Temat: Pole magnetyczne Ziemi
Wszyscy wiemy, że bieguny geograficzne Ziemi znajdują się w przeciwległych punktach kuli ziemskiej, tam gdzie oś wirowania Ziemi przecina jej powierzchnię. Kompas natomiast wskazuje kierunki, gdzie znajdują się bieguny magnetyczne, a to zupełnie inna sprawa. Ani jedna, ani druga para biegunów nie ma całkiem stałego położenia.
Północny biegun magnetyczny to punkt, w którym taki kompas, w którym igła może swobodnie poruszać się w pionie, (w odróżnieniu od powszechnie używanych kompasów, w których ruch igły odbywa się tylko w płaszczyćnie poziomej), wskazuje prosto w dół. Południowy biegun magnetyczny jest tam, gdzie igła takiego kompasu ustawia się pionowo do góry. Natomiast poziome ustawienie igły uzyskuje się na ziemskim równiku magnetycznym.
Bieguny magnetyczne są położone w sporej odległości od geograficznych. Północny biegun magnetyczny znajduje się w Północnej Kanadzie; geograficzny biegun południowy jest pośrodku Antarktydy, natomiast południowy biegun magnetyczny, oddalony od niego o setki kilometrów, leży blisko wybrzeża. W okolicach biegunów magnetycznych kompasy stają się bezużyteczne.
Sprawę komplikuje fakt, że położenie zarówno biegunów magnetycznych jak i geograficznych jest zmienne. Północny biegun geograficzny zatacza niewielkie kręgi. Ruch ten mierzony na powierzchni nie przekracza 6 m rocznie. Do określenia tej wędrówki wykorzystuje się światową sieć bardzo dokładnych odbiorników sygnałów z satelity GPS, (global positioning satellite) określającego pozycje na Ziemi.
Bieguny magnetyczne bezustannie się przemieszczają. Ich położenie jest wynikiem prądów indukowanych przez jądro ziemskie, które działa jak dynamo, do czego dokłada się jeszcze działanie prądów elektrycznych w jonosferze, pasów radiacyjnych i ziemskiej magnetosfery. Północny biegun magnetyczny przesuwa się ku północy średnio o 10 km na rok. A jeszcze na ten ogólny trend nakłada się ruch po elipsie. W jakimkolwiek momencie biegun magnetyczny może znajdować się w promieniu 80 km od swojego średniego położenia, w zależności od zaburzeń geomagnetycznych w jonosferze i magnetosferze.
Uważa się, że pole magnetyczne Ziemi wytwarzane jest przez ruchy płynu w ciekłej zewnętrznej części jądra ziemskiego, zbudowanego głównie z żelaza. Ruchy płynu spowodowane są siłami, które powstają w spągu jądra zewnętrznego w miarę jak Ziemia powoli się ochładza i żelazo tężeje tworząc poniżej stałe jądro wewnętrzne. Z powodu wirowania Ziemi płyn przemieszczany jest po krętych torach, co wytwarza nowe pole magnetyczne na skutek zawirowań w istniejącym polu magnetycznym. Wewnątrz jądra zawarte jest ponad 99 % magnetycznej energii Ziemi. Na powierzchni obserwujemy tylko bardzo niewielką część tej energii. Ma ona strukturę dipolową - to jest proste pole przebiegające z północy na południe jak w zwykłym magnesie sztabkowym. W polu Ziemi istnieją także mniejsze nie dipolowe struktury, które z upływem czasu zmieniają bardzo nieznacznie swoje położenie.
Ukierunkowanie części dipolowej pola jest prawie takie same jak osi wirowania Ziemi, innymi słowami bieguny magnetyczne są bardzo zbliżone do geograficznych, dzięki czemu możemy oznaczać strony świata przy użyciu kompasu. Jednak czasami dipolowa część pola zmienia kierunek, w rezultacie biegun północny i południowy zamieniają się miejscami. Proces odwracania się pola można prześledzić w zapisie paleomagnetycznym zachowanym w skałach głębokomorskich i w niektórych lawach. Proces odwracania się pola nie jest ściśle okresowy jak np. na Słońcu, gdzie pole magnetyczne odwraca kierunek co 11 lat. Odwrócenia się pola magnetycznego Ziemi czasami odbywają sie co 10 000 lat, a czasami nie występują przez 25 milionów lat. Sam proces odwrócenie pola wynosi tylko 5 000 lat.
W roku 1995 powstała pierwsza, spójna pod względem dynamiki, trójwymiarowa symulacja komputerowa geodynama (mechanizmu w płynym zewnętrznym jądrze Ziemi wytwarzającym i podtrzymującym pole geomagnetyczne). Została ona opublikowana przeze mnie wspólnie z Paulem H. Robertsem z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles. Tak zaprogramowaliśmy superkomputery, by rozwiązywały układ bardzo wielu rówań nieliniowych opisujących fizykę ruchów płynu i wytwarzanie pola magnetycznego w jądrze Ziemi. Otrzymaliśmy w ten sposób symulowane pole geomagnetyczne w przedziale odpowiadającym 300 000 lat wstecz. Pod względem natężenia, struktury dipolowej i przesuwania się na zachód pole to na powierzchni jest bardzo zbliżone do rzeczywistego pola Ziemi. Z naszego modelu wynika, że stałe jądro wewnętrzne, sparowane magnetycznie ze znajdującym się powyżej płynem przepływającym na wschód, powinno wirować nieco szybciej niż powierzchnia Ziemi. Spostrzeżenie to zostało ostatnio potwierdzone przez badania fal sejsmicznych przechodzących przez jądro.
Ponadto model komputerowy wykazał istnienie trzech spontanicznych odwróceń kierunku pola w czasie symulacji odpowiadającej ostatnim 300 000 lat. Tak więc po raz pierwszy otrzymaliśmy trójwymiarową symulowaną informację w funkcji czasu na temat przebiegu odwróceń pola magnetycznego. Proces ten jest skomplikowany, nawet w modelu komputerowym. Ruchy płynu dążą do odwrócenia pola, co następowałoby co kilka tysięcy lat. Jednak stałe jądro wewnętrzne przeciwstawia się tym zmianom, jako że pole nie może się zmieniać wewnątrz jądra wewnętrznego tak szybko jak w płynnym jądrze zewnętrznym. Rzadko zdarza się, żeby zmiany termodynamiczne, zmiany w ruchach płynu i zmiany pola magnetycznego ułożyły się tak, by doprowadzić do całkowitego wyemitowania dotychczasowego pola poza jądro wewnętrzne i umożliwić nowe ukierunkowanie biegunów dipola i ustalić odwrotne pole magnetyczne. Stochastyczna (przypadkowa) natura procesu wyjaśnia dlaczego przedział czasu pomiędzy kolejnymi odwróceniami biegunów na Ziemi jest tak różny.
Przeważająca część pola magnetycznego Ziemi wytwarzana jest w wyniku przepływu naładowanych elektrycznie cząsteczek w płynnej sferze jądra Ziemi. Ta płynna sfera rozciąga się od głębokości 2 900 kilometrów do 5 100 kilometrów. Prądy płynącej cieczy wywołane są różnicami temperatury pomiędzy stropem i spągiem tej warstwy. Prądy te przypominają czasami ruchy wrzącej wody w czajniku. Wirowanie Ziemi sprawia, że prądy te mają symetryczny przebieg. W wyniku ruchu elektrycznie naładowanych cząsteczek w płynnym jądrze pojawia się prąd elektryczny, w dużej mierze symetryczny.
Z praw fizyki dotyczących indukcji elektromagnetycznej wiemy, że prądowi elektrycznemu zawsze towarzyszy pole magnetyczne. Ciekłe jądro Ziemi jest geodynamem - działa jak prądnica. Powstający prąd elektryczny jest niemal symetryczny wokół osi obrotu, skutkiem czego towarzyszące mu pole magnetyczne jest podobne do pola magnesu. Z niezbyt jeszcze poznanych przyczyn równowaga pomiędzy efektem wirowania Ziemi i efektem temperatury w jądrze od czasu do czasu zostaje zaburzona, wywołując zaburzenia w przebiegu prądów w jadrze. Takie zaburzenia mogą doprowadzić do odwrócenia kierunku płynięcia prądów w jądrze. Gdy prąd w prądnicy płynąć będzie w przeciwną stronę, generowane wówczas pole magnetyczne będzie miało przeciwny zwrot.
Ziemskie pole magnetyczne zmienia się bezustannie, a sposób, w jaki te zmiany zachodzą, sam też ulega zmianom. Pole magnetyczne Ziemi scharakteryzowane jest przez kierunek i natężenie pola. Obie te wielkości zmieniają się w czasie, a zmiany te są różne w różnych miejscach, nie jest więc łatwo określić trend zmian całokształtu pola. W celu otrzymania odpowiedniego obrazu rozmieszczenia pola, trzeba dokonać pomiarów w bardzo wielu punktach (Rysunek 1).
W wielu miejscach w mijającym stuleciu zaobserwowano ogólne osłabienie pola, na ogół o około 10 %. Nie wiadomo, czy jest to tylko fluktuacja, czy też spadek ten oznacza zbliżanie się odwrócenia kierunku pola. W przeszłości geologicznej istniały krótkie zdarzenia magnetyczne trwające około 10 tysięcy lat. Zanim jednak ustali się zwrot przeciwny, panuje krótki okres, w którym pola w ogóle nie ma.
Nie jest rzeczą prostą przewidzieć jakie mogą być skutki takiego spadku natężenia pola. Ziemskie pole magnetyczne rozciąga się poza Ziemię tworząc osłonę, która skupia promieniowanie kosmiczne ku biegunom magnetycznym, dzięki czemu niewiele tego promieniowania dociera do większych szerokości geograficznych. W momencie zaniku pola magnetycznego czyli magnetosfery, promienie kosmiczne będą bombardować całą Ziemię z dużo większym niż obecnie natężeniem. Wpływ promieniowania kosmicznego na życie nie jest wystarczająco zbadany, ale podejrzewa się, że spowodowałoby to zniszczenie tkanek podobne jak występujące po napromieniowaniu rentgenowskim.
Niektórzy naukowcy wysnuwają teorie, że wszystkie albo przynajmniej niektóre okresy masowej zagłady organizmów, w czasie których wymarły tysiące gatunków na Ziemi, mogą być zwiazane z epizodami odwrócenia pola magnetycznego. Epizodów tych było bardzo wiele, toteż wydaje się nieprawdopodobne, by wszystkie one niosły ze sobą pogrom wielkiej liczby gatunków.
Wygenerowano: 04-10-2003 07:18:21