Earth Shield: Kde má naše planeta magnetické pole?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-16 16:00

Magnetické pole chrání povrch Země před slunečním větrem a škodlivým kosmickým zářením. Funguje jako jakýsi štít – bez jeho existence by byla zničena atmosféra. Prozradíme vám, jak vznikalo a měnilo se magnetické pole Země.

Struktura a charakteristika magnetického pole Země

Zemské magnetické pole, neboli geomagnetické pole, je magnetické pole generované vnitrozemskými zdroji. Předmět studia geomagnetismu. Objevil se před 4, 2 miliardami let.

Vlastní magnetické pole Země (geomagnetické pole) lze rozdělit do následujících hlavních částí:

• hlavní pole,
• pole světových anomálií,
• vnější magnetické pole.

Hlavní pole

Z více než 90 % tvoří pole, jehož zdroj je uvnitř Země, v kapalném vnějším jádru – této části se říká hlavní, hlavní nebo normální pole.

Aproximuje se ve formě řady v harmonických - Gaussova řada a v první aproximaci blízko povrchu Země (do tří jejích poloměrů) je blízko magnetickému dipólovému poli, to znamená, že vypadá jako Země je pásový magnet s osou směřující přibližně od severu k jihu.

Pole světových anomálií

Reálné siločáry zemského magnetického pole, i když se v průměru blíží siločarám dipólu, se od nich liší místními nepravidelnostmi spojenými s přítomností zmagnetizovaných hornin v kůře umístěné blízko povrchu.

Z tohoto důvodu jsou na některých místech na zemském povrchu parametry pole velmi odlišné od hodnot v blízkých oblastech a tvoří takzvané magnetické anomálie. Mohou se navzájem překrývat, pokud magnetizovaná tělesa, která je způsobují, leží v různých hloubkách.

Vnější magnetické pole

Je určena zdroji v podobě proudových systémů umístěných mimo zemský povrch, v jeho atmosféře. V horní části atmosféry (100 km a více) - ionosféře - se její molekuly ionizují a tvoří husté studené plazma, které stoupá výše, tedy část zemské magnetosféry nad ionosférou, sahá až do vzdálenosti tří jejích poloměrů se nazývá plazmová sféra.

Plazma je drženo magnetickým polem Země, ale jeho stav je dán jeho interakcí se slunečním větrem – plazmovým tokem sluneční koróny.

Ve větší vzdálenosti od zemského povrchu je magnetické pole asymetrické, protože se působením slunečního větru deformuje: od Slunce se smršťuje a ve směru od Slunce získává „stopu“, která se rozšiřuje na stovky tisíc kilometrů až za oběžnou dráhu Měsíce.

Tato zvláštní "ocasá" forma vzniká, když se zdá, že plazma slunečního větru a slunečních korpuskulárních proudů proudí kolem zemské magnetosféry - oblasti blízkozemského prostoru, stále řízeného magnetickým polem Země, a nikoli Sluncem a dalšími meziplanetární zdroje.

Od meziplanetárního prostoru je oddělen magnetopauzou, kde je dynamický tlak slunečního větru vyrovnáván tlakem vlastního magnetického pole.

Parametry pole

Vizuální znázornění polohy čar magnetické indukce zemského pole zajišťuje magnetická střelka, upevněná tak, že se může volně otáčet jak kolem vertikální, tak i kolem horizontální osy (např. v kardanu), - v každém bodě v blízkosti povrchu Země je instalován určitým způsobem podél těchto linií.

Protože magnetický a geografický pól se neshodují, magnetická střelka ukazuje pouze přibližný severojižní směr.

Vertikální rovina, ve které je magnetická střelka instalována, se nazývá rovina magnetického poledníku daného místa a přímka, po které se tato rovina protíná s povrchem Země, se nazývá magnetický poledník.

Magnetické poledníky jsou tedy projekce siločar magnetického pole Země na její povrch, sbíhající se na severním a jižním magnetickém pólu. Úhel mezi směry magnetického a geografického poledníku se nazývá magnetická deklinace.

Může být západní (často označen znaménkem „-“) nebo východní (znaménko „+“) v závislosti na tom, zda se severní pól magnetické střelky odchyluje od svislé roviny geografického poledníku na západ nebo na východ.

Dále, čáry magnetického pole Země, obecně řečeno, nejsou rovnoběžné s jejím povrchem. To znamená, že magnetická indukce pole Země neleží v rovině horizontu daného místa, ale svírá s touto rovinou určitý úhel – říká se tomu magnetický sklon. K nule se blíží pouze v bodech magnetického rovníku – obvodu velkého kruhu v rovině, která je kolmá na magnetickou osu.

Výsledky numerického modelování magnetického pole Země: vlevo - normální, vpravo - při inverzi

Povaha zemského magnetického pole

Poprvé se J. Larmor pokusil vysvětlit existenci magnetických polí Země a Slunce v roce 1919, když navrhl koncept dynama, podle kterého k udržení magnetického pole nebeského tělesa dochází působením hydrodynamického pohybu elektricky vodivého prostředí.

V roce 1934 však T. Cowling dokázal větu o nemožnosti udržení osově symetrického magnetického pole pomocí hydrodynamického dynamo mechanismu.

A protože většina studovaných nebeských těles (a tím spíše Země) byla považována za osově symetrickou, na základě toho bylo možné vyslovit předpoklad, že jejich pole bude také osově symetrické, a následně jeho generování podle tohoto principu by podle této věty nebylo možné.

Dokonce i Albert Einstein byl skeptický ohledně proveditelnosti takového dynama vzhledem k nemožnosti existence jednoduchých (symetrických) řešení. Teprve mnohem později se ukázalo, že ne všechny rovnice s osovou symetrií popisující proces generování magnetického pole budou mít osově symetrické řešení, a to ani v 50. letech 20. století. byla nalezena asymetrická řešení.

Od té doby se teorie dynama úspěšně rozvíjí a dnes obecně přijímaným nejpravděpodobnějším vysvětlením původu magnetického pole Země a dalších planet je mechanismus samobuzení dynama založený na generování elektrického proudu ve vodiči. když se pohybuje v magnetickém poli generovaném a zesilovaném těmito samotnými proudy.

V jádru Země jsou vytvořeny potřebné podmínky: v kapalném vnějším jádru, tvořeném převážně železem o teplotě asi 4-6 tisíc Kelvinů, které dokonale vede proud, vznikají konvektivní toky, které odvádějí teplo z pevného vnitřního jádra. (vzniká v důsledku rozpadu radioaktivních prvků nebo uvolňování latentního tepla při tuhnutí hmoty na rozhraní mezi vnitřním a vnějším jádrem, jak se planeta postupně ochlazuje).

Coriolisovy síly stáčejí tyto proudy do charakteristických spirál, které tvoří takzvané Taylorovy pilíře. V důsledku tření vrstev získávají elektrický náboj a vytvářejí smyčkové proudy. Vzniká tak systém proudů, které cirkulují po vodivém obvodu ve vodičích pohybujících se v (zpočátku přítomném, i když velmi slabém) magnetickém poli, jako ve Faradayově disku.

Vytváří magnetické pole, které při příznivé geometrii toků zesiluje počáteční pole, a to zase zesiluje proud a proces zesilování pokračuje, dokud ztráty Jouleova tepla, rostoucí s rostoucím proudem, nevyrovnají přítoky energie v důsledku hydrodynamických pohybů.

Bylo navrženo, že dynamo může být vybuzeno v důsledku precese nebo slapových sil, tedy že zdrojem energie je rotace Země, nicméně nejrozšířenější a nejrozvinutější hypotéza je, že se jedná právě o termochemickou konvekci.

Změny magnetického pole Země

Inverze magnetického pole je změna směru magnetického pole Země v geologické historii planety (stanovená paleomagnetickou metodou).

Při inverzi se magnetický sever a magnetický jih obrátí a střelka kompasu začne ukazovat opačným směrem. Inverze je poměrně vzácný jev, který se za dobu existence Homo sapiens nikdy nevyskytl. Pravděpodobně se to stalo naposledy asi před 780 tisíci lety.

Zvraty magnetického pole se objevovaly v časových intervalech od desítek tisíc let až po obrovské intervaly klidného magnetického pole v řádu desítek milionů let, kdy k obratům nedocházelo.

Nebyla tedy zjištěna žádná periodicita v obrácení pólu a tento proces je považován za stochastický. Dlouhé periody klidného magnetického pole mohou být následovány periodami vícenásobných zvratů s různou dobou trvání a naopak. Studie ukazují, že změna magnetických pólů může trvat několik set až několik set tisíc let.

Odborníci z Johns Hopkins University (USA) naznačují, že během zvratů zemská magnetosféra zeslábla natolik, že kosmické záření mohlo dosáhnout zemského povrchu, takže tento jev by mohl poškodit živé organismy na planetě a další změna pólů by mohla vést k ještě většímu vážné důsledky pro lidstvo až po globální katastrofu.

Vědecké práce v posledních letech prokázaly (včetně experimentů) možnost náhodných změn směru magnetického pole ("skoků") ve stacionárním turbulentním dynamu. Podle vedoucího laboratoře geomagnetismu Ústavu fyziky Země Vladimira Pavlova je inverze na lidské poměry poměrně dlouhý proces.

Geofyzici z University of Leeds Yon Mound a Phil Livermore věří, že za několik tisíc let dojde k inverzi zemského magnetického pole.

Posun magnetických pólů Země

Poprvé byly souřadnice magnetického pólu na severní polokouli určeny v roce 1831, znovu - v roce 1904, poté v letech 1948 a 1962, 1973, 1984, 1994; na jižní polokouli - v roce 1841, znovu - v roce 1908. Posun magnetických pólů je zaznamenáván od roku 1885. Za posledních 100 let se magnetický pól na jižní polokouli posunul téměř o 900 km a vstoupil do jižního oceánu.

Nejnovější údaje o stavu arktického magnetického pólu (pohybující se směrem k východní sibiřské světové magnetické anomálii přes Severní ledový oceán) ukázaly, že od roku 1973 do roku 1984 byla jeho vzdálenost 120 km, od roku 1984 do roku 1994 - více než 150 km. Přestože jsou tyto údaje vypočteny, jsou potvrzeny měřením severního magnetického pólu.

Po roce 1831, kdy byla poloha pólu poprvé fixována, se v roce 2019 pól posunul již o více než 2 300 km směrem k Sibiři a nadále se pohybuje se zrychlením.

Jeho cestovní rychlost se zvýšila z 15 km za rok v roce 2000 na 55 km za rok v roce 2019. Tento rychlý drift vyžaduje častější úpravy navigačních systémů, které využívají magnetické pole Země, jako jsou kompasy v chytrých telefonech nebo záložní navigační systémy pro lodě a letadla.

Síla zemského magnetického pole klesá, a to nerovnoměrně. Za posledních 22 let se snížila v průměru o 1,7 % a v některých oblastech, jako je jižní Atlantský oceán, o 10 %. Na některých místech se síla magnetického pole oproti obecnému trendu dokonce zvýšila.

Zrychlení pohybu pólů (průměrně o 3 km/rok) a jejich pohyb po koridorech inverzí magnetických pólů (tyto koridory umožnily odhalit více než 400 paleoinverzí) napovídá, že při tomto pohybu pólů se jedna by neměl vidět exkurzi, ale další inverzi zemského magnetického pole.

Jak vzniklo magnetické pole Země?

Odborníci ze Scripps Institute of Oceanography a University of California navrhli, že magnetické pole planety bylo tvořeno pláštěm. Američtí vědci vyvinuli hypotézu navrženou před 13 lety skupinou výzkumníků z Francie.

Je známo, že po dlouhou dobu odborníci tvrdili, že to bylo vnější jádro Země, které generovalo její magnetické pole. Pak ale odborníci z Francie navrhli, že plášť planety byl vždy pevný (od okamžiku jejího zrodu).

Tento závěr přiměl vědce k domněnce, že to nebylo jádro, které mohlo tvořit magnetické pole, ale kapalná část spodního pláště. Složení pláště je silikátový materiál, který je považován za špatný vodič.

Ale protože spodní plášť musel zůstat v kapalném stavu po miliardy let, pohyb kapaliny v něm nevytvářel elektrický proud a ve skutečnosti bylo jednoduše nutné vytvořit magnetické pole.

Profesionálové se dnes domnívají, že plášť mohl být silnějším potrubím, než se dříve myslelo. Tento závěr specialistů plně ospravedlňuje stav rané Země. Silikátové dynamo je možné pouze v případě, že elektrická vodivost jeho kapalné části byla mnohem vyšší a měla nízký tlak a teplotu.