Warto przeczytać

Zacznijmy od tego, jaka jest struktura ziemskiego pola magnetycznegoPole magnetycznepola magnetycznego. To pole ma charakter dipolowy, czyli „wygląda” tak, jakby jego źródłem był magnes umieszczony wewnątrz Ziemi, co można symbolicznie wyobrazić sobie jak na Rys. 1. Linie pola magnetycznegoLinie pola magnetycznegoLinie pola magnetycznego przebiegają z południa na północ. Widzimy to obserwując zachowanie igły magnetycznej kompasu, która ustawia się biegunem północnym zgodnie z liniami ziemskiego pola, czyli na północ. Tam zatem znajduje się biegun południowy S naszego hipotetycznego magnesu umieszczonego wewnątrz Ziemi.

R140i7C8bSm8V

Na białym tle niebieski kontur kuli ziemskiej z konturami kontynentów. W środku czerwony prostokąt z literą S na górze i literą N na dole oznaczającymi bieguny kuli ziemskiej. Z okręgu w pobliżu biegunów wychodzą czarne łukowato zakrzywione linie. Ze zwrotu strzałek wnioskuje się, że wychodzą od strony bieguna N, a wchodzą od strony bieguna S.

Czy rzeczywiście we wnętrzu naszej planety znajduje się taki ukryty magnes, który na przykład w postaci skał magnetycznych wytwarzałby takie pole? To jest niemożliwe ze względu na bardzo wysokie temperatury panujące we wnętrzu Ziemi, dużo wyższe od temperatury Curie – granicznej temperatury, do wartości której materiały ferromagnetyczneFerromagnetyzmmateriały ferromagnetyczne mogą być magnesami, czyli mogą wytwarzać pole magnetyczne.

Co zatem jest źródłem ziemskiego pola magnetycznego? Obecnie uczeni skłaniają się do przyjęcia, że ziemski magnetyzm jest skutkiem prądów elektrycznych w płynnym żelazie, z którego składa się zewnętrzne jądro Ziemi, znajdujące się ok. 3,5 tys. km pod powierzchnią naszej planety.

Spróbujemy teraz odpowiedzieć na pytanie, przed czym chroni nas pole magnetyczne Ziemi i na czym polega ta ochrona.

Z kosmosu nadlatują do nas wysokoenergetyczne, naładowane cząstki (nawet o prędkościach rzędu prędkości światła w próżni). Są to przede wszystkim protony (90%), jądra helu i elektrony. Ten strumień cząstek nazywa się promieniowaniem kosmicznym. Źródła tego promieniowania są różnej natury. Najbardziej energetyczne (nawet o energiach 40 mln razy większych, niż uzyskiwane przez nas w największym akceleratorze cząstek LHC) pochodzą spoza naszej galaktyki, ale są też cząstki, których źródła leżą w naszej galaktyce. Są też cząstki pochodzące ze Słońca, tworzące tzw. wiatr słoneczny. Te ostatnie mają najniższe energie.

Wiele cząstek promieniowania kosmicznego pochodzenia galaktycznego nie dociera nawet do ziemskiej magnetosfery. Tarczę chroniącą Ziemię stanowi pole magnetyczne Słońca i wiatr słoneczny, który jako strumień poruszających się naładowanych cząstek, (prąd elektryczny) wytwarza własne pole magnetyczne. Nie będziemy tu jednak zajmować się tą tarczą ochronną. Powiemy jedynie, że obecnie w 2020 roku, podczas istniejącego minimum aktywności Słońca, co skutkuje zmniejszeniem jego pola magnetycznego i wiatru słonecznego, dociera do nas więcej cząstek promieniowania galaktycznego. Na szczęście nie cierpimy z tego powodu, bowiem chroni nas w pewien sposób atmosfera, ale np. stacja kosmiczna ISS odczuwa zwiększenie promieniowania. Jak działa atmosfera? Spójrz na Rys. 2.

R11XkgSstE5J6

Na czarnym tle fragment kuli ziemskiej. Cztery jasne wiązki docierają w różnych miejscach i pod różnymi kątami do atmosfery. Ulegają rozproszeniu, schematycznie przedstawiono je jako trójkątne smugi z postrzępionymi brzegami.

Wysoko w atmosferze (w jonosferze) wysokoenergetyczne cząstki promieniowania kosmicznego zderzają się z atomami gazów atmosferycznych i wytwarzają całe kaskady różnych cząstek (tzw. kosmiczne promieniowanie wtórne), z których zdecydowana większość nie dociera nawet do powierzchni Ziemi, a te, które docierają, nie są już tak wysoce energetyczne i szkodliwe dla organizmów żywych.

Ziemskie pole magnetyczne chroni nas przede wszystkim przed promieniowaniem kosmicznym o mniejszej energii – cząstkami wysyłanymi przez Słońce w postaci wiatru słonecznego.

Jak to się dzieje? Otóż ziemskie pole jest niejednorodne, ma kształt przypominający „butelkę magnetyczną” (zobacz Rys. 3.), co stanowi dla poruszających się, naładowanych cząstek pułapkę.

RJTxiJuWamZVc

Na ilustracji znajduje się sześć linii poziomych ułożonych tak, że biegną wzdłuż cylindra z uwypukleniem w środkowej części. Linie są niebieskie i mają zwrot w prawo. W bryle ograniczonej skrajnymi liniami widać szarą linię śrubową o zwrocie zgodnym z kierunkiem wskazówek zegara podpisaną: tor śrubowy. Na górnej niebieskiej linii trzy grube czarne punkty w różnych miejscach, jeden z nich podpisany: cząstka. Od punktów odchodzą zielone wektory skierowane w prawo wzdłuż niebieskiej linii, styczne do niej, każdy posiada podpis: wektor B. Prostopadle do zielonego przyłożone są wektory F z indeksem dolnym B.

Wiemy, że pole magnetyczne przy biegunach ma bardziej zagęszczone linie magnetyczne niż w okolicach równika magnetycznego. Więc mamy jakby postawioną pionowo i wygiętą „butelkę magnetyczną”. Naładowana cząstka wpadając w takie pole porusza się wokół linii tego pola, na skutek siły magnetycznejSiła magnetycznasiły magnetycznej, po linii śrubowej i gdy dociera do obszaru silnego pola w pobliżu bieguna magnetycznego, jest z niego wypychana – gwałtownie zmienia kierunek ruchu. Przy drugim biegunie dzieje się to samo i cząstka oscyluje pomiędzy biegunami (jakby zwierciadłami magnetycznymi), pokonując drogę od bieguna do bieguna w ciągu kilku sekund. Jest to symbolicznie przedstawione na Rys. 4.

R1Zy7nGb64R9G

Na ilustracji widać kontur kuli ziemskiej wraz z zarysem kontynentów. Od globu odchodzą szare łukowato wygięte krzywe podpisane: linie pola magnetycznego. Wewnątrz tych szarych linii narysowano żółtą sinusoidę i podpisano: tor uwięzionej cząsteczki. Obok drugi rysunek, również glob, ale nieco mniejszy i opatrzony całą siecią żółtych sinusoid ułożonych w torus otaczający kulę ziemskią.

Oczywiście mamy do czynienia z ogromną liczbą tak poruszających się cząstek, co próbowano przedstawić na Rys. 4. w prawej jego części. Tak więc w przestrzeni kosmicznej wokół Ziemi można wyróżnić obszary wypełnione poruszającymi się w charakterystyczny sposób cząstkami. Gdybyśmy dokonali przekroju tej przestrzeni, to można byłoby (jak na Rys. 5.) wyróżnić te obszary w postaci „obwarzanków” zwanych, od odkrywcy, pasami Van Allena (lub pasami radiacyjnymi).

R1IlUX43zZ1NC

Rys. 5. Pasy Van Allena; czerwony kolor oznacza największą koncentrację poruszających się cząstek.

Widoczne są dwa pasy – wewnętrzny, znajdujący się w odległości (1‑12) tys. km i zewnętrzny, w odległości (13‑60) tys. km od powierzchni Ziemi. Zawierają głównie wysokoenergetyczne elektrony, wewnętrzny także protony. W bezpiecznym obszarze pomiędzy pasami, gdzie jest stosunkowo małe zagęszczenie wysokoenergetycznych cząstek, znajdują się orbity satelitów i sond kosmicznych.

Czy cząstki uwięzione są w pułapce magnetycznej już na stałe? Nie, zwłaszcza tam, gdzie pasy radiacyjne zbliżają się do Ziemi, mogą następować zderzenia cząstek z atomami rozrzedzonej atmosfery. Dzieje się tak zwłaszcza podczas dużej aktywności Słońca. Same pasy radiacyjne ulegają wtedy znacznej deformacji (mogą się połączyć) i zbliżają się wtedy silnie w okolicach podbiegunowych do Ziemi. Podczas wyrzutu materii ze Słońca wysyłane w stronę Ziemi potężne strumienie elektronów i protonów powodują, że w obszarach bliskich biegunom magnetycznym, w których cząstki zwykle są odbijane, powstaje silne pole elektryczne. Pole to przeciwdziała odbiciu i kieruje elektrony w dół do atmosfery ziemskiej. Zderzają się one z atomami i cząsteczkami gazów atmosfery powodując ich świecenie. Tak powstaje piękne zjawisko fizyczne – zorza polarna (zobacz na Rys. 6., 7. i 8.).

RK35B5ZLFAOmg

Na czarnym tle granatowa kula ziemska. Delikatnie widoczne kontynenty za smugami chmur. Na pierwszym planie zielone, jaskrawe smugi tworzące nieregularne brzegi okręgu wokół bieguna południowego.

RtnbBXLH2nk0H Na ilustracji znajduje się na dole ciemny pas ziemi, nad ziemią pasy kolorowego nieba w tonacji fioletowo seledynowej.	R1WClc3OQ0sX8 Na ilustracji na dole znajduje się fragment zbiornika wodnego oraz fragment lądu. Na granatowym niebie seledynowe smugi ułożone w faliste pasma rozświetlają noc.

Słowniczek

Siła magnetyczna

Siła magnetyczna

(ang.: magnetic force) – inaczej zwana siłą Lorentza (ściślej jej częścią magnetyczną) jest siłą działającą na poruszający się ładunek w polu magnetycznym; opisana jest równaniem ${\overrightarrow{F}}_{mag}=q\cdot (\overrightarrow{v}\times \overrightarrow{B})$, gdzie $q$ jest ładunkiem (z uwzględnieniem znaku), $\overrightarrow{v}$ jest wektorem prędkości ładunku a $\overrightarrow{B}$ jest wektorem indukcji magnetycznej w punkcie, w którym znajduje się ładunek.

RZmweeauP6q9C

Ilustracja przedstawia prawą dłoń z wyciągniętym do góry kciukiem i zgiętymi pozostałymi palcami. Na środku trójwymiarowy układ współrzędnych. Oś czerwona skierowana pionowo do góry, wzdłuż kciuka, podpisana: wektor F. Oś niebieska skierowana w prawo, wzdłuż przedramienia, podpisana: wektor B. Oś zielona skierowana na ukos łagodnie w dół, zgodnie z palcami, podpisana: wektor V. Kąt między wektorami V oraz B oznaczono grecką literą teta.

Wartość tej siły obliczana jest w następujący sposób: $F_{mag}=|q|vB\cdot \sin \sphericalangle (\overrightarrow{v},\overrightarrow{B})$, a kierunek wyznacza się stosując regułę prawoskrętną, co symbolicznie pokazano na rysunku.