Scutul Pământului: Unde are planeta noastră un câmp magnetic?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-16 16:15

Câmpul magnetic protejează suprafața Pământului de vântul solar și de radiațiile cosmice dăunătoare. Funcționează ca un fel de scut - fără existența lui, atmosfera ar fi distrusă. Vă vom spune cum s-a format și s-a schimbat câmpul magnetic al Pământului.

Structura și caracteristicile câmpului magnetic al Pământului

Câmpul magnetic al Pământului, sau câmpul geomagnetic, este un câmp magnetic generat de surse intraterestre. Subiectul studiului geomagnetismului. A apărut acum 4, 2 miliarde de ani.

Câmpul magnetic propriu al Pământului (câmpul geomagnetic) poate fi împărțit în următoarele părți principale:

• domeniul principal,
• domenii ale anomaliilor lumii,
• câmp magnetic extern.

Câmpul principal

Mai mult de 90% din el constă dintr-un câmp, a cărui sursă se află în interiorul Pământului, în miezul exterior lichid - această parte este numită câmp principal, principal sau normal.

Este aproximat sub forma unei serii în armonice - o serie gaussiană, iar într-o primă aproximare în apropierea suprafeței Pământului (până la trei din razele sale) este aproape de câmpul dipol magnetic, adică arată ca pământul este un magnet cu bandă cu o axă îndreptată aproximativ de la nord la sud.

Câmpurile anomaliilor lumii

Liniile reale de forță ale câmpului magnetic al Pământului, deși în medie apropiate de liniile de forță ale dipolului, diferă de acestea prin neregularități locale asociate cu prezența rocilor magnetizate în crusta situată aproape de suprafață.

Din această cauză, în unele locuri de pe suprafața pământului, parametrii câmpului sunt foarte diferiți de valorile din zonele apropiate, formând așa-numitele anomalii magnetice. Ele se pot suprapune unul pe altul dacă corpurile magnetizate care le provoacă se află la adâncimi diferite.

Câmp magnetic extern

Este determinat de surse sub forma unor sisteme de curent situate in afara suprafetei terestre, in atmosfera acestuia. În partea superioară a atmosferei (100 km și mai sus) - ionosferă - moleculele sale ionizează, formând o plasmă densă rece care se ridică mai sus, prin urmare, o parte a magnetosferei Pământului deasupra ionosferei, extinzându-se pe o distanță de până la trei. a razelor sale, se numește plasmasferă.

Plasma este deținută de câmpul magnetic al Pământului, dar starea sa este determinată de interacțiunea sa cu vântul solar - fluxul de plasmă al coroanei solare.

Astfel, la o distanță mai mare de suprafața Pământului, câmpul magnetic este asimetric, întrucât este distorsionat sub acțiunea vântului solar: de la Soare se contractă, iar în direcția de la Soare capătă o „dâră” care se extinde. pentru sute de mii de kilometri, trecând dincolo de orbita Lunii.

Această formă ciudată „coada” apare atunci când plasma vântului solar și a fluxurilor corpusculare solare pare să curgă în jurul magnetosferei pământului - regiunea spațiului apropiat de Pământ, încă controlată de câmpul magnetic al Pământului, și nu de Soare și alte surse interplanetare.

Este separat de spațiul interplanetar printr-o magnetopauză, unde presiunea dinamică a vântului solar este echilibrată de presiunea propriului câmp magnetic.

Parametrii câmpului

O reprezentare vizuală a poziției liniilor de inducție magnetică a câmpului Pământului este oferită de un ac magnetic, fixat în așa fel încât să se poată roti liber atât în jurul axei verticale, cât și în jurul axei orizontale (de exemplu, într-un cardan)., - în fiecare punct din apropierea suprafeței Pământului, se instalează într-un anumit mod de-a lungul acestor linii.

Deoarece polii magnetici și geografici nu coincid, acul magnetic arată doar o direcție aproximativă nord-sud.

Planul vertical în care este instalat acul magnetic se numește planul meridianului magnetic al locului dat, iar linia de-a lungul căreia acest plan se intersectează cu suprafața Pământului se numește meridian magnetic.

Astfel, meridianele magnetice sunt proiecțiile liniilor de forță ale câmpului magnetic al Pământului pe suprafața sa, convergând la polii magnetici nord și sud. Unghiul dintre direcțiile meridianelor magnetice și geografice se numește declinație magnetică.

Poate fi vestic (deseori indicat printr-un semn „-”) sau estic (un semn „+”), în funcție de faptul că polul nord al acului magnetic se abate de la planul vertical al meridianului geografic spre vest sau est.

În plus, liniile câmpului magnetic al Pământului, în general, nu sunt paralele cu suprafața sa. Aceasta înseamnă că inducția magnetică a câmpului Pământului nu se află în planul orizontului unui loc dat, ci formează un anumit unghi cu acest plan - se numește înclinare magnetică. Este aproape de zero doar în punctele ecuatorului magnetic - circumferința unui cerc mare într-un plan care este perpendicular pe axa magnetică.

Rezultatele modelării numerice a câmpului magnetic al Pământului: la stânga - normal, la dreapta - în timpul inversării

Natura câmpului magnetic al pământului

Pentru prima dată, J. Larmor a încercat să explice existența câmpurilor magnetice ale Pământului și Soarelui în 1919, propunând conceptul de dinam, conform căruia menținerea câmpului magnetic al unui corp ceresc are loc sub acțiune. a mișcării hidrodinamice a unui mediu conductiv electric.

Totuși, în 1934, T. Cowling a demonstrat teorema privind imposibilitatea menținerii unui câmp magnetic axisimetric prin intermediul unui mecanism dinam hidrodinamic.

Și întrucât majoritatea corpurilor cerești studiate (și cu atât mai mult Pământul) au fost considerate simetrice axial, pe baza acestui fapt a fost posibil să se facă o presupunere că câmpul lor ar fi și simetric axial, iar apoi generarea lui conform acestui principiu. ar fi imposibil conform acestei teoreme.

Chiar și Albert Einstein a fost sceptic cu privire la fezabilitatea unui astfel de dinam având în vedere imposibilitatea existenței unor soluții simple (simetrice). Abia mult mai târziu s-a demonstrat că nu toate ecuațiile cu simetrie axială care descriu procesul de generare a câmpului magnetic vor avea o soluție simetrică axial, chiar și în anii 1950. s-au găsit soluţii asimetrice.

De atunci, teoria dinamului s-a dezvoltat cu succes, iar astăzi cea mai probabilă explicație general acceptată pentru originea câmpului magnetic al Pământului și al altor planete este un mecanism dinam autoexcitat bazat pe generarea unui curent electric într-un conductor. când se mișcă într-un câmp magnetic generat și amplificat de acești curenți înșiși.

În miezul Pământului se creează condițiile necesare: în miezul exterior lichid, constând în principal din fier la o temperatură de aproximativ 4-6 mii Kelvin, care conduce perfect curentul, se creează fluxuri convective care elimină căldura din miezul interior solid. (generat din cauza dezintegrarii elementelor radioactive sau a eliberării de căldură latentă în timpul solidificării materiei la limita dintre nucleele interior și exterior pe măsură ce planeta se răcește treptat).

Forțele Coriolis răsucesc acești curenți în spirale caracteristice care formează așa-numiții stâlpi Taylor. Datorită frecării straturilor, acestea capătă o sarcină electrică, formând curenți de buclă. Astfel, se creează un sistem de curenți care circulă de-a lungul unui circuit conductor în conductori care se deplasează într-un câmp magnetic (inițial prezent, deși foarte slab), ca într-un disc Faraday.

Se creează un câmp magnetic, care, cu o geometrie favorabilă a fluxurilor, intensifică câmpul inițial, iar acesta, la rândul său, sporește curentul, iar procesul de amplificare continuă până când pierderile la căldură Joule, crescând odată cu creșterea curentului, echilibrează afluxurile de energie datorate miscarilor hidrodinamice.

S-a sugerat că dinamul poate fi excitat din cauza forțelor de precesiune sau maree, adică că sursa de energie este rotația Pământului, cu toate acestea, cea mai răspândită și dezvoltată ipoteză este că aceasta este tocmai convecția termochimică.

Modificări ale câmpului magnetic al Pământului

Inversarea câmpului magnetic este o schimbare a direcției câmpului magnetic al Pământului în istoria geologică a planetei (determinată prin metoda paleomagnetică).

Într-o inversare, nordul magnetic și sudul magnetic sunt inversate, iar acul busolei începe să îndrepte în direcția opusă. Inversiunea este un fenomen relativ rar care nu a avut loc niciodată în timpul existenței Homo sapiens. Probabil, ultima dată s-a întâmplat acum aproximativ 780 de mii de ani.

Inversările câmpului magnetic au avut loc la intervale de timp de la zeci de mii de ani până la intervale uriașe ale unui câmp magnetic liniștit de zeci de milioane de ani, când inversările nu au avut loc.

Astfel, nu a fost găsită nicio periodicitate în inversarea polilor, iar acest proces este considerat stocastic. Perioadele lungi de câmp magnetic liniștit pot fi urmate de perioade de inversări multiple cu durate diferite și invers. Studiile arată că o schimbare a polilor magnetici poate dura de la câteva sute la câteva sute de mii de ani.

Experții de la Universitatea Johns Hopkins (SUA) sugerează că în timpul inversărilor, magnetosfera Pământului s-a slăbit atât de mult încât radiația cosmică ar putea ajunge la suprafața Pământului, astfel încât acest fenomen ar putea dăuna organismelor vii de pe planetă, iar următoarea schimbare a polilor ar putea duce la și mai mult. consecințe grave pentru umanitate până la o catastrofă globală.

Lucrările științifice din ultimii ani au arătat (inclusiv în experiment) posibilitatea unor modificări aleatorii ale direcției câmpului magnetic („sărituri”) într-un dinam turbulent staționar. Potrivit șefului laboratorului de geomagnetism de la Institutul de Fizică a Pământului, Vladimir Pavlov, inversarea este un proces destul de lung după standardele umane.

Geofizicienii de la Universitatea din Leeds Yon Mound și Phil Livermore cred că în câteva mii de ani va avea loc o inversare a câmpului magnetic al Pământului.

Deplasarea polilor magnetici ai Pământului

Pentru prima dată, coordonatele polului magnetic din emisfera nordică au fost determinate în 1831, din nou - în 1904, apoi în 1948 și 1962, 1973, 1984, 1994; în emisfera sudică - în 1841, din nou - în 1908. Deplasarea polilor magnetici este înregistrată din 1885. În ultimii 100 de ani, polul magnetic din emisfera sudică s-a deplasat cu aproape 900 km și a intrat în Oceanul Sudic.

Cele mai recente date despre starea polului magnetic arctic (îndreptându-se spre anomalia magnetică a lumii din Siberia de Est peste Oceanul Arctic) au arătat că din 1973 până în 1984 kilometrajul său a fost de 120 km, din 1984 până în 1994 - mai mult de 150 km. Deși aceste cifre sunt calculate, ele sunt confirmate de măsurători ale polului nord magnetic.

După 1831, când poziția stâlpului a fost fixată pentru prima dată, până în 2019 stâlpul se deplasase deja cu peste 2.300 km spre Siberia și continuă să se deplaseze cu accelerație.

Viteza sa de deplasare a crescut de la 15 km pe an în 2000 la 55 km pe an în 2019. Această deriva rapidă necesită ajustări mai frecvente la sistemele de navigație care utilizează câmpul magnetic al Pământului, cum ar fi busolele în smartphone-uri sau sistemele de navigație de rezervă pentru nave și aeronave.

Puterea câmpului magnetic al pământului scade și inegal. În ultimii 22 de ani, aceasta a scăzut în medie cu 1,7%, iar în unele regiuni, precum Oceanul Atlantic de Sud, cu 10%. În unele locuri, puterea câmpului magnetic, contrar tendinței generale, chiar a crescut.

Accelerarea mișcării polilor (cu o medie de 3 km/an) și mișcarea acestora de-a lungul coridoarelor de inversări ale polilor magnetici (aceste coridoare au făcut posibilă dezvăluirea a peste 400 de paleoinversări) sugerează că în această mișcare a polilor se ar trebui să vedem nu o excursie, ci o altă inversare a câmpului magnetic al Pământului.

Cum a apărut câmpul magnetic al pământului?

Experții de la Institutul Scripps de Oceanografie și de la Universitatea din California au sugerat că câmpul magnetic al planetei a fost format de manta. Oamenii de știință americani au dezvoltat o ipoteză propusă în urmă cu 13 ani de un grup de cercetători din Franța.

Se știe că pentru o lungă perioadă de timp, profesioniștii au susținut că nucleul exterior al Pământului a generat câmpul magnetic al acestuia. Dar apoi experții din Franța au sugerat că mantaua planetei a fost întotdeauna solidă (din momentul nașterii sale).

Această concluzie i-a făcut pe oamenii de știință să creadă că nu miezul ar putea forma câmpul magnetic, ci partea lichidă a mantalei inferioare. Compoziția mantalei este un material silicat care este considerat un conductor slab.

Dar, din moment ce mantaua inferioară a trebuit să rămână lichidă miliarde de ani, mișcarea lichidului în interiorul ei nu a produs un curent electric și, de fapt, era pur și simplu necesar să se genereze un câmp magnetic.

Profesioniștii de astăzi cred că mantaua ar fi putut fi o conductă mai puternică decât se credea anterior. Această concluzie a specialiștilor justifică pe deplin starea Pământului timpuriu. Un dinam de silicat este posibil numai dacă conductivitatea electrică a părții sale lichide era mult mai mare și avea presiune și temperatură scăzute.