Innehållsförteckning:

Earth Shield: Var har vår planet ett magnetfält?
Earth Shield: Var har vår planet ett magnetfält?

Video: Earth Shield: Var har vår planet ett magnetfält?

Video: Earth Shield: Var har vår planet ett magnetfält?
Video: Why Earth's Magnetic Shield Matters 2024, Mars
Anonim

Magnetfältet skyddar jordens yta från solvind och skadlig kosmisk strålning. Den fungerar som en slags sköld – utan dess existens skulle atmosfären förstöras. Vi kommer att berätta hur jordens magnetfält bildades och förändrades.

Strukturen och egenskaperna hos jordens magnetfält

Jordens magnetfält, eller geomagnetiskt fält, är ett magnetfält som genereras av inomjordiska källor. Ämnet för studien av geomagnetism. Dök upp för 4, 2 miljarder år sedan.

Jordens eget magnetfält (geomagnetiskt fält) kan delas in i följande huvuddelar:

  • huvudfält,
  • områden av världens anomalier,
  • yttre magnetfält.

Huvudfält

Mer än 90% av det består av ett fält, vars källa är inuti jorden, i den flytande yttre kärnan - denna del kallas huvud-, huvud- eller normalfältet.

Den är approximerad i form av en serie i övertoner - en Gaussisk serie, och i en första approximation nära jordens yta (upp till tre av dess radier) är den nära det magnetiska dipolfältet, det vill säga det ser ut som jorden är en remsmagnet med en axel riktad ungefär från norr till söder.

Fält av världsanomalier

De verkliga kraftlinjerna för jordens magnetfält, även om de i genomsnitt ligger nära dipolens kraftlinjer, skiljer sig från dem genom lokala oregelbundenheter som är förknippade med närvaron av magnetiserade stenar i jordskorpan som ligger nära ytan.

På grund av detta, på vissa ställen på jordens yta, skiljer sig fältparametrarna mycket från värdena i närliggande områden och bildar så kallade magnetiska anomalier. De kan överlappa varandra om de magnetiserade kropparna som orsakar dem ligger på olika djup.

Externt magnetfält

Det bestäms av källor i form av strömsystem som ligger utanför jordens yta, i dess atmosfär. I den övre delen av atmosfären (100 km och uppåt) - jonosfären - joniseras dess molekyler och bildar en tät kall plasma som stiger högre, därför en del av jordens magnetosfär ovanför jonosfären, som sträcker sig till ett avstånd på upp till tre av dess radier, kallas plasmasfären.

Plasma hålls av jordens magnetfält, men dess tillstånd bestäms av dess interaktion med solvinden - solkoronans plasmaflöde.

Således, på ett större avstånd från jordens yta, är magnetfältet asymmetriskt, eftersom det förvrängs under inverkan av solvinden: från solen drar det ihop sig och i riktning från solen får det ett "spår" som sträcker sig hundratusentals kilometer, bortom månens omloppsbana.

Denna märkliga "svansformade" form uppstår när plasman från solvinden och solkroppsströmmarna tycks flöda runt jordens magnetosfär - området nära jordens rymd, fortfarande kontrollerat av jordens magnetfält, och inte solen och andra interplanetära källor.

Den skiljs från det interplanetära rymden av en magnetopaus, där det dynamiska trycket från solvinden balanseras av trycket från dess eget magnetfält.

Fältparametrar

En visuell representation av positionen för linjerna för magnetisk induktion av jordens fält tillhandahålls av en magnetisk nål, fixerad på ett sådant sätt att den fritt kan rotera både runt den vertikala och runt den horisontella axeln (till exempel i en kardan), - vid varje punkt nära jordens yta är den installerad på ett visst sätt längs dessa linjer.

Eftersom de magnetiska och geografiska polerna inte sammanfaller visar magnetnålen endast en ungefärlig nord-sydlig riktning.

Det vertikala planet i vilket den magnetiska nålen är installerad kallas planet för den magnetiska meridianen för den givna platsen, och linjen längs vilken detta plan skär med jordens yta kallas den magnetiska meridianen.

Således är magnetiska meridianer projektionerna av kraftlinjerna för jordens magnetfält på dess yta, som konvergerar vid nord- och sydmagnetpolerna. Vinkeln mellan riktningarna för de magnetiska och geografiska meridianerna kallas magnetisk deklination.

