Earth Shield: Hvor har vores planet et magnetfelt?

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-16 16:01

Det magnetiske felt beskytter jordens overflade mod solvind og skadelig kosmisk stråling. Det fungerer som en slags skjold – uden dets eksistens ville atmosfæren blive ødelagt. Vi vil fortælle dig, hvordan Jordens magnetfelt blev dannet og ændret.

Jordens magnetfelts struktur og karakteristika

Jordens magnetfelt, eller geomagnetiske felt, er et magnetfelt, der genereres af intrajordiske kilder. Emnet for studiet af geomagnetisme. Dukkede op for 4, 2 milliarder år siden.

Jordens eget magnetfelt (geomagnetisk felt) kan opdeles i følgende hoveddele:

• hovedfelt,
• områder med verdensanomalier,
• eksternt magnetfelt.

Hovedfelt

Mere end 90% af det består af et felt, hvis kilde er inde i Jorden, i den flydende ydre kerne - denne del kaldes hoved-, hoved- eller normalfeltet.

Det er tilnærmet i form af en række i harmoniske - en Gaussisk serie, og i en første tilnærmelse nær Jordens overflade (op til tre af dens radier) er det tæt på det magnetiske dipolfelt, det vil sige, at det ligner jorden er en strimmelmagnet med en akse rettet omtrent fra nord til syd.

Felter med verdensanomalier

De reelle kraftlinjer i Jordens magnetfelt, selvom de i gennemsnit er tæt på dipolens kraftlinjer, adskiller sig fra dem ved lokale uregelmæssigheder forbundet med tilstedeværelsen af magnetiserede sten i skorpen tæt på overfladen.

På grund af dette er feltparametrene nogle steder på jordens overflade meget forskellige fra værdierne i nærliggende områder og danner såkaldte magnetiske anomalier. De kan overlappe hinanden, hvis de magnetiserede legemer, der forårsager dem, ligger i forskellige dybder.

Eksternt magnetfelt

Det bestemmes af kilder i form af strømsystemer placeret uden for jordens overflade, i dens atmosfære. I den øvre del af atmosfæren (100 km og derover) - ionosfæren - ioniserer dens molekyler og danner et tæt koldt plasma, der stiger højere, og derfor en del af Jordens magnetosfære over ionosfæren, der strækker sig til en afstand på op til tre af dens radier, kaldes plasmasfæren.

Plasma holdes af Jordens magnetfelt, men dets tilstand bestemmes af dets interaktion med solvinden - solkoronaens plasmastrøm.

I en større afstand fra Jordens overflade er magnetfeltet således asymmetrisk, da det forvrænges under solvindens påvirkning: Fra Solen trækker det sig sammen, og i retningen fra Solen får det et "spor", der strækker sig hundredtusindvis af kilometer, der går ud over Månens kredsløb.

Denne ejendommelige "haleformede" form opstår, når plasmaet fra solvinden og sollegemets strømme ser ud til at flyde rundt om jordens magnetosfære - området i det nær-jordiske rum, stadig kontrolleret af Jordens magnetfelt, og ikke Solen og andre interplanetariske kilder.

Det er adskilt fra det interplanetariske rum af en magnetopause, hvor solvindens dynamiske tryk balanceres af trykket fra dets eget magnetfelt.

Feltparametre

En visuel repræsentation af positionen af linjerne for magnetisk induktion af Jordens felt er tilvejebragt af en magnetisk nål, der er fastgjort på en sådan måde, at den frit kan rotere både omkring den lodrette og omkring den vandrette akse (for eksempel i en kardan), - ved hvert punkt nær Jordens overflade er den installeret på en bestemt måde langs disse linjer.

Da de magnetiske og geografiske poler ikke er sammenfaldende, viser magnetnålen kun en omtrentlig nord-syd-retning.

Det lodrette plan, hvori den magnetiske nål er installeret, kaldes planet for den magnetiske meridian på det givne sted, og linjen, langs hvilken dette plan skærer jordens overflade, kaldes den magnetiske meridian.

Magnetiske meridianer er således projektionerne af kraftlinjerne for Jordens magnetiske felt på dens overflade, der konvergerer ved nord- og sydmagnetpolerne. Vinklen mellem retningerne af de magnetiske og geografiske meridianer kaldes magnetisk deklination.

Den kan være vestlig (ofte angivet med et "-"-tegn) eller østlig (et "+"-tegn), afhængigt af om magnetnålens nordpol afviger fra det lodrette plan af den geografiske meridian mod vest eller øst.

Yderligere er linjerne i Jordens magnetfelt generelt set ikke parallelle med dens overflade. Det betyder, at den magnetiske induktion af Jordens felt ikke ligger i et givent steds horisontplan, men danner en vis vinkel med dette plan – det kaldes magnetisk hældning. Den er kun tæt på nul ved punkterne af den magnetiske ækvator - omkredsen af en storcirkel i et plan, der er vinkelret på den magnetiske akse.

Resultater af numerisk modellering af Jordens magnetfelt: til venstre - normal, til højre - under inversion

Naturen af jordens magnetfelt

For første gang forsøgte J. Larmor at forklare eksistensen af Jordens og Solens magnetiske felter i 1919, idet han foreslog konceptet om en dynamo, ifølge hvilken opretholdelsen af et himmellegemes magnetfelt sker under handlingen af den hydrodynamiske bevægelse af et elektrisk ledende medium.

Men i 1934 beviste T. Cowling teoremet om umuligheden af at opretholde et aksesymmetrisk magnetfelt ved hjælp af en hydrodynamisk dynamomekanisme.

Og da de fleste af de undersøgte himmellegemer (og endnu mere Jorden) blev betragtet som aksialt symmetriske, var det på grundlag af dette muligt at antage, at deres felt også ville være aksialt symmetrisk, og derefter dets generering ifølge dette princip ville være umuligt ifølge denne sætning.

Selv Albert Einstein var skeptisk over for gennemførligheden af en sådan dynamo i betragtning af umuligheden af eksistensen af simple (symmetriske) løsninger. Først meget senere blev det vist, at ikke alle ligninger med aksial symmetri, der beskriver processen med magnetfeltgenerering, vil have en aksialsymmetrisk løsning, selv i 1950'erne. der er fundet asymmetriske løsninger.

Siden da har dynamoteorien udviklet sig med succes, og i dag er den almindeligt accepterede mest sandsynlige forklaring på oprindelsen af Jordens og andre planeters magnetfelt en selvophidset dynamomekanisme baseret på generering af en elektrisk strøm i en leder når den bevæger sig i et magnetfelt genereret og forstærket af disse strømme selv.

De nødvendige forhold skabes i jordens kerne: i den flydende ydre kerne, der hovedsageligt består af jern ved en temperatur på omkring 4-6 tusinde Kelvin, som perfekt leder strøm, skabes konvektivstrømme, der fjerner varme fra den faste indre kerne (genereret på grund af henfald af radioaktive grundstoffer eller frigivelse af latent varme under størkning af stof ved grænsen mellem den indre og ydre kerne, efterhånden som planeten gradvist afkøles).

Coriolis-kræfterne vrider disse strømme til karakteristiske spiraler, der danner de såkaldte Taylor-søjler. På grund af lagenes friktion får de en elektrisk ladning, der danner sløjfestrømme. Der skabes således et system af strømme, der cirkulerer langs et ledende kredsløb i ledere, der bevæger sig i et (indledningsvist tilstedeværende, omend meget svagt) magnetfelt, som i en Faraday-skive.

Det skaber et magnetfelt, som med en gunstig geometri af strømmene forstærker startfeltet, og dette forstærker igen strømmen, og forstærkningsprocessen fortsætter, indtil tabene til Joule-varme, der stiger med stigende strøm, balancerer energitilførsler på grund af hydrodynamiske bevægelser.

Det blev foreslået, at dynamoen kan exciteres på grund af præcession eller tidevandskræfter, det vil sige, at energikilden er Jordens rotation, men den mest udbredte og udviklede hypotese er, at dette netop er termokemisk konvektion.

Ændringer i jordens magnetfelt

Magnetisk feltinversion er en ændring i retningen af Jordens magnetfelt i planetens geologiske historie (bestemt ved den palæomagnetiske metode).

I en inversion vendes det magnetiske nord og magnetiske syd, og kompasnålen begynder at pege i den modsatte retning. Inversion er et relativt sjældent fænomen, der aldrig har fundet sted under eksistensen af Homo sapiens. Formentlig sidste gang det skete for omkring 780 tusind år siden.

Vendninger af magnetfeltet skete med tidsintervaller fra titusinder af år til enorme intervaller af et stille magnetfelt på titusinder af år, når vendingerne ikke fandt sted.

Der blev således ikke fundet nogen periodicitet i polvendingen, og denne proces anses for stokastisk. Lange perioder med et stille magnetfelt kan efterfølges af perioder med flere vendinger med forskellig varighed og omvendt. Undersøgelser viser, at en ændring i magnetiske poler kan vare fra flere hundrede til flere hundrede tusinde år.

Eksperter fra Johns Hopkins University (USA) antyder, at under vendinger svækkedes Jordens magnetosfære så meget, at kosmisk stråling kunne nå Jordens overflade, så dette fænomen kan skade levende organismer på planeten, og næste polskifte kan føre til endnu flere alvorlige konsekvenser for menneskeheden op til en global katastrofe.

Videnskabeligt arbejde i de senere år har vist (også i forsøg) muligheden for tilfældige ændringer i magnetfeltets retning ("spring") i en stationær turbulent dynamo. Ifølge lederen af laboratoriet for geomagnetisme ved Institut for Fysik af Jorden, Vladimir Pavlov, er inversion en ret lang proces efter menneskelige standarder.

Geofysikere ved University of Leeds Yon Mound og Phil Livermore mener, at der om et par tusinde år vil ske en inversion af Jordens magnetfelt.

Forskydning af Jordens magnetiske poler

For første gang blev koordinaterne for den magnetiske pol på den nordlige halvkugle bestemt i 1831, igen - i 1904, derefter i 1948 og 1962, 1973, 1984, 1994; på den sydlige halvkugle - i 1841, igen - i 1908. Forskydningen af de magnetiske poler er blevet registreret siden 1885. I løbet af de sidste 100 år har den magnetiske pol på den sydlige halvkugle flyttet sig næsten 900 km og er gået ind i det sydlige ocean.

De seneste data om tilstanden af den arktiske magnetiske pol (bevæger sig mod den østsibiriske verdens magnetiske anomali over det arktiske hav) viste, at fra 1973 til 1984 var dens kilometertal 120 km, fra 1984 til 1994 - mere end 150 km. Selvom disse tal er beregnet, bekræftes de af målinger af den nordmagnetiske pol.

Efter 1831, da stangens position blev fastsat for første gang, havde stangen allerede i 2019 forskudt sig mere end 2.300 km mod Sibirien og fortsætter med at bevæge sig med acceleration.

Dens rejsehastighed steg fra 15 km om året i 2000 til 55 km om året i 2019. Denne hurtige drift nødvendiggør hyppigere justeringer af navigationssystemer, der bruger jordens magnetfelt, såsom kompasser i smartphones eller backup-navigationssystemer til skibe og fly.

Styrken af jordens magnetfelt falder, og det er ujævnt. I løbet af de seneste 22 år er det faldet med i gennemsnit 1,7 %, og i nogle regioner, såsom det sydlige Atlanterhav, med 10 %. Nogle steder er styrken af magnetfeltet, i modsætning til den generelle tendens, endda steget.

Accelerationen af polernes bevægelse (med et gennemsnit på 3 km/år) og deres bevægelse langs korridorerne af magnetiske polinversioner (disse korridorer gjorde det muligt at afsløre mere end 400 palæoinversioner) tyder på, at man i denne bevægelse af polerne skal ikke se en udflugt, men en anden inversion af Jordens magnetfelt.

Hvordan opstod jordens magnetfelt?

Eksperter ved Scripps Institute of Oceanography og University of California har foreslået, at planetens magnetfelt blev dannet af kappen. Amerikanske videnskabsmænd har udviklet en hypotese foreslået for 13 år siden af en gruppe forskere fra Frankrig.

Det er kendt, at fagfolk i lang tid hævdede, at det var den ydre kerne af Jorden, der genererede dens magnetfelt. Men så foreslog eksperter fra Frankrig, at planetens kappe altid var solid (fra det øjeblik den blev født).

Denne konklusion fik forskerne til at tro, at det ikke var kernen, der kunne danne magnetfeltet, men den flydende del af den nedre kappe. Sammensætningen af kappen er et silikatmateriale, der betragtes som en dårlig leder.

Men da den nederste kappe skulle forblive flydende i milliarder af år, producerede væskens bevægelse inde i den ikke en elektrisk strøm, og faktisk var det simpelthen nødvendigt at generere et magnetfelt.

Professionelle i dag mener, at kappen kunne have været en mere kraftfuld kanal end tidligere antaget. Denne konklusion fra specialister retfærdiggør fuldt ud den tidlige jords tilstand. En silikatdynamo er kun mulig, hvis den elektriske ledningsevne af dens flydende del var meget højere og havde lavt tryk og temperatur.