Earth Shield: โลกของเรามีสนามแม่เหล็กที่ไหน?

2024 ผู้เขียน: Seth Attwood | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-16 16:17

สนามแม่เหล็กปกป้องพื้นผิวโลกจากลมสุริยะและรังสีคอสมิกที่เป็นอันตราย มันทำงานเป็นเกราะป้องกัน - หากไม่มีมัน บรรยากาศจะถูกทำลาย เราจะบอกคุณว่าสนามแม่เหล็กของโลกเกิดขึ้นและเปลี่ยนแปลงอย่างไร

โครงสร้างและลักษณะของสนามแม่เหล็กโลก

สนามแม่เหล็กโลกหรือสนามแม่เหล็กโลก เป็นสนามแม่เหล็กที่เกิดจากแหล่งกำเนิดภายในโลก วิชาของการศึกษา geomagnetism ปรากฏเมื่อ 4, 2 พันล้านปีก่อน

สนามแม่เหล็กของโลก (สนามแม่เหล็กธรณี) สามารถแบ่งออกเป็นส่วนหลัก ๆ ดังต่อไปนี้:

• สนามหลัก,
• สาขาของความผิดปกติของโลก,
• สนามแม่เหล็กภายนอก

สนามหลัก

มากกว่า 90% ประกอบด้วยสนามซึ่งมีแหล่งกำเนิดอยู่ภายในโลกในแกนนอกที่เป็นของเหลว - ส่วนนี้เรียกว่าสนามหลักสนามหลักหรือสนามปกติ

ประมาณในรูปแบบของอนุกรมในฮาร์โมนิกส์ - ซีรีส์เกาส์เซียนและในการประมาณครั้งแรกใกล้กับพื้นผิวโลก (รัศมีไม่เกินสาม) มันอยู่ใกล้กับสนามแม่เหล็กไดโพลนั่นคือดูเหมือนว่าโลก เป็นแถบแม่เหล็กที่มีแกนหมุนจากเหนือไปใต้ประมาณ

ความผิดปกติของโลก

เส้นแรงที่แท้จริงของสนามแม่เหล็กโลก แม้ว่าโดยเฉลี่ยแล้วจะใกล้เคียงกับเส้นแรงของไดโพล แต่ก็แตกต่างไปจากนี้โดยความผิดปกติในท้องถิ่นที่เกี่ยวข้องกับการปรากฏตัวของหินแม่เหล็กในเปลือกโลกที่ตั้งอยู่ใกล้พื้นผิว

ด้วยเหตุนี้ในบางพื้นที่บนพื้นผิวโลก พารามิเตอร์ของสนามจึงแตกต่างจากค่าในพื้นที่ใกล้เคียงอย่างมาก ทำให้เกิดความผิดปกติทางแม่เหล็กขึ้น พวกมันสามารถทับซ้อนกันได้หากวัตถุแม่เหล็กที่ทำให้พวกมันอยู่ที่ระดับความลึกต่างกัน

สนามแม่เหล็กภายนอก

ถูกกำหนดโดยแหล่งที่มาในรูปแบบของระบบกระแสน้ำที่อยู่นอกพื้นผิวโลกในชั้นบรรยากาศ ในส่วนบนของชั้นบรรยากาศ (100 กม. ขึ้นไป) - ไอโอสเฟียร์ - โมเลกุลของไอออไนซ์ ก่อตัวเป็นพลาสมาเย็นหนาแน่นที่ลอยสูงขึ้น ดังนั้นส่วนหนึ่งของแมกนีโตสเฟียร์ของโลกที่อยู่เหนือไอโอสเฟียร์ซึ่งขยายออกไปได้ไกลถึงสาม รัศมีเรียกว่าพลาสมาสเฟียร์

พลาสมาถูกจับโดยสนามแม่เหล็กของโลก แต่สถานะของมันถูกกำหนดโดยปฏิสัมพันธ์กับลมสุริยะ - การไหลของพลาสมาของโคโรนาสุริยะ

ดังนั้น ที่ระยะห่างมากขึ้นจากพื้นผิวโลก สนามแม่เหล็กไม่สมมาตร เนื่องจากสนามแม่เหล็กบิดเบี้ยวภายใต้การกระทำของลมสุริยะ: มันหดตัวจากดวงอาทิตย์ และในทิศทางจากดวงอาทิตย์จะได้ "เส้นทาง" ที่ยื่นออกไป ไกลกว่าวงโคจรของดวงจันทร์ไปหลายแสนกิโลเมตร

รูปแบบ "หาง" ที่แปลกประหลาดนี้เกิดขึ้นเมื่อพลาสมาของลมสุริยะและกระแสคลังข้อมูลของดวงอาทิตย์ดูเหมือนว่าจะไหลไปรอบ ๆ สนามแม่เหล็กของโลก - บริเวณของอวกาศใกล้โลกซึ่งยังคงควบคุมโดยสนามแม่เหล็กของโลก ไม่ใช่ดวงอาทิตย์และที่อื่น ๆ แหล่งที่มาระหว่างดาวเคราะห์

มันถูกแยกออกจากอวกาศระหว่างดาวเคราะห์ด้วยแม่เหล็กหยุดชั่วคราว ซึ่งความดันไดนามิกของลมสุริยะจะสมดุลด้วยแรงดันของสนามแม่เหล็กของมันเอง

พารามิเตอร์ฟิลด์

การแสดงตำแหน่งของเส้นเหนี่ยวนำแม่เหล็กของสนามโลกที่มองเห็นได้นั้นมาจากเข็มแม่เหล็ก ซึ่งถูกตรึงในลักษณะที่สามารถหมุนได้อย่างอิสระทั้งรอบแนวตั้งและรอบแกนนอน (เช่น ใน gimbal), - ในแต่ละจุดใกล้กับพื้นผิวโลก มันถูกติดตั้งในลักษณะที่แน่นอนตามแนวเหล่านี้

เนื่องจากขั้วแม่เหล็กและขั้วทางภูมิศาสตร์ไม่ตรงกัน เข็มแม่เหล็กจึงแสดงเฉพาะทิศทางเหนือ-ใต้โดยประมาณเท่านั้น

ระนาบแนวตั้งที่มีการติดตั้งเข็มแม่เหล็กเรียกว่าระนาบของเส้นเมอริเดียนแม่เหล็กของสถานที่ที่กำหนด และเส้นที่ระนาบนี้ตัดกับพื้นผิวโลกเรียกว่าเส้นเมอริเดียนแม่เหล็ก

ดังนั้น เส้นเมอริเดียนแม่เหล็กจึงเป็นเส้นโครงของเส้นแรงของสนามแม่เหล็กโลกสู่พื้นผิวโลก มาบรรจบกันที่ขั้วแม่เหล็กเหนือและใต้ มุมระหว่างทิศทางของเส้นเมอริเดียนแม่เหล็กและตามภูมิศาสตร์เรียกว่าเดคลิเนชันของสนามแม่เหล็ก

อาจเป็นทิศตะวันตก (มักระบุด้วยเครื่องหมาย "-") หรือทิศตะวันออก (เครื่องหมาย "+") ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับว่าขั้วเหนือของเข็มแม่เหล็กเบี่ยงเบนจากระนาบแนวตั้งของเส้นเมอริเดียนทางภูมิศาสตร์ไปทางทิศตะวันตกหรือทิศตะวันออก

นอกจากนี้ เส้นของสนามแม่เหล็กโลกซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะไม่ขนานกับพื้นผิวของมัน ซึ่งหมายความว่าการเหนี่ยวนำแม่เหล็กของสนามโลกไม่ได้อยู่ในระนาบของขอบฟ้าของสถานที่ที่กำหนด แต่สร้างมุมที่แน่นอนกับระนาบนี้ - เรียกว่าความเอียงแม่เหล็ก มันอยู่ใกล้ศูนย์เฉพาะที่จุดเส้นศูนย์สูตรแม่เหล็ก - เส้นรอบวงของวงกลมใหญ่ในระนาบที่ตั้งฉากกับแกนแม่เหล็ก

ผลลัพธ์ของแบบจำลองเชิงตัวเลขของสนามแม่เหล็กโลก: ด้านซ้าย - ปกติ ด้านขวา - ระหว่างการผกผัน

ธรรมชาติของสนามแม่เหล็กโลก

เป็นครั้งแรกที่ J. Larmor พยายามอธิบายการมีอยู่ของสนามแม่เหล็กของโลกและดวงอาทิตย์ในปี 1919 โดยเสนอแนวคิดของไดนาโมตามที่การบำรุงรักษาสนามแม่เหล็กของวัตถุท้องฟ้าเกิดขึ้นภายใต้การกระทำ ของการเคลื่อนที่อุทกพลศาสตร์ของตัวกลางที่นำไฟฟ้า

อย่างไรก็ตาม ในปี 1934 T. Cowling ได้พิสูจน์ทฤษฎีบทเกี่ยวกับความเป็นไปไม่ได้ที่จะคงไว้ซึ่งสนามแม่เหล็กสมมาตรตามแกนโดยใช้กลไกไดนาโมแบบอุทกพลศาสตร์

และเนื่องจากวัตถุท้องฟ้าที่ศึกษาส่วนใหญ่ (และยิ่งกว่านั้นคือโลก) ได้รับการพิจารณาว่ามีความสมมาตรในแนวแกน บนพื้นฐานของสิ่งนี้ จึงเป็นไปได้ที่จะสันนิษฐานว่าสนามของพวกมันจะมีความสมมาตรในแนวแกนด้วย จากนั้นจึงสร้างตามหลักการนี้ จะเป็นไปไม่ได้ตามทฤษฎีบทนี้

แม้แต่อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ก็ยังสงสัยเกี่ยวกับความเป็นไปได้ของไดนาโมดังกล่าว เนื่องจากความเป็นไปไม่ได้ของการมีอยู่ของโซลูชันธรรมดา (สมมาตร) ในเวลาต่อมาพบว่าไม่ใช่สมการทั้งหมดที่มีสมมาตรตามแนวแกนที่อธิบายกระบวนการสร้างสนามแม่เหล็กจะมีสารละลายสมมาตรตามแนวแกน แม้แต่ในทศวรรษ 1950 พบสารละลายอสมมาตร

ตั้งแต่นั้นมา ทฤษฎีไดนาโมก็ได้รับการพัฒนาอย่างประสบความสำเร็จ และในปัจจุบันคำอธิบายที่เป็นไปได้มากที่สุดสำหรับการกำเนิดของสนามแม่เหล็กของโลกและดาวเคราะห์ดวงอื่นๆ คือกลไกไดนาโมที่กระตุ้นตัวเองโดยอาศัยการสร้างกระแสไฟฟ้าในตัวนำ เมื่อมันเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็กที่สร้างและขยายโดยกระแสเหล่านี้เอง

เงื่อนไขที่จำเป็นถูกสร้างขึ้นในแกนกลางของโลก: ในแกนนอกของเหลวซึ่งประกอบด้วยเหล็กส่วนใหญ่ที่อุณหภูมิประมาณ 4-6,000 เคลวินซึ่งนำกระแสได้อย่างสมบูรณ์แบบสร้างกระแสพาความร้อนที่เอาความร้อนออกจากแกนในที่เป็นของแข็ง (เกิดขึ้นเนื่องจากการสลายของธาตุกัมมันตภาพรังสีหรือการปล่อยความร้อนแฝงในระหว่างการแข็งตัวของสสารที่ขอบระหว่างแกนด้านในและแกนชั้นนอกในขณะที่ดาวเคราะห์ค่อยๆ เย็นลง)

แรงโคลิโอลิสบิดกระแสเหล่านี้ให้เป็นเกลียวลักษณะเฉพาะที่สร้างเสาที่เรียกว่าเทย์เลอร์ เนื่องจากความเสียดทานของชั้น พวกมันได้รับประจุไฟฟ้า ทำให้เกิดกระแสวนเป็นวง ดังนั้น ระบบของกระแสจึงถูกสร้างขึ้นที่หมุนเวียนไปตามวงจรนำไฟฟ้าในตัวนำที่เคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็ก (ปัจจุบันมีอยู่แม้ว่าจะอ่อนแอมาก) เช่นเดียวกับในดิสก์ฟาราเดย์

มันสร้างสนามแม่เหล็กซึ่งด้วยรูปทรงเรขาคณิตที่ดีของการไหลช่วยเพิ่มสนามเริ่มต้นและในทางกลับกันก็เพิ่มกระแสและกระบวนการขยายจะดำเนินต่อไปจนกระทั่งการสูญเสียความร้อนจูลเพิ่มขึ้นตามกระแสที่เพิ่มขึ้นทำให้สมดุล พลังงานไหลเข้าเนื่องจากการเคลื่อนที่แบบอุทกพลศาสตร์

มีข้อเสนอแนะว่าไดนาโมสามารถถูกกระตุ้นได้เนื่องจากการเคลื่อนตัวหรือแรงน้ำขึ้นน้ำลง กล่าวคือ แหล่งที่มาของพลังงานคือการหมุนของโลก อย่างไรก็ตาม สมมติฐานที่แพร่หลายและพัฒนามากที่สุดก็คือนี่คือการพาความร้อนแบบเทอร์โมเคมีอย่างแม่นยำ

การเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กโลก

การผกผันของสนามแม่เหล็กคือการเปลี่ยนแปลงในทิศทางของสนามแม่เหล็กโลกในประวัติศาสตร์ทางธรณีวิทยาของดาวเคราะห์

ในการผกผัน ทิศเหนือแม่เหล็กและทิศใต้แม่เหล็กจะกลับด้านและเข็มเข็มทิศเริ่มชี้ไปในทิศทางตรงกันข้าม การผกผันเป็นปรากฏการณ์ที่ค่อนข้างหายากซึ่งไม่เคยเกิดขึ้นในระหว่างการดำรงอยู่ของ Homo sapiens น่าจะเป็นครั้งสุดท้ายที่เกิดขึ้นเมื่อประมาณ 780,000 ปีก่อน

การกลับตัวของสนามแม่เหล็กเกิดขึ้นในช่วงเวลาหนึ่งตั้งแต่หลายหมื่นปีไปจนถึงช่วงห่างขนาดใหญ่ของสนามแม่เหล็กที่เงียบสงบเป็นเวลาหลายสิบล้านปี โดยที่การกลับตัวไม่เกิดขึ้น

ดังนั้นจึงไม่พบระยะในการกลับขั้ว และกระบวนการนี้ถือว่าสุ่ม สนามแม่เหล็กที่เงียบเป็นเวลานานสามารถตามด้วยช่วงเวลาของการพลิกกลับหลายครั้งด้วยระยะเวลาที่แตกต่างกันและในทางกลับกัน จากการศึกษาพบว่าการเปลี่ยนแปลงของขั้วแม่เหล็กสามารถคงอยู่ได้ตั้งแต่หลายร้อยปีจนถึงหลายแสนปี

ผู้เชี่ยวชาญจากมหาวิทยาลัยจอห์น ฮอปกินส์ (สหรัฐอเมริกา) แนะนำว่าในระหว่างการกลับด้าน สนามแม่เหล็กของโลกอ่อนตัวลงมากจนรังสีคอสมิกสามารถไปถึงพื้นผิวโลกได้ ดังนั้นปรากฏการณ์นี้อาจเป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตบนโลก และการเปลี่ยนแปลงของขั้วในครั้งต่อไปอาจนำไปสู่มากขึ้น ผลกระทบร้ายแรงต่อมนุษยชาติจนถึงภัยพิบัติระดับโลก

งานทางวิทยาศาสตร์ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาได้แสดงให้เห็น (รวมถึงในการทดลอง) ความเป็นไปได้ของการเปลี่ยนแปลงแบบสุ่มในทิศทางของสนามแม่เหล็ก ("กระโดด") ในไดนาโมปั่นป่วนที่หยุดนิ่ง ตามที่หัวหน้าห้องปฏิบัติการ geomagnetism ที่สถาบันฟิสิกส์ของโลก Vladimir Pavlov การผกผันเป็นกระบวนการที่ค่อนข้างยาวตามมาตรฐานของมนุษย์

นักธรณีฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยลีดส์ ยอน เมานด์ และฟิล ลิเวอร์มอร์ เชื่อว่าในอีกสองสามพันปีข้างหน้า สนามแม่เหล็กโลกจะผกผัน

การเคลื่อนตัวของขั้วแม่เหล็กของโลก

เป็นครั้งแรกที่พิกัดของขั้วแม่เหล็กในซีกโลกเหนือถูกกำหนดในปี 1831 อีกครั้ง - ในปี 1904 จากนั้นในปี 1948 และ 1962, 1973, 1984, 1994; ในซีกโลกใต้ - ในปี 1841 อีกครั้ง - ในปี 1908 การกระจัดของขั้วแม่เหล็กได้รับการบันทึกตั้งแต่ปี พ.ศ. 2428 ในช่วง 100 ปีที่ผ่านมา ขั้วแม่เหล็กในซีกโลกใต้ได้เคลื่อนตัวไปเกือบ 900 กม. และเข้าสู่มหาสมุทรใต้

ข้อมูลล่าสุดเกี่ยวกับสถานะของขั้วแม่เหล็กอาร์กติก (เคลื่อนไปยังความผิดปกติทางแม่เหล็กของโลกไซบีเรียตะวันออกในมหาสมุทรอาร์กติก) แสดงให้เห็นว่าตั้งแต่ปี 2516 ถึง 2527 ระยะทาง 120 กม. จากปี 2527 ถึง 2537 - มากกว่า 150 กม. แม้ว่าตัวเลขเหล่านี้จะถูกคำนวณ แต่ก็ได้รับการยืนยันโดยการวัดของขั้วแม่เหล็กเหนือ

หลังปี พ.ศ. 2374 เมื่อตำแหน่งของเสาได้รับการแก้ไขเป็นครั้งแรก ภายในปี พ.ศ. 2562 เสาได้ขยับไปทางไซบีเรียมากกว่า 2,300 กม. และยังคงเคลื่อนที่ด้วยความเร่งต่อไป

ความเร็วในการเดินทางเพิ่มขึ้นจาก 15 กม. ต่อปีในปี 2000 เป็น 55 กม. ต่อปีในปี 2019 การล่องลอยอย่างรวดเร็วนี้จำเป็นต้องปรับบ่อยครั้งมากขึ้นสำหรับระบบนำทางที่ใช้สนามแม่เหล็กของโลก เช่น เข็มทิศในสมาร์ทโฟนหรือระบบนำทางสำรองสำหรับเรือและเครื่องบิน

ความแรงของสนามแม่เหล็กโลกลดลงและไม่สม่ำเสมอ ในช่วง 22 ปีที่ผ่านมา ลดลงโดยเฉลี่ย 1.7% และในบางภูมิภาค เช่น มหาสมุทรแอตแลนติกตอนใต้ ลดลง 10% ในบางสถานที่ ความแรงของสนามแม่เหล็กซึ่งตรงกันข้ามกับแนวโน้มทั่วไปนั้นเพิ่มขึ้นด้วยซ้ำ

ความเร่งของการเคลื่อนที่ของเสา (โดยเฉลี่ย 3 กม. / ปี) และการเคลื่อนที่ไปตามทางเดินของการผกผันของขั้วแม่เหล็ก (ทางเดินเหล่านี้ทำให้สามารถเปิดเผยการพลิกกลับของ Paleo ได้มากกว่า 400 ครั้ง) แสดงให้เห็นว่าในการเคลื่อนที่ของเสานี้ ไม่ควรเห็นการเบี่ยงเบน แต่เป็นการผกผันของสนามแม่เหล็กโลกอีก

สนามแม่เหล็กของโลกเกิดขึ้นได้อย่างไร?

ผู้เชี่ยวชาญจากสถาบันสมุทรศาสตร์ Scripps และมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียได้แนะนำว่าสนามแม่เหล็กของดาวเคราะห์นั้นเกิดจากเสื้อคลุมนักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันได้พัฒนาสมมติฐานที่เสนอเมื่อ 13 ปีที่แล้วโดยกลุ่มนักวิจัยจากฝรั่งเศส

เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าผู้เชี่ยวชาญมักโต้แย้งว่าแกนนอกของโลกที่สร้างสนามแม่เหล็กขึ้น แต่จากนั้นผู้เชี่ยวชาญจากฝรั่งเศสแนะนำว่าเสื้อคลุมของดาวเคราะห์นั้นแข็งอยู่เสมอ (ตั้งแต่เกิด)

ข้อสรุปนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์คิดว่าไม่ใช่แกนกลางที่สร้างสนามแม่เหล็กได้ แต่เป็นส่วนที่เป็นของเหลวของเสื้อคลุมด้านล่าง องค์ประกอบของเสื้อคลุมเป็นวัสดุซิลิเกตที่ถือว่าเป็นตัวนำที่ไม่ดี

แต่เนื่องจากเสื้อคลุมด้านล่างยังคงเป็นของเหลวเป็นเวลาหลายพันล้านปี การเคลื่อนที่ของของเหลวที่อยู่ภายในนั้นไม่ได้ผลิตกระแสไฟฟ้า และที่จริงแล้วมันจำเป็นต้องสร้างสนามแม่เหล็กเพียงอย่างเดียว

ผู้เชี่ยวชาญในปัจจุบันเชื่อว่าเสื้อคลุมอาจเป็นท่อร้อยสายที่ทรงพลังกว่าที่เคยคิดไว้ ข้อสรุปของผู้เชี่ยวชาญนี้แสดงให้เห็นถึงสภาพของโลกยุคแรกอย่างเต็มที่ ไดนาโมซิลิเกตจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อค่าการนำไฟฟ้าของชิ้นส่วนของเหลวนั้นสูงขึ้นมากและมีแรงดันและอุณหภูมิต่ำ