Perisai Bumi: Di Mana Planet Kita Memiliki Medan Magnet?

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Terakhir diubah: 2023-12-16 16:08

Medan magnet melindungi permukaan bumi dari angin matahari dan radiasi kosmik yang berbahaya. Ia bekerja sebagai semacam perisai - tanpa keberadaannya, atmosfer akan hancur. Kami akan memberi tahu Anda bagaimana medan magnet bumi terbentuk dan berubah.

Struktur dan karakteristik medan magnet bumi

Medan magnet bumi, atau medan geomagnetik, adalah medan magnet yang dihasilkan oleh sumber-sumber intra-terestrial. Pokok bahasan studi geomagnetisme. Muncul 4, 2 miliar tahun yang lalu.

Medan magnet bumi sendiri (medan geomagnetik) dapat dibagi menjadi beberapa bagian utama sebagai berikut:

• bidang utama,
• bidang anomali dunia,
• medan magnet luar.

lapangan utama

Lebih dari 90% terdiri dari bidang, yang sumbernya ada di dalam Bumi, di inti luar cair - bagian ini disebut bidang utama, utama atau normal.

Ini diperkirakan dalam bentuk deret dalam harmonik - deret Gaussian, dan dalam pendekatan pertama di dekat permukaan bumi (hingga tiga jari-jarinya) dekat dengan medan dipol magnet, yaitu, terlihat seperti bumi adalah magnet strip dengan sumbu yang diarahkan kira-kira dari utara ke selatan.

Bidang anomali dunia

Garis gaya nyata dari medan magnet bumi, meskipun rata-rata dekat dengan garis gaya dipol, berbeda dari mereka oleh ketidakteraturan lokal yang terkait dengan keberadaan batuan magnet di kerak yang terletak dekat dengan permukaan.

Karena itu, di beberapa tempat di permukaan bumi, parameter medan sangat berbeda dari nilai di daerah terdekat, membentuk apa yang disebut anomali magnetik. Mereka dapat saling tumpang tindih jika benda magnet yang menyebabkannya terletak pada kedalaman yang berbeda.

Medan magnet luar

Itu ditentukan oleh sumber dalam bentuk sistem arus yang terletak di luar permukaan bumi, di atmosfernya. Di bagian atas atmosfer (100 km ke atas) - ionosfer - molekulnya terionisasi, membentuk plasma dingin padat yang naik lebih tinggi, oleh karena itu, bagian dari magnetosfer Bumi di atas ionosfer, memanjang hingga jarak hingga tiga jari-jarinya, disebut plasmasfer.

Plasma dipegang oleh medan magnet bumi, tetapi keadaannya ditentukan oleh interaksinya dengan angin matahari - aliran plasma korona matahari.

Jadi, pada jarak yang lebih jauh dari permukaan bumi, medan magnet asimetris, karena terdistorsi di bawah aksi angin matahari: dari Matahari ia berkontraksi, dan ke arah Matahari ia memperoleh "jejak" yang memanjang selama ratusan ribu kilometer, melampaui orbit Bulan.

Bentuk "berekor" yang aneh ini muncul ketika plasma angin matahari dan aliran sel darah matahari tampaknya mengalir di sekitar magnetosfer bumi - wilayah ruang dekat bumi, masih dikendalikan oleh medan magnet Bumi, dan bukan Matahari dan lainnya. sumber antarplanet.

Itu dipisahkan dari ruang antarplanet oleh magnetopause, di mana tekanan dinamis angin matahari diimbangi oleh tekanan medan magnetnya sendiri.

Parameter bidang

Representasi visual dari posisi garis induksi magnetik medan bumi disediakan oleh jarum magnet, dipasang sedemikian rupa sehingga dapat dengan bebas berputar baik di sekitar sumbu vertikal maupun di sekitar sumbu horizontal (misalnya, dalam gimbal), - di setiap titik di dekat permukaan bumi, dipasang dengan cara tertentu di sepanjang garis ini.

Karena kutub magnet dan geografis tidak bertepatan, jarum magnet hanya menunjukkan perkiraan arah utara-selatan.

Bidang vertikal tempat jarum magnet dipasang disebut bidang meridian magnetik tempat yang diberikan, dan garis di mana bidang ini berpotongan dengan permukaan bumi disebut meridian magnetik.

Dengan demikian, meridian magnetik adalah proyeksi garis gaya medan magnet bumi ke permukaannya, yang bertemu di kutub magnet utara dan selatan. Sudut antara arah meridian magnetik dan geografis disebut deklinasi magnetik.

Itu bisa barat (sering ditunjukkan dengan tanda "-") atau timur (tanda "+"), tergantung pada apakah kutub utara jarum magnet menyimpang dari bidang vertikal meridian geografis ke barat atau timur.

Selanjutnya, garis-garis medan magnet bumi, secara umum, tidak sejajar dengan permukaannya. Ini berarti bahwa induksi magnetik medan bumi tidak terletak pada bidang cakrawala tempat tertentu, tetapi membentuk sudut tertentu dengan bidang ini - ini disebut kemiringan magnetik. Itu mendekati nol hanya pada titik-titik ekuator magnetik - keliling lingkaran besar di bidang yang tegak lurus terhadap sumbu magnet.

Hasil pemodelan numerik dari medan magnet bumi: di sebelah kiri - normal, di sebelah kanan - selama inversi

Sifat medan magnet bumi

Untuk pertama kalinya, J. Larmor mencoba menjelaskan keberadaan medan magnet Bumi dan Matahari pada tahun 1919, mengusulkan konsep dinamo, yang menurutnya pemeliharaan medan magnet benda langit terjadi di bawah aksi dari gerak hidrodinamik media konduktif listrik.

Namun, pada tahun 1934, T. Cowling membuktikan teorema tentang ketidakmungkinan mempertahankan medan magnet aksisimetris melalui mekanisme dinamo hidrodinamik.

Dan karena sebagian besar benda langit yang dipelajari (dan terlebih lagi Bumi) dianggap simetris aksial, atas dasar ini dimungkinkan untuk membuat asumsi bahwa bidang mereka juga akan simetris aksial, dan kemudian generasinya sesuai dengan prinsip ini. tidak mungkin menurut teorema ini.

Bahkan Albert Einstein skeptis tentang kelayakan dinamo semacam itu mengingat ketidakmungkinan adanya solusi sederhana (simetris). Baru kemudian ditunjukkan bahwa tidak semua persamaan dengan simetri aksial yang menggambarkan proses pembangkitan medan magnet akan memiliki solusi simetris aksial, bahkan di tahun 1950-an. solusi asimetris telah ditemukan.

Sejak itu, teori dinamo telah berhasil dikembangkan, dan saat ini penjelasan yang paling mungkin diterima secara umum tentang asal usul medan magnet Bumi dan planet lain adalah mekanisme dinamo yang tereksitasi sendiri berdasarkan pembangkitan arus listrik dalam konduktor. ketika bergerak dalam medan magnet yang dihasilkan dan diperkuat oleh arus ini sendiri.

Kondisi yang diperlukan dibuat di inti Bumi: di inti luar cair, terutama terdiri dari besi pada suhu sekitar 4-6 ribu Kelvin, yang menghantarkan arus dengan sempurna, aliran konvektif dibuat yang menghilangkan panas dari inti dalam yang padat (dihasilkan karena peluruhan unsur radioaktif atau pelepasan panas laten selama pemadatan materi di batas antara inti dalam dan luar saat planet mendingin secara bertahap).

Gaya Coriolis memutar arus ini menjadi spiral karakteristik yang membentuk apa yang disebut pilar Taylor. Karena gesekan lapisan, mereka memperoleh muatan listrik, membentuk arus loop. Dengan demikian, sistem arus dibuat yang bersirkulasi di sepanjang sirkuit konduktif dalam konduktor yang bergerak dalam medan magnet (pada awalnya ada, meskipun sangat lemah), seperti pada piringan Faraday.

Ini menciptakan medan magnet, yang, dengan geometri aliran yang menguntungkan, meningkatkan medan awal, dan ini, pada gilirannya, meningkatkan arus, dan proses amplifikasi berlanjut sampai kehilangan panas Joule, meningkat dengan meningkatnya arus, menyeimbangkan aliran energi karena gerakan hidrodinamik.

Disarankan bahwa dinamo dapat tereksitasi karena gaya presesi atau pasang surut, yaitu bahwa sumber energinya adalah rotasi Bumi, namun, hipotesis yang paling luas dan berkembang adalah bahwa ini justru konveksi termokimia.

Perubahan medan magnet bumi

Inversi medan magnet adalah perubahan arah medan magnet bumi dalam sejarah geologi planet (ditentukan dengan metode paleomagnetik).

Dalam inversi, utara magnet dan selatan magnet dibalik dan jarum kompas mulai menunjuk ke arah yang berlawanan. Inversi adalah fenomena yang relatif langka yang belum pernah terjadi selama keberadaan Homo sapiens. Agaknya, terakhir kali terjadi sekitar 780 ribu tahun yang lalu.

Pembalikan medan magnet terjadi pada interval waktu dari puluhan ribu tahun hingga interval besar dari medan magnet yang tenang selama puluhan juta tahun, ketika pembalikan tidak terjadi.

Dengan demikian, tidak ada periodisitas yang ditemukan dalam pembalikan kutub, dan proses ini dianggap stokastik. Periode panjang medan magnet yang tenang dapat diikuti oleh periode beberapa pembalikan dengan durasi yang berbeda dan sebaliknya. Studi menunjukkan bahwa perubahan kutub magnet dapat berlangsung dari beberapa ratus hingga beberapa ratus ribu tahun.

Para ahli dari Universitas Johns Hopkins (AS) menyarankan bahwa selama pembalikan, magnetosfer Bumi melemah sedemikian rupa sehingga radiasi kosmik dapat mencapai permukaan bumi, sehingga fenomena ini dapat membahayakan organisme hidup di planet ini, dan perubahan kutub berikutnya dapat menyebabkan lebih banyak lagi. konsekuensi serius bagi umat manusia hingga bencana global.

Karya ilmiah dalam beberapa tahun terakhir telah menunjukkan (termasuk dalam percobaan) kemungkinan perubahan acak dalam arah medan magnet ("melompat") dalam dinamo turbulen stasioner. Menurut kepala laboratorium geomagnetisme di Institut Fisika Bumi, Vladimir Pavlov, inversi adalah proses yang agak panjang menurut standar manusia.

Ahli geofisika di Universitas Leeds Yon Mound dan Phil Livermore percaya bahwa dalam beberapa ribu tahun akan ada pembalikan medan magnet bumi.

Perpindahan kutub magnet bumi

Untuk pertama kalinya, koordinat kutub magnet di Belahan Bumi Utara ditentukan pada tahun 1831, sekali lagi - pada tahun 1904, kemudian pada tahun 1948 dan 1962, 1973, 1984, 1994; di Belahan Bumi Selatan - pada tahun 1841, sekali lagi - pada tahun 1908. Pergeseran kutub magnet telah tercatat sejak tahun 1885. Selama 100 tahun terakhir, kutub magnet di belahan bumi selatan telah bergerak hampir 900 km dan memasuki Samudra Selatan.

Data terbaru tentang keadaan kutub magnet Arktik (bergerak menuju anomali magnetik dunia Siberia Timur melintasi Samudra Arktik) menunjukkan bahwa dari tahun 1973 hingga 1984 jarak tempuhnya adalah 120 km, dari tahun 1984 hingga 1994 - lebih dari 150 km. Meskipun angka-angka ini dihitung, mereka dikonfirmasi oleh pengukuran kutub magnet utara.

Setelah tahun 1831, ketika posisi kutub ditetapkan untuk pertama kalinya, pada tahun 2019 kutub telah bergeser lebih dari 2.300 km ke arah Siberia dan terus bergerak dengan percepatan.

Kecepatan perjalanannya meningkat dari 15 km per tahun pada tahun 2000 menjadi 55 km per tahun pada tahun 2019. Pergeseran cepat ini memerlukan penyesuaian yang lebih sering pada sistem navigasi yang menggunakan medan magnet bumi, seperti kompas di telepon pintar atau sistem navigasi cadangan untuk kapal dan pesawat terbang.

Kekuatan medan magnet bumi turun, dan tidak merata. Selama 22 tahun terakhir, telah menurun rata-rata 1,7%, dan di beberapa wilayah, seperti Samudra Atlantik Selatan, sebesar 10%. Di beberapa tempat, kekuatan medan magnet, bertentangan dengan kecenderungan umum, bahkan meningkat.

Percepatan pergerakan kutub (rata-rata 3 km / tahun) dan pergerakannya di sepanjang koridor inversi kutub magnet (koridor ini memungkinkan untuk mengungkapkan lebih dari 400 paleoinversi) menunjukkan bahwa dalam pergerakan kutub ini satu seharusnya tidak melihat perjalanan, tetapi pembalikan lain dari medan magnet bumi.

Bagaimana medan magnet bumi terjadi?

Para ahli di Scripps Institute of Oceanography dan University of California telah menyarankan bahwa medan magnet planet ini dibentuk oleh mantel. Ilmuwan Amerika telah mengembangkan hipotesis yang diajukan 13 tahun lalu oleh sekelompok peneliti dari Prancis.

Diketahui bahwa untuk waktu yang lama, para profesional berpendapat bahwa itu adalah inti luar Bumi yang menghasilkan medan magnetnya. Tetapi kemudian para ahli dari Prancis menyarankan bahwa mantel planet itu selalu padat (sejak saat kelahirannya).

Kesimpulan ini membuat para ilmuwan berpikir bahwa bukan inti yang dapat membentuk medan magnet, tetapi bagian cair dari mantel bawah. Komposisi mantel adalah bahan silikat yang dianggap sebagai konduktor yang buruk.

Tetapi karena mantel yang lebih rendah harus tetap cair selama miliaran tahun, pergerakan cairan di dalamnya tidak menghasilkan arus listrik, dan pada kenyataannya itu hanya diperlukan untuk menghasilkan medan magnet.

Profesional saat ini percaya bahwa mantel bisa menjadi saluran yang lebih kuat daripada yang diperkirakan sebelumnya. Kesimpulan para ahli ini sepenuhnya membenarkan keadaan awal Bumi. Dinamo silikat hanya mungkin jika konduktivitas listrik bagian cairnya jauh lebih tinggi dan memiliki tekanan dan suhu rendah.