Det kan vara västerländskt (ofta indikerat med ett "-"-tecken) eller östligt (ett "+"-tecken), beroende på om magnetnålens nordpol avviker från den geografiska meridianens vertikala plan åt väster eller öster.

Vidare är linjerna i jordens magnetfält generellt sett inte parallella med dess yta. Det betyder att den magnetiska induktionen av jordens fält inte ligger i horisontplanet för en given plats, utan bildar en viss vinkel med detta plan - det kallas magnetisk lutning. Det är nära noll endast vid punkterna i den magnetiska ekvatorn - omkretsen av en storcirkel i ett plan som är vinkelrät mot den magnetiska axeln.

Bild
Bild

Resultat av numerisk modellering av jordens magnetfält: till vänster - normal, till höger - under inversion

Naturen av jordens magnetfält

För första gången försökte J. Larmor förklara existensen av jordens och solens magnetfält 1919, och föreslog konceptet med en dynamo, enligt vilket upprätthållandet av magnetfältet i en himlakropp sker under åtgärden av den hydrodynamiska rörelsen hos ett elektriskt ledande medium.

Men 1934 bevisade T. Cowling satsen om omöjligheten att upprätthålla ett axisymmetriskt magnetfält med hjälp av en hydrodynamisk dynamomekanism.

Och eftersom de flesta av de studerade himlakropparna (och ännu mer jorden) ansågs axiellt symmetriska, var det på grundval av detta möjligt att göra ett antagande att deras fält också skulle vara axiellt symmetriskt, och sedan dess generering enligt denna princip skulle vara omöjligt enligt detta teorem.

Till och med Albert Einstein var skeptisk till genomförbarheten av en sådan dynamo med tanke på omöjligheten av existensen av enkla (symmetriska) lösningar. Först långt senare visades det att inte alla ekvationer med axiell symmetri som beskriver processen för generering av magnetfält kommer att ha en axiellt symmetrisk lösning, även på 1950-talet. asymmetriska lösningar har hittats.

Sedan dess har dynamoteorin utvecklats framgångsrikt, och idag är den allmänt accepterade mest troliga förklaringen till ursprunget till jordens och andra planeters magnetfält en självexciterad dynamomekanism baserad på genereringen av en elektrisk ström i en ledare när den rör sig i ett magnetfält som genereras och förstärks av dessa strömmar själva.

De nödvändiga förhållandena skapas i jordens kärna: i den flytande yttre kärnan, huvudsakligen bestående av järn vid en temperatur på cirka 4-6 tusen Kelvin, som perfekt leder ström, skapas konvektiva flöden som tar bort värme från den fasta inre kärnan (genereras på grund av sönderfallet av radioaktiva element eller frigörandet av latent värme under stelning av materia vid gränsen mellan den inre och yttre kärnan när planeten gradvis svalnar).

Corioliskrafterna vrider dessa strömmar till karakteristiska spiraler som bildar de så kallade Taylorpelarna. På grund av skiktens friktion får de en elektrisk laddning och bildar slingströmmar. Således skapas ett system av strömmar som cirkulerar längs en ledande krets i ledare som rör sig i ett (inledningsvis närvarande, om än mycket svagt) magnetfält, som i en Faraday-skiva.

Det skapar ett magnetfält som, med en gynnsam geometri hos flödena, förstärker det initiala fältet, och detta i sin tur förstärker strömmen, och förstärkningsprocessen fortsätter tills förlusterna till Joule-värme, som ökar med ökande ström, balanserar energiinflöden på grund av hydrodynamiska rörelser.

Det föreslogs att dynamo kan exciteras på grund av precession eller tidvattenkrafter, det vill säga att energikällan är jordens rotation, men den mest utbredda och utvecklade hypotesen är att detta är just termokemisk konvektion.

Förändringar i jordens magnetfält

Magnetisk fältinversion är en förändring i riktningen av jordens magnetfält i planetens geologiska historia (bestäms av den paleomagnetiska metoden).

I en inversion vänds den magnetiska norden och den magnetiska södern om och kompassnålen börjar peka i motsatt riktning. Inversion är ett relativt sällsynt fenomen som aldrig har inträffat under existensen av Homo sapiens. Förmodligen senast det hände för cirka 780 tusen år sedan.

Omkastningar av magnetfältet inträffade med tidsintervall från tiotusentals år till enorma intervall av ett tyst magnetfält på tiotals miljoner år, när omkastningarna inte inträffade.

