Небесной сферой называют вспомогательную сферу, построенную произвольным радиусом, на которую спроектированы светила. За центр сферы обычно принимают точку О, соответствующую глазу наблюдателя. На рис. 6.1. изображена небесная сфера для наблюдателя, расположенного в некоторой точке земной поверхности в северной широте φ. Отвесная линия, проходящая через центр и совпадающая с направлением силы тяжести, пересекает небесную сферу в точках зенита «z» и надира «n». Плоскость, перпендикулярная отвесной линии и проходящая через центр сферы, называется плоскостью истинного горизонта, которая при пересечении с небесной сферой образует большой круг NESW.
Линия PNPS, параллельная оси вращения Земли, называется осью мира, а точки её пересечения с небесной сферой полюсами мира: северным PN и южным PS.
Полюс, расположенный в надгоризонтной части сферы, называется повышенным, а в подгоризонтной — пониженным. Наименование повышенного полюса всегда одноименно с наименованием широты наблюдателя.
Большой круг QEQ'W, плоскость которого перпендикулярна оси мира и проходит через центр сферы, называется небесным экватором.
Большой круг PNnPSz называется меридианом наблюдателя. Ось мира делит его на полуденную PNzPS и полуночную PNnPS части.
Большие круги PNCPS, плоскости которых проходят через полюсы мира, называют небесными меридианами, или кругами склонений. Большие круги zСn, плоскости которых проходят через отвесную линию (точки зенита и надира), называют вертикалами или кругами высоты. Вертикал, проходящий через точки Е и W, называется первым вертикалом.
Малые круги PСР', плоскости которых параллельны плоскости небесного экватора, называются небесными параллелями. Малые круги аСа', плоскости которых параллельны плоскости истинного горизонта, называются альмукантаратами.
Плоскость экватора наклонна к плоскости горизонта под углом 90° — φ. Ось мира составляет с плоскостью истинного горизонта угол, равный географической широте φ места наблюдателя.
Горизонтная система координат
Азимут светила А — сферический угол при зените или дуга истинного горизонта между меридианом наблюдателя и вертикалом светила.
Применяются три системы счёта азимута. При полукруговом (практическом) счёте за точку начала отсчёта в северном полушарии принимают точку N, а в южном — точку S, т. е.
точка начала отсчёта полукругового азимута всегда одноимённа с наименованием широты места наблюдателя. Азимуты ограничиваются пределом в 180°. При четвертном счёте азимуты отсчитываются от точек N и S в сторону Е и W от 0 до 90°.
При круговом (навигационном) счёте азимут отсчитывается в любой широте от точки N в сторону Е от 0 до 360°.
Высота светила h — угол при центре небесной сферы или дуга круга высоты (вертикала) между истинным горизонтом и центром светила. Высота отсчитывается от 0 до +90° к зениту и от 0 до –90° к надиру.
Отрицательная высота называется снижением светила. Дополнение высоты до 90°, т. е. дуга между зенитом и светилом, называется зенитным расстоянием z.
Зенитное расстояние отсчитывается от зенита и изменяется от 0 до 180°.
Если светило находится на меридиане наблюдателя, то его высоту называют меридиональной высотой H, а зенитное расстояние — меридиональным зенитным расстоянием Z.
Первая система экваториальных координат
Часовой угол светила t — сферический угол при полюсе мира или дуга экватора между меридианами наблюдателя и светила.
Применяют две системы счёта часовых углов: обыкновенный, или вестовый,— часовой угол отсчитывается от полуденной части меридиана наблюдателя всегда в сторону W от 0 до 360°; практический — часовой угол отсчитывают от полуденной части меридиана наблюдателя в сторону точек Е или W от 0 до 180°. Вестовый часовой угол, если он превышает 180°, может быть переведён в практический остовый: tE = 360° – tW.
Склонение светила δ — угол при центре сферы между плоскостью небесного экватора и направлением на светило или дуга круга склонения (меридиана светила) от экватора до центра светила.
Склонение измеряется от 0 до ±90°, ему приписывают наименование N, если светило находится в северной половине сферы, и наименование S, — если в южной.
Склонение считают положительным, если оно одноимённо с широтой, и отрицательным, если оно разноимённо с широтой.
Вместо склонения иногда применяют его дополнение до 90°, т. е. дугу круга склонения от Северного полюса мира до светила, которая называется полярным расстоянием Δ. Полярное расстояние изменяется от 0 до 180°.
Вторая система экваториальных координат
Одной координатой в этой системе является, как и в первой, склонение светила δ, а в другой — прямое восхождение α — сферический угол при полюсе мира, измеряется дугой небесного экватора от точки весеннего равноденствия (точка Овна γ) в сторону, обратную вращению небесной сферы, до меридиана светила, т. е. в сторону движения Солнца по эклиптике.
Точка Овна находится на пересечении эклиптики с небесным экватором. В этой точке Солнце находится ежегодно 21 марта.
Эклиптика — плоскость, в которой движется Земля вокруг Солнца или большой круг небесной сферы (наклонённый к небесному экватору под углом 23°27'), по которому перемещается центр Солнца в его видимом годовом движении, отражающем движение Земли по её орбите.
Величина, дополняющая прямое восхождение до 360°, называется звёздным дополнением τ*.
Экваториальные координаты светил можно выбрать на любой момент из Морского Астрономического Ежегодника (МАЕ).
Параллактический треугольник и преобразование сферических координат
Сферический треугольник на небесной сфере, образованный пересечением меридиана наблюдателя, вертикала и меридиана светила, называется параллактическим или полярным треугольником светила. В зависимости от наименования широты места наблюдателя за постоянную вершину треугольника принимают повышенный Северный или пониженный Южный полюс мира (см. рис. 6.1.).
Координаты Солнца
Суточное изменение склонения Солнца δ в течение месяца до и после дней весеннего и осеннего равноденствия равно 0,4°, в течение месяца до и после дней летнего и зимнего солнцестояний — 0,1°, в течение второго месяца после дней 21.03, 22.06, 23.09 и 22.12 — 0,3°.
Суточное изменение прямого восхождения Солнца α в течение всего года 1°. Точные значения координат на любой момент выбирают из Морского астрономического ежегодника (МАЕ).
Легко найти и даты начала и конца полярного дня и ночи. Приближённо условием начала и конца полярного дня принимают δ = 90° – (φ + 1°) при δ одноимённом с φ, а условием начала и конца полярной ночи δ = 90° – (φ – 1°), при δ разноимённом с φ.
Изменение φ на 1° приближённо учитывает полудиаметр Солнца и астрономическую рефракцию.
Например, в широте 75°N полярный день наступит и закончится при δ = 14° N, т. е. соответственно 1 мая и 13 августа, а полярная ночь будет длиться с 7 ноября до 5 февраля.
Литература
Справочник штурмана — Бурханов М.В [2010]
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Rating 0.00 (0 Votes)
Справочная книжка матроса
- НАВИГАЦИЯ
- Сведения из навигации
- Географические полюсы — точки пересечения оси вращения Земли с ее поверхностью
Для решения практических вопросов судовождения Землю считают шаром, радиус которого равен 6371 км, или 3438 м, милям.
Географические координаты
Земной экватор—круг, образованный пересечением с поверхностью Земли плоскости, проходящей через центр Земли и перпендикулярной земной оси. От экватора к северу и к югу от 0 до 90° ведется счет широт.
Земные параллели — круги на поверхности Земли, параллельные экватору. Земные меридианы — круги, образованные пересечением с поверхностью Земля плоскостей, проходящих через земную ось. За начальный принят меридиан Гринвича.
От него ведется счет долгот к востоку и западу от 0 до 180°.
Географическая широта места (φ) — угол между плоскостью экватора и отвесной линией в данной точке Земли. Измеряется дугой меридиана от экватора до параллели данного места.
Географическая долгота места (λ.) угол, измеряемый дугой экватора, заключенной между начальным и данным меридианами.
- Географические координаты
- Координаты судна — географическая широта и долгота его места.
- Отвесная линия — направление, определяемое отвесом в данной точке Земли. Все плоскости, проходящие через отвесную линию, называются вертикальными
Основные линии и плоскости наблюдателя
Плоскость истинного горизонта—плоскость, перпендикулярная отвесной линии и проходящая через глаз наблюдателя. Плоскость первого вертикала — вертикальная плоскость, перпендикулярная плоскости истинного меридиана.
Географический или истинный меридиан наблюдателя— круг, образованный пересечением с поверхностью Земли плоскости меридиана, проходящего через отвесную линию в данной точке.
Линия истинного меридиана (полуденная линия) — линия пересечения плоскости истинного меридиана с плоскостью истинного горизонта. Эта линия определяет направление N—.S Пересечение плоскости истинного горизонта и первого вертикала образует линию Ost—W.
Линии N—S и Ost—W определяют главные направления горизонта или румбы: север, юг, восток и запад. Главные направления делят плоскость истинного горизонта на четыре четверти: NO, SO, SW и NW
В навигации (применяются три системы деления горизонта
Деление горизонта
счет в румбах; при этой системе окружность истинного горизонта делится на 32 румба (румб =11°,25). Применяется эта система для обозначения направлений ветра и течения; четвертый счет; каждая четверть при данной системе делится на 90° и счет идет по четвертям в обе стороны от точек N и S от 0 до 90°.
Применяется эта система главным образом в астрономии; круговой счет; в этой системе окружность истинного горизонта делится на 360° и счет идет от точки N. принятой от 0°, по часовой стрелке до 360°. Видимый горизонт наблюдателя — линия кажущегося раздела между поверхностью моря (Земли) и небесным сводом.
Дальность видимого горизонта — расстояние, принятое с учетом земной рефракции, от глаза наблюдателя до точек, находящихся на линии видимого горизонта. Дальность видимого горизонта в милях приблизительно равна корню квадратному из высоты глаза наблюдателя, выраженной в футах или равна удвоенному корню квадратному из высоты глаза наблюдателя, выраженной в метрах.
Дальность видимости предмета равна сумме дальностей, зависящих от высоты глаза наблюдателя и высоты предмета. Курсы, пеленги, курсовые углы (рис. 26) считаются в плоскости истинного горизонта. Истинный курс (ИК) — угол между плоскостями истинного меридиана и диаметральной плоскостью судна, идущего по определенному направлению.
Считается от О до 360° по часовой стрелке. Истинный пеленг (ИП) — угол между плоскостью истинного меридиана и направлением на предмет (считается так же).
Курсовой угол (КУ) — угол между диаметральной плоскостью судна и направлением на предмет (считается от носовой части диаметральной плоскости вправо и влево от 0 до 180°).
Истинный курс, истинный пеленг, курсовой угол
Магнитный меридиан — вертикальная плоскость, проходящая через магнитную ось стрелки компаса, установленного на берегу вдали от .магнитных масс. Склонение (d) — угол между плоскостями истинного и магнитного меридиана.
Склонение указывается на картах и может быть восточным, если плоскость магнитного меридиана отклонена от плоскости истинного меридиана к востоку, или западным— в противном случае. Восточному склонению приписывается знак «+», западному «—». Склонение зависит от места судна на земном шаре и может изменяться в пределах от 0 до 180°.
Стрелка компаса, установленного на судне, под влиянием судового железа отклоняется от плоскости магнитного меридиана. Компасный меридиан — вертикальная плоскость, проходящая через магнитную ось стрелки компаса, установленного на судне.
Девиация (σ) — угол между магнитным и компасным меридианами.
Если плоскость компасного меридиана отклонена от плоскости магнитного к востоку, то девиации приписывается знак «+», если к западу знак «—». Девиация компаса зависит от курса.
Общая поправка магнитного компаса (дельта К) — сумма склонения и девиации, взятых со своими знаками:
дельта К = d + σ Поправка гирокомпаса (дельтаГК) — угол между плоскостью истинного меридиана и северным концом оси гирокомпаса. Поправка гирокомпаса будет иметь знак «+», если ось отклонена от меридиана к востоку и «—-», если к западу, Компасный курс (КК) рассчитывается как разность истинного курса и поправки компаса, взятой с её знаком:
- КК = ИА — (± дельта К);
- ГКК = ИК — (± дельта ГК). Компасные пеленги определяются по компасу и для прокладки на карте переводятся в истинные прибавлением общей поправки компаса:
- ИП = КП + (± дельта К);
- ИП = ГКП + (± дельта ГК) Задачи на исправление компасных курсов и пеленгов (расчет истинных курсов и пеленгов) и на перевод истинных курсов и пеленгов в компасные могут быть решены с помощью чертежа
Истинные магнитные и компасные направления
В этом случае компасный меридиан следует проводить к осту или весту от истинного, в зависимости от знака поправки. Масштаб карты — отношение расстояния между двумя пунктами на карте к расстоянию между теми же пунктами на местности или степень уменьшения изображения.
Числовой масштаб — дробь, в числителе которой стоит единица, а в знаменателе — число, показывающее степень уменьшения. Линейный масштаб — показывает число единиц, принятых для измерения длин на местности, в единице, принятой для измерения длин на карте.
Например, 2 мили в 1 см.
При пользовании меркаторской картой, расстояния следует измерять милями, снятыми с боковой ее рамки в средней широте расположения точек.
Истинный горизонт и системы его деления
Сила земного притяжения позволяет наблюдателю в любой точке на земной поверхности с помощью нитки с грузом получить направление отвесной линии (вертикаль). Она будет всегда направлена к центру Земли, Воображаемую горизонтальную плоскость,- перпендикулярную отвесной линии и проходящую через глаз наблюдателя А , называют плоскостью истинного горизонта наблюдателя (плоскость 1).
- Вертикальную плоскость, проходящую через глаз наблюдателя и земные полюсы, называют плоскостью истинного меридиана наблюдателя (плоскость 2), а большой круг МРсКР образовавшийся от мысленного пересечения земного шара этой плоскостью, представляет собой меридиан места, или меридиан наблюдателя.
- Плоскость истинного меридиана наблюдателя пересекается с плоскостью истинного горизонта по линии N — S, которая называется полуденной линией, так как в этой плоскости Солнце бывает точно в полдень.
Сила земного притяжения позволяет наблюдателю в любой точке на земной поверхности с помощью нитки с грузом получить направление отвесной линии (вертикаль). Она будет всегда направлена к центру Земли, Воображаемую горизонтальную плоскость,Вертикальную плоскость, проходящую через глаз наблюдателя перпендикулярно плоскости истинного меридиана наблюдателя, называют плоскостью первого вертикала (плоскость 3). Она пересекается с плоскостью истинного горизонта наблюдателя по линии Ost — W. Таким образом, пересечение взаимно перпендикулярных плоскостей истинного меридиана наблюдателя и первого вертикала дает четыре главные линии на плоскости истинного горизонта наблюдателя, которые указывают на главные точки горизонта: N, S, Ost и W. Если наблюдатель станет лицом к северу, то за спиной у него будет юг, справа — восток, слева — запад. Линии N — S, Ost — W в любой точке земной поверхности (кроме полюсов) занимают вполне определенное положение. Направления N, S, Ost и W называют главными направлениями, или главными румбами, которые делят истинный горизонт на четыре четверти: NOst — северо-восточную, SOst — юго-восточную, SW — юго-западную и NW — северозападную.
Каждая четверть делится на 8 румбов, а весь горизонт — на 32 румба. Угол между соседними румбами составляет 11,25°. Такая система деления горизонта называется румбовой. Каждый румб имеет свое определенное направление и наименование.
Деление истинного горизонта
С ростом точности кораблевождения потребовалась более частая разбивка горизонта. Каждую четверть разбили на 90°. Главные румбы N и S отмечались О, а Ost и W — 90° , наименование четвертей осталось прежним. Такая система деления горизонта называется четвертной. Для указания направления по этой системе называется четверть и число градусов, например:
NOst 47°, SOst 34°, SW 82°, W 15° и т. д.
В настоящее время применяется система круговой разбивки горизонта на 360° без различия четвертей.
В этой системе главные румбы обозначаются так:
N — 0°(360°), Ost — 90, S — 180°, W — 2700. Круговая система счета направлений проще и нагляднее других, но судоводитель должен уметь переводить направления, данные по одной системе, в направления по другой системе, так как при решении многих навигационных и астрономических задач получаются результаты с указанием наименования четверти.
Фигура и модели Земли. Основные точки, линии и плоскости для ориентирования наблюдателя
Навигация — наука о выборе пути, определении места и перемещении судна в море с учетом задач, решаемых судном, и влияния внешней среды на направление и скорость судна (ГОСТ 23634-83).
Фигура и модели Земли. Основные точки, линии и плоскости для ориентирования наблюдателя
Геоид — модель Земли, образованная уровенной поверхностью, совпадающей с поверхностью Мирового океана в состоянии покоя и равновесия и продолженной под материками. Поверхность геоида во всех точках перпендикулярна направлению ускорения силы тяжести g в этих точках.
Поверхность Земли
Земной эллипсоид (сфероид) — фигура, моделирующая Землю и полученная путем вращения эллипса вокруг малой оси, которая совпадает с осью вращения Земли.Характеристики эллипсоида:— полярное сжатие: а = (a — b) / а,
— эксцентриситет: е = V а2 — Ь2 /а.
Референц-эллипсоид — земной эллипсоид определенных размеров, принятый в государстве в качестве модели Земли. В России — референц-эллипсоид Ф. II.
Красовского, принятый в 1946 году: большая полуось а я 6378245 м; полярное сжатие а = 1 / 298,3.Шар — модель Земли, используемая при решении некоторых задач навигации.
Радиус сферической модели Земли R определяется исходя из заданных начальных условий..
- Заданные условия, при которых определяется радиус:
- 1) Объем земного шара равен объему эллипсоида Красовского 6371 м
- 2) Равенство площадей поверхности земного шара и эллипсоида Кра« совского 6371 116 м
- 3) Окружность большого круга земного шара равна длине меридиана эллипсоида 6 367 559 м
- 4) Одна минута дуги большого круга земного шара равна стандартной миле 6 366 707 м
- Точки линии и плоскости, связанные с моделью Земли
Земная ось — воображаемая прямая, вокруг которой происходит суточное вращение Земли.Географические полюса земли — точки пересечения оси с земной поверхностью. Полюс, с которого наблюдается вращение Земли против часовой стрелки — северный {Pn), противоположный — южный (Рs)
- Параллели линии (BB1), образованные пересечением плоскостей, перпендикулярных земной оси, с поверхностью модели Земли.
- Экватор — наибольшая параллель (eq), проходящая через центр Земли.
- Меридианы (истинные, географические) — линии, образованные пересечением плоскостей, проходящих через ось Земли с ее поверхностью.
- Точки линии и плоскости, связанные с положением наблюдателяВертикальная (отвесная) линия — прямая, совпадающая с паирав лением ускорения силы тяжести g в данной точке.Плоскость истинного горизонта наблюдателя — плоскость, проходяшая через место наблюдателя перпендикулярно отвесной линии
Меридиан наблюдателя — меридиан, проходящий через место наблюдателя.Плоскость вертикала (верти кальная плоскость)- плоскость, проходящая через отвесную линию.Плоскость первого вертикала — вертикальная плоскость, перпендикулярная плоскости меридиана наблюдателя.Пересечение плоскости меридиана наблюдателя с плоскостью истинного горизонта образуют полуденную линию — NS (Север- Юг).
Пересечение плоскости первого вертикала с плоскостью истинного горизонта образуют линию — EW (Восток -Запад).
Истинный и магнитный меридиан
Магни́тное по́ле Земли́ или геомагни́тное по́ле — магнитное поле, генерируемое внутриземными источниками. Предмет изучения геомагнетизма. Появилось 4,2 млрд лет назад [1] .
Содержание
Строение и характеристики магнитного поля Земли
Собственное магнитное поле Земли (геомагнитное поле) можно разделить на cледующие основные части [2] :
- главное поле,
- поля мировых аномалий,
- внешнее магнитное поле.
Главное поле
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 [3] [4] [5] .
Оно аппроксимируется в виде ряда по гармоникам — ряда Гаусса, а в первом приближении вблизи поверхности Земли (до трёх её 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 [2] [6] [3] [7] [8] .
Центр этого диполя смещен относительно центра Земли, а ось наклонена к оси вращения Земли на угол около 10°. На такой же угол отстоят от соответствующих географических полюсов геомагнитные полюса — точки пересечения оси диполя с поверхностью Земли [4] .
Их положение в различные моменты времени вычисляется в рамках той или иной модели магнитного поля, определяющей тем или иным образом первые три коэффициента в ряду Гаусса [3] .
Эти глобальные модели, такие как Международное геомагнитное аналитическое поле (International Geomagnetic Reference Field, IGRF) [9] и Всемирная магнитная модель (World Magnetic Model, WMM) [en] [10] , создаются различными международными геофизическими организациями, и каждые 5 лет утверждаются и публикуются обновлённые наборы коэффициентов Гаусса, определяющих все данные о состоянии геомагнитного поля и его параметрах [4] . Так, согласно модели WMM2015, северный геомагнитный полюс (по сути это южный полюс магнита) имеет координаты 80,37° с. ш. и 72,62° з. д., южный геомагнитный полюс — 80,37° ю. ш., 107,38° в. д., наклон оси диполя относительно оси вращения Земли — 9,63° [3] [11] .
Поля мировых аномалий
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 [2] [4] [7] [8] .
Они могут накладываться одна на другую, если вызывающие их намагниченные тела залегают на разных глубинах [5] .
Существование магнитных полей протяжённых локальных областей внешних оболочек приводит к тому, что истинные магнитные полюса — точки (вернее, небольшие области), в которых силовые линии магнитного поля абсолютно вертикальны, — не совпадают с геомагнитными, при этом они лежат не на самой поверхности Земли, а под ней [4] [3] [6] . Координаты магнитных полюсов на тот или иной момент времени также вычисляются в рамках различных моделей геомагнитного поля путём нахождения итеративным методом всех коэффициентов в ряду Гаусса. Так, согласно актуальной модели WMM, в 2015 г. северный магнитный полюс находился в точке 86° с. ш., 159° з. д., а южный — 64° ю. ш., 137° в.д [3] . Значения актуальной модели IGRF12 немного отличаются: 86,3° с. ш., 160° з. д., для северного полюса, 64,3° ю. ш., 136,6° в.д для южного [11] .
Соответственно, магнитная ось — прямая, проходящая через магнитные полюса, — не проходит через центр Земли и не является её диаметром [6] [7] .
Положения всех полюсов постоянно смещаются — геомагнитный полюс прецессирует относительно географического с периодом около 1200 лет [2] .
Внешнее магнитное поле
Оно определяется источниками в виде токовых систем, находящимися за пределами земной поверхности, в её атмосфере [2] [4] . В верхней части атмосферы (100 км и выше) — ионосфере — её молекулы ионизируются, формируя плотную холодную плазму, поднимающуюся выше, поэтому часть магнитосферы Земли выше ионосферы, простирающаяся на расстояние до трёх её радиусов, называется плазмосферой. Плазма удерживается магнитным полем Земли, но её состояние определяется его взаимодействием с солнечным ветром — потоком плазмы солнечной короны [12] .
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 [2] .
Эта своеобразная «хвостатая» форма возникает, когда плазма солнечного ветра и солнечных корпускулярных потоков как бы обтекают земную магнитосферу — область околоземного космического пространства, ещё контролируемую магнитным полем Земли, а не Солнца и других межпланетных источников [2] [4] [7] [8] ; она отделяется от межпланетного пространства магнитопаузой, где динамическое давление солнечного ветра уравновешивается давлением собственного магнитного поля. Подсолнечная точка магнитосферы в среднем находится на расстоянии 10 земных радиусов R⊕; при слабом солнечном ветре это расстояние достигает 15—20 R⊕, а в период магнитных возмущений на Земле магнитопауза может заходить за геостационарную орбиту (6,6 R⊕) [2] . Вытянутый хвост на ночной стороне имеет диаметр около 40 R⊕ и длину более 900 R⊕; начиная с расстояния примерно 8 R⊕, он разделен на части плоским нейтральным слоем, в котором индукция поля близка к нулю [2] [4] [7] [8] .
Геомагнитное поле вследствие специфической конфигурации линий индукции создает для заряженных частиц — протонов и электронов — магнитную ловушку. Оно захватывает и удерживает огромное их количество, так что магнитосфера является своеобразным резервуаром заряженных частиц.
Общая их масса, по различным оценкам, составляет от 1 кг до 10 кг. Они формируют так называемый радиационный пояс, охватывающий Землю со всех сторон, кроме приполярных областей. Его условно разделяют на два — внутренний и внешний.
Нижняя граница внутреннего пояса находится на высоте около 500 км, его толщина — несколько тысяч километров. Внешний пояс находится на высоте 10—15 тыс. км.
Частицы радиационного пояса под действием силы Лоренца совершают сложные периодические движения из Северного полушария в Южное и обратно, одновременно медленно перемещаясь вокруг Земли по азимуту. В зависимости от энергии они совершают полный оборот вокруг Земли за время от нескольких минут до суток [7] .
Магнитосфера не подпускает к земле потоки космических частиц [8] . Однако в её хвосте, на больших расстояниях от Земли напряженность геомагнитного поля, а следовательно, и его защитные свойства, ослабляются, и некоторые частицы солнечной плазмы получают возможность попасть вовнутрь магнитосферы и магнитных ловушек радиационных поясов.
Хвост таким образом служит местом формирования потоков высыпающихся частиц, вызывающих полярные сияния и авроральные токи [2] .
В полярных областях часть потока солнечной плазмы вторгается в верхние слои атмосферы из радиационного пояса Земли и, сталкиваясь с молекулами кислорода и азота, возбуждает их или ионизирует, а при обратном переходе в невозбужденное состояние атомы кислорода излучают фотоны с λ = 0,56 мкм и λ = 0,63 мкм, ионизированные же молекулы азота при рекомбинации высвечивают синие и фиолетовые полосы спектра. При этом наблюдаются полярные сияния, особенно динамичные и яркие во время магнитных бурь. Они происходят при возмущениях в магнитосфере, вызванных увеличением плотности и скорости солнечного ветра при усилении солнечной активности [8] [7] .
Параметры поля
Наглядное представление о положении линий магнитной индукции поля Земли даёт магнитная стрелка, закреплённая 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 [6] [8] .
Таким образом, магнитные меридианы — это проекции силовых линий магнитного поля Земли на её поверхность, сходящиеся в северном и южном магнитных полюсах [13] . 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 [6] [7] [8] .
Далее, линии магнитного поля Земли, вообще говоря, не параллельны её 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 [6] [8] .
Оно близко к нулю лишь в точках магнитного экватора — окружности большого круга в плоскости, которая перпендикулярна к магнитной оси [3] .
В среднем интенсивность магнитного поля Земли колеблется от 25 до 65 мкТл (0,25—0,65 Гс) и сильно зависит от географического положения [3] . Это соответствует средней напряжённости поля около 0,5 Э (40 А/м) [2] .
На магнитном экваторе её величина около 0,34 Э, у магнитных полюсов — около 0,66 Э. В некоторых районах (магнитных аномалий) напряжённость резко возрастает: в районе Курской магнитной аномалии она достигает 2 Э [7] .
Магнитный дипольный момент Земли на 2015 год составлял 7,72⋅10 25 Гс·см³ (или 7,72⋅10 22 А·м²), уменьшаясь в среднем за последние десятилетия на 0,007⋅10 25 Гс·см³ в год [11] .
Природа магнитного поля Земли
Впервые объяснить существование магнитных полей Земли и Солнца попытался Дж. Лармор в 1919 году [18] , предложив концепцию динамо, согласно которой поддержание магнитного поля небесного тела происходит под действием гидродинамического движения электропроводящей среды. Однако в 1934 году Т.
Каулинг [en] [19] 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 теореме [20] .
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 гг. несимметричные решения были найдены [20] [15] .
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 кельвин, которое отлично проводит ток, создаются конвективные потоки, отводящие от твёрдого 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 [en] . Благодаря трению слоёв они приобретают электрический заряд, формируя контурные токи. Таким образом, создаётся 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 [14] [21] [16] [22] . Высказывались предположения, что динамо может возбуждаться за счёт прецессии или приливных сил, то есть что источником энергии является вращение Земли, однако наиболее распространена и разработана гипотеза о том, что это всё же именно термохимическая конвекция [17] .
где u — скорость потока жидкости, B — магнитная индукция, η = 1/μσ — магнитная вязкость [en] (коэффициент магнитной диффузии), σ — электропроводность жидкости, а μ — магнитная проницаемость, практически не отличающаяся при такой высокой температуре ядра от μ0 — проницаемости вакуума. Первое слагаемое в правой части соответствует формированию магнитного поля, а второе — его подавлению. При u=0 (без динамо) решение этого уравнения — поле, полностью угасающее через 6⋅10 4 лет [23] .
Однако для полного описания необходимо записать систему магнитогидродинамических уравнений. В приближении Буссинеска (в рамках которого пренебрегается т. н.
вековым охлаждением и все физические характеристики жидкости полагаются постоянными, кроме силы Архимеда, при расчёте которой учитываются изменения плотности вследствие разности температур и — в общем случае — концентрации лёгких элементов) это [16] [17] [23] :
- , содержащее члены, выражающие совокупное действие вращения и магнитного поля:
Вращение Земли — один из важнейших факторов формирования геомагнитного поля, и его механизм схож с процессами в атмосфере Земли, приводящим к завихрению воздушных масс против часовой стрелки в северном полушарии и в обратном направлении в южном — циклонам и антициклонам.
Аналогичные завихрения конвекционных потоков в ядре приводят к тому, что отдельные турбулентные конвекционные движения приобретают крупномасштабную (при усреднении по пульсациям скорости) зеркальную асимметрию и в совокупности приводят к генерации динамо в макроскопических масштабах благодаря электродвижущей силе, направленной уже вдоль, а не перпендикулярно среднему (которое определяется усреднением реального поля по его возможным статистическим реализациям) магнитному полю ⟨ ε ⟩ = α ⟨ B ⟩
angle =alpha langle mathbf
angle > , где ε — ЭДС, а α — коэффициент пропорциональности, из-за которого этот механизм и получил название альфа-эффект [22] [24] . В общем случае α — тензор, однако зеркальная антисимметрия даёт псевдоскаляр, которого и требует по построению эта формула, так как ε — истинный вектор, а B — псевдовектор [25] . Динамо, основанное исключительно на α-эффекте, называют α 2 -динамо, поскольку его действие выражается произведением двух членов, содержащих этот коэффициент [23] , — оно характеризуется практически стационарным полем, испытывающим небольшие кратковременные вариации (порядка сотен лет для Земли) и долговременные полные инверсии (порядка миллиона лет для Земли). Возможен также механизм с действием омега-эффекта (более существенного для Солнца, чем для Земли, однако необходимого для объяснения природы наблюдаемого дрейфа геомагнитных неоднородностей) — это измеряемое градиентом скорости дифференциальное вращение, которое из направленного к наблюдателю полоидального (вытянутого вдоль меридианов, BS) магнитного поля создаёт скрытое в проводящем ядре планеты тороидальное (вытянутое вдоль параллелей, BT) поле. Альфа-эффект замыкает цикл генерации — превращая тороидальное поле в полоидальное за счёт вихрей, характеризуемых отрицательной спиральностью (эта характеристика выражается соотношением u ⋅ ∇ × u cdot mathbf imes mathbf > и непосредственно связана с величиной α) в Северном полушарии и положительной в Южном: восходящие и нисходящие потоки в конвекционных цилиндрах вытягивают и поворачивают BT-линии в S-направлении [26] [20] [15] [17] . Такая схема обычно называется αω-эффектом, она даёт переменные поля, и при этом BT>>BS, тогда как для α 2 -механизма эти компоненты сравнимы (экспериментально на сегодняшний день удалось получить только грубую оценку |BS|