Γη Ασπίδα: Πού έχει ο πλανήτης μας μαγνητικό πεδίο;

2024 Συγγραφέας: Seth Attwood | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-16 16:02

Το μαγνητικό πεδίο προστατεύει την επιφάνεια της Γης από τον ηλιακό άνεμο και την επιβλαβή κοσμική ακτινοβολία. Λειτουργεί ως ένα είδος ασπίδας - χωρίς την ύπαρξή του, η ατμόσφαιρα θα καταστρεφόταν. Θα σας πούμε πώς σχηματίστηκε και άλλαξε το μαγνητικό πεδίο της Γης.

Η δομή και τα χαρακτηριστικά του μαγνητικού πεδίου της Γης

Το μαγνητικό πεδίο της Γης, ή γεωμαγνητικό πεδίο, είναι ένα μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από ενδογήινες πηγές. Το αντικείμενο της μελέτης του γεωμαγνητισμού. Εμφανίστηκε πριν από 4, 2 δισεκατομμύρια χρόνια.

Το μαγνητικό πεδίο της Γης (γεωμαγνητικό πεδίο) μπορεί να χωριστεί στα ακόλουθα κύρια μέρη:

• κύριο πεδίο,
• πεδία παγκόσμιων ανωμαλιών,
• εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.

Κύριο πεδίο

Περισσότερο από το 90% του αποτελείται από ένα πεδίο, η πηγή του οποίου βρίσκεται μέσα στη Γη, στον υγρό εξωτερικό πυρήνα - αυτό το τμήμα ονομάζεται κύριο, κύριο ή κανονικό πεδίο.

Προσεγγίζεται με τη μορφή μιας σειράς στις αρμονικές - μια σειρά Gauss, και σε μια πρώτη προσέγγιση κοντά στην επιφάνεια της Γης (μέχρι τρεις από τις ακτίνες της) είναι κοντά στο μαγνητικό διπολικό πεδίο, δηλαδή μοιάζει με τη γη είναι ένας μαγνήτης λωρίδας με άξονα κατευθυνόμενο περίπου από βορρά προς νότο.

Πεδία παγκόσμιων ανωμαλιών

Οι πραγματικές γραμμές δύναμης του μαγνητικού πεδίου της Γης, αν και κατά μέσο όρο κοντά στις γραμμές δύναμης του διπόλου, διαφέρουν από αυτές από τοπικές ανωμαλίες που σχετίζονται με την παρουσία μαγνητισμένων πετρωμάτων στον φλοιό που βρίσκεται κοντά στην επιφάνεια.

Εξαιτίας αυτού, σε ορισμένα σημεία στην επιφάνεια της γης, οι παράμετροι του πεδίου είναι πολύ διαφορετικές από τις τιμές σε κοντινές περιοχές, σχηματίζοντας τις λεγόμενες μαγνητικές ανωμαλίες. Μπορούν να επικαλύπτουν το ένα το άλλο εάν τα μαγνητισμένα σώματα που τα προκαλούν βρίσκονται σε διαφορετικά βάθη.

Εξωτερικό μαγνητικό πεδίο

Καθορίζεται από πηγές με τη μορφή σημερινών συστημάτων που βρίσκονται έξω από την επιφάνεια της γης, στην ατμόσφαιρά της. Στο ανώτερο τμήμα της ατμόσφαιρας (100 km και άνω) - την ιονόσφαιρα - τα μόριά της ιονίζονται, σχηματίζοντας ένα πυκνό ψυχρό πλάσμα που ανεβαίνει ψηλότερα, επομένως, ένα μέρος της μαγνητόσφαιρας της Γης πάνω από την ιονόσφαιρα, που εκτείνεται σε απόσταση έως και τριών από τις ακτίνες του, λέγεται πλασμάσφαιρα.

Το πλάσμα συγκρατείται από το μαγνητικό πεδίο της Γης, αλλά η κατάστασή του καθορίζεται από την αλληλεπίδρασή του με τον ηλιακό άνεμο - τη ροή πλάσματος του ηλιακού στέμματος.

Έτσι, σε μεγαλύτερη απόσταση από την επιφάνεια της Γης, το μαγνητικό πεδίο είναι ασύμμετρο, αφού παραμορφώνεται υπό την επίδραση του ηλιακού ανέμου: από τον Ήλιο συστέλλεται και προς την κατεύθυνση από τον Ήλιο αποκτά ένα «ίχνος» που εκτείνεται. για εκατοντάδες χιλιάδες χιλιόμετρα, υπερβαίνοντας την τροχιά της Σελήνης.

Αυτή η περίεργη μορφή "ουράς" προκύπτει όταν το πλάσμα του ηλιακού ανέμου και των ηλιακών σωματικών ρευμάτων φαίνεται να ρέει γύρω από τη μαγνητόσφαιρα της γης - την περιοχή του διαστήματος κοντά στη γη, που εξακολουθεί να ελέγχεται από το μαγνητικό πεδίο της Γης και όχι από τον Ήλιο και άλλα διαπλανητικές πηγές.

Διαχωρίζεται από τον διαπλανητικό χώρο με μια μαγνητόπαυση, όπου η δυναμική πίεση του ηλιακού ανέμου εξισορροπείται από την πίεση του δικού του μαγνητικού πεδίου.

Παράμετροι πεδίου

Μια οπτική αναπαράσταση της θέσης των γραμμών μαγνητικής επαγωγής του γήινου πεδίου παρέχεται από μια μαγνητική βελόνα, στερεωμένη με τέτοιο τρόπο ώστε να μπορεί να περιστρέφεται ελεύθερα τόσο γύρω από τον κατακόρυφο όσο και γύρω από τον οριζόντιο άξονα (για παράδειγμα, σε ένα αντίζυμο), - σε κάθε σημείο κοντά στην επιφάνεια της Γης, εγκαθίσταται με συγκεκριμένο τρόπο κατά μήκος αυτών των γραμμών.

Δεδομένου ότι ο μαγνητικός και ο γεωγραφικός πόλος δεν συμπίπτουν, η μαγνητική βελόνα δείχνει μόνο μια κατά προσέγγιση κατεύθυνση βορρά-νότου.

Το κατακόρυφο επίπεδο στο οποίο είναι εγκατεστημένη η μαγνητική βελόνα ονομάζεται επίπεδο του μαγνητικού μεσημβρινού της δεδομένης θέσης και η γραμμή κατά την οποία αυτό το επίπεδο τέμνεται με την επιφάνεια της Γης ονομάζεται μαγνητικός μεσημβρινός.

Έτσι, οι μαγνητικοί μεσημβρινοί είναι οι προβολές των γραμμών δύναμης του μαγνητικού πεδίου της Γης στην επιφάνειά της, που συγκλίνουν στο βόρειο και νότιο μαγνητικό πόλο. Η γωνία μεταξύ των διευθύνσεων του μαγνητικού και του γεωγραφικού μεσημβρινού ονομάζεται μαγνητική απόκλιση.

Μπορεί να είναι δυτικός (συχνά υποδεικνύεται με σύμβολο "-") ή ανατολικός (σύμβολο "+"), ανάλογα με το αν ο βόρειος πόλος της μαγνητικής βελόνας αποκλίνει από το κατακόρυφο επίπεδο του γεωγραφικού μεσημβρινού προς τα δυτικά ή τα ανατολικά.

Επιπλέον, οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου της Γης, σε γενικές γραμμές, δεν είναι παράλληλες με την επιφάνειά της. Αυτό σημαίνει ότι η μαγνητική επαγωγή του γήινου πεδίου δεν βρίσκεται στο επίπεδο του ορίζοντα ενός δεδομένου τόπου, αλλά σχηματίζει μια ορισμένη γωνία με αυτό το επίπεδο - ονομάζεται μαγνητική κλίση. Είναι κοντά στο μηδέν μόνο στα σημεία του μαγνητικού ισημερινού - η περιφέρεια ενός μεγάλου κύκλου σε ένα επίπεδο που είναι κάθετο στον μαγνητικό άξονα.

Αποτελέσματα αριθμητικής μοντελοποίησης του μαγνητικού πεδίου της Γης: αριστερά - κανονικό, δεξιά - κατά την αναστροφή

Η φύση του μαγνητικού πεδίου της γης

Για πρώτη φορά, ο J. Larmor προσπάθησε να εξηγήσει την ύπαρξη των μαγνητικών πεδίων της Γης και του Ήλιου το 1919, προτείνοντας την έννοια του δυναμό, σύμφωνα με την οποία η διατήρηση του μαγνητικού πεδίου ενός ουράνιου σώματος συμβαίνει υπό τη δράση της υδροδυναμικής κίνησης ενός ηλεκτρικά αγώγιμου μέσου.

Ωστόσο, το 1934, ο T. Cowling απέδειξε το θεώρημα για την αδυναμία διατήρησης ενός αξονικού συμμετρικού μαγνητικού πεδίου μέσω ενός υδροδυναμικού μηχανισμού δυναμό.

Και δεδομένου ότι τα περισσότερα από τα ουράνια σώματα που μελετήθηκαν (και ακόμη περισσότερο η Γη) θεωρήθηκαν αξονικά συμμετρικά, με βάση αυτό ήταν δυνατό να γίνει η υπόθεση ότι το πεδίο τους θα ήταν επίσης αξονικά συμμετρικό, και στη συνέχεια η δημιουργία του σύμφωνα με αυτήν την αρχή θα ήταν αδύνατο σύμφωνα με αυτό το θεώρημα.

Ακόμη και ο Άλμπερτ Αϊνστάιν ήταν δύσπιστος σχετικά με τη σκοπιμότητα ενός τέτοιου δυναμό δεδομένης της αδυναμίας ύπαρξης απλών (συμμετρικών) λύσεων. Μόνο πολύ αργότερα αποδείχθηκε ότι δεν θα έχουν όλες οι εξισώσεις με αξονική συμμετρία που περιγράφουν τη διαδικασία δημιουργίας μαγνητικού πεδίου μια αξονικά συμμετρική λύση, ακόμη και στη δεκαετία του 1950. έχουν βρεθεί ασύμμετρες λύσεις.

Έκτοτε, η θεωρία του δυναμό αναπτύσσεται με επιτυχία και σήμερα η γενικά αποδεκτή πιο πιθανή εξήγηση για την προέλευση του μαγνητικού πεδίου της Γης και άλλων πλανητών είναι ένας αυτοδιεγερμένος μηχανισμός δυναμό που βασίζεται στη δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος σε έναν αγωγό όταν κινείται σε ένα μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται και ενισχύεται από αυτά τα ίδια τα ρεύματα.

Στον πυρήνα της Γης δημιουργούνται οι απαραίτητες συνθήκες: στον υγρό εξωτερικό πυρήνα, που αποτελείται κυρίως από σίδηρο σε θερμοκρασία περίπου 4-6 χιλιάδων Kelvin, που μεταφέρει τέλεια το ρεύμα, δημιουργούνται συναγωγικές ροές που απομακρύνουν τη θερμότητα από τον στερεό εσωτερικό πυρήνα. (που δημιουργείται λόγω της αποσύνθεσης ραδιενεργών στοιχείων ή της απελευθέρωσης λανθάνουσας θερμότητας κατά τη στερεοποίηση της ύλης στο όριο μεταξύ του εσωτερικού και του εξωτερικού πυρήνα καθώς ο πλανήτης ψύχεται σταδιακά).

Οι δυνάμεις Coriolis περιστρέφουν αυτά τα ρεύματα σε χαρακτηριστικές σπείρες που σχηματίζουν τους λεγόμενους πυλώνες Taylor. Λόγω της τριβής των στρωμάτων, αποκτούν ηλεκτρικό φορτίο, σχηματίζοντας ρεύματα βρόχου. Έτσι, δημιουργείται ένα σύστημα ρευμάτων που κυκλοφορούν κατά μήκος ενός αγώγιμου κυκλώματος σε αγωγούς που κινούνται σε ένα (αρχικά παρόν, αν και πολύ ασθενές) μαγνητικό πεδίο, όπως σε έναν δίσκο Faraday.

Δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο, το οποίο, με μια ευνοϊκή γεωμετρία των ροών, ενισχύει το αρχικό πεδίο, και αυτό, με τη σειρά του, ενισχύει το ρεύμα και η διαδικασία ενίσχυσης συνεχίζεται έως ότου οι απώλειες στη θερμότητα Joule, αυξάνοντας με την αύξηση του ρεύματος, εξισορροπούν το εισροές ενέργειας λόγω υδροδυναμικών κινήσεων.

Προτάθηκε ότι το δυναμό μπορεί να διεγείρεται λόγω μετάπτωσης ή παλιρροϊκών δυνάμεων, δηλαδή ότι η πηγή ενέργειας είναι η περιστροφή της Γης, ωστόσο, η πιο διαδεδομένη και ανεπτυγμένη υπόθεση είναι ότι πρόκειται ακριβώς για θερμοχημική μεταφορά.

Αλλαγές στο μαγνητικό πεδίο της Γης

Η αντιστροφή μαγνητικού πεδίου είναι μια αλλαγή στην κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου της Γης στη γεωλογική ιστορία του πλανήτη (που καθορίζεται με την παλαιομαγνητική μέθοδο).

Σε μια αναστροφή, ο μαγνητικός βορράς και ο μαγνητικός νότος αντιστρέφονται και η βελόνα της πυξίδας αρχίζει να δείχνει προς την αντίθετη κατεύθυνση. Η αναστροφή είναι ένα σχετικά σπάνιο φαινόμενο που δεν έχει συμβεί ποτέ κατά τη διάρκεια της ύπαρξης του Homo sapiens. Πιθανώς, η τελευταία φορά που συνέβη πριν από περίπου 780 χιλιάδες χρόνια.

Αντιστροφές του μαγνητικού πεδίου συνέβησαν σε χρονικά διαστήματα από δεκάδες χιλιάδες χρόνια σε τεράστια διαστήματα ενός ήσυχου μαγνητικού πεδίου δεκάδων εκατομμυρίων ετών, όταν οι αντιστροφές δεν συνέβαιναν.

Έτσι, δεν βρέθηκε περιοδικότητα στην αντιστροφή του πόλου και αυτή η διαδικασία θεωρείται στοχαστική. Μεγάλες περίοδοι ενός ήσυχου μαγνητικού πεδίου μπορούν να ακολουθούνται από περιόδους πολλαπλών αναστροφών με διαφορετική διάρκεια και αντίστροφα. Μελέτες δείχνουν ότι μια αλλαγή στους μαγνητικούς πόλους μπορεί να διαρκέσει από αρκετές εκατοντάδες έως αρκετές εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια.

Οι ειδικοί από το Πανεπιστήμιο Johns Hopkins (ΗΠΑ) προτείνουν ότι κατά τη διάρκεια των αναστροφών, η μαγνητόσφαιρα της Γης εξασθενούσε τόσο πολύ που η κοσμική ακτινοβολία μπορούσε να φτάσει στην επιφάνεια της Γης, έτσι αυτό το φαινόμενο θα μπορούσε να βλάψει τους ζωντανούς οργανισμούς στον πλανήτη και η επόμενη αλλαγή των πόλων θα μπορούσε να οδηγήσει σε ακόμη περισσότερα σοβαρές συνέπειες για την ανθρωπότητα μέχρι μια παγκόσμια καταστροφή.

Η επιστημονική εργασία τα τελευταία χρόνια έχει δείξει (συμπεριλαμβανομένου του πειράματος) τη δυνατότητα τυχαίων αλλαγών στην κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου («άλματα») σε ένα σταθερό τυρβώδες δυναμό. Σύμφωνα με τον επικεφαλής του εργαστηρίου γεωμαγνητισμού στο Ινστιτούτο Φυσικής της Γης, Βλαντιμίρ Παβλόφ, η αναστροφή είναι μια μάλλον μακρά διαδικασία για τα ανθρώπινα πρότυπα.

Οι γεωφυσικοί στο Πανεπιστήμιο του Leeds Yon Mound και ο Phil Livermore πιστεύουν ότι σε μερικές χιλιάδες χρόνια θα υπάρξει μια αντιστροφή του μαγνητικού πεδίου της Γης.

Μετατόπιση των μαγνητικών πόλων της Γης

Για πρώτη φορά, οι συντεταγμένες του μαγνητικού πόλου στο βόρειο ημισφαίριο καθορίστηκαν το 1831, και πάλι - το 1904, στη συνέχεια το 1948 και το 1962, 1973, 1984, 1994. στο νότιο ημισφαίριο - το 1841, πάλι - το 1908. Η μετατόπιση των μαγνητικών πόλων καταγράφεται από το 1885. Τα τελευταία 100 χρόνια, ο μαγνητικός πόλος στο νότιο ημισφαίριο έχει μετακινηθεί σχεδόν 900 km και εισήλθε στον Νότιο Ωκεανό.

Τα τελευταία δεδομένα για την κατάσταση του μαγνητικού πόλου της Αρκτικής (με κατεύθυνση προς την παγκόσμια μαγνητική ανωμαλία της Ανατολικής Σιβηρίας κατά μήκος του Αρκτικού Ωκεανού) έδειξαν ότι από το 1973 έως το 1984 τα χιλιόμετρα του ήταν 120 km, από το 1984 έως το 1994 - περισσότερα από 150 km. Αν και αυτά τα στοιχεία υπολογίζονται, επιβεβαιώνονται από μετρήσεις του βόρειου μαγνητικού πόλου.

Μετά το 1831, όταν η θέση του πόλου καθορίστηκε για πρώτη φορά, μέχρι το 2019 ο πόλος είχε ήδη μετατοπιστεί κατά περισσότερα από 2.300 km προς τη Σιβηρία και συνεχίζει να κινείται με επιτάχυνση.

Η ταχύτητα ταξιδιού του αυξήθηκε από 15 km ετησίως το 2000 σε 55 km ετησίως το 2019. Αυτή η γρήγορη μετατόπιση απαιτεί πιο συχνές προσαρμογές στα συστήματα πλοήγησης που χρησιμοποιούν το μαγνητικό πεδίο της Γης, όπως πυξίδες σε smartphone ή εφεδρικά συστήματα πλοήγησης για πλοία και αεροσκάφη.

Η ισχύς του μαγνητικού πεδίου της γης πέφτει, και μάλιστα άνισα. Τα τελευταία 22 χρόνια, μειώθηκε κατά μέσο όρο κατά 1,7%, και σε ορισμένες περιοχές, όπως ο Νότιος Ατλαντικός Ωκεανός, κατά 10%. Σε ορισμένα σημεία, η ισχύς του μαγνητικού πεδίου, σε αντίθεση με τη γενική τάση, ακόμη και αυξήθηκε.

Η επιτάχυνση της κίνησης των πόλων (κατά μέσο όρο 3 km / έτος) και η κίνησή τους κατά μήκος των διαδρόμων των αντιστροφών μαγνητικών πόλων (αυτοί οι διάδρομοι κατέστησαν δυνατή την αποκάλυψη περισσότερων από 400 παλαιοαναστροφών) υποδηλώνει ότι σε αυτή την κίνηση των πόλων δεν πρέπει να δούμε μια εκδρομή, αλλά μια άλλη αναστροφή του μαγνητικού πεδίου της Γης.

Πώς προέκυψε το μαγνητικό πεδίο της γης;

Οι ειδικοί στο Ινστιτούτο Ωκεανογραφίας Scripps και στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια έχουν προτείνει ότι το μαγνητικό πεδίο του πλανήτη σχηματίστηκε από τον μανδύα. Αμερικανοί επιστήμονες ανέπτυξαν μια υπόθεση που προτάθηκε πριν από 13 χρόνια από μια ομάδα ερευνητών από τη Γαλλία.

Είναι γνωστό ότι για πολύ καιρό, οι επαγγελματίες υποστήριζαν ότι ήταν ο εξωτερικός πυρήνας της Γης που παρήγαγε το μαγνητικό της πεδίο. Στη συνέχεια, όμως, ειδικοί από τη Γαλλία πρότειναν ότι ο μανδύας του πλανήτη ήταν πάντα συμπαγής (από τη στιγμή της γέννησής του).

Αυτό το συμπέρασμα έκανε τους επιστήμονες να πιστεύουν ότι δεν ήταν ο πυρήνας που θα μπορούσε να σχηματίσει το μαγνητικό πεδίο, αλλά το υγρό μέρος του κάτω μανδύα. Η σύνθεση του μανδύα είναι ένα πυριτικό υλικό που θεωρείται κακός αγωγός.

Επειδή όμως ο κάτω μανδύας έπρεπε να παραμείνει υγρός για δισεκατομμύρια χρόνια, η κίνηση του υγρού μέσα του δεν παρήγαγε ηλεκτρικό ρεύμα και στην πραγματικότητα ήταν απλώς απαραίτητο να δημιουργηθεί ένα μαγνητικό πεδίο.

Οι επαγγελματίες σήμερα πιστεύουν ότι ο μανδύας θα μπορούσε να ήταν ένας πιο ισχυρός αγωγός από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως. Αυτό το συμπέρασμα των ειδικών δικαιολογεί πλήρως την κατάσταση της πρώιμης Γης. Ένα πυριτικό δυναμό είναι δυνατό μόνο εάν η ηλεκτρική αγωγιμότητα του υγρού μέρους του ήταν πολύ υψηλότερη και είχε χαμηλή πίεση και θερμοκρασία.