Ziemskie pole magnetyczne.

2000 lat temu Chińczycy zauważyli dziwną właściwość wydłużonych kawałków rudy żelaza - zawieszone poziomo na cienkiej nitce zawsze ustawiały się w jednym kierunku. Porównując wyniki swych spostrzeżeń z obserwacjami astronomicznymi szybko zorientowali się, że jeden koniec metalu zwracał się na północ, a drugi na południe. Nie wiedzieli, że metal, którego właściwości tak ich zaskoczyły, to odmiana rudy żelaza - magnetyk, a jego zachowanie wynika z istnienia pola magnetycznego otaczającego całą planetę.

W dobie oświecenia badacze założyli, że we wnętrzu Ziemi znajduje się ogromny magnes nadający określone położenie niektórym przedmiotom metalowym na jej powierzchni.

W wieku XIX pogląd znów się zmienił, za sprawą:

• Hans Chrystian Oerstedt - w 1820r. wykazał, że przepływ prądu w przewodniku wzbudza pole magnetyczne wokół niego.

• Michael Faraday - w 1831r. zademonstrował przepływ prądu elektrycznego w przewodniku poruszającym się w zasięgu pola magnetycznego.

• Klerk Maxwell - w 1864r. połączył oba zjawiska w swojej teorii elektromagnetyzmu.

Na podstawie tych doświadczeń kilkadziesiąt lat później uczeni doszli do wniosku, że wokół wewnętrznego jądra ziemskiego, które może być ciałem stałym, krąży płynne, zjonizowane jądro zewnętrzne. W trakcie ruchu obiegowego Ziemi następuje w nim przepływ prądu elektrycznego - wzbudza on pole magnetyczne (podobnie jak w elektromagnesie).

Dzięki dokładnym pomiarom odchylenia igły magnesu od poziomu w roku 1831 ang. podróżnik James Clarke Ross zlokalizował jeden z biegunów magnetycznych - ten leżący na północy (północna Kanada) oraz obliczył miejsce położenia drugiego bieguna magnetycznego - Ziemia Wiktorii na Antarktydzie (dotarł tam w 1909r. Ernest Henry Shackelton). Okazuje się, że bieguny magnetyczne nie pokrywają się z geograficznymi. Na skutek przyjętej konwencji, określającej biegun igły magnetycznej skierowany na północ jako północny, północny biegun magnetyczny Ziemi znajduje się na południu, a południowy na północy.

W drugiej połowie XIX wieku Włoch Macedonio Melloni odkrył różnorodność orientacji własności magnetycznych law pochodzących z Wezuwiusza, z różnych okresów aktywności wulkanu. To odkrycie rozpoczęło erę badań „zapisu” pola magnetycznego w skałach (tzw. magnetyzm szczątkowy) i położenia jego biegunów na przestrzeni geologicznych dziejów. Pojawiła się teza o wędrówce biegunów magnetycznych. To stwierdzenie zostało rozwinięte w XX wieku w teorii o okresowych rewersjach (odwróceniach) biegunów.. Zakłada ona, że średnio co 700 tys. lat pole magnetyczne zmienia swój kierunek, czyli oba bieguny zamieniają się położeniem. Co więcej! Krótko przed i po zamianie biegunów pole magnetyczne Ziemi zanika.

Ziemskie pole magnetyczne wytwarza wokół naszego globu magnetosferę, czyli strefę oddziaływania magnetycznego (strefę, w której cząstki naładowane elektrycznie pozostają pod dominującym wpływem pola magnetycznego Ziemi). Granica magnetosfery od strony Słońca przebiega niezbyt daleko od Ziemi zaledwie 64tys. km. - jest to wynikiem naporu wiatru słonecznego, który równoważy ciśnienie wytwarzane przez ziemskie pole magnetyczne. W kierunku przeciwnym magnetosfera nie ma tak wyraźnej granicy i jej zasięg obejmuje wiele milionów km. - wiatr słoneczny odpycha linie sił ziemskiego pola od Słońca.

Magnetosfera obejmuje całą atmosferę ziemską, a także przyczynia się do powstawania radiacyjnych pasów wokół Ziemi, tzw. pasów Van Allena (są to dwa koncentryczne pierścienie, zbudowane z protonów, elektronów i jonów opasujące Ziemię w odległości: 3,5 do 4 tys. km. pierwszy oraz 12 do 25 tys. km. drugi od równika geomagnetycznego). Magnetosfera „przechwytuje” wiatr słoneczny.

Zorza polarna (aurora)

Zorza polarna jest to świecenie górnych warstw atmosfery ziemskiej charakterystyczne dla obszarów arktycznych (zorza pn. - aurora borealis) i antarktycznych (zorza pd. - aurora australis). Najczęściej występuje w odległości 20-25° od bieguna geomagnetycznego Ziemi. Oserwowana również w sprzyjających warunkach bywa widoczna nawet w okolicach 50. równoleżnika. Zdarza się, że zorze polarne obserwowane są nawet w krajach śródziemnomorskich.

Zorze polarne mają bardzo różnorodne formy. Najczęściej są to świecące barwne łuki, smugi albo pasma (wstęgi), jednorodne lub o strukturze promienistej, o wyglądzie draperii, zasłon, koron itp. Zarówno położenie zorzy polarnej na niebie, jak i zabarwienie oraz natężenie świecenia ulegają ciągłym, często bardzo szybkim zmianom. Zorze polarne pojawiają się na wys. 65-140 km, zwykle jednak ich dolna granica leży na wys. ok. 100 km, a rozciągłość pionowa wynosi 100-200 km (niekiedy dochodzi do 1000 km). Zorze polarne powstają w wyniku oddziaływania z atmosferą ziemską schwytanych przez ziemskie pole magnetyczne elektronów i protonów emitowanych przez Słońce. Atomy i cząsteczki (gł. tlenu i azotu) w górnych warstwach atmosfery, wzbudzone wskutek bombardowania ich przez protony, elektrony i jony, emitują promieniowanie o charakterystycznym dla nich widmie (stąd różne barwy zorzy). Silna jonizacja podczas występowania zorzy polarnej powoduje zaburzenia w rozchodzeniu się fal radiowych.

Powstawanie zorzy polarnej.

Pole magnetyczne Ziemi tworzy osłonę ochronną - magnetosferę. Cząstki wiatru słonecznego poruszają się wzdłuż linii słonecznego pola magnetycznego. Wiatr słoneczny spłaszcza czoło magnetosfery i wyciąga jej tylną część w formę ogona (1). W punkcie zderzenia pole magnetyczne wiatru słonecznego, jeśli ustawi się odpowiednio, łączy się z polem magnetycznym Ziemi (2). Tak powstaje zorza widziana pod wysokimi szerokościami północnymi i południowymi (tam ochronna powłoka magnetyczna jest najbardziej otwarta na przestrzeń kosmiczną) (3).

Wiatr słoneczny „wiejąc” koło Ziemi łączy linie ziemskiego pola z własnym (4). Gdy zagarnięte linie znajdą się w ogonie magnetosfery, odrywają się od wiatru słonecznego i włączają ponownie w pole macierzyste (5). Naukowcy nie umieją jeszcze w pełni wyjaśnić, jak podczas ponownego włączenia się następuje transformacja energii magnetycznej w kinetyczną, która następnie pcha elektrony i jony dodatnie wzdłuż nowo połączonych linii pola w atmosferę Ziemi (6). Rozpędzone cząstki wpadając w atmosferę zderzają się z atomami i cząsteczkami gazów: tlenu i azotu. W każdej kolizji atom lub cząsteczka pochłania energię elektronu i uwalnia ją w postaci światła. Tak powstaje zorza. Kolor zależy od rodzaju gazu i wysokości, ma jakiej następuje zderzenie.

Wiatr słoneczny.

Najbardziej zewnętrzna warstwa Słońca - Korona przechodzi w wiatr słoneczny, czyli strumień elektronów, protonów i cząstek alfa. Cząstki te poruszają się z prędkościami od 250 do 800 km/słonecznego, wzdłuż linii pola magnetycznego Słońca. „Ilość” wiatru słonecznego zależy od tzw. aktywności Słońca.

Aktywność słoneczna, to szereg zjawisk połączonych ze sobą w skomplikowany i niejasny dla nas sposób. Te zjawiska to: plamy słoneczne (pociemnienia), pochodnie (jasne miejsca), rozbłyski oraz protuberancje (potężne wybuchy, po których zostaje wyrzucona ogromna ilość plazmy). Cykl aktywności Słońca zmienia się co 11 lat. Okres ten ma związek ze zmianą biegunów na Słońcu (też co 11 lat). Słoneczny wiatr wywołuje zaburzenia pola magnetycznego Ziemi (tzw. burze magnetyczne) i jest odpowiedzialny za powstawanie zórz polarnych.

Owal zorzowy, jak sama nazwa wskazuje jest owalem, a nie okręgiem, ani kołem. Jest to pierścień o zmiennej szerokości otaczajacy biegun magnetyczny. Jego szerokość zależy od tzw. pogody kosmicznej związenej z ilością promieniowania docierającego ze Słońca. Emisja cząstek wiatru słonecznego zwiększa się podczas słonecznych erupcji magnetycznych oraz podczas maksimum 11-letniego cyklu słonecznego. Generalnie im bliżej maksimum słonecznego, tym większa energia wiatru słonecznego bombardującego ziemską magnetosferę i tym samym bardziej spektakularne zorze oraz większa szansa zobaczenia zórz na niskich szerokościach. W okresach małej aktywności słonecznej, szerokość owala wynosi kilka stopni szerokości geograficznej, natomiast podczas sztormów słonecznych rozciąga się w stronę bieguna i równika do 15 stopni.
W obrębie owala zorzowego zachodzi wiele zjawisk fizycznych, które mają znaczący wpływ na rozchodzenie się sygnałów radiowych. Współczesne technologie w ogromny sposób opierają się na pracy satelitów (TV, telekomunikacja, GPS, ...), stąd duże zainteresowanie szczegółowym poznaniem tych zjawisk.

Gwałtowne zaburzenia magnetyczne, zwane sztormami magnetycznymi mogą powodować zakłócenia radiowe, a więc problemy w komunikacji satelitarnej, a nawet być przyczyną uszkodzeń instalacji naziemnych - sieci energetycznych czy rurociągów w północnych rejonach globu.

---