โครงสร้างและลักษณะของสนามแม่เหล็กโลก
Магнитное поле Земли, или геомагнитное поле — магнитное
สนามแม่เหล็กของโลก (สนามแม่เหล็ก) สามารถแบ่งออกเป็นส่วนหลัก ๆ ดังต่อไปนี้:
- สนามหลัก
- ความผิดปกติของโลก
- สนามแม่เหล็กภายนอก
- ฟิลด์หลัก
มากกว่า 90% ประกอบด้วยสนามที่มีแหล่งกำเนิดอยู่ภายในโลกในแกนกลางชั้นนอกที่เป็นของเหลว ส่วนนี้เรียกว่าสนามหลัก สนามหลัก หรือสนามปกติ
ประมาณว่าเป็นอนุกรมในฮาร์มอนิกส์ -ของอนุกรม Gaussian และในการประมาณครั้งแรกใกล้พื้นผิวโลก (มากถึงสามรัศมี) มันอยู่ใกล้กับสนามไดโพลแม่เหล็กนั่นคือดูเหมือนว่าโลกเป็นแม่เหล็กแถบที่มีแกนพุ่งจาก เหนือจรดใต้.
- ความผิดปกติของโลก
เส้นสนามแม่เหล็กจริงของโลกแม้ว่าโดยเฉลี่ยแล้วพวกมันจะอยู่ใกล้กับเส้นสนามไดโพล แต่ก็แตกต่างไปจากความผิดปกติในท้องถิ่นที่เกี่ยวข้องกับการมีอยู่ของหินแม่เหล็กในเปลือกโลกที่อยู่ใกล้กับพื้นผิว
ด้วยเหตุนี้ในบางสถานที่บนโลกบนพื้นผิว พารามิเตอร์ของสนามแตกต่างอย่างมากจากค่าในพื้นที่ใกล้เคียง ก่อให้เกิดสิ่งที่เรียกว่าความผิดปกติของสนามแม่เหล็ก พวกมันสามารถทับซ้อนกันได้หากวัตถุที่ถูกแม่เหล็กทำให้พวกมันอยู่ที่ระดับความลึกต่างกัน
- สนามแม่เหล็กภายนอก
ถูกกำหนดโดยแหล่งที่มาในรูปของกระแสระบบต่างๆ ที่ตั้งอยู่เหนือพื้นผิวโลกในชั้นบรรยากาศ ในส่วนบนของบรรยากาศ (100 กม. ขึ้นไป) - ไอโอโนสเฟียร์ - โมเลกุลของมันถูกแตกตัวเป็นไอออนก่อตัวเป็นพลาสมาเย็นหนาแน่นที่เพิ่มขึ้นสูงขึ้นดังนั้นส่วนหนึ่งของแมกนีโตสเฟียร์ของโลกเหนือไอโอโนสเฟียร์ซึ่งขยายออกไปเป็นระยะทางสูงสุดสาม ของรัศมีนั้นเรียกว่าพลาสเฟียร์.
พลาสม่าถูกยึดโดยสนามแม่เหล็กโลก แต่สถานะของมันถูกกำหนดโดยปฏิสัมพันธ์กับลมสุริยะนั่นคือการไหลของพลาสมาของโคโรนาสุริยะ
ดังนั้นหากอยู่ห่างจากพื้นผิวมากขึ้นสนามแม่เหล็กของโลกไม่สมมาตรเนื่องจากถูกบิดเบือนภายใต้อิทธิพลของลมสุริยะ: มันถูกบีบอัดจากด้านข้างของดวงอาทิตย์และในทิศทางจากดวงอาทิตย์จะได้ "เส้นทาง" ที่ทอดยาวหลายแสนกิโลเมตร ออกไปนอกวงโคจรของดวงจันทร์
รูปร่าง "หาง" ที่แปลกประหลาดนี้เกิดขึ้นเมื่อพลาสมาของลมสุริยะและกระแสเลือดจากแสงอาทิตย์ไหลรอบพื้นผิวโลกสนามแม่เหล็ก- พื้นที่ของอวกาศใกล้โลก ยังคงถูกควบคุมโดยสนามแม่เหล็กของโลก ไม่ใช่ดวงอาทิตย์และแหล่งกำเนิดระหว่างดาวเคราะห์อื่นๆ
เธอถูกแยกออกจากอวกาศระหว่างดาวเคราะห์ภาวะหมดประจำเดือนโดยที่ความดันไดนามิกของลมสุริยะจะสมดุลกับความดันของสนามแม่เหล็กของมันเอง
- พารามิเตอร์ฟิลด์
การแสดงตำแหน่งของเส้นด้วยภาพการเหนี่ยวนำแม่เหล็กของสนามโลกนั้นมาจากเข็มแม่เหล็กซึ่งได้รับการแก้ไขในลักษณะที่สามารถหมุนได้อย่างอิสระทั้งในแนวตั้งและรอบแกนนอน (ตัวอย่างเช่นใน gimbal) - ในแต่ละจุดใกล้พื้นผิวโลก ได้รับการติดตั้งในลักษณะที่แน่นอนตามแนวเหล่านี้
เนื่องจากขั้วแม่เหล็กและขั้วทางภูมิศาสตร์ไม่ตรงกัน เข็มแม่เหล็กจึงระบุทิศทางจากเหนือลงใต้เพียงประมาณเท่านั้น
ระนาบแนวตั้งที่ติดตั้งเข็มแม่เหล็กเรียกว่าระนาบของเส้นลมปราณแม่เหล็กของสถานที่ที่กำหนดและเส้นที่ระนาบนี้ตัดกับพื้นผิวโลกเรียกว่าเมริเดียนแม่เหล็ก.
ดังนั้นเส้นเมอริเดียนแม่เหล็กจึงเป็นเส้นโครงเส้นแรงของสนามแม่เหล็กโลกบนพื้นผิวมาบรรจบกันที่ขั้วแม่เหล็กเหนือและใต้ เรียกว่ามุมระหว่างทิศทางของเส้นเมอริเดียนแม่เหล็กและภูมิศาสตร์การปฏิเสธแม่เหล็ก.
อาจเป็นแบบตะวันตก (มักจะหมายถึงเครื่องหมาย "-") หรือทิศตะวันออก (เครื่องหมาย "+") ขึ้นอยู่กับว่าขั้วเหนือของเข็มแม่เหล็กเบี่ยงเบนจากแนวระนาบแนวตั้งของเส้นเมริเดียนทางภูมิศาสตร์ไปทางทิศตะวันตกหรือทิศตะวันออก
นอกจากนี้ เส้นของสนามแม่เหล็กโลก โดยทั่วไปแล้วไม่ขนานกับพื้นผิว ซึ่งหมายความว่าการเหนี่ยวนำแม่เหล็กของสนามโลกไม่ได้อยู่บนระนาบขอบฟ้าของสถานที่ที่กำหนด แต่สร้างมุมที่แน่นอนด้วยระนาบนี้ - เรียกว่าความเอียงของแม่เหล็ก- มันใกล้ศูนย์เฉพาะจุดเท่านั้นเส้นศูนย์สูตรแม่เหล็ก — окружности большого круга в плоскости, которая перпендикулярна к магнитной оси.
Результаты численного моделирования магнитного поля Земли: слева — обычное, справа — во время инверсии
ธรรมชาติของสนามแม่เหล็กโลก
Впервые объяснить существование магнитных полей Земли и Солнца попытался Дж. Лармор в 1919 году, предложив концепцию динамо, согласно которой поддержание магнитного поля небесного тела происходит под действием гидродинамического движения электропроводящей среды.
Однако в 1934 году Т. Каулинг доказал теорему о невозможности поддержания осесимметричного магнитного поля посредством гидродинамического динамо-механизма.
А поскольку большинство изучаемых небесных тел (и тем более Земля) считались аксиально-симметричными, на основании этого можно было сделать предположение, что их поле тоже будет аксиально-симметричным, и тогда его генерация по такому принципу будет невозможна согласно этой теорем.
แม้แต่อัลเบิร์ตไอน์สไตน์ก็ยังสงสัยความเป็นไปได้ของไดนาโมดังกล่าวโดยมีเงื่อนไขว่าไม่สามารถมีโซลูชันที่เรียบง่าย (สมมาตร) ได้ หลังจากนั้นไม่นานก็แสดงให้เห็นว่าไม่ใช่สมการทั้งหมดที่มีความสมมาตรตามแนวแกนที่อธิบายกระบวนการสร้างสนามแม่เหล็กจะมีวิธีแก้ปัญหาสมมาตรตามแนวแกนแม้ในปี 1950 พบโซลูชันที่ไม่สมมาตร
С тех пор теория динамо успешно развивается, и на сегодняшний день общепринятым наиболее вероятным объяснением происхождения магнитного поля Земли и других планет является самовозбуждающийся динамо-механизм, основанный на генерации электрического тока в проводнике при его движении в магнитном поле, порождаемом и усиливаемом самими этими токами.
Необходимые условия создаются в ядре Земли: в жидком внешнем ядре, состоящем в основном из железа при температуре порядка 4–6 тысяч кельвинов, которое отлично проводит ток, создаются конвективные потоки, отводящие от твердого внутреннего ядра тепло (генерируемое благодаря распаду радиоактивных элементов либо освобождению скрытой теплоты при затвердевании вещества на границе между внутренним и внешним ядром по мере постепенного остывания планеты).
Силы Кориолиса закручивают эти потоки в характерные спирали, образующие так называемые столбы Тейлора. Благодаря трению слоев они приобретают электрический заряд, формируя контурные токи. Таким образом, создается система токов, циркулирующих по проводящему контуру в движущихся в (изначально присутствующем, пусть и очень слабом) магнитном поле проводниках, как в диске Фарадея.
Она создает магнитное поле, которое при благоприятной геометрии течений усиливает начальное поле, а это, в свою очередь, усиливает ток, и процесс усиления продолжается до тех пор, пока растущие с увеличением тока потери на джоулево тепло не уравновесят притоки энергии, поступающей за счет гидродинамических движений.
มีการแนะนำว่าไดนาโมอาจรู้สึกตื่นเต้นเนื่องจากแรงพรีเซสชั่นหรือกระแสน้ำนั่นคือแหล่งที่มาของพลังงานคือการหมุนของโลกอย่างไรก็ตามสมมติฐานที่แพร่หลายและพัฒนามากที่สุดคือนี่คือการพาความร้อนทางเคมีอย่างแม่นยำ
การเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กโลก
Инверсия магнитного поля — изменение направления магнитного поля Земли в геологической истории планеты (определяется палеомагнитным методом).
При инверсии северный магнитный полюс и южный магнитный полюс меняются местами, и стрелка компаса начинает показывать противоположное направление. Инверсия — относительно редкое явление, которое ни разу не происходило за время существования โฮโมเซเปียนส์... สันนิษฐานว่าครั้งสุดท้ายที่เกิดขึ้นคือประมาณ 780 พันปีก่อน
Инверсии магнитного поля происходили через интервалы времени от десятков тысяч лет до огромных промежутков спокойного магнитного поля в десятки миллионов лет, когда инверсии не происходили.
ดังนั้นไม่ระยะเวลาในการเปลี่ยนเสาและกระบวนการนี้ถือว่าสุ่ม สนามแม่เหล็กที่เงียบเป็นเวลานานสามารถตามด้วยช่วงเวลาของการกลับตัวหลายครั้งที่มีระยะเวลาต่างกันและในทางกลับกัน การศึกษาแสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงของขั้วแม่เหล็กสามารถอยู่ได้ตั้งแต่หลายร้อยถึงหลายแสนปี
ผู้เชี่ยวชาญจากมหาวิทยาลัยจอห์นฮอปกินส์ (สหรัฐอเมริกา)สันนิษฐานว่าในระหว่างการพลิกกลับสนามแม่เหล็กของโลกอ่อนแอลงมากจนรังสีคอสมิกสามารถมาถึงพื้นผิวโลกได้ดังนั้นปรากฏการณ์นี้อาจเป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตบนโลกและการเปลี่ยนแปลงขั้วต่อไปอาจนำไปสู่ผลกระทบที่ร้ายแรงยิ่งขึ้นต่อมนุษยชาติ ไปสู่หายนะทั่วโลก
มีการแสดงผลงานทางวิทยาศาสตร์ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา (รวมถึงรวมถึงในการทดลอง) ความเป็นไปได้ของการเปลี่ยนแปลงแบบสุ่มในทิศทางของสนามแม่เหล็ก ("กระโดด") ในไดนาโมปั่นป่วนที่หยุดนิ่ง ตามที่หัวหน้าห้องปฏิบัติการ geomagnetism ของสถาบันฟิสิกส์ของโลกกล่าวว่าการผกผันเป็นกระบวนการที่ค่อนข้างยาวนานตามมาตรฐานของมนุษย์
นักธรณีฟิสิกส์จาก University of Leeds Yon Mound และ Phil Livermore เชื่อว่าในสองสามพันปีจะมีการผกผันของสนามแม่เหล็กโลก
การเคลื่อนที่ของขั้วแม่เหล็กของโลก
Впервые координаты магнитного полюса в Северном полушарии были определены в 1831 году, повторно — в 1904 году, затем в 1948 году и 1962, 1973, 1984, 1994 годах; в Южном полушарии — в 1841 году, повторно — в 1908 году. Смещение магнитных полюсов регистрируется с 1885 года. За последние 100 лет магнитный полюс в Южном полушарии переместился почти на 900 км и вышел в Южный океан.
Новейшие данные по состоянию арктического магнитного полюса (движущегося по направлению к Восточно-Сибирской мировой магнитной аномалии через Северный Ледовитый океан) показали, что с 1973 по 1984 год его пробег составил 120 км, с 1984 по 1994 год — более 150 км. Хотя эти данные расчетные, они подтверждены замерами северного магнитного полюса.
После 1831 года, когда положение полюса было зафиксировано впервые, к 2019 году полюс сместился уже более чем на 2 300 км в сторону Сибири и продолжает двигаться с ускорением.
ความเร็วในการเคลื่อนที่เพิ่มขึ้นจาก 15 กม. เป็นปีในปี 2000 ถึง 55 กม. / ปีในปี 2019 การล่องลอยอย่างรวดเร็วนี้จำเป็นต้องมีการปรับเปลี่ยนระบบนำทางที่ใช้สนามแม่เหล็กโลกบ่อยขึ้นเช่นเข็มทิศในสมาร์ทโฟนหรือระบบนำทางสำรองสำหรับเรือและเครื่องบิน
ความแรงของสนามแม่เหล็กโลกกำลังลดลงและไม่สม่ำเสมอ ในช่วง 22 ปีที่ผ่านมาลดลงโดยเฉลี่ย 1.7% และในบางภูมิภาคเช่นมหาสมุทรแอตแลนติกใต้ลดลง 10% ในบางสถานที่ความแรงของสนามแม่เหล็กตรงกันข้ามกับแนวโน้มทั่วไปเพิ่มขึ้นด้วยซ้ำ
ความเร่งของการเคลื่อนที่ของเสา (โดยเฉลี่ย 3กม. / ปี) และการเคลื่อนที่ไปตามทางเดินของการผกผันของขั้วแม่เหล็ก (ทางเดินเหล่านี้ทำให้สามารถเปิดเผยมากกว่า 400 paleoinversion) แสดงให้เห็นว่าในการกระจัดของขั้วนี้เราไม่ควรเห็นการเดินทาง แต่เป็นการกลับกันของสนามแม่เหล็กโลก .
สนามแม่เหล็กโลกเกิดขึ้นได้อย่างไร?
ผู้เชี่ยวชาญจากสถาบันสมุทรศาสตร์ Scrippsและมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียได้เสนอว่าสนามแม่เหล็กของดาวเคราะห์ถูกสร้างขึ้นโดยแมนเทิล นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันได้พัฒนาสมมติฐานที่เสนอเมื่อ 13 ปีก่อนโดยกลุ่มนักวิจัยจากฝรั่งเศส
Известно, что в течение долгого времени профессионалы утверждали, что именно внешнее ядро Земли генерировало ее магнитное поле. Но потом специалисты из Франции предположили, что мантия планеты была всегда твердой (с момента своего рождения).
ข้อสรุปนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์คิดเกี่ยวกับความจริงที่ว่ามันไม่ใช่แกนกลางที่สามารถสร้างสนามแม่เหล็ก แต่เป็นส่วนของเหลวของเสื้อคลุมด้านล่าง องค์ประกอบของเสื้อคลุมเป็นวัสดุซิลิเกตที่ถือว่าเป็นตัวนำที่ไม่ดี
Но так как нижняя мантия должна была оставаться жидкой в течение миллиардов лет, движения жидкости внутри нее не производило электрического тока, а ведь для генерации магнитного поля он был просто необходим.
ปัจจุบันมืออาชีพเชื่อว่าเสื้อคลุมสามารถทำได้เป็นตัวนำที่ทรงพลังกว่าที่เคยคิดไว้ ข้อสรุปของผู้เชี่ยวชาญนี้แสดงให้เห็นถึงสถานะของโลกยุคแรกอย่างสมบูรณ์ ไดนาโมซิลิเกตเป็นไปได้ก็ต่อเมื่อค่าการนำไฟฟ้าของส่วนของเหลวสูงกว่ามากและมีความดันและอุณหภูมิต่ำ
อ่านเพิ่มเติม
แผนที่แรกที่แม่นยำของโลกถูกสร้างขึ้น คนอื่นผิดอะไร
NASA บอกว่าพวกเขาจะส่งตัวอย่างของดาวอังคารมายังโลกได้อย่างไร
เครื่องยนต์สำหรับเครื่องบินโคจรได้รับการทดสอบในรัสเซีย