هيكل وخصائص المجال المغناطيسي للأرض
المجال المغناطيسي للأرض، أو المجال المغناطيسي الأرضي - المغناطيسي
يمكن تقسيم المجال المغناطيسي للأرض (المجال المغنطيسي الأرضي) إلى الأجزاء الرئيسية التالية:
- الملعب الرئيسي،
- مجالات الشذوذ في العالم ،
- المجال المغناطيسي الخارجي.
- الملعب الرئيسي
ويتكون أكثر من 90% منه من حقل مصدره داخل الأرض، في اللب الخارجي السائل - ويسمى هذا الجزء بالمجال الرئيسي أو الرئيسي أو العادي.
يتم تقريبه كسلسلة في التوافقيات -من سلسلة Gaussian ، وفي التقريب الأول بالقرب من سطح الأرض (حتى ثلاثة من نصف قطرها) يكون قريبًا من المجال المغناطيسي ثنائي القطب ، أي يبدو كما لو أن الكرة الأرضية عبارة عن مغناطيس شريطي مع محور موجه تقريبًا من من الشمال إلى الجنوب.
- مجالات الشذوذ في العالم
خطوط المجال المغناطيسي الحقيقية للأرضورغم أنها في المتوسط قريبة من خطوط المجال ثنائي القطب، إلا أنها تختلف عنها في المخالفات المحلية المرتبطة بوجود صخور ممغنطة في القشرة الأرضية تقع بالقرب من السطح.
ولهذا السبب في بعض الأماكن على وجه الأرضعلى السطح، تختلف معلمات المجال بشكل كبير عن القيم الموجودة في المناطق المجاورة، وتشكل ما يسمى بالشذوذات المغناطيسية، ويمكن أن تتداخل مع بعضها البعض إذا كانت الأجسام الممغنطة المسببة لها تقع على أعماق مختلفة.
- المجال المغناطيسي الخارجي
يتم تحديده من خلال المصادر في شكل تيارالأنظمة الموجودة خارج سطح الأرض في غلافها الجوي. وفي الجزء العلوي من الغلاف الجوي (100 كم فما فوق) - الأيونوسفير - تتأين جزيئاته لتشكل بلازما باردة كثيفة ترتفع إلى أعلى، وبالتالي فإن الجزء من الغلاف المغناطيسي للأرض فوق الأيونوسفير، يمتد لمسافة تصل إلى ثلاثة من نصف قطرها، يسمىالبلازما.
يتم الاحتفاظ بالبلازما بواسطة المجال المغناطيسي للأرض ، ولكن يتم تحديد حالتها من خلال تفاعلها مع الرياح الشمسية - تدفق البلازما من الإكليل الشمسي.
وبالتالي، على مسافة أكبر من السطحالمجال المغناطيسي للأرض غير متماثل، فهو مشوه تحت تأثير الرياح الشمسية: من جهة الشمس ينضغط، وفي اتجاه الشمس يكتسب "درباً" يمتد لمئات الآلاف من الكيلومترات ، تجاوز مدار القمر.
يحدث هذا الشكل "الذيل" الغريب عندما تتدفق بلازما الرياح الشمسية والجسيمات الشمسية حول سطح الأرض.الغلاف المغناطيسي- منطقة من الفضاء القريب من الأرض، لا يزال يسيطر عليها المجال المغناطيسي للأرض، وليس الشمس والمصادر الكوكبية الأخرى.
لقد تم فصلها عن الفضاء بين الكواكبالمغنطيسية، حيث يتم موازنة الضغط الديناميكي للرياح الشمسية بضغط مجالها المغناطيسي.
- معلمات المجال
تمثيل مرئي لموقف الخطوطيتم توفير 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 بطريقة معينة على طول هذه الخطوط.
وبما أن القطبين المغناطيسي والجغرافي لا يتطابقان، فإن الإبرة المغناطيسية تشير إلى الاتجاه من الشمال إلى الجنوب بشكل تقريبي فقط.
ويسمى المستوى الرأسي الذي تم تركيب الإبرة المغناطيسية فيه مستوى خط الزوال المغناطيسي لمكان معين، ويسمى الخط الذي يتقاطع على طوله هذا المستوى مع سطح الأرضخط الزوال المغناطيسي.
وبالتالي، فإن خطوط الطول المغناطيسية هي إسقاطاتخطوط قوة المجال المغناطيسي للأرض على سطحها، تتقارب عند القطبين المغناطيسي الشمالي والجنوبي. تسمى الزاوية الواقعة بين اتجاهي خطوط الطول المغناطيسية والجغرافيةالانحراف المغناطيسي.
يمكن أن تكون غربية (غالبًا ما يشار إليهاعلامة "-") أو الشرق (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 لسطحه. وهذا يعني أن الحث المغناطيسي للمجال الأرضي لا يقع في مستوى أفق مكان معين، بل يشكل زاوية معينة مع هذا المستوى - وتسمىالميل المغناطيسي. ويقترب من الصفر عند نقاط فقطخط الاستواء المغناطيسي- دائرة كبيرة في مستوى متعامدة مع المحور المغناطيسي.
نتائج النمذجة العددية للمجال المغناطيسي للأرض: على اليسار - طبيعي، على اليمين - أثناء الانقلاب
طبيعة المجال المغناطيسي للأرض
شرح وجود المجالات المغناطيسية لأول مرةتمت محاولة الأرض والشمس بواسطة J. Larmore في عام 1919، حيث اقترح مفهوم الدينامو، والذي بموجبه يتم الحفاظ على المجال المغناطيسي لجرم سماوي تحت تأثير الحركة الهيدروديناميكية لوسيط موصل كهربائيًا.
ومع ذلك، في عام 1934، أثبت T. Cowling نظرية حول استحالة الحفاظ على مجال مغناطيسي متماثل المحور من خلال آلية الدينامو الهيدروديناميكي.
وبما أن معظم الأجرام السماوية تمت دراستها (ووخاصة الأرض) اعتبرت متماثلة محوريا، وعلى هذا الأساس كان من الممكن افتراض أن مجالها سيكون أيضا متماثلا محوريا، ومن ثم سيكون توليده وفقا لهذا المبدأ مستحيلا وفقا لهذه النظريات.
حتى ألبرت أينشتاين كان متشككًاجدوى مثل هذا الدينامو بشرط أن الحلول البسيطة (المتماثلة) لا يمكن أن توجد. بعد ذلك بوقت طويل فقط ، تبين أنه ليس كل المعادلات ذات التناظر المحوري التي تصف عملية توليد المجال المغناطيسي سيكون لها حل متماثل محوريًا ، حتى في الخمسينيات. 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 أثناء تحركه في مجال مغناطيسي يتم توليده وتضخيمه بواسطة هذه التيارات نفسها.
يتم إنشاء الظروف اللازمة في قلب الأرض:في اللب الخارجي السائل، الذي يتكون أساسًا من الحديد عند درجة حرارة تتراوح بين 4-6 آلاف كلفن، والذي يوصل التيار بشكل مثالي، يتم إنشاء تدفقات الحمل الحراري التي تزيل الحرارة من اللب الداخلي الصلب (المتولدة بسبب تحلل العناصر المشعة أو إطلاق الحرارة الكامنة عندما تتصلب المادة عند الحدود بين اللب الداخلي والخارجي حيث يبرد الكوكب تدريجيًا).
تعمل قوى كوريوليس على تدوير هذه التدفقاتاللوالب المميزة التي تشكل ما يسمى بأعمدة تايلور. بسبب احتكاك الطبقات، فإنها تكتسب شحنة كهربائية، وتشكل تيارات حلقية. وبالتالي، يتم إنشاء نظام من التيارات المتداولة على طول الدائرة الموصلة في الموصلات التي تتحرك في المجال المغناطيسي (الموجود في البداية، وإن كان ضعيفًا جدًا)، كما هو الحال في قرص فاراداي.
أنه يخلق المجال المغناطيسي الذي، عندماتعمل هندسة التدفق المواتية على تعزيز المجال الأولي، وهذا بدوره يعزز التيار، وتستمر عملية التضخيم حتى تؤدي الخسائر الناجمة عن حرارة جول، والتي تنمو مع زيادة التيار، إلى موازنة تدفق الطاقة القادمة بسبب الحركات الهيدروديناميكية.
لقد تم اقتراح أن الدينامو ربماتكون 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
انقلاب المجال المغناطيسي هو تغيير في اتجاه المجال المغناطيسي للأرض في التاريخ الجيولوجي للكوكب (يتم تحديده بواسطة الطريقة المغناطيسية القديمة).
أثناء الانعكاس، القطب المغناطيسي الشمالي والجنوبيتتغير أماكن الأقطاب المغناطيسية، وتبدأ إبرة البوصلة بالإشارة إلى الاتجاه المعاكس. يعد الانقلاب ظاهرة نادرة نسبيًا لم تحدث أبدًا أثناء وجودهاهومو سابينس... من المفترض أن آخر مرة حدث فيها كانت منذ حوالي 780 ألف عام.
حدثت انعكاسات المجال المغناطيسي على فترات زمنية تتراوح من عشرات الآلاف من السنين إلى فترات ضخمة من المجال المغناطيسي الهادئ لعشرات الملايين من السنين عندما لم تحدث أي انعكاسات.
وهكذا ، لاالدورية في تغيير القطبين ، 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.
متخصصون من جامعة جونز هوبكنز (الولايات المتحدة الأمريكية)من المفترض أنه خلال الانعكاسات ، ضعف الغلاف المغناطيسي للأرض لدرجة أن الإشعاع الكوني يمكن أن يصل إلى سطح الأرض ، وبالتالي يمكن أن تضر هذه الظاهرة بالكائنات الحية على الكوكب ، والتغيير التالي للأقطاب يمكن أن يؤدي إلى عواقب أكثر خطورة على البشرية. إلى كارثة عالمية.
أظهر العمل العلمي في السنوات الأخيرة (بما في ذلكبما في ذلك في 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 إحداثيات القطب المغناطيسي في الشمالتم تعريف نصفي الكرة الأرضية في عام 1831، ومرة أخرى في عام 1904، ثم في عامي 1948 و1962، و1973، و1984، و1994؛ 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 مسافة 900 كيلومتر تقريبًا ودخل المحيط الجنوبي.
أحدث البيانات عن حالة القطب الشماليأظهر القطب المغناطيسي (الذي يتحرك نحو عالم شرق سيبيريا الشذوذ المغناطيسي عبر المحيط المتجمد الشمالي) أنه في الفترة من 1973 إلى 1984 كان سفره 120 كم، من 1984 إلى 1994 - أكثر من 150 كم. ورغم أن هذه البيانات مجرد تقديرات، إلا أنها تؤكدها قياسات القطب المغناطيسي الشمالي.
بعد عام 1831، عندما تم تسجيل موقع القطب لأول مرة، بحلول عام 2019، كان القطب قد تحرك بالفعل أكثر من 2300 كيلومتر باتجاه سيبيريا ويستمر في التحرك بشكل متسارع.
زادت سرعة حركتها من 15 كم إلىعام 2000 حتى 55 كم / سنة 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.
قوة المجال المغناطيسي للأرض آخذة في الانخفاضوبشكل غير متساو. على مدى السنوات الـ 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.
تسريع حركة القطبين (بمتوسط 3km / year) وحركتهم على طول ممرات انعكاس الأقطاب المغناطيسية (هذه الممرات جعلت من الممكن الكشف عن أكثر من 400 من الانقلاب القديم) تشير إلى أنه في هذا الإزاحة للأقطاب لا ينبغي للمرء أن يرى رحلة ، ولكن انعكاسًا آخر للمجال المغناطيسي للأرض .
كيف نشأ المجال المغناطيسي للأرض؟
متخصصون من معهد سكريبس لعلوم المحيطاتواقترحت جامعة كاليفورنيا أن المجال المغناطيسي للكوكب قد تشكل بواسطة الوشاح. طور العلماء الأمريكيون فرضية اقترحت قبل 13 عامًا من قبل مجموعة من الباحثين من فرنسا.
ومن المعروف أنه مع مرور الوقتجادل المحترفون بأن اللب الخارجي للأرض هو الذي ولّد مجالها المغناطيسي. ولكن بعد ذلك اقترح خبراء من فرنسا أن عباءة الكوكب كانت صلبة دائمًا (منذ لحظة ولادته).
هذا الاستنتاج جعل العلماء يفكرونحقيقة أنه لم يكن القلب هو الذي يمكن أن يشكل المجال المغناطيسي ، ولكن الجزء السائل من الوشاح السفلي. يتكون الوشاح من مادة السيليكات التي تعتبر موصلًا ضعيفًا.
ولكن منذ أن بقي الوشاح السفليالسائل لمليارات السنين، فإن حركة السائل بداخله لم تنتج تيارًا كهربائيًا، بل كان من الضروري ببساطة توليد مجال مغناطيسي.
يعتقد المحترفون اليوم أن الوشاح يمكنيكون موصلًا 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.
قراءة المزيد
تم إنشاء أول خريطة دقيقة للعالم. ما هو الخطأ مع أي شخص آخر؟
أخبرت ناسا كيف سيتم تسليم عينات من المريخ إلى الأرض
تم اختبار محرك لطائرة مدارية في روسيا