CO SIĘ DZIEJE Z BIEGUNAMI MAGNETYCZNYMI ZIEMI.pdf

Pole magnetyczne i zmiana pola grawitacyjnego Ziemi

Page 1 of 5

Zagadki

Co si ę dzieje z biegunami magnetycznymi Ziemi?

Ziemia ma dwa bieguny magnetyczne, które nie

pokrywaj ą si ę z biegunami geograficznymi .Magnetyczny

biegun północny leŜy w pobliŜu bieguna

geograficznego południowego, a magnetyczny biegun

południowy leŜy w pobliŜu bieguna geograficznego

północnego.

Własności magnetyczne Ziemi wynikają z jej

wewnętrznej budowy. Ziemia składa się z czterech

podstawowychwarstw:stałegojądrawewnętrznegoz

niemal czystego Ŝelaza, z płynnego płaszcza

zewnętrznego równieŜ składającego się głównie z

Ŝelaza, skalistego płaszcza i cienkiej skorupy

obejmującejkontynentyidnaoceanów.ŁącznycięŜar

płaszcza i skorupy wytwarza w jądrze ciśnienie

średniodwamilionyrazywiększeodtegojakiepanuje

na powierzchni planety. Temperatura jądra wynosi

około 5000°C i wytworzyła się podczas formowania

Zieminaskutekkurczeniasięmaterii.

Źródłem ziemskiego magnetyzmu są prądy, które

płyną w stopionym jądrze naszej planety. Fizycy

ustalili, Ŝe planeta moŜe wytwarzać własne pole

magnetyczne, gdy spełnione są trzy podstawowe warunki. Pierwszym jest obecność wewnątrz

duŜejilościpłynnegoprzewodnika,którymjestwprzypadkuZiemipłynneŜelazoznajdującesięw

płaszczuzewnętrznym.Drugimjestzapewnieniedopływuenergiiniezbędnejdowprawieniapłynu

w ruch. Źródłem energii dymana ziemskiego są ciepło i reakcje chemiczne oraz krystalizacja

Ŝelaza na granicy jądra wewnętrznego. Powoduje to powstawanie prądów konwekcyjnych. W

pobliŜujądrawewnętrznegotemperaturajestznaczniewyŜszaniŜwyŜejiciepłewarstwywędrują

ku górze. Gdy gorący strumień dociera do do granicy z płaszczem, oddaje mu część ciepła.

Schłodzone Ŝelazo staje się gęstsze od otoczeniaispływa z powrotem. Trzecimczynnikiem jest

rotacja w wyniku ruchu obrotowego Ziemi. Na płynne Ŝelazo działa wtedy siła Coriolisa, która

powoduje ruch wirowy strug płynnego Ŝelaza i

torem jest krzywa spiralna. Nieustanne istnienie

polamagnetycznegoZiemi(geodynama)jestwięc

przede wszystkim zasługą istnienia płynnego,

metalicznego Ŝelaza, zasobów energii

wystarczających do podtrzymania konwekcji oraz

siły Coriolisa. Jest to tylko niestety uproszczenie.

Pole magnetyczne jako całość podobne jest do

pola magnesu sztabkowego, ale ruch wirowy

powoduje,Ŝewwielumiejscachpowstająobszary

o przeciwnej biegunowości zwane anomaliami

magnetycznymi.

Z namagnesowania starych skał i minerałów

moŜna odczytać, jak zmieniało się pole

magnetyczne na przestrzeni wieków, bowiem

podczas szybkiego stygnięcia lawy kryształy tak

jak igły magnetyczne, układają się zgodnie z

kierunkiem ziemskiego pola magnetycznego.

Okazuje się, Ŝe bieguny ziemskiego pola

magnetycznego cyklicznie zamieniały się

miejscami południowy przechodził na miejsce

północnego i na odwrót. W czasie takiej zamiany

ziemskie pole magnetyczne wariowało, między

innymi zanikały wtedyoba biegunymagnetyczne.

Ostatnieodwróceniebiegunównastąpiłookoło780

tysięcy lat temu, a magnetyczny chaos z tym

związanytrwałkilkatysięcylat.

Zmianarozkładuziemskiegopolamagnetycznego,odroku

1980anomaliiprzybyło,aistniejącesiępowiększyły

http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_zf3.html

2008-03-29

WarstwywewnętrzneZiemi

Pole magnetyczne i zmiana pola grawitacyjnego Ziemi

Page 2 of 5

Od dwudziestu lat dokładnie badamy precyzyjnie rozkład pola magnetycznego na powierzchni

Ziemi.Najpierw źródłemdanychbył satelitaMagsat,aod1999rokusatelitaOersted.UŜywając

metodmatematycznychizakładając,Ŝepolagenerowaneprzezprądyelektrycznewpłaszczusą

zaniedbywanie małe, naukowcy uzyskali z tych pomiarów mapy pola magnetycznego na

powierzchni jądra. Okazało się, Ŝe chociaŜ pole magnetyczne jest podobne do magnesu

sztabkowego to w większości pochodzi z czterech duŜych stref na powierzchni jądra: dwa pod

skrajnymi wybrzeŜamiAntarktydy i po jednym pod Syberią oraz Ameryką Północną. Dodatkowo

odkryto, Ŝe od lat osiemdziesiątych powstają nowe anomalne

obszary, na przykład pod wschodnim wybrzeŜem Ameryki

Północnej czy pod Arktyką. Pojawienie się tych anomalii jest

najprawdopodobniej oznaką kolejnej zamiany biegunów.

Zaobserwowano zmniejszenie się natęŜenie ziemskiego pola

magnetycznego o 10% w stosunku do pierwszych pomiarów

wykonywanych w XIX wieku. Jeśli będą się powiększały w

dotychczasowym tempie, to ziemskie bieguny magnetyczne

mogą zaniknąć w ciągu tysiąca lat, a kompasy będą

bezuŜyteczne.Ciekawejakporadząsobiezwierzęta,np.ptaki,

którewswychwędrówkachkierująsiępolemmagnetycznym?

Aby poznać lepiej mechanizm powstawania lokalnych

niezgodności pola magnetycznego i sposób, w jaki mogą

powstawać kolejne zmiany biegunów magnetycznych,

naukowcy symulują geodynamo na superkomputerach i

modelachfizycznych.Niestetymoceobliczeniowesązbytmałe

abywpełniśledzićprocesypodobnedozachodzącychwjądrze

Ziemi. Próbujemy równieŜ budować modele fizyczne w

laboratorium. Po raz pierwszy w 2000 roku dwa europejskie

zespoły niezaleŜnie od siebie wytworzyły spontanicznie wytworzone bieguny magnetyczne w

spiralnieskręconychrurachodługości12metry,zawierającychciekłysód(sódmabardzoniską

temperaturę topnienia). W najbliŜszym czasie planuje się umieścić płynny sód w kulistych

zbiornikachośrednicytrzymetryiwprawićgowruch.

Czekamynadalszepomiaryilepszekomputery.Naukowcyspodziewająsię,Ŝepołączenietrzech

metod badawczych pomiarów satelitarnych, symulacji komputerowych i laboratoryjnych

nastąpinajdalejza10do20lat.

Opracowanonapodstawieartykułuzamieszczonegownr5/2005czasopismaŚwiatNauki.

Jak powstaj ą zorze polarne?

Zorze polarne, które juŜ omawiali ś my w

ciekawostkach , powstają na skutek burz

magnetycznych na Słońcu. Powstają wtedy silne

rozbłyski i z powierzchni Słońca wyrzucane są

ogromne ilości naładowanych cząstek (głównie

protonówielektronów)owysokiejenergii.Tworzą

one tak zwany wiatr słoneczny, który stanowi

przedłuŜenie atmosfery słonecznej, Wiatr

słoneczny sięga aŜ do skrajów Układu

Słonecznego. Kiedy wiatr słoneczny dotrze w

pobliŜe Ziemi, oddziaływuje z polem

magnetycznym Ziemi. Na skutek tego elektrony

poruszają się ruchem spiralnym wzdłuŜ linii

ziemskiego pola magnetycznego i w końcu

zderzająsięwpobliŜubiegunówmagnetycznychz

cząsteczkami azotu i tlenu wzbudzając je, które

wracającdostanupodstawowegowypromieniowująenergięwpostacikwantówświatła.

Zorza pojawia się w postaci kolorowych łuków, promieni, pasm, serpentyn i draperii. Naukowcy

wciąŜjednaknierozumieją,wjakisposóbzorzaprzyjmujeobłekształtyalbodlaczegojejkurtyna

bywa pofałdowana jak wstąŜka na wietrze. Dlaczego wreszcie nie jest jednolitą ścianą światła,

lecz często składa się z osobnych pasm, jakby tworzyły ją wiązki światła z równolegle

ustawionychreflektorów.Jestkilkahipotezwyjaśnieniatychfaktów.MoŜejakieśpolaelektryczne

wziemskiejatmosferzemuszątakprzyspieszaćelektrony,Ŝeskupiająsięonewwiązki.Niektórzy

Zdjęciezorzypolarnej,któregoautoremjest Jan Curtis

http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_zf3.html

2008-03-29

Komputerowasymulacjapola

magnetycznegoZiemina500latprzed

zmianąbiegunów

Pole magnetyczne i zmiana pola grawitacyjnego Ziemi

Page 3 of 5

z badaczy sądzą, Ŝe jest to wynik stałych napięć elektrycznych, które tworzą się pomiędzy

róŜnymiwarstwamiatmosfery.

Niedawno ogłoszono nowy złoŜony

model powstawania zorzy, który

obecnie obowiązuje. Aby omówić

ten model musimy rozszerzyć

wiadomości o ziemskim polu

magnetycznym.

Pole magnetyczne Ziemi tworzy

osłonę ochronną, zwaną

magnetosferą. Wychodzą one z

dwu biegunów, następnie biegną

pionowo, po czym na duŜej

wysokości odchylają się do pionu i

przechodzą do przeciwległego

bieguna.Wiatrsłoneczny spłaszcza

czoło magnetosfery i wyciąga jej

tylną część w formie ogona, co

widaćnarysunkupolewo.

Okazuje się, Ŝe cząstki pochodzące z wiatru słonecznego zostały uwięzione przez ziemskie pole

magnetyczne(odkrył tovanAllenw1958roku)itworząpodwójne,takzwanepasyvanAllena,

zwane teŜ pasami radiacyjnymi, poniewaŜ są one obszarami intensywnego promieniowania.

Elektrony i protony, w tych pasach, poruszają się po trajektoriach zbliŜonych do spiralnych z

ogromnymiprędkościami,wkierunkuzbiegunapółnocnegonapołudniowyizpowrotem(jedna

sekunda wystarczy na przebycie trasy w obu

kierunkach). Wewnętrzny pas van Allena,

składający się przede wszystkim z protonów,

rozciąga się od wysokości 1000 do 5000 km nad

równikiem ziemskim, natomiast pas zewnętrzny

(przewaŜnie elektrony) od 15000 do 25000 km

nadrównikiem. PasyvanAllenaodrzucają cząstki

dochodzące z Kosmosu, stanowią więc naturalną

osłonę radiacyjną, równieŜ przed wiatrem

słonecznym.

Kiedywiatrsłonecznydocieradomagnetosferyto

zaczyna się ślizgać po liniach pola ziemskiego i

rozciąga je dalej w przestrzeń kosmiczna po

nocnejstronieZiemi.Cojakiśczasogontenstaje

się tak rozciągnięty, Ŝe następuje zmiana

konfiguracji linii pola magnetycznego, w wyniku której dochodzi do skierowanie ponownie ku

Ziemistrumieniaprotonówielektronów.Zjawiskototrwaod10minutdokilkudziesięciugodzin.

Proces ponownego łączenia się linii pola ziemskiego wytwarza fale wzdłuŜ pola magnetycznego.

Od ogona magnetycznego Ziemi do biegunów płyną fale elektromagnetyczne, zwane falami

Alfvena, przemieszczające się wzdłuŜ linii

ziemskiego pola magnetycznego. Fale Alfvena

mogą przekazywać swoją energię elektronom,

nadając im przyspieszenie skierowane wzdłuŜ linii

pola magnetycznego w kierunku biegunów

północnegoipołudniowego.Elektronydostającsię

do atmosfery zderzają się z cząsteczkami

powietrza i wzbudzające. Wzbudzone atomy

oddająenergię,emitującświatło.

Od dawna kontrowersyjnym tematem było

istnienietajemniczychdźwięków,którewieleosób

miało słyszeć podczas intensywnych zórz. Próby

rejestracji akustycznej nie przyniosły jednak

rezultatów i wydawało się, Ŝe jest to efekt

subiektywnych wraŜeń. Są róŜne próby

wytłumaczeniatychefektów.ByćmoŜeprzyczyna

dźwięków mogą być lokalne wyładowania

elektryczne w powietrzu lub jak ostatnio się

ZniekształconepolamagnetyczneZiemi(magnetosfera)przezwiatrsłoneczny,

białeobszarytouwięzioneelektronyiprotonyczylipasyvanAllena

Ogonmagnetosferyjestbardzorozciągniętyizachwilę

nastąpizmianakonfiguracjiliniipolamagnetycznego

http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_zf3.html

2008-03-29

Pole magnetyczne i zmiana pola grawitacyjnego Ziemi

Page 4 of 5

Ponastąpieniuzmianykonfiguracjipolamagnetycznego

ZieminastępujepowstaniefalAlfvena,skierowanychdo

biegunówmagnetycznych

przypuszcza silne pola elektromagnetyczne

wywołują jakieś procesy bezpośrednio w mózgu

człowieka. Najprawdopodobniej fale

elektromagnetyczne powodują minimalne

zaburzenia temperatury w tkankach, a to z kolei

moŜe wywołać wewnątrz ciała lokalne fale

akustycznesłyszalneprzezucho.

Abyjeszczelepiejpoznaćzorzepolarnenaukowcy

prowadzą ich obserwacje z powierzchni Ziemi i

satelit. Odbyły się teŜ pierwsze próby wywołania

sztucznej zorzy polarnej strzelając silnymi

wiązkami promieniowania radiowego w nocne

niebo. Być moŜe niedługo poznamy jeszcze lepiej

mechanizm powstawania tego tajemniczego

zjawiska i będziemy potrafić przewidywać jego

wystąpienie.

Oracowano na podstawie artykułów

zamieszczonych w nr 4/2005 Młodego Technika,

nr 11/2001 National Geographic i nr 7/2005

Wiedzyiśycie.

Obserwacja zmian pola grawitacyjnego Ziemi

Ziemia nie jest idealnie kulista. Jej

kształt zbliŜony jest do spłaszczonej

kuli ale licznie zniekształconej. Co

więcej, naukowcy sądzą, Ŝe jej

kształt nie jest stały. A te

przeobraŜenia zachodzące we

wnętrzu naszej planety mają wielki

wpływmiędzyinnyminakształtisiłę

ziemskiegopolagrawitacyjnego.

Jest kilka teorii wyjaśnienia tego

zjawiska. Pierwsza tajemnicę

zmiennego pola grawitacyjnego

Ziemi upatruje w oceanach. Ruchy

gigantycznych mas wody, jakie

dokonują się za sprawą morskich

prądów zmieniają grawitację naszej

planety. Wraz z przemieszczaniem

sięwodysłodkiejisłonejzmieniasię

rozkład mas na naszej planecie. A

grawitacjajestwszakwprostproporcjonalnadomasy.

Wielu zwolenników ma teoria wiąŜąca zmiany grawitacji z efektami efektu cieplarnianego. Głosi

ona, Ŝe wzrastająca średnia temperatura atmosfery powoduje topnienie lodu i sprawia, Ŝe np.

północna Kanada i Półwysep Skandynawski uwolnione częściowo od przygniatających je mas

lodu...zaczynająsięniecounosićdogóry!Teruchyrzeczjasnaodbijająsięnakształciepola

grawitacyjnego. Wszystko jednak ma się wyjaśnić wraz z uzyskaniem dokładnych pomiarów

zmian grawitacji. Globalne pomiary pola grawitacyjnego Ziemi nie są jednak proste. Dlatego

postanowionozbadaćgrawitacjęzkosmosu.

17 marca 2002 rokuwystartowała rakieta Rockot

z dwoma bliźniaczymi satelitami na pokładzie.

Rozpoczęła się amerykańskoniemiecka misja

GRACE (Gravity Recovery And Climate

Experiment). Oba satelity znajdują się 500 km

nad powierzchnią Ziemi i podąŜają jeden za

drugim w odległości 220 km. Przelatują one nad

obszarami silniejszego lub słabszego pola

grawitacyjnego i potrafią je rozróŜnić. Gdy

podąŜający przodem satelita wchodzi w obszar

http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_zf3.html

2008-03-29

Pole magnetyczne i zmiana pola grawitacyjnego Ziemi

Page 5 of 5

silniejszego pola grawitacyjnego, oddala się

nieznacznie od towarzysza. Dokładna wartość

odległości oraz wartość wzajemnej prędkości

satelitów są mierzone za pomocą umieszczonych

na ich pokładzie instrumentów oraz systemu GPS

z dokładnością sięgającą... 10 mikronów, czyli

okołojednejdziesiątejgrubościludzkiegowłosa!

Dane gromadzone za pomocą GRACE są

wykorzystywane do budowania trójwymiarowych

modeli ziemskiego pola grawitacyjnego razna 30

dni. Misja będzie trwała pięć lat. Satelity mierzą

rozkład masy na Ziemi z dokładnością od stu do

tysiąca razy większą niŜ dotychczas. Badania

ujawniądrobnezmiany,jakiedokonująsięwpolu

grawitacyjnym Ziemi i być moŜe dostarczą teŜ

wyjaśnień, skąd się one biorą. Poza

monitorowaniem ziemskiej grawitacji uczeni

planują otworzenie z nieznaną dotąd precyzją

kształtu ziemskiej geoidy. Oczekuje się takŜe, Ŝe

satelity Grace będą wychwytywały zmiany w

prądach oceanicznych, zasobach wód

podziemnych i lodowcach, co pozwoli lepiej

monitorować klimat Ziemi. O dokładności tej metody niech świadczy to, Ŝe według naukowców

zaangaŜowanych w projekt statki Grace są w stanie zarejestrować czteromilimetrowe zmiany

wysokościwodywbasenieMississippiopowierzchni32milionówkilometrówkwadratowych.

Pod koniec 2002 roku satelita Grace zaczął przesyłać pierwsze wyniki swych niezwykle

dokładnych pomiarów pola grawitacyjnego Ziemi. W ciągu 30 dni twierdzą specjaliści uzyskano

więcej danych najlepszej jakości niŜ udało się nam zgromadzić przez ostatnie 30 lat. Pierwsze

mapyzostanąudostępnionewiosną2003roku.

Zagadki

http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_zf3.html

2008-03-29

Mapa róŜnic (w mikrometrach, czyli milionowych częściach

metra)wodległościmiędzydwomastatkamiGrace.Zmiany

w odległości są powodowane przez zmiany w natęŜeniu

ziemskiego pola grawitacyjnego, działającego na kaŜdy ze

statków.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: