השדה המגנטי של כדור הארץ: מקור, מאפיינים, פונקציה - גוּפָנִי - 2025

השדה המגנטי של כדור הארץ הוא ההשפעה המגנטית כי מפעיל כדור הארץ המשתרע מן הפנים שלה למאות קילומטרים בחלל. זה דומה מאוד לזה המיוצר על ידי מגנט בר. רעיון זה הוצע על ידי המדען האנגלי וויליאם גילברט במאה ה -17, שציין גם כי לא ניתן להפריד בין מוטות המגנט.

איור 1 מציג את קווי השדה המגנטי של כדור הארץ. הם תמיד סגורים, עוברים פנים וממשיכים מבחוץ ויוצרים מעין כיסוי.

איור 1. השדה המגנטי של כדור הארץ דומה לזה של מגנט מוט. מקור: Wikimedia Commons.

מקורו של השדה המגנטי של כדור הארץ הוא עדיין תעלומה. הליבה החיצונית של כדור הארץ, העשויה מברזל יצוק, אינה יכולה בעצמה לייצר את השדה, מכיוון שהטמפרטורה היא כזו שהיא הורסת את הסדר המגנטי. סף הטמפרטורה לכך מכונה טמפרטורת הקארי. לכן אי אפשר שמיסה גדולה של חומר ממוגנט תהיה אחראית לתחום.

לאחר שלילת ההשערה הזו, עלינו לחפש את מקור השדה בתופעה אחרת: סיבוב כדור הארץ. זה גורם לליבה המותכת להסתובב בצורה לא אחידה ויוצר את אפקט הדינמו, בו נוזל מייצר באופן ספונטני שדה מגנטי.

ההערכה היא כי אפקט הדינמו הוא הגורם למגנטיות של עצמים אסטרונומיים, למשל זו של השמש. אך עד כה לא ידוע מדוע נוזל מסוגל להתנהג בצורה זו ואיך הזרמים החשמליים המיוצרים מצליחים להישאר.

מאפיינים

- השדה המגנטי של כדור הארץ הוא תוצאה של שלוש תרומות: השדה הפנימי עצמו, השדה המגנטי החיצוני וזה של המינרלים המגנטיים בקרום:

1. שדה פנימי: הוא דומה לזה של דיפול מגנטי (מגנט) הממוקם במרכז כדור הארץ ותרומתו היא כ 90%. זה משתנה לאט מאוד בזמן.
2. שדה חיצוני: מגיע מפעילות סולארית בשכבות האטמוספירה. הוא לא נראה כמו הדיפול ויש לו וריאציות רבות: סערות מגנטיות מדי יום, שנתי, ועוד.
3. הסלעים המגנטיים בקרום כדור הארץ, היוצרים גם שדה משלהם.

- השדה המגנטי מקוטב, מציג קטבים צפון ודרום, ממש כמו מגנט מוט.

- כאשר הקטבים הנגדים מושכים זה את זה, מחט המצפן, שהיא הקוטב הצפוני שלה, מצביעת תמיד על סביבתו של הצפון הגאוגרפי, שם נמצא הקוטב הדרומי של מגנט כדור הארץ.

- כיוון השדה המגנטי מיוצג בצורה של קווים סגורים היוצאים מהדרום המגנטי (הקוטב הצפוני של המגנט) ונכנסים לצפון המגנטי (הקוטב הדרומי של המגנט).

- גם בצפון המגנטי ובדרום המגנטי- השדה ניצב לפני השטח של האדמה, ואילו בקו המשווה, השדה מרעה. (ראה איור 1)

- עוצמת השדה גדולה בהרבה בקטבים מאשר בקו המשווה.

- ציר הדיפול היבשתי (איור 1) וציר הסיבוב אינם מיושרים. יש תזוזה של 11.2 מעלות ביניהם.

אלמנטים גאומגנטיים

מכיוון שהשדה המגנטי הוא וקטורי, מערכת קואורדינטות XYZ קרטזית עם מקור O מסייעת בביסוס מיקומה.

איור 2. אלמנטים גאומגנטיים. מקור: פ. זפטה.

העוצמה הכוללת של השדה המגנטי או האינדוקציה היא B והתחזיות או הרכיבים שלו הם: H אופקית ו- Z אנכית. הם קשורים ל:

-D, זווית הנטייה המגנטית, שנוצרה בין H לצפון הגיאוגרפי (ציר X), חיובי לכיוון מזרח ושלילי לכיוון מערב.

-אני, זווית הנטייה המגנטית, בין B ל- H, חיובית אם B נמצאת מתחת לאופק.

מחט המצפן תכוון לכיוון H, המרכיב האופקי של השדה. המטוס שנקבע על ידי B ו- H נקרא המרידיאן המגנטי ואילו ה- ZX הוא המרידיאן הגיאוגרפי.

וקטור השדה המגנטי מוגדר במלואו אם ידועים שלוש מהכמויות הבאות, המכונות יסודות גאומגנטיים: B , H, D, I, X, Y, Z.

פוּנקצִיָה

להלן כמה מהפונקציות החשובות ביותר של השדה המגנטי של כדור הארץ:

בני אדם השתמשו בזה כדי להתמצא באמצעות מצפן במשך מאות שנים.

-הפעלת פונקציית הגנה של כדור הארץ, על ידי עטוף אותו והטיה של החלקיקים הטעונים שהשמש פולטת ברציפות.

-אף על פי שהשדה המגנטי של כדור הארץ (30 - 60 מיקרו טסלה) חלש לעומת אלו במעבדה, הוא מספיק חזק כדי שחיות מסוימות ישתמשו בו בכדי להתמצא. כך גם עופות נודדים, יונים הביתה, לווייתנים וכמה בתי ספר לדגים.

-מגנטומטריה או מדידה של השדה המגנטי משמשים לחיפוש משאבי מינרלים.

אורות צפון ודרום

הם ידועים כאור הצפון או הדרומי, בהתאמה. הם מופיעים בקווי הרוחב ליד הקטבים, שם השדה המגנטי כמעט בניצב לפני השטח של כדור הארץ ואינטנסיבי בהרבה מאשר בקו המשווה.

איור 3. אורות צפון באלסקה. מקור: Wikimedia Commons.

מקורם בכמות הגדולה של החלקיקים הטעונים שהשמש שולחת ברציפות. אלה שנלכדים על ידי השדה נסחפים בדרך כלל לעבר הקטבים בגלל האינטנסיביות הגבוהה יותר. שם הם מנצלים אותה כדי ליינן את האווירה ותוך כדי כך נפלט אור גלוי.

אורות הצפון נראים באלסקה, קנדה וצפון אירופה, בגלל קרבת הקוטב המגנטי. אך בשל הגירה של זה, יתכן שעם הזמן הם הופכים ליותר גלויים לעבר צפון רוסיה.

נראה שזה לא נכון לעת עתה, מכיוון שהאורורות לא בדיוק עוקבות אחר הצפון המגנטי השגוי.

נטייה מגנטית וניווט

לניווט, במיוחד בנסיעות ארוכות מאוד, חשוב ביותר לדעת את הנטייה המגנטית, על מנת לבצע את התיקון הדרוש ולמצוא את הצפון האמיתי.

זה מושג באמצעות מפות המציינות את קווי הנטייה השווה (איזוגונלית), שכן הירידה משתנה מאוד בהתאם למיקום הגאוגרפי. זה נובע מהעובדה שהשדה המגנטי חווה וריאציות מקומיות ברציפות.

המספרים הגדולים המצוירים על מסלולי המסלול הם הכיוונים בדרגות ביחס לצפון המגנטי, מחולקים ב 10 ומעוגלים.

החבר'ה הצפוניים

עד כמה שזה נראה מבלבל, ישנם כמה סוגים של צפון, המוגדרים על ידי קריטריונים מסוימים. כך אנו יכולים למצוא:

צפון מגנטי הוא הנקודה על כדור הארץ בה השדה המגנטי בניצב לפני השטח. שם מצביע המצפן, ואגב, הוא אינו אנטיפודלי (ממול בצורה קיצונית) עם הדרום המגנטי.

צפון גאומגנטי , הוא המקום בו ציר הדיפול המגנטי עולה לפני השטח (ראה איור 1). מכיוון שהשדה המגנטי של כדור הארץ הוא קצת יותר מורכב משדה הדיפול, נקודה זו לא בדיוק חופפת לצפון המגנטי.

צפון גיאוגרפי עובר שם ציר סיבוב האדמה.

מצפון למברט או לרשת , נמצאת הנקודה בה מתכנסים המרידיאנים של המפות. זה לא בדיוק עולה בקנה אחד עם צפון אמיתי או גיאוגרפי, שכן המשטח הכדורי של כדור הארץ מעוות כאשר מוקרן על מטוס.

איור 4. צפון צפונה ומיקומם. מקור: Wikimedia Commons. קאוויט

היפוך השדה המגנטי

ישנה עובדה תמוהה: קטבים מגנטיים יכולים לשנות מיקום במהלך אלפי שנים בודדות, וזה קורה כרגע. למעשה, ידוע שזה קרה 171 פעמים בעבר, ב -17 מיליון השנים האחרונות.

העדויות נמצאות בסלעים היוצאים מבקע באמצע האוקיאנוס האטלנטי. כשיצא, הסלע מתקרר ומתמצק, מכוון את כיוון המגנטציה של כדור הארץ לרגע, שנשמר.

אך עד כה אין הסבר מניח את הדעת מדוע זה קורה, וגם אין מקור האנרגיה הדרושה כדי להפוך את השדה.

כפי שנדון בעבר, צפון מגנטי נע כיום במהירות לעבר סיביר, והדרום גם נע, אם כי לאט יותר.

חלק מהמומחים מאמינים כי זה נובע מזרימה גבוהה של ברזל נוזלי ממש מתחת לקנדה שמחליש את התחום. יכול להיות שזה גם ההתחלה של היפוך מגנטי. האחרון שקרה היה לפני 700,000 שנה.

יכול להיות שהדינמו שמוליד את המגנטיות של כדור הארץ נכבה לזמן מה, באופן ספונטני או על ידי התערבות חיצונית כלשהי, כמו גישה של שביט למשל, אם כי אין שום עדות לכך.

כאשר הדינמו מתחילה מחדש, הקטבים המגנטיים החליפו מקומות. אך יכול לקרות גם שההיפוך אינו שלם, אלא וריאציה זמנית של ציר הדיפול, שיחזור סוף סוף למקומו המקורי.

לְנַסוֹת

זה מתבצע עם סלילי הלמהולץ: שני סלילים מעגליים זהים וריכוזיים, דרכם עוברת אותה עוצמת זרם זהה. השדה המגנטי של הסלילים מקיים אינטראקציה עם זה של כדור הארץ, ומוליד שדה מגנטי שנוצר.

איור 5. ניסוי לקביעת ערך השדה המגנטי של כדור הארץ. מקור: פ. זפטה.

שדה מגנטי אחיד בערך נוצר בתוך הסלילים, שעוצמתם היא:

אני אינטנסיביות של הזרם

-μ _o הוא החדירות המגנטית של הוואקום

-R הוא רדיוס הסלילים

תהליך

עם מצפן להציב בציר הצירי של הסליל, לקבוע את כיוון השדה המגנטי של כדור הארץ ב _T .

-Oriente הציר של סלילי להיות בניצב B _T . לכן השדה B _H שנוצר כפי מועבר הנוכחי, יהיה בניצב B _T . במקרה הזה:

איור 6. השדה המתקבל הוא מה שתסמן מחט המצפן. מקור: פ. זפטה.

-B _H הוא פרופורציונלי לזרם המועבר דרך הסלילים, כך ש- B _H = kI, כאשר k הוא קבוע התלוי בגיאומטריה של הסלילים האמורים: רדיוס ומספר סיבובים. זרם המדידה יכול להיות בערך _BH . אז זה:

לכן:

-זרמי זרם מועברים דרך הסלילים והזוגות (I, tg θ) נרשמים בטבלה.

הגרף אני לעומת tg θ. מכיוון שהתלות היא ליניארית, אנו מצפים להשיג קו שהשיפוע m הוא:

-לבסוף, מן ישר - קו להתאים ריבועים לפחות או התאמה ויזואלית, זה ממשיך לקבוע את הערך של B _T .

הפניות

1. שדה מגנטי אדמה. התאושש מ: web.ua.es
2. קבוצת מגנטו-הידרודינמיקה מאוניברסיטת נווארה. אפקט דינמו: היסטוריה. התאושש מ: fisica.unav.es.
3. Kirkpatrick, L. 2007. פיזיקה: מבט על העולם. המהדורה המקוצר השישי. לימוד Cengage.
4. סיר. השדה המגנטי של כדור הארץ ושינויי הזמן שלו. התאושש מ: image.gsfc.nasa.gov.
5. NatGeo. הקוטב הצפוני המגנטי של כדור הארץ נע. התאושש מ: ngenespanol.com.
6. סיינטיפיק אמריקן. לכדור הארץ יש יותר מקוטב צפון אחד. התאושש מ: scientamerican.com.
7. ויקיפדיה. מוט גיאומגנטי. התאושש מ: en.wikipedia.org.