علوم پایه، فیزیک 4366 بازدید

میدان مغناطیسی زمین شبیه به یک آهنربای میله‌ای است که 11 درجه از محور چرخش زمین منحرف شده است.

 میدان مغناطیسی زمین و انحراف آن از محور چرخش
تصویر ۱: میدان مغناطیسی زمین و انحراف آن از محور چرخش

سوالی که در تصویر بالا مطرح می‌شود این است که «دمای کوری» (Curie Temperature) (دمایی که در دماهای بالاتر از آن برخی از مواد خاصیت مغناطیسی دائمی خود را از دست می‌دهند و در اکثر موارد دارای خاصیت مغناطیسی القایی می‌شوند)، برای آهن که در مرکز زمین قرار دارد حدود 770 درجه سانتیگراد است. هسته زمین از این مقدار داغ‌تر است و به همین دلیل آهن نباید خاصیت مغناطیسی داشته باشد. بدین ترتیب چگونه زمین میدان مغناطیسی خود را بدست آورده است؟ پاسخ به این سوال را در این مطلب بررسی می‌کنیم.

میدان مغناطیسی زمین چگونه ایجاد می‌شود؟

از بحث مربوط به میدان مغناطیسی می‌دانیم که میدان‌های مغناطیسی جریان‌های الکتریکی را احاطه می‌کنند. بنابراین تصور ما این است که جریان‌های الکتریکی در حال چرخش در هسته فلزی مذاب زمین، منشاء میدان مغناطیسی باشند. یک حلقه جریان باعث ایجاد میدانی شبیه به میدان مغناطیسی زمین می‌شود.

میدان مغناطیسی زمین را به «اثر دینامو» (Dynamo Effect) مربوط به جریان‌های الکتریکی چرخان نسبت می‌دهند، اما راستای این میدان مغناطیسی ثابت نیست. بررسی میدان مغناطیسی سنگ‌ها با سنین مختلف در مکان‌های مشابه، جهت‌های مختلف مغناطش دائمی را نشان می‌دهد.

اگرچه جزئیات اثر دینامو به وضوح مشخص نیست، اما می‌توان گفت چرخش زمین سبب ایجاد جریانی می‌شود که منشاء میدان مغناطیسی زمین است. داده‌های به دست آمده از کاوشگر مارینر 2 برای سیاره زهره (ونوس) نشان داد که اگرچه مقدار آهن هسته سیاره زهره باید مشابه زمین باشد، ولی دارای چنین میدان مغناطیسی نیست. پیش‌بینی می‌شود که این موضوع به دلیل چرخش بسیار کند سیاره زهره باشد. به بیان دیگر ۲۴۳ روز زمینی طول می‌کشد تا سیاره زهره یک دور بچرخد. این موضوع نشان از سرعت کند چرخش زهره دارد و سبب شده است که سیاره زهره دارای میدان مغناطیسی مشابه زمین نباشد.

قطب شمال و جنوب جغرافیایی و مغناطیسی
تصویر ۲: قطب شمال جغرافیایی منطبق بر قطب جنوب مغناطیسی است و بالعکس.

میدان مغناطیسی زمین تقریباً به صورت یک دوقطبی مغناطیسی رفتار می‌کند که قطب S این میدان مغناطیسی در نزدیکی قطب شمال جغرافیایی و قطب N آن در نزدیکی قطب جنوب جغرافیایی قرار گرفته است. این ویژگی سبب می‌شود که قطب‌نما در پیدا کردن مسیر و جهت‌یابی قابل استفاده باشد.

اگرچه به صورت معمول اندازه یک میدان مغناطیسی با افزایش فاصله از منبع ضعیف می‌شود، ولی اثرات ضعیف آن تا بی‌نهایت گسترش پیدا می‌کند. میدان مغناطیسی زمین که به آن میدان ژئومغناطیسی نیز گفته می‌شود، به طور موثر تا هزاران کیلومتر در اطراف زمین امتداد می‌یابد و لایه مگنتوسفر را تشکیل می‌دهد. مطالعات، عمر میدان مغناطیسی زمین را حداقل 3٫5 میلیارد سال برآورد کرده‌اند.

برای آشنایی بیشتر با ویژگی‌های زمین، می‌توانید فیلم آموزش زمین شناسی مهندسی را مشاهده کنید که توسط فرادرس ارائه شده است. لینک این آموزش در ادامه آورده شده است.

  • برای دیدن فیلم آموزش زمین شناسی مهندسی + کلیک کنید.

میدان مغناطیسی زمین چقدر است؟

اندازه میدان مغناطیسی که در سطح زمین اندازه‌گیری می‌شود تقریباً نیم گاوس است و هرچه به سمت نیمکره‌ شمالی حرکت کنیم، مقدار میدان کاهش می‌یابد. بزرگی میدان در سطح زمین نیز در محدوده ۰٫۳ تا ۰٫۶ گاوس متغیر است.

تغییرات میدان مغناطیسی در زمان آرام زمین

میدان ژئومغناطیسی زمین دارای تغییرات کوچک و منظمی در یک دوره 24 ساعته در شبانه روز است. این تغییرات را می‌توان به راحتی در دوره‌هایی از فعالیت کم خورشیدی که اختلالات نامنظم بزرگ در آن‌ها کمتر است، مشاهده کرد. به همین دلیل غالباً از این دوره‌ها با عنوان دوره‌های «خورشید آرام» (Sun Quiet) یاد می‌شود. شکل زیر تغییرات جهت میدان مغناطیسی در قطب‌نما برای زمان خورشید آرام در سال ۲۰۰۴ در رصدخانه «هارتلند» (Hartland) رانشان می‌دهد.

تغییرات میدان مغناطیسی
تصویر ۳: تغییرات میدان مغناطیسی در طول یک شبانه روز.

این تغییرات، نمونه رایجی از تغییر میدان مغناطیسی در دوره خورشید آرام و در عرض جغرافیایی رصدخانه هارتلند است. در واقعیت، این نوع تغییر در میدان ژئومغناطیسی حداکثر تا چند دهم درجه در جهت عقربه قطب‌نما تأثیر دارد.

همانگونه که از تصویر روشن است، تغییرات جهت میدان مغناطیسی در طول روز کمتر از ۰٫۱ درجه است و شدت کل میدان مغناطیسی تنها در حد چندصدم نانو تسلا تغییر می‌کند. اگرچه این تأثیرات بسیار اندک است، اما می‌تواند برای کسانی که نیازمند ناوبری و جهت‌یابی بسیار دقیق هستند، مهم باشد.

دلیل این تغییرات را باید در جریان‌های الکتریکی زیاد در لایه یونوسفر جستجو کرد که در ارتفاع ۱۰۰ کیلومتری قرار دارد. با توجه به اینکه هوا عایق است، انتظار شارش بار الکتریکی وجود ندارد، ولی در یونوسفر وجود تابش‌های فرابنفش و ایکس از خورشید، سبب می‌شوند که الکترون‌ها به داخل هوا شارش کنند که در شکل با + و – نمایش داده شده است. این شارش باعث رسانا شدن هوا می‌شود. در ظهر که خورشید بیشترین فعالیت را دارد رسانایی هوا نیز افزایش می‌یابد و در شب رسانش هوا کاهش پیدا می‌کند. تغییرات میدان الکتریکی سبب تغییر در میدان مغناطیسی زمین در طول شبانه روز می‌شود.

تغییرات کوچک میدان مغناطیسی
تصویر ۴: تغییرات میدان مغناطیسی در دوره خورشید آرام

میدان مغناطیسی زمین و اثرات آن

میدان مغناطیسی اطراف زمین سبب می‌شود که زمین تا حد زیادی از «بادهای خورشیدی» (Solar Wind) در امان بماند.

بادهای خورشیدی جریانی از ذرات باردار هستند که از طرف خورشید در تمام جهات در فضا ساطع می‌شوند. بادهای خورشیدی توسط میدان مغناطیسی زمین منحرف شده و مسیر حرکت خود را تغییر می‌دهند. تعدادی از ذرات بادهای خورشیدی در کمربند تابشی وان آلن به دام می‌افتند. این کمربند تشعشعی که در سال ۱۹۵۸ کشف شد از تراکم غلیظی از الکترون‌ها و پروتون‌ها با انرژی زیاد تشکیل شده و در دو منطقه هلالی در فاصله‌های ۳۲۰۰ و ۱۶۰۰۰ کیلومتری زمین قرار گرفته است.

بادهای خورشیدی
تصویر ۵: بادهای خورشیدی

تعداد کمی از ذرات بادهای خورشیدی می‌توانند حرکت خود را تا لایه بالایی اتمسفر و یونوسفر در مناطق شفق (نزدیک به قطب‌ها) ادامه دهند و باعث ایجاد پدیده شفق قطبی و طوفان‌های مغناطیسی شوند. در ادامه فیلم کوتاه شفق قطبی که در سال ۲۰۱۴ در تاریخ ۲۴ و ۲۵ فوریه اتفاق افتاد را می‌توانید مشاهده کنید. این فیلم در شمال اسکاتلند تصویربرداری شده است.

این ویدئو متعلق به عکاس و فیلمبردار اسکاتلندی «مکیج وینیارزیک» (Maciej Winiarczyk) است. برای مشاهده نسخه کامل این ویدئو، به کانال یوتیوب صاحب اثر [+] مراجعه کنید.

زمانی بادهای خورشیدی قابل مشاهده‌اند که به قدری قدرتمند باشند تا بتوانند موجب پیدایش پدیده‌هایی مانند شفق قطبی و طوفان‌های ژئومغناطیسی شوند. شفق‌های روشن باعث گرم شدن یونوسفر می‌شوند و سبب می‌شوند پلاسما وارد ناحیه مگنتوسفر شود. بدین ترتیب اندازه لایه پلاسمایی ژئوسفر افزایش می‌یابد. این موضوع سبب می‌شود که مواد جوی به داخل بادهای خورشیدی راه پیدا کنند.

طوفان‌های ژئومغناطیسی نیز زمانی رخ می‌دهند که فشار پلاسمای موجود در لایه مگنتوسفر به قدری زیاد باشد که بتواند متورم شده و باعث اختلال در میدان مغناطیسی زمین شود. این زمان را دوران مختل شده برای زمین می‌نامیم و در برابر دوران خورشید آرام قرار دارد.

شکل کلی لایه مگنتوسفر زمین ناشی از بادهای خورشیدی است و تغییرات سرعت، چگالی، جهت و میدان مغناطیسی آن به صورت مستقیم بر محیط فضای اطراف زمین تاثیر می‌گذارد. تغییرات در قدرت میدان مغناطیسی زمین با تغییرات بارندگی در مناطق استوایی نیز مرتبط است.

میدان مغناطیسی زمین در اعماق اقیانوس‌ها

وجود جریان در هسته زمین سبب ایجاد میدان مغناطیسی از ۳۴۵۰ میلیون سال پیش شده است. با این حال اندازه میدان مغناطیسی زمین در همه جا یکسان نیست. مغناطیس‌سنج‌ها تغییرات اندازه میدان مغناطیسی را که به دلیل ناخالصی‌ها در آهن، وجود کوره‌ها و برخی از سازه‌های سنگی بوده است ثبت کرده‌اند.

با استفاده از ابزارهای سنجش ناهنجاری‌های مغناطیسی موجود در هوا که در طول جنگ جهانی دوم برای شناسایی زیردریایی‌ها استفاده می‌شد، تغییرات میدان مغناطیسی در کف اقیانوس نقشه برداری شده است.

بازالت (سنگ آتشفشانی غنی از آهن که در کف اقیانوس به وفور یافت می‌شود) حاوی یک ماده معدنی به شدت مغناطیسی به نام «مگنتیت» (Magnetite) است و می‌تواند به صورت نقطه‌ای عملکرد قطب‌نما را مختل نماید. این اختلال در اواخر قرن 18 توسط دریانوردان ایسلندی شناخته شد.

همچنین وجود مگنتیت در بازالت، به آن خواص مغناطیسی قابل توجهی می‌دهد و با استفاده از این تغییرات می‌توان میدان مغناطیسی در اعماق اقیانوس‌ها را بررسی کرد. به علاوه زمانی که سنگ‌های آتشفشانی بازالت به تازگی سرد شده باشند، این امکان را فراهم می‌آورند که بتوان میدان مغناطیسی زمین را اندازه‌گیری کرد.

کاربردها و خطرات میدان مغناطیسی زمین

میدان مغناطیسی زمین علاوه بر کاربردهای انکارناپذیر آن، خطراتی نیز در پی داشته است که در ادامه به بررسی آن‌ها می‌پردازیم.

از مهمترین کاربردهای میدان مغناطیسی زمین می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • جهت‌یابی: اولین نوشته‌ها در مورد جهت‌یابی با قطب‌نما به قرن ۱۱ بازمی‌گردد و شواهدی وجود دارد که نشان می‌دهد اروپاییان ۱۰۰ سال بعد شروع به استفاده از قطب‌نما و جهت‌یابی توسط میدان مغناطیسی زمین کردند.
  • حفاری هدف‌دار: یک شکل خاص از جهت‌یابی، حفاری با جهت‌یابی مشخص در صنعت نفت است. دو روش جهت‌یابی به سمت اهداف غالباً کوچک در مخازن نفت وجود دارد: ۱) استفاده از ابزارهای ژیرو که از لحاظ اقتصادی به صرفه نیست. ابزارهای ژیرو قطب‌نماهای غیرمغناطیسی هستند که براساس چرخش زمین و دیسک کار می‌کنند. ۲) روش دیگر استفاده از ابزارهای مغناطیسی است. از آنجا که حفاری از لحاظ اقتصادی پرهزینه است و باید از تخریب چاه‌های حفر شده جلوگیری شود، دقت اندازه‌گیری در مقادیر میدان مغناطیسی زمین از نظر جهت و اندازه باید به ترتیب از مرتبه ۰٫۱ درجه و 50 نانوتسلا باشد.
  • اکتشافات در زمینه ژئوفیزیک: بررسی میدان مغناطیسی از یک منطقه می‌تواند به پیشبرد اهداف زمین‌شناسان در آن منطقه کمک کند، همچنین این بررسی‌ها می‌تواند مکان کانه آهن را به وضوح مشخص کند.

در کنار این مزیت‌ها، میدان مغناطیسی زمین موجب خساراتی نیز شده است. طوفان مغناطیسی سال ۱۹۸۹ خسارات زیادی به سیستم‌های الکترونیکی وارد کرد؛ به طوری که سیستم انتقال نیرو در کبک برای ۹ ساعت به دلیل تخریب ناشی از طوفان مغناطیسی قابل استفاده نبود. طوفان‌های مغناطیسی باعث اختلال در کار ماهواره‌ها نیز می‌شوند.

آیا مرکز میدان مغناطیسی زمین مشخص است؟

برای این سوال شواهد علمی و مقاله‌ای هنوز به ثبت نرسیده است، ولی با توجه به این موضوع که جهت میدان مغناطیسی به مرور زمان در حال تغییر است این مفهوم به ذهن می‌رسد که مرکز میدان مغناطیسی نیز می‌تواند تغییر کند.

در سال 2019 قطب شمال مغناطیسی در شمال کانادا قرار داشته، اما با سرعتی در حدود 50 کیلومتر در سال در حال حرکت است و در حدود یک دهه دیگر به شمال روسیه می‌رسد. شکل زیر مکان قطب‌های مغناطیسی شمال و جنوب را از سال‌های 1900 تا 2020 نشان می دهد. می‌توان مشاهده کرد که سرعت تغییر قطب شمال از سال 2000 افزایش یافته است، در حالی که قطب جنوبی در مقایسه با آن حرکت چندانی نداشته است.

تغییرات میدان مغناطیسی
شکل ۶: محل قرارگیری قطب‌های مغناطیسی در هر 5 سال بین سال‌های ۱۹۰۰ تا ۲۰۲۰ با یک نقطه برای قطب شمال مغناطیسی (الف) و قطب جنوب مغناطیسی (ب) نشان داده شده است. توجه کنید قطب شمال مغناطیسی از سال 1900 بسیار بیشتر و سریعتر از قطب مغناطیسی جنوب حرکت کرده است.
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

«سارا داستان»، دکتری فیزیک نظری از دانشگاه گیلان دارد. او به فیزیک بسیار علاقه‌مند است و در زمینه‌ متون فیزیک در مجله فرادرس می‌نویسد.

بر اساس رای 51 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

یک نظر ثبت شده در “میدان مغناطیسی زمین | به زبان ساده

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *