من أين يأتي المجال المغناطيسي. المجال المغناطيسي للأرض. لماذا تحتاج الكواكب إلى مجالات مغناطيسية؟ أصل المجال المغناطيسي

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 الآن اسميهما). أحيانًا يحتفظ المجال المغنطيسي الأرضي بتوجهه لعشرات الملايين من السنين ، وأحيانًا لمدة لا تزيد 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 نقاط التقاطع أقطابًا جغرافية. محور الأرضمع سطح الكوكب. كما تدور الأرض مثل صلب، هناك نقطتان فقط 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 سطح الأرض. ومع ذلك ، فإن أي مقياس مغناطيسي لا يسجل المجال المغناطيسي الكوكبي فحسب ، بل يسجل أيضًا حقول الصخور المحلية ، والتيارات الكهربائية للأيونوسفير ، وجزيئات الرياح الشمسية ، ومصادر مغناطيسية إضافية أخرى (علاوة على ذلك ، فإن متوسط نصيبها ليس صغيراً للغاية ، حسب الترتيب. بنسبة 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 ، يتم تحديد إحداثيات القطب باستخدام القياس المباشر، غير 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 الحالي ، تبلغ الزاوية بينه وبين محور الأرض 10 درجات (قبل بضعة عقود كانت أكثر من 11 درجة). مع النمذجة الأكثر 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.

لكن هذا ليس كل شيء. لا يحتوي المجال المغناطيسي الأرضي في الحقيقة على تناظر ثنائي القطب وبالتالي له أقطاب متعددة ، وفي عدد هائل. إذا اعتبرنا الأرض رباعي القطب المغناطيسي ، رباعي القطب ، فسنضطر إلى إدخال قطبين آخرين - في ماليزيا والجزء الجنوبي من 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 ، - لذلك ، 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 الشماليكان لثنائي القطب الأرضي في عام 2000 إحداثيات 79.5 شمالاً و 71.6 واط ، وفي 2010 - 80.0 شمالاً و 72.0 غرباً ، انتقل القطب الشمالي الحقيقي (الذي تكشفه القياسات الفيزيائية) منذ عام 2000 من 81 0 شمالاً و 109.7 واط إلى 85.2 شمالاً. 127.1 غربًا طوال القرن العشرين تقريبًا ، لم تتجاوز المسافة 10 كيلومترات في السنة ، ولكن بعد عام 1980 بدأت فجأة تتحرك بسرعة أكبر. 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 خلال 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. من الصعب تفسير هجرة القطبين وانعكاس المجال المغنطيسي الأرضي ، ولكن ربما يمكن للمرء أن يحاول ذلك.

ومع ذلك ، لا شيء يأتي منه. تظل جميع المغنطيسات الحديدية مغناطيسات حديدية (أي أنها تحتفظ بالمغنطة التلقائية) فقط تحت درجة حرارة معينة - نقطة كوري. بالنسبة للحديد ، تبلغ درجة حرارته 768 درجة مئوية (أقل 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 قلب 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 حدود 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 شرح ظهور مجال poloidal ، 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 بقوة كوريوليس مثل التيارات الهوائية للأعاصير. تدور التحديثات في اتجاه عقارب الساعة في نصف الكرة الشمالي وعكس اتجاه عقارب الساعة في نصف الكرة الجنوبي ، كما يوضح الأستاذ في جامعة كاليفورنيا غاري جلاتزماير. - عند الاقتراب من الوشاح ، يبرد جوهر اللب ويبدأ حركة عكسية في العمق. تلغي المجالات المغناطيسية للوحدات الصاعدة والتحديثات السفلية بعضها البعض ، وبالتالي لا يتم إنشاء المجال عموديًا. لكن 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 السائل الموصل لللب الخارجي ، بسبب طاقتها الحركية ، تولد تيارات كهربائية تغلف 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 ، ولكن 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 ، فقد 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 ، تُستخدم 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 قبالة سواحل البرازيل إلى 65000 نانوتيسلا بالقرب من القطب المغناطيسي الجنوبي. منذ عام 1800 ، انخفض مكونه ثنائي القطب بنسبة 13 ٪ تقريبًا (ومنذ ذلك الحين منتصف السادس عشرقرن - بنسبة 20 ٪) ، بينما زاد 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 مدار المائة وخمسين مليون سنة الماضية (في عام 2010 ، تم نشر قياسات مغنطيسية قديمة ، مما يشير إلى أنه منذ 3.5 مليار سنة ، كان المجال المغناطيسي للأرض ضعف ضعف المجال الحالي. ). هذا يعني أن التاريخ الكامل للمجتمعات البشرية من ظهور الدول الأولى إلى عصرنا وقع 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 الطور السائل. 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 الغلاف 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 تقريبًا 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 ، وتتحرك للأمام على أعماق أكبر وتتأخر في العمق الضحل. في النهاية سوف تتمدد وتتشوه لدرجة أنها ستؤدي إلى مجال حلقي ، حلقات مغناطيسية دائرية تمتد على محور الأرض وتتجه 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 ".

قبل 15 عامًا ، نشر جاري جلاتزمير ، بالاشتراك مع بول روبرتس ، نموذجًا حاسوبيًا جميلًا جدًا للحقل المغنطيسي الأرضي: "من حيث المبدأ ، لشرح المغناطيسية الأرضية ، كان هناك منذ فترة طويلة جهاز رياضي مناسب - معادلات الديناميكا المغناطيسية 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. جعل تشغيل الكمبيوتر العملاق من الممكن بناء وصف متسق ذاتيًا للتطور طويل المدى للسرعة ودرجة الحرارة والضغط للمادة المتدفقة في اللب الخارجي والتطور المرتبط بالمجالات المغناطيسية. وجدنا أيضًا أنه إذا لعبنا المحاكاة على فترات زمنية تصل إلى عشرات ومئات الآلاف من السنين ، فعندئذ تحدث انعكاسات المجال المغنطيسي الأرضي 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 جوهر 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 يتزامن 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 بشكل حتمي بالتغيرات الفوضوية في تدفقات مصهور الحديد والنيكل ، والتي تتحول إلى تقلبات في المجالات المغناطيسية". - انعكاسات مغناطيسية الأرض هي ببساطة أقوى التقلبات الممكنة. نظرًا لأنها عشوائية بطبيعتها ، يصعب التنبؤ بها مسبقًا - على أي حال ، لا يمكننا ذلك ".

في الأيام الأخيرةظهرت على مواقع المعلومات العلمية عدد كبير منأخبار عن المجال المغناطيسي للأرض. على سبيل المثال ، الأخبار التي في الآونة الأخيرةيتغير بشكل كبير ، أو أن المجال المغناطيسي يساهم في تسرب الأكسجين من الغلاف الجوي للأرض ، وحتى حول حقيقة أن الأبقار توجه نفسها على طول خطوط المجال المغناطيسي في المراعي. ما هو المجال المغناطيسي وما مدى أهمية كل الأخبار المذكورة أعلاه؟

المجال المغناطيسي للأرض هو المنطقة المحيطة بكوكبنا حيث القوى المغناطيسية. لم يتم حل مسألة أصل المجال المغناطيسي بشكل نهائي بعد. ومع ذلك ، يتفق معظم الباحثين على أن وجود المجال المغناطيسي للأرض يرجع جزئيًا على الأقل إلى جوهره. يتكون لب الأرض من أجزاء صلبة داخلية وسائلة خارجية. يخلق دوران الأرض تيارات ثابتة في قلب السائل. كما قد يتذكر القارئ من دروس الفيزياء الحركة الشحنات الكهربائيةيخلق مجال مغناطيسي حولهم.

تفترض إحدى النظريات الأكثر شيوعًا التي تشرح طبيعة المجال ، وهي نظرية تأثير الدينامو ، أن الحركات الحملية أو المضطربة لسائل موصل في القلب تساهم في الإثارة الذاتية والحفاظ على الحقل في حالة ثابتة.

يمكن اعتبار الأرض على أنها ثنائي القطب المغناطيسي. يقع قطبها الجنوبي في القطب الشمالي الجغرافي ، والشمال على التوالي في الجنوب. في الواقع ، لا يتطابق القطبان الجغرافي والمغناطيسي للأرض ليس فقط في "الاتجاه". يميل محور المجال المغناطيسي بالنسبة لمحور دوران الأرض بمقدار 11.6 درجة. نظرًا لحقيقة أن الاختلاف ليس كبيرًا جدًا ، يمكننا استخدام البوصلة. يشير سهمه بالضبط إلى القطب المغناطيسي الجنوبي للأرض وتقريبًا إلى الشمال الجغرافي تمامًا. إذا تم اختراع البوصلة قبل 720 ألف عام ، لكانت قد أشارت إلى القطبين الشماليين الجغرافي والمغناطيسي. ولكن المزيد عن ذلك أدناه.

يحمي المجال المغناطيسي سكان الأرض والأقمار الصناعية من الآثار الضارة للجسيمات الكونية. تشمل هذه الجسيمات ، على سبيل المثال ، الجسيمات المتأينة (المشحونة) للرياح الشمسية. يغير المجال المغناطيسي مسار حركتها ، ويوجه الجسيمات على طول خطوط المجال. تؤدي الحاجة إلى وجود مجال مغناطيسي للحياة إلى تضييق نطاق الكواكب التي يحتمل أن تكون صالحة للسكن (إذا بدأنا من افتراض أن أشكال الحياة الممكنة افتراضيًا تشبه سكان الأرض).

لا يستبعد العلماء أن بعض الكواكب الأرضية ليس لها قلب معدني ، وبالتالي فهي خالية من المجال المغناطيسي. حتى الآن ، كان يعتقد أن الكواكب ، المكونة من صخور صلبة ، مثل الأرض ، تحتوي على ثلاث طبقات رئيسية: قشرة صلبة ، وغطاء لزج ، ولب صلب أو صلب من الحديد. في العمل الأخير ، اقترح علماء معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تشكيل كواكب "صخرية" بدون قلب. إذا تم تأكيد الحسابات النظرية للباحثين من خلال الملاحظات ، فمن أجل حساب احتمال لقاء البشر في الكون ، أو على الأقل شيء يشبه الرسوم التوضيحية من كتاب علم الأحياء ، يجب إعادة كتابتها.

يمكن لأبناء الأرض أيضًا أن يفقدوا الحماية المغناطيسية. صحيح أن الجيوفيزيائيين لا يمكنهم حتى الآن تحديد متى سيحدث هذا بالضبط. الحقيقة هي أن الأقطاب المغناطيسية للأرض غير مستقرة. دوريا يغيرون الأماكن. منذ وقت ليس ببعيد ، وجد الباحثون أن الأرض "تتذكر" تغير القطبين. أظهر تحليل لمثل هذه "الذكريات" أنه على مدى 160 مليون سنة الماضية ، تغيرت أماكن الشمال والجنوب المغناطيسي حوالي 100 مرة. آخر مرة حدث فيها هذا الحدث منذ حوالي 720 ألف سنة.

يرافق تغيير الأقطاب تغيير في تكوين المجال المغناطيسي. في الوقت المناسب " الفترة الانتقالية"تخترق جسيمات كونية أكثر خطورة على الكائنات الحية الأرض. تدعي إحدى الفرضيات التي تشرح اختفاء الديناصورات أن الزواحف العملاقة قد ماتت على وجه التحديد أثناء التغيير التالي للأقطاب.

بالإضافة إلى "آثار" الأنشطة المخطط لها لتغيير القطبين ، لاحظ الباحثون تحولات خطيرة في المجال المغناطيسي للأرض. أظهر تحليل البيانات الخاصة بحالته على مدى عدة سنوات أنه في الأشهر الأخيرة بدأوا يحدثون فيه. لم يسجل العلماء مثل هذه "الحركات" الحادة للمجال لفترة طويلة جدًا. تقع منطقة اهتمام الباحثين في جنوب المحيط الأطلسي. لا تتجاوز "سماكة" المجال المغناطيسي في هذه المنطقة ثلث المجال "الطبيعي". لطالما اهتم الباحثون بهذا "الثقب" في المجال المغناطيسي للأرض. تظهر البيانات التي تم جمعها على مدى 150 عامًا أن الحقل هنا قد ضعيف بنسبة 10 بالمائة خلال هذه الفترة.

على ال هذه اللحظةمن الصعب القول كيف يهدد هذا البشرية. قد تكون إحدى عواقب إضعاف شدة المجال زيادة (وإن كانت غير مهمة) في محتوى الأكسجين في الغلاف الجوي للأرض. تم إنشاء الاتصال بين المجال المغناطيسي للأرض وهذا الغاز باستخدام نظام الأقمار الصناعية العنقودية ، وهو مشروع تابع لوكالة الفضاء الأوروبية. اكتشف العلماء أن المجال المغناطيسي يسرع أيونات الأكسجين و "يرميها" في الفضاء الخارجي.

على الرغم من حقيقة أن المجال المغناطيسي لا يمكن رؤيته ، فإن سكان الأرض يشعرون به بشكل جيد. الطيور المهاجرة ، على سبيل المثال ، تجد طريقها ، وتركز عليها. هناك العديد من الفرضيات التي تشرح بالضبط كيف يشعرون المجال. يقترح أحد هذه الأخيرة أن الطيور ترى مجالًا مغناطيسيًا. البروتينات الخاصة - الكريبتوكرومات - في عيون الطيور المهاجرة قادرة على تغيير موقعها تحت تأثير المجال المغناطيسي. يعتقد مؤلفو النظرية أن cryptochromes يمكن أن تعمل كبوصلة.

بالإضافة إلى الطيور ، تستخدم السلاحف البحرية المجال المغناطيسي للأرض بدلاً من نظام تحديد المواقع العالمي (GPS). وكما يتضح من تحليل صور الأقمار الصناعية المقدمة كجزء من مشروع Google Earth ، فإن الأبقار. بعد دراسة صور 8510 بقرة في 308 مناطق حول العالم ، خلص العلماء إلى أن هذه الحيوانات مفضلة (أو من الجنوب إلى الشمال). علاوة على ذلك ، فإن "النقاط المرجعية" للأبقار ليست جغرافية ، بل هي بالضبط الأقطاب المغناطيسية للأرض. لا تزال آلية إدراك الأبقار للمجال المغناطيسي وأسباب هذا التفاعل غير واضحة.

بالإضافة إلى الخصائص الرائعة المدرجة ، يساهم المجال المغناطيسي. تنشأ نتيجة التغيرات الميدانية المفاجئة التي تحدث في المناطق النائية من الحقل.

لم يتجاوز المجال المغناطيسي انتباه مؤيدي إحدى "نظريات المؤامرة" - نظرية خدعة القمر. كما ذكرنا أعلاه ، فإن المجال المغناطيسي يحمينا من الجسيمات الكونية. تتراكم الجسيمات "المجمعة" في أجزاء معينة من المجال - ما يسمى بأحزمة فان ألين الإشعاعية. يعتقد المشككون الذين لا يؤمنون بحقيقة الهبوط على القمر أنه خلال الرحلة عبر الأحزمة الإشعاعية ، سيتلقى رواد الفضاء جرعة قاتلة من الإشعاع.

المجال المغناطيسي للأرض هو نتيجة مذهلة لقوانين الفيزياء ، ودرع واقي ، ومعلم وخلق الشفق القطبي. بدونها ، قد تبدو الحياة على الأرض مختلفة جدًا. بشكل عام ، إذا لم يكن هناك مجال مغناطيسي ، فسيتعين اختراعه.

معظم الكواكب النظام الشمسيلها مجالات مغناطيسية بدرجات متفاوتة.
يُطلق على فرع خاص من الجيوفيزياء يدرس أصل وطبيعة المجال المغناطيسي للأرض اسم المغناطيسية الأرضية. تأخذ المغنطيسية الأرضية في الاعتبار مشاكل ظهور وتطور المكون الرئيسي الثابت للحقل المغنطيسي الأرضي ، وطبيعة المكون المتغير (حوالي 1 ٪ من المجال الرئيسي) ، وكذلك بنية الغلاف المغناطيسي - أعلى طبقات البلازما الممغنطة الغلاف الجوي للأرض الذي يتفاعل مع الرياح الشمسية ويحمي الأرض من اختراق الإشعاع الكوني. مهمة مهمة هي دراسة أنماط اختلافات المجال المغنطيسي الأرضي ، لأنها ناتجة عن تأثيرات خارجية مرتبطة في المقام الأول بالنشاط الشمسي.

قد يكون الأمر مفاجئًا ، ولكن اليوم لا توجد وجهة نظر واحدة حول آلية أصل المجال المغناطيسي للكواكب ، على الرغم من أن فرضية الهيدرودينامو المغناطيسية ، القائمة على الاعتراف بوجود لب خارجي سائل موصل ، تكاد تكون المعترف بها عالميا. يساهم الحمل الحراري ، أي خلط المادة في اللب الخارجي ، في تكوين التيارات الكهربائية الحلقية. ستكون سرعة حركة المادة في الجزء العلوي من اللب السائل أقل إلى حد ما ، وستكون الطبقات السفلية أكثر نسبة إلى الوشاح في الحالة الأولى و نواة صلبة- في الثانية. تتسبب هذه التيارات البطيئة في تكوين مجالات كهربائية حلقية (حلقية) مغلقة الشكل ، والتي لا تتجاوز النواة. بسبب تفاعل المجالات الكهربائية الحلقية مع التيارات الحملية ، ينشأ مجال مغناطيسي إجمالي لطبيعة ثنائية القطب في اللب الخارجي ، يتطابق محورها تقريبًا مع محور دوران الأرض. لبدء مثل هذه العملية ، يلزم وجود مجال مغناطيسي مبدئي ، حتى لو كان ضعيفًا جدًا ، والذي يمكن إنشاؤه بواسطة التأثير الجيرومغناطيسي عندما يكون جسم دوار ممغنطًا في اتجاه محور دورانه.

ليس الدور الأخير الذي تلعبه الرياح الشمسية - تدفق الجسيمات المشحونة ، وخاصة البروتونات والإلكترونات القادمة من الشمس. بالنسبة للأرض ، فإن الرياح الشمسية عبارة عن تيار من الجسيمات المشحونة في اتجاه ثابت ، وهذا ليس أكثر من تيار كهربائي.

وفقًا لتعريف اتجاه التيار ، يتم توجيهه في الاتجاه المعاكس لحركة الجسيمات سالبة الشحنة (الإلكترونات) ، أي من الأرض إلى الشمس. تُحمل الجسيمات التي تشكل الرياح الشمسية ، والتي لها كتلة وشحنة ، بعيدًا عن طريق الطبقات العليا من الغلاف الجوي في اتجاه دوران الأرض. في عام 1958 ، تم اكتشاف حزام إشعاع الأرض. هذه منطقة ضخمة في الفضاء تغطي الأرض عند خط الاستواء. في الحزام الإشعاعي ، حوامل الشحنة الرئيسية هي الإلكترونات. كثافتها هي 2-3 مرات أعلى من كثافة ناقلات الشحنة الأخرى. وبالتالي هناك تيار كهربائي ناتج عن الحركة الدائرية الموجهة لجزيئات الرياح الشمسية ، التي تحملها الحركة الدائرية للأرض ، مما يولد مجالًا كهرومغناطيسيًا "دوامة".

وتجدر الإشارة إلى أن التدفق المغناطيسي الناجم عن تيار الرياح الشمسية يخترق أيضًا تدفق الحمم الحمراء الساخنة داخلها ، والتي تدور مع الأرض. نتيجة لهذا التفاعل ، يتم إحداث قوة دافعة كهربائية فيه ، والتي يتدفق تحت تأثيرها تيار ، مما يؤدي أيضًا إلى إنشاء مجال مغناطيسي. ونتيجة لذلك ، فإن المجال المغناطيسي للأرض هو المجال الناتج عن تفاعل تيار الغلاف الأيوني وتيار الحمم.

لا تعتمد الصورة الفعلية للمجال المغناطيسي للأرض على تكوين الصفيحة الحالية فحسب ، بل تعتمد أيضًا على الخصائص المغناطيسية لقشرة الأرض ، وكذلك على الموقع النسبي للشذوذ المغناطيسي. هنا يمكننا رسم تشبيه بدائرة مع تيار في وجود نواة مغنطيسية حديدية وبدونها. من المعروف أن النواة المغناطيسية لا تغير فقط تكوين المجال المغناطيسي ، بل تعززه أيضًا بشكل كبير.

لقد ثبت بشكل موثوق أن المجال المغناطيسي للأرض يتفاعل مع النشاط الشمسي ، ومع ذلك ، إذا ربطنا حدوث المجال المغناطيسي للكواكب فقط مع الصفائح الحالية في اللب السائل المتفاعل مع الرياح الشمسية ، فيمكننا إذن أن نستنتج أن كواكب يجب أن يكون للنظام الشمسي الذي له نفس اتجاه الدوران نفس اتجاه الحقول المغناطيسية. ومع ذلك ، على سبيل المثال ، يدحض المشتري هذا التأكيد.

من المثير للاهتمام ، أنه عندما تتفاعل الرياح الشمسية مع المجال المغناطيسي للأرض ، يعمل عزم دوران على الأرض ، موجهًا في اتجاه دوران الأرض. وبالتالي ، فإن الأرض فيما يتعلق بالرياح الشمسية تتصرف بشكل مشابه لمحرك DC مع الإثارة الذاتية. مصدر الطاقة (المولد) في هذه الحالة هو الشمس. نظرًا لأن كلاً من المجال المغناطيسي وعزم الدوران المؤثرين على الأرض يعتمدان على تيار الشمس ، والأخير على درجة النشاط الشمسي ، مع زيادة النشاط الشمسي ، يجب أن يزداد عزم الدوران الذي يعمل على الأرض وسرعته يجب زيادة التناوب.

مكونات المجال المغنطيسي الأرضي

يمكن تقسيم المجال المغناطيسي للأرض (المجال المغنطيسي الأرضي) إلى الأجزاء الثلاثة الرئيسية التالية - المجال المغناطيسي الرئيسي (الداخلي) للأرض، بما في ذلك الحالات الشاذة في العالم ، المجالات المغناطيسية للمناطق المحلية للأغلفة الخارجية ، المجال المغناطيسي (الخارجي) المتناوب للأرض.

1. الحقل المغناطيسي الرئيسي للأرض (داخلي) ، التي تشهد تغيرات بطيئة في الزمن (اختلافات علمانية) بفترات من 10 إلى 10000 سنة ، تتركز في فترات 10-20 و 60-100 و 600-1200 و 8000 سنة. يرتبط الأخير بتغيير في ثنائي القطب لحظة جاذبة 1.5-2 مرة.

تُظهر خطوط القوة المغناطيسية التي تم إنشاؤها على نموذج كمبيوتر للجيودينامو مدى بساطة بنية المجال المغناطيسي للأرض خارجها مقارنةً بداخل القلب (الأنابيب المتشابكة في المركز). على سطح الأرض ، تخرج معظم خطوط المجال المغناطيسي من الداخل (أنابيب صفراء طويلة) في القطب الجنوبي وتدخل إلى الداخل (أنابيب زرقاء طويلة) بالقرب من الشمال.

لا يتساءل معظم الناس عادة لماذا تشير إبرة البوصلة إلى الشمال أو الجنوب. لكن الأقطاب المغناطيسية للكوكب لم تكن دائمًا على ما هي عليه اليوم.

تظهر الدراسات المعدنية أن المجال المغناطيسي للأرض قد غير اتجاهه من الشمال إلى الجنوب وعاد مئات المرات على مدى 4-5 مليارات سنة من وجود الكوكب. ومع ذلك ، خلال الـ 780 ألف سنة الماضية ، لم يحدث شيء من هذا القبيل ، على الرغم من حقيقة ذلك منتصف الفترةتغيير الأقطاب المغناطيسية - 250 ألف سنة. بالإضافة إلى ذلك ، ضعف المجال المغنطيسي الأرضي بنسبة 10٪ تقريبًا منذ أن تم قياسه لأول مرة في ثلاثينيات القرن الماضي. القرن ال 19 (على سبيل المثال ، أسرع بنحو 20 مرة مما لو فقدت مصدر الطاقة ، فمن الطبيعي أن تقلل من قوتها). هل التحول القادم في القطب قادم؟

يتم إخفاء مصدر تذبذبات المجال المغناطيسي في مركز الأرض. يخلق كوكبنا ، مثل أجسام النظام الشمسي الأخرى ، مجاله المغناطيسي بمساعدة مولد داخلي ، مبدأ تشغيله هو نفسه مبدأ كهربائي تقليدي ، والذي يحول الطاقة الحركية لجزيئاته المتحركة إلى مجال كهرومغناطيسي. في المولد الكهربائي ، تحدث الحركة في لفات الملف ، وداخل كوكب أو نجم - في مادة سائلة موصلة. تدور كتلة ضخمة من الحديد المصهور بحجم 5 أضعاف حجم القمر في قلب الأرض ، وتشكل ما يسمى الجيودينامو.

على مدى السنوات العشر الماضية ، طور العلماء مناهج جديدة لدراسة تشغيل الجيودينامو وخصائصه المغناطيسية. تنقل الأقمار الصناعية لقطات واضحة للمجال المغنطيسي الأرضي على سطح الأرض ، و الأساليب الحديثةتساعد المحاكاة الحاسوبية والنماذج الفيزيائية التي تم إنشاؤها في المختبرات على تفسير البيانات من الملاحظات المدارية. دفعت التجارب التي تم إجراؤها العلماء إلى تفسير جديد لكيفية حدوث انعكاس الاستقطاب في الماضي وكيف يمكن أن يبدأ في المستقبل.

في الهيكل الداخليللأرض نواة خارجية منصهرة ، حيث يولد الحمل الحراري المضطرب المعقد مجالًا مغناطيسيًا أرضيًا.

طاقة الجيودينامو

ما الذي يدفع الجيودينامو. بحلول الأربعينيات. في القرن الماضي ، أدرك الفيزيائيون ثلاثة شروط ضرورية لتشكيل المجال المغناطيسي للكوكب ، وانطلقت الإنشاءات العلمية اللاحقة من هذه الأحكام. الشرط الأول هو وجود حجم كبير من الكتلة السائلة الموصلة للكهرباء المشبعة بالحديد ، والتي تشكل اللب الخارجي للأرض. يوجد تحته اللب الداخلي للأرض ، ويتكون من حديد نقي تقريبًا ، وفوقه - 2900 كيلومتر من الصخور الصلبة من الوشاح الكثيف والقشرة الأرضية الرقيقة ، التي تشكل القارات وقاع المحيط. الضغط على اللب الناتج عن القشرة الأرضية والعباءة أعلى بمقدار مليوني مرة من الضغط على سطح الأرض. كما أن درجة حرارة اللب مرتفعة للغاية - حوالي 5000 درجة مئوية ، وكذلك درجة حرارة سطح الشمس.

تحدد المعلمات المذكورة أعلاه للبيئة القاسية مسبقًا المتطلب الثاني لتشغيل الجيودينامو: الحاجة إلى مصدر طاقة لضبط الكتلة السائلة في الحركة. تخلق الطاقة الداخلية ، الحرارية جزئيًا وجزئيًا من أصل كيميائي ، ظروفًا للطرد داخل النواة. يسخن اللب أكثر في القاع منه في الأعلى. (كانت درجات الحرارة المرتفعة "محصورة" بداخلها منذ تشكل الأرض). وهذا يعني أن المكون المعدني الأكثر سخونة والأقل كثافة في اللب يميل إلى الارتفاع. عندما تصل الكتلة السائلة إلى الطبقات العليا ، فإنها تفقد بعضًا من حرارتها ، مما يعطيها إلى الوشاح الذي يغطيها. ثم يبرد الحديد السائل ، ويصبح أكثر كثافة من الكتلة المحيطة ، ويغرق. تسمى عملية تحريك الحرارة عن طريق رفع وخفض كتلة سائلة بالحمل الحراري.

الشرط الثالث الضروري للحفاظ على المجال المغناطيسي هو دوران الأرض. تحرف قوة كوريوليس الناتجة حركة الكتلة السائلة الصاعدة داخل الأرض بنفس الطريقة التي تدور بها تيارات المحيطوالأعاصير المدارية ، التي يمكن رؤية دواماتها صور الأقمار الصناعية. في مركز الأرض ، تقوم قوة كوريوليس بتحويل الكتلة السائلة المتزايدة إلى شكل لولبي أو حلزوني ، مثل الزنبرك المكسور.

تحتوي الأرض على كتلة سائلة غنية بالحديد تتركز في مركزها ، وطاقة كافية للحفاظ على الحمل الحراري ، وقوة كوريوليس لتحريف التيارات الحرارية. هذا العامل مهم للغاية للحفاظ على عمل الجيودينامو لملايين السنين. لكن هناك حاجة إلى معرفة جديدة للإجابة على السؤال المتعلق بكيفية تكوين المجال المغناطيسي ولماذا يتغير القطبان من وقت لآخر.

عودة الاستقطاب

لطالما تساءل العلماء عن سبب تغيير الأقطاب المغناطيسية للأرض من وقت لآخر. تسمح لنا الدراسات الحديثة عن حركات دوامة الكتل المنصهرة داخل الأرض بفهم كيفية حدوث انعكاس الاستقطاب.

تم العثور على مجال مغناطيسي ، أكثر كثافة وأكثر تعقيدًا من مجال اللب ، حيث تتشكل التذبذبات المغناطيسية ، عند الحدود بين الوشاح واللب. تمنع التيارات الكهربائية الناشئة في القلب القياسات المباشرة لمجالها المغناطيسي.

من المهم أن معظم المجال المغنطيسي الأرضي يتشكل فقط في أربع مناطق شاسعة عند الحدود بين اللب والعباءة. على الرغم من أن الجيودينامو ينتج مجالًا مغناطيسيًا قويًا جدًا ، إلا أن 1 ٪ فقط من طاقته تنتشر خارج القلب. يُطلق على التكوين العام للحقل المغناطيسي المقاس على السطح ثنائي القطب ، والذي يتم توجيهه في معظم الأحيان على طول محور دوران الأرض. كما هو الحال في مجال المغناطيس الخطي ، يتم توجيه التدفق المغناطيسي الأرضي الرئيسي من مركز الأرض في نصف الكرة الجنوبي ونحو المركز في نصف الكرة الشمالي. (تشير إبرة البوصلة إلى القطب الشمالي الجغرافي ، حيث أن القطب المغناطيسي الجنوبي للقطب ثنائي القطب قريب.) وقد أظهرت الملاحظات الفضائية أن التدفق المغناطيسي له توزيع عالمي غير متساوٍ ، ويمكن تتبع أقصى كثافة على ساحل القطب الجنوبي ، تحت الشمال. أمريكا وسيبيريا.

يعتقد Ulrich R. Christensen من معهد ماكس بلانك لأبحاث النظام الشمسي في كاتلينبرج-لينداو بألمانيا أن هذه المساحات الشاسعة من الأرض موجودة منذ آلاف السنين ويتم الحفاظ عليها من خلال الحمل الحراري الدائم التطور داخل القلب. هل يمكن أن تكون ظواهر مماثلة هي سبب انعكاس القطب؟ تشهد الجيولوجيا التاريخية أن تغيرات القطب حدثت في فترات زمنية قصيرة نسبيًا - من 4 آلاف إلى 10 آلاف سنة. إذا توقفت الجيودينامو عن عملها ، فسيظل ثنائي القطب موجودًا لمدة 100 ألف عام أخرى. يعطي الانعكاس السريع للقطبية سببًا للاعتقاد بأن بعض المواقف غير المستقرة تنتهك القطبية الأصلية وتسبب تغييرًا جديدًا للأقطاب.

في بعض الحالات ، يمكن تفسير عدم الاستقرار الغامض من خلال بعض التغيير الفوضوي في بنية التدفق المغناطيسي ، والذي لا يؤدي إلا بشكل عرضي إلى انعكاس الاستقطاب. ومع ذلك ، فإن تواتر انعكاس القطبية ، الذي أصبح أكثر استقرارًا على مدى 120 مليون سنة الماضية ، يشير إلى إمكانية التنظيم الخارجي. قد يكون أحد أسباب ذلك هو انخفاض درجة الحرارة في الطبقة السفلية من الوشاح ، ونتيجة لذلك ، تغيير في طبيعة انصباب اللب.

تم الكشف عن بعض أعراض انعكاس الاستقطاب في تحليل الخرائط التي تم إجراؤها من الأقمار الصناعية Magsat و Oersted. لاحظ غوتييه هولوت وزملاؤه في المعهد الجيوفيزيائي بباريس أن التغيرات طويلة المدى في المجال المغنطيسي الأرضي تحدث عند حدود الوشاح الأساسي في الأماكن التي ينعكس فيها اتجاه التدفق المغنطيسي الأرضي عن الوضع الطبيعي لنصف كروي معين. يمتد أكبر ما يسمى بأقسام المجال المغناطيسي العكسي من الطرف الجنوبي لأفريقيا غربًا إلى أمريكا الجنوبية. في هذه المنطقة ، يتم توجيه التدفق المغناطيسي إلى الداخل ، نحو القلب ، بينما يتم توجيه معظمه في نصف الكرة الجنوبي من المركز.

تنشأ المناطق التي يتم فيها توجيه المجال المغناطيسي في الاتجاه المعاكس لنصف كرة معين عندما تخترق الخطوط الملتوية والمتعرجة للحقل المغناطيسي بطريق الخطأ قلب الأرض. يمكن أن تضعف قطع المجال المغناطيسي العكسي بشكل كبير المجال المغناطيسي على سطح الأرض ، ويسمى ثنائي القطب ، وتشير إلى بداية تغيير في قطبي الأرض. تظهر عندما تدفع كتلة سائلة متزايدة الخطوط المغناطيسية الأفقية لأعلى في اللب الخارجي المنصهر. مثل هذا التدفق الحراري في بعض الأحيان يلف ويضغط على الخط المغناطيسي (أ). في الوقت نفسه ، تسبب قوى دوران الأرض دورانًا حلزونيًا للذوبان ، والذي يمكن أن يشد الحلقة على الخط المغناطيسي المبثوق (ب). عندما تكون قوة الطفو قوية بما يكفي لإخراج الحلقة من القلب ، يتشكل زوج من رقع التدفق المغناطيسي في واجهة اللب والوشاح.

كان أهم اكتشاف تم إجراؤه عند مقارنة أحدث القياسات من Oersted وتلك التي تم إجراؤها في عام 1980 هو أن مناطق جديدة من الحقول المغناطيسية المعكوسة تستمر في التكون ، على سبيل المثال ، عند الحدود الأساسية للوشاح تحت الساحل الشرقي. أمريكا الشماليةوالقطب الشمالي. علاوة على ذلك ، نمت المناطق المحددة مسبقًا وتحركت قليلاً نحو القطبين. في نهاية الثمانينيات. القرن ال 20 لاحظ David Gubbins من جامعة Leeds في إنجلترا ، الذي درس الخرائط القديمة للمجال المغنطيسي الأرضي ، أن الانتشار والنمو والتحول نحو أقطاب الحقول المغناطيسية المعكوسة يفسر الانخفاض في قوة ثنائي القطب في الزمن التاريخي.

وفقا للأحكام النظرية حول السلطة خطوط مغناطيسية، التي تنشأ في الوسط السائل للنواة تحت تأثير قوة كوريوليس ، تقوم الدوامات الصغيرة والكبيرة بتحويل خطوط القوة إلى عقدة. تجمع كل دورة المزيد والمزيد من خطوط القوة في القلب ، وبالتالي تضخيم طاقة المجال المغناطيسي. إذا استمرت العملية دون عوائق ، فإن المجال المغناطيسي يزداد إلى أجل غير مسمى. لكن المقاومة الكهربائيةتبدد وتحاذي خطوط المجال لإيقاف النمو التلقائي للمجال المغناطيسي ومواصلة إعادة إنتاج الطاقة الداخلية.

تتشكل المناطق ذات الحقول المغناطيسية العادية والعكسية الشديدة عند واجهة اللب-الوشاح ، حيث تتفاعل الدوامات الصغيرة والكبيرة مع المجالات المغناطيسية بين الشرق والغرب ، والتي توصف بأنها حلقي ، والتي تخترق اللب. يمكن لحركات الموائع المضطربة أن تحريف خطوط المجال الحلقي إلى حلقات ، تسمى حقول بولويدال ، ذات اتجاه شمالي-جنوبي. يحدث الالتواء أحيانًا عندما ترتفع كتلة السوائل. إذا كان هذا التدفق قويًا بدرجة كافية ، فسيتم دفع الجزء العلوي من الحلقة القطنية خارج النواة (انظر الشكل الداخلي على اليسار). نتيجة لهذا الطرد ، يتم تشكيل قسمين ، حيث تعبر الحلقة حدود اللب والعباءة. في أحدها ، ينشأ اتجاه التدفق المغناطيسي ، بالتزامن مع الاتجاه العام للحقل ثنائي القطب في نصف الكرة المحدد ؛ في القسم الآخر ، يتم توجيه التدفق بشكل معاكس.

