Dünya Kalkanı: Gezegenimizin Manyetik Alanı Nerede?

2024 Yazar: Seth Attwood | [email protected]. Son düzenleme: 2023-12-16 16:18

Manyetik alan, Dünya yüzeyini güneş rüzgarından ve zararlı kozmik radyasyondan korur. Bir tür kalkan görevi görür - varlığı olmadan atmosfer yok olur. Size Dünya'nın manyetik alanının nasıl oluştuğunu ve değiştiğini anlatacağız.

Dünyanın manyetik alanının yapısı ve özellikleri

Dünyanın manyetik alanı veya jeomanyetik alanı, karasal kaynaklar tarafından üretilen bir manyetik alandır. Jeomanyetizma çalışmasının konusu. 4, 2 milyar yıl önce ortaya çıktı.

Dünyanın kendi manyetik alanı (jeomanyetik alan) aşağıdaki ana bölümlere ayrılabilir:

• ana alan,
• dünya anomalileri alanları,
• dış manyetik alan.

Ana alan

Bunun% 90'ından fazlası, sıvı dış çekirdekte, kaynağı Dünya'nın içinde olan bir alandan oluşur - bu kısma ana, ana veya normal alan denir.

Harmoniklerde bir seri şeklinde - bir Gauss serisi şeklinde ve Dünya yüzeyine yakın bir ilk yaklaşımda (yarıçapının üçüne kadar) manyetik dipol alanına yakındır, yani dünyaya benziyor ekseni yaklaşık olarak kuzeyden güneye doğru yönlendirilmiş bir şerit mıknatıstır.

Dünya anomalilerinin alanları

Dünya'nın manyetik alanının gerçek kuvvet çizgileri, ortalama olarak dipolün kuvvet çizgilerine yakın olmasına rağmen, onlardan yüzeye yakın bulunan kabukta manyetize edilmiş kayaların varlığıyla ilişkili yerel düzensizliklerle farklılık gösterir.

Bu nedenle, dünya yüzeyindeki bazı yerlerde, alan parametreleri, yakın bölgelerdeki değerlerden çok farklıdır ve sözde manyetik anomaliler oluşturur. Onlara neden olan manyetize cisimler farklı derinliklerde bulunursa, birbirleriyle örtüşebilirler.

Dış manyetik alan

Kaynaklar tarafından, dünya yüzeyinin dışında, atmosferinde bulunan akım sistemleri şeklinde belirlenir. Atmosferin üst kısmında (100 km ve üzeri) - iyonosfer - molekülleri iyonlaşır, daha yükseğe çıkan yoğun bir soğuk plazma oluşturur, bu nedenle, Dünya'nın manyetosferinin bir kısmı iyonosferin üzerinde, üç mesafeye kadar uzanır. yarıçapına plazma küre denir.

Plazma, Dünya'nın manyetik alanı tarafından tutulur, ancak durumu, güneş rüzgarıyla etkileşimi tarafından belirlenir - güneş koronasının plazma akışı.

Böylece, Dünya yüzeyinden daha büyük bir mesafede, manyetik alan asimetriktir, çünkü güneş rüzgarının etkisi altında bozulur: Güneş'ten büzülür ve Güneş'ten doğru uzanan bir "iz" alır. Ay'ın yörüngesinin ötesine geçerek yüz binlerce kilometre boyunca.

Bu tuhaf "kuyruklu" form, güneş rüzgarı ve güneş cisimsel akışlarının plazması, dünyanın manyetosferi - Dünya'nın manyetik alanı tarafından kontrol edilen, Güneş ve diğer değil, hala Dünya'nın manyetik alanı tarafından kontrol edilen bölge - etrafında akıyor gibi göründüğünde ortaya çıkar. gezegenler arası kaynaklar

Güneş rüzgarının dinamik basıncının kendi manyetik alanının basıncıyla dengelendiği bir manyetopoz ile gezegenler arası uzaydan ayrılır.

alan parametreleri

Dünya alanının manyetik indüksiyon çizgilerinin konumunun görsel bir temsili, hem dikey hem de yatay eksen etrafında serbestçe dönebilecek şekilde sabitlenmiş bir manyetik iğne ile sağlanır (örneğin, bir gimbalde), - Dünya yüzeyine yakın her noktada, bu çizgiler boyunca belirli bir şekilde kurulur.

