужду, всегда располагаются строго по меридиану. Почему они так поступают? Этнографы утверждают, что похожие привычки имеют место и у людей – в некоторых пока еще сохранившихся диких племенах. Как мало мы пока знаем о своей планете и о ее обитателях!

Функции, которые не используются, отмирают, но память о них остается в генах и может быть разбужена Перелетные птицы улетают на зимовку на юг за тысячи километров, а весной возвращаются не просто в северные широты, а именно в те места, где они родились. Этот факт доказан учеными-орнитологами с помощью кольцевания. Быть может, аналогичное чутье имелось и у первобытных охотников, которые в поисках добычи уходили очень далеко от стойбища? А потом люди изобрели компас и утратили этот полезный навык…

1. Регулярные геомагнитные пульсации

Очень часто на магнитограммах по всем компонентам геомагнитного поля наблюдаются слабые почти синусоидальные флуктуации. Их называют геомагнитными пульсациями. Пульсации разделяют на классы в зависимости от степени их регулярности и периода.

Пульсации, для которых характерен достаточно отчетливый спектральный максимум, называются регулярными или непрерывными пульсациями (для некоторых регулярных пульсаций их центральная часть, соответствующая спектральному максимуму, не остается постоянной, а изменяется систематически со временем).

Выделяют шесть типов регулярных пульсаций: Pс1, Рс2, Pс3, Pс4, Рс5 и Рс6.

Пульсации Pс1 наиболее короткопериодные из наблюдаемых при помощи современных технических средств и обладающие самой малой амплитудой. Они чаще всего встречаются после магнитной бури и называются гидромагнитными эмиссиями (HME – hydromagnetic emission). На широтах ниже 60° они наблюдаются чаще всего утром, а в высоких широтах появляются обычно в дневные часы. Характерной особенностью Pс1-пульсаций является то, что они выглядят как волновые пакеты или биения, а их запись напоминает нить жемчуга (поэтому их иногда нарывают жемчужинами). Каждый волновой пакет содержит от 70 до 100 периодов пульсаций, для него характерно убывание периода колебаний.

Пульсации Pс2, Pс3 и Pс4 в целом выглядят как однородный класс, при этом пульсации Pс2 и Pс4 чаще появляются ночью, а Pс3 – днем. В зависимости от возмущенности геомагнитного поля частота появления пульсаций Pс2 – Pс4 различна. Так, Pс2 обычно наблюдается в магнитоспокойные дни, Pс3 – в дни со средней возмущенностью, а Pс4 – в сильно возмущенные. Все три типа пульсаций имеют наиболее высокие амплитуды в авроральных и субавроральных широтах. Эти пульсации обычно наблюдаются на территориях континентального масштаба, но иногда охватывают целое полушарие.

Пульсации Pс5 характерны наличием резкого максимума амплитуды в авроральной зоне, хотя они наблюдаются обычно по всей Земле. С возрастанием геомагнитной возмущенности амплитуда Pс5 увеличивается. Обычно пульсации Pс5 наблюдаются в дневное время, хотя иногда они могут продолжаться несколько суток.

Количественные характеристики

Периоды и амплитуды регулярных геомагнитных пульсаций

Тип пульсацииПериод, секАмплитуда, нТл
Pс1 0,2-510-100
Pс2 5-10100-500
Pс3 10-45сведений нет
Pс4 45-150до 5
Pс5 150-600100-300
Pс6 более 600сведений нет

Механизм возникновения циклического явления

Считается, что генерация регулярных геомагнитных пульсаций осуществляется за счет гидромагнитного резонанса, усиливающего колебания солнечного ветра, внезапные сжатия и расширения магнитосферы.

Порождаемые циклические явления

Сведений нет.

