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Scudo terrestre: dove il nostro pianeta ha un campo magnetico?
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Video: campo magnetico terrestre 2024, Marzo
Anonim

Il campo magnetico protegge la superficie terrestre dal vento solare e dalle radiazioni cosmiche dannose. Funziona come una sorta di scudo: senza la sua esistenza, l'atmosfera sarebbe distrutta. Ti diremo come si è formato e cambiato il campo magnetico terrestre.

La struttura e le caratteristiche del campo magnetico terrestre

Il campo magnetico terrestre, o campo geomagnetico, è un campo magnetico generato da sorgenti intraterrestri. Oggetto dello studio del geomagnetismo. Apparso 4, 2 miliardi di anni fa.

Il campo magnetico terrestre (campo geomagnetico) può essere suddiviso nelle seguenti parti principali:

  • campo principale,
  • campi di anomalie del mondo,
  • campo magnetico esterno.

Campo principale

Più del 90% di esso è costituito da un campo, la cui fonte è all'interno della Terra, nel nucleo esterno liquido - questa parte è chiamata campo principale, principale o normale.

È approssimato sotto forma di una serie in armoniche - una serie gaussiana, e in prima approssimazione vicino alla superficie terrestre (fino a tre dei suoi raggi) è vicino al campo di dipolo magnetico, cioè sembra la terra è una striscia magnetica con un asse orientato approssimativamente da nord a sud.

Campi di anomalie del mondo

Le vere linee di forza del campo magnetico terrestre, seppur mediamente prossime alle linee di forza del dipolo, differiscono da queste per irregolarità locali legate alla presenza di rocce magnetizzate nella crosta poste in prossimità della superficie.

Per questo motivo, in alcuni punti della superficie terrestre, i parametri di campo sono molto diversi dai valori nelle aree vicine, formando le cosiddette anomalie magnetiche. Possono sovrapporsi l'un l'altro se i corpi magnetizzati che li causano si trovano a profondità diverse.

Campo magnetico esterno

È determinato da fonti sotto forma di sistemi attuali situati al di fuori della superficie terrestre, nella sua atmosfera. Nella parte superiore dell'atmosfera (100 km e oltre) - la ionosfera - le sue molecole si ionizzano, formando un plasma freddo denso che sale più in alto, quindi, una parte della magnetosfera terrestre sopra la ionosfera, estendendosi fino a una distanza di tre dei suoi raggi, si chiama plasmasfera.

Il plasma è trattenuto dal campo magnetico terrestre, ma il suo stato è determinato dalla sua interazione con il vento solare, il flusso di plasma della corona solare.

Così, a maggiore distanza dalla superficie terrestre, il campo magnetico è asimmetrico, poiché viene distorto sotto l'azione del vento solare: dal Sole si contrae, e nella direzione del Sole acquisisce una "scia" che si estende per centinaia di migliaia di chilometri, andando oltre l'orbita della Luna.

Questa peculiare forma "a coda" sorge quando il plasma del vento solare e dei flussi corpuscolari solari sembra fluire intorno alla magnetosfera terrestre - la regione dello spazio vicino alla terra, ancora controllata dal campo magnetico della Terra, e non dal Sole e da altri sorgenti interplanetarie.

È separato dallo spazio interplanetario da una magnetopausa, dove la pressione dinamica del vento solare è bilanciata dalla pressione del proprio campo magnetico.

Parametri del campo

Una rappresentazione visiva della posizione delle linee di induzione magnetica del campo terrestre è fornita da un ago magnetico, fissato in modo tale da poter ruotare liberamente sia attorno all'asse verticale che attorno all'asse orizzontale (ad esempio, in un gimbal), - in ogni punto vicino alla superficie della Terra, è installato in un certo modo lungo queste linee.

Poiché i poli magnetico e geografico non coincidono, l'ago magnetico mostra solo una direzione approssimativa nord-sud.

Il piano verticale in cui è installato l'ago magnetico è chiamato piano del meridiano magnetico del dato luogo e la linea lungo la quale questo piano si interseca con la superficie terrestre è chiamata meridiano magnetico.

Pertanto, i meridiani magnetici sono le proiezioni delle linee di forza del campo magnetico terrestre sulla sua superficie, convergenti ai poli magnetici nord e sud. L'angolo tra le direzioni dei meridiani magnetici e geografici è chiamato declinazione magnetica.

Può essere occidentale (spesso indicato da un segno "-") o orientale (un segno "+"), a seconda che il polo nord dell'ago magnetico devii dal piano verticale del meridiano geografico verso ovest o verso est.

Inoltre, le linee del campo magnetico terrestre, in generale, non sono parallele alla sua superficie. Ciò significa che l'induzione magnetica del campo terrestre non giace nel piano dell'orizzonte di un dato luogo, ma forma un certo angolo con questo piano - si chiama inclinazione magnetica. È vicino allo zero solo nei punti dell'equatore magnetico - la circonferenza di un cerchio massimo in un piano perpendicolare all'asse magnetico.

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Risultati della modellazione numerica del campo magnetico terrestre: a sinistra - normale, a destra - durante l'inversione

La natura del campo magnetico terrestre

Per la prima volta, J. Larmor tentò di spiegare l'esistenza dei campi magnetici della Terra e del Sole nel 1919, proponendo il concetto di dinamo, secondo cui il mantenimento del campo magnetico di un corpo celeste avviene sotto l'azione del moto idrodinamico di un mezzo elettricamente conduttivo.

Tuttavia, nel 1934, T. Cowling dimostrò il teorema sull'impossibilità di mantenere un campo magnetico assisimmetrico mediante un meccanismo a dinamo idrodinamico.

E poiché la maggior parte dei corpi celesti studiati (e ancor più la Terra) erano considerati assialmente simmetrici, in base a ciò era possibile ipotizzare che anche il loro campo fosse assialmente simmetrico, e quindi la sua generazione secondo questo principio sarebbe impossibile secondo questo teorema.

Anche Albert Einstein era scettico sulla fattibilità di una tale dinamo data l'impossibilità dell'esistenza di soluzioni semplici (simmetriche). Solo molto più tardi è stato dimostrato che non tutte le equazioni con simmetria assiale che descrivono il processo di generazione del campo magnetico avranno una soluzione assialmente simmetrica, anche negli anni '50. sono state trovate soluzioni asimmetriche.

Da allora, la teoria della dinamo si è sviluppata con successo e oggi la spiegazione più probabile generalmente accettata per l'origine del campo magnetico della Terra e di altri pianeti è un meccanismo di dinamo autoeccitato basato sulla generazione di una corrente elettrica in un conduttore quando si muove in un campo magnetico generato e amplificato da queste stesse correnti.

Nel nucleo della Terra si creano le condizioni necessarie: nel nucleo esterno liquido, costituito principalmente da ferro ad una temperatura di circa 4-6 mila Kelvin, che conduce perfettamente la corrente, si creano flussi convettivi che sottraggono calore al nucleo solido interno (generato a causa del decadimento di elementi radioattivi o del rilascio di calore latente durante la solidificazione della materia al confine tra il nucleo interno ed esterno mentre il pianeta si raffredda gradualmente).

Le forze di Coriolis torcono queste correnti in spirali caratteristiche che formano i cosiddetti pilastri di Taylor. A causa dell'attrito degli strati, acquisiscono una carica elettrica, formando correnti ad anello. Si crea così un sistema di correnti che circolano lungo un circuito conduttivo in conduttori che si muovono in un campo magnetico (inizialmente presente, anche se molto debole), come in un disco di Faraday.

Crea un campo magnetico, che, con una geometria favorevole dei flussi, esalta il campo iniziale, e questo, a sua volta, aumenta la corrente, e il processo di amplificazione continua fino a quando le perdite di calore per Joule, aumentando con l'aumentare della corrente, bilanciano il flussi di energia dovuti a movimenti idrodinamici.

È stato suggerito che la dinamo possa essere eccitata a causa della precessione o delle forze di marea, cioè che la fonte di energia sia la rotazione della Terra, tuttavia l'ipotesi più diffusa e sviluppata è che si tratti proprio della convezione termochimica.

Cambiamenti nel campo magnetico terrestre

L'inversione del campo magnetico è un cambiamento nella direzione del campo magnetico terrestre nella storia geologica del pianeta (determinato dal metodo paleomagnetico).

In un'inversione, il nord magnetico e il sud magnetico sono invertiti e l'ago della bussola inizia a puntare nella direzione opposta. L'inversione è un fenomeno relativamente raro che non si è mai verificato durante l'esistenza dell'Homo sapiens. Presumibilmente, l'ultima volta è successo circa 780 mila anni fa.

Le inversioni del campo magnetico si sono verificate ad intervalli di tempo da decine di migliaia di anni a enormi intervalli di un campo magnetico tranquillo di decine di milioni di anni, quando le inversioni non si sono verificate.

Pertanto, non è stata trovata alcuna periodicità nell'inversione dei poli e questo processo è considerato stocastico. Lunghi periodi di un campo magnetico tranquillo possono essere seguiti da periodi di molteplici inversioni con durate diverse e viceversa. Gli studi dimostrano che un cambiamento nei poli magnetici può durare da diverse centinaia a diverse centinaia di migliaia di anni.

Gli esperti della Johns Hopkins University (USA) suggeriscono che durante le inversioni, la magnetosfera terrestre si è indebolita così tanto che la radiazione cosmica potrebbe raggiungere la superficie terrestre, quindi questo fenomeno potrebbe danneggiare gli organismi viventi sul pianeta e il prossimo cambio di poli potrebbe portare a ancora di più gravi conseguenze per l'umanità fino a una catastrofe globale.

Il lavoro scientifico negli ultimi anni ha mostrato (anche nell'esperimento) la possibilità di cambiamenti casuali nella direzione del campo magnetico ("salti") in una dinamo turbolenta stazionaria. Secondo il capo del laboratorio di geomagnetismo presso l'Istituto di Fisica della Terra, Vladimir Pavlov, l'inversione è un processo piuttosto lungo per gli standard umani.

I geofisici dell'Università di Leeds Yon Mound e Phil Livermore credono che tra un paio di migliaia di anni ci sarà un'inversione del campo magnetico terrestre.

Spostamento dei poli magnetici della Terra

Per la prima volta, le coordinate del polo magnetico nell'emisfero settentrionale furono determinate nel 1831, di nuovo - nel 1904, poi nel 1948 e nel 1962, 1973, 1984, 1994; nell'emisfero australe - nel 1841, di nuovo - nel 1908. Lo spostamento dei poli magnetici è stato registrato dal 1885. Negli ultimi 100 anni, il polo magnetico nell'emisfero australe si è spostato di quasi 900 km ed è entrato nell'Oceano Australe.

Gli ultimi dati sullo stato del polo magnetico artico (che si sposta verso l'anomalia magnetica mondiale della Siberia orientale attraverso l'Oceano Artico) hanno mostrato che dal 1973 al 1984 il suo chilometraggio era di 120 km, dal 1984 al 1994 - più di 150 km. Sebbene queste cifre siano calcolate, sono confermate dalle misurazioni del polo magnetico nord.

Dopo il 1831, quando fu fissata per la prima volta la posizione del palo, nel 2019 il palo si era già spostato di oltre 2.300 km verso la Siberia e continua a muoversi con accelerazione.

La sua velocità di viaggio è aumentata da 15 km all'anno nel 2000 a 55 km all'anno nel 2019. Questa rapida deriva richiede adeguamenti più frequenti ai sistemi di navigazione che utilizzano il campo magnetico terrestre, come le bussole negli smartphone o i sistemi di navigazione di backup per navi e aerei.

La forza del campo magnetico terrestre diminuisce e in modo non uniforme. Negli ultimi 22 anni è diminuito in media dell'1,7% e in alcune regioni, come l'Oceano Atlantico meridionale, del 10%. In alcuni punti, l'intensità del campo magnetico, contrariamente alla tendenza generale, è addirittura aumentata.

L'accelerazione del movimento dei poli (di una media di 3 km/anno) e il loro movimento lungo i corridoi di inversione dei poli magnetici (questi corridoi hanno permesso di rivelare più di 400 paleoinversioni) suggerisce che in questo movimento dei poli si dovrebbe vedere non un'escursione, ma un'altra inversione del campo magnetico terrestre.

Come si è formato il campo magnetico terrestre?

Gli esperti dello Scripps Institute of Oceanography e dell'Università della California hanno suggerito che il campo magnetico del pianeta sia stato formato dal mantello. Scienziati americani hanno sviluppato un'ipotesi proposta 13 anni fa da un gruppo di ricercatori francesi.

È noto che per molto tempo i professionisti hanno sostenuto che fosse il nucleo esterno della Terra a generare il suo campo magnetico. Ma poi esperti francesi hanno suggerito che il mantello del pianeta fosse sempre solido (dal momento della sua nascita).

Questa conclusione ha fatto pensare agli scienziati che non fosse il nucleo a formare il campo magnetico, ma la parte liquida del mantello inferiore. La composizione del mantello è un materiale silicato considerato un cattivo conduttore.

Ma poiché il mantello inferiore doveva rimanere liquido per miliardi di anni, il movimento del liquido al suo interno non produceva una corrente elettrica, ed infatti era semplicemente necessario generare un campo magnetico.

I professionisti oggi credono che il mantello avrebbe potuto essere un condotto più potente di quanto si pensasse in precedenza. Questa conclusione di specialisti giustifica pienamente lo stato della Terra primordiale. Una dinamo ai silicati è possibile solo se la conducibilità elettrica della sua parte liquida era molto più alta e aveva bassa pressione e temperatura.

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