Tarcza Ziemi: gdzie nasza planeta ma pole magnetyczne?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 16:14

Pole magnetyczne chroni powierzchnię Ziemi przed wiatrem słonecznym i szkodliwym promieniowaniem kosmicznym. Działa jak swego rodzaju tarcza – bez jej istnienia atmosfera uległaby zniszczeniu. Opowiemy Ci, jak powstało i zmieniło się pole magnetyczne Ziemi.

Struktura i charakterystyka pola magnetycznego Ziemi

Pole magnetyczne Ziemi lub pole geomagnetyczne jest polem magnetycznym generowanym przez źródła naziemne. Przedmiot badań geomagnetyzmu. Pojawił się 4, 2 miliardy lat temu.

Własne pole magnetyczne Ziemi (pole geomagnetyczne) można podzielić na następujące główne części:

• Pole główne,
• pola anomalii świata,
• zewnętrzne pole magnetyczne.

Pole główne

Ponad 90% składa się z pola, którego źródło znajduje się wewnątrz Ziemi, w ciekłym jądrze zewnętrznym - ta część nazywana jest polem głównym, głównym lub normalnym.

Jest aproksymowana w postaci szeregu w harmonii - szereg Gaussa, a w pierwszym przybliżeniu przy powierzchni Ziemi (do trzech jej promieni) jest blisko pola dipola magnetycznego, czyli wygląda jak Ziemia to magnes paskowy o osi skierowanej w przybliżeniu z północy na południe.

Pola światowych anomalii

Rzeczywiste linie siły ziemskiego pola magnetycznego, choć średnio zbliżone do linii siły dipola, różnią się od nich lokalnymi nieregularnościami związanymi z obecnością namagnesowanych skał w skorupie znajdującej się blisko powierzchni.

Z tego powodu w niektórych miejscach na powierzchni ziemi parametry pola bardzo różnią się od wartości w pobliskich obszarach, tworząc tzw. anomalie magnetyczne. Mogą zachodzić na siebie, jeśli namagnesowane ciała, które je powodują, leżą na różnych głębokościach.

Zewnętrzne pole magnetyczne

Określają ją źródła w postaci układów prądowych znajdujących się poza powierzchnią ziemi, w jej atmosferze. W górnej części atmosfery (100 km i powyżej) - jonosferze - jej cząsteczki jonizują się, tworząc gęstą zimną plazmę, która wznosi się wyżej, a więc część magnetosfery Ziemi nad jonosferą, rozciągając się na odległość do trzech jego promieni nazywana jest plazmosferą.

Plazma jest utrzymywana przez ziemskie pole magnetyczne, ale jej stan zależy od jej interakcji z wiatrem słonecznym - przepływem plazmy korony słonecznej.

Tak więc w większej odległości od powierzchni Ziemi pole magnetyczne jest asymetryczne, ponieważ ulega zniekształceniu pod wpływem wiatru słonecznego: od Słońca kurczy się, a w kierunku od Słońca uzyskuje „szlak”, który się rozciąga przez setki tysięcy kilometrów, wychodząc poza orbitę Księżyca.

Ta swoista "ogonkowa" forma powstaje, gdy plazma wiatru słonecznego i strumienie korpuskularne słoneczne wydają się opływać ziemską magnetosferę - obszar przestrzeni bliskiej Ziemi, wciąż kontrolowany przez pole magnetyczne Ziemi, a nie Słońce i inne źródła międzyplanetarne.

Jest oddzielona od przestrzeni międzyplanetarnej magnetopauzą, w której dynamiczne ciśnienie wiatru słonecznego jest równoważone ciśnieniem własnego pola magnetycznego.

Parametry pola

Wizualną reprezentację położenia linii indukcji magnetycznej ziemskiego pola zapewnia igła magnetyczna, zamocowana w taki sposób, że może się swobodnie obracać zarówno wokół osi pionowej, jak i wokół osi poziomej (np. w gimbalu), - w każdym punkcie w pobliżu powierzchni Ziemi jest zainstalowany w określony sposób wzdłuż tych linii.

Ponieważ bieguny magnetyczne i geograficzne nie pokrywają się, igła magnetyczna pokazuje tylko przybliżony kierunek północ-południe.

Płaszczyzna pionowa, w której umieszczona jest igła magnetyczna, nazywana jest płaszczyzną południka magnetycznego danego miejsca, a linia, wzdłuż której ta płaszczyzna przecina się z powierzchnią Ziemi, nazywana jest południkiem magnetycznym.

Meridiany magnetyczne są więc rzutami linii sił pola magnetycznego Ziemi na jej powierzchnię, zbiegających się na północnym i południowym biegunie magnetycznym. Kąt między kierunkami południków magnetycznych i geograficznych nazywany jest deklinacją magnetyczną.

Może być zachodni (często oznaczany znakiem „-”) lub wschodni (znak „+”), w zależności od tego, czy północny biegun igły magnetycznej odchyla się od pionowej płaszczyzny południka geograficznego na zachód czy na wschód.

Co więcej, linie pola magnetycznego Ziemi, ogólnie mówiąc, nie są równoległe do jej powierzchni. Oznacza to, że indukcja magnetyczna ziemskiego pola nie leży w płaszczyźnie horyzontu danego miejsca, ale tworzy z tą płaszczyzną pewien kąt – nazywa się to nachyleniem magnetycznym. Jest bliska zeru tylko w punktach równika magnetycznego - obwodu wielkiego koła w płaszczyźnie prostopadłej do osi magnetycznej.

Wyniki modelowania numerycznego pola magnetycznego Ziemi: po lewej - normalne, po prawej - podczas inwersji

Natura ziemskiego pola magnetycznego

Po raz pierwszy J. Larmor próbował wyjaśnić istnienie pól magnetycznych Ziemi i Słońca w 1919 roku, proponując koncepcję dynama, zgodnie z którą utrzymywanie pola magnetycznego ciała niebieskiego następuje pod wpływem działania ruchu hydrodynamicznego ośrodka przewodzącego prąd elektryczny.

Jednak w 1934 r. T. Cowling udowodnił twierdzenie o niemożliwości utrzymania osiowosymetrycznego pola magnetycznego za pomocą hydrodynamicznego mechanizmu dynamo.

A ponieważ większość badanych ciał niebieskich (a tym bardziej Ziemię) uznano za osiowo symetryczne, na tej podstawie można było założyć, że ich pole będzie również osiowo symetryczne, a następnie jego generowanie zgodnie z tą zasadą byłoby niemożliwe zgodnie z tym twierdzeniem.

Nawet Albert Einstein był sceptycznie nastawiony do wykonalności takiego dynama, biorąc pod uwagę niemożność istnienia prostych (symetrycznych) rozwiązań. Dopiero znacznie później wykazano, że nie wszystkie równania z symetrią osiową opisujące proces generowania pola magnetycznego będą miały rozwiązanie osiowo symetryczne, nawet w latach 50. XX wieku. znaleziono rozwiązania asymetryczne.

Od tego czasu z powodzeniem rozwija się teoria dynama, a dziś powszechnie akceptowanym najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem pochodzenia pola magnetycznego Ziemi i innych planet jest mechanizm dynamo samowzbudny oparty na wytwarzaniu prądu elektrycznego w przewodniku kiedy porusza się w polu magnetycznym generowanym i wzmacnianym przez same te prądy.

W jądrze Ziemi powstają niezbędne warunki: w ciekłym jądrze zewnętrznym, składającym się głównie z żelaza o temperaturze ok. 4-6 tys. Kelwinów, które doskonale przewodzi prąd, powstają przepływy konwekcyjne, które odprowadzają ciepło ze stałego jądra wewnętrznego (generowane w wyniku rozpadu pierwiastków promieniotwórczych lub uwolnienia ciepła utajonego podczas krzepnięcia materii na granicy między jądrem wewnętrznym i zewnętrznym w miarę stopniowego ochładzania się planety).

Siły Coriolisa skręcają te prądy w charakterystyczne spirale, które tworzą tak zwane filary Taylora. W wyniku tarcia warstw uzyskują one ładunek elektryczny, tworząc prądy pętli. W ten sposób powstaje układ prądów, które krążą po obwodzie przewodzącym w przewodnikach poruszających się w (początkowo obecnym, choć bardzo słabym) polu magnetycznym, jak w dysku Faradaya.

Wytwarza pole magnetyczne, które przy korzystnej geometrii przepływów wzmacnia pole wyjściowe, a to z kolei wzmacnia prąd, a proces wzmacniania trwa do momentu, aż straty ciepła Joule'a, wzrastające wraz ze wzrostem prądu, zrównoważą dopływy energii w wyniku ruchów hydrodynamicznych.

Zasugerowano, że dynamo może być wzbudzane przez siły precesji lub pływów, czyli że źródłem energii jest ruch obrotowy Ziemi, jednak najbardziej rozpowszechnioną i rozwiniętą hipotezą jest to, że jest to właśnie konwekcja termochemiczna.

Zmiany w polu magnetycznym Ziemi

Inwersja pola magnetycznego to zmiana kierunku ziemskiego pola magnetycznego w historii geologicznej planety (określona metodą paleomagnetyczną).

W odwróceniu, północ magnetyczna i południe magnetyczne są odwrócone, a igła kompasu zaczyna wskazywać w przeciwnym kierunku. Inwersja jest stosunkowo rzadkim zjawiskiem, które nigdy nie miało miejsca podczas istnienia Homo sapiens. Przypuszczalnie ostatni raz wydarzyło się to około 780 tysięcy lat temu.

Odwrócenia pola magnetycznego następowały w odstępach czasu od dziesiątek tysięcy lat do ogromnych odstępów spokojnego pola magnetycznego trwających dziesiątki milionów lat, kiedy odwrócenia nie występowały.

Nie stwierdzono zatem okresowości w odwróceniu biegunów, a proces ten jest uważany za stochastyczny. Po długich okresach spokojnego pola magnetycznego mogą następować okresy wielokrotnych odwróceń o różnym czasie trwania i na odwrót. Badania pokazują, że zmiana biegunów magnetycznych może trwać od kilkuset do kilkuset tysięcy lat.

Eksperci z Johns Hopkins University (USA) sugerują, że podczas inwersji magnetosfera Ziemi osłabiła się tak bardzo, że promieniowanie kosmiczne mogło dotrzeć do powierzchni Ziemi, więc to zjawisko mogłoby zaszkodzić żywym organizmom na planecie, a kolejna zmiana biegunów mogłaby doprowadzić do jeszcze większej poważne konsekwencje dla ludzkości, aż do globalnej katastrofy.

Prace naukowe w ostatnich latach wykazały (w tym eksperymentalnie) możliwość losowych zmian kierunku pola magnetycznego („przeskoków”) w stacjonarnej prądnicy turbulentnej. Według kierownika laboratorium geomagnetyzmu w Instytucie Fizyki Ziemi, Władimira Pawłowa, inwersja jest dość długim procesem według ludzkich standardów.

Geofizycy z Uniwersytetu Leeds Yon Mound i Phil Livermore uważają, że za kilka tysięcy lat nastąpi odwrócenie ziemskiego pola magnetycznego.

Przemieszczenie biegunów magnetycznych Ziemi

Po raz pierwszy współrzędne bieguna magnetycznego na półkuli północnej wyznaczono w 1831 r., ponownie - w 1904 r., następnie w 1948 i 1962, 1973, 1984, 1994; na półkuli południowej - w 1841 r., ponownie - w 1908 r. Przemieszczenie biegunów magnetycznych odnotowuje się od 1885 roku. W ciągu ostatnich 100 lat biegun magnetyczny na półkuli południowej przesunął się o prawie 900 km i wszedł do Oceanu Południowego.

Najnowsze dane dotyczące stanu bieguna magnetycznego Arktyki (przemieszczającego się w kierunku anomalii magnetycznej świata wschodniosyberyjskiego przez Ocean Arktyczny) wykazały, że w latach 1973-1984 jego przebieg wynosił 120 km, w latach 1984-1994 ponad 150 km. Chociaż liczby te są obliczane, potwierdzają je pomiary północnego bieguna magnetycznego.

Po 1831 roku, kiedy po raz pierwszy ustalono położenie słupa, do 2019 roku słup przesunął się już o ponad 2300 km w kierunku Syberii i nadal porusza się z przyspieszeniem.

Jego prędkość jazdy wzrosła z 15 km rocznie w 2000 roku do 55 km rocznie w 2019 roku. Ten szybki dryf wymusza częstsze dostosowywanie systemów nawigacyjnych wykorzystujących ziemskie pole magnetyczne, takich jak kompasy w smartfonach lub zapasowe systemy nawigacyjne dla statków i samolotów.

Siła ziemskiego pola magnetycznego spada i nierównomiernie. W ciągu ostatnich 22 lat zmniejszył się średnio o 1,7%, aw niektórych regionach, takich jak południowy Ocean Atlantycki, o 10%. W niektórych miejscach siła pola magnetycznego, wbrew ogólnemu trendowi, nawet wzrosła.

Przyspieszenie ruchu biegunów (średnio o 3 km/rok) i ich przemieszczanie się po korytarzach inwersji biegunów magnetycznych (korytarze te umożliwiły ujawnienie ponad 400 paleoinwersji) sugeruje, że w tym ruchu biegunów powinien widzieć nie wyskok, ale kolejną inwersję ziemskiego pola magnetycznego.

Jak powstało ziemskie pole magnetyczne?

Eksperci z Instytutu Oceanografii Scripps i Uniwersytetu Kalifornijskiego zasugerowali, że pole magnetyczne planety zostało utworzone przez płaszcz. Amerykańscy naukowcy opracowali hipotezę zaproponowaną 13 lat temu przez grupę badaczy z Francji.

Wiadomo, że przez długi czas profesjonaliści twierdzili, że to zewnętrzne jądro Ziemi wytwarzało jej pole magnetyczne. Ale wtedy eksperci z Francji sugerowali, że płaszcz planety był zawsze solidny (od momentu narodzin).

Ten wniosek skłonił naukowców do myślenia, że to nie rdzeń może tworzyć pole magnetyczne, ale płynna część dolnego płaszcza. Skład płaszcza to materiał krzemianowy uważany za słaby przewodnik.

Ale ponieważ dolny płaszcz musiał pozostać płynny przez miliardy lat, ruch cieczy w jego wnętrzu nie wytworzył prądu elektrycznego, a właściwie wystarczyło wytworzyć pole magnetyczne.

Dzisiejsi profesjonaliści uważają, że płaszcz mógł być przewodem o większej mocy, niż wcześniej sądzono. Ten wniosek specjalistów w pełni uzasadnia stan wczesnej Ziemi. Dynamo krzemianowe jest możliwe tylko wtedy, gdy przewodność elektryczna jego części płynnej była znacznie wyższa i miała niskie ciśnienie i temperaturę.