Manyetik ve coğrafi kutuplar çakışmadığı için manyetik iğne sadece yaklaşık kuzey-güney yönünü gösterir.

Manyetik iğnenin yerleştirildiği dikey düzleme, verilen yerin manyetik meridyeninin düzlemi ve bu düzlemin Dünya yüzeyiyle kesiştiği çizgiye manyetik meridyen denir.

Bu nedenle, manyetik meridyenler, Dünya'nın manyetik alanının kuvvet çizgilerinin, kuzey ve güney manyetik kutuplarında birleşen, yüzeyi üzerindeki izdüşümleridir. Manyetik ve coğrafi meridyenlerin yönleri arasındaki açıya manyetik sapma denir.

Manyetik iğnenin kuzey kutbunun coğrafi meridyenin dikey düzleminden batıya veya doğuya sapmasına bağlı olarak batı (genellikle "-" işaretiyle gösterilir) veya doğu ("+" işareti) olabilir.

Ayrıca, genel olarak konuşursak, Dünya'nın manyetik alanının çizgileri yüzeyine paralel değildir. Bu, Dünya alanının manyetik indüksiyonunun belirli bir yerin ufkunun düzleminde yatmadığı, ancak bu düzlemle belirli bir açı oluşturduğu anlamına gelir - buna manyetik eğim denir. Sadece manyetik ekvatorun noktalarında sıfıra yakındır - manyetik eksene dik bir düzlemde büyük bir dairenin çevresi.

Dünyanın manyetik alanının sayısal modellemesinin sonuçları: solda - normal, sağda - inversiyon sırasında

Dünyanın manyetik alanının doğası

İlk kez, J. Larmor, 1919'da Dünya'nın ve Güneş'in manyetik alanlarının varlığını açıklamaya çalıştı ve bir gök cismi manyetik alanının korunmasının eylem altında gerçekleştiğine göre bir dinamo kavramını önerdi. elektriksel olarak iletken bir ortamın hidrodinamik hareketi.

Bununla birlikte, 1934'te T. Cowling, hidrodinamik bir dinamo mekanizması aracılığıyla eksenel simetrik bir manyetik alanı korumanın imkansızlığı konusundaki teoremi kanıtladı.

Ve incelenen gök cisimlerinin çoğu (ve hatta daha çok Dünya) eksenel olarak simetrik olarak kabul edildiğinden, buna dayanarak, alanlarının da eksenel olarak simetrik olacağı varsayımını yapmak mümkün oldu ve daha sonra bu ilkeye göre üretimi bu teoreme göre imkansız olurdu.

Basit (simetrik) çözümlerin varlığının imkansızlığı göz önüne alındığında, Albert Einstein bile böyle bir dinamonun uygulanabilirliği konusunda şüpheciydi. Ancak çok sonraları, manyetik alan oluşturma sürecini tanımlayan eksenel simetriye sahip tüm denklemlerin 1950'lerde bile eksenel simetrik bir çözüme sahip olmayacağı gösterildi. asimetrik çözümler bulundu.

O zamandan beri, dinamo teorisi başarılı bir şekilde gelişiyor ve bugün Dünya'nın ve diğer gezegenlerin manyetik alanının kökeni için genel olarak kabul edilen en olası açıklama, bir iletkende bir elektrik akımının üretilmesine dayanan kendinden tahrikli bir dinamo mekanizmasıdır. bu akımların kendileri tarafından oluşturulan ve güçlendirilen bir manyetik alanda hareket ettiğinde.

Dünyanın çekirdeğinde gerekli koşullar yaratılır: akımı mükemmel bir şekilde ileten yaklaşık 4-6 bin Kelvin sıcaklıkta esas olarak demirden oluşan sıvı dış çekirdekte, katı iç çekirdekten ısıyı uzaklaştıran konvektif akışlar oluşturulur. (radyoaktif elementlerin bozunması veya gezegen yavaş yavaş soğudukça iç ve dış çekirdekler arasındaki sınırda maddenin katılaşması sırasında gizli ısının salınması nedeniyle oluşur).

Coriolis kuvvetleri bu akımları bükerek Taylor sütunlarını oluşturan karakteristik spirallere dönüştürür. Katmanların sürtünmesi nedeniyle, bir elektrik yükü alarak döngü akımları oluştururlar. Böylece, bir Faraday diskinde olduğu gibi (başlangıçta çok zayıf olsa da) bir manyetik alanda hareket eden iletkenlerde iletken bir devre boyunca dolaşan bir akım sistemi oluşturulur.

Akışların uygun bir geometrisi ile başlangıç alanını artıran ve bu da akımı artıran bir manyetik alan yaratır ve amplifikasyon işlemi artan akımla artan Joule ısısındaki kayıplara kadar devam eder. hidrodinamik hareketler nedeniyle enerji girişleri.

Dinamonun presesyon veya gelgit kuvvetleri nedeniyle uyarılabileceği, yani enerji kaynağının Dünya'nın dönüşü olduğu öne sürüldü, ancak en yaygın ve gelişmiş hipotez bunun tam olarak termokimyasal konveksiyon olduğudur.

Dünyanın manyetik alanındaki değişiklikler

Manyetik alan inversiyonu, gezegenin jeolojik tarihinde (paleomanyetik yöntemle belirlenir) Dünya'nın manyetik alanının yönündeki bir değişikliktir.

Bir tersine çevirmede, manyetik kuzey ve manyetik güney ters çevrilir ve pusula iğnesi zıt yönü göstermeye başlar. İnversiyon, Homo sapiens'in varlığı sırasında hiç gerçekleşmemiş, nispeten nadir bir fenomendir. Muhtemelen, en son yaklaşık 780 bin yıl önce oldu.

Manyetik alanın tersine dönüşleri, on binlerce yıldan on milyonlarca yıllık sessiz bir manyetik alanın devasa aralıklarına kadar zaman aralıklarında meydana geldi, bu tersine dönüşler meydana gelmedi.

Böylece kutup yer değiştirmesinde herhangi bir periyodiklik bulunmamıştır ve bu süreç stokastik olarak kabul edilir. Uzun sessiz bir manyetik alan periyotlarını, farklı sürelere sahip çoklu geri dönüş periyotları takip edebilir ve bunun tersi de olabilir. Araştırmalar, manyetik kutuplardaki bir değişikliğin birkaç yüz yıldan birkaç yüz bin yıla kadar sürebileceğini gösteriyor.

Johns Hopkins Üniversitesi'nden (ABD) uzmanlar, tersine dönüşler sırasında, Dünya'nın manyetosferinin o kadar zayıfladığını ve kozmik radyasyonun Dünya yüzeyine ulaşabileceğini, bu fenomenin gezegendeki canlı organizmalara zarar verebileceğini ve bir sonraki kutup değişikliğinin daha da fazlasına yol açabileceğini öne sürüyorlar. insanlık için küresel bir felakete varan ciddi sonuçlar.

Son yıllarda yapılan bilimsel çalışmalar (deney dahil) durağan türbülanslı bir dinamoda manyetik alanın ("sıçrayışlar") yönünde rastgele değişiklikler olasılığını göstermiştir. Dünya Fizik Enstitüsü'ndeki jeomanyetizma laboratuvarı başkanı Vladimir Pavlov'a göre, inversiyon insan standartlarına göre oldukça uzun bir süreç.

Leeds Üniversitesi'nden Yon Mound ve Phil Livermore'daki jeofizikçiler, birkaç bin yıl içinde Dünya'nın manyetik alanının tersine çevrileceğine inanıyorlar.

Dünyanın manyetik kutuplarının yer değiştirmesi

İlk kez, Kuzey Yarımküre'deki manyetik kutbun koordinatları 1831'de, yine 1904'te, ardından 1948 ve 1962'de, 1973, 1984, 1994'te belirlendi; Güney Yarımküre'de - 1841'de, yine - 1908'de. Manyetik kutupların yer değiştirmesi 1885'ten beri kaydedilmiştir. Son 100 yılda, Güney Yarımküre'deki manyetik kutup yaklaşık 900 km hareket etti ve Güney Okyanusu'na girdi.

Arktik manyetik kutbunun durumuna ilişkin en son veriler (Arktik Okyanusu boyunca Doğu Sibirya dünyasının manyetik anomalisine doğru hareket ediyor), 1973'ten 1984'e kadar kilometresinin 120 km, 1984'ten 1994'e - 150 km'den fazla olduğunu gösterdi. Bu rakamlar hesaplanmış olmasına rağmen, kuzey manyetik kutbunun ölçümleriyle doğrulanmaktadır.

1831'den sonra, direğin konumu ilk kez sabitlendiğinde, 2019'a kadar direk, Sibirya'ya doğru 2.300 km'den fazla kaymıştı ve hızlanarak hareket etmeye devam ediyor.

Seyahat hızı 2000 yılında yılda 15 km iken 2019'da yılda 55 km'ye yükseldi. Bu hızlı kayma, akıllı telefonlardaki pusulalar veya gemiler ve uçaklar için yedek navigasyon sistemleri gibi Dünya'nın manyetik alanını kullanan navigasyon sistemlerinde daha sık ayarlamalar yapılmasını gerektirir.

Dünyanın manyetik alanının gücü düşüyor ve eşit olmayan bir şekilde. Son 22 yılda ortalama yüzde 1,7 ve Güney Atlantik Okyanusu gibi bazı bölgelerde yüzde 10 azaldı. Bazı yerlerde, manyetik alanın gücü, genel eğilimin aksine, hatta arttı.

Kutupların hareketinin hızlanması (ortalama 3 km / yıl) ve manyetik kutup ters çevirme koridorları boyunca hareketleri (bu koridorlar 400'den fazla paleoinversiyonu ortaya çıkarmayı mümkün kılmıştır), kutupların bu hareketinde birinin olduğunu göstermektedir. bir gezi değil, Dünya'nın manyetik alanının başka bir tersine çevrilmesi görmelidir.

Dünyanın manyetik alanı nasıl oluştu?

Scripps Oşinografi Enstitüsü ve California Üniversitesi'ndeki uzmanlar, gezegenin manyetik alanının manto tarafından oluşturulduğunu öne sürdüler. Amerikalı bilim adamları, 13 yıl önce Fransa'dan bir grup araştırmacı tarafından önerilen bir hipotez geliştirdiler.

Uzun süredir profesyonellerin, manyetik alanını oluşturan Dünya'nın dış çekirdeği olduğunu savundukları bilinmektedir. Ancak daha sonra Fransa'dan uzmanlar, gezegenin mantosunun her zaman sağlam olduğunu (doğum anından itibaren) öne sürdüler.

Bu sonuç, bilim adamlarının manyetik alanı oluşturabilecek çekirdek değil, alt mantonun sıvı kısmı olduğunu düşünmelerine neden oldu. Mantonun bileşimi, zayıf bir iletken olarak kabul edilen bir silikat malzemedir.

Ancak alt manto milyarlarca yıl sıvı kalması gerektiğinden, içindeki sıvının hareketi bir elektrik akımı üretmedi ve aslında sadece bir manyetik alan oluşturmak gerekliydi.

Bugün profesyoneller, örtünün önceden düşünülenden daha güçlü bir kanal olabileceğine inanıyor. Uzmanların bu sonucu, erken Dünya'nın durumunu tamamen haklı çıkarıyor. Bir silikat dinamo, ancak sıvı kısmının elektrik iletkenliği çok daha yüksekse ve düşük basınç ve sıcaklığa sahipse mümkündür.