2. Геомагнитные солнечно-суточные вариации

В геомагнитно-спокойные дни, когда магнитосферные и ионосферные токи или очень слабы, или сохраняются на одном уровне, геомагнитное поле на поверхности Земли испытывает регулярные вариации с периодом в одни сутки. Эти вариации настолько ярко выражены, что были замечены лондонским часовщиком Д. Грэхемом еще в 1722 году. (Он изготавливал часы и телескопы для Гринвичской королевской обсерватории.)

Гринвич: начало отсчета Королевская обсерватория в Гринвиче, пригороде Лондона, была открыта в 1675 году «дабы с наибольшим тщанием и усердием исправлять таблицы движения небес для приведения к совершенству искусства навигации». В настоящее время обсерватория утратила свое значение для наблюдения небесных тел из-за светового загрязнения воздуха, присущего большим городам. Ныне обсерватория не научное учреждение, а музей астрономических и навигационных приборов

Северная компонента вектора магнитной индукции на низких широтах имеет единственный максимум вблизи полудня и почти не меняется ночью. На широтах около 35° наблюдается слабовыраженная двойная волна, а на высоких широтах – минимум в полуденное время.

Восточная компонента вектора магнитной индукции на высоких широтах характеризуется в северном полушарии утренним максимумом и послеполуденным минимумом, а в южном – утренним минимумом и послеполуденным максимумом, при этом амплитуда колебаний растет с широтой.

На экваторе вариации восточной компоненты поля почти не наблюдаются. Вертикальная составляющая вектора геомагнитной индукции имеет максимум в приэкваториальных широтах, а в авроральных – колебаний практически нет.

Количественные характеристики

Периоды – 1 сутки

Амплитуды колебаний трех составляющих вектора геомагнитной индукции по данным различных магнитных обсерваторий мира, нТл
ОбсерваторияШирота Составляющие геомагнитного поля
СевернаяВосточнаяВертикальная
Нурмиярви, Финляндия 60° с. ш.50 3012
Валенсия, Испания52° с. ш.453725
Ташкент, Узбекистан41° с. ш.255025
Тусон, США, Аризона 32° с. ш.154027
Гонолулу, США, Гавайи 21° с. ш.203525
Гуам, США, остр. в Тихом океане13° с. ш.853030
Татуока, остров, Бразилия 1° ю. ш.75 2020
Луанда, Ангола9° ю. ш.70 4018
Тананариве, Мадагаскар19° ю. ш.50 4320
Уотеру, Австралия 30° ю. ш.10 4518
Амберли, Новая Зеландия43° ю. ш.30 437
Порт-о-Франсе, антарктич. территория Франции 49° ю. ш.20 372
Аргентина 65° ю. ш.321525

Механизм возникновения циклического явления

Предполагается, что геомагнитные солнечно-суточные вариации порождаются вариациями ионосферного электрического поля, происходящими под действием суточных атмосферных приливов.

Порождаемые циклические явления

Сведений нет.

3. Геомагнитные лунно-суточные вариации

Установлено, что геомагнитное поле испытывает вариации с периодом, близким к лунным суткам – времени обращения Луны вокруг Земли. Эти вариации имеют максимум в дневные часы, а широтное распределение не слишком отличается от солнечно-суточных геомагнитных вариаций, за исключением того, что горизонтальная компонента вектора магнитной индукции Земли имеет вид двойной волны на широтах около 20°. Амплитуда лунно-суточных вариаций, компонент земного магнетизма, составляет около 1/20 от величины солнечной вариации.

Количественные характеристики

Периоды – 24 часа 50 минут

Амплитуда колебаний магнитного склонения (данные обсерватории Уотеру): примерно 1'.

Механизм возникновения циклического явления

Предполагается, что геомагнитные лунно-суточные вариации порождаются циклическими вариациями ионосферного электричества, происходящими под воздействием суточных лунных приливов.

Порождаемые циклические явления

Сведений нет.

