Zagadki

Co si

ę

dzieje z biegunami magnetycznymi Ziemi?

Ziemia ma dwa bieguny magnetyczne, które

nie

pokrywaj

ą

si

ę

z biegunami geograficznymi

. Magnetyczny

biegun

północny

leży

w

pobliżu

bieguna

geograficznego południowego, a magnetyczny biegun
południowy leży w pobliżu bieguna geograficznego
północnego.
Własności

magnetyczne

Ziemi

wynikają

z

jej

wewnętrznej budowy. Ziemia składa się z czterech
podstawowych warstw: stałego jądra wewnętrznego z
niemal

czystego

żelaza,

z

płynnego

płaszcza

zewnętrznego również składającego się głównie z
żelaza,

skalistego

płaszcza

i

cienkiej

skorupy

obejmującej kontynenty i dna oceanów. Łączny ciężar
płaszcza i skorupy wytwarza w jądrze ciśnienie
średnio dwa miliony razy większe od tego jakie panuje
na powierzchni planety. Temperatura jądra wynosi
około 5000°C i wytworzyła się podczas formowania
Ziemi na skutek kurczenia się materii.
Źródłem ziemskiego magnetyzmu są prądy, które
płyną w stopionym jądrze naszej planety. Fizycy
ustalili, że planeta może wytwarzać własne pole

magnetyczne, gdy spełnione są trzy podstawowe warunki. Pierwszym jest obecność wewnątrz
dużej ilości płynnego przewodnika, którym jest w przypadku Ziemi płynne żelazo znajdujące się w
płaszczu zewnętrznym. Drugim jest zapewnienie dopływu energii niezbędnej do wprawienia płynu
w ruch. Źródłem energii dymana ziemskiego są ciepło i reakcje chemiczne oraz krystalizacja
żelaza na granicy jądra wewnętrznego. Powoduje to powstawanie prądów konwekcyjnych. W
pobliżu jądra wewnętrznego temperatura jest znacznie wyższa niż wyżej i ciepłe warstwy wędrują
ku górze. Gdy gorący strumień dociera do do granicy z płaszczem, oddaje mu część ciepła.
Schłodzone żelazo staje się gęstsze od otoczenia i spływa z powrotem. Trzecim czynnikiem jest
rotacja w wyniku ruchu obrotowego Ziemi. Na płynne żelazo działa wtedy siła Coriolisa, która
powoduje ruch wirowy strug płynnego żelaza i
torem jest krzywa spiralna. Nieustanne istnienie
pola magnetycznego Ziemi (geodynama) jest więc
przede wszystkim zasługą istnienia płynnego,
metalicznego

żelaza,

zasobów

energii

wystarczających do podtrzymania konwekcji oraz
siły Coriolisa. Jest to tylko niestety uproszczenie.
Pole magnetyczne jako całość podobne jest do
pola magnesu sztabkowego, ale ruch wirowy
powoduje, że w wielu miejscach powstają obszary
o przeciwnej biegunowości zwane anomaliami
magnetycznymi.
Z namagnesowania starych skał i minerałów
można

odczytać,

jak

zmieniało

się

pole

magnetyczne na przestrzeni wieków, bowiem
podczas szybkiego stygnięcia lawy kryształy tak
jak igły magnetyczne, układają się zgodnie z
kierunkiem

ziemskiego

pola

magnetycznego.

Okazuje

się,

że

bieguny

ziemskiego

pola

magnetycznego

cyklicznie

zamieniały

się

miejscami - południowy przechodził na miejsce
północnego i na odwrót. W czasie takiej zamiany
ziemskie pole magnetyczne wariowało, między
innymi zanikały wtedy oba bieguny magnetyczne.
Ostatnie odwrócenie biegunów nastąpiło około 780
tysięcy lat temu, a magnetyczny chaos z tym
związany trwał kilka tysięcy lat.

Warstwy wewnętrzne Ziemi

Zmiana rozkładu ziemskiego pola magnetycznego, od roku

1980 anomalii przybyło, a istniejące się powiększyły

Page 1 of 5

Pole magnetyczne i zmiana pola grawitacyjnego Ziemi

2008-03-29

http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_zf3.html

Od dwudziestu lat dokładnie badamy precyzyjnie rozkład pola magnetycznego na powierzchni
Ziemi. Najpierw źródłem danych był satelita Magsat, a od 1999 roku satelita Oersted. Używając
metod matematycznych i zakładając, że pola generowane przez prądy elektryczne w płaszczu są
zaniedbywanie małe, naukowcy uzyskali z tych pomiarów mapy pola magnetycznego na
powierzchni jądra. Okazało się, że chociaż pole magnetyczne jest podobne do magnesu
sztabkowego to w większości pochodzi z czterech dużych stref na powierzchni jądra: dwa pod
skrajnymi wybrzeżami Antarktydy i po jednym pod Syberią oraz Ameryką Północną. Dodatkowo

odkryto, że od lat osiemdziesiątych powstają nowe anomalne
obszary, na przykład pod wschodnim wybrzeżem Ameryki
Północnej czy pod Arktyką. Pojawienie się tych anomalii jest
najprawdopodobniej oznaką kolejnej zamiany biegunów.
Zaobserwowano zmniejszenie się natężenie ziemskiego pola
magnetycznego o 10% w stosunku do pierwszych pomiarów
wykonywanych w XIX wieku. Jeśli będą się powiększały w
dotychczasowym tempie, to ziemskie bieguny magnetyczne
mogą zaniknąć w ciągu tysiąca lat, a kompasy będą
bezużyteczne. Ciekawe jak poradzą sobie zwierzęta, np. ptaki,
które w swych wędrówkach kierują się polem magnetycznym?
Aby

poznać

lepiej

mechanizm

powstawania

lokalnych

niezgodności pola magnetycznego i sposób, w jaki mogą
powstawać

kolejne

zmiany

biegunów

magnetycznych,

naukowcy symulują geodynamo na superkomputerach i
modelach fizycznych. Niestety moce obliczeniowe są zbyt małe
aby w pełni śledzić procesy podobne do zachodzących w jądrze
Ziemi. Próbujemy również budować modele fizyczne w
laboratorium. Po raz pierwszy w 2000 roku dwa europejskie

zespoły niezależnie od siebie wytworzyły spontanicznie wytworzone bieguny magnetyczne w
spiralnie skręconych rurach o długości 1-2 metry, zawierających ciekły sód (sód ma bardzo niską
temperaturę topnienia). W najbliższym czasie planuje się umieścić płynny sód w kulistych
zbiornikach o średnicy trzy metry i wprawić go w ruch.
Czekamy na dalsze pomiary i lepsze komputery. Naukowcy spodziewają się, że połączenie trzech
metod badawczych - pomiarów satelitarnych, symulacji komputerowych i laboratoryjnych -
nastąpi najdalej za 10 do 20 lat.
Opracowano na podstawie artykułu zamieszczonego w nr 5/2005 czasopisma Świat Nauki.

Jak powstaj

ą

zorze polarne?

Zorze

polarne,

które

już

omawiali

ś

my

w

ciekawostkach

,

powstają

na

skutek

burz

magnetycznych na Słońcu. Powstają wtedy silne
rozbłyski i z powierzchni Słońca wyrzucane są
ogromne ilości naładowanych cząstek (głównie
protonów i elektronów) o wysokiej energii. Tworzą
one tak zwany wiatr słoneczny, który stanowi
przedłużenie

atmosfery

słonecznej,

Wiatr

słoneczny

sięga

aż

do

skrajów

Układu

Słonecznego. Kiedy wiatr słoneczny dotrze w
pobliże

Ziemi,

oddziaływuje

z

polem

magnetycznym Ziemi. Na skutek tego elektrony
poruszają się ruchem spiralnym wzdłuż linii
ziemskiego pola magnetycznego i w końcu
zderzają się w pobliżu biegunów magnetycznych z
cząsteczkami azotu i tlenu wzbudzając je, które
wracając do stanu podstawowego wypromieniowują energię w postaci kwantów światła.
Zorza pojawia się w postaci kolorowych łuków, promieni, pasm, serpentyn i draperii. Naukowcy
wciąż jednak nie rozumieją, w jaki sposób zorza przyjmuje obłe kształty albo dlaczego jej kurtyna
bywa pofałdowana jak wstążka na wietrze. Dlaczego wreszcie nie jest jednolitą ścianą światła,
lecz często składa się z osobnych pasm, jakby tworzyły ją wiązki światła z równolegle
ustawionych reflektorów. Jest kilka hipotez wyjaśnienia tych faktów. Może jakieś pola elektryczne
w ziemskiej atmosferze muszą tak przyspieszać elektrony, że skupiają się one w wiązki. Niektórzy

Komputerowa symulacja pola

magnetycznego Ziemi na 500 lat przed

zmianą biegunów

Zdjęcie zorzy polarnej, którego autorem jest

Jan Curtis

Page 2 of 5

Pole magnetyczne i zmiana pola grawitacyjnego Ziemi

2008-03-29

http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_zf3.html

z badaczy sądzą, że jest to wynik stałych napięć elektrycznych, które tworzą się pomiędzy
różnymi warstwami atmosfery.

Niedawno ogłoszono nowy złożony
model powstawania zorzy, który
obecnie obowiązuje. Aby omówić
ten

model

musimy

rozszerzyć

wiadomości

o

ziemskim

polu

magnetycznym.
Pole magnetyczne Ziemi tworzy
osłonę

ochronną,

zwaną

magnetosferą. Wychodzą one z
dwu biegunów, następnie biegną
pionowo,

po

czym

na

dużej

wysokości odchylają się do pionu i
przechodzą

do

przeciwległego

bieguna. Wiatr słoneczny spłaszcza
czoło magnetosfery i wyciąga jej
tylną część w formie ogona, co
widać na rysunku po lewo.

Okazuje się, że cząstki pochodzące z wiatru słonecznego zostały uwięzione przez ziemskie pole
magnetyczne (odkrył to van Allen w 1958 roku) i tworzą podwójne, tak zwane pasy van Allena,
zwane też pasami radiacyjnymi, ponieważ są one obszarami intensywnego promieniowania.
Elektrony i protony, w tych pasach, poruszają się po trajektoriach zbliżonych do spiralnych z
ogromnymi prędkościami, w kierunku z bieguna północnego na południowy i z powrotem (jedna
sekunda wystarczy na przebycie trasy w obu
kierunkach).

Wewnętrzny

pas

van

Allena,

składający się przede wszystkim z protonów,
rozciąga się od wysokości 1000 do 5000 km nad
równikiem ziemskim, natomiast pas zewnętrzny
(przeważnie elektrony) od 15000 do 25000 km
nad równikiem. Pasy van Allena odrzucają cząstki
dochodzące z Kosmosu, stanowią więc naturalną
osłonę

radiacyjną,

również

przed

wiatrem

słonecznym.
Kiedy wiatr słoneczny dociera do magnetosfery to
zaczyna się ślizgać po liniach pola ziemskiego i
rozciąga je dalej w przestrzeń kosmiczna po
nocnej stronie Ziemi. Co jakiś czas ogon ten staje
się

tak

rozciągnięty,

że

następuje

zmiana

konfiguracji linii pola magnetycznego, w wyniku której dochodzi do skierowanie ponownie ku
Ziemi strumienia protonów i elektronów. Zjawisko to trwa od 10 minut do kilkudziesięciu godzin.
Proces ponownego łączenia się linii pola ziemskiego wytwarza fale wzdłuż pola magnetycznego.
Od ogona magnetycznego Ziemi do biegunów płyną fale elektromagnetyczne, zwane falami

Alfvena,

przemieszczające

się

wzdłuż

linii

ziemskiego pola magnetycznego. Fale Alfvena
mogą przekazywać swoją energię elektronom,
nadając im przyspieszenie skierowane wzdłuż linii
pola

magnetycznego

w

kierunku

biegunów

północnego i południowego. Elektrony dostając się
do

atmosfery

zderzają

się

z

cząsteczkami

powietrza i wzbudzające. Wzbudzone atomy
oddają energię, emitując światło.
Od

dawna

kontrowersyjnym

tematem

było

istnienie tajemniczych dźwięków, które wiele osób
miało słyszeć podczas intensywnych zórz. Próby
rejestracji akustycznej nie przyniosły jednak
rezultatów i wydawało się, że jest to efekt
subiektywnych

wrażeń.

Są

różne

próby

wytłumaczenia tych efektów. Być może przyczyna
dźwięków

mogą

być

lokalne

wyładowania

elektryczne w powietrzu lub jak ostatnio się

Zniekształcone pola magnetyczne Ziemi (magnetosfera) przez wiatr słoneczny,

białe obszary to uwięzione elektrony i protony czyli pasy van Allena

Ogon magnetosfery jest bardzo rozciągnięty i za chwilę

nastąpi zmiana konfiguracji linii pola magnetycznego

Page 3 of 5

Pole magnetyczne i zmiana pola grawitacyjnego Ziemi

2008-03-29

http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_zf3.html

przypuszcza

silne

pola

elektromagnetyczne

wywołują jakieś procesy bezpośrednio w mózgu
człowieka.

Najprawdopodobniej

fale

elektromagnetyczne

powodują

minimalne

zaburzenia temperatury w tkankach, a to z kolei
może wywołać wewnątrz ciała lokalne fale
akustyczne słyszalne przez ucho.
Aby jeszcze lepiej poznać zorze polarne naukowcy
prowadzą ich obserwacje z powierzchni Ziemi i
satelit. Odbyły się też pierwsze próby wywołania
sztucznej

zorzy

polarnej

strzelając

silnymi

wiązkami promieniowania radiowego w nocne
niebo. Być może niedługo poznamy jeszcze lepiej
mechanizm

powstawania

tego

tajemniczego

zjawiska i będziemy potrafić przewidywać jego
wystąpienie.
Oracowano

na

podstawie

artykułów

zamieszczonych w nr 4/2005 Młodego Technika,
nr 11/2001 National Geographic i nr 7/2005
Wiedzy i śycie.

Obserwacja zmian pola grawitacyjnego Ziemi

Ziemia nie jest idealnie kulista. Jej
kształt zbliżony jest do spłaszczonej
kuli ale licznie zniekształconej. Co
więcej, naukowcy sądzą, że jej
kształt

nie

jest

stały.

A

te

przeobrażenia

zachodzące

we

wnętrzu naszej planety mają wielki
wpływ między innymi na kształt i siłę
ziemskiego pola grawitacyjnego.
Jest kilka teorii wyjaśnienia tego
zjawiska.

Pierwsza

tajemnicę

zmiennego

pola

grawitacyjnego

Ziemi upatruje w oceanach. Ruchy
gigantycznych

mas

wody,

jakie

dokonują się za sprawą morskich
prądów zmieniają grawitację naszej
planety. Wraz z przemieszczaniem
się wody słodkiej i słonej zmienia się
rozkład mas na naszej planecie. A
grawitacja jest wszak wprost proporcjonalna do masy.
Wielu zwolenników ma teoria wiążąca zmiany grawitacji z efektami efektu cieplarnianego. Głosi
ona, że wzrastająca średnia temperatura atmosfery powoduje topnienie lodu i sprawia, że np.
północna Kanada i Półwysep Skandynawski uwolnione częściowo od przygniatających je mas
lodu... zaczynają się nieco unosić do góry! Te ruchy - rzecz jasna - odbijają się na kształcie pola
grawitacyjnego. Wszystko jednak ma się wyjaśnić wraz z uzyskaniem dokładnych pomiarów
zmian grawitacji. Globalne pomiary pola grawitacyjnego Ziemi nie są jednak proste. Dlatego
postanowiono zbadać grawitację z kosmosu.

17 marca 2002 roku wystartowała rakieta Rockot
z dwoma bliźniaczymi satelitami na pokładzie.
Rozpoczęła się amerykańsko-niemiecka misja
GRACE

(Gravity

Recovery

And

Climate

Experiment). Oba satelity znajdują się 500 km
nad powierzchnią Ziemi i podążają jeden za
drugim w odległości 220 km. Przelatują one nad
obszarami

silniejszego

lub

słabszego

pola

grawitacyjnego i potrafią je rozróżnić. Gdy
podążający przodem satelita wchodzi w obszar

Po nastąpieniu zmiany konfiguracji pola magnetycznego
Ziemi następuje powstanie fal Alfvena, skierowanych do

biegunów magnetycznych

Page 4 of 5

Pole magnetyczne i zmiana pola grawitacyjnego Ziemi

2008-03-29

http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_zf3.html

silniejszego pola grawitacyjnego, oddala się
nieznacznie od towarzysza. Dokładna wartość
odległości oraz wartość wzajemnej prędkości
satelitów są mierzone za pomocą umieszczonych
na ich pokładzie instrumentów oraz systemu GPS
z dokładnością sięgającą... 10 mikronów, czyli
około jednej dziesiątej grubości ludzkiego włosa!
Dane

gromadzone

za

pomocą

GRACE

są

wykorzystywane do budowania trójwymiarowych
modeli ziemskiego pola grawitacyjnego raz na 30
dni. Misja będzie trwała pięć lat. Satelity mierzą
rozkład masy na Ziemi z dokładnością od stu do
tysiąca razy większą niż dotychczas. Badania
ujawnią drobne zmiany, jakie dokonują się w polu
grawitacyjnym Ziemi i być może dostarczą też
wyjaśnień,

skąd

się

one

biorą.

Poza

monitorowaniem

ziemskiej

grawitacji

uczeni

planują otworzenie z nieznaną dotąd precyzją
kształtu ziemskiej geoidy. Oczekuje się także, że
satelity Grace będą wychwytywały zmiany w
prądach

oceanicznych,

zasobach

wód

podziemnych i lodowcach, co pozwoli lepiej

monitorować klimat Ziemi. O dokładności tej metody niech świadczy to, że według naukowców
zaangażowanych w projekt statki Grace są w stanie zarejestrować czteromilimetrowe zmiany
wysokości wody w basenie Mississippi o powierzchni 32 milionów kilometrów kwadratowych.
Pod koniec 2002 roku satelita Grace zaczął przesyłać pierwsze wyniki swych niezwykle
dokładnych pomiarów pola grawitacyjnego Ziemi. W ciągu 30 dni twierdzą specjaliści uzyskano
więcej danych najlepszej jakości niż udało się nam zgromadzić przez ostatnie 30 lat. Pierwsze
mapy zostaną udostępnione wiosną 2003 roku.

Zagadki

Mapa różnic (w mikrometrach, czyli milionowych częściach
metra) w odległości między dwoma statkami Grace. Zmiany
w odległości są powodowane przez zmiany w natężeniu
ziemskiego pola grawitacyjnego, działającego na każdy ze
statków.

Page 5 of 5

Pole magnetyczne i zmiana pola grawitacyjnego Ziemi

2008-03-29

http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_zf3.html