Maan kilpi: Missä planeetallamme on magneettikenttä?

2024 Kirjoittaja: Seth Attwood | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-16 16:04

Magneettikenttä suojaa Maan pintaa aurinkotuulelta ja haitallisilta kosmiselta säteilyltä. Se toimii eräänlaisena kilpenä - ilman sen olemassaoloa ilmapiiri tuhoutuisi. Kerromme sinulle, kuinka Maan magneettikenttä muodostui ja muuttui.

Maan magneettikentän rakenne ja ominaisuudet

Maan magneettikenttä tai geomagneettinen kenttä on maan sisäisten lähteiden synnyttämä magneettikenttä. Geomagnetismin tutkimuksen aihe. Ilmestyi 4,2 miljardia vuotta sitten.

Maan oma magneettikenttä (geomagneettikenttä) voidaan jakaa seuraaviin pääosiin:

• pääkenttä,
• maailman poikkeavuuksien kentät,
• ulkoinen magneettikenttä.

Pääkenttä

Yli 90% siitä koostuu kentästä, jonka lähde on Maan sisällä, nestemäisessä ulkoytimessä - tätä osaa kutsutaan pää-, pää- tai normaalikenttään.

Se on approksimoitu harmonisten sarjan muodossa - Gaussin sarja, ja ensimmäisessä approksimaatiossa lähellä maan pintaa (jopa kolmeen sen säteeseen) se on lähellä magneettista dipolikenttää, eli se näyttää maalta. on liuskamagneetti, jonka akseli on suunnattu suunnilleen pohjoisesta etelään.

Maailman poikkeavuuksien kentät

Maan magneettikentän todelliset voimalinjat, vaikka ovatkin keskimäärin lähellä dipolin voimalinjoja, eroavat niistä paikallisilla epäsäännöllisyyksillä, jotka liittyvät magnetoituneiden kivien esiintymiseen pinnan lähellä sijaitsevassa kuoressa.

Tästä johtuen paikoin maan pinnalla kenttäparametrit poikkeavat suuresti lähialueiden arvoista muodostaen niin sanottuja magneettisia poikkeamia. Ne voivat mennä päällekkäin, jos niitä aiheuttavat magnetoidut kappaleet sijaitsevat eri syvyyksillä.

Ulkoinen magneettikenttä

Sen määräävät maapallon pinnan ulkopuolella, sen ilmakehässä olevat virtajärjestelmät. Ilmakehän yläosassa (100 km ja enemmän) - ionosfäärissä - sen molekyylit ionisoituvat muodostaen tiheän kylmän plasman, joka kohoaa korkeammalle, joten osa Maan magnetosfääriä ionosfäärin yläpuolella, ulottuen jopa kolmen etäisyydelle. sen säteistä kutsutaan plasmapalloksi.

Plasmaa pitää sisällään Maan magneettikenttä, mutta sen tilan määrää sen vuorovaikutus aurinkotuulen kanssa – aurinkokoronan plasmavirtaus.

Siten suuremmalla etäisyydellä Maan pinnasta magneettikenttä on epäsymmetrinen, koska se vääristyy aurinkotuulen vaikutuksesta: Auringosta se supistuu ja Auringosta suunnassa se saa "polun", joka ulottuu satojen tuhansien kilometrien ajan, ylittäen Kuun kiertoradan.

Tämä erikoinen "pyrstömuoto" syntyy, kun aurinkotuulen ja aurinkosoluvirtojen plasma näyttää virtaavan maan magnetosfäärin ympäri - maapallon lähiavaruuden alueella, jota edelleen hallitsee Maan magneettikenttä, ei aurinko ja muut planeettojen väliset lähteet.

Sen erottaa planeettojenvälisestä avaruudesta magnetopaussi, jossa aurinkotuulen dynaaminen painetta tasapainottaa sen oman magneettikentän paine.

