Escut terrestre: on té un camp magnètic el nostre planeta?

2024 Autora: Seth Attwood | [email protected]. Última modificació: 2023-12-16 16:00

El camp magnètic protegeix la superfície de la Terra del vent solar i de la radiació còsmica nociva. Funciona com una mena d'escut: sense la seva existència, l'atmosfera es destruiria. Us explicarem com es va formar i canviar el camp magnètic de la Terra.

L'estructura i les característiques del camp magnètic terrestre

El camp magnètic terrestre, o camp geomagnètic, és un camp magnètic generat per fonts intraterrestres. El tema de l'estudi del geomagnetisme. Va aparèixer fa 4, 2 mil milions d'anys.

El camp magnètic propi de la Terra (camp geomagnètic) es pot dividir en les parts principals següents:

• camp principal,
• camps d'anomalies mundials,
• camp magnètic extern.

Camp principal

Més del 90% consta d'un camp, la font del qual es troba a l'interior de la Terra, al nucli exterior líquid; aquesta part s'anomena camp principal, principal o normal.

S'aproxima en forma d'una sèrie en harmònics: una sèrie gaussiana, i en una primera aproximació prop de la superfície terrestre (fins a tres dels seus radis) és a prop del camp dipolar magnètic, és a dir, sembla la terra. és una banda imant amb un eix dirigit aproximadament de nord a sud.

Camps d'anomalies mundials

Les línies de força reals del camp magnètic terrestre, encara que de mitjana properes a les línies de força del dipol, es diferencien d'elles per irregularitats locals associades a la presència de roques magnetitzades a l'escorça situada prop de la superfície.

Per això, en alguns llocs de la superfície terrestre, els paràmetres de camp són molt diferents dels valors de les zones properes, formant les anomenades anomalies magnètiques. Es poden solapar entre si si els cossos magnetitzats que els provoquen es troben a diferents profunditats.

Camp magnètic extern

Està determinada per fonts en forma de sistemes de corrent situats fora de la superfície terrestre, a la seva atmosfera. A la part superior de l'atmosfera (100 km i més) -la ionosfera- les seves molècules s'ionitzen, formant un dens plasma fred que s'eleva més amunt, per tant, una part de la magnetosfera terrestre per sobre de la ionosfera, s'estén a una distància de fins a tres. dels seus radis, s'anomena plasmasfera.

El plasma està subjecte al camp magnètic terrestre, però el seu estat està determinat per la seva interacció amb el vent solar: el flux de plasma de la corona solar.

Així, a una distància més gran de la superfície terrestre, el camp magnètic és asimètric, ja que es distorsiona sota l'acció del vent solar: des del Sol es contrau, i en direcció al Sol adquireix un "rastre" que s'estén. durant centenars de milers de quilòmetres, anant més enllà de l'òrbita de la Lluna.

Aquesta peculiar forma de "cua" sorgeix quan el plasma del vent solar i els corrents corpusculars solars sembla fluir al voltant de la magnetosfera terrestre, la regió de l'espai proper a la terra, encara controlada pel camp magnètic de la Terra, i no pel Sol i altres. fonts interplanetàries.

Està separat de l'espai interplanetari per una magnetopausa, on la pressió dinàmica del vent solar s'equilibra amb la pressió del seu propi camp magnètic.

Paràmetres de camp

Una representació visual de la posició de les línies d'inducció magnètica del camp terrestre és proporcionada per una agulla magnètica, fixada de manera que pugui girar lliurement tant al voltant de l'eix vertical com al voltant de l'eix horitzontal (per exemple, en un cardan)., - en cada punt proper a la superfície de la Terra, s'instal·la d'una determinada manera al llarg d'aquestes línies.

Com que els pols magnètic i geogràfic no coincideixen, l'agulla magnètica només mostra una direcció aproximada nord-sud.

El pla vertical en què està instal·lada l'agulla magnètica s'anomena pla del meridià magnètic del lloc donat, i la línia al llarg de la qual aquest pla es talla amb la superfície de la Terra s'anomena meridià magnètic.

Així, els meridians magnètics són les projeccions de les línies de força del camp magnètic terrestre sobre la seva superfície, convergent als pols magnètics nord i sud. L'angle entre les direccions dels meridians magnètic i geogràfic s'anomena declinació magnètica.

Pot ser occidental (sovint indicat amb un signe "-") o oriental (signe "+"), segons si el pol nord de l'agulla magnètica es desvia del pla vertical del meridià geogràfic cap a l'oest o l'est.

A més, les línies del camp magnètic de la Terra, en general, no són paral·leles a la seva superfície. Això vol dir que la inducció magnètica del camp terrestre no es troba en el pla de l'horitzó d'un lloc determinat, sinó que forma un cert angle amb aquest pla: s'anomena inclinació magnètica. És a prop de zero només als punts de l'equador magnètic: la circumferència d'un gran cercle en un pla que és perpendicular a l'eix magnètic.

Resultats de la modelització numèrica del camp magnètic terrestre: a l'esquerra - normal, a la dreta - durant la inversió

La naturalesa del camp magnètic terrestre

Per primera vegada, J. Larmor va intentar explicar l'existència dels camps magnètics de la Terra i el Sol l'any 1919, proposant el concepte de dinamo, segons el qual el manteniment del camp magnètic d'un cos celeste es produeix sota l'acció del moviment hidrodinàmic d'un medi elèctricament conductor.

Tanmateix, el 1934, T. Cowling va demostrar el teorema sobre la impossibilitat de mantenir un camp magnètic axisimètric mitjançant un mecanisme de dinamo hidrodinàmica.

I com que la majoria dels cossos celestes estudiats (i encara més la Terra) es consideraven axialment simètrics, a partir d'això es va poder suposar que el seu camp també seria axialment simètric, i després la seva generació segons aquest principi. seria impossible segons aquest teorema.

Fins i tot Albert Einstein es mostrava escèptic sobre la viabilitat d'aquesta dinamo donada la impossibilitat de l'existència de solucions simples (simètriques). Només molt més tard es va demostrar que no totes les equacions amb simetria axial que descriuen el procés de generació de camps magnètics tindran una solució axialment simètrica, fins i tot a la dècada de 1950. s'han trobat solucions asimètriques.

Des de llavors, la teoria de la dinamo s'ha desenvolupat amb èxit, i avui l'explicació més probable generalment acceptada per a l'origen del camp magnètic de la Terra i altres planetes és un mecanisme de dinamo autoexcitat basat en la generació d'un corrent elèctric en un conductor. quan es mou en un camp magnètic generat i amplificat per aquests mateixos corrents.

Al nucli de la Terra es creen les condicions necessàries: al nucli exterior líquid, que consisteix principalment en ferro a una temperatura d'uns 4-6 mil Kelvin, que condueix perfectament el corrent, es creen fluxos convectius que eliminen la calor del nucli intern sòlid. (generat a causa de la desintegració d'elements radioactius o l'alliberament de calor latent durant la solidificació de la matèria al límit entre els nuclis interior i exterior a mesura que el planeta es refreda gradualment).

Les forces de Coriolis retorcen aquests corrents en espirals característiques que formen els anomenats pilars de Taylor. A causa del fregament de les capes, adquireixen una càrrega elèctrica, formant corrents de bucle. Així, es crea un sistema de corrents que circulen per un circuit conductor en conductors que es mouen en un camp magnètic (inicialment present, encara que molt feble), com en un disc de Faraday.

Crea un camp magnètic que, amb una geometria favorable dels fluxos, potencia el camp inicial, i aquest, al seu torn, augmenta el corrent, i el procés d'amplificació continua fins que les pèrdues de calor de Joule, augmentant amb l'augment del corrent, equilibren el entrades d'energia per moviments hidrodinàmics.

Es va suggerir que la dinamo es pot excitar a causa de les forces de precessió o de marea, és a dir, que la font d'energia és la rotació de la Terra, però, la hipòtesi més estesa i desenvolupada és que aquesta és precisament la convecció termoquímica.

Canvis en el camp magnètic terrestre

La inversió del camp magnètic és un canvi en la direcció del camp magnètic terrestre en la història geològica del planeta (determinat pel mètode paleomagnètic).

En una inversió, el nord magnètic i el sud magnètic s'inverteixen i l'agulla de la brúixola comença a apuntar en la direcció oposada. La inversió és un fenomen relativament rar que mai s'ha produït durant l'existència de l'Homo sapiens. Presumiblement, l'última vegada que va passar fa uns 780 mil anys.

Les inversions del camp magnètic es van produir a intervals de temps des de desenes de milers d'anys fins a grans intervals d'un camp magnètic tranquil de desenes de milions d'anys, quan les inversions no es van produir.

Per tant, no es va trobar cap periodicitat en la inversió de pols, i aquest procés es considera estocàstic. Els períodes llargs d'un camp magnètic silenciós poden anar seguits de períodes de múltiples inversió amb durades diferents i viceversa. Els estudis mostren que un canvi en els pols magnètics pot durar des de diversos centenars fins a diversos centenars de milers d'anys.

Experts de la Universitat Johns Hopkins (EUA) suggereixen que durant les inversions, la magnetosfera de la Terra es va debilitar tant que la radiació còsmica podria arribar a la superfície de la Terra, de manera que aquest fenomen podria danyar els organismes vius del planeta, i el proper canvi de pols podria provocar encara més. greus conseqüències per a la humanitat fins a una catàstrofe global.

El treball científic dels darrers anys ha demostrat (inclòs en l'experimentació) la possibilitat de canvis aleatoris en la direcció del camp magnètic ("salts") en una dinamo turbulent estacionària. Segons el cap del laboratori de geomagnetisme de l'Institut de Física de la Terra, Vladimir Pavlov, la inversió és un procés força llarg segons els estàndards humans.

Els geofísics de la Universitat de Leeds Yon Mound i Phil Livermore creuen que d'aquí a un parell de milers d'anys hi haurà una inversió del camp magnètic terrestre.

Desplaçament dels pols magnètics de la Terra

Per primera vegada, les coordenades del pol magnètic a l'hemisferi nord es van determinar el 1831, de nou, el 1904, després el 1948 i el 1962, el 1973, el 1984, el 1994; a l'hemisferi sud -el 1841, de nou- el 1908. El desplaçament dels pols magnètics es registra des de 1885. Durant els últims 100 anys, el pol magnètic de l'hemisferi sud s'ha mogut gairebé 900 km i ha entrat a l'oceà Austral.

Les últimes dades sobre l'estat del pol magnètic àrtic (avançant cap a l'anomalia magnètica mundial de Sibèria oriental a través de l'oceà Àrtic) van mostrar que des de 1973 fins a 1984 el seu quilometratge va ser de 120 km, de 1984 a 1994, més de 150 km. Tot i que aquestes xifres estan calculades, es confirmen amb mesures del pol nord magnètic.

Després de 1831, quan es va fixar la posició del pal per primera vegada, el 2019 el pal ja s'havia desplaçat més de 2.300 km cap a Sibèria i continua avançant amb acceleració.

La seva velocitat de viatge va augmentar de 15 km anuals el 2000 a 55 km anuals el 2019. Aquesta deriva ràpida requereix ajustaments més freqüents als sistemes de navegació que utilitzen el camp magnètic de la Terra, com ara brúixoles en telèfons intel·ligents o sistemes de navegació de seguretat per a vaixells i avions.

La força del camp magnètic terrestre cau, i de manera desigual. Durant els darrers 22 anys, ha disminuït una mitjana de l'1,7%, i en algunes regions, com l'oceà Atlàntic Sud, un 10%. En alguns llocs, la força del camp magnètic, contràriament a la tendència general, fins i tot va augmentar.

L'acceleració del moviment dels pols (en una mitjana de 3 km/any) i el seu moviment pels passadissos d'inversions de pols magnètics (aquests passadissos van permetre revelar més de 400 paleoinversions) suggereix que en aquest moviment dels pols no hauria de veure una excursió, sinó una altra inversió del camp magnètic terrestre.

Com va sorgir el camp magnètic terrestre?

Els experts de l'Institut Scripps d'Oceanografia i de la Universitat de Califòrnia han suggerit que el camp magnètic del planeta es va formar pel mantell. Científics nord-americans han desenvolupat una hipòtesi proposada fa 13 anys per un grup d'investigadors de França.

Se sap que durant molt de temps els professionals van argumentar que era el nucli exterior de la Terra el que generava el seu camp magnètic. Però aleshores els experts de França van suggerir que el mantell del planeta era sempre sòlid (des del moment del seu naixement).

Aquesta conclusió va fer pensar als científics que no era el nucli el que podia formar el camp magnètic, sinó la part líquida del mantell inferior. La composició del mantell és un material de silicat que es considera un mal conductor.

Però com que el mantell inferior havia de romandre líquid durant milers de milions d'anys, el moviment del líquid al seu interior no produïa corrent elèctric i, de fet, només calia generar un camp magnètic.

Els professionals d'avui creuen que el mantell podria haver estat un conducte més potent del que es pensava. Aquesta conclusió dels especialistes justifica plenament l'estat de la Terra primitiva. Una dinamo de silicat només és possible si la conductivitat elèctrica de la seva part líquida era molt més alta i tenia baixa pressió i temperatura.