מגן כדור הארץ: היכן יש לכוכב הלכת שלנו שדה מגנטי?

2024 מְחַבֵּר: Seth Attwood | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-16 16:05

השדה המגנטי מגן על פני כדור הארץ מפני רוח שמש וקרינה קוסמית מזיקה. הוא פועל כמעין מגן – ללא קיומו, האווירה הייתה נהרסת. נספר לכם כיצד נוצר והשתנה השדה המגנטי של כדור הארץ.

המבנה והמאפיינים של השדה המגנטי של כדור הארץ

השדה המגנטי של כדור הארץ, או השדה הגיאומגנטי, הוא שדה מגנטי שנוצר על ידי מקורות תוך-ארציים. נושא חקר הגיאומגנטיות. הופיע לפני 4, 2 מיליארד שנים.

ניתן לחלק את השדה המגנטי של כדור הארץ עצמו (שדה גאומגנטי) לחלקים העיקריים הבאים:

• תחום ראשי,
• תחומים של חריגות בעולם,
• שדה מגנטי חיצוני.

שדה ראשי

יותר מ-90% ממנו מורכב משדה, שמקורו בתוך כדור הארץ, בליבה החיצונית הנוזלית - חלק זה נקרא השדה הראשי, הראשי או הרגיל.

הוא מקורב בצורה של סדרה בהרמוניות - סדרה גאוסית, ובקירוב ראשון ליד פני כדור הארץ (עד שלושה מרדיוסים שלו) הוא קרוב לשדה הדיפול המגנטי, כלומר נראה כמו כדור הארץ הוא מגנט רצועה עם ציר המכוון בערך מצפון לדרום.

שדות חריגות בעולם

קווי הכוח האמיתיים של השדה המגנטי של כדור הארץ, למרות שהם קרובים בממוצע לקווי הכוח של הדיפול, נבדלים מהם על ידי אי סדרים מקומיים הקשורים לנוכחות של סלעים ממוגנטים בקרום הממוקם קרוב לפני השטח.

בגלל זה, במקומות מסוימים על פני כדור הארץ, פרמטרי השדה שונים מאוד מהערכים באזורים סמוכים, ויוצרים מה שנקרא אנומליות מגנטיות. הם יכולים לחפוף זה את זה אם הגופים הממוגנטים שגורמים להם שוכבים בעומקים שונים.

שדה מגנטי חיצוני

הוא נקבע על ידי מקורות בצורת מערכות זרם הממוקמות מחוץ לפני השטח של כדור הארץ, באטמוספירה שלו. בחלק העליון של האטמוספירה (100 ק מ ומעלה) - היונוספירה - המולקולות שלה מייננות, ויוצרות פלזמה קרה צפופה העולה גבוה יותר, לכן, חלק מהמגנטוספירה של כדור הארץ מעל היונוספירה, המתפרש למרחק של עד שלושה מהרדיוסים שלו, נקרא הפלזספרה.

הפלזמה מוחזקת על ידי השדה המגנטי של כדור הארץ, אך מצבה נקבע על ידי האינטראקציה שלה עם רוח השמש - זרימת הפלזמה של עטרה סולארית.

לפיכך, במרחק גדול יותר מפני השטח של כדור הארץ, השדה המגנטי הוא א-סימטרי, שכן הוא מעוות בפעולת רוח השמש: מהשמש הוא מתכווץ, ובכיוון מהשמש הוא מקבל "שובל" הנמשך. במשך מאות אלפי קילומטרים, מעבר למסלול הירח.

צורת ה"זנב" המוזרה הזו מתעוררת כאשר הפלזמה של רוח השמש ושל זרמי גופי השמש כאילו זורמת מסביב למגנטוספירה של כדור הארץ - אזור החלל הקרוב לכדור הארץ, שעדיין נשלט על ידי השדה המגנטי של כדור הארץ, ולא השמש ואחרים. מקורות בין-פלנטריים.

הוא מופרד מהחלל הבין-פלנטרי על ידי מגנטופאוזה, שבה הלחץ הדינמי של רוח השמש מאוזן על ידי הלחץ של השדה המגנטי שלה.

פרמטרים של שדה

ייצוג חזותי של המיקום של קווי האינדוקציה המגנטית של שדה כדור הארץ מסופק על ידי מחט מגנטית, קבועה בצורה כזו שהיא יכולה להסתובב בחופשיות הן סביב הציר האנכי והן סביב הציר האופקי (לדוגמה, בגימבל), - בכל נקודה ליד פני כדור הארץ, הוא מותקן בצורה מסוימת לאורך קווים אלה.

מכיוון שהקוטב המגנטי והגיאוגרפי אינם חופפים, המחט המגנטית מציגה רק כיוון משוער מצפון לדרום.

המישור האנכי בו מותקנת המחט המגנטית נקרא מישור המרידיאן המגנטי של המקום הנתון, והקו שלאורכו מישור זה מצטלב עם פני כדור הארץ נקרא המרידיאן המגנטי.

לפיכך, מרידיאנים מגנטיים הם הקרנות של קווי הכוח של השדה המגנטי של כדור הארץ על פני השטח שלו, המתכנסים בקוטב המגנטי הצפוני והדרומי. הזווית בין כיווני המרידיאנים המגנטיים והגיאוגרפיים נקראת נטייה מגנטית.

הוא יכול להיות מערבי (לעיתים מסומן באמצעות סימן "-") או מזרחי (סימן "+"), תלוי אם הקוטב הצפוני של המחט המגנטית סוטה מהמישור האנכי של המרידיאן הגיאוגרפי למערב או למזרח.

יתר על כן, קווי השדה המגנטי של כדור הארץ, באופן כללי, אינם מקבילים לפני השטח שלו. המשמעות היא שהאינדוקציה המגנטית של שדה כדור הארץ אינה נמצאת במישור האופק של מקום נתון, אלא יוצרת זווית מסוימת עם המישור הזה - היא נקראת נטייה מגנטית. הוא קרוב לאפס רק בנקודות של קו המשווה המגנטי - היקף מעגל גדול במישור המאונך לציר המגנטי.

תוצאות של מידול מספרי של השדה המגנטי של כדור הארץ: משמאל - רגיל, מימין - בזמן היפוך

אופי השדה המגנטי של כדור הארץ

בפעם הראשונה, ג'יי לרמור ניסה להסביר את קיומם של השדות המגנטיים של כדור הארץ והשמש בשנת 1919, והציע את הרעיון של דינמו, לפיו תחזוקת השדה המגנטי של גוף שמימי מתרחשת תחת הפעולה. של תנועה הידרודינמית של תווך מוליך חשמלי.

עם זאת, בשנת 1934, הוכיח ט.קאלינג את המשפט על חוסר האפשרות לשמור על שדה מגנטי אקסי-סימטרי באמצעות מנגנון דינמו הידרודינמי.

ומכיוון שרוב גרמי השמים הנחקרים (ועוד יותר מכך כדור הארץ) נחשבו סימטריים צירים, על בסיס זה ניתן היה להניח כי גם שדהם יהיה סימטרי צירי, ולאחר מכן יצירתו לפי עיקרון זה. יהיה בלתי אפשרי לפי המשפט הזה.

אפילו אלברט איינשטיין היה סקפטי לגבי היתכנותו של דינמו כזה בהתחשב בחוסר האפשרות של קיומם של פתרונות פשוטים (סימטריים). רק מאוחר יותר הוכח שלא לכל המשוואות עם סימטריה צירית המתארות את תהליך יצירת השדה המגנטי יהיה פתרון סימטרי צירי, אפילו בשנות החמישים. נמצאו פתרונות אסימטריים.

מאז, תיאוריית הדינמו התפתחה בהצלחה, וכיום ההסבר הסביר ביותר המקובל למקור השדה המגנטי של כדור הארץ וכוכבי לכת אחרים הוא מנגנון דינמו מעורר עצמי המבוסס על יצירת זרם חשמלי במוליך. כאשר הוא נע בשדה מגנטי שנוצר ומוגבר על ידי הזרמים הללו עצמם.

התנאים הדרושים נוצרים בליבת כדור הארץ: בליבה החיצונית הנוזלית, המורכבת בעיקר מברזל בטמפרטורה של כ-4-6 אלף קלווין, המוליכה זרם בצורה מושלמת, נוצרות זרימות הסעה המוציאות חום מהליבה הפנימית המוצקה. (נוצר עקב ריקבון של יסודות רדיואקטיביים או שחרור חום סמוי במהלך התמצקות החומר בגבול בין הליבה הפנימית והחיצונית כאשר כוכב הלכת מתקרר בהדרגה).

כוחות הקוריוליס מסובבים את הזרמים הללו לספירלות אופייניות היוצרות את מה שנקרא עמודי טיילור. בשל החיכוך של השכבות, הם רוכשים מטען חשמלי, ויוצרים זרמי לולאה. כך נוצרת מערכת של זרמים המסתובבים לאורך מעגל מוליך במוליכים הנעים בשדה מגנטי (בהתחלה קיים, אם כי חלש מאוד), כמו בדיסק של פאראדיי.

הוא יוצר שדה מגנטי, אשר, עם גיאומטריה חיובית של הזרימות, משפר את השדה ההתחלתי, וזה, בתורו, משפר את הזרם, ותהליך ההגברה נמשך עד שההפסדים לחום ג'ול, שגדלים עם הגדלת הזרם, מאזנים את זרימת אנרגיה עקב תנועות הידרודינמיות.

הוצע שניתן לעורר את הדינמו עקב קדם-צסיה או כוחות גאות ושפל, כלומר שמקור האנרגיה הוא סיבוב כדור הארץ, אולם ההשערה הנפוצה והמפותחת ביותר היא שזוהי בדיוק הסעה תרמוכימית.

שינויים בשדה המגנטי של כדור הארץ

היפוך שדה מגנטי הוא שינוי בכיוון השדה המגנטי של כדור הארץ בהיסטוריה הגיאולוגית של כוכב הלכת (נקבע בשיטה הפלאומגנטית).

בהיפוך, הצפון המגנטי והדרום המגנטי מתהפכות ומחט המצפן מתחילה להצביע בכיוון ההפוך. היפוך היא תופעה נדירה יחסית שמעולם לא התרחשה במהלך קיומו של הומו סאפיינס. יש להניח, בפעם האחרונה שזה קרה לפני כ-780 אלף שנים.

היפוכים של השדה המגנטי התרחשו במרווחי זמן בין עשרות אלפי שנים למרווחים עצומים של שדה מגנטי שקט של עשרות מיליוני שנים, כאשר ההיפוכים לא התרחשו.

לפיכך, לא נמצאה מחזוריות בהיפוך הקוטב, ותהליך זה נחשב סטוכסטי. תקופות ארוכות של שדה מגנטי שקט יכולות לגרור תקופות של היפוכים מרובים עם משכי זמן שונים ולהיפך. מחקרים מראים ששינוי בקטבים המגנטיים יכול להימשך בין כמה מאות לכמה מאות אלפי שנים.

מומחים מאוניברסיטת ג'ונס הופקינס (ארה ב) מציעים שבמהלך היפוכים, המגנטוספירה של כדור הארץ נחלשה כל כך עד שקרינה קוסמית עלולה להגיע אל פני כדור הארץ, כך שתופעה זו עלולה להזיק לאורגניזמים חיים על כדור הארץ, והשינוי הבא של הקטבים עלול להוביל ליותר מכך. השלכות חמורות על האנושות עד לאסון עולמי.

עבודה מדעית בשנים האחרונות הראתה (כולל בניסוי) אפשרות לשינויים אקראיים בכיוון השדה המגנטי ("קפיצות") בדינמו סוער נייח. לדברי ראש המעבדה לגיאומגנטיות במכון לפיזיקה של כדור הארץ, ולדימיר פבלוב, היפוך הוא תהליך ארוך למדי בסטנדרטים אנושיים.

גיאופיזיקאים מאוניברסיטת לידס יון מאונד ופיל ליברמור מאמינים שבעוד כמה אלפי שנים תהיה היפוך של השדה המגנטי של כדור הארץ.

תזוזה של הקטבים המגנטיים של כדור הארץ

לראשונה, הקואורדינטות של הקוטב המגנטי בחצי הכדור הצפוני נקבעו ב-1831, שוב - ב-1904, ואז ב-1948 וב-1962, 1973, 1984, 1994; בחצי הכדור הדרומי - ב-1841, שוב - ב-1908. תזוזה של הקטבים המגנטיים נרשמה מאז 1885. במהלך 100 השנים האחרונות, הקוטב המגנטי בחצי הכדור הדרומי נע כמעט 900 ק מ ונכנס לאוקיינוס הדרומי.

הנתונים העדכניים ביותר על מצב הקוטב המגנטי הארקטי (הנע לעבר האנומליה המגנטית של העולם המזרח סיבירי על פני האוקיינוס הארקטי) הראו כי משנת 1973 עד 1984 הקילומטראז' שלו היה 120 ק"מ, מ-1984 עד 1994 - יותר מ-150 ק"מ. למרות שהנתונים הללו מחושבים, הם מאושרים על ידי מדידות של הקוטב המגנטי הצפוני.

לאחר 1831, כאשר מיקום המוט נקבע לראשונה, בשנת 2019 המוט כבר הוסט ביותר מ-2,300 ק מ לכיוון סיביר וממשיך לנוע בתאוצה.

מהירות הנסיעה שלו עלתה מ-15 ק"מ בשנה בשנת 2000 ל-55 ק"מ בשנה בשנת 2019. הסחף המהיר הזה מחייב התאמות תכופות יותר למערכות ניווט המשתמשות בשדה המגנטי של כדור הארץ, כמו מצפנים בסמארטפונים או מערכות ניווט גיבוי לספינות ולמטוסים.

עוצמת השדה המגנטי של כדור הארץ יורדת, ובאופן לא אחיד. במהלך 22 השנים האחרונות הוא ירד ב-1.7% בממוצע, ובאזורים מסוימים, כמו דרום האוקיינוס האטלנטי, ב-10%. במקומות מסוימים, עוצמת השדה המגנטי, בניגוד למגמה הכללית, אף עלתה.

האצת תנועת הקטבים (בממוצע של 3 ק מ לשנה) ותנועתם לאורך מסדרונות היפוך קטבים מגנטיים (מסדרונות אלו אפשרו לחשוף יותר מ-400 פליאו-היפוך) מרמזים שבתנועה זו של הקטבים לא צריך לראות טיול, אלא היפוך נוסף של השדה המגנטי של כדור הארץ.

כיצד נוצר השדה המגנטי של כדור הארץ?

מומחים ממכון סקריפס לאוקיאנוגרפיה ואוניברסיטת קליפורניה הציעו שהשדה המגנטי של כוכב הלכת נוצר על ידי המעטפת.מדענים אמריקאים פיתחו השערה שהוצעה לפני 13 שנים על ידי קבוצת חוקרים מצרפת.

ידוע כי במשך זמן רב טענו אנשי מקצוע כי הליבה החיצונית של כדור הארץ היא שיצרה את השדה המגנטי שלו. אבל אז מומחים מצרפת הציעו שהמעטפת של כוכב הלכת תמיד מוצקה (מרגע לידתו).

מסקנה זו גרמה למדענים לחשוב שלא הליבה היא שיכולה ליצור את השדה המגנטי, אלא החלק הנוזלי של המעטפת התחתונה. הרכב המעטפת הוא חומר סיליקט הנחשב למוליך גרוע.

אך מכיוון שהמעטפת התחתונה הייתה צריכה להישאר נוזלית במשך מיליארדי שנים, תנועת הנוזל בתוכה לא יצרה זרם חשמלי, ולמעשה פשוט היה צורך ליצור שדה מגנטי.

אנשי מקצוע מאמינים היום שהמעטפת הייתה יכולה להיות צינור חזק יותר ממה שחשבו בעבר. מסקנה זו של מומחים מצדיקה לחלוטין את מצב כדור הארץ המוקדם. דינמו סיליקט אפשרי רק אם המוליכות החשמלית של החלק הנוזלי שלו הייתה הרבה יותר גבוהה ובעלת לחץ וטמפרטורה נמוכים.