4. Внутрисезонный цикл вариации геомагнитной возмущенности

Обнаружено, что вариации геомагнитного поля с характерным временем (меньше, чем одни сутки) отражают воздействие корпускулярного излучения Солнца на магнитное поле Земли. Эта реакция геомагнитного поля получила название магнитной возмущенности (активности). Количественно она характеризуется различными индексами. Одним из таких индексов является эквивалентная среднесуточная планетарная амплитуда Ар, получаемая за счет осреднения индекса, характеризующего изменение магнитных элементов в трехчасовом интервале на среднеширотных станциях.

Солнечный ветер формирует магнитосферу Земли Солнечный ветер – поток ионов – взаимодействует с магнитным полем Земли, будто сжимая его со стороны Солнца, и растягивая с противоположной стороны. – Фото NASA

В начале XX века К. Чри установил, что Ар индексу свойственна периодичность в изменениях. Она проявляется в том, что за интервалом времени с повышенным уровнем возмущенности приблизительно через одинаковые промежутки времени следует интервал с возмущенностью, превышающей нормальную.

Количественные характеристики

Периоды – 27 суток

Механизм возникновения циклического явления

Предполагается, что цикличность в возмущениях магнитосферы Земли с периодом, близким к 27 суткам, связана с вращением относительно Земли магнитоактивных областей на Солнце (то есть М-областей). В настоящее время полагают, что М-область можно связать с коронарными дырами – такими областями солнечной атмосферы, где корона тонка или совсем отсутствует.

Порождаемые циклические явления

Ученые считают, что этот цикл возбуждает цикл повторяемости полярных сияний с периодом, близким к 27 суткам.


Вернуться к содержанию

5. Цикл колебаний вертикальной составляющей вектора геомагнитной индукции

Одной из основных измеряемых характеристик магнитного поля Земли является вектор магнитной индукции. Исследования В.П. Козелова и И.Е. Чуриковой позволили установить, что для вертикальной составляющей вектора геомагнитной индукции свойственны циклические вариации, которые представляют собой суперпозицию 7-ми периодических колебаний.

Количественные характеристики

Периоды колебаний:
Номер1234567
Период (сут.) 7,4 – 8,312,0 – 14,387 – 96122 – 131162 – 174243 – 258421 – 488

Механизм возникновения циклического явления

Предполагается, что колебания вертикальной составляющей вектора геомагнитной индукции с периодами 7,4 – 8,3 и 12,0 – 14,3 суток тесно связаны с секторной структурой межпланетного магнитного поля;
а колебания вертикальной составляющей вектора геомагнитной индукции с периодом 243 – 258 суток связаны с обращением Венеры вокруг Солнца.

Порождаемые циклические явления

Сведений нет.

6. Полугодовой период вариации геомагнитной возмущенности

В качестве общепланетарной характеристики геомагнитной возмущенности магнитологи часто используют индекс Ар, называемый суточной эквивалентной планетарной амплитудой и представляющий собой усредненную по всем магнитным обсерваториям Земли сумму значений К-индексов возмущенности за сутки.

К-индекс геомагнитной возмущенности введен в употребление в 30-х годах XX столетия и представляет собой шкалированную оценку горизонтальной составляющей вектора напряженности геомагнитного года и магнитного склонения, усредненных по 3-часовому интервалу.

Индекс Ар испытывает циклические вариации с периодом, равным в среднем половине года, причем весенний максимум преобладает над осенним в случае полярности межпланетного магнитного поля, направленной к Солнцу, а осенний максимум – при полярности, направленной от Солнца.

Количественные характеристики

Период0,5 года
Амплитуда колебаний индекса Ар геомагнитной возмущенности2-3
Интервал колебаний индекса Ар от 13 до 21
Максимумы вариации индекса Ар приходятся на месяцы равноденствия

Механизм возникновения циклического явления

Предполагается, что колебания индекса геомагнитной возмущенности порождается циклической вариацией угла между геомагнитной осью и прямой «Земля – Солнце», при этом геомагнитная активность возрастает, когда этот угол приближается к 90°.

Порождаемые циклические явления

Сведений нет.

7. Квазидвухлетние вариации геомагнитного поля

На существование квазидвухлетних вариаций геомагнитного поля впервые указал ученый Ю.Д. Калинин в 1952 году. Они были названы М-вариациями и характеризуются изменением параметров геомагнитного поля с периодами, близкими в среднем к двум годам, и амплитудами в несколько нТл. Распределение их амплитуды в пространстве однородно. Ю.Р. Ривин и Т.И. Зверева установили, что М-вариации в частотной области имеют четыре максимума, т.е. представляют собой наложение четырех периодических колебаний.

Количественные характеристики

Периоды четырех колебаний находятся в интервале 15 – 31 мес.
Амплитуды каждого из четырех периодических колебаний по компонентам геомагнитного поля составляют приблизительно1 нТл
Амплитуда вариации геомагнитного поля промодулирована периодическими колебаниями с периодом от 10 лет

Механизм возникновения циклического явления

Сведений нет.

Порождаемые циклические явления

Сведений нет.

8. Квазичетырехлетние вариации геомагнитного поля

Спектральный анализ вариаций параметров геомагнитного поля, измеренных на среднеевропейских магнитных обсерваториях за промежуток времени с 1959 по 1981 гг., позволил установить, что в их изменениях проявляется некоторая ритмичность. Ю.Р. Ривин выяснил, что эти вариации представляют собой амплитудно-модулированный колебательный процесс с одной несущей частотой и одним периодом модуляции амплитуды. Такая же закономерность прослеживается и для А-индексов геомагнитной возмущенности.

Современные научные инструменты Спутники Европейского космического агентства собрали огромный массив уникальных данных о магнитном поле Земли. Современные методы исследований дают возможность непосредственно измерить параметры магнитосферы и проверить правильность научных теорий

Количественные характеристики

Несущий период43 мес.
Период модуляции амплитуды20 лет
Амплитуда колебания северной компоненты напряженности геомагнитного поля для среднеевропейских обсерваторий варьирует от 1 до 4 нТл
Амплитуда колебания А-индекса геомагнитной возмущенности для среднеевропейских магнитных обсерваторий варьирует от 1 до 3

Механизм возникновения циклического явления

Предполагается, что квазичетырехлетние вариации геомагнитного поля связаны с открытыми Ю.Р. Ривиным вариациями в индексах, характеризующих активность Солнца.

Порождаемые циклические явления

Сведений нет.


Вернуться к содержанию

9. Квазишестилетние вариации геомагнитного поля

В 50-е года XX столетия предполагалось, что квазишестилетние вариации представляют собой вторую гармонику 11-летнего цикла солнечной активности. Ю.Р. Ривин провел обстоятельный анализ этих вариаций и установил, что они характерны как для параметров геомагнитного поля так и для индексов, характеризующих геомагнитную возмущенность и представляют собой амплитудно-модулированный процесс с одной несущей частотой и одним периодом модуляции амплитуды.

Количественные характеристики

Период колебаний62,5 мес.
Период модуляции амплитуды70 лет
Амплитуда вариации параметров геомагнитного поля 1 нТл
Амплитуда вариации А-индекса геомагнитной возмущенности 3

Механизм возникновения циклического явления

Предполагается, что квазишестилетние вариации геомагнитного юля обусловлены динамикой магнитосферных токовых систем DR и DCF, возбужденных, в свою очередь, цикличностью в активности М-областей на Солнце.

Порождаемые циклические явления

Сведений нет.

10. Цикл геомагнитной возмущенности

Четкого определения геомагнитной бури до настоящего времени не существует, однако для нее характерны некоторые общие элементы:

  • внезапное начало (происходит скачкообразное изменение горизонтальной компоненты вектора поля Н на всей планете за время, не превышающее минуты);
  • начальная фаза (в пределах часа после внезапного начала бури Н-компонента поля возрастает и остается на уровне на 30-53 нТл, большем, чем до бури);
  • главная фаза (через некоторое время после начала бури происходит уменьшение Н-компоненты на 100-200 нТл в течение нескольких часов и увеличение абсолютного значения горизонтальной составляющей вектора магнитной индукции по всей Земле);
  • фаза восстановления (после того как Н-компонента достигает своего минимального значения, она медленно возвращается к норме, этот процесс продолжается несколько дней).

Исследования частоты геомагнитных бурь и их интенсивности показало, что хронологии этих явлений присуща некоторая цикличность. Такой же результат был получен и при исследовании временной вариации среднемесячных значении А-индексов геомагнитной активности за промежуток времени 1868 – 1975 гг.

Количественные характеристики

Период11 лет
Амплитуда вариации среднемесячных значений А-индекса геомагнитной активности 3 (в среднем)
Интервал вариации среднемесячных значений А-индексов от 5 до 30

Механизм возникновения циклического явления

Предполагается, что цикл геомагнитной возмущенности связан с 11-летним циклом солнечной активности.

Порождаемые циклические явления

Предполагается, что этот цикл обуславливает циклическое изменение частоты появления и интенсивности полярных сияний в высоких широтах.

11. Цикл вариации геомагнитного поля Земли

Этот цикл вариаций впервые был рассмотрен в 50-60-е годы XX столетия Г. Бартой. Он характеризуется чередованием уменьшения и увеличения абсолютных значений компонент напряженности геомагнитного поля. Полученные в дальнейших исследованиях значительные разбросы периодов колебаний этого цикла на разных обсерваториях были объяснены В.П. Головковым и Г.И. Коломейцевой суперпозицией двух квазигармонических колебаний. Следует отметить, что малый объем материала по вариациям геомагнитного поля привел к довольно противоречивым результатам у разных авторов по этому циклу.

Количественные характеристики

Периоды колебаний в 60–70 годы XX века600 лет
Амплитуда вариации скорости изменения восточной компоненты геомагнитного поля 20 нТл
Амплитуда вариации скорости изменения вертикальной составляющей геомагнитного поля 15 нТл

Механизм возникновения циклического явления

Г. Барта предполагал, что эти циклические вариации геомагнитного поля создаются волной, распространяющейся радиально из ядра к поверхности Земли с одинаковой во все стороны скоростью и с эпицентром, расположенным под устьем реки Инд (Пакистан).

Порождаемые циклические явления

Сведений нет.

12. Цикл инверсий геомагнитного поля

Инверсия геомагнитного поля представляет собой изменение полярности направления магнитного поля Земли на обратное. В эпоху нормальной полярности южный магнитный полюс находится вблизи северного географического полюса, а в эпохи обратной полярности – вблизи южного географического.

Компьютерная модель процесса инверсии геомагнитного поля Земли Ученые считают, что магнитное поле Земли генерируется «железными потоками» в ее расплавленном ядре. Ядро Земли находится на глубине 2900 км от поверхности, и температура там около 6 тысяч градусов. Наблюдения за состоянием магнитосферы Земли велись в последние 180 лет, и за это время магнитное поле ослабло на 10%. Возможно, это признак того, что происходит инверсия магнитного поля. По данным археологических находок, последний раз это произошло примерно 700 тыс. лет назад, еще до появления Homo Sapience. Компьютерное моделирование показывает, как это может выглядеть

Явление инверсии было обнаружено на основании палеомагнитных данных, в которых содержится информация об изменении направления намагниченности почти на 180° в соседних слоях горных пород или потоках лавы. В геологическом масштабе времени инверсия выглядит как мгновенный процесс. По планетарным меркам смена полярности происходит очень быстро.

Количественные характеристики

Период10 млн. лет (в среднем)
Промежуток времени инверсии от 460 до 5 000 лет
Эпоха последней инверсии в истории Земли 1 млн. лет назад (начало эпохи Брюнеса)

Механизм возникновения циклического явления

Сведений нет.


Вернуться к содержанию