Earth Shield: waar heeft onze planeet een magnetisch veld?

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-16 16:13

Het magnetische veld beschermt het aardoppervlak tegen zonnewind en schadelijke kosmische straling. Het werkt als een soort schild - zonder zijn bestaan zou de atmosfeer worden vernietigd. We zullen je vertellen hoe het magnetisch veld van de aarde werd gevormd en veranderd.

De structuur en kenmerken van het aardmagnetisch veld

Het aardmagnetisch veld, of geomagnetisch veld, is een magnetisch veld dat wordt opgewekt door intra-terrestrische bronnen. Het onderwerp van de studie van geomagnetisme. Verscheen 4, 2 miljard jaar geleden.

Het aardmagnetisch veld (geomagnetisch veld) kan worden onderverdeeld in de volgende hoofdonderdelen:

• hoofd veld,
• velden van wereldafwijkingen,
• extern magnetisch veld.

Hoofd veld

Meer dan 90% ervan bestaat uit een veld waarvan de bron zich in de aarde bevindt, in de vloeibare buitenkern - dit deel wordt het hoofd-, hoofd- of normaalveld genoemd.

Het wordt benaderd in de vorm van een reeks in harmonischen - een Gauss-reeks, en in een eerste benadering nabij het aardoppervlak (tot drie van zijn stralen) bevindt het zich dicht bij het magnetische dipoolveld, dat wil zeggen dat het lijkt op de aarde is een stripmagneet met een as die ongeveer van noord naar zuid is gericht.

Velden van wereldafwijkingen

De werkelijke krachtlijnen van het aardmagnetisch veld, hoewel ze gemiddeld dicht bij de krachtlijnen van de dipool liggen, verschillen van hen door lokale onregelmatigheden die verband houden met de aanwezigheid van gemagnetiseerde rotsen in de korst die zich dicht bij het oppervlak bevindt.

Hierdoor zijn op sommige plaatsen op het aardoppervlak de veldparameters heel anders dan de waarden in nabijgelegen gebieden, waardoor zogenaamde magnetische anomalieën ontstaan. Ze kunnen elkaar overlappen als de gemagnetiseerde lichamen die ze veroorzaken op verschillende diepten liggen.

Extern magnetisch veld

Het wordt bepaald door bronnen in de vorm van stroomsystemen die zich buiten het aardoppervlak, in de atmosfeer, bevinden. In het bovenste deel van de atmosfeer (100 km en hoger) - de ionosfeer - ioniseren de moleculen ervan en vormen een dicht koud plasma dat hoger stijgt, daarom een deel van de magnetosfeer van de aarde boven de ionosfeer, zich uitstrekkend tot een afstand van maximaal drie van zijn stralen, wordt de plasmasfeer genoemd.

Plasma wordt vastgehouden door het magnetische veld van de aarde, maar zijn toestand wordt bepaald door zijn interactie met de zonnewind - de plasmastroom van de zonnecorona.

Dus op een grotere afstand van het aardoppervlak is het magnetische veld asymmetrisch, omdat het wordt vervormd onder invloed van de zonnewind: vanaf de zon trekt het samen en in de richting van de zon krijgt het een "spoor" dat zich uitstrekt voor honderdduizenden kilometers, voorbij de baan van de maan.

Deze eigenaardige "staart"-vorm ontstaat wanneer het plasma van de zonnewind en zonnelichaamstromen rond de magnetosfeer van de aarde lijkt te stromen - het gebied van de nabije aarde, nog steeds gecontroleerd door het magnetische veld van de aarde, en niet de zon en andere interplanetaire bronnen.

Het is gescheiden van de interplanetaire ruimte door een magnetopauze, waar de dynamische druk van de zonnewind wordt gecompenseerd door de druk van zijn eigen magnetische veld.

Veldparameters

Een visuele weergave van de positie van de magnetische inductielijnen van het aardveld wordt geleverd door een magnetische naald, die zodanig is bevestigd dat deze vrij kan roteren zowel rond de verticale als rond de horizontale as (bijvoorbeeld in een cardanische ophanging), - op elk punt nabij het aardoppervlak is het op een bepaalde manier langs deze lijnen geïnstalleerd.

Aangezien de magnetische en geografische polen niet samenvallen, toont de magnetische naald slechts een geschatte noord-zuid richting.

Het verticale vlak waarin de magnetische naald is geïnstalleerd, wordt het vlak van de magnetische meridiaan van de gegeven plaats genoemd, en de lijn waarlangs dit vlak het aardoppervlak snijdt, wordt de magnetische meridiaan genoemd.

Magnetische meridianen zijn dus de projecties van de krachtlijnen van het aardmagnetisch veld op het aardoppervlak, die samenkomen bij de magnetische noord- en zuidpolen. De hoek tussen de richtingen van de magnetische en geografische meridianen wordt magnetische declinatie genoemd.

Het kan westelijk zijn (vaak aangegeven met een "-" teken) of oostelijk (een "+" teken), afhankelijk van of de noordpool van de magnetische naald afwijkt van het verticale vlak van de geografische meridiaan naar het westen of oosten.

Verder lopen de lijnen van het aardmagnetisch veld in het algemeen niet evenwijdig aan het oppervlak. Dit betekent dat de magnetische inductie van het aardveld niet in het vlak van de horizon van een bepaalde plaats ligt, maar een bepaalde hoek vormt met dit vlak - dit wordt magnetische helling genoemd. Het is alleen dicht bij nul op de punten van de magnetische evenaar - de omtrek van een grote cirkel in een vlak dat loodrecht op de magnetische as staat.

Resultaten van numerieke modellering van het aardmagnetisch veld: links - normaal, rechts - tijdens inversie

De aard van het aardmagnetisch veld

Voor de eerste keer probeerde J. Larmor in 1919 het bestaan van de magnetische velden van de aarde en de zon te verklaren, door het concept van een dynamo voor te stellen, volgens welke het onderhoud van het magnetische veld van een hemellichaam plaatsvindt onder de actie van de hydrodynamische beweging van een elektrisch geleidend medium.

In 1934 bewees T. Cowling echter de stelling over de onmogelijkheid om een axisymmetrisch magnetisch veld in stand te houden door middel van een hydrodynamisch dynamomechanisme.

En aangezien de meeste van de bestudeerde hemellichamen (en nog meer de aarde) als axiaal symmetrisch werden beschouwd, was het op basis hiervan mogelijk om aan te nemen dat hun veld ook axiaal symmetrisch zou zijn, en vervolgens de generatie ervan volgens dit principe zou volgens deze stelling onmogelijk zijn.

Zelfs Albert Einstein was sceptisch over de haalbaarheid van zo'n dynamo gezien de onmogelijkheid van het bestaan van simpele (symmetrische) oplossingen. Pas veel later werd aangetoond dat niet alle vergelijkingen met axiale symmetrie die het proces van het genereren van magnetische velden beschrijven, zelfs in de jaren vijftig een axiaal symmetrische oplossing zullen hebben. asymmetrische oplossingen zijn gevonden.

Sindsdien heeft de dynamotheorie zich met succes ontwikkeld en tegenwoordig is de algemeen aanvaarde meest waarschijnlijke verklaring voor de oorsprong van het magnetische veld van de aarde en andere planeten een zelfopgewonden dynamomechanisme gebaseerd op het opwekken van een elektrische stroom in een geleider wanneer het beweegt in een magnetisch veld dat wordt gegenereerd en versterkt door deze stromen zelf.

De noodzakelijke voorwaarden worden gecreëerd in de kern van de aarde: in de vloeibare buitenkern, voornamelijk bestaande uit ijzer met een temperatuur van ongeveer 4-6 duizend Kelvin, die de stroom perfect geleidt, worden convectieve stromen gecreëerd die warmte verwijderen uit de vaste binnenkern (gegenereerd door het verval van radioactieve elementen of het vrijkomen van latente warmte tijdens het stollen van materie op de grens tussen de binnen- en buitenkernen naarmate de planeet geleidelijk afkoelt).

De Coriolis-krachten verdraaien deze stromen in karakteristieke spiralen die de zogenaamde Taylor-pilaren vormen. Door de wrijving van de lagen krijgen ze een elektrische lading, waardoor lusstromen ontstaan. Zo ontstaat een systeem van stromen die langs een geleidend circuit circuleren in geleiders die bewegen in een (aanvankelijk aanwezig, zij het zeer zwak) magnetisch veld, zoals in een Faraday-schijf.

Het creëert een magnetisch veld dat, met een gunstige geometrie van de stromen, het initiële veld versterkt, en dit op zijn beurt, verbetert de stroom, en het versterkingsproces gaat door totdat de verliezen aan Joule-warmte, toenemend met toenemende stroom, de balans in evenwicht brengen energie-instroom als gevolg van hydrodynamische bewegingen.

Er werd gesuggereerd dat de dynamo kan worden geëxciteerd vanwege precessie- of getijdenkrachten, dat wil zeggen dat de energiebron de rotatie van de aarde is, maar de meest wijdverbreide en ontwikkelde hypothese is dat dit precies thermochemische convectie is.

Veranderingen in het aardmagnetisch veld

Magnetische veldinversie is een verandering in de richting van het aardmagnetisch veld in de geologische geschiedenis van de planeet (bepaald door de paleomagnetische methode).

Bij een inversie zijn het magnetische noorden en het magnetische zuiden omgekeerd en begint de kompasnaald in de tegenovergestelde richting te wijzen. Inversie is een relatief zeldzaam fenomeen dat zich tijdens het bestaan van Homo sapiens nooit heeft voorgedaan. Vermoedelijk is de laatste keer dat het ongeveer 780 duizend jaar geleden gebeurde.

Omkeringen van het magnetische veld vonden plaats met tussenpozen van tienduizenden jaren tot enorme intervallen van een stil magnetisch veld van tientallen miljoenen jaren, wanneer de omkeringen niet plaatsvonden.

Er werd dus geen periodiciteit gevonden in de poolomkering en dit proces wordt als stochastisch beschouwd. Lange perioden van een stil magnetisch veld kunnen worden gevolgd door perioden van meerdere omkeringen met verschillende duur en vice versa. Studies tonen aan dat een verandering in magnetische polen van enkele honderden tot enkele honderdduizenden jaren kan duren.

Experts van de Johns Hopkins University (VS) suggereren dat tijdens omkeringen de magnetosfeer van de aarde zo sterk verzwakte dat kosmische straling het aardoppervlak zou kunnen bereiken, dus dit fenomeen zou levende organismen op de planeet kunnen schaden, en de volgende verandering van polen zou kunnen leiden tot nog meer ernstige gevolgen voor de mensheid tot een wereldwijde catastrofe.

Wetenschappelijk werk van de afgelopen jaren heeft (ook in experiment) de mogelijkheid aangetoond van willekeurige veranderingen in de richting van het magnetische veld ("springt") in een stilstaande turbulente dynamo. Volgens het hoofd van het laboratorium voor geomagnetisme aan het Instituut voor Natuurkunde van de Aarde, Vladimir Pavlov, is inversie naar menselijke maatstaven een vrij lang proces.

Geofysici van de Universiteit van Leeds Yon Mound en Phil Livermore geloven dat er over een paar duizend jaar een inversie van het aardmagnetisch veld zal zijn.

Verplaatsing van de magnetische polen van de aarde

Voor het eerst werden de coördinaten van de magnetische pool op het noordelijk halfrond bepaald in 1831, opnieuw - in 1904, daarna in 1948 en 1962, 1973, 1984, 1994; op het zuidelijk halfrond - in 1841, opnieuw - in 1908. De verplaatsing van de magnetische polen is geregistreerd sinds 1885. In de afgelopen 100 jaar is de magnetische pool op het zuidelijk halfrond bijna 900 km verplaatst en de Zuidelijke Oceaan binnengekomen.

De laatste gegevens over de toestand van de magnetische pool van het Noordpoolgebied (bewegend in de richting van de magnetische anomalie van de Oost-Siberische wereld over de Noordelijke IJszee) toonden aan dat van 1973 tot 1984 de kilometerstand 120 km was, van 1984 tot 1994 - meer dan 150 km. Hoewel deze cijfers zijn berekend, worden ze bevestigd door metingen van de magnetische noordpool.

Na 1831, toen de positie van de paal voor het eerst werd vastgesteld, was de paal in 2019 al meer dan 2.300 km verschoven in de richting van Siberië en blijft hij met versnelling bewegen.

De reissnelheid steeg van 15 km per jaar in 2000 tot 55 km per jaar in 2019. Deze snelle drift vereist frequentere aanpassingen aan navigatiesystemen die gebruik maken van het aardmagnetisch veld, zoals kompassen in smartphones of back-upnavigatiesystemen voor schepen en vliegtuigen.

De sterkte van het aardmagnetisch veld daalt, en ongelijkmatig. In de afgelopen 22 jaar is het met gemiddeld 1,7% afgenomen en in sommige regio's, zoals de Zuid-Atlantische Oceaan, met 10%. Op sommige plaatsen nam de sterkte van het magnetische veld, in tegenstelling tot de algemene trend, zelfs toe.

De versnelling van de beweging van de polen (met een gemiddelde van 3 km / jaar) en hun beweging langs de gangen van magnetische poolinversies (deze gangen maakten het mogelijk om meer dan 400 paleo-inversies te onthullen) suggereert dat in deze beweging van de polen één zou geen excursie, maar een andere inversie van het aardmagnetisch veld moeten zien.

Hoe is het aardmagnetisch veld ontstaan?

Experts van het Scripps Institute of Oceanography en de University of California hebben gesuggereerd dat het magnetische veld van de planeet werd gevormd door de mantel. Amerikaanse wetenschappers hebben een hypothese ontwikkeld die 13 jaar geleden werd voorgesteld door een groep onderzoekers uit Frankrijk.

Het is bekend dat professionals lange tijd beweerden dat het de buitenste kern van de aarde was die het magnetische veld opwekte. Maar toen suggereerden experts uit Frankrijk dat de mantel van de planeet altijd solide was (vanaf het moment van zijn geboorte).

Deze conclusie deed wetenschappers denken dat het niet de kern was die het magnetische veld zou kunnen vormen, maar het vloeibare deel van de onderste mantel. De samenstelling van de mantel is een silicaatmateriaal dat als een slechte geleider wordt beschouwd.

Maar aangezien de onderste mantel miljarden jaren vloeibaar moest blijven, produceerde de beweging van de vloeistof erin geen elektrische stroom, en in feite was het gewoon noodzakelijk om een magnetisch veld op te wekken.

Professionals geloven tegenwoordig dat de mantel een krachtiger kanaal had kunnen zijn dan eerder werd gedacht. Deze conclusie van specialisten rechtvaardigt volledig de toestand van de vroege aarde. Een silicaatdynamo is alleen mogelijk als de elektrische geleidbaarheid van het vloeibare deel veel hoger was en lage druk en temperatuur had.