انشر على المجال المغناطيسي. المجال المغناطيسي للأرض

دعونا نفهم معًا ما هو المجال المغناطيسي. بعد كل شيء ، يعيش الكثير من الناس في هذا المجال طوال حياتهم ولا يفكرون فيه حتى. حان الوقت لاصلاحه!

مجال مغناطيسي

مجال مغناطيسيهو نوع خاص من المسألة. يتجلى في العمل عند تحريك الشحنات الكهربائية والأجسام التي لها عزم مغناطيسي خاص بها (مغناطيس دائم).

هام: المجال المغناطيسي لا يعمل على الشحنات الثابتة! يتم إنشاء مجال مغناطيسي أيضًا عن طريق تحريك الشحنات الكهربائية ، أو التغيير في الوقت المناسب الحقل الكهربائي، أو اللحظات المغناطيسية للإلكترونات في الذرات. أي أن أي سلك يتدفق من خلاله التيار يصبح أيضًا مغناطيسًا!

جسم له مجال مغناطيسي خاص به.

المغناطيس له أقطاب تسمى الشمال والجنوب. التسميات "الشمالية" و "الجنوبية" معطاة فقط للراحة (مثل "زائد" و "ناقص" في الكهرباء).

يتم تمثيل المجال المغناطيسي بواسطة قوة خطوط مغناطيسية . خطوط القوة مستمرة ومغلقة ، ويتزامن اتجاهها دائمًا مع اتجاه القوى الميدانية. إذا حولها المغناطيس الدائمنشارة معدنية مبعثرة ، ستظهر الجزيئات المعدنية صورة واضحة لخطوط المجال المغناطيسي الخارجة من الشمال وتدخل القطب الجنوبي. الخصائص الرسومية للمجال المغناطيسي - خطوط القوة.

خصائص المجال المغناطيسي

الخصائص الرئيسية للمجال المغناطيسي هي الحث المغناطيسي, الفيض المغناطيسيو النفاذية المغناطيسية. لكن دعنا نتحدث عن كل شيء بالترتيب.

على الفور ، نلاحظ أن جميع وحدات القياس واردة في النظام SI.

الحث المغناطيسي ب - المتجه الكمية المادية، وهي خاصية القوة الرئيسية للمجال المغناطيسي. يشار إليها بالحرف ب . وحدة قياس الحث المغناطيسي - تسلا (تل).

يشير الحث المغناطيسي إلى مدى قوة المجال من خلال تحديد القوة التي يعمل بها على الشحنة. القوة المعطاةمسمى قوة لورنتز.

هنا ف - تكلفة، الخامس - سرعته في المجال المغناطيسي ، ب - استقراء، F هي قوة لورنتز التي يعمل بها الحقل على الشحنة.

F- كمية فيزيائية تساوي ناتج الحث المغناطيسي من خلال مساحة الكفاف وجيب التمام بين متجه الحث والخط الطبيعي لمستوى الكفاف الذي يمر التدفق من خلاله. التدفق المغناطيسي هو خاصية عددية للمجال المغناطيسي.

يمكننا القول أن التدفق المغناطيسي يميز عدد خطوط الحث المغناطيسي التي تخترق مساحة الوحدة. يتم قياس التدفق المغناطيسي بـ Weberach (WB).

النفاذية المغناطيسيةهو المعامل الذي يحدد الخصائص المغناطيسية للوسط. إحدى المعلمات التي يعتمد عليها الحث المغناطيسي للمجال هي النفاذية المغناطيسية.

كان كوكبنا مغناطيسًا ضخمًا لعدة مليارات من السنين. يختلف تحريض المجال المغناطيسي للأرض باختلاف الإحداثيات. عند خط الاستواء ، تساوي حوالي 3.1 في 10 أس ناقص خمسة من قوة تسلا. بالإضافة إلى ذلك ، هناك حالات شذوذ مغناطيسي ، حيث تختلف قيمة واتجاه المجال بشكل كبير عن المناطق المجاورة. واحدة من أكبر الانحرافات المغناطيسية على هذا الكوكب - كورسكو الشذوذ المغناطيسي البرازيلي.

لا يزال أصل المجال المغناطيسي للأرض لغزا للعلماء. من المفترض أن مصدر المجال هو جوهر المعدن السائل للأرض. اللب يتحرك ، مما يعني أن سبائك الحديد والنيكل المنصهرة تتحرك ، وحركة الجسيمات المشحونة هي التيار الكهربائي الذي يولد المجال المغناطيسي. المشكلة أن هذه النظرية جيودينامو) لا يشرح كيف يتم الحفاظ على استقرار المجال.

الأرض عبارة عن ثنائي أقطاب مغناطيسي ضخم.لا تتطابق الأقطاب المغناطيسية مع الأقطاب الجغرافية ، على الرغم من قربها من بعضها البعض. علاوة على ذلك ، تتحرك الأقطاب المغناطيسية للأرض. تم تسجيل نزوحهم منذ عام 1885. على سبيل المثال ، على مدار المائة عام الماضية ، تحرك القطب المغناطيسي في نصف الكرة الجنوبي بحوالي 900 كيلومتر وهو الآن في المحيط الجنوبي. يتحرك قطب نصف الكرة القطبي الشمالي عبر المحيط المتجمد الشمالي باتجاه الشذوذ المغناطيسي لشرق سيبيريا ، وكانت سرعة حركته (وفقًا لبيانات عام 2004) حوالي 60 كيلومترًا في السنة. الآن هناك تسارع في حركة القطبين - في المتوسط ​​، تتزايد السرعة بمقدار 3 كيلومترات في السنة.

ما هي أهمية المجال المغناطيسي للأرض بالنسبة لنا؟بادئ ذي بدء ، يحمي المجال المغناطيسي للأرض الكوكب من الأشعة الكونية والرياح الشمسية. لا تسقط الجسيمات المشحونة من الفضاء السحيق مباشرة على الأرض ، لكنها تنحرف بواسطة مغناطيس عملاق وتتحرك على طول خطوط قوتها. وبالتالي ، فإن جميع الكائنات الحية محمية من الإشعاع الضار.

خلال تاريخ الأرض ، كان هناك العديد منها انقلابات(تغييرات) الأقطاب المغناطيسية. انقلاب القطبعندما يغيرون الأماكن. آخر مرة حدثت فيها هذه الظاهرة منذ حوالي 800 ألف سنة ، وكان هناك أكثر من 400 انعكاس مغناطيسي أرضي في تاريخ الأرض. يعتقد بعض العلماء أنه بالنظر إلى التسارع الملحوظ لحركة الأقطاب المغناطيسية ، يجب أن يكون انعكاس القطب التالي متوقع في الألف سنة القادمة.

لحسن الحظ ، لا يُتوقع حدوث انعكاس في الأقطاب في قرننا هذا. لذلك ، يمكنك التفكير في الحياة الممتعة والاستمتاع في الحقل الثابت القديم الجيد للأرض ، بعد النظر في الخصائص والخصائص الرئيسية للمجال المغناطيسي. ولكي تتمكن من القيام بذلك ، هناك مؤلفونا ، الذين يمكنك أن توكل إليهم جزءًا من المشكلات التعليمية بثقة في النجاح! وأنواع العمل الأخرى التي يمكنك طلبها على الرابط.

الأرض عبارة عن مغناطيس عملاق يتكون حوله مجال مغناطيسي. لا يتطابق الأقطاب المغناطيسية للأرض مع القطبين الجغرافيين الحقيقيين - الشمال والجنوب. تسمى خطوط القوة التي تمتد من قطب مغناطيسي إلى آخر بخطوط الطول المغناطيسية. تتشكل زاوية معينة بين خطوط الطول المغناطيسية والجغرافية (حوالي 11.5 درجة - تقريبًا .. لذلك ، تُظهر إبرة البوصلة الممغنطة بدقة اتجاه خطوط الطول المغناطيسية ، والاتجاه إلى القطب الشمالي الجغرافي تقريبًا.

توجد إبرة مغناطيسية معلقة بحرية أفقيًا فقط على خط الاستواء المغناطيسي ، والذي لا يتطابق مع الخط الجغرافي. إذا تحركت شمال خط الاستواء المغناطيسي ، فإن الطرف الشمالي من السهم سينخفض ​​تدريجيًا. الزاوية التي تشكلها الإبرة المغناطيسية والمستوى الأفقي تسمى الميل المغناطيسي. في القطب الشمالي المغناطيسي (77 درجة شمالاً و 102 درجة غربًا) ، سيتم تثبيت إبرة مغناطيسية معلقة بحرية عموديًا مع الطرف الشمالي لأسفل ، وفي القطب المغناطيسي الجنوبي (65 درجة جنوبا و 139 درجة شرقا - لاحظ .. وهكذا ، تُظهر الإبرة المغناطيسية اتجاه خطوط المجال المغناطيسي فوق سطح الأرض.

يُعتقد أن كوكبنا نفسه يولد مجالًا مغناطيسيًا ثابتًا. تم تشكيله بسبب نظام معقدالتيارات الكهربائية الناشئة عن دوران الأرض وحركتها مادة سائلةفي جوهره الخارجي. يتغير موقع الأقطاب المغناطيسية وتوزيع المجال المغناطيسي على سطح الأرض بمرور الوقت. يمتد المجال المغناطيسي للأرض على ارتفاع حوالي 100،000 كيلومتر. إنه ينحرف أو يلتقط جزيئات الرياح الشمسية التي تضر جميع الكائنات الحية. تشكل هذه الجسيمات المشحونة حزام إشعاع الأرض ، وتسمى المنطقة بأكملها من الفضاء القريب من الأرض التي توجد فيها بالغلاف المغناطيسي.

ترسل الشمس تيارًا هائلاً من الطاقة إلى الأرض ، يتكون من الإشعاع الكهرومغناطيسي (الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء والإشعاع الراديوي - تقريبًا) ؛ الأشعة فوق البنفسجية و الأشعة السينية؛ الأشعة الكونية الشمسية ، والتي تظهر فقط خلال التوهجات القوية جدًا ؛ والرياح الشمسية - تيار مستمر من البلازما يتكون أساسًا من البروتونات (أيونات الهيدروجين).

يصل الإشعاع الكهرومغناطيسي للشمس إلى الأرض في 8 دقائق ، وتتحرك تيارات الجسيمات ، التي تجلب الجزء الرئيسي من الاضطراب من الشمس ، بسرعة حوالي 1000 كم / ثانية وتستمر لمدة يومين أو ثلاثة أيام. السبب الرئيسي لاضطرابات الرياح الشمسية ، التي تؤثر بشكل كبير على العمليات الأرضية ، هو القذف الهائل للمادة من الإكليل الشمسي. عند التحرك نحو الأرض ، فإنها تتحول إلى غيوم مغناطيسية وتؤدي في بعض الأحيان إلى اضطرابات شديدة وشديدة على الأرض. الاضطرابات القوية بشكل خاص في المجال المغناطيسي للأرض - العواصف المغناطيسية - تعطل الاتصالات اللاسلكية وتسبب الشفق القطبي الشديد.

الشفق القطبي فوق الأرض (يُنظر إليه من الفضاء)

الشذوذ المغناطيسي

في بعض مناطق الكوكب ، لوحظت انحرافات في الانحراف المغناطيسي والميل المغناطيسي عن متوسط ​​القيم لمنطقة معينة. على سبيل المثال ، في منطقة كورسك ، في منطقة رواسب خام الحديد ، تكون شدة المجال المغناطيسي أعلى بخمس مرات من متوسط ​​هذه المنطقة. يسمى هذا المجال - الشذوذ المغناطيسي كورسك - علما .. في بعض الأحيان يتم ملاحظة مثل هذه الانحرافات على مساحات شاسعة. الشذوذ المغناطيسي لشرق سيبيريا يتميز بانحراف مغناطيسي غربي وليس شرقي.

المجال المغناطيسي للأرض هو تكوين ناتج عن مصادر داخل الكوكب. إنه موضوع دراسة القسم المقابل من الجيوفيزياء. بعد ذلك ، دعنا نلقي نظرة فاحصة على ماهية المجال المغناطيسي للأرض وكيف يتشكل.

معلومات عامة

ليس بعيدًا عن سطح الأرض ، على مسافة ثلاثة من نصف قطرها تقريبًا ، يتم ترتيب خطوط القوة من المجال المغناطيسي في نظام من "شحنتين قطبيتين". هنا منطقة تسمى "كرة البلازما". مع المسافة من سطح الكوكب ، يزداد تأثير تدفق الجسيمات المتأينة من الإكليل الشمسي. هذا يؤدي إلى ضغط الغلاف المغناطيسي من جانب الشمس ، والعكس صحيح ، يتم سحب المجال المغناطيسي للأرض من الجانب الآخر ، الظل.

مجال البلازما

يتم إحداث تأثير ملموس على المجال المغناطيسي السطحي للأرض من خلال الحركة الموجهة للجسيمات المشحونة في الطبقات العلياالغلاف الجوي (الأيونوسفير). يقع موقع الأخير من مائة كيلومتر وما فوق من سطح الكوكب. المجال المغناطيسي للأرض يحمل الغلاف البلازمي. ومع ذلك ، فإن هيكلها يعتمد بشدة على نشاط الرياح الشمسية وتفاعلها مع الطبقة المحتجزة. والتردد العواصف المغناطيسيةعلى كوكبنا بسبب التوهجات الشمسية.

المصطلح

هناك مفهوم "المحور المغناطيسي للأرض". هذا خط مستقيم يمر عبر أقطاب الكوكب المقابلة. "خط الاستواء المغناطيسي" هو الدائرة الكبرى للمستوى المتعامد مع هذا المحور. المتجه الموجود عليه اتجاه قريب من الأفقي. يعتمد متوسط ​​قوة المجال المغناطيسي للأرض بشكل كبير على موقع جغرافي. إنه يساوي تقريبًا 0.5 Oe ، أي 40 أمبير / م. عند خط الاستواء المغناطيسي ، يكون نفس المؤشر 0.34 Oe تقريبًا ، وبالقرب من القطبين يكون قريبًا من 0.66 Oe. في بعض الحالات الشاذة للكوكب ، على سبيل المثال ، داخل شذوذ Kursk ، يزداد المؤشر ويصل إلى 2 Oe. المجال تسمى خطوط الغلاف المغناطيسي للأرض ذات البنية المعقدة ، المسقطة على سطحها وتتقارب عند أقطابها ، "خطوط الطول المغناطيسية".

طبيعة الحدوث. الافتراضات والتخمينات

منذ وقت ليس ببعيد ، اكتسب الافتراض حول العلاقة بين ظهور الغلاف المغناطيسي للأرض والتدفق الحالي في قلب فلز سائل ، يقع على مسافة ربع أو ثلث نصف قطر كوكبنا ، الحق في الوجود. العلماء لديهم افتراض حول ما يسمى ب "التيارات الصخرية" التي تتدفق بالقرب قشرة الأرض. يجب أن يقال أنه بمرور الوقت يحدث تحول في التكوين. تغير المجال المغناطيسي للأرض عدة مرات خلال المائة وثمانين عامًا الماضية. تم إصلاح هذا في القشرة المحيطية ، ويتضح ذلك من خلال دراسات المغنطة المتبقية. بمقارنة الأقسام على جانبي حواف المحيط ، يتم تحديد وقت تباعد هذه الأقسام.

انزياح القطب المغناطيسي للأرض

موقع هذه الأجزاء من الكوكب ليس ثابتًا. تم تسجيل حقيقة تهجيرهم منذ نهاية القرن التاسع عشر. في نصف الكرة الجنوبي ، انزياح القطب المغناطيسي بمقدار 900 كيلومتر خلال هذا الوقت وانتهى به المطاف في المحيط الهندي. عمليات مماثلة تجري في الجزء الشمالي. هنا يتحول القطب نحو الشذوذ المغناطيسي عند شرق سيبيريا. من عام 1973 إلى عام 1994 ، كانت المسافة التي قطعها القسم هنا 270 كم. تم تأكيد هذه البيانات المحسوبة مسبقًا لاحقًا بواسطة القياسات. وفقًا لأحدث البيانات ، زادت سرعة القطب المغناطيسي لنصف الكرة الشمالي بشكل كبير. نمت من 10 كم / سنة في سبعينيات القرن الماضي إلى 60 كم / سنة في بداية هذا القرن. في الوقت نفسه ، تتناقص قوة المجال المغناطيسي للأرض بشكل غير متساو. لذلك ، على مدار الـ 22 عامًا الماضية ، انخفض في بعض الأماكن بنسبة 1.7٪ ، وفي مكان ما بنسبة 10٪ ، على الرغم من وجود مناطق زاد فيها ، على العكس من ذلك. يعطي التسارع في إزاحة الأقطاب المغناطيسية (بحوالي 3 كيلومترات في السنة) سببًا لافتراض أن حركتهم الملاحظة اليوم ليست رحلة ، بل هو انعكاس آخر.

