ووفقا للأفكار الحديثة، فقد تشكلت منذ حوالي 4.5 مليار سنة، ومنذ تلك اللحظة أصبح كوكبنا محاطا بمجال مغناطيسي. ويتأثر به كل شيء على وجه الأرض، بما في ذلك الناس والحيوانات والنباتات.
يمتد المجال المغناطيسي إلى ارتفاع حوالي 100000 كيلومتر (الشكل 1). فهو يحرف أو يلتقط جزيئات الرياح الشمسية الضارة بجميع الكائنات الحية. تشكل هذه الجسيمات المشحونة الحزام الإشعاعي للأرض، وتسمى المنطقة بأكملها من الفضاء القريب من الأرض التي توجد فيها هذه الجسيمات الغلاف المغناطيسي(الصورة 2). على جانب الأرض الذي تنيره الشمس، يقتصر الغلاف المغناطيسي على سطح كروي يبلغ نصف قطره حوالي 10-15 نصف قطر الأرض، وعلى الجانب المقابل يمتد مثل ذيل المذنب على مسافة تصل إلى عدة آلاف نصف قطر الأرض، وتشكيل ذيل مغنطيسي 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. وتقع على بعد حوالي 400 كيلومتر من مركز الأرض. والنقاط التي يتقاطع عندها هذا المحور مع سطح الكوكب هي أقطاب مغناطيسية.لا تتطابق الأقطاب المغناطيسية للأرض مع الأقطاب الجغرافية الحقيقية. إحداثيات القطبين المغناطيسيين حاليًا هي كما يلي: خط العرض الشمالي - 77 درجة شمالًا. و102 درجة غربًا؛ جنوبا - (65 درجة جنوبا و 139 درجة شرقا).
أرز. 1. هيكل المجال المغناطيسي للأرض
أرز. 2. هيكل الغلاف المغناطيسي
تسمى خطوط القوة الممتدة من قطب مغناطيسي إلى آخر خطوط الطول المغناطيسية. تتشكل زاوية بين خطوط الطول المغناطيسية والجغرافية تسمى الانحراف المغناطيسي. كل مكان على وجه الأرض له زاوية انحراف خاصة به. تبلغ زاوية الانحراف في منطقة موسكو 7 درجات شرقًا، وفي ياكوتسك حوالي 17 درجة غربًا. وهذا يعني أن الطرف الشمالي لإبرة البوصلة في موسكو ينحرف بمقدار T إلى يمين خط الطول الجغرافي الذي يمر عبر موسكو، وفي ياكوتسك - بمقدار 17 درجة إلى يسار خط الطول المقابل.
توجد إبرة مغناطيسية معلقة بحرية أفقيًا فقط على خط الاستواء المغناطيسي الذي لا يتطابق مع الخط الجغرافي. إذا تحركت شمال خط الاستواء المغناطيسي، فإن الطرف الشمالي للإبرة سوف ينحدر تدريجياً. تسمى الزاوية التي تتكون من الإبرة المغناطيسية والمستوى الأفقي الميل المغناطيسي. في القطبين المغناطيسيين الشمالي والجنوبي، يكون الميل المغناطيسي أكبر. وهي تساوي 90 درجة. وفي القطب المغناطيسي الشمالي، سيتم تركيب إبرة مغناطيسية معلقة بحرية بشكل عمودي بحيث يكون طرفها الشمالي إلى الأسفل، وفي القطب المغناطيسي الجنوبي سينخفض طرفها الجنوبي. وهكذا فإن الإبرة المغناطيسية توضح اتجاه خطوط المجال المغناطيسي فوق سطح الأرض.
مع مرور الوقت، يتغير موقع الأقطاب المغناطيسية بالنسبة لسطح الأرض.
اكتشف المستكشف جيمس سي روس القطب المغناطيسي عام 1831، على بعد مئات الكيلومترات من موقعه الحالي. ويتحرك في المتوسط 15 كيلومترا في السنة الواحدة. وفي السنوات الأخيرة، زادت سرعة حركة الأقطاب المغناطيسية بشكل حاد. على سبيل المثال، يتحرك القطب المغناطيسي الشمالي حاليًا بسرعة حوالي 40 كيلومترًا سنويًا.
يسمى انقلاب الأقطاب المغناطيسية للأرض انقلاب المجال المغناطيسي.
طوال التاريخ الجيولوجي لكوكبنا، تغير المجال المغناطيسي للأرض قطبيته أكثر من 100 مرة.
يتميز المجال المغناطيسي بالكثافة. في بعض الأماكن على الأرض، تنحرف خطوط المجال المغناطيسي عن المجال الطبيعي، وتشكل حالات شاذة. على سبيل المثال، في منطقة شذوذ كورسك المغناطيسي (KMA)، تكون شدة المجال أعلى بأربع مرات من المعتاد.
هناك تغيرات يومية في المجال المغناطيسي للأرض. وسبب هذه التغيرات في المجال المغناطيسي للأرض هو التيارات الكهربائية التي تتدفق في الغلاف الجوي على ارتفاعات عالية. وهي ناجمة عن الإشعاع الشمسي. تحت تأثير الرياح الشمسية، يتشوه المجال المغناطيسي للأرض ويكتسب "مسارًا" في اتجاه الشمس يمتد لمئات الآلاف من الكيلومترات. السبب الرئيسي للرياح الشمسية، كما نعلم بالفعل، هو الانبعاثات الهائلة للمادة من الهالة الشمسية. وأثناء تحركها نحو الأرض تتحول إلى سحب مغناطيسية وتؤدي إلى اضطرابات قوية وأحياناً شديدة على الأرض. اضطرابات قوية بشكل خاص في المجال المغناطيسي للأرض - العواصف المغناطيسية.تبدأ بعض العواصف المغناطيسية فجأة وفي وقت واحد تقريبًا عبر الأرض بأكملها، بينما يتطور بعضها الآخر تدريجيًا. يمكن أن تستمر لعدة ساعات أو حتى أيام. غالبًا ما تحدث العواصف المغناطيسية بعد يوم أو يومين من التوهج الشمسي بسبب مرور الأرض عبر تيار من الجسيمات التي تقذفها الشمس. واستنادا إلى زمن التأخير، تقدر سرعة هذا التدفق الجسيمي بعدة ملايين كيلومتر في الساعة.
أثناء العواصف المغناطيسية القوية، يتعطل التشغيل العادي للتلغراف والهاتف والراديو.
غالبًا ما تتم ملاحظة العواصف المغناطيسية عند خطي 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 باتجاه القطبين. فوق المناطق القطبية، تكون خطوط المجال المغناطيسي متعامدة إلى حد ما مع سطح الأرض ولها تكوين على شكل قمع. ومن خلالها يخترق جزء من الرياح الشمسية القادمة من جهة النهار الغلاف المغناطيسي ومن ثم إلى الغلاف الجوي العلوي. أثناء العواصف المغناطيسية، تندفع الجزيئات من ذيل الغلاف المغناطيسي إلى هنا، وتصل إلى حدود الغلاف الجوي العلوي في خطوط العرض العليا لنصفي الكرة الشمالي والجنوبي. هذه الجسيمات المشحونة هي التي تسبب الشفق هنا.
لذلك، يتم تفسير العواصف المغناطيسية والتغيرات اليومية في المجال المغناطيسي، كما اكتشفنا بالفعل، من خلال الإشعاع الشمسي. ولكن ما هو السبب الرئيسي الذي يخلق المغناطيسية الدائمة للأرض؟ ومن الناحية النظرية، كان من الممكن إثبات أن 99% من المجال المغناطيسي للأرض ناتج عن مصادر مخفية داخل الكوكب. ينشأ المجال المغناطيسي الرئيسي عن مصادر موجودة في أعماق الأرض. يمكن تقسيمهم تقريبًا إلى مجموعتين. ويرتبط الجزء الرئيسي منها بالعمليات التي تحدث في قلب الأرض، حيث يتم إنشاء نظام من التيارات الكهربائية بسبب الحركات المستمرة والمنتظمة للمادة الموصلة للكهرباء. والآخر يرجع إلى أن صخور القشرة الأرضية، عند مغنطتها بالمجال الكهربائي الرئيسي (مجال اللب)، تخلق مجالها المغناطيسي الخاص، والذي يتلخص في المجال المغناطيسي للقلب.
بالإضافة إلى المجال المغناطيسي حول الأرض، هناك مجالات أخرى: أ) الجاذبية؛ ب) كهربائي. ج) الحرارية.
مجال الجاذبيةتسمى الأرض بمجال الجاذبية. يتم توجيهه على طول خط راسيا عمودي على سطح الجيود. إذا كانت الأرض على شكل إهليلجي للثورة وكانت كتلها موزعة بالتساوي، فسيكون لها مجال جاذبية طبيعي. الفرق بين شدة مجال الجاذبية الحقيقي والمجال النظري هو شذوذ الجاذبية. اختلاف تركيب المواد وكثافة الصخور يسبب هذه الحالات الشاذة. لكن الأسباب الأخرى ممكنة أيضًا. يمكن تفسيرها من خلال العملية التالية - توازن القشرة الأرضية الصلبة والخفيفة نسبيًا على الوشاح العلوي الأثقل، حيث يتم تعادل ضغط الطبقات الفوقية. تسبب هذه التيارات تشوهات تكتونية وحركة صفائح الغلاف الصخري وبالتالي خلق ارتياح كبير للأرض. تحمل الجاذبية الغلاف الجوي والغلاف المائي والناس والحيوانات على الأرض. يجب أن تؤخذ الجاذبية بعين الاعتبار عند دراسة العمليات في الغلاف الجغرافي. على المدى " الانتحاء الجغرافي"هي حركات نمو أعضاء النبات، والتي، تحت تأثير قوة الجاذبية، تضمن دائمًا الاتجاه الرأسي لنمو الجذر الأساسي المتعامد مع سطح الأرض. تستخدم بيولوجيا الجاذبية النباتات كمواضيع تجريبية.
إذا لم تؤخذ الجاذبية في الاعتبار، فمن المستحيل حساب البيانات الأولية لإطلاق الصواريخ والمركبات الفضائية، وإجراء استكشاف الجاذبية لرواسب الخام، وأخيرا، فإن مواصلة تطوير علم الفلك والفيزياء والعلوم الأخرى أمر مستحيل.
في عام 1905، صنف أينشتاين سبب المغناطيسية الأرضية كأحد الألغاز الخمسة الرئيسية في الفيزياء المعاصرة.
وفي عام 1905 أيضًا، أجرى الجيوفيزيائي الفرنسي برنارد برونه قياسات مغناطيسية لرواسب الحمم البركانية من عصر البليستوسين في القسم الجنوبي من كانتال. كان متجه مغنطة هذه الصخور حوالي 180 درجة مع ناقل المجال المغناطيسي الكوكبي (حصل مواطنه ب. ديفيد على نتائج مماثلة حتى قبل عام). توصل برونيس إلى استنتاج مفاده أنه منذ ثلاثة أرباع مليون سنة، أثناء تدفق الحمم البركانية، كان اتجاه خطوط المجال المغنطيسي الأرضي معاكسًا للاتجاه الحديث. هكذا تم اكتشاف تأثير الانقلاب (عكس القطبية) للمجال المغناطيسي للأرض. في النصف الثاني من عشرينيات القرن العشرين، تم تأكيد استنتاجات برونهيس من قبل بي إل ميركانتون ومونوتوري ماتوياما، لكن هذه الأفكار لم تحظ بالاعتراف إلا بحلول منتصف القرن.
نحن نعلم الآن أن المجال المغناطيسي الأرضي كان موجودًا منذ 3.5 مليار سنة على الأقل، وخلال هذا الوقت تبادلت الأقطاب المغناطيسية أماكنها آلاف المرات (درس برونهيس وماتوياما الانعكاس الأخير، والذي يحمل اسميهما الآن). في بعض الأحيان يحافظ المجال المغنطيسي الأرضي على اتجاهه لعشرات الملايين من السنين، وأحيانا لا يزيد عن خمسمائة قرن. عادة ما تستغرق عملية الانقلاب نفسها عدة آلاف من السنين، وعند الانتهاء، لا تعود شدة المجال، كقاعدة عامة، إلى قيمتها السابقة، ولكنها تتغير بنسبة عدة بالمائة.
إن آلية الانقلاب المغنطيسي الأرضي ليست واضحة تمامًا حتى يومنا هذا، وحتى قبل مائة عام لم تكن تسمح بتفسير معقول على الإطلاق. لذلك، فإن اكتشافات برونهيس 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 تمت دراستها من قبل نجوم العلوم الأوروبية مثل المسافر العظيم ألكسندر فون هومبولت، وعالم الرياضيات اللامع كارل فريدريش غاوس، والفيزيائي التجريبي الرائع فيلهلم ويبر. لذا فقد نظر أينشتاين حقًا إلى الجذر.
كم عدد الأقطاب المغناطيسية التي تعتقد أن كوكبنا يمتلكها؟ سيقول الجميع تقريبًا أن هناك اثنين في القطب الشمالي والقطب الجنوبي. في الواقع، الجواب يعتمد على تعريف مفهوم القطب. تعتبر الأقطاب الجغرافية هي نقاط تقاطع محور الأرض مع سطح الكوكب. وبما أن الأرض تدور كجسم صلب، فلا يوجد سوى نقطتين من هذا القبيل ولا يمكن التفكير في أي شيء آخر. لكن الوضع مع الأقطاب المغناطيسية أكثر تعقيدًا. على سبيل المثال، يمكن اعتبار القطب منطقة صغيرة (من الناحية المثالية، مرة أخرى نقطة) حيث تكون خطوط القوة المغناطيسية متعامدة مع سطح الأرض. ومع ذلك، فإن أي مقياس مغناطيسي لا يسجل المجال المغناطيسي الكوكبي فحسب، بل يسجل أيضًا مجالات الصخور المحلية والتيارات الكهربائية الأيونوسفيرية وجزيئات الرياح الشمسية وغيرها من المصادر الإضافية للمغناطيسية (ومتوسط حصتها ليس صغيرًا جدًا، في حدود عدة بالمائة). . كلما كان الجهاز أكثر دقة، كلما كان ذلك أفضل - وبالتالي يجعل من الصعب بشكل متزايد عزل المجال المغنطيسي الأرضي الحقيقي (يسمى الرئيسي)، الذي يقع مصدره في أعماق الأرض. ولذلك، فإن إحداثيات القطب التي يتم تحديدها عن طريق القياس المباشر ليست مستقرة حتى خلال فترة زمنية قصيرة.
يمكنك التصرف بشكل مختلف وتحديد موضع القطب على أساس نماذج معينة من المغناطيسية الأرضية. للتقريب الأول، يمكن اعتبار كوكبنا ثنائي القطب المغناطيسي الذي مركزه الأرض، والذي يمر محوره عبر مركزه. حاليًا تبلغ الزاوية بينها وبين محور الأرض 10 درجات (قبل عدة عقود كانت أكثر من 11 درجة). مع النمذجة الأكثر دقة، اتضح أن محور ثنائي القطب يتحول بالنسبة إلى مركز الأرض نحو الجزء الشمالي الغربي من المحيط الهادئ بحوالي 540 كم (وهذا ثنائي القطب غريب الأطوار). هناك تعريفات أخرى.
ولكن هذا ليس كل شيء. في الواقع، لا يمتلك المجال المغناطيسي للأرض تماثلًا ثنائي القطب، وبالتالي له أقطاب متعددة، وبأعداد هائلة. إذا اعتبرنا الأرض رباعية مغناطيسية، رباعية الأقطاب، فسيتعين علينا إدخال قطبين آخرين - في ماليزيا وفي الجزء الجنوبي من المحيط الأطلسي. يحدد النموذج الثماني القطب الأقطاب الثمانية، وما إلى ذلك. تعمل النماذج الحديثة الأكثر تقدمًا للمغناطيسية الأرضية مع ما يصل إلى 168 قطبًا. ومن الجدير بالذكر أنه أثناء الانقلاب، يختفي مؤقتًا فقط المكون ثنائي القطب للمجال المغنطيسي الأرضي، بينما تتغير العناصر الأخرى بشكل أقل بكثير.
القطبين في الاتجاه المعاكس
يعرف الكثير من الناس أن الأسماء المقبولة عمومًا للأعمدة هي عكس ذلك تمامًا. يوجد في القطب الشمالي قطب يشير إليه الطرف الشمالي للإبرة المغناطيسية - لذلك يجب اعتباره جنوبيًا (مثلما تتنافر الأقطاب، تتجاذب الأقطاب المقابلة!). وبالمثل، يقع القطب الشمالي المغناطيسي عند خطوط العرض العليا في نصف الكرة الجنوبي. ومع ذلك، تقليديا نقوم بتسمية القطبين وفقا للجغرافيا. لقد اتفق الفيزيائيون منذ زمن طويل على أن خطوط القوة تخرج من القطب الشمالي لأي مغناطيس وتدخل إلى الجنوب. ويترتب على ذلك أن خطوط مغناطيسية الأرض تترك القطب الجيومغناطيسي الجنوبي وتتجه نحو الشمال. هذه هي الاتفاقية، ويجب ألا تنتهكها (حان الوقت لتذكر تجربة بانيكوفسكي الحزينة!).
القطب المغناطيسي، بغض النظر عن كيفية تعريفه، لا يقف ساكنا. كان للقطب الشمالي لثنائي القطب الأرضي إحداثيات 79.5 شمالاً و71.6 غربًا في عام 2000، و80.0 شمالًا و72.0 غربًا في عام 2010. وقد تحول القطب الشمالي الحقيقي (القطب الذي كشفت عنه القياسات الفيزيائية) منذ عام 2000 من 81.0 شمالًا و109.7 غربًا إلى 85.2 شمالًا و127.1 غربًا. طوال القرن العشرين تقريبًا، لم تتجاوز سرعتها أكثر من 10 كيلومترات سنويًا، ولكن بعد عام 1980 بدأت فجأة في التحرك بشكل أسرع بكثير. وفي أوائل التسعينيات تجاوزت سرعتها 15 كيلومترًا سنويًا وتستمر في النمو.
وكما قال لورانس نيويت، الرئيس السابق لمختبر الجيومغناطيسية التابع لهيئة الأبحاث الجيولوجية الكندية، لموقع Popular Mechanics، فإن القطب الحقيقي يهاجر الآن إلى الشمال الغربي، ويتحرك مسافة 50 كيلومترًا سنويًا. إذا لم يتغير ناقل حركتها لعدة عقود، فسوف ينتهي الأمر بحلول منتصف القرن الحادي والعشرين في سيبيريا. وفقًا لإعادة البناء التي أجراها نفس نيويت منذ عدة سنوات، في القرنين السابع عشر والثامن عشر، تحول القطب المغناطيسي الشمالي بشكل أساسي إلى الجنوب الشرقي ولم يتحول إلى الشمال الغربي إلا في حوالي عام 1860. كان القطب المغناطيسي الجنوبي الحقيقي يتحرك في نفس الاتجاه على مدار الـ 300 عام الماضية، ولا يتجاوز متوسط إزاحته السنوية 10-15 كم.
من أين يأتي المجال المغناطيسي للأرض؟ أحد التفسيرات المحتملة هو ببساطة صارخ. تحتوي الأرض على نواة داخلية صلبة من الحديد والنيكل، ويبلغ نصف قطرها 1220 كم. وبما أن هذه المعادن مغناطيسية حديدية، فلماذا لا نفترض أن اللب الداخلي لديه مغنطة ثابتة، مما يضمن وجود المجال المغناطيسي الأرضي؟ يمكن أن يعزى تعدد الأقطاب في المغناطيسية الأرضية إلى عدم تناسق توزيع المجالات المغناطيسية داخل النواة. من الصعب تفسير الهجرة القطبية وانعكاسات المجال المغناطيسي الأرضي، ولكن ربما يمكننا المحاولة.
ومع ذلك، لا شيء يأتي من هذا. تظل جميع المغناطيسات الحديدية مغناطيسية حديدية (أي أنها تحتفظ بالمغنطة التلقائية) فقط تحت درجة حرارة معينة - نقطة كوري. تبلغ درجة حرارة الحديد 768 درجة مئوية (أقل بكثير بالنسبة للنيكل)، وتتجاوز درجة حرارة اللب الداخلي للأرض بشكل ملحوظ 5000 درجة. لذلك، علينا أن نتخلى عن فرضية المغناطيسية الأرضية الثابتة. ومع ذلك، فمن الممكن أن تكون هناك كواكب باردة ذات قلوب مغناطيسية حديدية في الفضاء.
دعونا نفكر في احتمال آخر. يمتلك كوكبنا أيضًا نواة خارجية سائلة تبلغ سماكتها حوالي 2300 كيلومتر. يتكون من مصهور الحديد والنيكل مع خليط من العناصر الأخف وزنا (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 الحدود مع الوشاح تنخفض إلى 4400 درجة مئوية. لذلك، من الطبيعي أن نفترض أنه بسبب دوران الأرض تتشكل تيارات دائرية هناك، مما قد يكون سبب ظهور المغناطيسية الأرضية.
دينامو الحمل الحراري
"لتفسير مظهر المجال البولويدي، من الضروري أن نأخذ في الاعتبار التدفقات الرأسية للمادة النووية. تتشكل بسبب الحمل الحراري: يطفو مصهور الحديد والنيكل الساخن من الجزء السفلي من القلب باتجاه الوشاح. يتم التواء هذه النفاثات بواسطة قوة كوريوليس مثل التيارات الهوائية للأعاصير. في نصف الكرة الشمالي، تدور التيارات الصاعدة في اتجاه عقارب الساعة، بينما في نصف الكرة الجنوبي تدور عكس اتجاه عقارب الساعة، كما يوضح البروفيسور غاري جلاتزماير من جامعة كاليفورنيا. - عند الاقتراب من الوشاح، تبرد المادة الأساسية وتبدأ في التحرك مرة أخرى نحو الداخل. تلغي المجالات المغناطيسية للتدفقات الصاعدة والهابطة بعضها البعض، وبالتالي لا يتم إنشاء المجال عموديًا. لكن في الجزء العلوي من تيار الحمل الحراري، حيث يشكل حلقة ويتحرك أفقيًا لفترة قصيرة، يكون الوضع مختلفًا. في نصف الكرة الشمالي، تدور خطوط المجال، التي كانت تواجه الغرب قبل صعود الحمل الحراري، في اتجاه عقارب الساعة بمقدار 90 درجة وتتجه نحو الشمال. وفي نصف الكرة الجنوبي، فإنها تتجه عكس اتجاه عقارب الساعة من الشرق وتتجه أيضًا نحو الشمال. ونتيجة لذلك، يتم إنشاء مجال مغناطيسي في كلا نصفي الكرة الأرضية، متجهًا من الجنوب إلى الشمال. وعلى الرغم من أن هذا ليس بأي حال من الأحوال التفسير الوحيد الممكن لظهور المجال البولويدي، إلا أنه يعتبر الأكثر ترجيحًا.
وهذا هو بالضبط المخطط الذي ناقشه الجيوفيزيائيون قبل 80 عامًا. واعتقدوا أن تدفقات السائل الموصل من النواة الخارجية، بسبب طاقتها الحركية، تولد تيارات كهربائية تغطي محور الأرض. تولد هذه التيارات مجالًا مغناطيسيًا من النوع ثنائي القطب في الغالب، حيث تمتد خطوط المجال الموجودة على سطح الأرض على طول خطوط الطول (يسمى هذا المجال بولويدال). تثير هذه الآلية ارتباطًا بتشغيل الدينامو، ومن هنا جاء اسمها.
المخطط الموصوف جميل ومرئي ولكنه للأسف خاطئ. ويستند إلى افتراض أن حركة المادة في النواة الخارجية متناظرة بالنسبة لمحور الأرض. ومع ذلك، في عام 1933، أثبت عالم الرياضيات الإنجليزي توماس كاولينج النظرية التي بموجبها لا توجد تدفقات متناظرة محورية قادرة على ضمان وجود مجال مغناطيسي أرضي طويل المدى. وحتى لو ظهر، فإن عمره سيكون قصير الأجل، أقل بعشرات الآلاف من المرات من عمر كوكبنا. نحن بحاجة إلى نموذج أكثر تعقيدا.
يقول ديفيد ستيفنسون، أحد كبار الخبراء في مغناطيسية الكواكب، والأستاذ في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا: "لا نعرف بالضبط متى نشأت مغناطيسية الأرض، لكن من الممكن أن يكون قد حدث بعد وقت قصير من تكوين الوشاح والنواة الخارجية". . - لتشغيل الدينامو الجغرافي، يلزم وجود حقل بذور خارجي، وليس بالضرورة حقلًا قويًا. هذا الدور، على سبيل المثال، يمكن أن يلعبه المجال المغناطيسي للشمس أو مجال التيارات المتولدة في القلب بسبب التأثير الحراري الكهربائي. في نهاية المطاف، هذا ليس مهما للغاية؛ كانت هناك مصادر كافية للمغناطيسية. وفي وجود مثل هذا المجال والحركة الدائرية لتدفقات السوائل الموصلة، أصبح إطلاق دينامو داخل الكواكب أمرًا لا مفر منه.
الحماية المغناطيسية
تتم مراقبة مغناطيسية الأرض باستخدام شبكة واسعة من المراصد المغناطيسية الأرضية، والتي بدأ إنشائها في ثلاثينيات القرن التاسع عشر.
لنفس الأغراض، يتم استخدام الأدوات المحمولة على متن السفن والطيران والفضاء (على سبيل المثال، أجهزة القياس المغناطيسية العددية والمتجهة للقمر الصناعي الدنماركي أورستيد، الذي يعمل منذ عام 1999).
تتراوح شدة المجال المغناطيسي الأرضي من حوالي 20.000 نانو تسلا قبالة سواحل البرازيل إلى 65.000 نانو تسلا بالقرب من القطب المغناطيسي الجنوبي. منذ عام 1800، انخفض مكونه ثنائي القطب بنسبة 13% تقريبًا (ومنذ منتصف القرن السادس عشر بنسبة 20%)، بينما زاد مكونه الرباعي قليلاً. تظهر الدراسات المغناطيسية القديمة أنه لعدة آلاف من السنين قبل بداية عصرنا، ارتفعت شدة المجال المغنطيسي الأرضي باستمرار، ثم بدأت في الانخفاض. ومع ذلك، فإن عزم ثنائي القطب الكوكبي الحالي أعلى بكثير من متوسط قيمته على مدار المائة وخمسين مليون سنة الماضية (في عام 2010، نُشرت نتائج القياسات المغناطيسية القديمة التي تشير إلى أنه قبل 3.5 مليار سنة، كان المجال المغناطيسي للأرض نصف قوته الحالية). اليوم). وهذا يعني أن تاريخ المجتمعات البشرية بأكمله منذ ظهور الدول الأولى وحتى عصرنا هذا وقع على الحد الأقصى المحلي للمجال المغناطيسي للأرض. ومن المثير للاهتمام التفكير فيما إذا كان هذا قد أثر على تقدم الحضارة. لم يعد هذا الافتراض رائعًا إذا اعتبرنا أن المجال المغناطيسي يحمي المحيط الحيوي من الإشعاع الكوني.
وهنا ظرف آخر يستحق الذكر. في مرحلة الشباب وحتى المراهقة على كوكبنا، كانت كل المادة الموجودة في قلب كوكبنا في الطور السائل. تشكلت النواة الداخلية الصلبة مؤخرًا نسبيًا، ربما قبل مليار سنة فقط. عندما حدث هذا، أصبحت تيارات الحمل الحراري أكثر انتظامًا، مما أدى إلى تشغيل أكثر استقرارًا للجيودينامو. وبسبب هذا، اكتسب المجال المغنطيسي الأرضي حجمًا واستقرارًا. يمكن الافتراض أن هذا الظرف كان له تأثير مفيد على تطور الكائنات الحية. على وجه الخصوص، أدى تعزيز المغناطيسية الأرضية إلى تحسين حماية المحيط الحيوي من الإشعاع الكوني وبالتالي تسهيل خروج الحياة من المحيط إلى الأرض.
هذا هو التفسير المقبول عمومًا لمثل هذا الإطلاق. من أجل التبسيط، فليكن حقل البذور موازيا تقريبا لمحور دوران الأرض (في الواقع، يكفي أن يكون لديه مكون غير صفري في هذا الاتجاه، وهو أمر لا مفر منه تقريبا). تتناقص سرعة دوران مادة اللب الخارجي مع انخفاض العمق، وبسبب موصليتها الكهربائية العالية، تتحرك معها خطوط المجال المغناطيسي - كما يقول الفيزيائيون، "يتجمد" المجال في الوسط. ولذلك، فإن خطوط القوة في حقل البذور سوف تنحني، وتتقدم للأمام عند أعماق أكبر وتتراجع عند الأعماق الضحلة. في نهاية المطاف سوف تتمدد وتتشوه إلى درجة أنها ستؤدي إلى ظهور مجال حلقي، حلقات مغناطيسية دائرية تمتد حول محور الأرض وتشير في اتجاهين متعاكسين في نصفي الكرة الشمالي والجنوبي. هذه الآلية تسمى تأثير w.
وفقًا للبروفيسور ستيفنسون، من المهم جدًا أن نفهم أن المجال الحلقي للنواة الخارجية نشأ بسبب حقل البذور البولويدال، وأدى بدوره إلى ظهور حقل بولويدال جديد لوحظ على سطح الأرض: "كلا النوعين من الدينامو الجغرافي الكوكبي الحقول مترابطة ولا يمكن أن توجد بدون بعضها البعض.
قبل 15 عامًا، نشر غاري جلاتزماير، مع بول روبرتس، نموذجًا حاسوبيًا جميلًا جدًا للمجال المغنطيسي الأرضي: "من حيث المبدأ، لشرح المغناطيسية الأرضية، كان هناك منذ فترة طويلة جهاز رياضي مناسب - معادلات الديناميكا المائية المغناطيسية بالإضافة إلى المعادلات التي تصف القوة الجاذبية والحرارة تتدفق داخل قلب الأرض. النماذج المبنية على هذه المعادلات معقدة للغاية في شكلها الأصلي، ولكن يمكن تبسيطها وتكييفها مع الحسابات الحاسوبية. وهذا بالضبط ما فعلته أنا وروبرتس. لقد أتاح التشغيل على حاسوب عملاق بناء وصف متسق ذاتيًا للتطور طويل المدى لسرعة ودرجة حرارة وضغط تدفقات المادة في النواة الخارجية والتطور المرتبط بالمجالات المغناطيسية. واكتشفنا أيضًا أنه إذا لعبنا المحاكاة على فترات زمنية تصل إلى عشرات ومئات الآلاف من السنين، فإن انقلابات المجال المغناطيسي الأرضي ستحدث حتمًا. لذا، في هذا الصدد، يقوم نموذجنا بعمل جيد في نقل التاريخ المغناطيسي للكوكب. ومع ذلك، هناك صعوبة لم يتم حلها بعد. لا تزال معلمات مادة اللب الخارجي المضمنة في 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 هو الحال؛ هناك كل الأسباب للاعتقاد بأنه يتزامن تقريبًا مع لزوجة الماء. إن نماذجنا الحالية عاجزة عن أخذ الاضطرابات في الاعتبار، والتي تحدث بلا شك. لكن أجهزة الكمبيوتر تكتسب قوة كل عام، وفي غضون عشر سنوات ستكون هناك عمليات محاكاة أكثر واقعية بكثير.
يضيف البروفيسور ستيفنسون: "يرتبط تشغيل الجيودينامو حتماً بالتغيرات الفوضوية في تدفق ذوبان الحديد والنيكل، مما يؤدي إلى تقلبات في المجالات المغناطيسية". - إن انقلابات المغناطيسية الأرضية هي ببساطة أقوى التقلبات الممكنة. ونظرًا لأنها عشوائية بطبيعتها، فمن الصعب التنبؤ بها مسبقًا - على الأقل لا نعرف كيفية القيام بذلك.
المجال المغناطيسي للأرض هو تكوين ناتج عن مصادر داخل الكوكب. وهو موضوع الدراسة في القسم المقابل من الجيوفيزياء. بعد ذلك، دعونا نلقي نظرة فاحصة على ما هو المجال المغناطيسي للأرض وكيف يتم تشكيله.
معلومات عامة
ليس بعيدًا عن سطح الأرض، على مسافة ثلاثة أنصاف أقطار تقريبًا، تقع خطوط القوة من المجال المغناطيسي على طول نظام "شحنتين قطبيتين". هناك منطقة تسمى "مجال البلازما" هنا. ومع البعد عن سطح الكوكب، يزداد تأثير تدفق الجزيئات المتأينة من الهالة الشمسية. ويؤدي ذلك إلى ضغط الغلاف المغناطيسي على جانب الشمس، وعلى العكس من ذلك، يمتد المجال المغناطيسي للأرض على الجانب المقابل، جانب الظل.
مجال البلازما
إن الحركة الاتجاهية للجسيمات المشحونة في الطبقات العليا من الغلاف الجوي (الأيونوسفير) لها تأثير ملحوظ على المجال المغناطيسي لسطح الأرض. موقع الأخير هو مائة كيلومتر وما فوق من سطح الكوكب. يحتوي المجال المغناطيسي للأرض على الغلاف البلازمي. إلا أن تركيبها يعتمد بقوة على نشاط الرياح الشمسية وتفاعلها مع الطبقة المحصورة. ويتم تحديد وتيرة العواصف المغناطيسية على كوكبنا من خلال التوهجات الشمسية.
المصطلح
هناك مفهوم "المحور المغناطيسي للأرض". هذا خط مستقيم يمر عبر القطبين المقابلين للكوكب. "خط الاستواء المغناطيسي" هو الدائرة الكبيرة للمستوى المتعامدة مع هذا المحور. المتجه الموجود عليه له اتجاه قريب من الأفقي. يعتمد متوسط قوة المجال المغناطيسي للأرض بشكل كبير على الموقع الجغرافي. وهي تساوي تقريبًا 0.5 Oe، أي 40 A/m. عند خط الاستواء المغناطيسي، يبلغ هذا المؤشر حوالي 0.34 Oe، وبالقرب من القطبين يقترب من 0.66 Oe. في بعض الحالات الشاذة للكوكب، على سبيل المثال، داخل شذوذ كورسك، يزداد المؤشر ويبلغ 2 Oe تسمى خطوط الغلاف المغناطيسي للأرض ذات البنية المعقدة، المسقطة على سطحها والمتقاربة عند أقطابها، "خطوط الطول المغناطيسية".
طبيعة الحدوث. الافتراضات والتخمينات
منذ وقت ليس ببعيد، اكتسب الافتراض حول العلاقة بين ظهور الغلاف المغناطيسي للأرض وتدفق التيار في قلب المعدن السائل، الواقع على مسافة ربع إلى ثلث نصف قطر كوكبنا، الحق في الوجود. لدى العلماء أيضًا افتراض حول ما يسمى بـ "التيارات التلورية" التي تتدفق بالقرب من القشرة الأرضية. يجب أن يقال أنه بمرور الوقت يحدث تحول في التكوين. لقد تغير المجال المغناطيسي للأرض عدة مرات خلال المائة والثمانين عامًا الماضية. وهذا مسجل في القشرة المحيطية، ويدل على ذلك دراسات المغنطة الدائمة. ومن خلال مقارنة المناطق على جانبي التلال المحيطية، يتم تحديد وقت تباعد هذه المناطق.
تحول القطب المغناطيسي للأرض
موقع هذه الأجزاء من الكوكب ليس ثابتًا. وقد تم تسجيل حقيقة نزوحهم منذ نهاية القرن التاسع عشر. وفي نصف الكرة الجنوبي، تحول القطب المغناطيسي بمقدار 900 كيلومتر خلال هذا الوقت وانتهى به الأمر في المحيط الهندي. وتجري عمليات مماثلة في الجزء الشمالي. هنا يتحرك القطب نحو شذوذ مغناطيسي في شرق سيبيريا. ومن عام 1973 إلى عام 1994، كانت المسافة التي انتقل بها الموقع إلى هنا 270 كم. تم تأكيد هذه البيانات المحسوبة مسبقًا في وقت لاحق عن طريق القياسات. وفقا لأحدث البيانات، زادت سرعة حركة القطب المغناطيسي في نصف الكرة الشمالي بشكل ملحوظ. وقد ارتفعت من 10 كلم/سنة في سبعينيات القرن الماضي إلى 60 كلم/سنة في بداية هذا القرن. وفي الوقت نفسه، تتناقص قوة المجال المغناطيسي للأرض بشكل غير متساو. لذلك، على مدى السنوات الـ 22 الماضية، انخفض في بعض الأماكن بنسبة 1.7٪، وفي مكان ما بنسبة 10٪، على الرغم من أن هناك أيضًا مناطق زادت فيها، على العكس من ذلك. إن تسارع إزاحة الأقطاب المغناطيسية (بحوالي 3 كيلومترات سنويًا) يعطي سببًا لافتراض أن حركتها الملحوظة اليوم ليست رحلة، بل انقلابًا آخر.
وهذا ما تؤكده بشكل غير مباشر زيادة ما يسمى بـ "الفجوات القطبية" في جنوب وشمال الغلاف المغناطيسي. تتغلغل المواد المتأينة من الهالة الشمسية والفضاء بسرعة إلى التوسعات الناتجة. نتيجة لذلك، يتم جمع كمية متزايدة من الطاقة في المناطق القطبية للأرض، والتي في حد ذاتها محفوفة بتسخين إضافي للقمم الجليدية القطبية.
الإحداثيات
وفي علم الأشعة الكونية تستخدم إحداثيات المجال المغناطيسي الأرضي، والتي سميت باسم العالم ماكيلوين. وكان أول من اقترح استخدامها، لأنها تعتمد على نسخ معدلة من نشاط العناصر المشحونة في المجال المغناطيسي. بالنسبة للنقطة، يتم استخدام إحداثيتين (L، B). وهي تميز الغلاف المغناطيسي (معلمة McIlwain) وتحريض المجال L. والأخير عبارة عن معلمة تساوي نسبة متوسط مسافة الكرة من مركز الكوكب إلى نصف قطره.
"الميل المغناطيسي"
منذ عدة آلاف من السنين، قام الصينيون باكتشاف مذهل. ووجدوا أن الأجسام الممغنطة يمكن وضعها في اتجاه معين. وفي منتصف القرن السادس عشر، قام العالم الألماني جورج كارتمان باكتشاف آخر في هذا المجال. وهكذا ظهر مفهوم "الميل المغناطيسي". يشير هذا الاسم إلى زاوية انحراف السهم لأعلى أو لأسفل عن المستوى الأفقي تحت تأثير الغلاف المغناطيسي للكوكب.
من تاريخ الأبحاث
وفي منطقة خط الاستواء المغناطيسي الشمالي، المختلف عن خط الاستواء الجغرافي، ينحدر الطرف الشمالي إلى الأسفل، وفي الجنوب على العكس من ذلك، يصعد إلى الأعلى. في عام 1600، قام الطبيب الإنجليزي ويليام جيلبرت لأول مرة بوضع افتراضات حول وجود المجال المغناطيسي للأرض، والذي يسبب سلوكًا معينًا للأشياء التي كانت ممغنطة سابقًا. ووصف في كتابه تجربة باستخدام كرة مزودة بسهم حديدي. ونتيجة لبحثه، توصل إلى استنتاج مفاده أن الأرض عبارة عن مغناطيس كبير. كما أجرى عالم الفلك الإنجليزي هنري جيليبرانت تجارب. ونتيجة لملاحظاته، توصل إلى استنتاج مفاده أن المجال المغناطيسي للأرض يخضع لتغيرات بطيئة.
وصف خوسيه دي أكوستا إمكانية استخدام البوصلة. كما أثبت الفرق بين القطبين المغناطيسي والشمالي، وفي كتابه الشهير "التاريخ" (1590) تم إثبات نظرية الخطوط بدون انحراف مغناطيسي. كما قدم كريستوفر كولومبوس مساهمة كبيرة في دراسة القضية قيد النظر. وكان مسؤولاً عن اكتشاف تقلب الانحراف المغناطيسي. تعتمد التحويلات على التغييرات في الإحداثيات الجغرافية. الانحراف المغناطيسي هو زاوية انحراف الإبرة عن اتجاه الشمال والجنوب. فيما يتعلق باكتشاف كولومبوس، تكثف البحث. كانت المعلومات حول المجال المغناطيسي للأرض ضرورية للغاية للملاحين. عمل إم في لومونوسوف أيضًا على هذه المشكلة. لدراسة المغناطيسية الأرضية، أوصى بإجراء ملاحظات منهجية باستخدام نقاط دائمة (على غرار المراصد). وكان من المهم أيضًا، بحسب لومونوسوف، القيام بذلك في البحر. لقد تحققت فكرة العالم العظيم هذه في روسيا بعد ستين عامًا. يعود اكتشاف القطب المغناطيسي في الأرخبيل الكندي إلى المستكشف القطبي الإنجليزي جون روس (1831). وفي عام 1841 اكتشف قطبا آخر للكوكب، ولكن في القارة القطبية الجنوبية. تم طرح الفرضية حول أصل المجال المغناطيسي للأرض بواسطة كارل غاوس. وسرعان ما أثبت أن معظمها يتغذى من مصدر داخل الكوكب، لكن سبب انحرافاتها البسيطة هو البيئة الخارجية.
محتوى المقال
المجال المغناطيسي للأرض.تمتلك معظم الكواكب في النظام الشمسي مجالات مغناطيسية بدرجة أو بأخرى. بالترتيب التنازلي للعزم المغناطيسي ثنائي القطب، يأتي المشتري وزحل في المركز الأول، يليهما الأرض وعطارد والمريخ، وبالنسبة للعزم المغناطيسي للأرض فإن قيمة عزومهم هي 20.000، 500، 1، 3 /5000 3/10000. كان العزم المغناطيسي ثنائي القطب للأرض في عام 1970 هو 7.981025 جم/سم3 (أو 8.3102222م2)، وانخفض على مدار العقد بمقدار 0.041025 جم/سم3. ويبلغ متوسط شدة المجال عند السطح حوالي 0,5 Oe (5·10 –5 T). إن شكل المجال المغناطيسي الرئيسي للأرض حتى مسافات تقل عن ثلاثة أنصاف أقطار قريب من مجال ثنائي القطب المغناطيسي المكافئ. ينزاح مركزها بالنسبة إلى مركز الأرض في اتجاه 18° شمالاً. و 147.8 درجة شرقًا. د. يميل محور ثنائي القطب هذا على محور دوران الأرض بمقدار 11.5 درجة. يتم فصل الأقطاب المغناطيسية الأرضية بنفس الزاوية عن الأقطاب الجغرافية المقابلة. علاوة على ذلك، يقع القطب الجيومغناطيسي الجنوبي في نصف الكرة الشمالي. وهي تقع حاليًا بالقرب من القطب الجغرافي الشمالي للأرض في شمال جرينلاند. إحداثياتها هي j = 78.6 + 0.04° T N, l = 70.1 + 0.07° TW، حيث T هو عدد العقود منذ عام 1970. عند القطب المغناطيسي الشمالي j = 75° جنوبًا، l = 120.4 درجة شرقًا (في القارة القطبية الجنوبية). وتكون خطوط المجال المغناطيسي الحقيقي للمجال المغناطيسي للأرض في المتوسط قريبة من خطوط المجال لهذا ثنائي القطب، وتختلف عنها في المخالفات المحلية المرتبطة بوجود الصخور الممغنطة في القشرة الأرضية. ونتيجة للتغيرات العلمانية، فإن القطب الجيومغناطيسي يتقدم بالنسبة للقطب الجغرافي بفترة تبلغ حوالي 1200 عام. على مسافات كبيرة، يكون المجال المغناطيسي للأرض غير متماثل. تحت تأثير تدفق البلازما المنبعث من الشمس (الرياح الشمسية)، يتشوه المجال المغناطيسي للأرض ويكتسب "مساراً" في الاتجاه من الشمس، يمتد لمئات الآلاف من الكيلومترات، متجاوزاً مدار الشمس. قمر.
يسمى فرع خاص من الجيوفيزياء يدرس أصل وطبيعة المجال المغناطيسي للأرض بالمغناطيسية الأرضية. تدرس المغناطيسية الأرضية مشاكل ظهور وتطور المكون الرئيسي الدائم المجال المغناطيسي الأرضي، طبيعة المكون المتغير (حوالي 1% من المجال الرئيسي)، وكذلك هيكل الغلاف المغناطيسي - طبقات البلازما الممغنطة العلوية للغلاف الجوي للأرض تتفاعل مع الرياح الشمسية وحماية الأرض من اختراق الإشعاع الكوني. إحدى المهام المهمة هي دراسة أنماط تغيرات المجال المغناطيسي الأرضي، نظرًا لأنها ناتجة عن تأثيرات خارجية مرتبطة في المقام الأول بالنشاط الشمسي .
أصل المجال المغناطيسي.
تتوافق الخصائص المرصودة للمجال المغناطيسي للأرض مع فكرة أنه ينشأ بسبب آلية الدينامو الهيدرومغناطيسي. في هذه العملية، يتم تقوية المجال المغناطيسي الأصلي نتيجة لحركات (عادة حملية أو مضطربة) للمادة الموصلة للكهرباء في القلب السائل للكوكب أو في بلازما النجم. عند درجة حرارة مادة تصل إلى عدة آلاف من كلفن، تكون موصليتها عالية بما يكفي بحيث يمكن لحركات الحمل الحراري التي تحدث حتى في وسط ممغنط ضعيف أن تثير تيارات كهربائية متغيرة، والتي، وفقًا لقوانين الحث الكهرومغناطيسي، يمكن أن تخلق مجالات مغناطيسية جديدة. واضمحلال هذه المجالات إما يولد طاقة حرارية (حسب قانون جول) أو يؤدي إلى ظهور مجالات مغناطيسية جديدة. اعتمادًا على طبيعة الحركات، يمكن لهذه الحقول إما أن تضعف أو تقوي الحقول الأصلية. لتعزيز المجال، هناك ما يكفي من عدم التماثل في الحركات. وبالتالي، فإن الشرط الضروري للدينامو الهيدرومغناطيسي هو وجود الحركات في وسط موصل، والشرط الكافي هو وجود عدم تناسق معين (حلزوني) للتدفقات الداخلية للوسط. عند استيفاء هذه الشروط، تستمر عملية التضخيم حتى تؤدي الخسائر الناتجة عن حرارة الجول، والتي تزداد مع زيادة قوة التيار، إلى موازنة تدفق الطاقة القادمة بسبب الحركات الهيدروديناميكية.
تأثير الدينامو هو الإثارة الذاتية والحفاظ على المجالات المغناطيسية في حالة ثابتة بسبب حركة البلازما السائلة أو الغازية الموصلة. آليتها مشابهة لتوليد التيار الكهربائي والمجال المغناطيسي في دينامو ذاتي الإثارة. يرتبط أصل الحقول المغناطيسية الأرضية للشمس والكواكب، بالإضافة إلى مجالاتها المحلية، على سبيل المثال، مجالات البقع الشمسية والمناطق النشطة، بتأثير الدينامو.
مكونات المجال المغنطيسي الأرضي.
يمكن تقسيم المجال المغناطيسي للأرض (المجال المغناطيسي الأرضي) إلى الأجزاء الثلاثة الرئيسية التالية.
1. المجال المغناطيسي الرئيسي للأرض، والذي يشهد تغيرات بطيئة مع مرور الوقت (تغيرات علمانية) لفترات تتراوح من 10 إلى 10000 سنة، تتركز في فترات 10-20، 60-100، 600-1200، و8000 سنة. ويرتبط الأخير بتغير في العزم المغناطيسي ثنائي القطب بعامل قدره 1.5-2.
2. الشذوذات العالمية - انحرافات عن ثنائي القطب المكافئ بنسبة تصل إلى 20٪ من شدة المناطق الفردية بأبعاد مميزة تصل إلى 10000 كم. تواجه هذه الحقول الشاذة اختلافات علمانية، مما يؤدي إلى تغيرات بمرور الوقت على مدى سنوات وقرون عديدة. أمثلة على الشذوذات: البرازيلية، الكندية، السيبيرية، كورسك. وفي سياق التغيرات العلمانية، تتغير الانحرافات العالمية وتتفكك ثم تعاود الظهور. عند خطوط العرض المنخفضة، يوجد انجراف غربي في خط الطول بمعدل 0.2 درجة سنويًا.
3. المجالات المغناطيسية للمناطق المحلية للأصداف الخارجية يتراوح طولها من عدة إلى مئات الكيلومترات. وهي ناتجة عن مغنطة الصخور الموجودة في الطبقة العليا من الأرض، والتي تشكل القشرة الأرضية وتقع بالقرب من السطح. واحدة من أقوى الشذوذ المغناطيسي كورسك.
4. يتم تحديد المجال المغناطيسي المتناوب للأرض (ويسمى أيضًا الخارجي) من خلال مصادر على شكل أنظمة تيارات تقع خارج سطح الأرض وفي غلافها الجوي. المصادر الرئيسية لهذه المجالات وتغيراتها هي التدفقات الجسيمية للبلازما الممغنطة القادمة من الشمس مع الرياح الشمسية، والتي تشكل بنية 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 للمجال المغناطيسي القريب من الأرض، والتي تسمى الفاصل المغناطيسي. إنه يحد من الغلاف المغناطيسي للأرض. بسبب تأثير التدفقات الجسيمية الشمسية، يتغير حجم وشكل الغلاف المغناطيسي باستمرار، وينشأ مجال مغناطيسي متناوب، تحدده مصادر خارجية. يرجع أصل تقلبه إلى الأنظمة الحالية التي تتطور على ارتفاعات مختلفة من الطبقات السفلى من الغلاف الأيوني إلى الفاصل المغناطيسي. تسمى التغييرات في المجال المغناطيسي للأرض بمرور الوقت، والناجمة عن أسباب مختلفة، بالتغيرات المغناطيسية الأرضية، والتي تختلف في مدتها وفي توطينها على الأرض وفي غلافها الجوي.
الغلاف المغناطيسي هي منطقة من الفضاء القريب من الأرض يتحكم فيها المجال المغناطيسي للأرض. يتشكل الغلاف المغناطيسي نتيجة تفاعل الرياح الشمسية مع بلازما الغلاف الجوي العلوي والمجال المغناطيسي للأرض. شكل الغلاف المغناطيسي عبارة عن تجويف وذيل طويل، يكرران شكل خطوط المجال المغناطيسي. تقع النقطة تحت الشمسية في المتوسط على مسافة 10 أنصاف أقطار الأرض، ويمتد ذيل الغلاف المغناطيسي إلى ما بعد مدار القمر. يتم تحديد طوبولوجيا الغلاف المغناطيسي من خلال مناطق غزو البلازما الشمسية للغلاف المغناطيسي وطبيعة الأنظمة الحالية.
يتم تشكيل الذيل المغناطيسي خطوط قوة المجال المغناطيسي للأرض، الخارجة من المناطق القطبية والممتدة تحت تأثير الرياح الشمسية إلى مئات من أنصاف أقطار الأرض من الشمس إلى الجانب الليلي من الأرض. ونتيجة لذلك، يبدو أن بلازما الرياح الشمسية وتدفقات الجسيمات الشمسية تتدفق حول الغلاف المغناطيسي للأرض، مما يمنحه شكلاً ذيليًا غريبًا. في ذيل الغلاف المغناطيسي، على مسافات كبيرة من الأرض، تضعف قوة المجال المغناطيسي للأرض، وبالتالي خصائصه الوقائية، وتتمكن بعض جزيئات البلازما الشمسية من اختراق ودخول المناطق الداخلية من الغلاف المغناطيسي للأرض و المصائد المغناطيسية لأحزمة الإشعاع. اختراق رأس الغلاف المغناطيسي في منطقة الشفق البيضاوي تحت تأثير الضغط المتغير للرياح الشمسية والمجال بين الكواكب، يعمل الذيل كمكان لتشكيل تيارات من الجسيمات المترسبة، مما يسبب الشفق والتيارات الشفقية. يتم فصل الغلاف المغناطيسي عن الفضاء بين الكواكب بواسطة الفاصل المغناطيسي. على طول الفاصل المغناطيسي، تتدفق جسيمات التدفقات الجسيمية حول الغلاف المغناطيسي. يكون تأثير الرياح الشمسية على المجال المغناطيسي للأرض قويًا جدًا في بعض الأحيان. توقف مغناطيسي – الحد الخارجي للغلاف المغناطيسي للأرض (أو الكوكب)، حيث يتم موازنة الضغط الديناميكي للرياح الشمسية مع ضغط المجال المغناطيسي الخاص بها. مع معلمات الرياح الشمسية النموذجية، تقع النقطة تحت الشمسية على بعد 9-11 نصف قطر أرضي من مركز الأرض. خلال فترات الاضطرابات المغناطيسية على الأرض، يمكن أن يتجاوز الفاصل المغناطيسي المدار الثابت بالنسبة للأرض (6.6 نصف قطر الأرض). مع الرياح الشمسية الضعيفة، تقع النقطة تحت الشمسية على مسافة 15-20 نصف قطر الأرض.
الرياح المشمسة -
تدفق البلازما من الهالة الشمسية إلى الفضاء بين الكواكب. وعلى مستوى مدار الأرض يبلغ متوسط سرعة جزيئات الرياح الشمسية (البروتونات والإلكترونات) حوالي 400 كم/ث، ويبلغ عدد الجزيئات عدة عشرات في 1 سم3.
العاصفة المغناطيسية.
تتغير الخصائص المحلية للمجال المغناطيسي وتتقلب، لعدة ساعات في بعض الأحيان، ثم تعود إلى مستواها السابق. وتسمى هذه الظاهرة العاصفة المغناطيسية. غالبًا ما تبدأ العواصف المغناطيسية فجأة وفي وقت واحد في جميع أنحاء العالم.
الاختلافات الجيومغناطيسية.
تسمى التغيرات في المجال المغناطيسي للأرض بمرور الوقت تحت تأثير العوامل المختلفة بالتغيرات المغناطيسية الأرضية. ويسمى الفرق بين شدة المجال المغناطيسي المرصود ومتوسط قيمته على مدى أي فترة زمنية طويلة، على سبيل المثال، شهر أو سنة، بالتغير المغنطيسي الأرضي. وفقًا للملاحظات، تتغير التغيرات المغناطيسية الأرضية بشكل مستمر مع مرور الوقت، وغالبًا ما تكون هذه التغييرات دورية.
الاختلافات اليومية. تحدث تغيرات يومية في المجال المغنطيسي الأرضي بانتظام، ويرجع ذلك أساسًا إلى التيارات في الغلاف الأيوني للأرض الناتجة عن التغيرات في إضاءة الغلاف الأيوني للأرض بواسطة الشمس خلال النهار.
الاختلافات غير النظامية. تنشأ تغيرات غير منتظمة في المجال المغناطيسي بسبب تأثير تدفق البلازما الشمسية (solar الرياح) على الغلاف المغناطيسي للأرض، بالإضافة إلى التغيرات داخل الغلاف المغناطيسي وتفاعل الغلاف المغناطيسي مع الغلاف الأيوني.
اختلافات لمدة 27 يومًا. توجد اختلافات كل 27 يومًا كميل لزيادة النشاط المغناطيسي الأرضي للتكرار كل 27 يومًا، وهو ما يتوافق مع فترة دوران الشمس بالنسبة لمراقب أرضي. ويرتبط هذا النمط بوجود مناطق نشطة طويلة العمر على الشمس، تمت ملاحظتها خلال العديد من الثورات الشمسية. يتجلى هذا النمط في شكل تكرار لمدة 27 يومًا للنشاط المغناطيسي والعواصف المغناطيسية.
الاختلافات الموسمية. يتم تحديد التغيرات الموسمية في النشاط المغناطيسي بثقة على أساس متوسط البيانات الشهرية للنشاط المغناطيسي التي تم الحصول عليها من خلال معالجة الملاحظات على مدى عدة سنوات. تزداد اتساعها مع زيادة النشاط المغناطيسي الكلي. لقد وجد أن التغيرات الموسمية في النشاط المغناطيسي لها حدين أقصى يتوافقان مع فترات الاعتدالات وحدين أدنى يتوافقان مع فترات الانقلاب. سبب هذه الاختلافات هو تكوين مناطق نشطة على الشمس، والتي يتم تجميعها في مناطق من 10 إلى 30 درجة شمالًا وجنوبًا. لذلك، خلال فترات الاعتدالات، عندما تتزامن طائرات الأرض وخط الاستواء الشمسي، تكون الأرض أكثر عرضة لعمل المناطق النشطة على الشمس.
11 سنة الاختلافات. تتجلى العلاقة بين النشاط الشمسي والنشاط المغناطيسي بشكل واضح عند مقارنة سلسلة طويلة من الملاحظات، مضاعفات فترات 11 عامًا من النشاط الشمسي. أفضل مقياس معروف للنشاط الشمسي هو عدد البقع الشمسية. وقد وجد أنه في سنوات الحد الأقصى لعدد البقع الشمسية، يصل النشاط المغناطيسي أيضًا إلى قيمته القصوى، لكن زيادة النشاط المغناطيسي تتأخر إلى حد ما مقارنة بزيادة النشاط الشمسي، بحيث يكون هذا التأخير في المتوسط سنة واحدة.
اختلافات استمرت لقرون- تغيرات بطيئة في عناصر المغناطيسية الأرضية مع فترات تمتد لعدة سنوات أو أكثر. على عكس التغيرات اليومية والموسمية وغيرها من الاختلافات ذات الأصل الخارجي، ترتبط الاختلافات العلمانية بمصادر تقع داخل قلب الأرض. ويصل اتساع التغيرات العلمانية إلى عشرات nT/سنة؛ وتسمى التغيرات في متوسط القيم السنوية لهذه العناصر بالتغير العلماني. تتركز عزلات التباين العلماني حول عدة نقاط - مراكز أو بؤر التباين العلماني؛ وفي هذه المراكز يصل حجم التباين العلماني إلى قيمه القصوى.
الأحزمة الإشعاعية والأشعة الكونية.
الأحزمة الإشعاعية للأرض هي منطقتان من أقرب مسافة قريبة من الأرض، تحيطان بالأرض على شكل مصائد مغناطيسية مغلقة.
أنها تحتوي على تدفقات هائلة من البروتونات والإلكترونات التي تم التقاطها بواسطة المجال المغناطيسي ثنائي القطب للأرض. للمجال المغناطيسي للأرض تأثير قوي على الجسيمات المشحونة كهربائيًا التي تتحرك في الفضاء القريب من الأرض. وهناك مصدران رئيسيان لهذه الجسيمات: الأشعة الكونية، أي. الإلكترونات والبروتونات ونواة العناصر الثقيلة النشطة (من 1 إلى 12 جيجا إلكترون فولت)، تأتي بسرعات خفيفة تقريبًا، خاصة من أجزاء أخرى من المجرة. والتدفقات الجسيمية للجسيمات المشحونة الأقل نشاطًا (10 5 – 10 6 فولت) التي تقذفها الشمس. في المجال المغناطيسي، تتحرك الجسيمات الكهربائية بشكل حلزوني؛ يبدو أن مسار الجسيم يلتف حول أسطوانة على طول المحور الذي يمتد منه خط القوة. يعتمد نصف قطر هذه الأسطوانة الوهمية على شدة المجال وطاقة الجسيم. كلما زادت طاقة الجسيم، زاد نصف القطر (ويسمى نصف قطر لارمور) لشدة مجال معينة. إذا كان نصف قطر لارمور أصغر بكثير من نصف قطر الأرض، فإن الجسيم لا يصل إلى سطحه، ولكن يتم التقاطه بواسطة المجال المغناطيسي للأرض. وإذا كان نصف قطر لارمور أكبر بكثير من نصف قطر الأرض، فإن الجسيم يتحرك كما لو أنه لا يوجد مجال مغناطيسي؛ وتخترق الجسيمات المجال المغناطيسي للأرض في المناطق الاستوائية إذا كانت طاقتها أكبر من 10 9 فولت. تغزو هذه الجسيمات الغلاف الجوي، وعندما تصطدم بذراته، تسبب تحولات نووية، مما ينتج عنه كميات معينة من الأشعة الكونية الثانوية. وقد تم بالفعل اكتشاف هذه الأشعة الكونية الثانوية على سطح الأرض. ولدراسة الأشعة الكونية بشكلها الأصلي (الأشعة الكونية الأولية)، يتم رفع المعدات على الصواريخ والأقمار الصناعية الأرضية. ما يقرب من 99٪ من الجسيمات النشطة التي "تخترق" الدرع المغناطيسي للأرض هي أشعة كونية من أصل مجري، وحوالي 1٪ فقط تتشكل في الشمس. يحتوي المجال المغناطيسي للأرض على عدد كبير من الجسيمات النشطة، سواء الإلكترونات أو البروتونات. تعتمد طاقتها وتركيزها على المسافة إلى الأرض وخط العرض المغنطيسي الأرضي. تملأ الجسيمات حلقات أو أحزمة ضخمة تحيط بالأرض حول خط الاستواء المغنطيسي الأرضي.
إدوارد كونونوفيتش