Wędrowny słup magnetyczny • Igor Iwanow • Popularne zadania naukowe w "Elementach" • Fizyka

Wędrujący słup magnetyczny

Zadanie

Wiele osób wie od dzieciństwa, że ​​bieguny magnetyczne nie pokrywają się z biegunami geograficznymi, a także, że z biegiem czasu poruszają się wzdłuż powierzchni Ziemi. Wynika to z faktu, że ziemskie pole magnetyczne (pole geomagnetyczne) jest generowane przez dynamiczne procesy zachodzące w wnętrzu Ziemi, coś porusza się, skrada się, a jeśli proces ten jest dynamiczny, jego skutki zależą również od czasu. Dociekliwy czytelnik zapewne słyszał nawet, że północny biegun magnetyczny opuścił Kanadę na Ocean Arktyczny, a przy takim tempie ruchu, w ciągu kilkudziesięciu lat dotrze na Syberię. Opis ten może sprawiać wrażenie, że północny biegun magnetyczny porusza się płynnie i powoli. W rzeczywistości, nawet w skali jednego dnia, nie stoi nieruchomo, ale "chodzi" tam i z powrotem pod wpływem zakłóceń w magnetosferze ziemskiej, spowodowanych ekspozycją słoneczną.

Na rys. Rysunek 1 pokazuje magnetogram pola geomagnetycznego z 27 maja, uzyskany na kanadyjskiej stacji Resolute Bay, która nie jest tak daleko od północnego bieguna magnetycznego. Jest to dość typowy obraz sytuacji, w której ciche środowisko magnetyczne w środku dnia ustępuje umiarkowanie silnemu zakłóceniu magnetycznemu.Uwaga: tutaj nie jest wyświetlana wartość bezwzględna pola geomagnetycznego, ale jego zmiana w ciągu dnia i dane są wyświetlane we wszystkich trzech współrzędnych. Wszystkie wartości podane są w jednostkach nTl (nanotesla). Dla porównania: średnia wartość całkowitego pola geomagnetycznego na tym stanowisku wynosi 0,58 G (Gauss), czyli 58 mikrotesli.

Ryc. 1. Zmiana dziennej zmiany pola geomagnetycznego we wszystkich trzech współrzędnych, jak również jej całkowita wielkość, zgodnie z kanadyjską stacją Resolute Bay (na dzień 27 maja 2015 r.). Zaplanuj od intermagnet.org

Patrząc na ten magnetogram i biorąc pod uwagę, że pole magnetyczne doświadcza w przybliżeniu takich samych wibracji w obszarze północnego bieguna magnetycznego, stawka, z jakiej odległości północny biegun magnetyczny przesuwa się (ale potem wraca) w ciągu jednego dnia.


Podpowiedź

Podobnie jak w przypadku każdego problemu z oceną, nie musimy tutaj uzyskiwać dokładnej odpowiedzi. Trzeba tylko uchwycić istotę tego zjawiska, zrozumieć, od czego to zależy i jak je obliczyć, a następnie podać sensowne oszacowanie wielkości.

Otrzymujemy typowe zmiany w polu magnetycznym, ale zapytaj nas o pozycję bieguna magnetycznego. Dlatego przede wszystkim pomyśl o tym, czym właściwie jest biegun magnetyczny, jak się go charakteryzuje na poziomie lokalnym.To, że strzałka kompasu wskazuje go gdzieś daleko, jest z pewnością dobre, ale dla nas nie ma to znaczenia. Musimy zrozumieć, co charakteryzuje dokładną lokalizację bieguna magnetycznego na powierzchni Ziemi. Jeśli to konieczne, narysuj rysunek linii siły. Następnie wyobraź sobie, że na tym obrazie nałożono dodatkowe pole (jest to ogólnie obraz) i zastanów się, jak zareaguje na to położenie bieguna magnetycznego.


Rozwiązanie

Na początek spójrz na ogólny obraz schematyczny linii siły pola geomagnetycznego (ryc. 2). W różnych miejscach na powierzchni Ziemi pole magnetyczne ma składową pionową i poziomą, a igła kompasu jest zbudowana dokładnie wzdłuż linii poziomej. Biegun magnetyczny, z definicji, jest miejscem na powierzchni Ziemi, gdzie linie pola wyglądają ściśle pionowo. (Na wszelki wypadek ostrzeżmy, że biegun geomagnetyczny jest trochę inny, jest nieco bardziej skomplikowany i nie pokrywa się z biegunem magnetycznym).

Ryc. 2 Linie energetyczne pola geomagnetycznego: ogólny widok schematyczny. Figura z serwisu nasa.gov

Na rys. 3, po lewej stronie, pokazano schematycznie, jak linie pola są zorientowane w pobliżu tego miejsca. Tuż przy słupie znajduje się pozioma część pola. Bx = 0. Odsuwając się od niego, staje się niezerowa i rośnie proporcjonalnie do usunięcia x. Można to oczywiście zapisać w formie dokładnych wzorów, ale sama ta zależność musi być intuicyjnie widoczna na podstawie danych liczbowych i wynika bezpośrednio z ogólnej koncepcji rozbieżności linii sił. Natomiast pole pionowe prawie się nie zmienia w pobliżu bieguna.

Ryc. 3 Po lewej: orientacja linii pola w pobliżu bieguna magnetycznego. Z prawej: przy zastosowaniu zewnętrznego pola poziomego pozycja bieguna zmienia się

Mamy to Bx ~ xale brakuje nam współczynnika proporcjonalności. Ponownie, patrząc na pic. 2 i reprezentujący ogólną konfigurację pól, współczynnik ten można oszacować w następujący sposób:

Tutaj R – Jest to promień Ziemi, jedyny odpowiedni parametr wymiaru długości, który mamy obecny. Rzeczywiście, z ogólnej liczby. 2 Żeby pole poziome było porównywalne z pionowym, musimy odsunąć się od bieguna o odległość rzędu promienia Ziemi. Dokładniejsza formuła (pole dipolowe) również daje współczynnik 3/2, co nie ma znaczenia dla problemów z oceną.

Następny krok. Niech na tym polu nałożone zostanie zewnętrzne dodatkowe pole Δ.B, skierowany poziomo (dodatkowe pionowe pole niczego nie zmieni). Wtedy cały obraz linii siły przesunie się, jak pokazano na ryc. 3 po prawej. Oznacza to, że położenie bieguna magnetycznego przesunie się o odległość obliczoną z tej samej formuły:

Pozostaje zastąpić liczby. Sądząc po wykresach, pełny zakres oscylacji poziomego komponentu pola na stacji Resolute Bay wynosił ΔB ≈ 250 nT. Wraz z ogólnym polem i promieniem Ziemi daje to odległość około 30 km. Biorąc pod uwagę przybliżony charakter obliczeń, możemy stwierdzić: dokładne położenie bieguna magnetycznego nie jest ustalone, ale porusza się w ciągu jednego dnia w obie strony dziesiątki kilometrów.


Posłowie

Powyższa ocena jest potwierdzona przez dane. Oczywiście, nikt nie idzie prosto do słupa kilka razy dziennie i nie biegnie za nim nad Arktycznym lodem, zaznaczając swoją nową pozycję co godzinę. Ta pozycja jest przywracana zgodnie z odczytami magnetometrów z różnych stacji (ryc. 4, lewa). Ruch śróddzienny bieguna jest raczej nieregularny i bardzo silnie zależy od stanu magnetosfery ziemskiej, ale po uśrednieniu przez wiele dni daje w przybliżeniu elipsę (ryc. 4, po prawej).Po uśrednieniu w ciągu roku oscylacje te całkowicie zanikają, co pozwala geofizykom śledzić powolny wieloletni dryf biegunów.

Ryc. 4 Po lewej: oscylacje pola magnetycznego na stacji umożliwiają śledzenie w czasie rzeczywistym kierunku bieguna magnetycznego. Z prawej: w przybliżeniu taka elipsa opisuje północny biegun magnetyczny w jeden dzień. Obrazy z geomag.bgs.ac.uk i ses-wa.asn.au

Trzeba jednak powiedzieć, że północny biegun magnetyczny nie jest tak powolny, szczególnie w ostatnich dziesięcioleciach. Po kilku latach "deptał" pośród pokrytych lodem wysp na północy Kanady ostro "ożył" pod koniec XX wieku i "popędził" przez ocean w kierunku Syberii (ryc. 5). W ostatnich latach jego prędkość dryfowania wynosi 55 km / rok. Ponieważ jednak nie potrafimy przewidzieć jego zachowania przez długi czas, zupełnie nie wiadomo, gdzie on będzie, na przykład, za pół wieku.

Ryc. 5 Ruch północnego bieguna magnetycznego w ciągu ostatniego stulecia. Brązowe koła pokazuje wyniki pomiarów, kropki – Wyniki nowoczesnego modelowania. Zdjęcie z en.wikipedia.org

Nadszedł czas, aby wyjaśnić, dlaczego zazwyczaj trzeba monitorować położenie bieguna, a bardziej ogólnie, stan pola geomagnetycznego. Pierwszy powód jest czysto praktyczny: nawigacja.Może się wydawać, że teraz, w epoce GPS i Google Maps, nikt nie jest kierowany przez pole magnetyczne. Tak nie jest; kontury deklinacji magnetycznej są wykreślane na wielu profesjonalnych mapach morskich i topograficznych i faktycznie służą do nawigacji. Orientacja linii pola jest czasami wykorzystywana nawet podczas wiercenia kierunkowego. Ze względu na ruch biegunów i zmiany w polu jako całości, linie te zmieniają się zauważalnie w skali od dekady. Dlatego istnieje specjalna usługa, która co pięć lat publikuje zaktualizowane mapy parametrów geomagnetycznych. Mapy od 2015 roku wraz z objaśnieniami można znaleźć na przykład w dziale edukacyjnym na temat geomagnetyzmu na stronie internetowej Służby Geologicznej Wielkiej Brytanii.

Jeszcze ważniejsze jest śledzenie szybkich oscylacji pola magnetycznego w celu monitorowania sytuacji w magnetosferze ziemskiej, która z kolei wpływa na naziemny sprzęt, komunikację radiową i jest również ważna dla statków kosmicznych. Pozycja samego bieguna nie odgrywa tutaj szczególnej roli, najważniejsze jest przywrócenie ogólnego obrazu geomagnetycznego, lokalnie lub globalnie. Ale długoterminowe trendy są po prostu wygodne, aby dokładnie śledzić pozycję bieguna.Powody tych powolnych zmian są różne – nie zewnętrzne (magnetosfera), ale wewnętrzne, związane z procesami we wnętrzu Ziemi. W rzeczywistości, pole geomagnetyczne jest jednym z rzadkich narzędzi, które pozwalają na zajrzenie w głąb Ziemi za pomocą pomiarów powierzchni. Istnieje wiele złożonych problemów, poczynając od tego, że nie rozumiemy wystarczająco dobrze, jak powstaje tam pole magnetyczne, a kończąc na przewidywaniu jego zmian.

Wśród wszystkich tych pytań jest jeden temat, który przyciąga szczególną uwagę ogółu społeczeństwa – osłabienie obserwowanego obecnie pola geomagnetycznego i potencjał odwrócenia. Dyskusje w tej sprawie docierają do wiadomości paniki, wiadomości, a nawet filmów katastroficznych. Ogólnie rzecz biorąc, ten temat jest bardzo duży (metody obserwacji, matematyka obliczeń, aktualne dane, paleomagnetyzm), a my nie będziemy się do niego włączać. Możemy tylko powiedzieć, że tak, pole magnetyczne jest obecnie średnio na Ziemi słabsze w tempie około 20 nT / rok, czyli o 5% na wiek. Ta zmiana jest oczywiście nierównomierna: gdzieś pole rośnie. Na tym rachunku dostępne są dość dokładne dane uzyskane przez trzy satelity Swarm rozpoczęte na orbicie w listopadzie 2013 r. (Ryc. 6).

Ryc. 6 Zmiany w polu geomagnetycznym w pierwszej połowie 2014 r. Według grupy satelitów Swarm. Obraz z earthobservatory.nasa.gov

Jednak dane te w żadnym wypadku nie mogą służyć jako potwierdzenie alarmistycznych nastrojów (w nierealistycznych scenariuszach filmów katastrof, prawdopodobnie nie trzeba przekonać opinii publicznej). Tempo zmian jest takie, że zauważalne osłabienie może nastąpić w skali kilku wieków. Co ważniejsze, zmiany te są częścią chaotycznych fluktuacji pola, dlatego nie ma sensu ekstrapolować tych danych przez tak długi czas. Nie myśl, że wewnątrz Ziemi znajduje się jakiś szczególny magnes, który nagle osłabł lub wyłączył się, w wyniku czego pole osłabnie. Ziemskie pole magnetyczne powstaje z rozszerzonego źródła i zawiera wiele komponentów o różnej zależności przestrzennej. Składniki te są redystrybuowane iw rezultacie gdzieś (na przykład wewnątrz Ziemi) pole staje się większe, gdzieś mniejsze. Procesy te są nadal słabo poznane, a staranne monitorowanie pola geomagnetycznego, a w szczególności położenie biegunów, powinno w tym pomóc.

Ogólnie rzecz biorąc, ten temat jest bardzo obszerny i interesujący.Dotknęliśmy tylko jej krawędzi, a następnie zainteresowany czytelnik może doradzić broszurę A. Dyachenko "Magnetyczne Polacy Ziemi", a także bardziej szczegółową książkę popularnonaukową (choć jeszcze nie przetłumaczoną) Ronald T. Merrill, Nasza magnetyczna Ziemia .


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: