CO SIĘ DZIEJE Z BIEGUNAMI MAGNETYCZNYMI ZIEMI


Pole magnetyczne i zmiana pola grawitacyjnego Ziemi Page 1 of 5
Zagadki
Co siÄ™ dzieje z biegunami magnetycznymi Ziemi?
Ziemia ma dwa bieguny magnetyczne, które nie
pokrywajÄ… siÄ™ z biegunami geograficznymi. Magnetyczny
biegun północny le\y w pobli\u bieguna
geograficznego południowego, a magnetyczny biegun
południowy le\y w pobli\u bieguna geograficznego
północnego.
Własności magnetyczne Ziemi wynikają z jej
wewnętrznej budowy. Ziemia składa się z czterech
podstawowych warstw: stałego jądra wewnętrznego z
niemal czystego \elaza, z płynnego płaszcza
zewnętrznego równie\ składającego się głównie z
\elaza, skalistego płaszcza i cienkiej skorupy
obejmującej kontynenty i dna oceanów. Aączny cię\ar
płaszcza i skorupy wytwarza w jądrze ciśnienie
średnio dwa miliony razy większe od tego jakie panuje
na powierzchni planety. Temperatura jÄ…dra wynosi
okoÅ‚o 5000°C i wytworzyÅ‚a siÄ™ podczas formowania
Ziemi na skutek kurczenia siÄ™ materii.
yródłem ziemskiego magnetyzmu są prądy, które
płyną w stopionym jądrze naszej planety. Fizycy
Warstwy wewnętrzne Ziemi
ustalili, \e planeta mo\e wytwarzać własne pole
magnetyczne, gdy spełnione są trzy podstawowe warunki. Pierwszym jest obecność wewnątrz
du\ej ilości płynnego przewodnika, którym jest w przypadku Ziemi płynne \elazo znajdujące się w
płaszczu zewnętrznym. Drugim jest zapewnienie dopływu energii niezbędnej do wprawienia płynu
w ruch. yródłem energii dymana ziemskiego są ciepło i reakcje chemiczne oraz krystalizacja
\elaza na granicy jądra wewnętrznego. Powoduje to powstawanie prądów konwekcyjnych. W
pobli\u jądra wewnętrznego temperatura jest znacznie wy\sza ni\ wy\ej i ciepłe warstwy wędrują
ku górze. Gdy gorący strumień dociera do do granicy z płaszczem, oddaje mu część ciepła.
Schłodzone \elazo staje się gęstsze od otoczenia i spływa z powrotem. Trzecim czynnikiem jest
rotacja w wyniku ruchu obrotowego Ziemi. Na płynne \elazo działa wtedy siła Coriolisa, która
powoduje ruch wirowy strug płynnego \elaza i
torem jest krzywa spiralna. Nieustanne istnienie
pola magnetycznego Ziemi (geodynama) jest więc
przede wszystkim zasługą istnienia płynnego,
metalicznego \elaza, zasobów energii
wystarczajÄ…cych 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, \e w wielu miejscach powstajÄ… obszary
o przeciwnej biegunowości zwane anomaliami
magnetycznymi.
Z namagnesowania starych skał i minerałów
mo\na 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 siÄ™, \e 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.
Zmiana rozkładu ziemskiego pola magnetycznego, od roku
Ostatnie odwrócenie biegunów nastąpiło około 780
1980 anomalii przybyło, a istniejące się powiększyły
tysięcy lat temu, a magnetyczny chaos z tym
związany trwał kilka tysięcy lat.
http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_zf3.html 2008-03-29
Pole magnetyczne i zmiana pola grawitacyjnego Ziemi Page 2 of 5
Od dwudziestu lat dokładnie badamy precyzyjnie rozkład pola magnetycznego na powierzchni
Ziemi. Najpierw zródłem danych był satelita Magsat, a od 1999 roku satelita Oersted. U\ywając
metod matematycznych i zakładając, \e pola generowane przez prądy elektryczne w płaszczu są
zaniedbywanie małe, naukowcy uzyskali z tych pomiarów mapy pola magnetycznego na
powierzchni jądra. Okazało się, \e chocia\ pole magnetyczne jest podobne do magnesu
sztabkowego to w większości pochodzi z czterech du\ych stref na powierzchni jądra: dwa pod
skrajnymi wybrze\ami Antarktydy i po jednym pod Syberią oraz Ameryką Północną. Dodatkowo
odkryto, \e od lat osiemdziesiÄ…tych powstajÄ… nowe anomalne
obszary, na przykład pod wschodnim wybrze\em Ameryki
Północnej czy pod Arktyką. Pojawienie się tych anomalii jest
najprawdopodobniej oznaką kolejnej zamiany biegunów.
Zaobserwowano zmniejszenie siÄ™ natÄ™\enie 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
bezu\yteczne. 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 symulujÄ… geodynamo na superkomputerach i
modelach fizycznych. Niestety moce obliczeniowe są zbyt małe
Komputerowa symulacja pola aby w pełni śledzić procesy podobne do zachodzących w jądrze
magnetycznego Ziemi na 500 lat przed
Ziemi. Próbujemy równie\ budować modele fizyczne w
zmianą biegunów
laboratorium. Po raz pierwszy w 2000 roku dwa europejskie
zespoły niezale\nie 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 najbli\szym 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, \e połączenie trzech
metod badawczych - pomiarów satelitarnych, symulacji komputerowych i laboratoryjnych -
nastÄ…pi najdalej za 10 do 20 lat.
Opracowano na podstawie artykułu zamieszczonego w nr 5/2005 czasopisma Świat Nauki.
Jak powstajÄ… zorze polarne?
Zorze polarne, które ju\ omawialiśmy w
ciekawostkach, powstajÄ… 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
przedłu\enie atmosfery słonecznej, Wiatr
słoneczny sięga a\ do skrajów Układu
Słonecznego. Kiedy wiatr słoneczny dotrze w
pobli\e Ziemi, oddziaływuje z polem
magnetycznym Ziemi. Na skutek tego elektrony
poruszają się ruchem spiralnym wzdłu\ linii
ziemskiego pola magnetycznego i w końcu
zderzają się w pobli\u biegunów magnetycznych z
Zdjęcie zorzy polarnej, którego autorem jest Jan Curtis
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
wcią\ jednak nie rozumieją, w jaki sposób zorza przyjmuje obłe kształty albo dlaczego jej kurtyna
bywa pofałdowana jak wstą\ka 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. Mo\e jakieś pola elektryczne
w ziemskiej atmosferze muszą tak przyspieszać elektrony, \e skupiają się one w wiązki. Niektórzy
http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_zf3.html 2008-03-29
Pole magnetyczne i zmiana pola grawitacyjnego Ziemi Page 3 of 5
z badaczy sądzą, \e jest to wynik stałych napięć elektrycznych, które tworzą się pomiędzy
ró\nymi warstwami atmosfery.
Niedawno ogłoszono nowy zło\ony
model powstawania zorzy, który
obecnie obowiązuje. Aby omówić
ten model musimy rozszerzyć
wiadomości o ziemskim polu
magnetycznym.
Pole magnetyczne Ziemi tworzy
osłonę ochronną, zwaną
magnetosferÄ…. WychodzÄ… one z
dwu biegunów, następnie biegną
pionowo, po czym na du\ej
wysokości odchylają się do pionu i
przechodzą do przeciwległego
bieguna. Wiatr słoneczny spłaszcza
czoło magnetosfery i wyciąga jej
Zniekształcone pola magnetyczne Ziemi (magnetosfera) przez wiatr słoneczny,
tylną część w formie ogona, co
białe obszary to uwięzione elektrony i protony czyli pasy van Allena
widać na rysunku po lewo.
Okazuje się, \e 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 te\ pasami radiacyjnymi, poniewa\ sÄ… one obszarami intensywnego promieniowania.
Elektrony i protony, w tych pasach, poruszajÄ… siÄ™ po trajektoriach zbli\onych 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
(przewa\nie elektrony) od 15000 do 25000 km
nad równikiem. Pasy van Allena odrzucają cząstki
dochodzące z Kosmosu, stanowią więc naturalną
osłonę radiacyjną, równie\ 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
Ogon magnetosfery jest bardzo rozciągnięty i za chwilę
nocnej stronie Ziemi. Co jakiÅ› czas ogon ten staje
nastÄ…pi zmiana konfiguracji linii pola magnetycznego
się tak rozciągnięty, \e 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 wzdłu\ pola magnetycznego.
Od ogona magnetycznego Ziemi do biegunów płyną fale elektromagnetyczne, zwane falami
Alfvena, przemieszczające się wzdłu\ linii
ziemskiego pola magnetycznego. Fale Alfvena
mogą przekazywać swoją energię elektronom,
nadając im przyspieszenie skierowane wzdłu\ linii
pola magnetycznego w kierunku biegunów
północnego i południowego. Elektrony dostając się
do atmosfery zderzajÄ… siÄ™ z czÄ…steczkami
powietrza i wzbudzajÄ…ce. Wzbudzone atomy
oddają energię, emitując światło.
Od dawna kontrowersyjnym tematem było
istnienie tajemniczych dzwięków, które wiele osób
miało słyszeć podczas intensywnych zórz. Próby
rejestracji akustycznej nie przyniosły jednak
rezultatów i wydawało się, \e jest to efekt
subiektywnych wra\eń. Są ró\ne próby
wytłumaczenia tych efektów. Być mo\e przyczyna
dzwięków mogą być lokalne wyładowania
elektryczne w powietrzu lub jak ostatnio siÄ™
http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_zf3.html 2008-03-29
Pole magnetyczne i zmiana pola grawitacyjnego Ziemi Page 4 of 5
przypuszcza silne pola elektromagnetyczne
wywołują jakieś procesy bezpośrednio w mózgu
człowieka. Najprawdopodobniej fale
elektromagnetyczne powodujÄ… minimalne
zaburzenia temperatury w tkankach, a to z kolei
mo\e wywołać wewnątrz ciała lokalne fale
akustyczne słyszalne przez ucho.
Aby jeszcze lepiej poznać zorze polarne naukowcy
prowadzÄ… ich obserwacje z powierzchni Ziemi i
satelit. Odbyły się te\ pierwsze próby wywołania
sztucznej zorzy polarnej strzelajÄ…c silnymi
wiÄ…zkami promieniowania radiowego w nocne
niebo. Być mo\e niedługo poznamy jeszcze lepiej
mechanizm powstawania tego tajemniczego
zjawiska i będziemy potrafić przewidywać jego
wystÄ…pienie.
Oracowano na podstawie artykułów
zamieszczonych w nr 4/2005 MÅ‚odego Technika,
nr 11/2001 National Geographic i nr 7/2005
Po nastÄ…pieniu zmiany konfiguracji pola magnetycznego
Wiedzy i śycie.
Ziemi następuje powstanie fal Alfvena, skierowanych do
biegunów magnetycznych
Obserwacja zmian pola grawitacyjnego Ziemi
Ziemia nie jest idealnie kulista. Jej
kształt zbli\ony jest do spłaszczonej
kuli ale licznie zniekształconej. Co
więcej, naukowcy sądzą, \e jej
kształt nie jest stały. A te
przeobra\enia zachodzÄ…ce we
wnętrzu naszej planety mają wielki
wpływ między innymi na kształt i siłę
ziemskiego pola grawitacyjnego.
Jest kilka teorii wyjaśnienia tego
zjawiska. Pierwsza tajemnicÄ™
zmiennego pola grawitacyjnego
Ziemi upatruje w oceanach. Ruchy
gigantycznych mas wody, jakie
dokonujÄ… siÄ™ za sprawÄ… 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 wią\ąca zmiany grawitacji z efektami efektu cieplarnianego. Głosi
ona, \e wzrastająca średnia temperatura atmosfery powoduje topnienie lodu i sprawia, \e 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 sÄ… jednak proste. Dlatego
postanowiono zbadać grawitację z kosmosu.
17 marca 2002 roku wystartowała rakieta Rockot
z dwoma blizniaczymi satelitami na pokładzie.
Rozpoczęła się amerykańsko-niemiecka misja
GRACE (Gravity Recovery And Climate
Experiment). Oba satelity znajdujÄ… siÄ™ 500 km
nad powierzchniÄ… Ziemi i podÄ…\ajÄ… jeden za
drugim w odległości 220 km. Przelatują one nad
obszarami silniejszego lub słabszego pola
grawitacyjnego i potrafią je rozró\nić. Gdy
podÄ…\ajÄ…cy przodem satelita wchodzi w obszar
http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_zf3.html 2008-03-29
Pole magnetyczne i zmiana pola grawitacyjnego Ziemi Page 5 of 5
silniejszego pola grawitacyjnego, oddala siÄ™
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 pomocÄ… GRACE sÄ…
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 ni\ dotychczas. Badania
ujawniÄ… drobne zmiany, jakie dokonujÄ… siÄ™ w polu
grawitacyjnym Ziemi i być mo\e dostarczą te\
wyjaśnień, skąd się one biorą. Poza
monitorowaniem ziemskiej grawitacji uczeni
Mapa ró\nic (w mikrometrach, czyli milionowych częściach
planujÄ… otworzenie z nieznanÄ… dotÄ…d precyzjÄ…
metra) w odległości między dwoma statkami Grace. Zmiany
kształtu ziemskiej geoidy. Oczekuje się tak\e, \e
w odległości są powodowane przez zmiany w natę\eniu
satelity Grace będą wychwytywały zmiany w
ziemskiego pola grawitacyjnego, działającego na ka\dy ze
prądach oceanicznych, zasobach wód
statków.
podziemnych i lodowcach, co pozwoli lepiej
monitorować klimat Ziemi. O dokładności tej metody niech świadczy to, \e według naukowców
zaanga\owanych 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 ni\ udało się nam zgromadzić przez ostatnie 30 lat. Pierwsze
mapy zostaną udostępnione wiosną 2003 roku.
Zagadki
http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_zf3.html 2008-03-29


Wyszukiwarka