Pole magnetyczne ziemi

Ziemia ma dwa bieguny magnetyczne, które nie pokrywają się z biegunami geograficznymi. Magnetyczny biegun północny leży w pobliżu bieguna geograficznego południowego, a magnetyczny biegun południowy leży w pobliżu bieguna geograficznego północnego.
Własności magnetyczne Ziemi wynikają z jej wewnętrznej budowy. Ziemia składa się z czterech podstawowych warstw: stałego jądra wewnętrznego z niemal czystego żelaza, z płynnego płaszcza zewnętrznego również składającego się głównie z żelaza, skalistego płaszcza i cienkiej skorupy obejmującej kontynenty i dna oceanów. Łączny ciężar płaszcza i skorupy wytwarza w jądrze ciśnienie średnio dwa miliony razy większe od tego jakie panuje na powierzchni planety. Temperatura jądra wynosi około 5000C i wytworzyła się podczas formowania Ziemi na skutek kurczenia się materii.
Źródłem ziemskiego magnetyzmu są prądy, które płyną w stopionym jądrze naszej planety. Fizycy ustalili, że planeta może wytwarzać własne pole magnetyczne, gdy spełnione są trzy podstawowe warunki. Pierwszym jest obecność wewnątrz dużej ilości płynnego przewodnika, którym jest w przypadku Ziemi płynne żelazo znajdujące się w płaszczu zewnętrznym. Drugim jest zapewnienie dopływu energii niezbędnej do wprawienia płynu w ruch. Źródłem energii dymana ziemskiego są ciepło i reakcje chemiczne oraz krystalizacja żelaza na granicy jądra wewnętrznego. Powoduje to powstawanie prądów konwekcyjnych. W pobliżu jądra wewnętrznego temperatura jest znacznie wyższa niż wyżej i ciepłe warstwy wędrują ku górze. Gdy gorący strumień dociera do granicy z płaszczem, oddaje mu część ciepła. Schłodzone żelazo staje się gęstsze od otoczenia i spływa z powrotem. Trzecim czynnikiem jest rotacja w wyniku ruchu

Zmiana rozkładu ziemskiego pola magnetycznego, od roku 1980 anomalii przybyło, a istniejące się powiększyły
obrotowego Ziemi. Na płynne żelazo działa wtedy siła Coriolisa, która powoduje ruch wirowy strug płynnego żelaza i torem jest krzywa spiralna. Nieustanne istnienie pola magnetycznego Ziemi (geodynama) jest więc przede wszystkim zasługą istnienia płynnego, metalicznego żelaza, 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, że w wielu miejscach powstają obszary o przeciwnej biegunowości zwane anomaliami magnetycznymi.
Z namagnesowania starych skał i minerałów można 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, że 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 wtedy oba bieguny magnetyczne. Ostatnie odwrócenie biegunów nastąpiło około 780 tysięcy lat temu, a magnetyczny chaos z tym związany trwał kilka tysięcy lat.
Od dwudziestu lat dokładnie badamy precyzyjnie rozkład pola magnetycznego na powierzchni Ziemi. Najpierw źródłem danych był satelita Magsat, a od 1999 roku satelita Oersted. Używając metod matematycznych i zakładając, że pola generowane przez prądy elektryczne w płaszczu są zaniedbywanie małe, naukowcy uzyskali z tych pomiarów mapy pola magnetycznego na powierzchni jądra. Okazało się, że chociaż pole magnetyczne jest podobne do magnesu sztabkowego to w większości pochodzi z czterech dużych stref na powierzchni jądra: dwa pod skrajnymi

Komputerowa symulacja pola magnetycznego Ziemi na 500 lat przed zmianą biegunów
wybrzeżami Antarktydy i po jednym pod Syberią oraz Ameryką Północną. Dodatkowo odkryto, że od lat osiemdziesiątych powstają nowe anomalne obszary, na przykład pod wschodnim wybrzeżem Ameryki Północnej czy pod Arktyką. Pojawienie się tych anomalii jest najprawdopodobniej oznaką kolejnej zamiany biegunów. Zaobserwowano zmniejszenie się natężenie 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 bezużyteczne. Ciekawe jak poradzą sobie zwierzęta, np. ptaki, które w swych wędrówkach kierują się polem magnetycznym?