عندما يجعل الدوران منطقة المجال المغناطيسي العكسي أقرب إلى القطب الجغرافي من المنطقة ذات التدفق الطبيعي ، يكون هناك ضعف في ثنائي القطب ، وهو الأكثر عرضة للخطر بالقرب من أقطابها. بهذه الطريقة ، يمكن تفسير المجال المغناطيسي العكسي في جنوب إفريقيا. مع بداية عالمية لانعكاس القطب ، يمكن أن تنمو مناطق المجال المغناطيسي العكسي في جميع أنحاء المنطقة بالقرب من القطبين الجغرافيين.

تُظهر الخرائط الكنتورية للحقل المغناطيسي للأرض عند حدود الوشاح الأساسي ، والتي تم تجميعها من قياسات الأقمار الصناعية ، أن معظم التدفق المغناطيسي يتم توجيهه من مركز الأرض في نصف الكرة الجنوبي ونحو المركز في نصف الكرة الشمالي. ولكن في بعض المناطق ، تنعكس الصورة. نمت الحقول المغناطيسية العكسية من حيث العدد والحجم بين عامي 1980 و 2000. إذا ملأت الفراغ بأكمله في كلا القطبين ، فقد يحدث انعكاس الاستقطاب.

نماذج انعكاس القطب

توضح خرائط المجال المغناطيسي كيف ، مع القطبية العادية ، يتم توجيه معظم التدفق المغناطيسي من مركز الأرض ( الأصفر) في نصف الكرة الجنوبي ونحو مركزها (أزرق فاتح) في نصف الكرة الشمالي (أ). تتميز بداية انعكاس الاستقطاب بظهور عدة مناطق من المجال المغناطيسي المعكوس (الأزرق في نصف الكرة الجنوبي والأصفر في نصف الكرة الشمالي) ، مما يذكرنا بتكوين أقسامه عند حدود الوشاح الأساسي. لمدة 3 آلاف عام تقريبًا ، قللوا من قوة المجال ثنائي القطب ، والذي تم استبداله بمجال انتقالي أضعف ولكنه أكثر تعقيدًا عند حدود اللب والعباءة (ب). أصبح تغيير القطبين ظاهرة متكررة بعد ستة آلاف عام ، عندما بدأت أجزاء من المجال المغناطيسي العكسي بالهيمنة على حدود اللب والعباءة (ج). بحلول هذا الوقت ، ظهر أيضًا انعكاس كامل للأقطاب على سطح الأرض. ولكن فقط بعد 3 آلاف سنة أخرى كان هناك استبدال كامل لثنائي القطب ، بما في ذلك لب الأرض (د).

ماذا يحدث للمجال المغناطيسي الداخلي اليوم؟

يعرف معظمنا أن الأقطاب الجغرافية تقوم باستمرار بحركات دائرية معقدة في الاتجاه التناوب اليوميالأرض (مقدمة المحور بفترة 25776 سنة). عادةً ما تحدث هذه الحركات بالقرب من المحور التخيلي لدوران الأرض ولا تؤدي إلى تغير مناخي ملحوظ. اقرأ المزيد عن تحول العمود. لكن قلة من الناس لاحظوا أنه في نهاية عام 1998 ، تغير المكون العام لهذه الحركات. في غضون شهر ، تحرك القطب نحو كندا بمقدار 50 كيلومترًا. في الوقت الحاضر ، القطب الشمالي "يزحف" على طول خط العرض 120 لخط الطول الغربي. يمكن الافتراض أنه إذا استمر الاتجاه الحالي في حركة القطبين حتى عام 2010 ، فيمكن للقطب الشمالي أن يتحرك من 3 إلى 4 آلاف كيلومتر. نقطة نهاية الانجراف هي بحيرات الدب العظيم في كندا. القطب الجنوبي، على التوالي ، من مركز القارة القطبية الجنوبية إلى المحيط الهندي.

تم تسجيل تحول الأقطاب المغناطيسية منذ عام 1885. وعلى مدار المائة عام الماضية ، تحرك القطب المغناطيسي في نصف الكرة الجنوبي تقريبًا 900 كم و المحيط الهندي. أحدث البيانات عن حالة القطب المغناطيسي في القطب الشمالي (التحرك نحو الشذوذ المغناطيسي لعالم شرق سيبيريا عبر المحيط المتجمد الشمالي): أظهرت أنه من عام 1973 إلى عام 1984 كان طوله 120 كم ، من 1984 إلى 1994. - أكثر من 150 كم. من المميزات أن هذه البيانات تم حسابها ، ولكن تم تأكيدها من خلال قياسات محددة للقطب المغناطيسي الشمالي. واعتبارًا من بداية عام 2002 ، زادت سرعة انجراف القطب المغناطيسي الشمالي من 10 كم / سنة في السبعينيات إلى 40 كم / عام في عام 2001.

بالإضافة إلى ذلك ، تتناقص قوة المجال المغناطيسي للأرض وبشكل غير متساوٍ للغاية. وهكذا ، على مدى السنوات الـ 22 الماضية ، انخفض بمعدل 1.7 في المائة ، وفي بعض المناطق - على سبيل المثال ، في جنوب المحيط الأطلسي - بنسبة 10 في المائة. ومع ذلك ، في بعض الأماكن على كوكبنا ، زاد المجال المغناطيسي بشكل طفيف ، على عكس الاتجاه العام.

نؤكد أن تسارع حركة القطبين (بمتوسط 3 كم / سنة لكل عقد) وحركتهم على طول ممرات انعكاس القطب المغناطيسي (أكثر من 400 انعكاس باليو جعل من الممكن تحديد هذه الممرات) يجعلنا نشك في ذلك لا ينبغي أن يُنظر إلى حركة القطبين هذه على أنها رحلة ، وانعكاس قطبية للمجال المغناطيسي للأرض.

يمكن أن يجعل التسارع حركة القطبين تصل إلى 200 كيلومتر في السنة ، بحيث يتم تنفيذ الانعكاس بشكل أسرع بكثير مما يتوقعه الباحثون الذين هم بعيدون عن التقديرات المهنية للعمليات الحقيقية لانعكاس القطبية.

في تاريخ الأرض ، حدثت تغيرات متكررة في موضع القطبين الجغرافيين ، وترتبط هذه الظاهرة في المقام الأول بتجلد مساحات شاسعة من الأرض والتغيرات الأساسية في مناخ الكوكب بأكمله. لكن أصداء في تاريخ البشرية وردت فقط الكارثة الأخيرة، على الأرجح مرتبط بتحول القطب الذي حدث منذ حوالي 12 ألف عام. نعلم جميعًا أن الماموث انقرض. لكن كل شيء كان أكثر خطورة.

لا يمكن إنكار انقراض مئات الأنواع الحيوانية. هناك مناقشات حول الطوفان وتدمير أتلانتس. لكن هناك شيء واحد مؤكد - أصداء أعظم كارثة في ذاكرة البشرية لها أساس حقيقي. وهو ناتج ، على الأرجح ، عن تحول قطبي لمسافة 2000 كيلومتر فقط.

يوضح النموذج أدناه المجال المغناطيسي داخل النواة (مجموعة من خطوط المجال في المركز) وظهور ثنائي القطب (خطوط منحنية طويلة) قبل 500 عام (أ) قبل منتصف إعادة الاستقطاب (ب) من ثنائي القطب المغناطيسي و بعد 500 عام في مرحلة الانتهاء منه (ج).

المجال المغناطيسي للماضي الجيولوجي للأرض

على مدى 150 مليون سنة الماضية ، حدثت عودة الاستقطاب مئات المرات ، كما يتضح من المعادن الممغنطة بواسطة مجال الأرض أثناء تسخين الصخور. ثم بردت الصخور واحتفظت المعادن بتوجهها المغناطيسي السابق.

مقاييس انعكاسات المجال المغناطيسي: I - لآخر 5 ملايين سنة ؛ الثاني - على مدى ال 55 مليون سنة الماضية. اللون الأسود - مغنطة عادية ، لون أبيض - مغنطة عكسية (وفقًا لـ W.W. Harland et al. ، 1985)

انعكاسات المجال المغناطيسي هي تغيير في علامة محاور ثنائي القطب المتماثل. في عام 1906 ب. برون قياس الخواص المغناطيسيةوجدت الحمم النيوجينية ، وهي حمم صغيرة نسبيًا في وسط فرنسا ، أن مغنطتها عكس اتجاه المجال المغنطيسي الأرضي الحديث ، أي أن القطبين المغناطيسيين الشمالي والجنوبي ، كما كان الحال ، متغيران. إن وجود الصخور الممغنطة عكسيًا ليس نتيجة لبعض الظروف غير العادية في وقت تكوينها ، ولكنه نتيجة لانقلاب المجال المغناطيسي للأرض في الوقت الحالي. يعد انعكاس قطبية المجال المغنطيسي الأرضي هو أهم اكتشاف في علم المغنطيسية القديمة ، مما جعل من الممكن إنشاء علم جديدالمغناطيسية المغناطيسية ، التي تدرس تقسيم رواسب الصخور على أساس مغنطيتها المباشرة أو المعكوسة. والشيء الرئيسي هنا هو إثبات التزامن لتحويلات الإشارات هذه في جميع أنحاء العالم. في هذه الحالة ، في أيدي الجيولوجيين جدا طريقة فعالةالرواسب وارتباطات الحدث.

في المجال المغناطيسي الحقيقي للأرض ، يمكن أن يكون الوقت الذي تتغير خلاله علامة القطبية إما قصيرًا ، أو يصل إلى ألف عام ، أو حتى ملايين السنين.
تسمى الفترات الزمنية لهيمنة أي قطبية واحدة بالعهود المغنطيسية الأرضية ، وبعضها سمي على اسم علماء المغناطيسية الأرضية البارزين Brunness و Matuyama و Gauss و Gilbert. خلال العصور ، يتم تمييز فترات أقصر لقطبية أو بأخرى ، تسمى الحلقات المغنطيسية الأرضية. تم إجراء التحديد الأكثر فعالية لفترات القطبية المباشرة والعكسية للمجال المغنطيسي الأرضي لتدفقات الحمم البركانية الفتية جيولوجيًا في آيسلندا وإثيوبيا وأماكن أخرى. عيب هذه الدراسات هو أن عملية تدفق الحمم البركانية كانت عملية متقطعة ، لذلك من الممكن تمامًا تفويت أي حلقة مغناطيسية.

عندما أتيحت الفرصة لسلالات مختارة من نفس العمر ، ولكن تم أخذها قارات مختلفة، لتحديد موضع الأقطاب المغناطيسية القديمة في الفترة الزمنية التي تهمنا ، اتضح أن متوسط القطب المحسوب ، على سبيل المثال ، للصخور الجوراسية العليا (170 - 144 مليون سنة) لأمريكا الشمالية ونفس القطب ستكون نفس صخور أوروبا في أماكن مختلفة. اتضح ، كما كان ، قطبين شماليين ، لا يمكن أن يكونا بنظام ثنائي القطب. لكي يكون القطب الشمالي واحدًا ، كان من الضروري تغيير موقع القارات على سطح الأرض. في حالتنا هذا ، كان هذا يعني التقارب بين أوروبا وأمريكا الشمالية حتى تزامنت حواف الجرف ، أي مع عمق محيط يبلغ حوالي 200 متر.وبعبارة أخرى ، ليست الأقطاب هي التي تتحرك ، بل القارات.

أتاح استخدام الطريقة المغنطيسية القديمة إجراء عمليات إعادة بناء مفصلة لفتح المحيطات الأطلسية والهندي والقطبية الشابة نسبيًا وفهم تاريخ تطور المحيط الهادئ الأقدم. الترتيب الحالي للقارات هو نتيجة لتفكك شبه القارة العملاقة بانجيا ، والتي بدأت منذ حوالي 200 مليون سنة. يتيح المجال المغناطيسي الخطي للمحيطات تحديد سرعة حركة الصفائح ، ويوفر نمطها أفضل المعلومات للتحليل الجيوديناميكي.

بفضل الدراسات المغنطيسية القديمة ، ثبت أن انقسام إفريقيا والقارة القطبية الجنوبية حدث منذ 160 مليون سنة. تم العثور على أقدم الحالات الشاذة التي يبلغ عمرها 170 مليون سنة (العصر الجوراسي الأوسط) على طول حواف المحيط الأطلسي بالقرب من سواحل أمريكا الشمالية وأفريقيا. هذا هو وقت بداية تفكك القارة العظمى. نشأ جنوب المحيط الأطلسي منذ 120 - 110 مليون سنة ، والشمال بعد ذلك بكثير (قبل 80 - 65 مليون سنة) ، إلخ. أمثلة مماثلةيمكن للمرء أن يستشهد بأي من المحيطات ، وكما لو كان "يقرأ" السجل المغنطيسي القديم ، يعيد بناء تاريخ تطورها وحركة ألواح الغلاف الصخري.

شذوذ العالم- الانحرافات عن ثنائي القطب المكافئ حتى 20٪ من شدة المناطق الفردية بأبعاد مميزة تصل إلى 10000 كم. تشهد هذه الحقول الشاذة اختلافات علمانية تؤدي إلى تغييرات بمرور الوقت على مدار سنوات وقرون عديدة. أمثلة على الحالات الشاذة: البرازيلية ، الكندية ، السيبيري ، كورسك. في سياق الاختلافات العلمانية ، تتغير الانحرافات العالمية وتتفكك وتعاود الظهور. عند خطوط العرض المنخفضة ، هناك انجراف غربي في خطوط الطول بمعدل 0.2 درجة في السنة.

2. المجالات المغناطيسية للمناطق المحلية قذائف خارجيةبطول يتراوح من عدة إلى مئات الكيلومترات. إنها ناتجة عن تمغنط الصخور في الطبقة العليا من الأرض ، والتي تشكل قشرة الأرض وتقع بالقرب من السطح. واحدة من أقوى الشذوذ المغناطيسي كورسك.

3. المجال المغناطيسي المتغير للأرض (وتسمى أيضًا خارجية) تحددها مصادر في شكل أنظمة حالية موجودة خارج سطح الأرض وفي غلافها الجوي. المصادر الرئيسية لهذه الحقول وتغيراتها هي التدفقات الجسدية للبلازما الممغنطة القادمة من الشمس مع الرياح الشمسية وتشكيل هيكل وشكل الغلاف المغناطيسي للأرض.

بادئ ذي بدء ، يمكن ملاحظة أن هذا الهيكل له شكل "متعدد الطبقات". ومع ذلك ، في بعض الأحيان يمكن للمرء أن يلاحظ "كسر" في الطبقات العليا ، يحدث على ما يبدو تحت تأثير زيادة في الرياح الشمسية. على سبيل المثال مثل هنا:

في الوقت نفسه ، تعتمد درجة "التسخين" على سرعة وكثافة الرياح الشمسية في مثل هذه اللحظة ، فهي تنعكس في نطاق الألوان من الأصفر إلى البنفسجي ، وهو ما يعكس في الواقع الضغط على المجال المغناطيسي في هذه المنطقة (الشكل العلوي الأيمن).

هيكل المجال المغناطيسي للغلاف الجوي للأرض (المجال المغناطيسي الخارجي للأرض)

يتأثر المجال المغناطيسي للأرض بتدفق البلازما الشمسية الممغنطة. نتيجة التفاعل مع مجال الأرض ، الحد الخارجيالمجال المغناطيسي القريب من الأرض ، يسمى المغنطيسية. يحد من الغلاف المغناطيسي للأرض. بسبب تأثير التدفقات الجسدية الشمسية ، يتغير حجم وشكل الغلاف المغناطيسي باستمرار ، وينشأ مجال مغناطيسي متناوب ، يحدده مصادر خارجية. تدين تباينها في أصلها إلى الأنظمة الحالية التي تتطور على ارتفاعات مختلفة من الطبقات السفلية من الأيونوسفير إلى نقطة التوقف المغناطيسية. تسمى التغييرات في المجال المغناطيسي للأرض بمرور الوقت ، والناجمة عن أسباب مختلفة ، التغيرات الجيومغناطيسية ، والتي تختلف في مدتها وتوطينها على الأرض وفي الغلاف الجوي.

الغلاف المغناطيسي هو منطقة من الفضاء القريب من الأرض يتحكم فيها المجال المغناطيسي للأرض. يتكون الغلاف المغناطيسي نتيجة تفاعل الرياح الشمسية مع بلازما الغلاف الجوي العلوي والمجال المغناطيسي للأرض. شكل الغلاف المغناطيسي هو تجويف وذيل طويل يكرران شكل خطوط المجال المغناطيسي. تقع النقطة الفرعية في المتوسط على مسافة 10 أنصاف أقطار الأرض ، ويمتد الذيل المغناطيسي إلى ما وراء مدار القمر. يتم تحديد طوبولوجيا الغلاف المغناطيسي من خلال مناطق تغلغل البلازما الشمسية في الغلاف المغناطيسي وطبيعة الأنظمة الحالية.

يتكون ذيل الغلاف المغناطيسي من خطوط قوة المجال المغناطيسي للأرض ، والتي تظهر من المناطق القطبية وممتدة تحت تأثير الرياح الشمسية لمئات من أنصاف أقطار الأرض من الشمس إلى الجانب الليلي من الأرض. نتيجة لذلك ، تتدفق بلازما الرياح الشمسية والتيارات الجسيمية الشمسية ، كما كانت ، حول الغلاف المغناطيسي للأرض ، مما يعطيها شكلاً ذيلًا غريبًا.
في الذيل المغناطيسي ، على مسافات كبيرة من الأرض ، تضعف شدة المجال المغناطيسي للأرض ، وبالتالي خصائصها الوقائية ، ويمكن لبعض جزيئات البلازما الشمسية اختراق الغلاف المغناطيسي للأرض والدخول إليه والفخاخ المغناطيسية. أحزمة إشعاع. يخترق الجزء العلوي من الغلاف المغناطيسي في منطقة الشفق القطبي تحت تأثير الضغط المتغير للرياح الشمسية والحقل بين الكواكب ، ويعمل الذيل كمكان لتشكيل تيارات من الجسيمات المترسبة التي تسبب الشفق القطبي و التيارات الشفقية. ينفصل الغلاف المغناطيسي عن الفضاء بين الكواكب عن طريق الانحراف المغناطيسي. على طول الفترة المغناطيسية ، تتدفق جزيئات التيارات الجسدية حول الغلاف المغناطيسي. أحيانًا يكون تأثير الرياح الشمسية على المجال المغناطيسي للأرض قويًا جدًا. إن انقطاع المغناطيس هو الحد الخارجي للغلاف المغناطيسي للأرض (أو للكوكب) ، حيث يتم موازنة الضغط الديناميكي للرياح الشمسية بضغط مجالها المغناطيسي. مع معلمات الرياح الشمسية النموذجية ، تكون النقطة الفرعية هي 9-11 نصف قطر الأرض بعيدًا عن مركز الأرض. خلال فترة الاضطرابات المغناطيسية على الأرض ، يمكن أن يتجاوز المغنطيسي المدار الثابت بالنسبة للأرض(6.6 نصف قطر الأرض). عندما تكون الرياح الشمسية ضعيفة ، تكون النقطة الفرعية على مسافة 15-20 نصف قطر الأرض.

الاختلافات الجيومغناطيسية

التغييرات في المجال المغناطيسي للأرض بمرور الوقت تحت تأثير عوامل مختلفة تسمى التغيرات المغناطيسية الأرضية. الفرق بين القيمة المرصودة لشدة المجال المغناطيسي وقيمته المتوسطة على مدى أي فترة زمنية طويلة ، على سبيل المثال ، شهر أو سنة ، يسمى التباين المغنطيسي الأرضي. وفقًا للملاحظات ، تتغير التغيرات الجيومغناطيسية باستمرار بمرور الوقت ، وغالبًا ما تكون هذه التغييرات دورية.

الاختلافات اليومية تحدث الحقول المغنطيسية الأرضية بانتظام ، ويرجع ذلك أساسًا إلى التيارات في الغلاف الجوي المتأين للأرض ، والناجمة عن التغيرات في إضاءة الغلاف المتأين للأرض بواسطة الشمس أثناء النهار.

التباين الجيومغناطيسي اليومي للفترة من 19.03.2010 من الساعة 12:00 إلى 21.03.2010 00:00

يتم وصف المجال المغناطيسي للأرض بسبعة معلمات. لقياس المجال المغناطيسي للأرض في أي نقطة ، يجب علينا قياس اتجاه وقوة المجال. معلمات تصف اتجاه المجال المغناطيسي: الانحراف (D) ، الميل (I). يتم قياس D وأنا بالدرجات. يتم وصف قوة المجال العام (F) بواسطة المكون الأفقي (H) والمكون الرأسي (Z) والمكونات الشمالية (X) والشرقية (Y) للقوة الأفقية. يمكن قياس هذه المكونات بالدرجات (1 oersted = 1 gauss) ، ولكن عادةً في nanoteslas (1nT x 100،000 = 1 oersted).

اختلافات غير منتظمة تنشأ المجالات المغناطيسية بسبب تأثير تدفق البلازما الشمسي (الرياح الشمسية) على الغلاف المغناطيسي للأرض ، وكذلك التغيرات داخل الغلاف المغناطيسي وتفاعل الغلاف المغناطيسي مع الغلاف المتأين.

يوضح الشكل أدناه (من اليسار إلى اليمين) صورًا للتيار - المجال المغناطيسي ، والضغط ، وتيارات الحمل الحراري في طبقة الأيونوسفير ، بالإضافة إلى الرسوم البيانية للتغيرات في سرعة وكثافة الرياح الشمسية (V ، أوكار) والقيم المكونات الرأسية والشرقية للحقل المغناطيسي الخارجي للأرض.

27 يوم متغيرات توجد كميل لتكرار الزيادة في النشاط المغنطيسي الأرضي كل 27 يومًا ، المقابلة لفترة دوران الشمس بالنسبة للمراقب الأرضي. يرتبط هذا النمط بوجود مناطق نشطة طويلة العمر على الشمس ، والتي لوحظت خلال عدة ثورات للشمس. يتجلى هذا النمط في شكل تكرار لمدة 27 يومًا للنشاط المغناطيسي والعواصف المغناطيسية.

التغيرات الموسمية تم الكشف عن النشاط المغناطيسي بثقة على أساس متوسط البيانات الشهرية حول النشاط المغناطيسي التي تم الحصول عليها من خلال معالجة الملاحظات على مدى عدة سنوات. يزداد اتساعها مع نمو النشاط المغناطيسي الكلي. لقد وجد أن التغيرات الموسمية للنشاط المغناطيسي لها حدان أقصى يقابلان فترات الاعتدال ، وحدتين صغيرتين تقابلان فترات الانقلابات. سبب هذه الاختلافات هو تكوين مناطق نشطة على الشمس ، والتي تم تجميعها في مناطق من 10 إلى 30 درجة من خطوط العرض الشمالية والجنوبية. لذلك ، خلال فترات الاعتدال ، عندما تتزامن مستويات خط الاستواء بين الأرض والشمس ، تكون الأرض أكثر تعرضًا لعمل المناطق النشطة على الشمس.

11 سنة التغيرات. تتجلى العلاقة بين النشاط الشمسي والنشاط المغناطيسي بشكل أكثر وضوحًا عند مقارنة سلسلة طويلة من الملاحظات التي تكون مضاعفات 11 فترات الصيفالنشاط الشمسي. أفضل مقياس معروف للنشاط الشمسي هو عدد البقع الشمسية. وجد أنه خلال سنوات الحد الأقصى لعدد البقع الشمسية ، يصل النشاط المغناطيسي أيضًا إلى قيمته القصوى ، ومع ذلك ، فإن الزيادة في النشاط المغناطيسي تتأخر إلى حد ما عن الزيادة في النشاط الشمسي ، بحيث يكون هذا التأخير في المتوسط سنة واحدة.

الاختلافات العمرية - التغيرات البطيئة لعناصر المغناطيسية الأرضية بفترات تصل إلى عدة سنوات أو أكثر. على عكس الاختلافات اليومية والموسمية وغيرها أصل خارجي، الاختلافات العلمانية مرتبطة بالمصادر الموجودة داخل نواة الأرض. يصل اتساع الاختلافات العلمانية إلى عشرات nT / سنة ؛ تسمى التغييرات في متوسط القيم السنوية لهذه العناصر التباين العلماني. تتركز انعزالات الاختلافات العلمانية حول عدة نقاط - مراكز أو بؤر الاختلاف العلماني ، في هذه المراكز تصل قيمة التباين العلماني إلى قيمه القصوى.

العاصفة المغناطيسية - تأثيرها على جسم الإنسان

تتغير الخصائص المحلية للمجال المغناطيسي وتتقلب أحيانًا لعدة ساعات ، ثم تعود إلى المستوى السابق. هذه الظاهرة تسمى العاصفة المغناطيسية. غالبًا ما تبدأ العواصف المغناطيسية فجأة وفي جميع أنحاء العالم في نفس الوقت.

تصل موجة صدمية من الرياح الشمسية إلى مدار الأرض بعد يوم واحد من حدوث التوهج الشمسي وبدء عاصفة مغناطيسية. من الواضح أن المرضى المصابين بأمراض خطيرة يتفاعلون منذ الساعات الأولى بعد تفشي المرض على الشمس ، والباقي - منذ اللحظة التي بدأت فيها العاصفة على الأرض. الشائع للجميع هو التغيير في النظم الحيوية خلال هذه الساعات. يزداد عدد حالات احتشاء عضلة القلب في اليوم التالي بعد تفشي المرض (حوالي مرتين أكثر مقارنة بالأيام الهادئة مغناطيسيًا). في نفس اليوم ، تبدأ عاصفة الغلاف المغناطيسي التي تسببها التوهج. في الأشخاص الأصحاء تمامًا ، يتم تنشيط الجهاز المناعي ، وقد تكون هناك زيادة في القدرة على العمل ، وتحسين الحالة المزاجية.

ملحوظة:الهدوء المغنطيسي الأرضي ، الذي يستمر لعدة أيام أو أكثر على التوالي ، يؤثر على جسم ساكن المدينة ، من نواح كثيرة ، مثل العاصفة - بشكل محبط ، يسبب الاكتئاب وضعف جهاز المناعة. يساعد "الارتداد" الطفيف للمجال المغناطيسي داخل Kp = 0 - 3 على تحمل التغيرات في الضغط الجوي وعوامل الأرصاد الجوية بسهولة أكبر.

تم اعتماد التدرج التالي لقيم مؤشر Kp:

Kp = 0-1 - الوضع المغنطيسي الأرضي هادئ (هادئ) ؛

Kp = 1-2 - البيئة المغناطيسية الأرضية من الهدوء إلى المضطرب قليلاً ؛

Kp = 3-4 - من مضطرب قليلاً إلى مضطرب ؛

Kp = 5 وما فوق - عاصفة مغناطيسية ضعيفة (المستوى G1) ؛

Kp = 6 وما فوق - متوسط العاصفة المغناطيسية (المستوى G2) ؛

Kp = 7 وما فوق - عاصفة مغناطيسية قوية (المستوى G3) ؛ من الممكن وقوع الحوادث ، وتدهور صحة الأشخاص المعتمدين على الطقس

Kp = 8 وما فوق - عاصفة مغناطيسية قوية جدًا (المستوى G4) ؛

Kp = 9 - عاصفة مغناطيسية قوية للغاية (مستوى G5) - أقصى قيمة ممكنة.

المراقبة عبر الإنترنت لحالة الغلاف المغناطيسي والعواصف المغناطيسية هنا:

نتيجة لدراسات عديدة أجريت في المعهد أبحاث الفضاء(IKI) ، معهد المغناطيسية الأرضية والغلاف الأيوني وانتشار الموجات الراديوية (IZMIRAN) ، الأكاديمية الطبية. هم. Sechenov ومعهد المشاكل الطبية والبيولوجية التابع للأكاديمية الروسية للعلوم ، اتضح أنه خلال العواصف الجيومغناطيسية في المرضى الذين يعانون من أمراض القلب والأوعية الدموية ، وخاصة في أولئك الذين يعانون من احتشاء عضلة القلب ، وقفز ضغط الدم ، وزادت لزوجة الدم بشكل ملحوظ ، تباطأ معدل التدفق في الشعيرات الدموية ، وتغير لون الأوعية الدموية ، وتنشط هرمونات التوتر.

كما حدثت تغيرات في جسم بعض الأشخاص الأصحاء ، لكنها تسببت بشكل أساسي في الإرهاق وضعف الانتباه والصداع والدوخة ولم تشكل خطراً جسيماً. كان رد فعل جسد رواد الفضاء إلى حد ما أقوى إلى حد ما مع التغييرات: فقد طوروا عدم انتظام ضربات القلب وغيّروا نغمة الأوعية الدموية. أظهرت التجارب في المدار أيضًا أن المجالات الكهرومغناطيسية هي التي تؤثر سلبًا على حالة الإنسان ، وليس العوامل الأخرى التي تؤثر على الأرض ، ولكنها مستبعدة في الفضاء. بالإضافة إلى ذلك ، تم تحديد "مجموعة خطر" أخرى - الأشخاص الأصحاء الذين يعانون من الإجهاد التكيفي المرتبط بالتعرض لضغط إضافي (في هذه الحالة ، انعدام الوزن ، والذي يؤثر أيضًا على نظام القلب والأوعية الدموية).

خلص الباحثون إلى أن geo العواصف المغناطيسيةتسبب نفس الإجهاد التكيفي كتغيير حاد في المناطق الزمنية ، مما يؤدي إلى إضعاف الإيقاعات البيولوجية اليومية للشخص. تؤدي التوهجات المفاجئة على الشمس وغيرها من مظاهر النشاط الشمسي إلى تغيير جذري في الإيقاعات المنتظمة نسبيًا للمجال المغنطيسي الأرضي للأرض ، مما يتسبب في خلل في أداء الحيوانات والبشر في إيقاعاتهم ويولد إجهادًا تكيفيًا.

الأشخاص الأصحاء يتعاملون معها بسهولة نسبيًا ، ولكن بالنسبة للأشخاص الذين يعانون من أمراض الجهاز القلبي الوعائي ، والذين يعانون من نظام تكيف مفرط الإجهاد ، وبالنسبة لحديثي الولادة ، فمن المحتمل أن يكون خطيرًا.

من المستحيل التنبؤ بالاستجابة. كل هذا يتوقف على العديد من العوامل: على حالة الإنسان ، على طبيعة العاصفة ، على الطيف الترددي التذبذبات الكهرومغناطيسيةإلخ. لا يزال من غير المعروف كيف تؤثر التغيرات في المجال المغنطيسي الأرضي على العمليات البيوكيميائية والفيزيائية الحيوية التي تحدث في الجسم: ما هي مستقبلات مستقبلات الإشارات الجيومغناطيسية ، وما إذا كان الشخص يتفاعل مع الإشعاع الكهرومغناطيسي مع الجسم كله أو الأعضاء الفردية أو حتى الخلايا الفردية. في الوقت الحاضر ، من أجل دراسة تأثير النشاط الشمسي على الناس ، تم افتتاح مختبر لبيولوجيا الشمس في معهد أبحاث الفضاء.

9. N.V. Koronovsky. المجال المغناطيسي للماضي الجيولوجي للأرض // موسكوفسكي جامعة الدولةهم. ام في لومونوسوف. مجلة سوروس التعليمية ، العدد 5 ، 1996 ، ص. 56-63

وفقًا للمفاهيم الحديثة ، تم تشكيله منذ حوالي 4.5 مليار سنة ، ومنذ تلك اللحظة أصبح كوكبنا محاطًا بمجال مغناطيسي. كل شيء على الأرض ، بما في ذلك البشر والحيوانات والنباتات ، يتأثر به.

يمتد المجال المغناطيسي حتى ارتفاع حوالي 100،000 كيلومتر (الشكل 1). إنه ينحرف أو يلتقط جزيئات الرياح الشمسية الضارة بجميع الكائنات الحية. تشكل هذه الجسيمات المشحونة حزام إشعاع الأرض ، وتسمى المنطقة بأكملها من الفضاء القريب من الأرض الذي توجد فيه الغلاف المغناطيسي(الصورة 2). على جانب الأرض الذي تضيئه الشمس ، يحد الغلاف المغناطيسي بسطح كروي يبلغ نصف قطره حوالي 10-15 نصف قطر الأرض ، وعلى الجانب الآخر يمتد مثل ذيل مذنب إلى مسافة تصل إلى عدة آلاف نصف قطر الأرض ، وتشكيل ذيل مغناطيسي أرضي. يتم فصل الغلاف المغناطيسي عن المجال بين الكواكب بواسطة منطقة انتقالية.

الأقطاب المغناطيسية للأرض

يميل محور مغناطيس الأرض بالنسبة لمحور دوران الأرض بمقدار 12 درجة. يقع على بعد حوالي 400 كم من مركز الأرض. النقاط التي يتقاطع عندها هذا المحور مع سطح الكوكب هي أقطاب مغناطيسية.لا تتطابق الأقطاب المغناطيسية للأرض مع القطبين الجغرافيين الحقيقيين. في الوقت الحاضر ، إحداثيات الأقطاب المغناطيسية هي كما يلي: الشمال - 77 درجة NL. و 102 درجة غربا ؛ الجنوبي - (65 درجة جنوبا و 139 درجة شرقا).

أرز. 1. بنية المجال المغناطيسي للأرض

أرز. 2. هيكل الغلاف المغناطيسي

تسمى خطوط القوة التي تمتد من قطب مغناطيسي إلى آخر خطوط الطول المغناطيسية. تتشكل زاوية بين خطوط الطول المغناطيسية والجغرافية ، تسمى الانحراف المغناطيسي. كل مكان على الأرض له زاوية انحدار خاصة به. في منطقة موسكو ، تبلغ زاوية الانحدار 7 درجات إلى الشرق ، وفي ياكوتسك حوالي 17 درجة إلى الغرب. هذا يعني أن الطرف الشمالي لإبرة البوصلة في موسكو ينحرف عن طريق T إلى يمين خط الطول الجغرافي الذي يمر عبر موسكو ، وفي ياكوتسك - بمقدار 17 درجة على يسار خط الزوال المقابل.

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 تشكلت بواسطة إبرة مغناطيسية والمستوى الأفقي يسمى الميل المغناطيسي. في القطبين المغناطيسيين الشمالي والجنوبي ، يكون الميل المغناطيسي أكبر. إنها تساوي 90 درجة. في القطب المغناطيسي الشمالي ، سيتم تثبيت إبرة مغناطيسية معلقة بحرية عموديًا مع الطرف الشمالي لأسفل ، وفي القطب المغناطيسي الجنوبي ، سينخفض طرفها الجنوبي. وهكذا ، فإن الإبرة المغناطيسية تظهر اتجاه خطوط المجال المغناطيسي فوق سطح الأرض.

بمرور الوقت ، يتغير موضع الأقطاب المغناطيسية بالنسبة لسطح الأرض.

تم اكتشاف القطب المغناطيسي بواسطة المستكشف جيمس سي روس في عام 1831 ، على بعد مئات الكيلومترات من موقعه الحالي. في المتوسط ، يتحرك 15 كم في السنة. في السنوات الاخيرةزادت سرعة حركة الأقطاب المغناطيسية بشكل كبير. على سبيل المثال ، يتحرك القطب المغناطيسي الشمالي حاليًا بسرعة حوالي 40 كيلومترًا في السنة.

يسمى انعكاس الأقطاب المغناطيسية للأرض انقلاب المجال المغناطيسي.

إلى عن على التاريخ الجيولوجيكوكبنا ، تغير المجال المغناطيسي الأرضي قطبية أكثر من 100 مرة.

يتميز المجال المغناطيسي بكثافة. في بعض الأماكن على الأرض ، تنحرف خطوط المجال المغناطيسي عن المجال الطبيعي ، وتشكل حالات شاذة. على سبيل المثال ، في منطقة Kursk Magnetic Anomaly (KMA) ، تكون شدة المجال أعلى أربع مرات من المعتاد.

هناك تغيرات نهارية في المجال المغناطيسي للأرض. سبب هذه التغييرات في المجال المغناطيسي للأرض هو التيارات الكهربائية المتدفقة في الغلاف الجوي ل ارتفاع عالي. إنها ناتجة عن الإشعاع الشمسي. تحت تأثير الرياح الشمسية ، يتشوه المجال المغناطيسي للأرض ويكتسب "ذيلًا" في اتجاه الشمس يمتد لمئات الآلاف من الكيلومترات. السبب الرئيسي لظهور الرياح الشمسية ، كما نعلم بالفعل ، هو القذف الهائل للمادة من هالة الشمس. عند التحرك نحو الأرض ، فإنها تتحول إلى غيوم مغناطيسية وتؤدي في بعض الأحيان إلى اضطرابات شديدة وشديدة على الأرض. الاضطرابات الشديدة بشكل خاص في المجال المغناطيسي للأرض - العواصف المغناطيسية.تبدأ بعض العواصف المغناطيسية بشكل غير متوقع وفي نفس الوقت تقريبًا في جميع أنحاء الأرض ، بينما يتطور البعض الآخر تدريجياً. يمكن أن تستمر لساعات أو حتى أيام. غالبًا ما تحدث العواصف المغناطيسية بعد يوم أو يومين من حدوث التوهج الشمسي بسبب مرور الأرض عبر تيار من الجسيمات المنبعثة من الشمس. بناءً على وقت التأخير ، تقدر سرعة هذا التدفق الجسيمي بعدة ملايين كم / ساعة.

أثناء العواصف المغناطيسية القوية ، يتعطل التشغيل العادي للتلغراف والهاتف والراديو.

غالبًا ما تُلاحظ العواصف المغناطيسية على خط عرض 66-67 درجة (في منطقة الشفق القطبي) وتحدث في وقت واحد مع الشفق القطبي.

يختلف هيكل المجال المغناطيسي للأرض باختلاف خط عرض المنطقة. تزداد نفاذية المجال المغناطيسي نحو القطبين. فوق المناطق القطبية ، تكون خطوط المجال المغناطيسي عموديًا إلى حد ما على سطح الأرض ولها تكوين على شكل قمع. من خلالهم ، يخترق جزء من الرياح الشمسية من جانب النهار إلى الغلاف المغناطيسي ، ثم إلى الغلاف الجوي العلوي. تندفع الجسيمات من ذيل الغلاف المغناطيسي هنا أثناء العواصف المغناطيسية ، لتصل إلى الحدود الغلاف الجوي العلويعند خطوط العرض العليا في نصفي الكرة الأرضية الشمالي والجنوبي. هذه الجسيمات المشحونة هي التي تسبب الشفق هنا.

لذلك ، يتم شرح العواصف المغناطيسية والتغيرات اليومية في المجال المغناطيسي ، كما اكتشفنا بالفعل ، من خلال الإشعاع الشمسي. ولكن ما هو السبب الرئيسي الذي يخلق المغناطيسية الدائمة للأرض؟ من الناحية النظرية ، كان من الممكن إثبات أن 99٪ من المجال المغناطيسي للأرض ناتج عن مصادر مخبأة داخل الكوكب. يرجع المجال المغناطيسي الرئيسي إلى المصادر الموجودة في أعماق الأرض. يمكن تقسيمها تقريبًا إلى مجموعتين. يرتبط معظمها بعمليات في قلب الأرض ، حيث يتم إنشاء نظام من التيارات الكهربائية بسبب الحركات المستمرة والمنتظمة لمادة موصلة للكهرباء. والآخر مرتبط بحقيقة أن صخور القشرة الأرضية ممغنطة بواسطة القشرة الرئيسية الحقل الكهربائي(مجال النواة) ، يخلق المجال المغناطيسي الخاص بهم ، والذي يضاف إلى المجال المغناطيسي للنواة.

بالإضافة إلى المجال المغناطيسي حول الأرض ، هناك مجالات أخرى: أ) الجاذبية. ب) الكهربائية. ج) الحرارية.

مجال الجاذبيةتسمى الأرض مجال الجاذبية. يتم توجيهه على طول خط عمودي على سطح الجيود. إذا كان للأرض شكل إهليلجي للثورة وتوزعت الجماهير فيه بالتساوي ، فسيكون لها مجال جاذبية عادي. الفرق بين توتر الحقيقي مجال الجاذبيةوالنظرية - شذوذ الجاذبية. تتسبب تركيبة المواد المختلفة وكثافة الصخور في حدوث هذه الحالات الشاذة. لكن هناك أسباب أخرى ممكنة أيضًا. يمكن تفسيرها من خلال العملية التالية - توازن قشرة الأرض الصلبة والخفيفة نسبيًا على الوشاح العلوي الأثقل ، حيث يتم معادلة ضغط الطبقات التي تعلوها. تسبب هذه التيارات تشوهات تكتونية ، وحركة صفائح الغلاف الصخري ، وبالتالي تخلق الإيمان الكبير للأرض. تحافظ الجاذبية على الغلاف الجوي والغلاف المائي والبشر والحيوانات على الأرض. يجب أن تؤخذ قوة الجاذبية في الاعتبار عند دراسة العمليات في مظروف جغرافي. المصطلح " توجه جغرافي"نسمي حركات نمو الأعضاء النباتية ، والتي ، تحت تأثير قوة الجاذبية ، توفر دائمًا اتجاهًا رأسيًا لنمو الجذر الأساسي المتعامد على سطح الأرض. تستخدم بيولوجيا الجاذبية النباتات كأشياء تجريبية.

إذا كنت لا تأخذ في الاعتبار الجاذبية ، فمن المستحيل حساب البيانات الأولية لإطلاق الصواريخ و سفن الفضاء، إجراء استكشاف الجاذبية للمعادن الخام ، وأخيراً ، هذا مستحيل مزيد من التطويرعلم الفلك والفيزياء والعلوم الأخرى.

محتوى المقال

المجال المغناطيسي للأرض.تمتلك معظم الكواكب في المجموعة الشمسية مجالات مغناطيسية إلى حد ما. في تناقص العزم المغناطيسي ثنائي القطب ، يكون المشتري وزحل في المقام الأول ، يليهما الأرض وعطارد والمريخ ، وفيما يتعلق بالعزم المغناطيسي للأرض ، فإن قيمة هذه اللحظات هي 20000 ، 500 ، 1 ، 3/5000 3 / 10000. كانت العزم المغناطيسي للأرض ثنائي القطب في عام 1970 هو 7.98 · 10 25 جم / سم 3 (أو 8.3 · 10 22 م 2) ، وانخفضت على مدار العقد بمقدار 0.04 · 10 25 جم / سم 3. يبلغ متوسط شدة المجال على السطح حوالي 0.5 Oe (5 10 -5 T). شكل المجال المغناطيسي الرئيسي للأرض لمسافات أقل من ثلاثة أنصاف أقطار قريبة من مجال ثنائي القطب المغناطيسي المكافئ. ينزاح مركزها بالنسبة إلى مركز الأرض في اتجاه خط عرض 18 درجة شمالاً. و 147.8 درجة شرقا. هـ - يميل محور هذا ثنائي القطب إلى محور دوران الأرض بمقدار 11.5 درجة. في نفس الزاوية ، يتم فصل الأقطاب المغناطيسية الأرضية عن الأقطاب الجغرافية المقابلة. في الوقت نفسه ، يقع القطب المغنطيسي الأرضي الجنوبي في نصف الكرة الشمالي. وهي تقع حاليا بالقرب من الشمال القطب الجغرافيأراضي في شمال جرينلاند. إحداثياتها هي j = 78.6 + 0.04 ° T NL ، l = 70.1 + 0.07 ° T غربًا ، حيث T هو عدد العقود منذ 1970. في القطب المغناطيسي الشمالي ، j = 75 ° جنوبًا ، ل = 120.4 درجة شرقا (في القارة القطبية الجنوبية). خطوط المجال المغناطيسي الحقيقية للمجال المغناطيسي للأرض ، في المتوسط ، قريبة من خطوط القوة لهذا ثنائي القطب ، وتختلف عنها في عدم الانتظام المحلي المرتبط بوجود الصخور الممغنطة في القشرة. نتيجة للاختلافات العلمانية ، يتقدم القطب المغنطيسي الأرضي بالنسبة للقطب الجغرافي بفترة تقارب 1200 عام. على مسافات كبيرة ، يكون المجال المغناطيسي للأرض غير متماثل. تحت تأثير تدفق البلازما (الرياح الشمسية) المنبعثة من الشمس ، يتشوه المجال المغناطيسي للأرض ويكتسب "ذيلًا" في اتجاه الشمس ، والذي يمتد لمئات الآلاف من الكيلومترات ، متجاوزًا مدار القمر.

يسمى قسم خاص من الجيوفيزياء الذي يدرس أصل وطبيعة المجال المغناطيسي للأرض بالمغناطيسية الأرضية. تدرس المغنطيسية الأرضية مشاكل ظهور وتطور المكون الرئيسي الثابت المجال المغنطيسي الأرضي ، طبيعة المكون المتغير (حوالي 1٪ من المجال الرئيسي) ، وكذلك هيكل الغلاف المغناطيسي - تتفاعل طبقات البلازما الممغنطة العلوية في الغلاف الجوي للأرض مع الرياح الشمسية وحماية الأرض من اختراق الإشعاع الكوني. مهمة مهمة هي دراسة أنماط اختلافات المجال المغنطيسي الأرضي ، لأنها ناتجة عن تأثيرات خارجية مرتبطة في المقام الأول بالنشاط الشمسي. .

أصل المجال المغناطيسي.

تتوافق الخصائص المرصودة للمجال المغناطيسي للأرض مع مفهوم أصله بسبب آلية الدينامو المغنطيسي المائي. في هذه العملية ، يتم تقوية المجال المغناطيسي الأولي نتيجة للحركات (عادةً الحمل الحراري أو المضطرب) للمادة الموصلة للكهرباء في اللب السائل للكوكب أو في بلازما النجم. عند درجة حرارة مادة تبلغ عدة آلاف كلفن ، تكون الموصلية عالية بدرجة كافية بحيث يمكن للحركات الحملية التي تحدث حتى في وسط ممغنط ضعيف أن تثير تيارات كهربائية متغيرة والتي ، وفقًا لقوانين الحث الكهرومغناطيسي ، يمكن أن تخلق مجالات مغناطيسية جديدة. يؤدي تخميد هذه الحقول إما إلى توليد طاقة حرارية (وفقًا لقانون جول) أو يؤدي إلى ظهور مجالات مغناطيسية جديدة. اعتمادًا على طبيعة الحركات ، يمكن لهذه الحقول إما إضعاف الحقول الأصلية أو تقويتها. لتقوية المجال ، يكفي وجود عدم تناسق معين في الحركات. وبالتالي ، فإن الشرط الضروري للدينامو الهيدرومغناطيسي هو وجود الحركات في وسط موصل ، والشرط الكافي هو وجود عدم تناسق معين (حلزونية) للتدفقات الداخلية للوسط. عندما يتم استيفاء هذه الشروط ، تستمر عملية التضخيم حتى خسائر حرارة جول ، والتي تزداد مع زيادة قوة التيار ، وتوازن تدفق الطاقة بسبب الحركات الهيدروديناميكية.

تأثير دينامو - الإثارة الذاتية وصيانة المجالات المغناطيسية في حالة ثابتة بسبب حركة سائل موصل أو بلازما غازية. آليتها مشابهة لتوليد التيار الكهربائيومجال مغناطيسي في دينامو متحمس ذاتيًا. يرتبط تأثير الدينامو بأصل الحقول المغناطيسية الخاصة بشمس الأرض والكواكب ، بالإضافة إلى مجالاتها المحلية ، على سبيل المثال ، مجالات البقع والمناطق النشطة.

مكونات المجال المغنطيسي الأرضي.

يمكن تقسيم المجال المغناطيسي للأرض (المجال المغنطيسي الأرضي) إلى الأجزاء الثلاثة الرئيسية التالية.

1. المجال المغناطيسي الرئيسي للأرض ، الذي يشهد تغيرات بطيئة في الزمن (تغيرات علمانية) بفترات من 10 إلى 10000 سنة ، تتركز في فترات 10-20 و 60-100 و 600-1200 و 8000 سنة. يرتبط الأخير بتغير في العزم المغناطيسي ثنائي القطب بمعامل 1.5-2.

2. الانحرافات العالمية - الانحرافات عن ثنائي القطب المكافئ حتى 20٪ من كثافة المناطق الفردية بأحجام مميزة تصل إلى 10000 كم. تشهد هذه الحقول الشاذة اختلافات علمانية تؤدي إلى تغييرات بمرور الوقت على مدار سنوات وقرون عديدة. أمثلة على الحالات الشاذة: البرازيلية ، الكندية ، السيبيري ، كورسك. في سياق الاختلافات العلمانية ، تتغير الانحرافات العالمية وتتفكك وتعاود الظهور. عند خطوط العرض المنخفضة ، هناك انجراف غربي في خطوط الطول بمعدل 0.2 درجة في السنة.

3. المجالات المغناطيسية للمناطق المحلية للأغلفة الخارجية بطول يتراوح من عدة إلى مئات الكيلومترات. إنها ناتجة عن تمغنط الصخور في الطبقة العليا من الأرض ، والتي تشكل قشرة الأرض وتقع بالقرب من السطح. واحدة من أقوى الشذوذ المغناطيسي كورسك.

4. يتم تحديد المجال المغناطيسي المتناوب للأرض (يسمى أيضًا خارجي) من خلال المصادر في شكل أنظمة التيار الموجودة خارج سطح الأرض وفي الغلاف الجوي. المصادر الرئيسية لهذه الحقول وتغيراتها هي التدفقات الجسدية للبلازما الممغنطة القادمة من الشمس مع الرياح الشمسية وتشكيل هيكل وشكل الغلاف المغناطيسي للأرض.

هيكل المجال المغناطيسي للغلاف الجوي للأرض.

يتأثر المجال المغناطيسي للأرض بتدفق البلازما الشمسية الممغنطة. نتيجة للتفاعل مع مجال الأرض ، يتم تشكيل الحدود الخارجية للحقل المغناطيسي القريب من الأرض ، والتي تسمى انقطاع المغناطيسية. يحد من الغلاف المغناطيسي للأرض. بسبب تأثير تيارات الجسيمات الشمسية ، يتغير حجم وشكل الغلاف المغناطيسي باستمرار ، وينشأ مجال مغناطيسي متناوب ، تحدده مصادر خارجية. تدين تباينها في أصلها إلى الأنظمة الحالية التي تتطور على ارتفاعات مختلفة من الطبقات السفلية من الأيونوسفير إلى نقطة التوقف المغناطيسية. تسمى التغييرات في المجال المغناطيسي للأرض بمرور الوقت ، والناجمة عن أسباب مختلفة ، التغيرات الجيومغناطيسية ، والتي تختلف في مدتها وتوطينها على الأرض وفي الغلاف الجوي.

يتكون ذيل الغلاف المغناطيسي خطوط قوة المجال المغناطيسي للأرض ، المنبثقة من المناطق القطبية والممتدة تحت تأثير الرياح الشمسية لمئات من أنصاف أقطار الأرض من الشمس إلى الجانب الليلي من الأرض. نتيجة لذلك ، تتدفق بلازما الرياح الشمسية والتيارات الجسيمية الشمسية ، كما كانت ، حول الغلاف المغناطيسي للأرض ، مما يعطيها شكلاً ذيلًا غريبًا. في الذيل المغناطيسي ، على مسافات كبيرة من الأرض ، تضعف شدة المجال المغناطيسي للأرض ، وبالتالي خصائصها الوقائية ، ويمكن لبعض جزيئات البلازما الشمسية اختراق الغلاف المغناطيسي للأرض والدخول إليه والفخاخ المغناطيسية. أحزمة إشعاع. يخترق الجزء العلوي من الغلاف المغناطيسي في منطقة الشفق القطبي البيضاوي تحت تأثير الضغط المتغير للرياح الشمسية والمجال بين الكواكب ، يعمل الذيل كمكان لتشكيل تيارات من الجسيمات المترسبة التي تسبب الشفق والتيارات الشفقية. ينفصل الغلاف المغناطيسي عن الفضاء بين الكواكب عن طريق الانحراف المغناطيسي. على طول الفترة المغناطيسية ، تتدفق جزيئات التيارات الجسدية حول الغلاف المغناطيسي. أحيانًا يكون تأثير الرياح الشمسية على المجال المغناطيسي للأرض قويًا جدًا. المغنطيسية – الحد الخارجي للغلاف المغناطيسي للأرض (أو للكوكب) ، حيث يتم موازنة الضغط الديناميكي للرياح الشمسية بضغط مجالها المغناطيسي. مع معلمات الرياح الشمسية النموذجية ، تكون النقطة الفرعية هي 9-11 نصف قطر الأرض بعيدًا عن مركز الأرض. خلال فترة الاضطرابات المغناطيسية على الأرض ، يمكن أن يتجاوز انقطاع المغنطيسي المدار الثابت بالنسبة للأرض (6.6 نصف قطر الأرض). عندما تكون الرياح الشمسية ضعيفة ، تكون النقطة الفرعية على مسافة 15-20 نصف قطر الأرض.

رياح مشمسة -

تدفق بلازما الهالة الشمسية إلى الفضاء بين الكواكب. على مستوى مدار الأرض متوسط السرعةتبلغ جسيمات الرياح الشمسية (البروتونات والإلكترونات) حوالي 400 كم / ث ، وعدد الجسيمات عدة عشرات لكل 1 سم 3.

عاصفة مغناطيسية.

تتغير الخصائص المحلية للمجال المغناطيسي وتتقلب أحيانًا لعدة ساعات ، ثم تعود إلى المستوى السابق. هذه الظاهرة تسمى عاصفة مغناطيسية. غالبًا ما تبدأ العواصف المغناطيسية فجأة وفي جميع أنحاء العالم في نفس الوقت.

الاختلافات المغنطيسية الأرضية.

الاختلافات اليومية. تحدث الاختلافات اليومية في المجال المغنطيسي الأرضي بانتظام ، ويرجع ذلك أساسًا إلى التيارات في الغلاف الجوي المتأين للأرض بسبب التغيرات في إضاءة الغلاف المتأين للأرض بواسطة الشمس أثناء النهار.

اختلافات غير منتظمة. تنشأ اختلافات غير منتظمة في المجال المغناطيسي بسبب تأثير تدفق البلازما الشمسي (الطاقة الشمسية الرياح) على الغلاف المغناطيسي للأرض ، وكذلك التغيرات داخل الغلاف المغناطيسي وتفاعل الغلاف المغناطيسي مع الغلاف المتأين.

27 يوم متغيرات. توجد اختلافات لمدة 27 يومًا كميل لتكرار الزيادة في النشاط المغنطيسي الأرضي كل 27 يومًا ، بما يتوافق مع فترة دوران الشمس بالنسبة للمراقب الأرضي. يرتبط هذا النمط بوجود مناطق نشطة طويلة العمر على الشمس ، والتي لوحظت خلال عدة ثورات للشمس. يتجلى هذا النمط في شكل تكرار لمدة 27 يومًا للنشاط المغناطيسي والعواصف المغناطيسية.

التغيرات الموسمية. تم الكشف عن الاختلافات الموسمية في النشاط المغناطيسي بثقة على أساس متوسط البيانات الشهرية حول النشاط المغناطيسي التي تم الحصول عليها من خلال معالجة الملاحظات على مدى عدة سنوات. يزداد اتساعها مع نمو النشاط المغناطيسي الكلي. لقد وجد أن التغيرات الموسمية للنشاط المغناطيسي لها حدان أقصى يقابلان فترات الاعتدال ، وحدتين صغيرتين تقابلان فترات الانقلابات. سبب هذه الاختلافات هو تكوين مناطق نشطة على الشمس ، والتي تم تجميعها في مناطق من 10 إلى 30 درجة من خطوط العرض الشمالية والجنوبية. لذلك ، خلال فترات الاعتدال ، عندما تتزامن مستويات خط الاستواء بين الأرض والشمس ، تكون الأرض أكثر تعرضًا لعمل المناطق النشطة على الشمس.

11 سنة التغيرات. تتجلى العلاقة بين النشاط الشمسي والنشاط المغناطيسي بشكل أكثر وضوحًا عند مقارنة سلسلة طويلة من الملاحظات التي تعد مضاعفات 11 عامًا من النشاط الشمسي. أفضل مقياس معروف للنشاط الشمسي هو عدد البقع الشمسية. وجد أنه خلال سنوات الحد الأقصى لعدد البقع الشمسية ، يصل النشاط المغناطيسي أيضًا إلى قيمته القصوى ، ومع ذلك ، فإن الزيادة في النشاط المغناطيسي تتأخر إلى حد ما عن الزيادة في النشاط الشمسي ، بحيث يكون هذا التأخير في المتوسط سنة واحدة.

الاختلافات العمرية- التغيرات البطيئة لعناصر المغناطيسية الأرضية بفترات تصل إلى عدة سنوات أو أكثر. على عكس الاختلافات اليومية والموسمية وغيرها من الاختلافات الخارجية ، ترتبط الاختلافات العلمانية بالمصادر الموجودة داخل قلب الأرض. يصل اتساع الاختلافات العلمانية إلى عشرات nT / سنة ؛ تسمى التغييرات في متوسط القيم السنوية لهذه العناصر التباين العلماني. تتركز انعزالات الاختلافات العلمانية حول عدة نقاط - مراكز أو بؤر الاختلاف العلماني ، في هذه المراكز تصل قيمة التباين العلماني إلى قيمه القصوى.

أحزمة الإشعاع والأشعة الكونية.

تعد الأحزمة الإشعاعية للأرض منطقتين من أقرب فضاء قريب من الأرض ، وتحيط بالأرض في شكل مصائد مغناطيسية مغلقة.

تحتوي على تيارات ضخمة من البروتونات والإلكترونات التي تم التقاطها بواسطة المجال المغناطيسي ثنائي القطب للأرض. المجال المغناطيسي للأرض له تأثير قوي على الجسيمات المشحونة كهربائيًا التي تتحرك في الأرض القريبة الفضاء الخارجي. هناك نوعان من المصادر الرئيسية لهذه الجسيمات: الأشعة الكونية ، أي الإلكترونات النشطة (من 1 إلى 12 GeV) والبروتونات ونوى العناصر الثقيلة ، تصل إلى سرعات الضوء تقريبًا ، بشكل أساسي من أجزاء أخرى من المجرة. وتيارات جسدية من جسيمات مشحونة أقل طاقة (10 5-10 6 فولت) تقذفها الشمس. في المجال المغناطيسي ، تتحرك الجسيمات الكهربائية بشكل لولبي ؛ مسار الجسيم ، كما كان ، الرياح حول الاسطوانة ، على طول محور يمر خط القوة. يعتمد نصف قطر هذه الأسطوانة التخيلية على شدة المجال وطاقة الجسيم. كلما زادت طاقة الجسيم ، زاد نصف القطر (يسمى نصف قطر Larmor) لشدة مجال معينة. إذا كان نصف قطر Larmor أصغر بكثير من نصف قطر الأرض ، فإن الجسيم لا يصل إلى سطحه ، ولكن يتم التقاطه بواسطة المجال المغناطيسي للأرض. إذا كان نصف قطر Larmor أكبر بكثير من نصف قطر الأرض ، فإن الجسيم يتحرك كما لو لم يكن هناك مجال مغناطيسي ، وتخترق الجسيمات المجال المغناطيسي للأرض في المناطق الاستوائية إذا كانت طاقتها أكبر من 10 9 eV. تغزو هذه الجسيمات الغلاف الجوي وتسبب عند اصطدامها بذراته تحولات نووية تنتج كميات معينة من الأشعة الكونية الثانوية. يتم بالفعل تسجيل هذه الأشعة الكونية الثانوية على سطح الأرض. لدراسة الأشعة الكونية في شكلها الأصلي (الأشعة الكونية الأولية) ، يتم رفع المعدات على الصواريخ والأقمار الصناعية الأرضية. ما يقرب من 99٪ من الجسيمات النشطة التي "تخترق" الشاشة المغناطيسية للأرض هي أشعة كونية من أصل مجري ، وحوالي 1٪ فقط تتشكل على الشمس. يحتوي المجال المغناطيسي للأرض على عدد كبير من الجسيمات النشطة ، من الإلكترونات والبروتونات. تعتمد طاقتها وتركيزها على المسافة إلى الأرض وخط العرض المغنطيسي الأرضي. تملأ الجسيمات ، كما كانت ، حلقات ضخمة أو أحزمة تغطي الأرض حول خط الاستواء المغنطيسي الأرضي.