Earth Shield: Gdje naša planeta ima magnetno polje?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-16 15:59

Magnetno polje štiti površinu Zemlje od sunčevog vjetra i štetnog kosmičkog zračenja. Djeluje kao neka vrsta štita - bez njegovog postojanja atmosfera bi bila uništena. Reći ćemo vam kako je nastalo i mijenjano Zemljino magnetsko polje.

Struktura i karakteristike Zemljinog magnetnog 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 magnetsko polje (geomagnetno polje) može se podijeliti na sljedeće glavne dijelove:

• glavno polje,
• polja svetskih anomalija,
• spoljašnje magnetno polje.

Glavno polje

Više od 90% se sastoji od polja, čiji je izvor unutar Zemlje, u tečnom vanjskom jezgru - ovaj dio se naziva glavnim, glavnim ili normalnim poljem.

Aproksimira se u obliku niza u harmonicima - Gausovog niza, au prvoj aproksimaciji blizu Zemljine površine (do tri njena poluprečnika) je blizu polja magnetskog dipola, odnosno izgleda kao zemlja je trakasti magnet s osom 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 prisustvom 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, formirajući takozvane magnetne anomalije. Mogu se preklapati jedno s drugim ako magnetizirana tijela koja ih uzrokuju leže na različitim dubinama.

Eksterno magnetno polje

Određuju ga izvori u obliku strujnih sistema koji se nalaze izvan zemljine površine, u njenoj atmosferi. U gornjem dijelu atmosfere (100 km i više) - jonosferi - njeni molekuli joniziraju, formirajući gustu hladnu plazmu koja se uzdiže više, dakle, dio Zemljine magnetosfere iznad jonosfere, proteže se na udaljenosti do tri njegovog radijusa, naziva se plazmasfera.

Plazmu drži Zemljino magnetsko polje, ali njeno stanje je određeno njenom interakcijom sa solarnim vjetrom – protokom plazme solarne korone.

Dakle, na većoj udaljenosti od Zemljine površine, magnetno polje je asimetrično, budući da se izobličuje pod dejstvom Sunčevog vetra: od Sunca se skuplja, a u pravcu od Sunca dobija „trag“koji se proteže. stotinama hiljada kilometara, nadilazeći orbitu Mjeseca.

Ova neobična "repa" forma 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 magnetnog polja.

Parametri polja

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

Budući da se magnetski i geografski polovi ne poklapaju, magnetna igla pokazuje samo približan smjer sjever-jug.

Vertikalna ravan u kojoj je postavljena magnetna igla naziva se ravan magnetnog meridijana datog mesta, a linija duž koje se ta ravan seče sa površinom Zemlje naziva se magnetni meridijan.

Dakle, magnetni meridijani su projekcije linija sile Zemljinog magnetskog polja na njenu površinu, konvergirajući na sjevernom i južnom magnetnom polu. Ugao između smjera magnetskog i geografskog meridijana naziva se magnetska deklinacija.

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

Nadalje, linije Zemljinog magnetskog polja, općenito govoreći, nisu paralelne s njenom površinom. To znači da magnetna indukcija Zemljinog polja ne leži u ravni horizonta datog mjesta, već formira određeni ugao sa ovom ravninom - to se naziva magnetska inklinacija. Blizu je nuli samo u tačkama magnetnog ekvatora - obima velikog kruga u ravni koja je okomita na magnetnu osu.

Rezultati numeričkog modeliranja Zemljinog magnetnog polja: lijevo - normalno, desno - tokom inverzije

Priroda Zemljinog magnetnog polja

J. Larmor je prvi put pokušao da objasni postojanje magnetnih polja Zemlje i Sunca 1919. godine, predlažući koncept dinamo-a, prema kojem se održavanje magnetnog polja nebeskog tela dešava pod dejstvom hidrodinamičkog kretanja električno vodljivog medija.

Međutim, 1934. godine T. Cowling je dokazao teoremu o nemogućnosti održavanja osnosimetričnog magnetnog polja pomoću hidrodinamičkog dinamo mehanizma.

A budući da se većina proučavanih nebeskih tijela (a još više Zemlja) smatra aksijalno simetričnim, na osnovu toga je bilo moguće napraviti pretpostavku da će i njihovo polje biti aksijalno simetrično, a zatim i njegovo generiranje po ovom principu bilo bi nemoguće prema ovoj teoremi.

Čak je i Albert Ajnštajn bio skeptičan u pogledu izvodljivosti takvog dinamo s obzirom na nemogućnost postojanja jednostavnih (simetričnih) rešenja. Tek mnogo kasnije pokazano je da sve jednadžbe sa aksijalnom simetrijom koje opisuju proces stvaranja magnetnog 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 najvjerovatnije objašnjenje nastanka magnetskog polja Zemlje i drugih planeta samopobuđeni dinamo mehanizam zasnovan na stvaranju električne struje u provodniku. kada se kreće u magnetskom polju koje stvaraju i pojačavaju same te struje.

U jezgru Zemlje stvaraju se potrebni uslovi: u tekućem vanjskom jezgru, koje se sastoji uglavnom od željeza na temperaturi od oko 4-6 hiljada Kelvina, koje savršeno provodi struju, stvaraju se konvektivni tokovi koji odvode toplinu iz čvrstog unutrašnjeg jezgra. (nastaje usled raspada radioaktivnih elemenata ili oslobađanja latentne toplote tokom skrućivanja materije na granici između unutrašnjeg i spoljašnjeg jezgra kako se planeta postepeno hladi).

Coriolisove sile uvijaju ove struje u karakteristične spirale koje formiraju takozvane Taylorove stubove. Zbog trenja slojeva, oni dobivaju električni naboj, formirajući struje petlje. Tako se stvara sistem struja koje kruže duž provodnog kola u provodnicima koji se kreću u (u početku prisutnom, iako vrlo slabom) magnetnom polju, kao u Faradejevom disku.

Stvara magnetno polje koje, uz povoljnu geometriju strujanja, pojačava početno polje, a ovo zauzvrat pojačava struju, a proces pojačanja se nastavlja sve dok gubici na džulovu toplotu, rastući sa 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 termohemijskoj konvekciji.

Promjene u magnetskom polju Zemlje

Inverzija magnetnog polja je promjena smjera magnetskog polja Zemlje u geološkoj istoriji planete (utvrđena paleomagnetskom metodom).

U inverziji, magnetski sjever i magnetni jug se obrću i igla kompasa počinje da pokazuje u suprotnom smjeru. Inverzija je relativno rijedak fenomen koji se nikada nije dogodio za vrijeme postojanja Homo sapiensa. Pretpostavlja se da se posljednji put to dogodilo prije oko 780 hiljada godina.

Preokreti magnetnog polja dešavali su se u vremenskim intervalima od desetina hiljada godina do ogromnih intervala tihog magnetnog polja od desetina miliona godina, kada do preokreta nije došlo.

Dakle, nije pronađena periodičnost u preokretu polova i ovaj proces se smatra stohastičkim. Dugi periodi tihog magnetnog polja mogu biti praćeni periodima višestrukih preokreta s različitim trajanjem i obrnuto. Istraživanja pokazuju da promjena magnetnih polova može trajati od nekoliko stotina do nekoliko stotina hiljada godina.

Stručnjaci sa Univerziteta Johns Hopkins (SAD) sugeriraju da je prilikom preokreta Zemljina magnetosfera toliko oslabila da bi kosmičko zračenje moglo doći do površine Zemlje, pa bi ova pojava mogla naštetiti živim organizmima na planeti, a sljedeća promjena polova mogla bi dovesti do još više ozbiljne posljedice po čovječanstvo sve do globalne katastrofe.

Naučni rad posljednjih godina pokazao je (uključujući i eksperiment) mogućnost nasumičnih promjena smjera magnetskog polja („skokova“) u stacionarnom turbulentnom dinamu. Prema rečima šefa laboratorije za geomagnetizam Instituta za fiziku Zemlje Vladimira Pavlova, inverzija je po ljudskim standardima prilično dug proces.

Geofizičari sa Univerziteta Leeds Yon Mound i Phil Livermore vjeruju da će za nekoliko hiljada godina doći do inverzije Zemljinog magnetnog polja.

Pomicanje Zemljinih magnetnih polova

Po prvi put su koordinate magnetnog pola na sjevernoj hemisferi određene 1831. godine, ponovo - 1904., zatim 1948. i 1962., 1973., 1984., 1994.; na južnoj hemisferi - 1841, ponovo - 1908. Pomjeranje magnetnih polova se bilježi od 1885. godine. Tokom proteklih 100 godina, magnetni pol na južnoj hemisferi pomerio se skoro 900 km i ušao u Južni okean.

Najnoviji podaci o stanju arktičkog magnetnog pola (koji se kreće prema istočnosibirskoj svjetskoj magnetskoj anomaliji preko Arktičkog okeana) 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, one su potvrđene mjerenjima sjevernog magnetnog pola.

Nakon 1831. godine, kada je položaj stupa fiksiran po prvi put, do 2019. godine stup se već pomjerio za više od 2.300 km prema Sibiru i nastavlja da se kreće ubrzano.

Njegova brzina putovanja porasla je sa 15 km godišnje u 2000. na 55 km godišnje u 2019. Ovo brzo pomeranje zahteva češća prilagođavanja navigacionih sistema koji koriste Zemljino magnetno polje, kao što su kompasi u pametnim telefonima ili rezervni navigacioni sistemi za brodove i avione.

Snaga Zemljinog magnetnog polja opada, i to neravnomjerno. U protekle 22 godine smanjio se u prosjeku za 1,7%, au nekim regijama, poput Južnog Atlantskog okeana, za 10%. Ponegdje je jačina magnetnog polja, suprotno općem trendu, čak i porasla.

Ubrzanje kretanja polova (u prosjeku 3 km/godišnje) i njihovo kretanje duž koridora inverzija magnetnih polova (ovi hodnici su omogućili otkrivanje više od 400 paleoinverzija) sugerira da se u ovom kretanju polova jedan treba vidjeti ne ekskurziju, već još jednu inverziju Zemljinog magnetnog polja.

Kako je nastalo Zemljino magnetno polje?

Stručnjaci sa Scripps instituta za oceanografiju i Univerziteta u Kaliforniji sugerirali su da je magnetsko polje planete formirano od strane plašta. Američki naučnici razvili su hipotezu koju je prije 13 godina predložila grupa istraživača iz Francuske.

Poznato je da su profesionalci dugo vremena tvrdili da je vanjsko jezgro Zemlje ono koje stvara njeno magnetsko polje. Ali tada su stručnjaci iz Francuske sugerirali da je plašt planete uvijek bio čvrst (od trenutka njenog rođenja).

Ovaj zaključak je naveo naučnike da pomisle da nije jezgro ono koje može formirati magnetsko polje, već tekući dio donjeg plašta. Sastav plašta je silikatni materijal koji se smatra lošim provodnikom.

Ali budući da je donji plašt morao ostati tečan milijardama godina, kretanje tekućine unutar njega nije proizvelo električnu struju, već je zapravo bilo jednostavno potrebno stvoriti magnetsko polje.

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