Magnetsko polje Zemlje

Magnetsko polje Zemlje može se predstaviti kao polje magnetskog dipola, čiji se jedan pol nalazi u blizini severnog geografskog pola, a drugi u blizini južnog geografskog pola. Zamišljena linija koja spaja magnetske polove zaklapa sa osom rotacije Zemlje ugao od 11.3°. Nastanak magnetskog polja Zemlje objašnjava geodinamo teorija.

Magnetosfera Zemlje i Sunčev vetar

Prostor u kome se oseća dejstvo magnetskog polja Zemlje naziva se magnetosfera. Ona se prostire nekoliko desetina hiljada kilometara u svemir. Magnetosfera štiti Zemlju od štetnog dejstva Sunčevog vetra. Ima oblik kapi - spljoštena je na strani koja je okrenuta ka Suncu, a izdužena na suprotnoj.

Magnetski polovi

„Zemljin magnet“ i magnetosfera

Magnetski polovi Zemlje su mesta na Zemljinoj površi gde su magnetske linije sila upravne na površ Zemlje (odnosno na tangentnu ravan koja se može postaviti u toj tački). Takođe može se reći da je na magnetskim polovima inklinacija jednaka 90° ili -90°. Na magnetskim polovima bi kompas, čija igla osciluje samo u horizontalnoj ravni, pokazivao različite pravce. Magnetski polovi nisu predstavljeni jednom tačkom, već delom Zemljine kore, površine nekoliko kvadratnih kilometara.

Južni magnetski pol se nalazi na 73° severne geografske širine i 100° zapadne geografske dužine, na ostrvu Princa od Velsa, dok se severni magnetski pol nalazi na 70° južne geografske širine i 148° istočne geografske dužine, na Antarktiku - južno od Novog Zelanda. Iz tog razloga se geografski polovi nalaze na suprotnim Zemljinim hemisferama u odnosu na magnetske polove, tj. severni geografski pol je dobio naziv po tome što se nalazi na hemisferi prema kojoj se okreće severni kraj igle kompasa (koju privlači južni kraj „Zemljinog magneta“). Analogno je i za južni geografski pol.

Lokacije magnetskih polova nisu statične. Godišnje pomeranje može iznositi i više od 15 km.

Karakteristike polja

Elementi magnetskog polja Zemlje

Magnetsko polje Zemlje je slično polju koje obrazuje šipkasti magnet. Međutim, ta sličnost predstavljena je samo oblikom magnetskih linija sila i oblikom magnetosfere, i ni u kom slučaju se sve karakteristike magnetskog polja Zemlje ne mogu objasniti poljem laboratorijski napravljenog šipkastog magneta. Magnetsko polje šipkastog magneta, ili bilo kog drugog stalnog magneta, obrazovano je usmeravanjem magnetnih domena koji se nalaze unutar atoma gvožđa.

Međutim, temperatura Zemljinog jezgra je viša od 1043K, Kirijeve temperature, na kojoj magnetni domeni unutar atoma gvožđa postaju neuređeni, i gvožđe gubi magnetna svojstva. Zbog toga Zemljin magnetizam nema veze sa magnetskim svojstvima gvožđa unutar Zemljinog jezgra, već je posledica električnih struja, koje unutar Zemlje nastaju zbog relativnog kretanja jezgra i njegovog omotača.

Moduo vektora geomagnetskog polja ${\vec {T}}$ definiše intenzitet geomagnetskog polja u tački posmatranja. Vertikalna ravan u kojoj leži vektor geomagnetskog polja je magnetski meridijan. Ukupni vektor geomagnetskog polja, ${\vec {B}}$, opisuje se ortogonalnim komponentama ukupnog intenziteta ${\vec {T}}$ - horizontalnom komponentom, ${\vec {H}}$ i vertikalnom komponentom, ${\vec {Z}}$. Horizontalna komponenta predstavlja vektorski zbir dve komponente - vektora ${\vec {X}}$ i ${\vec {Y}}$ (koji se mogu nazvati severni intenzitet i istočni intenzitet, respektivno). Vertikalni ugao između horizontalne komponente, ${\vec {H}}$ i vektora ukupnog intenziteta, ${\vec {T}}$ naziva se inklinacija, $I$. Horizontalni ugao koji ravan magnetskog meridijana tačke posmatranja zaklapa sa geografskim meridijanom (iste tačke) naziva se ugao deklinacije, $D$. Deklinacija, inklinacija i vektor ukupnog intenziteta, mogu se izračunati iz ortogonalnih komponenata, pomoću sledećih jednačina:

$D=\mathop {\mathrm {arctg} } \ {\frac {Y}{X}}$ $I=\mathop {\mathrm {arctg} } \ {\frac {Z}{H}}$ $T={\sqrt {H^{2}+Z^{2}}}$

gde je ${\vec {H}}$ dato kao:

$H={\sqrt {X^{2}+Y^{2}}}$

.

Jedinica, koja se u geomagnetizmu koristi za indukciju magnetskog polja, tj. gustinu linija sila je Tesla (T). Na površi Zemlje, intenzitet magnetskog polja varira od 24 000 nT do 66 000 nT. Jedinice koje se još koriste su Gaus (1 Gaus=100 000 nT) i gama (1 gama=1 nT).

Blizu Zemljine površi, magnetsko polje predstavlja negativni gradijent skalarnog potencijala, koji zadovoljava Laplasovu jednačinu:

$\Delta U={\frac {\partial ^{2}U}{\partial x^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}U}{\partial y^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}U}{\partial z^{2}}}=0$

.

Rešenje Laplasove jednačine u sfernim koordinatama naziva se sferni harmonik, a njegovi parametri su Gausovi koeficijenti. Postoje unutrašnji i spoljašnji koeficijenti, koji objašnjavaju generisanje polja unutar i van Zemlje, respektivno. Unutrašnje polje obično se naziva glavno polje.

Koeficijenti glavnog polja se vremenom menjaju, zbog promena polja koje se generiše unutar Zemlje. U modelima sfernih harmonika koji se najčešće koriste, ovi koeficijenti su konstantni u intervalima koji su duži od pet godina. Jedina mogućnost da se precizno odredi slabo, ali stalno polje, generisano van Zemlje, je korišćenjem satelita.

Varijacije magnetskog polja Zemlje

Elementi magnetskog polja Zemlje mogu se meriti odgovarajućim elementima na svakoj tački Zemljine površi. Takva merenja, koja su vršena na različitim tačkama u dugom nizu godina, pokazuju da se vektor magnetskog polja menja. Promene koje su konstatovane, manje ili više prirodnog karaktera, su nepravilne i različite jačine.

Analize promena Zemljinog magnetskog polja u dužem vremenskom periodu pokazuju da egzistira jedan postojan, nepromenljiv deo, na koji se superponuju različite promene geomagnetskog polja sa periodom od oko 11 godina. Postojani deo tog polja je glavno magnetsko polje Zemlje, dok je drugi deo izazvan promenljivim poljima različitih amplituda, faza i perioda.

Ukupno polje za posmatrani vremenski period najpribližnije se prikazuje relacijom:

$T_{t}=T+\sum _{i=1}^{\infty }\delta T_{i}sin({\frac {2\pi }{S_{i}}}+\phi _{i})$

gde je:

$T$ - glavno magnetsko polje Zemlje,
$\delta T_{i}$ - amplituda i-tog harmonika promenljivog polja,
$S_{i}$ - perioda i-tog harmonika,
$\phi _{i}$ - faza i-tog harmonika,
$t$ - vreme.

Glavno magnetsko polje Zemlje je zbir dva polja homogeno namagnetisane Zemlje (dipolno polje) i polja izazvanog nehomogenostima u dubljim delovima Zemlje (nedipolno polje ili polje kontinenata). Promenljivi deo magnetskog polja potiče od uzročnika u dubljim i gornjim slojevima Zemljine kore kao i polja nastalog usled Sunčeve aktivnosti, zračenja, magnetskog polja Sunca, Sunčevog vetra i slično. Zapaženo je da su amplitude promenljivih polja znatno manje od intenziteta glavnog magnetskog polja, a periode su od nekoliko godina do desetih delova sekunde.

Reverzije polja

Animacija magnetnog polja Zemlje.

Na osnovu istraživanja bazalta širom sveta otkriveno je da se dešava reverzija magnetskog polja Zemlje u intervalima od nekoliko hiljada do nekoliko miliona godina, sa prosečnim intervalom od oko 250 hiljada godina. Poslednja reverzija, koja se naziva reverzija Bruns-Macujama, najverovatnije se dogodila pre oko 780 hiljada godina.

Ne postoji jasna teorija o tome zašto se dešavaju reverzije magnetskog polja Zemlje. Neki naučnici izradili su model Zemljinog jezgra, unutar koga je magnetsko polje kvazi-stabilno, a polovi mogu spontano da menjaju položaj od jedne orijentacije na drugu tokom nekoliko stotina ili nekoliko hiljada godina. Drugi naučnici smatraju da se geodinamo okreće, ili spontano, ili tokom nekih ekstremnih uslova, kakav je, na primer, udar komete. Nakon toga se geodinamo ponovo pokreće. Ovakvi ekstremni događaji uglavnom ne izazivaju reverziju magnetskog polja, jer ne postoji korelacija između vremena postanka kratera i reverzije. Nakon reverzije, magnetski severni pol se ponovo javlja, ali na suprotnoj strani Zemlje, dok linije sila magnetskog polja dobijaju suprotan smer.

Istraživanja tokova lave na planini Stins u Oregonu, pokazuju da se magnetsko polje kretalo brzinom od preko 6 stepeni dnevno, u toku nekog vremena u prošlosti Zemlje. Ovo značajno omogućava bolje razumevanje popularnog shvatanja mehanizma rada Zemljinog magnetskog polja.

Doslednost dešavanja reverzija magnetskog polja Zemlje otkrivena je merenjima u okeanskim grebenima. Istopljena lava (tipično bazaltna ili toleitska) izliva se iz vulkana. Ta lava je iznad Kirijeve temperature, nakon čega se hladi, prilikom čega se magnetični minerali orijentišu u smeru trenutnog lokalnog magnetskog polja.

Koristeći magnetski detektor (varijantu kompasa), naučnici su izmerili istorijski smer magnetskog polja, proučavanjem delova tokova lave koji su relativno bogati gvožđem. Ovi slojevi su zabeležili smer magnetskog polja Zemlje prilikom hlađenja. Na osnovu toga je otkriveno da su magnetski polovi menjali položaj nekoliko puta u toku geološke istorije.

Dž. Marvin Herndon je predložio teoriju o Zemljinom jezgru i poreklu magnetskog polja Zemlje, poznatu kao teorija georeaktora. Međutim, ova teorija nije prihvaćena od strane naučne javnosti.

Vanjske veze

Magnetsko polje Zemlje na Wikimedijinoj ostavi

• USGS Geomagnetism Program. Real time monitoring of the Earth's magnetic field. U.S. Department of the Interior, U.S. Geological Survey, February 17, 2005.
• Geomagnetism. National Geophysical Data Center, NOAA. Apr-2005.
• BGS Geomagnetism. Information on monitoring and modelling the geomagnetic field. British Geological Survey, August 2005.
• William J. Broad, "Will Compasses Point South?". New York Times, July 13, 2004.
• John Roach, "Why Does Earth's Magnetic Field Flip?". National Geographic, September 27, 2004.
• "Magnetic Storm". PBS NOVA, 2003. (ed. about pole reversals)
• "When North Goes South Arhivirano 2005-12-08 na Wayback Machine-u". Projects in Scientific Computing, 1996.
• "3D Earth Magnetic Field Charged-Particle Simulator" Tool dedicated to the 3d simulation of charged particles in the magnetosphere.. [VRML Plug-in Required]
• Stern, David P. (08. 07. 2005.). „Exploration of the Earth's Magnetosphere”. NASA. Arhivirano iz originala na datum 2013-02-14. Pristupljeno 21. 03. 2007. 
• http://blackandwhiteprogram.com/interview/dr-dan-lathrop-the-study-of-the-earths-magnetic-field Arhivirano 2008-09-05 na Wayback Machine-u - Interview with Dr. Dan Lathrop, Geophysicist at the University of Maryland, about his experiments with the Earth's core and magnetic field. 7 - 3 - 2008