Źródło pola magnetycznego Ziemi

Mimo że zjawiska magnetyczne znane są ludzkości od bardzo dawna, to dotychczas nie udało się jednoznacznie ustalić przyczyny istnienia pola magnetycznego Ziemi. Istnieje w tym zakresie kilka teorii. Aktualnie za najbardziej prawdopodobną uznaje się hipotezę, która zakłada, że głównym źródłem pola magnetycznego Ziemi są prądy konwekcyjne płynące w zewnętrznej, ciekłej części jądra, graniczącej z płaszczem Ziemi. Teoria dynama magnetohydrodynamicznego wykorzystywana jest w celu szczegółowego wyjaśnienia tej hipotezy.

Wiemy na pewno, że Ziemia jest wielkim, lecz słabym magnesem. Swobodnie zawieszona igła magnetyczna, na którą nie oddziałują inne przedmioty, zawsze ustawi się w określony sposób. Igła magnetyczna mająca możliwość swobodnego poruszania się w poziomie i pionie zawsze ustawi się w kierunku północ‑południe oraz obniży się swym końcem północnym ku dołowi – na półkuli północnej, a przeciwnie na półkuli południowej. Na tej zasadzie opiera się budowa i wykorzystanie kompasów oraz busoli.

Bieguny magnetyczne Ziemi

Pole magnetyczne Ziemi możemy sobie wyobrazić w postaci pola wytworzonego przez magnetyczną sztabę umieszczoną wewnątrz jądra Ziemi. Przy czym sztabę tę musimy skręcić o 11,5° w stosunku do osi obrotu Ziemi, a następnie przesunąć nieznacznie od jej środka. W ten sposób otrzymamy parę biegunów magnetycznych Ziemi, które nazywamy dipolem, a całe ziemskie pole magnetyczne - polem dipolowym.

Jak wiesz, bieguny magnetyczne Ziemi nie są położone w tym samym miejscu co bieguny geograficzne. Obserwowane jest stałe przemieszczanie się biegunów magnetycznych o około 15 km na rok. Ponadto bieguny magnetyczne nie leżą po przeciwnych stronach Ziemi.

R1QmYcCk8E7ZZ

Na ilustracji jest fragment mapy z południkami i równoleżnikami od strony bieguna północnego wraz z Wyspą Wiktorii, Ziemią Baffina i Wyspą Ellesmere'a pokazuje przemieszczanie zaobserwowane i prognozowane północnego bieguna magnetycznego. Zaznaczono zaobserwowane położenie północnego bieguna magnetycznego od 1831 roku. Punkty zmian od 1831 roku do 2007 roku układają się w linię prostą biegnącą od 70 stopnia szerokości geograficznej północnej do 85 stopnia szerokości geograficznej północnej i od -100 stopnia długości geograficznej zachodniej do -120 stopnia szerokości geograficznej zachodniej. Na tym samym fragmencie mapy przedstawiono zamodelowaną krzywą zmian położenia północnego bieguna magnetycznego w latach od 1590 do 2020.

Stan magnetyczny dowolnego miejsca na Ziemi

Aby określić stan magnetyczny dowolnego miejsca na Ziemi, musimy uwzględnić trzy elementy:

• deklinacjedeklinacjadeklinacje,

• inklinacje,

• natężenie pola magnetycznego.

Wiesz już, że igła kompasu nie wskaże nam dokładnie północny geograficznej. Dlatego aby ją uzyskać, musimy wskazania kompasu skorygować o wartość deklinacji (zboczenia magnetycznego). Odchylenia igły magnetycznej w kierunku wschodnim od południka geograficznego nazywamy deklinacją dodatnią, a ku zachodowi – deklinacją ujemną. Należy mieć na uwadze, że wartość deklinacji nawet na niedużym obszarze może być różna. Na terenie Polski wartość ta waha się w granicach 6°.

R1FBwTiM571Zz

Ilustracja przedstawia mapę Polski ze skrótami nazw ważniejszych miejscowości. Na mapie poprowadzono czerwone linie oznaczające deklinację magnetyczną. Linie są nieco skośne w stosunku do południków, na przykład jedna z linii deklinacji o wartości 5 stopni ku wschodowi przebiega przez Toruń, Łódź i Kraków, a kolejna o wartości 5,5 stopnia w kierunku wschodnim przebiega przez Warszawę, w pobliżu Radomia i Rzeszowa.

Igła magnetyczna umieszczona na poziomej osi obrotu i ustawiona w płaszczyźnie południka magnetycznego odchyli się od poziomu o pewien kąt, który nosi nazwę inklinacji. Linie równych wartości inklinacji na powierzchni Ziemi noszą nazwę izoklin. Izoklina o wartości zero to inaczej równik magnetyczny.

Znając wartości deklinacji i inklinacji, jesteśmy w stanie określić kierunek pola magnetycznego w każdym punkcie na Ziemi. Poza wymienionymi elementami zmianie podlega także natężenie ziemskiego pola magnetycznego. Natężenie pola jest siłą, z jaką pole działa na umieszczony w nim określony biegun magnetyczny. Natężenie pola magnetycznego ziemskiego jest bardzo słabe i wnosi około ½ gausagausgausa.

R1LenKa0b8FSa

Ilustracja przedstawia bieguny magnetyczne Ziemi. W centrum ilustracji jest kula ziemska. Zaznaczono linie pola magnetycznego rozchodzące się koncentrycznie, zbiegając się w magnetycznych biegunach północnym i południowym. Oś łącząca bieguny magnetyczne tworzy pewien kąt w stosunku do osi obrotu Ziemi. Bieguny magnetyczne nie pokrywają się z biegunami geograficznymi Ziemi.

R1Ph3CB1kPa1w

Na ilustracji jest mapa świata z południkami i równoleżnikami. Na mapie są linie oznaczające jednakowe wartości deklinacji pola magnetycznego. Linie są niebieskie i czerwone. Czerwone mają wartości dodatnie, niebieskie ujemne. Czerwone niebieskie linie rozchodzą się od bieguna magnetycznego ziemi - znajduje się na południe od Australii. Linie niebieskie rozchodzą się w kierunku zachodnim, a czerwone na wschód. Wartości rosną (w przypadku czerwonych linii) lub maleją (w przypadku niebieskich linii) w miarę oddalania się od bieguna magnetycznego. Zielonymi liniami na mapie oznaczono linię zerową (agoniczną). Jedna biegnie przez Ameryki z północy na południe, druga zahacza o zachód Norwegii, biegnie przez Francję na południe do Afryki, gdzie w środkowej części zakręca w kierunku północno‑wschodnim przez Indie i dalej na północ przez Azję.

Cechy pola magnetycznego

Pole magnetyczne ziemskie nie jest stałe i ulega zmianom w ujęciu dobowym, rocznym i wiekowym. Nieznaczne zmiany dotyczą zarówno inklinacji, deklinacji, jak i natężenia pola magnetycznego. Za ich powstanie odpowiedzialne są głównie zmiany w natężeniu promieniowania słonecznego. Pole magnetyczne Ziemi ulega także zakłóceniom pod wpływem tzw. burz magnetycznych.

Normalne pole magnetyczne Ziemi określane jest przez średni rozkład wartości elementów ziemskiego pola magnetycznego na powierzchni Ziemi. W rzeczywistości poszczególne elementy pola magnetycznego wykazują liczne odchylenia od pola normalnego i wówczas mówimy o anomaliach magnetycznych. Anomalie magnetyczne są dość powszechne na Ziemi, również w Polsce możemy odnaleźć takie miejsca (przede wszystkim w północnej i wschodniej części kraju). Przyczyn anomalii należy upatrywać w budowie geologicznej. Silne zakłócenia powodowane są przez złoża niektórych minerałów. Niejednorodna budowa powierzchni Ziemi jest także powodem powstawania bardzo dużych anomalii magnetycznych, które nazywamy anomaliami globalnymi. Ich powstanie opisywane jest za pomocą dipoli utworzonych wokół płynnego jądra Ziemi.

RfQJ8v1OfOUP9

Ilustracja przedstawia dwie mapy świata. Jedna dotyczy 1980 roku, druga 2000 roku. Półkula północna na obydwu mapach jest zaznaczona kolorem niebieskim, półkula południowa kolorem pomarańczowym. Kolor niebieski oznacza natężenie pola do wewnątrz, pomarańczowy na zewnątrz. Na mapach zaznaczono anomalie. Na mapie z 1980 roku półkuli północnej zaznaczono kolorem pomarańczowym dwie anomalie magnetyczne. Mają kształt wysp. Są zlokalizowane powyżej Grenlandii oraz na wschód od Azji. Na półkuli południowej również są anomalie magnetyczne zaznaczone w postaci wysp w kolorze niebieskim. Jedna z nich jest sporych rozmiarów - leży na wysokości południa Ameryki Południowej i południa Afryki, kolejna - dużo mniejsza - znajduje się na zachód od Ameryki Południowej. Na mapie z 2000 roku na półkuli północnej zaznaczono nowe anomalie, między innymi nad Skandynawią czy Rosją. Wskazano także powiększoną - w stosunku do 1980 roku - anomalię na półkuli południowej zlokalizowaną od wysokości południa Afryki i Ameryki Południowej w kierunku Antarktydy.

RkkE5V8aQwiPs

Ilustracja przedstawia mapę świata. Różnokolorowymi kołami nakładającymi się na siebie zaznaczono kilka miejsc na mapie świata. Miejsca dipoli rozproszone są po całym globie i niektóre z nic, na przykład na południe od Ameryki Południowej, w Ameryce Środkowej, na zachód od Ameryki Południowej, w Afryce Zachodniej i Południowej przemieściły się bardziej, a na środkowym Pacyfiku - na wysokości Meksyku, na wschodzie Kanady, we wschodniej Afryce, w rejonie Malezji, na wschodzie Rosji, na południowy zachód od Australii znacznie mniej.

Znaczenie pola magnetycznego Ziemi

Pole magnetyczne pełni funkcję ochronną dla życia na Ziemi. Polega ona na ograniczeniu dopływu promieniowania kosmicznego i wiatru słonecznego. Gdyby do Ziemi docierał cały strumień wiatru słonecznego, utrata atmosfery byłaby znacząco przyspieszona. Promieniowanie kosmiczne wpływa na mutacje w organizmach żywych, dlatego też jego wzrost przyspieszyłby tempo ewolucji. Jednocześnie jednak spowodowałby to zwiększenie liczby organizmów kalekich i zdeformowanych.

Pole magnetyczne wykorzystywane jest przez niektóre gatunki zwierząt do nawigacji. Najlepszym przykładem są ptaki, które posiadają specyficzny zmysł magnetyczny. Przypuszcza się, że z uwagi na to, iż pole magnetyczne ulega ciągłym zmianom, ptaki musiały nauczyć się korygować wskazania swego „biologicznego kompasu” w oparciu o pozycję Słońca.

Zorze polarne

Wiatr słoneczny, w którego skład wchodzą m.in. cząstki elementarne, jądra wodoru i helu, dociera z kosmosu do Ziemi. Za sprawą pola magnetycznego i pod wpływem działania siły Lorentza naładowane cząstki elektryczne krążą wzdłuż linii sił pola magnetycznego, nie docierając do powierzchni Ziemi. Jest to niezwykle istotne z punktu widzenia życia biologicznego na naszej planecie. Dodatkowo w okolicy biegunów magnetycznych następuje zagęszczenie linii sił pola i wzrost koncentracji jonów. Następstwem tego jest zmiana kierunku ruchu jonów i zjawisko zorzy polarnej.

RcyibKNsV5Wqp

Zdjęcie przedstawia zorze polarną. Ma postać zielonych, nieco rozmytych pasm rozchodzących się promieniście na tle ciemnego nieba. Na pierwszym planie fotografii jest woda, a w tle ośnieżone pasmo górskie.

Słownik