جدول المحتويات:

درع الأرض: أين يوجد على كوكبنا مجال مغناطيسي؟
درع الأرض: أين يوجد على كوكبنا مجال مغناطيسي؟

فيديو: درع الأرض: أين يوجد على كوكبنا مجال مغناطيسي؟

فيديو: درع الأرض: أين يوجد على كوكبنا مجال مغناطيسي؟
فيديو: ماذا لو اختفى المجال المغناطيسي للأرض !! 2024, مارس
Anonim

يحمي المجال المغناطيسي سطح الأرض من الرياح الشمسية والإشعاع الكوني الضار. إنه يعمل كنوع من الدرع - فبدون وجوده سيتدمر الغلاف الجوي. سنخبرك كيف تم تشكيل المجال المغناطيسي للأرض وتغييره.

بنية وخصائص المجال المغناطيسي للأرض

المجال المغناطيسي للأرض ، أو المجال المغنطيسي الأرضي ، هو مجال مغناطيسي تولده مصادر داخل الأرض. موضوع دراسة المغناطيسية الأرضية. ظهرت منذ 4 ، 2 مليار سنة.

يمكن تقسيم المجال المغناطيسي للأرض (المجال المغنطيسي الأرضي) إلى الأجزاء الرئيسية التالية:

  • الملعب الرئيسي،
  • مجالات الشذوذ في العالم ،
  • المجال المغناطيسي الخارجي.

الملعب الرئيسي

أكثر من 90٪ منه يتكون من حقل ، مصدره داخل الأرض ، في اللب الخارجي السائل - يسمى هذا الجزء المجال الرئيسي أو الرئيسي أو العادي.

يتم تقريبه في شكل سلسلة في التوافقيات - سلسلة غاوسية ، وفي أول تقريب بالقرب من سطح الأرض (حتى ثلاثة من نصف قطرها) يكون قريبًا من المجال المغناطيسي ثنائي القطب ، أي أنه يشبه الأرض عبارة عن شريط مغناطيسي ذو محور موجه تقريبًا من الشمال إلى الجنوب.

مجالات الشذوذ في العالم

تختلف خطوط القوة الحقيقية للمجال المغناطيسي للأرض ، على الرغم من أنها في المتوسط قريبة من خطوط قوة ثنائي القطب ، عن طريق المخالفات المحلية المرتبطة بوجود الصخور الممغنطة في القشرة الموجودة بالقرب من السطح.

لهذا السبب ، في بعض الأماكن على سطح الأرض ، تختلف معلمات المجال اختلافًا كبيرًا عن القيم الموجودة في المناطق المجاورة ، وتشكل ما يسمى الشذوذ المغناطيسي. يمكن أن تتداخل مع بعضها البعض إذا كانت الأجسام الممغنطة التي تسببها تقع على أعماق مختلفة.

المجال المغناطيسي الخارجي

يتم تحديده من خلال المصادر في شكل أنظمة حالية موجودة خارج سطح الأرض في غلافها الجوي. في الجزء العلوي من الغلاف الجوي (100 كم وما فوق) - الأيونوسفير - تتأين جزيئاته ، مكونة بلازما باردة كثيفة ترتفع أعلى ، وبالتالي ، جزء من الغلاف المغناطيسي للأرض فوق طبقة الأيونوسفير ، يمتد إلى مسافة تصل إلى ثلاثة من نصف قطره ، يسمى البلازما.

يتم الاحتفاظ بالبلازما بواسطة المجال المغناطيسي للأرض ، ولكن يتم تحديد حالتها من خلال تفاعلها مع الرياح الشمسية - تدفق البلازما من الإكليل الشمسي.

وهكذا ، على مسافة أكبر من سطح الأرض ، يكون المجال المغناطيسي غير متماثل ، لأنه مشوه تحت تأثير الرياح الشمسية: من الشمس يتقلص ، وفي الاتجاه من الشمس يكتسب "دربًا" يمتد لمئات الآلاف من الكيلومترات ، تتجاوز مدار القمر.

ينشأ هذا الشكل "الذيل" الغريب عندما يبدو أن بلازما الرياح الشمسية والتيارات الجسيمية الشمسية تتدفق حول الغلاف المغناطيسي للأرض - منطقة الفضاء القريب من الأرض ، التي لا يزال يتحكم فيها المجال المغناطيسي للأرض ، وليس الشمس وغيرها. مصادر بين الكواكب.

يتم فصله عن الفضاء بين الكواكب بواسطة نقطة توقف مغناطيسية ، حيث يتم موازنة الضغط الديناميكي للرياح الشمسية بضغط مجالها المغناطيسي.

معلمات المجال

يتم توفير تمثيل مرئي لموضع خطوط الحث المغناطيسي لمجال الأرض بواسطة إبرة مغناطيسية ، مثبتة بطريقة يمكنها من الدوران بحرية حول كل من المحور الرأسي وحول المحور الأفقي (على سبيل المثال ، في gimbal) ، - عند كل نقطة بالقرب من سطح الأرض ، يتم تثبيتها بطريقة معينة على طول هذه الخطوط.

نظرًا لأن القطبين المغناطيسي والجغرافي لا يتطابقان ، فإن الإبرة المغناطيسية تظهر فقط اتجاهًا تقريبيًا بين الشمال والجنوب.

يُطلق على المستوى الرأسي الذي تُركب فيه الإبرة المغناطيسية مستوى خط الزوال المغناطيسي للمكان المحدد ، ويسمى الخط الذي يتقاطع على طوله هذا المستوى مع سطح الأرض بخط الزوال المغناطيسي.

وبالتالي ، فإن خطوط الطول المغناطيسية هي إسقاطات لخطوط قوة المجال المغناطيسي للأرض على سطحها ، وتتقارب عند القطبين المغناطيسيين الشمالي والجنوبي. الزاوية بين اتجاهات خطوط الطول المغناطيسية والجغرافية تسمى الانحراف المغناطيسي.

يمكن أن يكون غربيًا (غالبًا ما يُشار إليه بعلامة "-") أو شرقي (علامة "+") ، اعتمادًا على ما إذا كان القطب الشمالي للإبرة المغناطيسية ينحرف عن المستوى الرأسي لخط الزوال الجغرافي إلى الغرب أو الشرق.

علاوة على ذلك ، فإن خطوط المجال المغناطيسي للأرض ، بشكل عام ، ليست موازية لسطحها. هذا يعني أن الحث المغناطيسي لمجال الأرض لا يكمن في مستوى أفق مكان معين ، ولكنه يشكل زاوية معينة مع هذا المستوى - يطلق عليه الميل المغناطيسي. إنه قريب من الصفر فقط عند نقاط خط الاستواء المغناطيسي - محيط دائرة كبيرة في مستوى عمودي على المحور المغناطيسي.

صورة
صورة

نتائج النمذجة العددية للمجال المغناطيسي للأرض: على اليسار - عادي ، على اليمين - أثناء الانعكاس

طبيعة المجال المغناطيسي للأرض

لأول مرة ، حاول ج. للحركة الهيدروديناميكية لوسط موصل كهربيًا.

ومع ذلك ، في عام 1934 ، أثبت T. Cowling نظرية حول استحالة الحفاظ على مجال مغناطيسي محوري عن طريق آلية الدينامو الهيدروديناميكي.

وبما أن معظم الأجرام السماوية المدروسة (والأرض أكثر من ذلك) كانت تعتبر متناظرة محوريًا ، بناءً على ذلك ، كان من الممكن افتراض أن مجالها سيكون أيضًا متماثلًا محوريًا ، ثم توليدها وفقًا لهذا المبدأ سيكون مستحيلًا وفقًا لهذه النظرية.

حتى ألبرت أينشتاين كان متشككًا في جدوى مثل هذا الدينامو نظرًا لاستحالة وجود حلول بسيطة (متماثلة). فقط في وقت لاحق تم توضيح أنه ليس كل المعادلات ذات التناظر المحوري التي تصف عملية توليد المجال المغناطيسي سيكون لها حل متماثل محوريًا ، حتى في الخمسينيات من القرن الماضي. تم العثور على حلول غير متكافئة.

منذ ذلك الحين ، تم تطوير نظرية الدينامو بنجاح ، واليوم التفسير الأكثر ترجيحًا المقبول عمومًا لأصل المجال المغناطيسي للأرض والكواكب الأخرى هو آلية دينامو ذاتية الإثارة تعتمد على توليد تيار كهربائي في موصل عندما يتحرك في مجال مغناطيسي تولده وتضخمه هذه التيارات نفسها.

يتم إنشاء الظروف اللازمة في قلب الأرض: في اللب الخارجي السائل ، والذي يتكون أساسًا من الحديد عند درجة حرارة حوالي 4-6 آلاف كلفن ، والذي ينقل التيار بشكل مثالي ، يتم إنشاء تدفقات الحمل الحراري التي تزيل الحرارة من اللب الداخلي الصلب (ناتج عن اضمحلال العناصر المشعة أو إطلاق الحرارة الكامنة أثناء تصلب المادة عند الحدود بين القلب الداخلي والخارجي بينما يبرد الكوكب تدريجيًا).

تقوم قوى كوريوليس بتحويل هذه التيارات إلى لولبيات مميزة تشكل ما يسمى بأعمدة تايلور. بسبب احتكاك الطبقات ، تكتسب شحنة كهربائية ، وتشكل التيارات الحلقية. وهكذا ، يتم إنشاء نظام من التيارات التي تدور على طول دائرة موصلة في الموصلات التي تتحرك في مجال مغناطيسي (موجود في البداية ، وإن كان ضعيفًا جدًا) ، كما هو الحال في قرص فاراداي.

إنه يخلق مجالًا مغناطيسيًا ، والذي ، مع هندسة مواتية للتدفقات ، يعزز المجال الأولي ، وهذا بدوره يعزز التيار ، وتستمر عملية التضخيم حتى الخسائر في حرارة جول ، مع زيادة التيار ، وتوازن تدفقات الطاقة بسبب الحركات الهيدروديناميكية.

تم اقتراح أن الدينامو يمكن أن يكون متحمسًا بسبب قوى المد والجزر ، أي أن مصدر الطاقة هو دوران الأرض ، ومع ذلك ، فإن الفرضية الأكثر انتشارًا وتطورًا هي أن هذا هو بالتحديد الحمل الحراري الكيميائي.

التغييرات في المجال المغناطيسي للأرض

انعكاس المجال المغناطيسي هو تغيير في اتجاه المجال المغناطيسي للأرض في التاريخ الجيولوجي للكوكب (تحدده الطريقة المغنطيسية القديمة).

في حالة الانعكاس ، يتم عكس الشمال المغناطيسي والجنوب المغناطيسي وتبدأ إبرة البوصلة في الإشارة في الاتجاه المعاكس. الانقلاب ظاهرة نادرة نسبيًا لم تحدث أبدًا أثناء وجود الإنسان العاقل. من المفترض أن آخر مرة حدث فيها ذلك منذ حوالي 780 ألف سنة.

حدثت انعكاسات المجال المغناطيسي على فترات زمنية من عشرات الآلاف من السنين إلى فترات طويلة من مجال مغناطيسي هادئ لعشرات الملايين من السنين ، عندما لم تحدث الانعكاسات.

وبالتالي ، لم يتم العثور على دورية في انعكاس القطب ، وتعتبر هذه العملية عشوائية. يمكن أن تتبع الفترات الطويلة من المجال المغناطيسي الهادئ فترات من الانتكاسات المتعددة بفترات مختلفة والعكس صحيح. تظهر الدراسات أن التغيير في الأقطاب المغناطيسية يمكن أن يستمر من عدة مئات إلى مئات الآلاف من السنين.

يقترح خبراء من جامعة جونز هوبكنز (الولايات المتحدة الأمريكية) أنه أثناء الانعكاسات ، ضعف الغلاف المغناطيسي للأرض لدرجة أن الإشعاع الكوني يمكن أن يصل إلى سطح الأرض ، لذلك يمكن أن تضر هذه الظاهرة بالكائنات الحية على الكوكب ، والتغيير التالي للأقطاب يمكن أن يؤدي إلى المزيد عواقب وخيمة على البشرية تصل إلى كارثة عالمية.

أظهر العمل العلمي في السنوات الأخيرة (بما في ذلك التجربة) إمكانية حدوث تغييرات عشوائية في اتجاه المجال المغناطيسي ("القفزات") في دينامو مضطرب ثابت. وفقًا لرئيس مختبر المغناطيسية الأرضية في معهد فيزياء الأرض ، فلاديمير بافلوف ، فإن الانعكاس عملية طويلة إلى حد ما وفقًا للمعايير البشرية.

يعتقد الجيوفيزيائيون في جامعة ليدز يون ماوند وفيل ليفرمور أنه في غضون ألفي عام سيكون هناك انعكاس في المجال المغناطيسي للأرض.

إزاحة الأقطاب المغناطيسية للأرض

لأول مرة ، تم تحديد إحداثيات القطب المغناطيسي في نصف الكرة الشمالي في عام 1831 ، مرة أخرى - في عام 1904 ، ثم في عام 1948 و 1962 ، و 1973 ، و 1984 ، و 1994 ؛ في نصف الكرة الجنوبي - في عام 1841 ، مرة أخرى - في عام 1908. تم تسجيل إزاحة الأقطاب المغناطيسية منذ عام 1885. على مدار المائة عام الماضية ، تحرك القطب المغناطيسي في نصف الكرة الجنوبي لمسافة 900 كيلومتر تقريبًا ودخل المحيط الجنوبي.

أظهرت أحدث البيانات عن حالة القطب المغناطيسي في القطب الشمالي (التحرك نحو الشذوذ المغناطيسي لعالم شرق سيبيريا عبر المحيط المتجمد الشمالي) أنه في الفترة من 1973 إلى 1984 كان عدد الأميال 120 كيلومترًا ، من 1984 إلى 1994 - أكثر من 150 كيلومترًا. على الرغم من أن هذه الأرقام محسوبة ، إلا أنها تؤكدها قياسات القطب المغناطيسي الشمالي.

بعد عام 1831 ، عندما تم تثبيت موضع العمود لأول مرة ، بحلول عام 2019 ، كان القطب قد تحرك بالفعل بأكثر من 2300 كيلومتر باتجاه سيبيريا ويستمر في التحرك بوتيرة متسارعة.

زادت سرعة سفرها من 15 كم سنويًا في عام 2000 إلى 55 كم سنويًا في عام 2019. يتطلب هذا الانجراف السريع تعديلات أكثر تكرارا لأنظمة الملاحة التي تستخدم المجال المغناطيسي للأرض ، مثل البوصلات في الهواتف الذكية أو أنظمة الملاحة الاحتياطية للسفن والطائرات.

تسقط قوة المجال المغناطيسي للأرض وبشكل غير متساو. على مدى السنوات ال 22 الماضية ، انخفض بمعدل 1.7 ٪ ، وفي بعض المناطق ، مثل جنوب المحيط الأطلسي ، بنسبة 10 ٪. في بعض الأماكن ، زادت قوة المجال المغناطيسي ، على عكس الاتجاه العام.

يشير تسارع حركة القطبين (بمتوسط 3 كم / سنة) وحركتهم على طول ممرات انقلاب القطب المغناطيسي (هذه الممرات جعلت من الممكن الكشف عن أكثر من 400 انقلاب باليوان) أنه في هذه الحركة للأقطاب واحد لا ينبغي أن نرى رحلة ، ولكن يجب أن نرى انعكاسًا آخر للمجال المغناطيسي للأرض.

كيف نشأ المجال المغناطيسي للأرض؟

اقترح الخبراء في معهد سكريبس لعلوم المحيطات وجامعة كاليفورنيا أن المجال المغناطيسي للكوكب يتكون من الوشاح.طور العلماء الأمريكيون فرضية اقترحت قبل 13 عامًا من قبل مجموعة من الباحثين من فرنسا.

من المعروف أنه لفترة طويلة ، جادل المحترفون في أن اللب الخارجي للأرض هو الذي يولد مجالها المغناطيسي. لكن بعد ذلك اقترح خبراء من فرنسا أن وشاح الكوكب كان دائمًا صلبًا (منذ لحظة ولادته).

جعل هذا الاستنتاج العلماء يعتقدون أنه ليس اللب هو الذي يمكن أن يشكل المجال المغناطيسي ، ولكن الجزء السائل من الوشاح السفلي. يتكون الوشاح من مادة السيليكات التي تعتبر موصلًا ضعيفًا.

ولكن بما أن الوشاح السفلي كان لابد أن يظل سائلاً لمليارات السنين ، فإن حركة السائل بداخله لم ينتج عنها تيار كهربائي ، وفي الحقيقة كان من الضروري ببساطة توليد مجال مغناطيسي.

يعتقد المحترفون اليوم أن الوشاح كان يمكن أن يكون قناة أقوى مما كان يعتقد سابقًا. هذا الاستنتاج الذي توصل إليه المتخصصون يبرر تمامًا حالة الأرض المبكرة. دينامو السيليكات ممكن فقط إذا كانت الموصلية الكهربائية للجزء السائل أعلى بكثير وكان الضغط ودرجة الحرارة منخفضين.

موصى به: