Earth Shield: Hvor har planeten vår et magnetfelt?

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sist endret: 2023-12-16 16:13

Magnetfeltet beskytter jordoverflaten mot solvind og skadelig kosmisk stråling. Det fungerer som et slags skjold – uten dets eksistens ville atmosfæren blitt ødelagt. Vi vil fortelle deg hvordan jordens magnetfelt ble dannet og endret.

Strukturen og egenskapene til jordens magnetfelt

Jordens magnetfelt, eller geomagnetisk felt, er et magnetfelt som genereres av intra-terrestriske kilder. Emnet for studiet av geomagnetisme. Dukket opp for 4, 2 milliarder år siden.

Jordens eget magnetfelt (geomagnetisk felt) kan deles inn i følgende hoveddeler:

• hovedfelt,
• felt av verdens anomalier,
• eksternt magnetfelt.

Hovedfelt

Mer enn 90% av det består av et felt, hvis kilde er inne i jorden, i den flytende ytre kjernen - denne delen kalles hoved-, hoved- eller normalfeltet.

Det er tilnærmet i form av en serie i harmoniske - en gaussisk serie, og i en første tilnærming nær jordoverflaten (opptil tre av dens radier) er den nær det magnetiske dipolfeltet, det vil si at det ser ut som jorden er en stripemagnet med en akse rettet omtrent fra nord til sør.

Felt med verdensanomalier

De virkelige kraftlinjene til jordens magnetfelt, selv om de i gjennomsnitt er nær dipolens kraftlinjer, skiller seg fra dem ved lokale uregelmessigheter knyttet til tilstedeværelsen av magnetiserte bergarter i jordskorpen som ligger nær overflaten.

På grunn av dette, noen steder på jordens overflate, er feltparametrene svært forskjellige fra verdiene i nærliggende områder, og danner såkalte magnetiske anomalier. De kan overlappe hverandre hvis de magnetiserte kroppene som forårsaker dem ligger på forskjellige dyp.

Eksternt magnetfelt

Det bestemmes av kilder i form av strømsystemer plassert utenfor jordens overflate, i atmosfæren. I den øvre delen av atmosfæren (100 km og over) - ionosfæren - ioniserer molekylene, og danner et tett kaldt plasma som stiger høyere, derfor en del av jordens magnetosfære over ionosfæren, som strekker seg til en avstand på opptil tre av dens radier, kalles plasmasfæren.

Plasma holdes av jordens magnetfelt, men tilstanden bestemmes av samspillet med solvinden - plasmastrømmen til solkoronaen.

Således, i større avstand fra jordoverflaten, er magnetfeltet asymmetrisk, siden det blir forvrengt under påvirkning av solvinden: fra solen trekker det seg sammen, og i retning fra solen får det en "sti" som strekker seg i hundretusenvis av kilometer, utover månens bane.

Denne særegne "haleformen" oppstår når plasmaet til solvinden og sollegemets strømmer ser ut til å strømme rundt jordens magnetosfære - området av nær-jordens rom, fortsatt kontrollert av jordens magnetfelt, og ikke solen og andre interplanetære kilder.

Det er atskilt fra det interplanetære rommet av en magnetopause, der det dynamiske trykket til solvinden balanseres av trykket fra dets eget magnetfelt.

Feltparametere

En visuell representasjon av posisjonen til linjene for magnetisk induksjon av jordens felt er gitt av en magnetisk nål, festet på en slik måte at den fritt kan rotere både rundt den vertikale og rundt den horisontale aksen (for eksempel i en gimbal), - på hvert punkt nær jordoverflaten, er den installert på en bestemt måte langs disse linjene.

Siden de magnetiske og geografiske polene ikke faller sammen, viser magnetnålen kun en omtrentlig nord-sør retning.

Det vertikale planet som den magnetiske nålen er installert i kalles planet for den magnetiske meridianen til det gitte stedet, og linjen langs hvilken dette planet skjærer jordoverflaten kalles magnetisk meridian.

Således er magnetiske meridianer projeksjonene av kraftlinjene til jordens magnetfelt på overflaten, som konvergerer ved nord- og sørmagnetpolene. Vinkelen mellom retningene til de magnetiske og geografiske meridianene kalles magnetisk deklinasjon.

Det kan være vestlig (ofte indikert med et "-"-tegn) eller østlig (et "+"-tegn), avhengig av om nordpolen til den magnetiske nålen avviker fra vertikalplanet til den geografiske meridianen mot vest eller øst.

Videre er linjene i jordens magnetfelt generelt sett ikke parallelle med overflaten. Dette betyr at den magnetiske induksjonen av jordfeltet ikke ligger i horisontplanet til et gitt sted, men danner en viss vinkel med dette planet - det kalles magnetisk helning. Den er nær null bare ved punktene til den magnetiske ekvator - omkretsen til en storsirkel i et plan som er vinkelrett på den magnetiske aksen.

Resultater av numerisk modellering av jordens magnetfelt: til venstre - normal, til høyre - under inversjon

Naturen til jordens magnetfelt

For første gang prøvde J. Larmor å forklare eksistensen av magnetfeltene til jorden og solen i 1919, og foreslo konseptet med en dynamo, ifølge hvilken opprettholdelsen av magnetfeltet til et himmellegeme skjer under handlingen av den hydrodynamiske bevegelsen til et elektrisk ledende medium.

Imidlertid beviste T. Cowling i 1934 teoremet om umuligheten av å opprettholde et aksesymmetrisk magnetfelt ved hjelp av en hydrodynamisk dynamomekanisme.

Og siden de fleste av de studerte himmellegemene (og enda mer jorden) ble betraktet som aksialsymmetriske, var det på grunnlag av dette mulig å anta at deres felt også ville være aksialt symmetrisk, og deretter genereringen i henhold til dette prinsippet ville være umulig i henhold til dette teoremet.

Selv Albert Einstein var skeptisk til gjennomførbarheten av en slik dynamo gitt umuligheten av eksistensen av enkle (symmetriske) løsninger. Først mye senere ble det vist at ikke alle ligninger med aksial symmetri som beskriver prosessen med magnetfeltgenerering vil ha en aksialsymmetrisk løsning, selv på 1950-tallet. asymmetriske løsninger er funnet.

Siden den gang har dynamoteorien utviklet seg med suksess, og i dag er den generelt aksepterte mest sannsynlige forklaringen på opprinnelsen til magnetfeltet til jorden og andre planeter en selveksitert dynamomekanisme basert på generering av en elektrisk strøm i en leder når den beveger seg i et magnetfelt som genereres og forsterkes av disse strømmene selv.

De nødvendige forholdene skapes i jordens kjerne: i den flytende ytre kjernen, hovedsakelig bestående av jern ved en temperatur på ca. 4-6 tusen Kelvin, som perfekt leder strøm, skapes konveksjonsstrømmer som fjerner varme fra den faste indre kjernen (generert på grunn av nedbrytning av radioaktive elementer eller frigjøring av latent varme under størkning av materie ved grensen mellom indre og ytre kjerne når planeten gradvis avkjøles).

Coriolis-styrkene vrir disse strømmene til karakteristiske spiraler som danner de såkalte Taylor-søylene. På grunn av friksjonen til lagene får de en elektrisk ladning, og danner sløyfestrømmer. Dermed skapes et strømsystem som sirkulerer langs en ledende krets i ledere som beveger seg i et (til å begynne med, om enn svært svakt) magnetfelt, som i en Faraday-disk.

Det skaper et magnetfelt, som, med en gunstig geometri av strømmene, forsterker startfeltet, og dette øker igjen strømmen, og forsterkningsprosessen fortsetter til tapene til Joule-varme, økende med økende strøm, balanserer energitilførsel på grunn av hydrodynamiske bevegelser.

Det ble antydet at dynamoen kan bli opphisset på grunn av presesjon eller tidevannskrefter, det vil si at energikilden er jordens rotasjon, men den mest utbredte og utviklede hypotesen er at dette er nettopp termokjemisk konveksjon.

Endringer i jordens magnetfelt

Magnetisk feltinversjon er en endring i retningen til jordens magnetfelt i planetens geologiske historie (bestemt av den paleomagnetiske metoden).

I en inversjon snus det magnetiske nord og magnetiske sør og kompassnålen begynner å peke i motsatt retning. Inversjon er et relativt sjeldent fenomen som aldri har forekommet under eksistensen av Homo sapiens. Antagelig sist gang det skjedde for rundt 780 tusen år siden.

Reverseringer av magnetfeltet skjedde med tidsintervaller fra titusenvis av år til enorme intervaller av et stille magnetfelt på titalls millioner år, når reverseringene ikke skjedde.

Dermed ble det ikke funnet noen periodisitet i polvendingen, og denne prosessen regnes som stokastisk. Lange perioder med et stille magnetfelt kan følges av perioder med flere reverseringer med forskjellig varighet og omvendt. Studier viser at en endring i magnetiske poler kan vare fra flere hundre til flere hundre tusen år.

Eksperter fra Johns Hopkins University (USA) antyder at under reverseringer ble jordens magnetosfære svekket så mye at kosmisk stråling kunne nå jordens overflate, så dette fenomenet kan skade levende organismer på planeten, og neste polskifte kan føre til enda flere alvorlige konsekvenser for menneskeheten opp til en global katastrofe.

Vitenskapelig arbeid de siste årene har vist (inkludert i forsøk) muligheten for tilfeldige endringer i magnetfeltets retning ("hopp") i en stasjonær turbulent dynamo. I følge lederen av laboratoriet for geomagnetisme ved Institute of Physics of the Earth, Vladimir Pavlov, er inversjon en ganske lang prosess etter menneskelige standarder.

Geofysikere ved University of Leeds Yon Mound og Phil Livermore tror at om et par tusen år vil det være en inversjon av jordens magnetfelt.

Forskyvning av jordens magnetiske poler

For første gang ble koordinatene til den magnetiske polen på den nordlige halvkule bestemt i 1831, igjen - i 1904, deretter i 1948 og 1962, 1973, 1984, 1994; på den sørlige halvkule - i 1841, igjen - i 1908. Forskyvningen av de magnetiske polene har blitt registrert siden 1885. I løpet av de siste 100 årene har den magnetiske polen på den sørlige halvkule flyttet seg nesten 900 km og kommet inn i Sørishavet.

De siste dataene om tilstanden til den arktiske magnetiske polen (beveger seg mot den østsibirske verdens magnetiske anomali over Polhavet) viste at fra 1973 til 1984 var kjørelengden 120 km, fra 1984 til 1994 - mer enn 150 km. Selv om disse tallene er beregnet, bekreftes de av målinger av den nordmagnetiske polen.

Etter 1831, da posisjonen til stangen ble fastsatt for første gang, hadde stangen allerede i 2019 forskjøvet seg med mer enn 2300 km mot Sibir og fortsetter å bevege seg med akselerasjon.

Reisehastigheten økte fra 15 km per år i 2000 til 55 km per år i 2019. Denne raske driften nødvendiggjør hyppigere justeringer av navigasjonssystemer som bruker jordens magnetfelt, for eksempel kompasser i smarttelefoner eller reservenavigasjonssystemer for skip og fly.

Styrken til jordens magnetfelt faller, og ujevnt. I løpet av de siste 22 årene har den gått ned med gjennomsnittlig 1,7 %, og i enkelte regioner, som Sør-Atlanterhavet, med 10 %. Noen steder økte styrken til magnetfeltet, i motsetning til den generelle trenden, til og med.

Akselerasjonen av polenes bevegelse (med et gjennomsnitt på 3 km / år) og deres bevegelse langs korridorene til magnetiske polinversjoner (disse korridorene gjorde det mulig å avsløre mer enn 400 paleoinversjoner) antyder at i denne bevegelsen av polene skal ikke se en ekskursjon, men en annen inversjon av jordens magnetfelt.

Hvordan oppsto jordens magnetfelt?

Eksperter ved Scripps Institute of Oceanography og University of California har antydet at planetens magnetfelt ble dannet av mantelen. Amerikanske forskere har utviklet en hypotese foreslått for 13 år siden av en gruppe forskere fra Frankrike.

Det er kjent at fagfolk i lang tid hevdet at det var den ytre kjernen av jorden som genererte magnetfeltet. Men så antydet eksperter fra Frankrike at planetens mantel alltid var solid (fra det ble født).

Denne konklusjonen fikk forskerne til å tro at det ikke var kjernen som kunne danne magnetfeltet, men den flytende delen av den nedre mantelen. Sammensetningen av mantelen er et silikatmateriale som anses som en dårlig leder.

Men siden den nedre mantelen måtte forbli flytende i milliarder av år, produserte ikke bevegelsen av væsken inne i den en elektrisk strøm, og faktisk var det rett og slett nødvendig å generere et magnetfelt.

Fagfolk i dag mener at mantelen kunne vært en kraftigere kanal enn tidligere antatt. Denne konklusjonen fra spesialister rettferdiggjør fullt ut tilstanden til den tidlige jorden. En silikatdynamo er bare mulig hvis den elektriske ledningsevnen til den flytende delen var mye høyere og hadde lavt trykk og temperatur.