وهذا ما يؤكده بشكل غير مباشر الزيادة في ما يسمى بـ "الفجوات القطبية" في جنوب وشمال الغلاف المغناطيسي. تخترق المادة المتأينة من الإكليل الشمسي والفضاء بسرعة الامتدادات الناتجة. من هذا ، يتم جمع كل شيء في المناطق القطبية من الأرض. كمية كبيرةالطاقة ، والتي هي في حد ذاتها محفوفة بالتسخين الإضافي للقبعات الجليدية القطبية.

إحداثيات

في العلم الذي يدرس الأشعة الكونية، استخدم إحداثيات المجال المغنطيسي الأرضي ، الذي سمي على اسم العالم McIlvine. كان أول من اقترح استخدامها ، لأنها تستند إلى متغيرات معدلة لنشاط العناصر المشحونة في المجال المغناطيسي. يتم استخدام إحداثيات (L ، B) لنقطة. يميزان الغلاف المغناطيسي (معلمة McIlwain) وتحريض المجال L. الأخير عبارة عن معلمة تساوي نسبة متوسط ​​مسافة الكرة من مركز الكوكب إلى نصف قطرها.

"الميل المغناطيسي"

منذ عدة آلاف من السنين ، حقق الصينيون اكتشافًا مذهلاً. وجدوا أن الأشياء الممغنطة يمكن وضعها في اتجاه معين. وفي منتصف القرن السادس عشر ، اكتشف العالم الألماني جورج كارتمان اكتشافًا آخر في هذا المجال. هكذا ظهر مفهوم "الميل المغناطيسي". يعني هذا الاسم زاوية انحراف السهم لأعلى أو لأسفل عن المستوى الأفقي تحت تأثير الغلاف المغناطيسي للكوكب.

من تاريخ البحث

في منطقة خط الاستواء المغناطيسي الشمالي ، والتي تختلف عن المنطقة الجغرافية ، يتجه الطرف الشمالي إلى الأسفل ، وفي الجنوب ، على العكس من ذلك ، يرتفع. في عام 1600 ، وضع الطبيب الإنجليزي ويليام جيلبرت أول افتراضات حول وجود المجال المغناطيسي للأرض ، مما تسبب في سلوك معين للأجسام الممغنطة مسبقًا. وصف في كتابه تجربة كرة مزودة بسهم حديدي. نتيجة للبحث ، توصل إلى استنتاج مفاده أن الأرض عبارة عن مغناطيس كبير. تم إجراء التجارب أيضًا بواسطة عالم الفلك الإنجليزي هنري جيليبرانت. نتيجة لملاحظاته ، توصل إلى استنتاج مفاده أن المجال المغناطيسي للأرض يخضع لتغيرات بطيئة.

وصف خوسيه دي أكوستا إمكانية استخدام البوصلة. كما أسس الفرق بين القطب المغناطيسي والشمالي ، وفي بلده التاريخ الشهير(1590) أثبت نظرية الخطوط بدون انحراف مغناطيسي. قدم كريستوفر كولومبوس أيضًا مساهمة كبيرة في دراسة القضية قيد النظر. يمتلك اكتشاف عدم تناسق الانحراف المغناطيسي. يتم إجراء التحويلات بناءً على التغييرات في الإحداثيات الجغرافية. الانحراف المغناطيسي هو زاوية انحراف السهم عن اتجاه الشمال والجنوب. فيما يتعلق باكتشاف كولومبوس ، تكثف البحث. كانت المعلومات حول ماهية المجال المغناطيسي للأرض ضرورية للغاية للملاحين. عمل إم في لومونوسوف أيضًا على هذه المشكلة. لدراسة المغناطيسية الأرضية ، أوصى بإجراء عمليات رصد منهجية باستخدام نقاط دائمة (مثل المراصد) لهذا الغرض. كما كان من المهم جدًا ، وفقًا لما قاله لومونوسوف ، تنفيذ ذلك في البحر. تحققت فكرة العالم العظيم هذه في روسيا بعد ستين عامًا. يعود اكتشاف القطب المغناطيسي في الأرخبيل الكندي إلى المستكشف القطبي الإنجليزي جون روس (1831). وفي عام 1841 ، اكتشف أيضًا القطب الآخر للكوكب ، ولكنه موجود بالفعل في القارة القطبية الجنوبية. طرح الفرضية حول أصل المجال المغناطيسي للأرض من قبل كارل جاوس. سرعان ما أثبت ذلك معظميتم تغذيتها من مصدر داخل الكوكب ، ولكن سبب انحرافاتها الطفيفة في البيئة الخارجية.

في عام 1905 ، حدد أينشتاين سبب المغناطيسية الأرضية كواحد من الألغاز الخمسة الرئيسية للفيزياء المعاصرة.

في عام 1905 أيضًا ، قام عالم الجيوفيزياء الفرنسي برنارد برونز بقياس المغناطيسية في رواسب الحمم البليستوسينية في القسم الجنوبي من كانتال. كان متجه مغنطة هذه الصخور 180 درجة تقريبًا مع ناقل المجال المغناطيسي الكوكبي (حصل مواطنه P. David على نتائج مماثلة حتى قبل عام واحد). استنتج برونز أنه قبل ثلاثة أرباع مليون سنة ، أثناء تدفق الحمم البركانية ، كان اتجاه خطوط المجال المغنطيسي الأرضي عكس الاتجاه الحديث. لذلك تم اكتشاف تأثير انعكاس (عكس القطبية) للمجال المغناطيسي للأرض. في النصف الثاني من عشرينيات القرن الماضي ، تم تأكيد استنتاجات برونز من قبل P. L. Mercanton و Monotori Matuyama ، ولكن تم التعرف على هذه الأفكار فقط بحلول منتصف القرن.

نحن نعلم الآن أن المجال المغنطيسي الأرضي موجود منذ 3.5 مليار سنة على الأقل ، وخلال هذا الوقت تبادلت الأقطاب المغناطيسية الأماكن آلاف المرات (درس برونز وماتوياما الانعكاس الأخير ، والذي يحمل اسميهما الآن). أحيانًا يحتفظ المجال المغنطيسي الأرضي بتوجهه لعشرات الملايين من السنين ، وأحيانًا لما لا يزيد عن خمسمائة قرن. عادة ما تستغرق عملية الانعكاس نفسها عدة آلاف من السنين ، وبعد اكتمالها ، لا تعود شدة المجال ، كقاعدة عامة ، إلى قيمتها السابقة ، ولكنها تتغير بنسبة عدة في المائة.

آلية الانعكاس المغنطيسي الأرضي ليست واضحة تمامًا حتى اليوم ، وحتى قبل مائة عام لم تسمح بتفسير معقول على الإطلاق. لذلك ، فإن اكتشافات برونز وديفيد عززت فقط تقييم أينشتاين - في الواقع ، كانت المغناطيسية الأرضية غامضة للغاية وغير مفهومة. ولكن بحلول ذلك الوقت كانت قد تمت دراستها لأكثر من ثلاثمائة عام ، وفي القرن التاسع عشر كان نجوم العلوم الأوروبية مثل مسافر رائعألكسندر فون همبولت وعالم الرياضيات اللامع كارل فريدريش جاوس والفيزيائي التجريبي اللامع فيلهلم ويبر. لذا نظر أينشتاين حقًا إلى الجذر.

كم عدد الأقطاب المغناطيسية التي تعتقد أن كوكبنا بها؟ سيقول الجميع تقريبًا أن اثنين في القطب الشمالي والقطب الجنوبي. في الواقع ، تعتمد الإجابة على تعريف مفهوم القطب. تعتبر الأقطاب الجغرافية بمثابة نقاط تقاطع محور الأرض مع سطح الكوكب. نظرًا لأن الأرض تدور كجسم صلب ، فلا يوجد سوى نقطتين من هذا القبيل ولا يمكن اختراع أي شيء آخر. ولكن مع وجود أقطاب مغناطيسية ، فإن الوضع أكثر تعقيدًا. على سبيل المثال ، يمكن اعتبار القطب منطقة صغيرة (من الناحية المثالية مرة أخرى نقطة) حيث تكون خطوط القوة المغناطيسية عمودية على سطح الأرض. ومع ذلك ، فإن أي مقياس مغناطيسي لا يسجل المجال المغناطيسي الكوكبي فحسب ، بل يسجل أيضًا مجالات الصخور المحلية ، والتيارات الكهربائية للأيونوسفير ، وجزيئات الرياح الشمسية ، وغيرها من المصادر الإضافية للمغناطيسية (ومتوسط ​​نصيبها ليس صغيراً للغاية ، بترتيب نسبة قليلة). كلما كان الجهاز أكثر دقة ، كان يفعل ذلك بشكل أفضل - وبالتالي يصبح من الصعب أكثر فأكثر عزل المجال المغنطيسي الأرضي الحقيقي (ويسمى المجال الرئيسي) ، والذي يقع مصدره في أعماق الأرض. لذلك ، فإن إحداثيات القطب المحددة بالقياس المباشر ليست مستقرة حتى لفترة قصيرة من الزمن.

يمكنك التصرف بشكل مختلف وتحديد موضع القطب على أساس نماذج معينة من المغناطيسية الأرضية. في التقريب الأول ، يمكن اعتبار كوكبنا ثنائي القطب المغناطيسي المتمركز حول الأرض ، والذي يمر محوره عبر مركزه. في الوقت الحاضر ، تبلغ الزاوية بينه وبين محور الأرض 10 درجات (قبل بضعة عقود كانت أكثر من 11 درجة). باستخدام نمذجة أكثر دقة ، اتضح أن المحور ثنائي القطب قد تم إزاحته بالنسبة إلى مركز الأرض في اتجاه الجزء الشمالي الغربي المحيط الهاديعند حوالي 540 كم (هذا ثنائي القطب غريب الأطوار). هناك تعريفات أخرى كذلك.

ولكن هذا ليس كل شيء. لا يحتوي المجال المغناطيسي الأرضي في الحقيقة على تناظر ثنائي القطب وبالتالي فهو له أقطاب متعددة وبأعداد ضخمة. إذا اعتبرنا الأرض رباعي القطب المغناطيسي ، رباعي القطب ، فسنضطر إلى إدخال قطبين آخرين - في ماليزيا والجزء الجنوبي المحيط الأطلسي. يحدد نموذج الأوكتوبول الأقطاب الثمانية وما إلى ذلك. تعمل أكثر النماذج الحديثة تقدمًا للمغناطيسية الأرضية بما يصل إلى 168 عمودًا. وتجدر الإشارة إلى أن المكون ثنائي القطب فقط للمجال المغنطيسي الأرضي يختفي مؤقتًا أثناء الانقلاب ، بينما يتغير الآخرون بشكل أضعف بكثير.

الأقطاب معكوسة

يعرف الكثير من الناس أن الأسماء المقبولة عمومًا للأعمدة هي عكس ذلك تمامًا. يوجد قطب في القطب الشمالي ، يشير إليه الطرف الشمالي للإبرة المغناطيسية ، وبالتالي ، يجب اعتباره جنوبيًا (الأقطاب التي تحمل الاسم نفسه تتنافر ، والأقطاب المقابلة تجتذب!). وبالمثل ، يرتكز القطب المغناطيسي الشمالي على خطوط العرض العالية في نصف الكرة الجنوبي. ومع ذلك ، تقليديًا نسمي القطبين وفقًا للجغرافيا. لطالما اتفق الفيزيائيون على أن خطوط القوة تخرج من القطب الشمالي لأي مغناطيس وتدخل الجنوب. ويترتب على ذلك أن خطوط المغناطيسية الأرضية تترك القطب المغنطيسي الأرضي الجنوبي وتوجه إلى الشمال. هذا هو العرف ، ولا يستحق كسره (حان الوقت لتذكر التجربة المحزنة لبانيكوفسكي!).

القطب المغناطيسي ، بغض النظر عن كيفية تعريفه ، لا يقف ساكناً. القطب الشمالي للقطب ثنائي القطب في عام 2000 كان له إحداثيات 79.5 N و 71.6 W ، وفي 2010 - 80.0 N و 72.0 W. حتى 85.2 شمالًا و 127.1 واتًا ، طوال القرن العشرين تقريبًا ، لم يتجاوز 10 كيلومترات في السنة ، ولكن بعد عام 1980 بدأ فجأة في التحرك بشكل أسرع. في أوائل التسعينيات ، تجاوزت سرعتها 15 كم في السنة وتستمر في النمو.

كما قال لموقع Popular Mechanics الزعيم السابقالمختبر الجيومغناطيسي للمسح الجيولوجي الكندي لورانس نيويت ، الآن القطب الحقيقي يهاجر إلى الشمال الغربي ، ويتحرك 50 كم سنويًا. إذا لم يتغير ناقل حركتها لعدة عقود ، فبحلول منتصف القرن الحادي والعشرين سيكون في سيبيريا. وفقا لإعادة الإعمار التي نفذت قبل بضع سنوات من قبل نفس نيويت ، في السابع عشر و القرن الثامن عشرتحول القطب المغناطيسي الشمالي بشكل أساسي إلى الجنوب الشرقي وفقط حوالي عام 1860 تحول إلى الشمال الغربي. كان القطب المغناطيسي الجنوبي الحقيقي يتحرك في نفس الاتجاه على مدار الـ 300 عام الماضية ، ولا يتجاوز متوسط ​​إزاحته السنوية 10-15 كم.

من أين يأتي المجال المغناطيسي للأرض؟ أحد التفسيرات المحتملة هو ببساطة ملفت للنظر. تحتوي الأرض على لب داخلي صلب من الحديد والنيكل ، يبلغ نصف قطره 1220 كم. بما أن هذه المعادن مغنطيسية حديدية ، فلماذا لا نفترض أن اللب الداخلي لديه مغنطة ثابتة ، مما يضمن وجود المجال المغنطيسي الأرضي؟ يمكن أن يعزى تعدد الأقطاب للمغناطيسية الأرضية إلى عدم تناسق توزيع المجالات المغناطيسية داخل القلب. يصعب تفسير هجرة القطبين وانعكاس المجال المغنطيسي الأرضي ، ولكن ربما يمكن للمرء أن يحاول ذلك.

ومع ذلك ، لا شيء يأتي منه. تظل جميع المغناطيسات المغناطيسية عبارة عن مغناطيسات حديدية (أي أنها تحتفظ بالمغنطة التلقائية) فقط تحت درجة حرارة معينة - نقطة كوري. بالنسبة للحديد ، تبلغ درجة حرارته 768 درجة مئوية (أقل من ذلك بكثير بالنسبة للنيكل) ، ودرجة حرارة باطن الأرض أعلى بكثير من 5000 درجة. لذلك ، علينا التخلي عن فرضية المغناطيسية الأرضية الثابتة. ومع ذلك ، من الممكن أن توجد في الفضاء كواكب مبردة ذات قلب مغناطيسي مغناطيسي.

لنفكر في احتمال آخر. يحتوي كوكبنا أيضًا على لب خارجي سائل تبلغ سماكته حوالي 2300 كيلومتر. يتكون من ذوبان الحديد والنيكل مع خليط من العناصر الأخف (الكبريت والكربون والأكسجين وربما البوتاسيوم المشع - لا أحد يعرف على وجه اليقين). تتطابق درجة حرارة الجزء السفلي من اللب الخارجي تقريبًا مع درجة حرارة اللب الداخلي ، وفي المنطقة العليا عند الحدود مع الوشاح تنخفض درجة الحرارة إلى 4400 درجة مئوية. لذلك ، من الطبيعي أن نفترض أنه بسبب دوران الأرض ، تتشكل التيارات الدائرية هناك ، والتي قد تكون سبب ظهور المغناطيسية الأرضية.

دينامو الحمل

"من أجل تفسير ظهور مجال متعدد الأشكال ، من الضروري مراعاة التدفقات الرأسية للمادة في النواة. تتشكل بسبب الحمل الحراري: يخرج ذوبان الحديد والنيكل الساخن من الجزء السفلي من اللب باتجاه الوشاح. هذه النفاثات ملتوية بواسطة قوة كوريوليس مثل تيارات الهواءالأعاصير. تدور التحديثات في اتجاه عقارب الساعة في نصف الكرة الشمالي وعكس اتجاه عقارب الساعة في نصف الكرة الجنوبي ، كما يوضح الأستاذ في جامعة كاليفورنيا جاري جلاتزماير. - عند الاقتراب من الوشاح ، تبرد مادة اللب وتبدأ حركة عكسية في العمق. تلغي المجالات المغناطيسية للوحدات الصاعدة والتحديثات السفلية بعضها البعض ، وبالتالي لا يتم إنشاء المجال عموديًا. ولكن في الجزء العلوي من نفاث الحمل الحراري ، حيث تشكل حلقة وتتحرك أفقيًا لفترة قصيرة ، يكون الوضع مختلفًا. في نصف الكرة الشمالي ، تدور خطوط الحقل التي تواجه الغرب قبل صعود الحمل الحراري 90 درجة في اتجاه عقارب الساعة وتتجه نحو الشمال. في نصف الكرة الجنوبي ، يستديرون عكس اتجاه عقارب الساعة من الشرق ويتجهون أيضًا شمالًا. نتيجة لذلك ، يتم إنشاء مجال مغناطيسي في كلا نصفي الكرة الأرضية ، مشيرًا من الجنوب إلى الشمال. على الرغم من أن هذا ليس بأي حال من الأحوال التفسير الوحيد الممكن لحدوث المجال متعدد الأشكال ، إلا أنه يعتبر الأكثر احتمالًا.

كان هذا هو المخطط الذي ناقشه الجيوفيزيائيون منذ حوالي 80 عامًا. لقد اعتقدوا أن تدفقات مائع التوصيل من اللب الخارجي ، بسبب الطاقة الحركيةانشاء التيارات الكهربائيةتمتد على محور الأرض. تولد هذه التيارات مجالًا مغناطيسيًا في الغالب من النوع ثنائي القطب ، حيث تمتد خطوط القوة على سطح الأرض على طول خطوط الطول (يسمى هذا المجال poloidal). ترتبط هذه الآلية بتشغيل الدينامو ، ومن هنا جاء اسمه.

المخطط الموصوف جميل وتوضيحي ، لكنه للأسف خاطئ. يعتمد على افتراض أن حركة المادة في اللب الخارجي متناظرة حول محور الأرض. ومع ذلك ، في عام 1933 ، أثبت عالم الرياضيات الإنجليزي توماس كولينج نظرية لا يمكن وفقًا لها أن تضمن أي تدفقات متناظرة المحور وجود مجال مغناطيسي أرضي طويل المدى. حتى لو ظهر ، فسيكون عمره قصيرًا ، بعشرات الآلاف من المرات أقل من عمر كوكبنا. نحن بحاجة إلى نموذج أكثر تعقيدًا.

يقول ديفيد ستيفنسون ، أحد الخبراء البارزين في مغناطيسية الكواكب ، أستاذ في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا: "لا نعرف بالضبط متى نشأت المغناطيسية الأرضية ، لكن كان من الممكن أن يحدث بعد فترة وجيزة من تكوين الوشاح واللب الخارجي". - لتشغيل الجيودينامو ، يلزم وجود حقل بذور خارجي ، وليس بالضرورة حقلًا قويًا. هذا الدور ، على سبيل المثال ، يمكن أن يفترضه المجال المغناطيسي للشمس أو مجالات التيارات المتولدة في اللب بسبب التأثير الكهروحراري. في النهاية ، هذا ليس مهمًا للغاية ، كانت هناك مصادر كافية للمغناطيسية. في وجود مثل هذا المجال والحركة الدائرية لتدفق السائل الموصل ، أصبح إطلاق دينامو داخل الكواكب أمرًا لا مفر منه.

الحماية المغناطيسية

تتم مراقبة المغناطيسية الأرضية باستخدام شبكة واسعة من المراصد المغناطيسية الأرضية ، والتي بدأ إنشاؤها في ثلاثينيات القرن التاسع عشر.

للأغراض نفسها ، يتم استخدام أدوات السفن والطيران والفضاء (على سبيل المثال ، مقياس المغناطيسية القياسي والمتجه لساتل أورستد الدنماركي ، الذي يعمل منذ عام 1999).

تتراوح شدة المجال المغنطيسي الأرضي من حوالي 20000 نانوتيسلا بالقرب من ساحل البرازيل إلى 65000 نانوتيسلا بالقرب من القطب المغناطيسي الجنوبي. منذ عام 1800 ، انخفض مكونه ثنائي القطب بنسبة 13 ٪ تقريبًا (وبنسبة 20 ٪ منذ منتصف القرن السادس عشر) ، بينما زاد مكونه الرباعي بشكل طفيف. تظهر الدراسات المغنطيسية القديمة أنه لعدة آلاف من السنين قبل بداية عصرنا ، ارتفعت شدة المجال المغنطيسي الأرضي بعناد ، ثم بدأت في الانخفاض. ومع ذلك ، فإن العزم الكوكبي ثنائي القطب الحالي أعلى بكثير من متوسط ​​قيمته على مدى المائة وخمسين مليون سنة الماضية (في عام 2010 ، نُشرت قياسات مغنطيسية قديمة تشير إلى أنه منذ 3.5 مليار سنة ، كان المجال المغناطيسي للأرض ضعفي ضعف المجال الحالي) . هذا يعني أن القصة كاملة المجتمعات البشريةمن ظهور الحالات الأولى إلى عصرنا سقط على الحد الأقصى المحلي للمجال المغناطيسي للأرض. من المثير للاهتمام التفكير فيما إذا كان هذا قد أثر على تقدم الحضارة. لم يعد مثل هذا الافتراض رائعًا ، نظرًا لأن المجال المغناطيسي يحمي المحيط الحيوي من الإشعاع الكوني.

وهنا ظرف آخر جدير بالملاحظة. في فترة الشباب وحتى المراهقة على كوكبنا ، كانت كل جوهر جوهره في المرحلة السائلة. تشكل اللب الداخلي الصلب مؤخرًا نسبيًا ، ربما قبل أقل من مليار سنة. عندما حدث هذا ، أصبحت التيارات الحرارية أكثر تنظيمًا ، مما أدى إلى تشغيل أكثر استقرارًا للجيودينامو. وبسبب هذا ، اكتسب المجال المغنطيسي الأرضي من حيث الحجم والاستقرار. يمكن الافتراض أن هذا الظرف أثر بشكل إيجابي على تطور الكائنات الحية. على وجه الخصوص ، أدت الزيادة في المغناطيسية الأرضية إلى تحسين حماية المحيط الحيوي من الإشعاع الكوني وبالتالي سهلت ظهور الحياة من المحيط إلى اليابسة.

هذا هو التفسير المقبول عمومًا لمثل هذا الإطلاق. دعنا ، من أجل التبسيط ، يكون حقل البذور موازيًا لمحور دوران الأرض (في الواقع ، يكفي إذا كان يحتوي على مكون غير صفري في هذا الاتجاه ، وهو أمر لا مفر منه تقريبًا). تتناقص سرعة دوران مادة اللب الخارجي مع انخفاض العمق ، وبسبب الموصلية الكهربائية العالية ، تتحرك خطوط المجال المغناطيسي معها - كما يقول الفيزيائيون ، الحقل "متجمد" في الوسط. لذلك ، سوف تنحني خطوط القوة في حقل البذرة ، وتتقدم للأمام على أعماق أكبر وتتأخر في العمق الضحل. في النهاية سوف تتمدد وتتشوه لدرجة أنها ستؤدي إلى مجال حلقي ، حلقات مغناطيسية دائرية تلتف حول محور الأرض وتشير في اتجاهين متعاكسين في نصفي الكرة الشمالي والجنوبي. هذه الآلية تسمى تأثير w.

وفقًا للبروفيسور ستيفنسون ، من المهم جدًا أن نفهم أن المجال الحلقي لللب الخارجي نشأ بسبب حقل البذور poloidal ، مما أدى بدوره إلى ظهور حقل poloidal جديد لوحظ على سطح الأرض: "كلا النوعين من الجيودينامو الكوكبي الحقول مترابطة ولا يمكن أن توجد بدون بعضها البعض ".

منذ 15 عامًا ، نشر غاري جلاتزمير ، جنبًا إلى جنب مع بول روبرتس ، كتابًا جميلًا جدًا طراز الكمبيوترالمجال المغنطيسي الأرضي: "من حيث المبدأ ، لشرح المغناطيسية الأرضية ، لطالما كان هناك جهاز رياضي مناسب - معادلات الديناميكا المائية المغنطيسية بالإضافة إلى المعادلات التي تصف قوة الجاذبية و تدفقات الحرارةداخل قلب الأرض. النماذج المبنية على هذه المعادلات معقدة للغاية في شكلها الأصلي ، ولكن يمكن تبسيطها وتكييفها مع حسابات الكمبيوتر. هذا هو بالضبط ما فعلته أنا وروبرتس. أتاح تشغيل الكمبيوتر العملاق إنشاء وصف متسق ذاتيًا للتطور طويل المدى للسرعة ودرجة الحرارة والضغط للمادة التي تتدفق في اللب الخارجي وتطور المجالات المغناطيسية المرتبطة بها. اكتشفنا أيضًا أنه إذا لعبت المحاكاة على فترات زمنية تصل إلى عشرات ومئات الآلاف من السنين ، فإن انعكاسات المجال المغنطيسي الأرضي ستحدث حتمًا. في هذا الصدد ، يقوم نموذجنا بعمل جيد جدًا في نقل التاريخ المغناطيسي للكوكب. ومع ذلك ، هناك مشكلة لم يتم حلها بعد. لا تزال معلمات مادة اللب الخارجي ، المضمنة في مثل هذه النماذج ، بعيدة جدًا عن الظروف الحقيقية. على سبيل المثال ، كان علينا أن نقبل أن لزوجته عالية جدًا ، وإلا فلن تكون موارد أقوى أجهزة الكمبيوتر العملاقة كافية. في الواقع ، هذا ليس كذلك ، هناك كل الأسباب للاعتقاد بأنه يتطابق تقريبًا مع لزوجة الماء. إن نماذجنا الحالية عاجزة عن مراعاة الاضطرابات التي تحدث بلا شك. لكن أجهزة الكمبيوتر تكتسب زخماً كل عام ، وفي غضون عشر سنوات ستكون هناك محاكاة أكثر واقعية.

ويضيف البروفيسور ستيفنسون: "يرتبط عمل الجيودينامو حتماً بالتغيرات الفوضوية في تدفقات مصهور الحديد والنيكل ، والتي تتحول إلى تقلبات في المجالات المغناطيسية". - انعكاسات المغناطيسية الأرضية هي ببساطة أقوى التقلبات الممكنة. نظرًا لأنها عشوائية بطبيعتها ، يصعب التنبؤ بها مسبقًا - على أي حال ، لا يمكننا ذلك ".