Kentän parametrit

Visuaalinen esitys Maan kentän magneettisen induktioviivojen sijainnista saadaan magneettisella neulalla, joka on kiinnitetty siten, että se voi pyöriä vapaasti sekä pysty- että vaaka-akselin ympäri (esimerkiksi gimbalissa), - jokaisessa kohdassa lähellä maan pintaa, se on asennettu tietyllä tavalla näitä linjoja pitkin.

Koska magneettiset ja maantieteelliset navat eivät täsmää, magneettineula näyttää vain likimääräisen pohjois-etelä-suunnan.

Pystytasoa, johon magneettineula on asennettu, kutsutaan tietyn paikan magneettisen meridiaanin tasoksi ja linjaa, jota pitkin tämä taso leikkaa maan pinnan, kutsutaan magneettiseksi meridiaaniksi.

Siten magneettiset meridiaanit ovat Maan magneettikentän voimalinjojen projektioita sen pinnalle, jotka suppenevat pohjoisessa ja etelässä. Magneettisen ja maantieteellisen meridiaanin suuntien välistä kulmaa kutsutaan magneettiseksi deklinaatioksi.

Se voi olla läntinen (usein merkitty "-"-merkillä) tai itäinen ("+"-merkki) riippuen siitä, poikkeaako magneettineulan pohjoisnapa maantieteellisen pituuspiirin pystytasosta länteen vai itään.

Lisäksi Maan magneettikentän linjat eivät yleisesti ottaen ole samansuuntaisia sen pinnan kanssa. Tämä tarkoittaa, että Maan kentän magneettinen induktio ei sijaitse tietyn paikan horisontin tasossa, vaan muodostaa tietyn kulman tämän tason kanssa - sitä kutsutaan magneettiseksi inklinaatioksi. Se on lähellä nollaa vain magneettisen ekvaattorin pisteissä - suuren ympyrän kehällä tasolla, joka on kohtisuorassa magneettiakseliin nähden.

Maan magneettikentän numeerisen mallinnuksen tulokset: vasemmalla - normaali, oikealla - inversion aikana

Maan magneettikentän luonne

Ensimmäistä kertaa J. Larmor yritti selittää Maan ja Auringon magneettikenttien olemassaolon vuonna 1919 ehdottaen dynamon konseptia, jonka mukaan taivaankappaleen magneettikentän ylläpito tapahtuu toiminnan alaisena. sähköä johtavan väliaineen hydrodynaamisesta liikkeestä.

Kuitenkin vuonna 1934 T. Cowling osoitti lauseen mahdottomuudesta ylläpitää akselisymmetristä magneettikenttää hydrodynaamisen dynamomekanismin avulla.

Ja koska suurinta osaa tutkituista taivaankappaleista (ja vielä enemmän Maata) pidettiin aksiaalisesti symmetrisinä, oli tämän perusteella mahdollista olettaa, että niiden kenttä olisi myös aksiaalisesti symmetrinen, ja sitten sen synnyttäminen tämän periaatteen mukaisesti. olisi mahdotonta tämän lauseen mukaan.

Jopa Albert Einstein oli skeptinen tällaisen dynamon toteutettavuudesta, koska yksinkertaisten (symmetristen) ratkaisujen olemassaolo on mahdotonta. Vasta paljon myöhemmin osoitettiin, että kaikilla magneettikentän muodostumisprosessia kuvaavilla aksiaalisymmetrisillä yhtälöillä ei ole aksiaalisesti symmetristä ratkaisua edes 1950-luvulla. epäsymmetrisiä ratkaisuja on löydetty.

Siitä lähtien dynamoteoria on kehittynyt menestyksekkäästi, ja nykyään yleisesti hyväksytty todennäköisin selitys Maan ja muiden planeettojen magneettikentän alkuperälle on itsestään virittyvä dynamomekanismi, joka perustuu sähkövirran synnyttämiseen johtimessa. kun se liikkuu näiden virtojen itsensä synnyttämässä ja vahvistamassa magneettikentässä.

Maan ytimeen luodaan tarvittavat olosuhteet: nestemäisessä ulkoytimessä, joka koostuu pääasiassa noin 4-6 tuhannen kelvinin lämpötilassa olevasta raudasta ja joka johtaa täydellisesti virtaa, syntyy konvektiivisia virtauksia, jotka poistavat lämpöä kiinteästä sisäisestä ytimestä (syntyy radioaktiivisten alkuaineiden hajoamisesta tai piilevän lämmön vapautumisesta aineen jähmettymisen aikana sisä- ja ulkoytimen välisellä rajalla planeetan vähitellen jäähtyessä).

Coriolis-voimat kääntävät nämä virrat tunnusomaisiksi spiraaleiksi, jotka muodostavat niin kutsutut Taylor-pilarit. Kerrosten kitkan vuoksi ne hankkivat sähkövarauksen muodostaen silmukkavirtoja. Siten luodaan virtajärjestelmä, joka kiertää johtavaa piiriä pitkin johtimissa, jotka liikkuvat (alkuperäisessä, vaikkakin hyvin heikossa) magneettikentässä, kuten Faraday-levyssä.

Se luo magneettikentän, joka virtausten suotuisalla geometrialla tehostaa alkukenttää ja tämä puolestaan tehostaa virtaa, ja vahvistusprosessi jatkuu, kunnes joulen lämpöhäviöt, jotka kasvavat virran kasvaessa, tasapainottavat energian sisäänvirtaukset hydrodynaamisten liikkeiden vuoksi.

Esitettiin, että dynamo voi virittyä precessioiden tai vuorovesivoimien vaikutuksesta, eli että energian lähde on Maan pyöriminen, mutta yleisin ja kehittynein hypoteesi on, että tämä on nimenomaan termokemiallista konvektiota.

Muutokset maan magneettikentässä

Magneettikentän inversio on muutos Maan magneettikentän suunnassa planeetan geologisessa historiassa (määritetty paleomagneettisella menetelmällä).

Inversiossa magneettinen pohjoinen ja magneettinen etelä käännetään ja kompassin neula alkaa osoittaa vastakkaiseen suuntaan. Inversio on suhteellisen harvinainen ilmiö, jota ei ole koskaan tapahtunut Homo sapiensin olemassaolon aikana. Oletettavasti viimeksi se tapahtui noin 780 tuhatta vuotta sitten.

Magneettikentän käännöksiä tapahtui aikavälein kymmenistä tuhansista vuosista valtaviin kymmenien miljoonien vuosien hiljaisen magneettikentän aikaväleihin, jolloin käännöksiä ei tapahtunut.

Siten napojen vaihdossa ei havaittu jaksollisuutta, ja tätä prosessia pidetään stokastisena. Pitkiä hiljaisen magneettikentän jaksoja voi seurata useiden eripituisten käännösten jaksoja ja päinvastoin. Tutkimukset osoittavat, että magneettinapojen muutos voi kestää useista sadaista useisiin satoihin tuhansiin vuosiin.

Johns Hopkinsin yliopiston (USA) asiantuntijat ehdottavat, että käännösten aikana Maan magnetosfääri heikkeni niin paljon, että kosminen säteily voi päästä maan pinnalle, joten tämä ilmiö voisi vahingoittaa planeetan eläviä organismeja, ja seuraava napojen muutos voi johtaa vielä enemmän vakavia seurauksia ihmiskunnalle aina globaaliin katastrofiin asti.

Viime vuosien tieteellinen työ on osoittanut (mukaan lukien kokeet) mahdollisuuden satunnaisiin muutoksiin magneettikentän suunnassa ("hypyt") paikallaan pysyvässä turbulentissa dynamossa. Maan fysiikan instituutin geomagnetismin laboratorion johtajan Vladimir Pavlovin mukaan inversio on inhimillisesti katsottuna melko pitkä prosessi.

Leedsin yliopiston geofyysikot Yon Mound ja Phil Livermore uskovat, että muutaman tuhannen vuoden kuluttua Maan magneettikenttä kääntyy.

Maan magneettinapojen siirtymä

Ensimmäistä kertaa pohjoisen pallonpuoliskon magneettisen navan koordinaatit määritettiin vuonna 1831, jälleen - vuonna 1904, sitten vuosina 1948 ja 1962, 1973, 1984, 1994; eteläisellä pallonpuoliskolla - vuonna 1841, jälleen - vuonna 1908. Magneettinapojen siirtymiä on kirjattu vuodesta 1885 lähtien. Viimeisten 100 vuoden aikana eteläisen pallonpuoliskon magneettinapa on siirtynyt lähes 900 km ja saapunut eteläiseen valtamereen.

Viimeisimmät tiedot arktisen magneettisen navan tilasta (liikkumassa kohti Itä-Siperian maailman magneettista poikkeavuutta Jäämeren yli) osoittivat, että vuosina 1973-1984 sen mittarilukema oli 120 km, vuosina 1984-1994 - yli 150 km. Vaikka nämä luvut on laskettu, ne vahvistetaan pohjoisen magneettinavan mittauksilla.

Vuoden 1831 jälkeen, jolloin pylväs kiinnitettiin ensimmäisen kerran, vuonna 2019 pylväs oli siirtynyt jo yli 2300 km Siperiaa kohti ja liikkuu edelleen kiihtyvällä vauhdilla.

Sen ajonopeus kasvoi vuoden 2000 15 km:stä 55 km:iin vuodessa vuonna 2019. Tämä nopea ajautuminen edellyttää useammin säätöjä Maan magneettikenttää käyttäviin navigointijärjestelmiin, kuten älypuhelimien kompasseihin tai laivojen ja lentokoneiden varanavigointijärjestelmiin.

Maan magneettikentän voimakkuus laskee ja epätasaisesti. Viimeisten 22 vuoden aikana se on laskenut keskimäärin 1,7 prosenttia ja joillakin alueilla, kuten Etelä-Atlantilla, 10 prosenttia. Paikoin magneettikentän voimakkuus yleisestä trendistä poiketen jopa kasvoi.

Napojen liikkeen kiihtyvyys (keskimäärin 3 km / vuosi) ja niiden liikkuminen magneettisten napainversioiden käytävillä (nämä käytävät mahdollistivat yli 400 paleoinversion paljastamisen) viittaavat siihen, että tässä napojen liikkeessä ei pitäisi nähdä retkiä, vaan Maan magneettikentän toinen inversio.

Miten maan magneettikenttä syntyi?

Scripps Institute of Oceanographyn ja Kalifornian yliopiston asiantuntijat ovat ehdottaneet, että planeetan magneettikenttä muodostui vaipasta. Amerikkalaiset tutkijat ovat kehittäneet hypoteesin, jonka ranskalainen tutkijaryhmä ehdotti 13 vuotta sitten.

Tiedetään, että ammattilaiset väittivät pitkään, että sen magneettikenttä synnytti Maan ulkoytimen. Mutta sitten ranskalaiset asiantuntijat ehdottivat, että planeetan vaippa oli aina kiinteä (sen syntymähetkestä lähtien).

Tämä johtopäätös sai tutkijat ajattelemaan, että ydin ei voinut muodostaa magneettikenttää, vaan alemman vaipan nestemäinen osa. Vaipan koostumus on silikaattimateriaalia, jota pidetään huonona johtimena.

Mutta koska alemman vaipan täytyi pysyä nesteenä miljardeja vuosia, nesteen liike sen sisällä ei tuottanut sähkövirtaa, ja itse asiassa oli yksinkertaisesti tarpeen luoda magneettikenttä.

Tämän päivän ammattilaiset uskovat, että vaippa olisi voinut olla tehokkaampi kanava kuin aiemmin luultiin. Tämä asiantuntijoiden johtopäätös oikeuttaa täysin varhaisen Maan tilan. Silikaattidynamo on mahdollinen vain, jos sen nestemäisen osan sähkönjohtavuus oli paljon korkeampi ja sen paine ja lämpötila ovat alhaiset.