Strona główna Fizyka Zapytaj fizyka Pytania: Ziemia Pole magnetyczne Ziemi

Pole magnetyczne Ziemi

Pytający: Łukasz
                                               
Pytanie: Interesuje mnie zjawisko ziemskiego pola magnetycznego.

Odpowiada: Lech Krysiński

Wstęp

Pytanie dotknęło bardzo rozległej dyscypliny badawczej jaką jest geomagnetyzm, dlatego odpowiedź zacznę od ogólnego scharakteryzowania głównych obszarów zjawisk (wewnętrznych i zewnętrznych) jakie kryją się za określeniem "ziemskie pole magnetyczne". Skrótowo napiszę o przejawach zjawisk zewnętrznych (magnetosferycznych). Potem opiszę najważniejsze własności głównej części pola magnetycznego Ziemi (oscylacje, kluczowe charakterystyki kształtu, zachowanie czasowe momentu dipolowego i odwrócenia biegunowości) tak, aby pokazać na jakich podstawach zbudowane są obecne poglądy, co do natury własnego pola Ziemi. Wspomnę też o innych słabszych elementach pola wewnętrznego.

Kategorie zjawisk geomagnetycznych

Określenie "ziemskie pole magnetyczne" jest nieco przewrotne i odrobinę przedawnione. Termin ten oznacza całe naturalne pole magnetyczne obserwowane na powierzchni Ziemi, które jest przejawem zarówno źródeł (prądów) zlokalizowanych na zewnątrz w jonosferze i przestrzeni zewnętrznej (w magnetosferze) jak i we wnętrzu Ziemi (głównie w jądrze Ziemi). Obie kategorie zjawisk są przedmiotem zainteresowania dyscypliny zwanej ogólnie "geomagnetyzmem", a złożonej z wielu dziedzin niekoniecznie ze sobą silnie powiązanych. Pierwszą kategorią zjawisk zajmuje się "fizyka przestrzeni okołoziemskiej". Pole o źródłach zewnętrznych obserwowane na powierzchni Ziemi ma relatywnie małą wartość (zwykle kilkadziesiąt nanotesli [nT]) i szybką zmienność w czasie na tle całego mierzonego pola. Charakterystyczne czasy i okresy zmienności są mniejsze niż 20 lat i rozciągają się aż do pulsacji sekundowych, a nawet jeszcze szybszych. Za istnienie magnetosfery i ów cały zespół zewnętrznych zjawisk magnetycznych odpowiada oddziaływanie zjonizowanego ośrodka jakim jest wiatr słoneczny, z własnym polem magnetycznym Ziemi, które jest przeszkodą dla naddźwiękowego opływu Ziemi przez wiatr.

Pole magnetyczne główne

Określenie "pole magnetyczne Ziemi" jest natomiast synonimem pola o źródłach we wnętrzu Ziemi, które jest główną dominującą częścią pola obserwowanego na powierzchni Ziemi (średnio 40 tysięcy nT) i charakteryzuje się powolną (długo-okresową) zmiennością. Najszybsze obserwowalne pulsacje pola o pochodzeniu wewnętrznym mają okresy rzędu kilkudziesięciu lat, amplitudę rzędu dziesiątek nanotesli, a ich przebieg czasowy jest podobny na rozległych obszarach o rozmiarze rzędu setek kilometrów, ale nie ma znamion przybliżonej synchroniczności w skali globalnej. Pulsacje o coraz większych okresach (setek i tysięcy lat) są rozpoznane dzięki skalnemu zapisowi pola (paleomagnetyzm i archeomagnetyzm) i charakteryzują się coraz większą amplitudą i zgodnością przebiegu w coraz bardziej rozległej skali przestrzennej. Na długo-okresowym krańcu ich widma sytuuje się pulsacja zwana z powodu swych znamiennych własności "cyklem głównym". Ma ona charakterystyczne pseudo-okresy przebiegu czasowego rzędu dziesiątków tysięcy lat, amplitudę sięgającą połowy charakterystycznej wartości pola obserwowanego na powierzchni Ziemi i globalną zgodność przebiegu tak, że możemy mówić o pulsacji momentu dipolowego Ziemi. Wszystkie te pulsacje mają przebieg czasowy do tego stopnia nieregularny, że trudno mówić o zachowaniu oscylacyjnym obserwowanego pola, w czasie istotnie dłuższym od jednego ich okresu, a żadne szczególne częstości jak się wydaje nie są wyróżnione podwyższoną amplitudą. Źródła tego pulsującego pola można zgrubnie lokalizować i są one usytuowane w zewnętrznym (ciekłym) jądrze Ziemi.

Inne ważne własności momentu dipolowego Ziemi

Moment dipolowy jest elementem dominującym w kształcie pola jaki obserwujemy na powierzchni Ziemi tak, że odchylenia kierunku lokalnie obserwowanego pola od kierunku jaki odpowiadałby dipolowej części pola są rzędu kilkunastu stopni. Z tego powodu kompasy w różnych miejscach na Ziemi nie wskazują dokładnie jednego miejsca na sferze, ale różne punkty rozproszone nawet do 20 stopni wokół aktualnego bieguna momentu dipolowego. Moment dipolowy ma kilka zadziwiających własności. Jego oś nie ma stałego w czasie kierunku, ale zmienia się podobnie jak i całe pole Ziemi. Kierunek ten pomimo tej intensywnej ewolucji, nie oddala się jednak od osi wirowania Ziemi bardziej niż na kilkanaście stopni. Dzięki tej stabilności kierunku dobrze jest określone (od strony praktycznej) pojęcie biegunowości (polarności), czyli zwrotu momentu dipolowego względem kierunku osi wirowania Ziemi. Zwrot ten (biegunowość) jest stabilny w długich przedziałach czasu wielu setek tysięcy, a nawet milionów lat, ale obie biegunowości pola Ziemi występują w jej dziejach w podobnym udziale. Czas odwracania biegunowości pola pomiędzy interwałami jej stabilizacji jest relatywnie krótki (4 do 5 tys. lat).

Poglądy co do natury zjawiska podtrzymywania pola magnetycznego Ziemi

Wymienione tutaj własności pola są podstawą przekonania, że procesem odpowiedzialnym za podtrzymywanie własnego pola magnetycznego Ziemi jest konwekcja cieplna przewodzącego elektrycznie, ciekłego ośrodka w jądrze zewnętrznym Ziemi. Chociaż zasady fizyczne potrzebne do opisu tego procesu są dosyć proste, to stopień jego poznania ma obecnie jedynie bardzo jakościowy charakter, za przyczyną niestabilnej, burzliwej natury zjawiska.

Inne słabsze składniki pola magnetycznego o źródłach we wnętrzu Ziemi

Dla uzupełnienia powyższego przeglądu własności pola warto dodać, że pole wewnętrzne ma jeszcze dwa inne istotne składniki: pole związane z namagnesowaniem skał skorupy i najwyższego płaszcza oraz oscylacje związane z prądami generowanymi w skorupie i płaszczu przez oscylacje o źródłach zewnętrznych.


Literatura

"Fizyka i ewolucja wnętrza Ziemi" (praca zbiorowa) red. R. Teisseyre, tom 2 rozdział 5, PWN, Warszawa 1983, ISBN 83-01-00404-5,

Michel Westphal "Paleomagnetyzm i własności magnetyczne skał", PWN, Warszawa 1993 ISBN 83-01-11132-1,

Lech Krysiński "Pochodzenie pola magnetycznego Ziemi - historia badań i obecny stan poglądów", Przegląd Geofizyczny, rocznik XLI, zeszyt 3, 1996 ISSN 0033-2135,

Ronald T. Merrill, Michael W. McElhinny, Phillip L. McFadden "The Magnetic Field of the Earth; Paleomagnetism, the Core, and the Deep Mantle", Academic Press 1998,

"Geomagnetism" (praca zbiorowa) ed. J.A. Jacobs , vol. 1, 2, 3, 4, Academic Press.