Магнитное поле Земли и его влияние на человека

ГБОУ СПО «Оренбургский колледж  статистики, экономики и информатики»

 

 

 

 

 

 

 

 

Самостоятельная работа 2-ого семестра

                                                По физике на тему «Магнитное поле Земли и

                                                его влияние на человека»

                                                Студента группы 1КС1

                                                Арнаутова Александра.

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                            Преподаватель: Склярчук О.П.

 

 

 

 

 

 

                                                          

                                                      Оренбург 2013 год.

Магнитное поле Земли и  его влияние на человека.

Введение:

  Вы берёте в руки компас, оттягиваете на себя рычажок, чтобы магнитная стрелка опустилась на остриё иголки. Когда стрелка успокоится, попробуйте расположить её в ином направлении. У вас ничего не получиться. Сколько бы вы ни отклоняли стрелку от её первоначального положения, она, после того как успокоиться всегда одними концом будет показывать на север, другим - на юг. Какая же сила заставляет стрелку компаса упрямо возвращаться в первоначальное положение? Каждый задает себе подобный вопрос, глядя на слегка колеблющуюся, будто живую, магнитную стрелку.

Земля – большой  магнит.

  Удивительная способность магнита притягивать железо была известна еще в глубокой древности. Свойство магнита указывать юг и север было открыто позже. Еще Колумб, когда плыл в Америку, обнаружил, что географический меридиан не совпадает с магнитным, вдоль которого устанавливается стрелка компаса. Угол между этими двумя направлениями называется магнитным склонением. Каждое место на Земле имеет свой угол склонения, и штурман корабля или самолета должен иметь точную карту магнитных склонений. Такая карта составляется по показаниям компаса. Известно, например, что в районе Москвы угол склонения равен 7° к востоку, а в Якутске — около 17° к западу. Это значит, что северный конец стрелки компаса в Москве отклоняется на 7° вправо от географического меридиана, проходящего через Москву, а в Якутске — на 17° влево от соответствующего меридиана. Магнитная ось Земли наклонена к географической примерно под углом в 11°,5, поэтому географические полюсы также не совпадают с магнитными. Магнитную стрелку можно заставить колебаться и не на острие, как это делается в компасе. Ее можно закрепить на горизонтальной оси, тогда она будет качаться в вертикальной плоскости. Такую стрелку называют стрелкой наклонения. Действительно, она показывает, под каким углом к горизонту действует на нее в данном месте магнитная сила Земли, т. е. каково магнитное наклонение. На Северном и Южном магнитных полюсах острие стрелки направлено прямо вниз: магнитное наклонение здесь наибольшее— оно равно 90°. Углы магнитного наклонения хорошо изучены на всей Земле. Если обнаруживаются резкие изменения углов наклонения, то это указывает, что в данном месте под поверхностью Земли скрыты намагниченные горные породы или железные руды. Земля представляет собой большой магнит, от полюсов которого расходятся силовые линии магнитного поля. Стрелки компаса на поверхности Земли ориентируются по направлению к магнитным полюсам.Внутри Земли как бы действует турбогенератор. Так считал американский физик Эльзассер.

Роль турбины в нем  играют тепловые потоки: они поднимают  из недр ядра во все стороны большие  массы расплавленного металла, обладающего  свойством жидкости. Кориолисова сила «закручивает» их вокруг земной оси, образуя, таким образом, гигантские витки внутри «земной динамо-машины». В этих замкнутых потоках горячего металла, как и в витках проволоки на якоре обычной динамо-машины, должен был когда-то давно возникнуть индукционный ток. Он постепенно подмагничивал земное ядро. Первоначальное очень слабое магнитное поле усиливалось до тех пор, пока с течением времени не дошло до своего предельного значения. Этот предел был достигнут в далеком прошлом. И хотя земной турбогенератор продолжает свою работу, кинетическая энергия бурных потоков жидкого металла тратится теперь не на подмагничивание земного ядра, а целиком превращается в теплоту. Что касается слабого начального магнитного поля, без которого земной турбогенератор не смог бы начать работать, то его происхождение обосновать нетрудно. Для этого достаточно вспомнить попытку объяснить магнетизм Земли ее суточным вращением. Она была признана неудачной только потому, что давала земному шару ничтожно малое намагничивание. Но в природном «турбогенераторе» начальное поле может быть как угодно малым, ведь со временем оно увеличится до необходимых размеров. Еще не все трудности новой теории преодолены. Не удается, например, подсчитать величину индукционного тока в земном ядре, Не выяснено пока, до какого предела должно усиливаться магнитное поле в ядре. Малоизвестны еще законы движения хорошо проводящего электрический ток металла в магнитном поле земного ядра. Ученым еще не удалось полностью разгадать истинную причину магнетизма Земли и других небесных тел. Но можно с уверенностью сказать, что сейчас наука близко подошла к решению этой трудной задачи.

История исследований.

  О способности намагниченных предметов располагаться в определённом направлении было известно ещё китайцам несколько тысячелетий назад. Впервые предположение о наличии магнитного поля Земли, которое и вызывает такое поведение намагниченных предметов, высказал английский врач и натурфилософ Уильям Гильберт (англ. William Gilbert) в 1600 году в своей книге «De Magnete». Наблюдения английского астронома Генри Геллибранда (англ. Henry Gellibrand) показали, что геомагнитное поле не постоянно, а медленно изменяется. У Хосе де Акосты (одного из Основателей Геофизики, по словам Гумбольта) в его Истории (1590) впервые появилась теория о четырёх линиях без магнитного склонения (он описал использование компаса, угол отклонения, различия между Магнитным и Северным полюсом; хотя отклонения были известны еще в XV веке, он описал колебание отклонений от одной точки до другой. Он идентифицировал места с нулевым отклонением например, на Азорских островах). Карл Гаусс (нем. Carl Friedrich Gauß) выдвинул теорию о происхождении магнитного поля Земли и в 1839 году доказал, что основная его часть выходит из Земли, а причину небольших, коротких отклонений его значений необходимо искать во внешней среде. Смещение магнитных полюсов Земли. Смещение магнитных полюсов регистрируется с 1885 г. За последние 100 лет магнитный полюс в южном полушарии переместился почти на 900 км и вышел в Индийский океан. Новейшие данные по состоянию арктического магнитного полюса (движущегося по направлению к Восточно-Сибирской мировой магнитной аномалии через Ледовитый океан) показали, что с 1973 по 1984 г. его пробег составил 120 км, с 1984 по 1994 г. - более 150 км. Хотя эти данные расчетные, они подтверждены замерами северного магнитного полюса. По данным на начало 2007-го года скорость дрейфа северного магнитного полюса увеличилась с 10 км/год в 70-х годах, до 60 км/год в 2004-м году. Напряжённость земного магнитного поля падает, причём неравномерно. За последние 22 года она уменьшилась в среднем на 1.7%, а в некоторых регионах - например, в южной части Атлантического океана, - на 10 процентов. Кое-где напряжённость магнитного поля, вопреки общей тенденции, даже возросла. Ускорение движения полюсов (в среднем на 3 км/год) и движение их по коридорам инверсии магнитных полюсов (более 400 палеоинверсий позволили выявить эти коридоры) позволяет предположить, что в данном перемещении полюсов следует усматривать не экскурс, а очередную переполюсовку магнитного поля Земли. Это подтверждается и текущим возрастанием угла раствора каспов (полярных щелей в магнитосфере на севере и юге), который к середине 90-ых годов достиг 45°. В расширившиеся щели устремился радиационный материал солнечного ветра, межпланетного пространства и космических лучей, вследствие чего в полярные области поступает большее количество вещества и энергии, что может привести к дополнительному разогреву полярных шапок. В прошлом инверсии магнитных полюсов происходили многократно и жизнь сохранилась. Вопрос в том, какой ценой. Если, как утверждается в некоторых гипотезах, во время переполюсовки магнитосфера Земли на некоторое время исчезнет, то на Землю обрушится поток космических лучей, что представляет опасность для обитателей суши и тем большую, если исчезновение магнитосферы будет сопряжено с истощением озонового слоя. Обнадёживает тот факт, что во время переполюсовки магнитного поля Солнца, произошедшего в марте 2001 года, полного исчезновения солнечной магнитосферы зафиксировано не было. Переполюсовка магнитного поля Солнца происходит с периодом 22 года.

Строение магнитного поля Земли.

  На небольшом удалении от поверхности Земли, порядка трёх её радиусов, магнитные силовые линии имеют диполеподобное расположение. Эта область называется плазмосферой Земли.

По мере удаления от поверхности  Земли усиливается воздействие  солнечного ветра: со стороны Солнца геомагнитное поле сжимается, а с  противоположной, ночной стороны, оно  вытягивается в длинный хвост.

Параметры поля.

  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. Напряжённость магнитного поля в точках магнитного экватора имеет приблизительно горизонтальное направление.

  Средняя напряжённость поля на поверхности Земли составляет около 0,5 э (50 мкТл) и сильно зависит от географического положения. Напряжённость магнитного поля на магнитном экваторе около 0,34 э (Эрстед), у магнитных полюсов около 0,66 э. В 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. Магнитное поле Земли характеризуется следующими основными параметрами: величинами магнитного склонения и магнитного наклонения и численными значениями напряженности магнитного поля. Магнитное склонение представляет собой угол между астрономическим (географическим) меридианом и магнитным меридианом. Астрономический меридиан - направление, определяющее истинное положение север - юг в данном месте. Магнитный меридиан - воображаемая линия на земной поверхности, совпадающая с направлением земного магнитного поля. Магнитное наклонение ¬- угол между горизонтальной плоскостью и направлением вектора напряженности магнитного поля. За единицу напря-женности магнитного поля принимают ампер на метр (А/м).

Плазмосфера.

  Заметное влияние на магнитное поле на поверхности Земли оказывают токи в ионосфере. Эта область верхней атмосферы, простирающаяся от высот порядка 100 км и выше. Содержит большое количество ионов. Плазма удерживается магнитным полем Земли, но её состояние определяется взаимодействием магнитного поля Земли с солнечным ветром, чем и объясняется связь магнитных бурь на Земле с солнечными вспышками.

Магнитные бури.

  Геомагнитная бу́ря — возмущение геомагнитного поля длительностью от нескольких часов до нескольких суток, вызванное поступлением в окрестности Земли возмущённых высокоскоростных потоков солнечного ветра и связанной с ними ударной волны. Геомагнитная буря 1859 года (Каррингтонский шторм, Солнечный Супершторм, Событие Каррингтона) - была мощнейшей геомагнитной бурей в истории. Менее сильные бури происходили в 1921 и 1960 годах, когда отмечались массовые сбои радиосвязи. Научный прогноз геомагнитной активности с использованием данных телескопов и спутников даётся не более чем на сутки вперёд с коэффициентом корреляции 0,7. На третьи сутки коэффициент корреляции падает до 0,3. Прогноз на месяц вперёд может опираться только на 27-дневную рекуррентность, связанную с периодом вращения Солнца вокруг оси. На высокую точность такой прогноз претендовать не может, поскольку среднее время существования активных центров составляет 6-10 дней.

Влияние магнетизма Земли на человека.

  Исследованиями, проведенными в 50-70-х годах, установлено влияние на человека магнитныx полей вообще и магнитных бурь в частности. Об этом достаточно убедительно и обстоятельно говорится в книгах А. С. Пресмана "Электромагнитное поле и природа" и "Электромагнитные поля в био-сфере". Приведем некоторые примеры. В 1930 г. А. Л. Чижевский, а затем и другие исследователи обратили внимание на связь между развитием ряда заболеваний и процессами, происходящими на Солнце. На основе статистических данных, полученных за много лет, А. Л. Чижевский показал связь между возрастанием солнечной активности и вспышками эпидемии чумы, холеры, дифтерии, гриппа, менингита и даже возвратного тифа. Английскими учеными установлен четко выраженный рост нервно-психи-ческих заболеваний при 67 магнитных бурях. Подобные данные получены на 40 тысячах заболеваний. В период 1957¬- 1961 гг. на 30 тысячах заболеваний было прослежено влияние 7, 14, 21, 35-дневных систематических возрастаний магнитной напряженности на тяжесть протекания заболеваний. Обнаружено подобное влияние на развитие нарушения сердечнососудистой деятельности. В этом плане представляют интерес обстоятельные наблюдения, проведенные В. М. Гнедушевым в Свердловске. А. С. Пресман обращает внимание на то, что в периоды солнечной активности возрастают размножение и токсичность ряда болезнетворных бактерий, повышается скорость свертывания крови и число лимфоцитов. В. К. Подшебякин в Киеве на очень большом числе случаев установил четкие изменение биопотенциалов по амплитуде, частоте и форме кривых, происходящие во время магнитных бурь. На основе своих данных он классифицирует людей на следующие группы: к первой группе относятся те, которые изменением значения амплитуды биопотенциала головного мозга реагируют на наступающую магнитную бурю за 3-4 дня; ко второй ¬- реагирующие за сутки; к третьей - в момент самой бури; к четвертой – по прошествии 2-3 дней после бури и, наконец, к последней (10-15% наблюдаемых) - люди, на состоянии биопотенциала которых магнитная буря не отразилась. Приведенные факты не являются исчерпывающими. Однако полученные в разное время, в разных странах и разными наблюдателями выводы однозначно доказывают, что факт влияния магнитных полей и магнитных бурь на человека достоверен. Но через какие механизмы осуществляется это влияние? Электрические поля, электрические токи так или иначе проявляют свое влияние через взаимодействие с электрическими параметрами живого организма. Если влияние магнитного поля обнаружено, то можно предположить, что поле взаимодействует с магнитными свойствами живого организма. Характерная особенность действия магнитного поля на живой организм заключается в том, что он "прозрачен" для поля. От удара палкой жизненно важные органы тела в той или иной степени защищены мускулатурой. Даже сильный огонь не сразу приводит к тяжелому исходу. Система кровообращения, мускулатура, обладающие электропроводностью, в известной степени могут шунтировать опасный ток. Проникающая радиация частично или полностью поглощается в поверхностных областях тела. И только магнитное поле действует на весь организм сразу в целом: от тела и органа до клетки и отдельных ее молекул и атомов.

Заключение.

  Интересно отметить, что не только человек использует силу земного магнетизма (например, для навигации). Есть некоторые основания считать, что птицы, удивляющие нас способностью при своих перелетах находить места, в которых они когда-то родились и жили, также используют эти силы. Не так давно были проведены интересные опыты с почтовыми голубями, которые, как известно, отличаются способностью определять свое постоянное местонахождение. Пять голубей были увезены далеко от города, в котором они находились. Выпущенные на волю, птицы безошибочно возвратились обратно. Затем каждому голубю под крылья привязались вый маленький магнит и повторили опыт. Оказалось, что только один голубь из пяти возвратился домой, и то после долгого блуждания в пути. Итак, на нашей планете под действием магнитных сил Земли стрелка компаса устанавливается в определенном направлении. Но случается, что стрелка компаса вдруг начинает волноваться, резко и внезапно вздрагивать, метаться из стороны в сторону. Такие явления ученые называют магнитными бурями. Магнитное поле Земли предстоит еще хорошо изучить, что бы до конца выяснить его влияние на природы.