Således hittades ingen periodicitet i polomkastningen, och denna process anses vara stokastisk. Långa perioder av ett tyst magnetfält kan följas av perioder med flera omkastningar med olika varaktighet och vice versa. Studier visar att en förändring av magnetiska poler kan vara från flera hundra till flera hundra tusen år.

Experter från Johns Hopkins University (USA) menar att under omkastningar försvagades jordens magnetosfär så mycket att kosmisk strålning kunde nå jordens yta, så detta fenomen kan skada levande organismer på planeten, och nästa polbyte kan leda till ännu fler allvarliga konsekvenser för mänskligheten fram till en global katastrof.

De senaste årens vetenskapliga arbete har visat (även i experiment) möjligheten till slumpmässiga förändringar i magnetfältets riktning ("hopp") i en stationär turbulent dynamo. Enligt chefen för laboratoriet för geomagnetism vid Institute of Physics of the Earth, Vladimir Pavlov, är inversion en ganska lång process enligt mänskliga standarder.

Geofysiker vid University of Leeds Yon Mound och Phil Livermore tror att det om ett par tusen år kommer att ske en inversion av jordens magnetfält.

Förskjutning av jordens magnetiska poler

För första gången bestämdes koordinaterna för den magnetiska polen på norra halvklotet 1831, igen - 1904, sedan 1948 och 1962, 1973, 1984, 1994; på södra halvklotet - 1841, igen - 1908. Förskjutningen av de magnetiska polerna har registrerats sedan 1885. Under de senaste 100 åren har den magnetiska polen på södra halvklotet rört sig nästan 900 km och kommit in i södra oceanen.

De senaste uppgifterna om tillståndet för den arktiska magnetiska polen (som rör sig mot den östsibiriska världens magnetiska anomali över Ishavet) visade att från 1973 till 1984 var dess körsträcka 120 km, från 1984 till 1994 - mer än 150 km. Även om dessa siffror är beräknade, bekräftas de av mätningar av den nordmagnetiska polen.

Efter 1831, när stolpens position fastställdes för första gången, hade stolpen redan 2019 förskjutits med mer än 2 300 km mot Sibirien och fortsätter att röra sig med acceleration.

Dess reshastighet ökade från 15 km per år 2000 till 55 km per år 2019. Denna snabba drift kräver oftare justeringar av navigationssystem som använder jordens magnetfält, såsom kompasser i smartphones eller reservnavigeringssystem för fartyg och flygplan.

Styrkan på jordens magnetfält faller, och ojämnt. Under de senaste 22 åren har den minskat med i genomsnitt 1,7 % och i vissa regioner, som södra Atlanten, med 10 %. På vissa ställen ökade magnetfältets styrka, i motsats till den allmänna trenden, till och med.

Accelerationen av polernas rörelse (med i genomsnitt 3 km/år) och deras rörelse längs korridorerna för magnetiska polinversioner (dessa korridorer gjorde det möjligt att avslöja mer än 400 paleoinversioner) tyder på att i denna polrörelse bör inte se en utflykt, utan en annan inversion av jordens magnetfält.

Hur uppstod jordens magnetfält?

Experter vid Scripps Institute of Oceanography och University of California har föreslagit att planetens magnetfält bildades av manteln. Amerikanska forskare har utvecklat en hypotes som föreslogs för 13 år sedan av en grupp forskare från Frankrike.

Det är känt att proffs under lång tid hävdade att det var jordens yttre kärna som genererade dess magnetfält. Men sedan experter från Frankrike föreslog att planetens mantel alltid var solid (från det ögonblick då den föddes).

Denna slutsats fick forskare att tro att det inte var kärnan som kunde bilda magnetfältet, utan den flytande delen av den nedre manteln. Mantelns sammansättning är ett silikatmaterial som anses vara en dålig ledare.

Men eftersom den nedre manteln var tvungen att förbli flytande i miljarder år, producerade vätskans rörelse inuti den ingen elektrisk ström, och i själva verket var det helt enkelt nödvändigt att generera ett magnetfält.

Professionella idag tror att manteln kunde ha varit en kraftfullare ledning än man tidigare trott. Denna slutsats av specialister motiverar helt tillståndet för den tidiga jorden. En silikatdynamo är endast möjlig om den elektriska ledningsförmågan hos dess flytande del var mycket högre och hade lågt tryck och temperatur.

Rekommenderad: