Câmpul magnetic al Pământului

(Simularea computerizată a câmpului magnetic al Pământului într-o perioadă de polaritate obișnuită între inversări. Liniile reprezintă liniile de câmp magnetic, albastre atunci când câmpul se îndreaptă spre centru și galben când se îndepărtează. Axa de rotație a Pământului este centrică și verticală. Clusterele dense de linii sunt în miezul Pământului.)

Câmpul magnetic al Pământului, cunoscut și drept câmp geomagnetic, este câmpul magnetic care se extinde din interiorul Pământului în spațiu, unde întâlnește vântul solar, un curent de particule încărcate care provin de la Soare. Magnitudinea sa la suprafața Pământului variază de la 25 la 65 microtesla (0,25 până la 0,65 gauss). Simplificat, este câmpul unui dipol magnetic în prezent înclinat la un unghi de aproximativ 11 grade față de axa de rotație a Pământului, ca și cum ar fi existat un magnet de bara plasat la acel unghi în centrul Pământului. Polul geomagnetic nordic, situat în apropiere de Groenlanda în emisfera nordică, este de fapt polul sud al câmpului magnetic al Pământului, iar polul geomagnetic sudic este polul nord. Câmpul magnetic este generat de curenții electrici datorită mișcării curenților de convecție a fierului topit în miezul exterior al Pământului, declanșat de căldura care se scurge din miez, proces natural numit geodinamo.

În timp ce polii magnetici nordici și sudici sunt localizați de obicei în apropierea polilor geografici, ei se pot deplasa pe scară geologică pe scară largă, dar suficient de lent pentru ca busolele obișnuite să rămână utile pentru navigație. Cu toate acestea, la intervale neregulate, în medie de câteva sute de mii de ani, câmpul Pământului se inversează, iar Polul Nord și Sud Magnetic se schimbă relativ brusc. Aceste inversări ale poliilor geomagnetici lasă urme în roci care sunt valoroase pentru paleomagnetiști în calculul câmpurilor geomagnetice în trecut. Aceste informații, la rândul lor, sunt utile în studierea mișcărilor continentelor și a fundurilor oceanice în procesul tectonicii plăcilor.

Magnetosfera este regiunea de deasupra ionosferei care este definită de amploarea câmpului magnetic al Pământului în spațiu. Se extinde cu câteva zeci de mii de kilometri în spațiu, protejând Pământul de particulele încărcate din vântul solar și de razele cosmice, care altfel ar îndepărta atmosfera superioară, inclusiv stratul de ozon care protejează Pământul de radiațiile ultraviolete dăunătoare.

Importanţa

Câmpul magnetic al Pământului servește pentru a deflecta majoritatea vântului solar, ale cărui particule încărcate ar îndepărta stratul de ozon care protejează Pământul de radiațiile ultraviolete dăunătoare. Un mecanism de stripare este ca gazul să fie prins în bule de câmp magnetic, fiind apoi îndepărtate de vânturile solare. Calculele pierderii dioxidului de carbon din atmosfera de pe Marte, care rezultă din scurgeri de ioni datorită vântului solar, indică faptul că disiparea câmpului magnetic al planetei Marte a provocat o pierdere aproape totală a atmosferei.

Studiul câmpului magnetic trecut al Pământului este cunoscut sub numele de paleomagnetism. Polaritatea câmpului magnetic al pământului este înregistrată în roci magmatice, iar inversările câmpului sunt astfel detectabile ca „dungi” centrate pe fundul oceanelor, în timp ce stabilitatea polilor geomagnetici între inversări a permis paleomagnetismului să urmărească deplasarea anterioară a continentelor. Inversarea furnizează, de asemenea, baza pentru magnetostratigrafie, o modalitate de a data roci și sedimente. Câmpul magnetizează de asemenea crusta, iar anomaliile magnetice pot fi folosite pentru a căuta depozite de minereuri metalice.

Oamenii au folosit busolele pentru căutarea direcției din secolul al XI-lea, și pentru navigație încă din secolul al XII-lea. Deși declinarea magnetică se schimbă odată cu timpul, această deplasare este destul de lentă încât o busolă simplă rămâne utilă pentru navigație. Folosind magnetorecepția diferite alte organisme, variind de la unele tipuri de bacterii până la porumbei, folosesc câmpul magnetic al Pământului pentru orientare și navigație.

Caracteristici principale

Descriere

În orice loc, câmpul magnetic al Pământului poate fi reprezentat de un vector tridimensional. O procedură tipică pentru măsurarea direcției sale este folosirea unei busole pentru a determina direcția nordului magnetic. Unghiul său relativ la nordul real este declinația (D) sau variația. Luând ca direcție nordul magnetic, unghiul pe care îl face câmpul cu orizontala este înclinația (I). Intensitatea (F) a câmpului este proporțională cu forța pe care o exercită asupra unui magnet. O altă reprezentare comună este în coordonatele X (Nord), Y (Est) și Z (În jos).

(Sisteme comune de coordonate utilizate pentru reprezentarea câmpului magnetic al Pământului. )

Intensitatea

Intensitatea câmpului este deseori măsurată în gauss (G), dar este raportată, în general, în nanotesla (nT), cu 1 G = 100.000 nT. O nanotesta este de asemenea menționată ca o gama (γ). Tesla este unitatea SI a câmpului magnetic, B. Câmpul Pământului variază între aproximativ 25.000 și 65.000 nT (0.25-0.65 G). Prin comparație, un magnet puternic care se pune pe frigider are un câmp de aproximativ 10.000.000 nanotesla (100 G).

O hartă a contururilor de intensitate se numește o diagramă izodinamică. După cum arată modelul magnetic mondial, intensitatea tinde să scadă de la poli la ecuator. O intensitate minimă apare în Anomalia Atlanticului de Sud deasupra Americii de Sud, în timp ce există maxime peste nordul Canadei, Siberia și coastei Antarcticii la sud a Australiei.

Înclinarea

Înclinarea este dată de un unghi care poate lua valori între -90° (în sus) până la 90° (în jos). În emisfera nordică, câmpul arată în jos. Ea este direct în jos la polul magnetic de nord și se rotește în sus în timp ce latitudinea scade până când este orizontală (0°) la ecuatorul magnetic. Aceasta continuă să se rotească în sus până când se află direct în sus la polul magnetic sudic. Înclinarea poate fi măsurată cu un cerc de înclinare.

O diagramă isoclinică (harta contururilor de înclinare) pentru câmpul magnetic al Pământului este prezentată mai jos.

Declinaţia

Declinația este pozitivă pentru o abatere spre est a câmpului față de nordul adevărat. Se poate estima prin compararea direcției magnetice nord/sud pe o busolă cu direcția unui pol ceresc. Hărțile includ, de obicei, informații despre declinație ca un unghi sau o diagramă mică care arată relația dintre nordul magnetic și nordul adevărat. Informațiile despre declinație pentru o regiune pot fi reprezentate de o diagramă cu linii isogonice (linii de contur cu fiecare linie reprezentând o declinație fixă).

Variația geografică

Componentele câmpului magnetic al pământului de la suprafața modelului magnetic mondial pentru anul 2015:

 (Intensitate)

 (Înclinația)

 (Declinația)

Aproximarea dipolară

(Variația dintre nordul magnetic (N_m) și nordul „adevărat” (N_g).)

Aproape de suprafața Pământului, câmpul său magnetic poate fi apropiat de câmpul unui dipol magnetic poziționat în centrul Pământului și înclinat la un unghi de aproximativ 11° față de axa de rotație a Pământului. Dipolul este aproape echivalent cu un magnet de bară puternic, cu polul sudic îndreptat spre polul nord geomagnetic. Acest lucru poate părea surprinzător, dar polul nord al unui magnet este astfel definit deoarece, dacă este permis să se rotească liber, acesta indică aproximativ nord (în sens geografic). Deoarece polul nord al unui magnet atrage polii sud ai altor magneți și respinge polii nord, trebuie să fie atras de polul sudic al magnetului Pământului. Câmpul dipolar reprezintă 80-90% din câmp în majoritatea locațiilor.

Poli magnetici

(Mișcarea polului magnetic al Pământului de-a lungul arcticii canadiene. )

Din punct de vedere istoric, polii nord și sud ai unui magnet au fost definiți mai întâi de câmpul magnetic al Pământului, nu invers, deoarece una dintre primele utilizări pentru un magnet a fost ca un ac de busolă. Polul său de Nord a fost definit ca polul care ar fi atras de polul magnetic de Nord al Pământului atunci când magnetul este suspendat, astfel încât acesta s-ar putea roti liber. Deoarece polii opuși se atrag, polul magnetic de nord al Pământului este într-adevăr polul sudic al câmpului său magnetic (locul unde câmpul este îndreptat în jos în Pământ).

Pozițiile polilor magnetici pot fi definite în cel puțin două moduri: local sau global. Definiția locală este punctul în care câmpul magnetic este vertical. Acest lucru poate fi determinat prin măsurarea înclinației. Înclinația câmpului Pământului este de 90° (în jos) la polul magnetic nordic și -90° (în sus) la polul magnetic sudic. Cei doi poli deviază independent unul de celălalt și nu sunt direct opuși unul față de celălalt pe glob. Aceștia pot migra rapid: pentru Polul Nord magnetic s-au observat mișcări de până la 40 de kilometri pe an. În ultimii 180 de ani, Polul Nord magnetic migrează spre nord-vest, de la Cape Adelaide în Peninsula Boothia în 1831 până la 600 de kilometri la Resolute Bay în 2001. Ecuatorul magnetic este linia unde înclinația este zero (câmpul magnetic este orizontal).

Definiția globală a câmpului Pământului se bazează pe un model matematic. Dacă o linie este trasă prin centrul Pământului, paralel cu momentul dipolului magnetic cel mai potrivit, cele două poziții în care intersectează suprafața Pământului sunt numite poli geomagnetici nordic și sudic. Dacă câmpul magnetic al Pământului ar fi perfect dipolar, polii geomagnetici și polii magnetici ar coincide, iar compasele ar indica spre ei. Dar câmpul Pământului are o contribuție semnificativă non-dipolară, astfel încât polii nu coincid, iar compasele nu indică în general niciunul.

Magnetosfera

(O interpretare a structurii unei magnetosfere de către un artist. 1) Arcul de șoc. 2) Învelișul magnetic. 3) Pauza magnetică. 4) Magnetosfera. 5) Lobul cozii nordice. 6) Lobul cozii sudce. 7) Plasmasfera.)

Câmpul magnetic al pământului, predominant dipolar la suprafața lui, este distorsionat mai departe de vântul solar. Acesta este un flux de particule încărcate care părăsesc corona Soarelui și accelerează la o viteză de 200-1000 de kilometri pe secundă. Ele poartă un câmp magnetic, câmpul magnetic interplanar.

Vântul solar exercită o presiune și, dacă ar putea ajunge la atmosfera Pământului, l-ar eroda. Cu toate acestea, acesta este ținut departe de presiunea câmpului magnetic al Pământului. Pauza magnetică, zona în care presiunile se echilibrează, este limita magnetosferei. În ciuda numelui său, magnetosfera este asimetrică, partea spre Soare este de aproximativ 10 raze de pământ, iar cealaltă parte se întinde pe o coadă magnetică de peste 200 de raze de pământ. Partea spre Soare a pauzei magnetice este arcul de șoc, zona în care vântul solar încetinește brusc.

În interiorul magnetosferei se află plasmasfera, o regiune în formă de gogoașă care conține particule încărcate cu energie scăzută sau plasmă. Această regiune începe la o înălțime de 60 km, se extinde până la 3 sau 4 raze de pământ și include ionosfera. Această regiune se rotește cu Pământul. Există, de asemenea, două regiuni concentrice în formă de anvelope, numite centurile de radiație Van Allen, cu ioni de energie înaltă (energii de la 0,1 la 10 milioane de electroni volți (MeV)). Centura interioară are 1-2 raze de pământ în timp ce centura exterioară este la 4 – 7 raze de pământ. Centurile plasmasferei și Van Allen au o suprapunere parțială, gradul de suprapunere variind foarte mult în funcție de activitatea solară.

Pe lângă deformarea vântului solar, câmpul magnetic al Pământului deflectă razele cosmice, particule încărcate cu energie înaltă, care sunt în mare parte din exteriorul sistemului solar. (Multe raze cosmice sunt ținute în afara sistemului solar de către magnetosfera soarelui sau heliosfera.) În schimb, astronauții de pe Lună riscă expunerea la radiații. Oricine ar fi fost pe suprafața Lunii în timpul unei erupții solare deosebit de violente în 2005 ar fi primit o doză letală.

Unele dintre particulele încărcate intră în magnetosferă. Aceste spirale în jurul liniilor de câmp coboară înainte și înapoi între poli de câteva ori pe secundă. În plus, ionii pozitivi se deplasează încet spre vest și ionii negativi se deplasează spre est, dând naștere unui curent inelar. Acest curent reduce câmpul magnetic de la suprafața Pământului. Particulele care pătrund în ionosferă și se ciocnesc cu atomii de acolo dau naștere la lumina aurorelor și, de asemenea, emit raze X.

Condițiile variabile din magnetosferă, cunoscute sub numele de vreme spațială, sunt în mare măsură determinate de activitatea solară. Dacă vântul solar este slab, magnetosfera se extinde; în timp ce, dacă este puternic, comprimă magnetosfera. Perioadele de activitate deosebit de intensă, numite furtuni geomagnetice, pot apărea atunci când o ejecție de masă coronară erupe deasupra Soarelui și trimite o undă de șoc prin Sistemul Solar. O astfel de undă poate dura doar două zile pentru a ajunge pe Pământ. Furtunile geomagnetice pot provoca o mulțime de întreruperi; furtuna de „Halloween” din 2003 a afectat mai mult de o treime din sateliții NASA. Cea mai mare furtună documentată a avut loc în 1859. A provocat curenți suficient de puternici pentru a scurta liniile telegrafice, iar aurore au fost raportate la sud de Hawaii.

Originea fizică

Câmpul magnetic al pământului se crede că este generat de curenții electrici din materialul conductiv al miezului său, creat de curenții de convecție datorită căldurii care se scurge din miez. Cu toate acestea, procesul este complex, iar modelele pe calculatoare care reproduc unele dintre caracteristicile sale au fost dezvoltate doar în ultimele decenii.

Miezul pământului și geodinamo

(O schemă ilustrând relația dintre mișcarea fluidului conductiv, organizată în role de forța Coriolis, și câmpul magnetic generat de mișcare.)

Pământul și majoritatea planetelor din Sistemul Solar, precum și soarele și alte stele, cu toate generează câmpuri magnetice prin mișcarea fluidelor conductoare electrice. Câmpul Pământului își are originea în centrul său. Aceasta este o regiune a aliajelor de fier care se extind la aproximativ 3400 km (raza Pământului este de 6370 km). Acesta este împărțit într-un nucleu interior solid, cu o rază de 1220 km și un miez exterior lichid. Mișcarea lichidului din miezul exterior este condusă de fluxul de căldură din miezul interior, care este de aproximativ 6000 K (5730 °C), la limita de bază a mantalei, care este de aproximativ 3800 K (3 530 °C). Căldura este generată de energia potențială eliberată de materialele mai grele scufundate spre miez (diferențierea planetară, catastrofa de fier), precum și degradarea elementelor radioactive în interior. Modelul fluxului este organizat prin rotația Pământului și prezența miezului interior solid.

Mecanismul prin care Pământul generează un câmp magnetic este cunoscut sub numele de dinamo. Câmpul magnetic este generat de o buclă de feedback: buclele de curent generează câmpuri magnetice (legea circuitelor Ampère); un câmp magnetic în schimbare generează un câmp electric (legea lui Faraday); iar câmpurile electrice și magnetice exercită o forță asupra sarcinilor care curg în curenți (forța Lorentz). Aceste efecte pot fi combinate într-o ecuație diferențială parțială pentru câmpul magnetic numită ecuația de inducție magnetică,

∂B/∂t = η∇²B + ∇×(u×B),

unde u este viteza fluidului; B este câmpul magnetic B; iar η = 1/σμ este difuzia magnetică, care este invers proporțională cu produsul conductivității electrice σ și permeabilității μ. Termenul ∂B/∂t este derivata în funcție de timp a câmpului; ∇² este operatorul Laplace și ∇× este operatorul curl.

Primul termen din partea dreaptă a ecuației de inducție este un termen de difuzie. Într-un fluid staționar, câmpul magnetic scade și orice concentrație de câmp se împrăștie. Dacă dinamo al pământului ar fi oprit, partea de dipol ar dispărea în câteva zeci de mii de ani.

Într-un conductor perfect (σ = ∞), nu ar exista difuzie. Prin legea lui Lenz, orice schimbare a câmpului magnetic ar fi imediat opusă de curenți, deci fluxul printr-un volum dat de fluid nu s-ar putea schimba. Pe măsură ce lichidul se mișcă, câmpul magnetic s-ar deplasa cu el. Teorema care descrie acest efect se numește teorema înghețării-în-câmp. Chiar și într-un fluid cu o conductivitate finită, un câmp nou este generat de linii de câmp care se întind, pe măsură ce fluidul se mișcă în moduri care îl deformează. Acest proces ar putea continua să genereze un câmp nou pe termen nedefinit, dacă nu ar fi ca, pe măsură ce câmpul magnetic crește în intensitate, se opune mișcării fluidului.

Mișcarea fluidului este susținută prin convecție, mișcare condusă de flotabilitate. Temperatura crește spre centrul Pământului, iar temperatura mai ridicată a fluidului inferior îl face să se înalțe. Această flotabilitate este îmbunătățită prin separarea chimică: întrucât miezul se răcește, o parte din fierul topit se solidifică și este acoperit cu miezul interior. În acest proces, elementele mai ușoare sunt lăsate în urmă în fluid, făcându-l mai ușor. Aceasta se numește convecție compozițională. Un efect Coriolis, cauzat de rotația planetară generală, tinde să organizeze fluxul în role aliniate de-a lungul axei polare nord-sud.

Un dinamo poate amplifica un câmp magnetic, dar are nevoie de un câmp „germinativ” pentru a începe. Pentru Pământ, acesta ar fi putut fi un câmp magnetic extern. La începutul istoriei sale, Soarele a trecut printr-o fază T-Tauri în care vântul solar ar fi avut un câmp magnetic de ordin de mărime mai mare decât actualul vânt solar. Cu toate acestea, o mare parte a câmpului ar fi putut fi ecranată de mantaua Pământului. O sursă alternativă este curenții la limita miezului de bază, determinată de reacțiile chimice sau de variațiile conductivității termice sau electrice. Astfel de efecte pot oferi încă o mică tendință care face parte din condițiile limită pentru geodinamo.

Câmpul magnetic mediu din miezul exterior al Pământului a fost calculat ca fiind de 25 gauss, de 50 de ori mai puternic decât câmpul de la suprafață.

Modele numerice

Simularea geodinamo necesită rezolvarea numerică a unui set de ecuații diferențiale parțiale neliniare pentru magnetohidrodinamica interiorului Pământului. Simularea ecuațiilor magnetohidrodinamice se realizează pe o rețea 3D de puncte, iar finețea grilei, care determină în parte realismul soluțiilor, este limitată în principal de puterea calculatorului. Timp de decenii, teoreticienii s-au limitat la crearea modelelor computerizate dinamo cinematice în care mișcarea fluidului este aleasă în avans și se calculează efectul asupra câmpului magnetic. Teoria cinematică dinamo a fost în principal o încercare de a testa diferite geometrii de curgere și de a testa dacă astfel de geometrii ar putea susține un dinamo.

Primele modele dinamo auto-consistente, cele care determină atât mișcările fluidului, cât și câmpul magnetic, au fost dezvoltate de două grupuri de cercetători în 1995, unul în Japonia și unul în Statele Unite. Acestea din urmă au primit atenție deoarece au reprodus cu succes unele dintre caracteristicile câmpului Pământului, inclusiv inversările geomagnetice.

Curenți în ionosferă și magnetosferă

Curenții electrici induși în ionosferă generează câmpuri magnetice (regiunea dinamo ionosferică). Un astfel de câmp este întotdeauna generat în apropierea locului în care atmosfera este cea mai apropiată de Soare, provocând modificări zilnice care pot deflecta câmpurile magnetice de suprafață cu până la un grad. Variațiile zilnice tipice ale intensității câmpului sunt de aproximativ 25 nanotesla (nT) (o parte în 2000), cu variații în câteva secunde, de obicei în jur de 1 nT (o parte din 50.000).