Earth Shield: Gdje naš planet ima magnetsko polje?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-16 16:06

Magnetno polje štiti površinu Zemlje od sunčevog vjetra i štetnog kozmičkog zračenja. Djeluje kao svojevrsni štit – bez njegovog postojanja atmosfera bi bila uništena. Reći ćemo vam kako je nastalo i mijenjano Zemljino magnetsko polje.

Struktura i karakteristike Zemljinog magnetskog polja

Zemljino magnetsko polje ili geomagnetno polje je magnetsko polje koje stvaraju unutarzemaljski izvori. Predmet proučavanja geomagnetizma. Pojavio se prije 4,2 milijarde godina.

Zemljino vlastito magnetsko polje (geomagnetno polje) može se podijeliti na sljedeće glavne dijelove:

• glavno polje,
• polja svjetskih anomalija,
• vanjskog magnetskog polja.

Glavno polje

Više od 90% se sastoji od polja, čiji je izvor unutar Zemlje, u tekućoj vanjskoj jezgri - ovaj dio se naziva glavnim, glavnim ili normalnim poljem.

Aproksimira se u obliku niza u harmonicima - Gaussovog niza, a u prvoj aproksimaciji blizu Zemljine površine (do tri njena polumjera) je blizu polja magnetskog dipola, odnosno izgleda kao zemlja je trakasti magnet s osi usmjerenom približno od sjevera prema jugu.

Polja svjetskih anomalija

Prave linije sile Zemljinog magnetskog polja, iako su u prosjeku bliske linijama sile dipola, razlikuju se od njih po lokalnim nepravilnostima povezanim s prisutnošću magnetiziranih stijena u kori koja se nalazi blizu površine.

Zbog toga se na nekim mjestima na površini zemlje parametri polja jako razlikuju od vrijednosti u obližnjim područjima, stvarajući takozvane magnetske anomalije. Mogu se preklapati jedno s drugim ako magnetizirana tijela koja ih uzrokuju leže na različitim dubinama.

Vanjsko magnetsko polje

Određuju ga izvori u obliku strujnih sustava koji se nalaze izvan zemljine površine, u njezinoj atmosferi. U gornjem dijelu atmosfere (100 km i više) - ionosferi - njene molekule ioniziraju, tvoreći gustu hladnu plazmu koja se uzdiže više, dakle, dio Zemljine magnetosfere iznad ionosfere, proteže se na udaljenosti do tri njegovih radijusa, naziva se plazmasfera.

Plazmu drži Zemljino magnetsko polje, ali njezino stanje određuje interakcija sa Sunčevim vjetrom – protok plazme solarne korone.

Dakle, na većoj udaljenosti od Zemljine površine, magnetsko polje je asimetrično, budući da se izobličuje pod djelovanjem Sunčevog vjetra: od Sunca se skuplja, a u smjeru od Sunca dobiva "trag" koji se proteže. stotinama tisuća kilometara, nadilazeći Mjesečevu putanju.

Ovaj neobični "repi" oblik nastaje kada se čini da plazma solarnog vjetra i solarnih korpuskularnih tokova teku oko Zemljine magnetosfere - područja blizu Zemlje, koje još uvijek kontrolira magnetsko polje Zemlje, a ne Sunca i drugih. međuplanetarni izvori.

Od međuplanetarnog prostora je odvojen magnetopauzom, gdje je dinamički pritisak sunčevog vjetra uravnotežen pritiskom vlastitog magnetskog polja.

Parametri polja

Vizualni prikaz položaja linija magnetske indukcije Zemljinog polja osigurava magnetska igla, učvršćena na način da se može slobodno rotirati i oko okomite i oko horizontalne osi (na primjer, u kardanu), - u svakoj točki blizu površine Zemlje, postavljen je na određeni način duž ovih linija.

Budući da se magnetski i zemljopisni pol ne podudaraju, magnetska igla pokazuje samo približan smjer sjever-jug.

Vertikalna ravnina u kojoj je ugrađena magnetska igla naziva se ravnina magnetskog meridijana zadanog mjesta, a linija po kojoj se ta ravnina siječe sa Zemljinom površinom naziva se magnetski meridijan.

Dakle, magnetski meridijani su projekcije linija sile Zemljinog magnetskog polja na njezinu površinu, konvergirajući na sjevernom i južnom magnetskom polu. Kut između smjera magnetskog i geografskog meridijana naziva se magnetska deklinacija.

Može biti zapadni (često označen znakom "-") ili istočni (znak "+"), ovisno o tome odstupa li sjeverni pol magnetske igle od okomite ravnine geografskog meridijana na zapad ili istok.

Nadalje, linije Zemljinog magnetskog polja, općenito govoreći, nisu paralelne s njenom površinom. To znači da magnetska indukcija Zemljinog polja ne leži u ravnini horizonta određenog mjesta, već tvori određeni kut s tom ravninom – naziva se magnetska inklinacija. Blizu je nuli samo u točkama magnetskog ekvatora – opsega velikog kruga u ravnini koja je okomita na magnetsku os.

Rezultati numeričkog modeliranja Zemljinog magnetskog polja: lijevo - normalno, desno - tijekom inverzije

Priroda Zemljinog magnetskog polja

J. Larmor je prvi put pokušao objasniti postojanje magnetskih polja Zemlje i Sunca 1919. godine, predlažući koncept dinama, prema kojem se održavanje magnetskog polja nebeskog tijela događa pod djelovanjem hidrodinamičkog gibanja električno vodljivog medija.

Međutim, 1934. T. Cowling je dokazao teorem o nemogućnosti održavanja osnosimetričnog magnetskog polja pomoću hidrodinamičkog dinamo mehanizma.

A budući da se većina proučavanih nebeskih tijela (a još više Zemlja) smatra aksijalno simetričnim, na temelju toga se moglo pretpostaviti da će i njihovo polje biti aksijalno simetrično, a zatim i njegovo generiranje prema ovom principu bilo bi nemoguće prema ovom teoremu.

Čak je i Albert Einstein bio skeptičan u pogledu izvedivosti takvog dinamo s obzirom na nemogućnost postojanja jednostavnih (simetričnih) rješenja. Tek mnogo kasnije pokazano je da sve jednadžbe s aksijalnom simetrijom koje opisuju proces stvaranja magnetskog polja neće imati osno simetrično rješenje, čak ni 1950-ih. pronađena su asimetrična rješenja.

Od tada se teorija dinamo uspješno razvija, a danas je općeprihvaćeno najvjerojatnije objašnjenje nastanka magnetskog polja Zemlje i drugih planeta samopobuđeni dinamo mehanizam koji se temelji na stvaranju električne struje u vodiču. kada se kreće u magnetskom polju koje stvaraju i pojačavaju same te struje.

U jezgri Zemlje stvaraju se potrebni uvjeti: u tekućoj vanjskoj jezgri, koja se sastoji uglavnom od željeza na temperaturi od oko 4-6 tisuća Kelvina, koja savršeno provodi struju, stvaraju se konvektivni tokovi koji odvode toplinu iz čvrste unutarnje jezgre (nastaju zbog raspada radioaktivnih elemenata ili oslobađanja latentne topline tijekom skrućivanja tvari na granici između unutarnje i vanjske jezgre kako se planet postupno hladi).

Coriolisove sile uvijaju te struje u karakteristične spirale koje tvore takozvane Taylorove stupove. Zbog trenja slojeva dobivaju električni naboj, tvoreći struje petlje. Tako se stvara sustav struja koje kruže duž vodljivog kruga u vodičima koji se kreću u (u početku prisutnom, iako vrlo slabom) magnetskom polju, kao u Faradayevom disku.

Stvara magnetsko polje koje, uz povoljnu geometriju tokova, pojačava početno polje, a to zauzvrat pojačava struju, a proces pojačanja se nastavlja sve dok gubici na Jouleovu toplinu, rastući s povećanjem struje, ne uravnoteže dotoci energije zbog hidrodinamičkih kretanja.

Sugerirano je da se dinamo može pobuđivati zbog precesije ili plimskih sila, odnosno da je izvor energije rotacija Zemlje, međutim, najraširenija i najrazvijenija hipoteza je da se radi upravo o termokemijskoj konvekciji.

Promjene Zemljinog magnetskog polja

Inverzija magnetskog polja je promjena smjera Zemljinog magnetskog polja u geološkoj povijesti planeta (utvrđena paleomagnetskom metodom).

U inverziji, magnetski sjever i magnetski jug su obrnuti i igla kompasa počinje pokazivati u suprotnom smjeru. Inverzija je relativno rijedak fenomen koji se nikada nije dogodio tijekom postojanja Homo sapiensa. Vjerojatno se posljednji put to dogodilo prije oko 780 tisuća godina.

Preokreti magnetskog polja događali su se u vremenskim razmacima od nekoliko desetaka tisuća godina do ogromnih intervala tihog magnetskog polja od nekoliko desetaka milijuna godina, kada do preokreta nije došlo.

Dakle, nije pronađena periodičnost u preokretu polova, te se ovaj proces smatra stohastičkim. Duga razdoblja tihog magnetskog polja mogu biti praćena periodima višestrukih preokreta s različitim trajanjem i obrnuto. Studije pokazuju da promjena magnetskih polova može trajati od nekoliko stotina do nekoliko stotina tisuća godina.

Stručnjaci sa Sveučilišta Johns Hopkins (SAD) sugeriraju da je tijekom preokreta Zemljina magnetosfera toliko oslabila da bi kozmičko zračenje moglo doprijeti do površine Zemlje, pa bi ovaj fenomen mogao naštetiti živim organizmima na planetu, a sljedeća promjena polova mogla bi dovesti do još više ozbiljne posljedice po čovječanstvo sve do globalne katastrofe.

Znanstveni rad posljednjih godina pokazao je (uključujući i eksperiment) mogućnost slučajnih promjena smjera magnetskog polja ("skokova") u stacionarnom turbulentnom dinamu. Prema riječima voditelja laboratorija geomagnetizma Instituta za fiziku Zemlje Vladimira Pavlova, inverzija je po ljudskim standardima prilično dug proces.

Geofizičari sa Sveučilišta Leeds Yon Mound i Phil Livermore vjeruju da će za nekoliko tisuća godina doći do inverzije Zemljinog magnetskog polja.

Pomicanje Zemljinih magnetskih polova

Po prvi put koordinate magnetskog pola na sjevernoj hemisferi određene su 1831. godine, ponovno - 1904., zatim 1948. i 1962., 1973., 1984., 1994.; na južnoj hemisferi - 1841., opet - 1908. godine. Pomicanje magnetskih polova bilježi se od 1885. godine. Tijekom proteklih 100 godina, magnetski pol na južnoj hemisferi pomaknuo se gotovo 900 km i ušao u Južni ocean.

Najnoviji podaci o stanju arktičkog magnetskog pola (koji se kreće prema istočnosibirskoj svjetskoj magnetskoj anomaliji preko Arktičkog oceana) pokazali su da je od 1973. do 1984. njegova kilometraža bila 120 km, od 1984. do 1994. - više od 150 km. Iako su ove brojke izračunate, potvrđene su mjerenjima sjevernog magnetskog pola.

Nakon 1831. godine, kada je položaj stupa prvi put fiksiran, do 2019. godine stup se već pomaknuo za više od 2300 km prema Sibiru i nastavlja se kretati ubrzano.

Njegova brzina putovanja porasla je sa 15 km godišnje u 2000. na 55 km godišnje u 2019. Ovaj brzi drift zahtijeva češće prilagodbe navigacijskih sustava koji koriste Zemljino magnetsko polje, kao što su kompasi u pametnim telefonima ili rezervni navigacijski sustavi za brodove i zrakoplove.

Snaga zemljinog magnetskog polja pada, i to neravnomjerno. Tijekom protekle 22 godine smanjio se u prosjeku za 1,7%, a u nekim regijama, poput Južnog Atlantskog oceana, i za 10%. Na nekim se mjestima jakost magnetskog polja, suprotno općem trendu, čak i povećala.

Ubrzanje kretanja polova (prosječno 3 km/godišnje) i njihovo kretanje duž koridora inverzija magnetskih polova (ovi su hodnici omogućili otkrivanje više od 400 paleoinverzija) sugerira da se u tom kretanju polova jedan trebao vidjeti ne ekskurziju, nego još jednu inverziju Zemljinog magnetskog polja.

Kako je nastalo Zemljino magnetsko polje?

Stručnjaci s Instituta za oceanografiju Scripps i Kalifornijskog sveučilišta sugerirali su da je magnetsko polje planeta formirano plaštom. Američki znanstvenici razvili su hipotezu koju je prije 13 godina predložila grupa istraživača iz Francuske.

Poznato je da su profesionalci dugo vremena tvrdili da je vanjska jezgra Zemlje ta koja stvara njezino magnetsko polje. No tada su stručnjaci iz Francuske sugerirali da je plašt planeta uvijek bio čvrst (od trenutka njegovog rođenja).

Ovaj zaključak je znanstvenike naveo na pomisao da magnetsko polje nije mogla formirati jezgra, već tekući dio donjeg plašta. Sastav plašta je silikatni materijal koji se smatra lošim vodičem.

No budući da je donji plašt morao ostati tekući milijardama godina, kretanje tekućine unutar njega nije proizvelo električnu struju, već je zapravo bilo jednostavno potrebno generirati magnetsko polje.

Današnji profesionalci vjeruju da je plašt mogao biti moćniji kanal nego što se prije mislilo. Ovaj zaključak stručnjaka u potpunosti opravdava stanje rane Zemlje. Silikatni dinamo moguć je samo ako je električna vodljivost njegovog tekućeg dijela bila mnogo veća i ako je imao niski tlak i temperaturu.