Конкурс учебно-исследовательских проектов школьников
«Эврика, ЮНИОР» Малой академии наук учащихся Кубани.
Секция: политехническая
Нзвание работы: Магнитное поле Земли
Автор работы: Ремизов Патриций Владимирович,
ученик 11 "Б" МБОУ СОШ№5
Место выполнения работы: МБОУ СОШ №5
город-курорт Анапа, Краснодарский край
город-курорт Анапа, Краснодарский край
Научный руководитель: Козина Ирина Юрьевна,
учитель физики МБОУ СОШ №5
2013 г.
Цель:
исследовать причины и последствия изменения полярности магнитного поля Земли.
Гипотеза:
При быстрой смене магнитных полюсов Земли животный мир сможет адаптироваться, а человечество ждёт неминуемая гибель.
Задачи:
1. Изучить различные гипотезы возникновения магнитного поля Земли.
2. Провести анализ научных исследований и сделать вывод о ближайшей смене магнитных полюсов Земли.
3. Изучить влияние магнитного поля земли на животных и человека.
4. Провести научный эксперимент на домашних животных, с целью выявления их реакции на изменение магнитных полюсов.
5. Провести теоретические исследования о последствиях изменения магнитных полюсов на современную цивилизацию.
Актуальность исследований:
Сегодня всё больше исследований учёных разных стран посвящены глобальным проблемам представляющим угрозу человечеству. Среди них достаточно мало внимания, на наш взгляд, уделяется вопросу выживания человечества в условиях смены магнитных полюсов.
Метод исследования:
· Описательный метод
· Научный эксперимент
· Анализ и синтез
Содержание
Введение
Глава I Магнитное поле Земли
1.1 Гипотезы о возникновении магнитного поля Земли
1.2 Переполяризация
Глава II Последствия смены магнитных полюсов Земли на животный мир и современную цивилизацию
2.1 Воздействие магнитного поля Земли на животный мир
2.2 Переполяризация и современная техногенная цивилизация
Заключение
Список литературы
Введение
Изучая различные гипотезы о возникновении магнитного поля земли, мы столкнулись с последними данными о возможной скорейшей смене магнитных полюсов. Сегодня всё чаще учёные многих стран мира высказывают опасения по поводу происходящих изменений в природе, угрожающих современной цивилизации. Рассмотрев последние исследования, мы пришли к выводу, что среди них мало внимания уделяется проблеме сохранения современного мира в условиях смены магнитных полюсов Земли.
На основе анализа статистических данных по землетрясениям, извержениям вулканов, дрейфу магнитных полюсов и другим геологическим процессам доказано, что геодинамическая активность за последние 100 лет возросла, и продолжает непрерывно возрастать. Необходимо, однако, признать, что человечество не подготовлено к вступлению в фазу глобальных катаклизмов ни технологически, ни экономически. Поэтому целью нашей работы является исследование причин и последствий смены магнитных полюсов.
Исследования минералов показывают, что магнитное поле Земли за 4-5 млрд. лет существования планеты меняло свою ориентацию с севера на юг и обратно сотни раз. Существуют гипотезы о том, что именно смена Земной полярности стала причиной вымирания динозавров. На смену динозаврам пришли другие виды. В данной работе мы изучим поведение домашних животных при смене магнитных полюсов, а также систематизируем все известные факты о влиянии магнитного поля на жизнедеятельность организмов.
Глава I. Магнитное поле Земли
1.1 Гипотезы о возникновении магнитного поля Земли
Это может быть удивительно, но сегодня нет единой точки зрения на механизм возникновения магнитного поля планет, хотя почти общепризнанной является гипотеза «магнитного гидродинамо», основанная на признании существования токопроводящего жидкого внешнего ядра. Тепловая конвекция, то есть перемешивание вещества во внешнем ядре, способствует образованию кольцевых электрических токов. Скорость перемещения вещества в верхней части жидкого ядра будет несколько меньше, а в нижних слоях - больше относительно мантии в первом случае и твердого ядра - во втором. Подобные медленные течения вызывают формирование кольцеобразных (тороидальных) замкнутых по форме электрических полей, не выходящих за пределы ядра. Благодаря взаимодействию тороидальных электрических полей с конвективными течениями во внешнем ядре возникает суммарное магнитное поле дипольного характера, ось которого примерно совпадает с осью вращения Земли. Для "запуска” подобного процесса необходимо начальное, хотя бы очень слабое, магнитное поле, которое может генерироваться гидромагнитным эффектом, когда вращающееся тело намагничивается в направлении оси его вращения.
Не последнюю роль играет и солнечный ветер - поток заряжённых частиц, в основном протонов и электронов, идущих от Солнца. Для Земли солнечный ветер представляет собой поток заряженных частиц постоянного направления, а это не что иное, как электрический ток.
Согласно определению направления тока он направлен в сторону, противоположную движению отрицательно заряженных частиц (электронов), т.е. от Земли к Солнцу. Частицы образующие солнечный ветер, обладающие массой и зарядом, увлекаются верхними слоями атмосферы в сторону вращения Земли. В 1958 году был открыт радиационный пояс Земли. Это огромная зона в космосе, охватывающая Землю в области экватора. В радиационном поясе основными носителями зарядов являются электроны. Их плотность на 2 - 3 порядка превышает плотность других носителей зарядов. И таким образом существует электрический ток, вызванный направленным круговым движением частиц солнечного ветра, увлекаемых круговым движением Земли, порождающий электромагнитное "вихревое” поле.
Следует отметить, что магнитный поток, вызванный током солнечного ветра, пронизывает и вращающийся вместе с Землей поток раскаленной лавы внутри нее. В результате этого взаимодействия в ней наводится электродвижущая сила, под действием которой течет ток, который так же создает магнитное поле. Вследствие этого магнитное поле Земли является результирующим полем от взаимодействия тока ионосферы и тока лавы.
Что же приводит в действие геодинамо. К 40-м гг. прошлого столетия физики признавали три необходимых условия образования магнитного поля планеты, и последующие научные построения исходили из данных положений. Первое условие - большой объем электропроводящей жидкой массы, насыщенной железом, образующей внешнее ядро Земли. Под ним расположено внутреннее ядро Земли, состоящее почти из чистого железа, а над ним - 2900 км твердых пород плотной мантии и тонкой земной коры, образующей континенты и ложе океана. Давление на ядро, создаваемое земной корой и мантией, в 2 млн. раз выше, чем на поверхности Земли. Температура ядра также крайне высока - около 5000о по Цельсию, как и температура поверхности Солнца.
Вышеописанные параметры экстремальной среды предопределяют второе требование к работе геодинамо: необходимость источника энергии для приведения в движение жидкой массы. Внутренняя энергия отчасти термального, отчасти химического происхождения создает внутри ядра условия выталкивания. Ядро больше разогревается внизу, чем наверху. (Высокие температуры "замурованы” внутри него со времен образования Земли.) Это означает, что более разогретая, менее плотная металлическая составляющая ядра стремится вверх. Когда жидкая масса достигает верхних слоев, она теряет часть своего тепла, отдавая его вышележащей мантии. Затем жидкое железо остывает, становясь плотнее, чем окружающая масса, и опускается. Процесс перемещения тепла путем поднятия и опускания жидкой массы получил название тепловой конвекции.
Третье необходимое условие поддержания магнитного поля - вращение Земли. Возникающая при этом сила Кориолиса отклоняет движение поднимающейся жидкой массы внутри Земли так же, как она поворачивает океанические течения и тропические циклоны, вихри перемещения которых видны на космических снимках. В центре Земли сила Кориолиса закручивает поднимающуюся жидкую массу в штопор или спираль, подобно оторвавшейся пружине.
Земля обладает насыщенной железом жидкой массой, сосредоточенной в ее центре, энергией, достаточной для поддержания конвекции, и силой Кориолиса, закручивающей конвекционные потоки. Данный фактор крайне важен для поддержания работы геодинамо на протяжении миллионов лет. Но нужны новые знания, чтобы ответить на вопрос о том, как образуется магнитное поле и почему время от времени полюса меняются местами.
1.2 Переполяризация
Ученые давно задавались вопросом, почему магнитные полюса Земли время от времени меняются местами. Последние исследования вихревых перемещений расплавленных масс внутри Земли позволяют понять, как происходит переполяризация.
Согласно теоретическим положениям о силовых магнитных линиях, возникающие в жидкой среде ядра под действием силы Кориолиса малые и большие вихри закручивают силовые линии в узел. Каждый поворот собирает все больше силовых линий в ядре, усиливая таким образом энергию магнитного поля. Если процесс продолжается беспрепятственно, то магнитное поле усиливается бесконечно. Однако электрическое сопротивление рассеивает и выравнивает витки силовых линий настолько, чтобы остановить самопроизвольный рост магнитного поля и продолжить воспроизводство внутренней энергии.
Участки с интенсивным магнитным нормальным и обратным полем формируются на границе ядро-мантия, где малые и большие завихрения взаимодействуют с магнитными полями восточно-западного направления, описываемыми как тороидальные, которые проникают внутрь ядра. Турбулентные жидкостные перемещения могут закручивать линии тороидальных полей в петли, называемые полоидальными полями, имеющими ориентацию север-юг. Иногда закручивание происходит при поднятии текучей массы. Если такое излияние достаточно мощно, то вершина полоидальной петли выталкивается из ядра. В результате такого выталкивания образуются два участка, на которых петля пересекает границу ядро-мантия. На одном из них возникает направление магнитного потока, совпадающее с общим направлением поля диполя в данном полушарии; на другом же участке поток направлен противоположно. Когда вращение относит участок обратного магнитного поля ближе к географическому полюсу, чем участок с нормальным потоком, наблюдается ослабление диполя, который наиболее уязвим вблизи своих полюсов. Таким образом можно объяснить обратное магнитное поле на юге Африки. При глобальном наступлении смены полюсов участки обратного магнитного поля могут разрастаться по всему региону вблизи географических полюсов.
Контурные карты магнитного поля Земли на границе ядро-мантия, составленные по измерениям, сделанным со спутника, показывают, что большая часть магнитного потока направлена от центра Земли в Южном полушарии и к центру в Северном. Но в некоторых районах складывается обратная картина. Участки обратного магнитного поля росли в числе и размерах между 1980 и 2000 г. Если они заполонят все пространство у обоих полюсов, то может произойти переполяризация.
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 гг. его пробег составил 120 км, с 1984 по 1994 гг. - более 150 км. Характерно, что эти данные расчетные, но они подтвердились конкретными замерами и северного магнитного полюса. По данным на начало 2002-го года скорость дрейфа северного магнитного полюса увеличилась с 10 км/год в 70-х годах, до 40 км/год в 2001-м году.
В истории Земли изменения положения географических полюсов происходили неоднократно, и с этим явлением, в первую очередь, связывают оледенение обширных областей суши и кардинальные перемены климата всей планеты. Но отголоски в человеческой истории получила только последняя катастрофа, скорее всего связанная со сдвигом полюсов, произошедшая около 12-ти тысяч лет назад. Все мы знаем - Мамонты вымерли. Но всё было гораздо серьёзнее.
Исчезновение сотен видов животных не подлежит сомнению. О Всемирном Потопе и Гибели Атлантиды ведутся дискуссии. Но одно несомненно - отголоски величайшей катастрофы на памяти человечества имеют под собой реальную основу. И катастрофа эта вызвана, скорее всего, смещением полюсов всего на 2000 км.
Глава II Последствия смены магнитных полюсов Земли на животный мир
и современную цивилизацию
2.1 Воздействие магнитного поля Земли на животный мир
Несмотря на то, что магнитное поле нельзя увидеть, обитатели Земли хорошо его чувствуют. Перелетные птицы, например, отыскивают дорогу, ориентируясь именно на него. Существует несколько гипотез, объясняющих, как именно они ощущают поле. Одна из последних предполагает, что птицы воспринимают магнитное поле визуально. Особые белки – криптохромы – в глазах перелетных птиц способны менять свое положение под воздействием магнитного поля. Авторы теории считают, что криптохромы могут играть роль компаса.
Кроме птиц магнитное поле Земли вместо GPS используют морские черепахи. И, как показал анализ спутниковых фотографий, представленных в рамках проекта Google Earth, коровы. Изучив фотографии 8510 коров в 308 районах мира, ученые заключили, что эти животные предпочтительно ориентируют свои тела с севера на юг (или с юга на север). Причем "реперными точками" для коров служат не географические, а именно магнитные полюса Земли. Механизм восприятия коровами магнитного поля и причины именно такой реакции на него остаются неясными.
Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что магнитное поле Земли напрямую влияет на каждое живое существо на планете. Как же повлияет на животных его изменение? Точно сказать нельзя. Одна из гипотез утверждает, что динозавры вымерли именно во время очередной смены магнитных полюсов.
Смена магнитных полюсов Земли - это не одномоментное явление, а длительный геологический процесс, измеряемый десятками тысяч и даже миллионами лет Правда, некоторые ученые считают, что такие перемены происходили в течение очень короткого времени. Если бы смена полюсов растягивалась на длительный срок, говорят они, то жизнь на нашей планете в эти промежутки была бы уничтожена солнечной радиацией, которая беспрепятственно проникала бы в атмосферу и достигала ее поверхности, поскольку для солнечного ветра, кроме магнитного поля, нет преград.
А пока что наблюдается возрастание скорости перемещения магнитных полюсов, что никак не походит на обычный, "фоновый” дрейф. Так, например, магнитный полюс Северного полушария "пробежал” за последние 20 лет более 200 км в южном направлении.
Итак, проанализировав последние исследования о возможной скорой смене магнитных полюсов, мы решили провести эксперимент на домашнем животном. В результате длительных наблюдений мы пришли к выводу, что в 80 % случаев наш питомец отдыхал, ложась головой на север (южный магнитный полюс).
(Приложение) Это подтверждает и исследования британских ученых. Затем, мы с помощью двух постоянных магнитов поменяли хомячку полярность магнитного поля так, что северный магнитный полюс в локальной области проживания хомячка сменился на южный. Наблюдая за поведением животного, мы отметили возросшее беспокойство, агрессивное поведение, снижение аппетита и ухудшение сна. В любой момент мы готовы были приостановить эксперимент, дабы не навредить ему, однако, к нашему удивлению, животное через неделю адаптировалось и уже ложилось спать головой на новый, искусственно созданный южный полюс. (Приложение) Данный эксперимент подтвердил нашу гипотезу о том, что животный мир сможет адаптироваться при переполяризации магнитных полюсов. Однако не все так однозначно, поскольку, как уже было сказано, смена магнитных полюсов Земли повлечет за собой более серьезные изменения климата. Поэтому вопрос выживаемости животных в таких условиях является темой для других, более обширных исследований.
2.2 Переполяризация и современная техногенная цивилизация
Геофизики предупреждают, что смена полюсов опасна для жизни на Земле. Магнитные поля искривляют поток солнечного ветра (заряженных частиц, летящих от Солнца). В результате большинство из них огибает Землю по замкнутой траектории и не наносит вреда земным организмам. Резкие колебания привели бы к тому, что число высокоэнергичных частиц, проходящих через атмосферу, увеличилось бы в десятки раз.
А теперь представим себе, что произойдёт с современной техногенной цивилизацией в этих условиях. Системы связи, спутники, навигационные приборы, военное высокоточное оборудование и многие друге элементы современных технологий выйдут из строя. Начнётся паника на мировых рынках, что повлечёт за собой глобальный экономический кризис. Пока развитые страны мира будут держать экономический удар, в слаборазвитых странах вспыхнут эпидемии, голод и войны. Эта цепочка событий будет продолжаться, пока часть человечества не уничтожит сама себя. Поэтому, на наш взгляд, в условиях нарастающей угрозы вымирания цивилизации необходимо задуматься о таком варианте развития событий.
Мы не зря провели параллель в нашей работе и сравнили реакцию одного из представителей животного мира с реакцией целой цивилизации в условиях переполяризации.
Человек – homo sapiens – также является частью природы и в состоянии справиться с подобными природными катаклизмами. Представим, например, глухую вымирающую российскую деревушку, которых, к сожалению, все больше в нашей стране.
В такие места уже не доходят линии электропередач, нет сотовой связи и других признаков современной цивилизации. Люди, проживающие там, естественно и не узнают о панике на мировых рынках. Скорее всего, они всего лишь заметят некоторые изменения в природе, например, к удивлению обнаружат, что птицы уже не улетают, как раньше, на юг, и почувствуют физическое недомогание.
Заключение.
В данной работе мы поставили цель - исследовать, как повлияет переполяризация Земли на техногенную цивилизацию, а также на животный мир на нашей планете. В результате анализа последних исследований мы выявили, что животные ориентируются по линиям индукции магнитного поля Земли. Мы провели эксперимент над хомячком с целью выявления его реакции на смену полярности магнитного поля. Эксперимент показал, что животное смогло адаптироваться и его организм «принял» искусственно созданные новые магнитные полюса. Этот факт позволяет нам предположить, что и весь животный мир смог бы выжить при переполяризации.
Не стоит проводить масштабных исследований, чтоб доказать, что современная цивилизация в таких условиях выжить не сможет, поскольку человечество слишком сильно зависит от искусственно созданной техногенной среды обитания.
Однако, в результате наших исследований мы выявили, что переполяризация повлечет за собой цепочку событий, влияющих на климат нашей планеты. Поэтому задачами для дальнейшего изучения ученых мы видим моделирование ситуации, предсказание последствий и направление усилий для предотвращения последствий переполяризации Земли.
Список литературы
1. Дьяченко А.И. Магнитные полюса Земли. – М., 2003.
2. Дубров А.П. Геомагнитное поле и жизнь. Геомагнитобиология. – М., 1984.
3. Головин Н.И., Курик М.В. Геомагнитная экология человека.
4. Гарнага Н.М., 1998.
5. Азимов А. Выбор катастроф. – М., 2002.
6. Журнал «Новый век», 2000.