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 modelach fizycznych. Niestety moce obliczeniowe są zbyt małe aby w pełni śledzić procesy podobne do zachodzących w jądrze Ziemi. Próbujemy również budować modele fizyczne w laboratorium. Po raz pierwszy w 2000 roku dwa europejskie zespoły niezależnie od siebie wytworzyły spontanicznie wytworzone bieguny magnetyczne w spiralnie skręconych rurach o długości 1-2 metry, zawierających ciekły sód (sód ma bardzo niską temperaturę topnienia). W najbliższym czasie planuje się umieścić płynny sód w kulistych zbiornikach o średnicy trzy metry i wprawić go w ruch.
Czekamy na dalsze pomiary i lepsze komputery. Naukowcy spodziewają się, że połączenie trzech metod badawczych - pomiarów satelitarnych, symulacji komputerowych i laboratoryjnych - nastąpi najdalej za 10 do 20 lat.
Opracowano na podstawie artykułu zamieszczonego w nr 5/2005 czasopisma Świat Nauki.
E-gram nie stawia sobie ambitnego celu popularyzacji wiedzy. Autor jedynie chce przedstawiać poglądy - własne i cudze - odbiegające od utartych oraz pomysły odpowiedzi na pytania jeszcze otwarte. Poglądy autora nie muszą być więc słuszne, a odpowiedzi - koniecznie prawdziwe. Ważne, aby były zajmujące, ciekawe.
Wydawałoby się, że zjawiska ziemskie nie powinny już stawiać zbyt trudnych zagadek, ponieważ ich obserwacja nie nastręcza trudności, a nauka, która sięga odległych gwiazd i galaktyk, tym łatwiej powinna sobie radzić z tym, co się dzieje na własnym podwórku. Nie zawsze tak jest. Nie spotkałem (może nie dość starannie szukałem) przekonującego wyjaśnienia przyczyn, dla których niektóre ciała niebieskie (planety, księżyce, gwiazdy) pole magnetyczne posiadają, a inne nie.
W największym skrócie rzecz ma się następująco.
· Sondy kosmiczne wskazują na istnienie związku między ruchem obrotowym planet, a ich polem magnetycznym.
· Przyczyną istnienia pola magnetycznego Ziemi miałyby być podobno ruchy (przepływy) elektrycznie rozwarstwionych (naładowanych) strug ciekłej substancji we wnętrzu Ziemi.
Moim zdaniem jedną z możliwych przyczyn istnienia pola magnetycznego Ziemi (i innych ciał niebieskich) jest ładunek elektryczny (całego ciała niebieskiego) w połączeniu z ruchem obrotowym obiektu. Wiemy, że Ziemia, jako całość, jest istotnie naładowana ujemnie, a jej ruch obrotowy oznacza ruch tej elektryczności, czyli prąd elektryczny. Wiadomo, że efektem prądu elektrycznego jest pole magnetyczne.
A teraz nieco szczegółów. Najpierw kilka uwag co do tezy oficjalnej.
· Co jest przyczyną przepływu strug we wnętrzu Ziemi? Może sąsiedztwo Księżyca i Słońca, które wywołują zjawisko wpływów na powierzchni Ziemi, a tym samym hamowanie jej ruchu obrotowego?
· Wnętrze Ziemi obracałoby się wtedy, z rozpędu, szybciej niż skorupa, a tarcie warstw geologicznych mogłoby powodować rozdzielenie ładunków elektrycznych, podobnie jak to znamy z opowieści szkolnych o pocieraniu bursztynu przez starożytnych Greków, a obserwujemy w praktyce, kiedy spoglądamy na błyskawice z elektrycznie naładowanych chmur albo gdy czeszemy grzebieniem suche włosy. Panie znają to zjawisko i mają z nim ciągły kłopot, kiedy wełniana sukienka przykleja się im do nylonowych rajstop na pupie i na udach.
· Rozsądnego wyjaśnienia wymagałoby zjawisko zmiany biegunowości (położenia biegunów magnetycznych) w ciągu istnienia Ziemi.
· Teoria strug wymaga dalszej interpretacji w wypadku gwiazd, które mają silne pole magnetyczne (pulsary) ale - jako ciała gazowe - nie mają przecież warstw ciekłych w swoim wnętrzu. Może występują w nich uporządkowane strugi zjonizowanych gazów, jak w plamach słonecznych ( powierzchniowych wirach)?
Moja hipoteza daje prostsze i bardziej uniwersalne wyjaśnienia.
Gwiazdy, w tym i nasze Słońce, oraz bardzo gorące planety zawsze wyrzucają z siebie masę swobodnych elektronów (emisja termoelektronowa). Tym samym pozostaje na nich ładunek dodatni. Jeżeli taki obiekt się obraca, to tym samym wytwarza pole i bieguny magnetyczne.
Schłodzone planety i księżyce nie emitują elektronów, natomiast są wystawione na elektronowy deszcz spływający na nie od Słońca. Ładują się więc ujemnie, jak nasza Ziemia. Ruch obrotowy prowadzi do powstania pola magnetycznego. Po obiektach nie wirujących wokół własnej osi nie należy oczekiwać silnego pola magnetycznego. Ciekawe (nie spotkałem się z informacją na ten temat), czy i jakie pole magnetyczne wykazuje nasz Księżyc? Wykonuje on zaledwie jeden obrót na 27 dni. Jeżeli jest oklejony słonecznymi elektronami, to jego pole magnetyczne powinno być znacznie (co najmniej kilkadziesiąt razy) słabsze od ziemskiego.
Ziemia obraca się z zachodu na wschód, a wraz z nią związany z jej zewnętrzną otoczką ujemny ładunek elektryczny. Umowny kierunek prądu elektrycznego (elektryczności dodatniej) jest więc przeciwny: ze wschodu na zachód. Kto pamięta ze szkoły regułę prawej ręki, stwierdzi, że północny biegun magnetyczny Ziemi znajduje się w okolicy południowego bieguna geograficznego. I tak jest istotnie!
Zjawisko deklinacji - odchylenia osi magnetycznej Ziemi od osi obrotu - można przypisać wstecznemu oddziaływaniu pola magnetycznego na rozkład będącego w ruchu elektronowego ładunku ziemskiego, jak w kineskopie telewizora.
Raz w ciągu istnienia planety następowałaby zmiana biegunowości, a mianowicie wtedy, kiedy stygnąca skorupa przestaje emitować elektrony, a zaczyna wyłapywać je z wiatru słonecznego. Czyli z naładowanej dodatnio planeta staje się naładowana ujemnie, co prowadzi do zmiany kierunku prądu elektrycznego i biegunowości.
Można przeczytać, że Ziemia wielokrotnie zmieniała biegunowość. Przemawiają podobno za tym różnie skierowane pozostałości magnetyczne w jej skorupie. Przyznaję, że nie mam na to wyjaśnienia. Natomiast mam wątpliwości, czy rzeczywiście tak było, czy rzeczywiście biegunowość zmieniała się wielokrotnie! Różnorodne ukierunkowanie namagnesowanych minerałów może przecież wynikać z ruchu kontynentów po powierzchni naszego globu w ciągu setek milionów lat. Jeżeli kontynent oddala się od równika albo do niego zbliża, to nabiera tendencji do obracania się wokół swego środka (zachowanie momentu pędu).
Na marginesie niniejszych rozważań wyłania się ciekawe pytanie: skoro Słońce emituje od miliardów lat ogromne ilości elektronów, to tych elektronów musiałoby w końcu zabraknąć i Słońce musiałoby się naładować do nieprawdopodobnie wysokiego potencjału dodatniego. Wydaje się, że musi istnieć zjawisko równoważące ten efekt, a więc ruch powrotny elektronów w stronę Słońca lub emisja jonów dodatnich.
A może co pewien czas, powiedzmy co 11 lat - w okresie występowania plam słonecznych, występuje coś w rodzaju burzy? Słońce wyrzuca wtedy ze swojej powierzchni, może właśnie z potężnych zawirowań widocznych jako plamy, ogromne ilości jonów dodatnich. Część z nich spotyka się z obłokami wcześniej wyemitowanych elektronów, łączy się z nimi w obojętne elektrycznie atomy. Gdyby ilość wyrzuconych jonów była odpowiednio duża, mogłoby nawet dojść do zmiany elektrycznej polaryzacji Słońca (na ujemną), co tłumaczyłoby zmianę biegunowości magnetycznej Słońca występującą podobno co 11 lat.
Pole magnetyczne Ziemi zmienia się w ciągu wieków, a dowodów na to dostarcza analiza skał. W fazie płynnej w polu magnetycznym Ziemi atomy żelaza częściowo się porządkują. Uporządkowanie to pozostaje po zestaleniu się skały, a jego kierunek wskazuje kierunek pola, jakie wówczas panowało. Ten śladowy magnetyzm można wykrywać przy użyciu czułych przyrządów pomiarowych. Pole magnetyczne w niektórych okresach całkowicie zanikało, po czym zmieniało kierunek, a bieguny zmieniały się na przeciwne. W ciągu ostatnich 5 milionów lat nastąpiło ponad 20 takich zmian.