سپر زمین: سیاره ما کجا میدان مغناطیسی دارد؟

2024 نویسنده: Seth Attwood | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-16 16:03

میدان مغناطیسی از سطح زمین در برابر باد خورشیدی و تشعشعات مضر کیهانی محافظت می کند. این به عنوان نوعی سپر عمل می کند - بدون وجود آن، جو از بین می رود. ما به شما خواهیم گفت که میدان مغناطیسی زمین چگونه شکل گرفت و چگونه تغییر کرد.

ساختار و ویژگی های میدان مغناطیسی زمین

میدان مغناطیسی زمین یا میدان ژئومغناطیسی، میدان مغناطیسی است که توسط منابع درون زمینی ایجاد می شود. موضوع مطالعه ژئومغناطیس. 4، 2 میلیارد سال پیش ظاهر شد.

میدان مغناطیسی خود زمین (میدان ژئومغناطیسی) را می توان به بخش های اصلی زیر تقسیم کرد:

• میدان اصلی،
• زمینه های ناهنجاری های جهان،
• میدان مغناطیسی خارجی

زمینه اصلی

بیش از 90٪ آن از میدانی تشکیل شده است که منبع آن در داخل زمین، در هسته بیرونی مایع است - این قسمت را میدان اصلی، اصلی یا عادی می نامند.

به شکل یک سری در هارمونیک ها - یک سری گاوسی تقریب می شود و در اولین تقریب نزدیک سطح زمین (تا سه شعاع آن) به میدان دوقطبی مغناطیسی نزدیک است، یعنی شبیه زمین است. یک آهنربای نواری با محوری است که تقریباً از شمال به جنوب هدایت می شود.

زمینه های ناهنجاری های جهان

خطوط نیروی واقعی میدان مغناطیسی زمین، اگرچه به طور متوسط نزدیک به خطوط نیروی دوقطبی است، اما با بی نظمی های محلی مرتبط با حضور سنگ های مغناطیسی در پوسته نزدیک به سطح، با آنها متفاوت است.

به همین دلیل، در برخی از نقاط سطح زمین، پارامترهای میدان بسیار متفاوت از مقادیر در مناطق مجاور هستند و به اصطلاح ناهنجاری های مغناطیسی را تشکیل می دهند. اگر اجسام مغناطیسی که باعث ایجاد آنها می شوند در اعماق مختلف قرار بگیرند، می توانند روی یکدیگر همپوشانی داشته باشند.

میدان مغناطیسی خارجی

توسط منابعی به شکل سیستم‌های جاری واقع در خارج از سطح زمین، در جو آن تعیین می‌شود. در قسمت بالایی جو (100 کیلومتر و بالاتر) - یونوسفر - مولکول های آن یونیزه می شوند و یک پلاسمای سرد متراکم را تشکیل می دهند که بالاتر می رود، بنابراین، بخشی از مگنتوسفر زمین بالای یونوسفر است که تا فاصله سه امتداد می یابد. از شعاع های آن، پلاسماسفر نامیده می شود.

پلاسما توسط میدان مغناطیسی زمین نگهداری می شود، اما وضعیت آن توسط برهمکنش آن با باد خورشیدی - جریان پلاسمایی تاج خورشیدی - تعیین می شود.

بنابراین، در فاصله ای بیشتر از سطح زمین، میدان مغناطیسی نامتقارن است، زیرا تحت تأثیر باد خورشیدی منحرف می شود: از خورشید منقبض می شود، و در جهت از خورشید یک "ردی" به دست می آورد که گسترش می یابد. برای صدها هزار کیلومتر، فراتر از مدار ماه.

این شکل عجیب و غریب "دمدار" زمانی به وجود می آید که به نظر می رسد پلاسمای باد خورشیدی و جریان های جسمی خورشیدی در اطراف مگنتوسفر زمین - منطقه ای از فضای نزدیک به زمین که هنوز توسط میدان مغناطیسی زمین کنترل می شود و نه خورشید و سایرین، جریان دارد. منابع بین سیاره ای

از فضای بین سیاره ای توسط یک مگنتوپوز جدا می شود، جایی که فشار دینامیکی باد خورشیدی با فشار میدان مغناطیسی خود متعادل می شود.

پارامترهای میدان

یک نمایش بصری از موقعیت خطوط القای مغناطیسی میدان زمین توسط یک سوزن مغناطیسی ارائه می شود که به گونه ای ثابت شده است که بتواند آزادانه هم در اطراف محور عمودی و هم حول محور افقی بچرخد (مثلاً در یک گیمبال) ، - در هر نقطه نزدیک به سطح زمین، به روش خاصی در امتداد این خطوط نصب می شود.

از آنجایی که قطب های مغناطیسی و جغرافیایی بر هم منطبق نیستند، سوزن مغناطیسی فقط یک جهت تقریبی شمال به جنوب را نشان می دهد.

صفحه عمودی که سوزن مغناطیسی در آن نصب شده است، صفحه نصف النهار مغناطیسی محل معین و خطی که در طول آن این صفحه با سطح زمین قطع می شود، نصف النهار مغناطیسی نامیده می شود.

بنابراین، نصف النهارهای مغناطیسی پیش بینی خطوط نیروی میدان مغناطیسی زمین بر روی سطح آن هستند که در قطب های مغناطیسی شمال و جنوب همگرا می شوند. زاویه بین جهت نصف النهارهای مغناطیسی و جغرافیایی را میل مغناطیسی می گویند.

بسته به اینکه قطب شمال سوزن مغناطیسی از صفحه عمودی نصف النهار جغرافیایی به سمت غرب یا شرق منحرف شود، می تواند غربی (اغلب با علامت "-" نشان داده می شود) یا شرقی (علامت "+" باشد.

علاوه بر این، خطوط میدان مغناطیسی زمین، به طور کلی، با سطح آن موازی نیستند. این بدان معنی است که القای مغناطیسی میدان زمین در صفحه افق یک مکان معین قرار نمی گیرد، بلکه زاویه خاصی را با این صفحه تشکیل می دهد - به آن میل مغناطیسی می گویند. فقط در نقاط استوای مغناطیسی نزدیک به صفر است - محیط یک دایره بزرگ در صفحه ای که عمود بر محور مغناطیسی است.

نتایج مدل‌سازی عددی میدان مغناطیسی زمین: در سمت چپ - عادی، در سمت راست - در حین وارونگی

ماهیت میدان مغناطیسی زمین

برای اولین بار، جی. لارمور در سال 1919 تلاش کرد تا وجود میدان های مغناطیسی زمین و خورشید را توضیح دهد و مفهوم دینام را پیشنهاد کرد که بر اساس آن حفظ میدان مغناطیسی یک جرم آسمانی تحت عمل انجام می شود. حرکت هیدرودینامیکی یک محیط رسانای الکتریکی

با این حال، در سال 1934، T. Cowling قضیه عدم امکان حفظ میدان مغناطیسی متقارن محوری را با استفاده از مکانیزم دینام هیدرودینامیکی اثبات کرد.

و از آنجایی که بیشتر اجرام سماوی مورد مطالعه (و حتی بیشتر از آن زمین) متقارن محوری در نظر گرفته می شدند، بر این اساس می توان این فرض را ایجاد کرد که میدان آنها نیز متقارن محوری باشد و سپس تولید آن مطابق این اصل باشد. با توجه به این قضیه غیرممکن خواهد بود.

حتی آلبرت انیشتین در مورد امکان سنجی چنین دینامی با توجه به عدم امکان وجود راه حل های ساده (متقارن) تردید داشت. فقط بعداً نشان داده شد که همه معادلات با تقارن محوری که فرآیند تولید میدان مغناطیسی را توصیف می‌کنند، حتی در دهه 1950 راه حل متقارن محوری ندارند. راه حل های نامتقارن پیدا شده است.

از آن زمان، تئوری دینام با موفقیت توسعه یافته است، و امروزه محتمل ترین توضیح عمومی پذیرفته شده برای منشاء میدان مغناطیسی زمین و سایر سیارات، مکانیزم دینام خود برانگیخته مبتنی بر تولید جریان الکتریکی در یک هادی است. هنگامی که در یک میدان مغناطیسی ایجاد و تقویت شده توسط خود این جریان ها حرکت می کند.

شرایط لازم در هسته زمین ایجاد می شود: در هسته بیرونی مایع که عمدتاً از آهن در دمای حدود 4-6 هزار کلوین تشکیل شده است که جریان را به خوبی هدایت می کند، جریان های همرفتی ایجاد می شود که گرما را از هسته داخلی جامد خارج می کند. (به دلیل فروپاشی عناصر رادیواکتیو یا آزاد شدن گرمای نهان در طول انجماد ماده در مرز بین هسته داخلی و خارجی با سرد شدن تدریجی سیاره ایجاد می شود).

نیروهای کوریولیس این جریان‌ها را به مارپیچ‌های مشخصی تبدیل می‌کنند که به اصطلاح ستون‌های تیلور را تشکیل می‌دهند. به دلیل اصطکاک لایه ها، آنها بار الکتریکی به دست می آورند و جریان های حلقه را تشکیل می دهند. بنابراین، سیستمی از جریان‌ها ایجاد می‌شود که در امتداد یک مدار رسانا در رساناهایی که در یک میدان مغناطیسی (در ابتدا وجود داشت، البته بسیار ضعیف) حرکت می‌کنند، مانند دیسک فارادی.

میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند که با هندسه مطلوب جریان‌ها، میدان اولیه را افزایش می‌دهد و این به نوبه خود جریان را افزایش می‌دهد و فرآیند تقویت تا زمانی ادامه می‌یابد که تلفات گرمای ژول که با افزایش جریان افزایش می‌یابد، متعادل می‌شود. جریان انرژی ناشی از حرکات هیدرودینامیکی

پیشنهاد شد که دینام می تواند به دلیل نیروی حرکتی یا جزر و مدی برانگیخته شود، یعنی منبع انرژی چرخش زمین است، با این حال، شایع ترین و توسعه یافته ترین فرضیه این است که این دقیقاً همرفت حرارتی است.

تغییرات میدان مغناطیسی زمین

وارونگی میدان مغناطیسی تغییر جهت میدان مغناطیسی زمین در تاریخ زمین شناسی این سیاره (تعیین شده با روش دیرینه مغناطیسی) است.

در یک وارونگی، شمال مغناطیسی و جنوب مغناطیسی معکوس شده و سوزن قطب نما شروع به حرکت در جهت مخالف می کند. وارونگی یک پدیده نسبتاً نادر است که هرگز در طول وجود هومو ساپینس رخ نداده است. احتمالاً آخرین بار حدود 780 هزار سال پیش اتفاق افتاده است.

معکوس‌های میدان مغناطیسی در فواصل زمانی از ده‌ها هزار سال تا فواصل عظیم یک میدان مغناطیسی آرام ده‌ها میلیون سال رخ می‌دهد، در حالی که معکوس‌ها رخ نمی‌دهند.

بنابراین، هیچ تناوب در معکوس شدن قطب یافت نشد و این فرآیند تصادفی در نظر گرفته می شود. دوره های طولانی یک میدان مغناطیسی آرام را می توان با دوره های معکوس های متعدد با مدت زمان های مختلف و بالعکس دنبال کرد. مطالعات نشان می دهد که تغییر در قطب های مغناطیسی می تواند از چند صد تا چند صد هزار سال طول بکشد.

کارشناسان دانشگاه جان هاپکینز (ایالات متحده آمریکا) پیشنهاد می‌کنند که در حین برگشت، مغناطیس کره زمین به حدی ضعیف شد که تشعشعات کیهانی می‌توانند به سطح زمین برسند، بنابراین این پدیده می‌تواند به موجودات زنده روی این سیاره آسیب برساند و تغییر بعدی قطب‌ها می‌تواند منجر به حتی بیشتر شود. عواقب جدی برای بشریت تا یک فاجعه جهانی.

کار علمی در سال های اخیر (از جمله در آزمایش) امکان تغییرات تصادفی در جهت میدان مغناطیسی ("پرش") را در یک دینام متلاطم ثابت نشان داده است. به گفته رئیس آزمایشگاه ژئومغناطیس در مؤسسه فیزیک زمین، ولادیمیر پاولوف، وارونگی یک فرآیند نسبتا طولانی با استانداردهای انسانی است.

ژئوفیزیکدانان دانشگاه لیدز یون ماوند و فیل لیورمور معتقدند که در چند هزار سال آینده یک وارونگی میدان مغناطیسی زمین رخ خواهد داد.

جابجایی قطب های مغناطیسی زمین

برای اولین بار، مختصات قطب مغناطیسی در نیمکره شمالی در سال 1831 تعیین شد، دوباره - در سال 1904، سپس در سال های 1948 و 1962، 1973، 1984، 1994. در نیمکره جنوبی - در سال 1841، دوباره - در سال 1908. جابجایی قطب های مغناطیسی از سال 1885 ثبت شده است. در طول 100 سال گذشته، قطب مغناطیسی در نیمکره جنوبی تقریبا 900 کیلومتر حرکت کرده و وارد اقیانوس جنوبی شده است.

آخرین داده ها در مورد وضعیت قطب مغناطیسی قطب شمال (حرکت به سمت ناهنجاری مغناطیسی جهان سیبری شرقی در سراسر اقیانوس منجمد شمالی) نشان داد که از سال 1973 تا 1984 مسافت پیموده شده آن 120 کیلومتر بود، از سال 1984 تا 1994 - بیش از 150 کیلومتر. اگرچه این ارقام محاسبه شده اند، اما با اندازه گیری های قطب مغناطیسی شمال تایید می شوند.

پس از سال 1831، زمانی که موقعیت قطب برای اولین بار ثابت شد، تا سال 2019 قطب قبلاً بیش از 2300 کیلومتر به سمت سیبری جابجا شده بود و با شتاب به حرکت خود ادامه می دهد.

سرعت سفر آن از 15 کیلومتر در سال در سال 2000 به 55 کیلومتر در سال در سال 2019 افزایش یافت. این رانش سریع مستلزم تنظیمات مکرر سیستم‌های ناوبری است که از میدان مغناطیسی زمین استفاده می‌کنند، مانند قطب‌نما در گوشی‌های هوشمند یا سیستم‌های ناوبری پشتیبان برای کشتی‌ها و هواپیماها.

قدرت میدان مغناطیسی زمین کاهش می یابد، و به طور ناهموار. در طول 22 سال گذشته، به طور متوسط 1.7٪ کاهش یافته است و در برخی مناطق، مانند اقیانوس اطلس جنوبی، 10٪ کاهش یافته است. در برخی نقاط، قدرت میدان مغناطیسی بر خلاف روند عمومی، حتی افزایش یافته است.

شتاب حرکت قطب ها (به طور متوسط 3 کیلومتر در سال) و حرکت آنها در امتداد راهروهای وارونگی قطب های مغناطیسی (این دالان ها امکان آشکار کردن بیش از 400 وارونگی دیرینه را فراهم می کند) نشان می دهد که در این حرکت قطب ها یکی نه یک سفر، بلکه وارونگی دیگری از میدان مغناطیسی زمین را ببینید.

میدان مغناطیسی زمین چگونه به وجود آمد؟

کارشناسان موسسه اقیانوس شناسی اسکریپس و دانشگاه کالیفرنیا پیشنهاد کرده اند که میدان مغناطیسی سیاره توسط گوشته شکل گرفته است.دانشمندان آمریکایی فرضیه ای را ارائه کرده اند که 13 سال پیش توسط گروهی از محققان فرانسوی ارائه شده است.

مشخص است که برای مدت طولانی، متخصصان استدلال می کردند که این هسته بیرونی زمین است که میدان مغناطیسی آن را ایجاد می کند. اما پس از آن کارشناسان فرانسوی پیشنهاد کردند که گوشته این سیاره (از لحظه تولد) همیشه جامد بوده است.

این نتیجه گیری دانشمندان را بر آن داشت که فکر کنند این هسته نیست که می تواند میدان مغناطیسی را تشکیل دهد، بلکه قسمت مایع گوشته پایینی است. ترکیب گوشته یک ماده سیلیکات است که رسانای ضعیفی در نظر گرفته می شود.

اما از آنجایی که گوشته پایینی باید میلیاردها سال به صورت مایع باقی می ماند، حرکت مایع درون آن جریان الکتریکی تولید نمی کرد و در واقع ایجاد میدان مغناطیسی صرفاً ضروری بود.

امروزه متخصصان بر این باورند که گوشته می توانست مجرای قوی تر از آنچه قبلا تصور می شد باشد. این نتیجه گیری متخصصان وضعیت زمین اولیه را کاملاً توجیه می کند. دینام سیلیکات تنها در صورتی امکان پذیر است که رسانایی الکتریکی قسمت مایع آن بسیار بیشتر باشد و فشار و دمای پایینی داشته باشد.