Co siê dzieje z biegunami magnetycznymi Ziemi?
Ziemia ma dwa bieguny magnetyczne, które nie pokrywaj± siê z biegunami geograficznymi. Magnetyczny biegun pó³nocny le¿y w pobli¿u bieguna geograficznego po³udniowego, a magnetyczny biegun po³udniowy le¿y w pobli¿u bieguna geograficznego pó³nocnego.
W³asno¶ci magnetyczne Ziemi wynikaj± z jej wewnêtrznej budowy. Ziemia sk³ada siê z czterech podstawowych warstw: sta³ego j±dra wewnêtrznego z niemal czystego ¿elaza, z p³ynnego p³aszcza zewnêtrznego równie¿ sk³adaj±cego siê g³ównie z ¿elaza, skalistego p³aszcza i cienkiej skorupy obejmuj±cej kontynenty i dna oceanów. £±czny ciê¿ar p³aszcza i skorupy wytwarza w j±drze ci¶nienie ¶rednio dwa miliony razy wiêksze od tego jakie panuje na powierzchni planety. Temperatura j±dra wynosi oko³o 5000°C i wytworzy³a siê podczas formowania Ziemi na skutek kurczenia siê materii.
¬ród³em ziemskiego magnetyzmu s± pr±dy, które p³yn± w stopionym j±drze naszej planety. Fizycy ustalili, ¿e planeta mo¿e wytwarzaæ w³asne pole magnetyczne, gdy spe³nione s± trzy podstawowe warunki. Pierwszym jest obecno¶æ wewn±trz du¿ej ilo¶ci p³ynnego przewodnika, którym jest w przypadku Ziemi p³ynne ¿elazo znajduj±ce siê w p³aszczu zewnêtrznym. Drugim jest zapewnienie dop³ywu energii niezbêdnej do wprawienia p³ynu w ruch. ¬ród³em energii dymana ziemskiego s± ciep³o i reakcje chemiczne oraz krystalizacja ¿elaza na granicy j±dra wewnêtrznego. Powoduje to powstawanie pr±dów konwekcyjnych. W pobli¿u j±dra wewnêtrznego temperatura jest znacznie wy¿sza ni¿ wy¿ej i ciep³e warstwy wêdruj± ku górze. Gdy gor±cy strumieñ dociera do do granicy z p³aszczem, oddaje mu czê¶æ ciep³a. Sch³odzone ¿elazo staje siê gêstsze od otoczenia i sp³ywa z powrotem. Trzecim czynnikiem jest rotacja w wyniku ruchu
Zmiana rozk³adu ziemskiego pola magnetycznego, od roku 1980 anomalii przyby³o, a istniej±ce siê powiêkszy³y
obrotowego Ziemi. Na p³ynne ¿elazo dzia³a wtedy si³a Coriolisa, która powoduje ruch wirowy strug p³ynnego ¿elaza i torem jest krzywa spiralna. Nieustanne istnienie pola magnetycznego Ziemi (geodynama) jest wiêc przede wszystkim zas³ug± istnienia p³ynnego, metalicznego ¿elaza, zasobów energii wystarczaj±cych do podtrzymania konwekcji oraz si³y Coriolisa. Jest to tylko niestety uproszczenie. Pole magnetyczne jako ca³o¶æ podobne jest do pola magnesu sztabkowego, ale ruch wirowy powoduje, ¿e w wielu miejscach powstaj± obszary o przeciwnej biegunowo¶ci zwane anomaliami magnetycznymi.
Z namagnesowania starych ska³ i minera³ów mo¿na odczytaæ, jak zmienia³o siê pole magnetyczne na przestrzeni wieków, bowiem podczas szybkiego stygniêcia lawy kryszta³y tak jak ig³y magnetyczne, uk³adaj± siê zgodnie z kierunkiem ziemskiego pola magnetycznego. Okazuje siê, ¿e bieguny ziemskiego pola magnetycznego cyklicznie zamienia³y siê miejscami - po³udniowy przechodzi³ na miejsce pó³nocnego i na odwrót. W czasie takiej zamiany ziemskie pole magnetyczne wariowa³o, miêdzy innymi zanika³y wtedy oba bieguny magnetyczne. Ostatnie odwrócenie biegunów nast±pi³o oko³o 780 tysiêcy lat temu, a magnetyczny chaos z tym zwi±zany trwa³ kilka tysiêcy lat.
Od dwudziestu lat dok³adnie badamy precyzyjnie rozk³ad pola magnetycznego na powierzchni Ziemi. Najpierw ¼ród³em danych by³ satelita Magsat, a od 1999 roku satelita Oersted. U¿ywaj±c metod matematycznych i zak³adaj±c, ¿e pola generowane przez pr±dy elektryczne w p³aszczu s± zaniedbywanie ma³e, naukowcy uzyskali z tych pomiarów mapy pola magnetycznego na powierzchni j±dra. Okaza³o siê, ¿e chocia¿ pole magnetyczne jest podobne do magnesu sztabkowego to w wiêkszo¶ci pochodzi z czterech du¿ych stref na powierzchni j±dra: dwa pod skrajnymi
Komputerowa symulacja pola magnetycznego Ziemi na 500 lat przed zmian± biegunów
wybrze¿ami Antarktydy i po jednym pod Syberi± oraz Ameryk± Pó³nocn±. Dodatkowo odkryto, ¿e od lat osiemdziesi±tych powstaj± nowe anomalne obszary, na przyk³ad pod wschodnim wybrze¿em Ameryki Pó³nocnej czy pod Arktyk±. Pojawienie siê tych anomalii jest najprawdopodobniej oznak± kolejnej zamiany biegunów. Zaobserwowano zmniejszenie siê natê¿enie ziemskiego pola magnetycznego o 10% w stosunku do pierwszych pomiarów wykonywanych w XIX wieku. Je¶li bêd± siê powiêksza³y w dotychczasowym tempie, to ziemskie bieguny magnetyczne mog± zanikn±æ w ci±gu tysi±ca lat, a kompasy bêd± bezu¿yteczne. Ciekawe jak poradz± sobie zwierzêta, np. ptaki, które w swych wêdrówkach kieruj± siê polem magnetycznym?
Aby poznaæ lepiej mechanizm powstawania lokalnych niezgodno¶ci pola magnetycznego i sposób, w jaki mog± powstawaæ kolejne zmiany biegunów magnetycznych, naukowcy symuluj± geodynamo na superkomputerach i modelach fizycznych. Niestety moce obliczeniowe s± zbyt ma³e aby w pe³ni ¶ledziæ procesy podobne do zachodz±cych w j±drze Ziemi. Próbujemy równie¿ budowaæ modele fizyczne w laboratorium. Po raz pierwszy w 2000 roku dwa europejskie zespo³y niezale¿nie od siebie wytworzy³y spontanicznie wytworzone bieguny magnetyczne w spiralnie skrêconych rurach o d³ugo¶ci 1-2 metry, zawieraj±cych ciek³y sód (sód ma bardzo nisk± temperaturê topnienia). W najbli¿szym czasie planuje siê umie¶ciæ p³ynny sód w kulistych zbiornikach o ¶rednicy trzy metry i wprawiæ go w ruch.
Czekamy na dalsze pomiary i lepsze komputery. Naukowcy spodziewaj± siê, ¿e po³±czenie trzech metod badawczych - pomiarów satelitarnych, symulacji komputerowych i laboratoryjnych - nast±pi najdalej za 10 do 20 lat.
Opracowano na podstawie artyku³u zamieszczonego w nr 5/2005 czasopisma ¦wiat Nauki.
Obserwacja zmian pola grawitacyjnego Ziemi
Ziemia nie jest idealnie kulista. Jej kszta³t zbli¿ony jest do sp³aszczonej kuli ale licznie zniekszta³conej. Co wiêcej, naukowcy s±dz±, ¿e jej kszta³t nie jest sta³y. A te przeobra¿enia zachodz±ce we wnêtrzu naszej planety maj± wielki wp³yw miêdzy innymi na kszta³t i si³ê ziemskiego pola grawitacyjnego.
Jest kilka teorii wyja¶nienia tego zjawiska. Pierwsza tajemnicê zmiennego pola grawitacyjnego Ziemi upatruje w oceanach. Ruchy gigantycznych mas wody, jakie dokonuj± siê za spraw± morskich pr±dów zmieniaj± grawitacjê naszej planety. Wraz z przemieszczaniem siê wody s³odkiej i s³onej zmienia siê rozk³ad mas na naszej planecie. A grawitacja jest wszak wprost proporcjonalna do masy.
Wielu zwolenników ma teoria wi±¿±ca zmiany grawitacji z efektami efektu cieplarnianego. G³osi ona, ¿e wzrastaj±ca ¶rednia temperatura atmosfery powoduje topnienie lodu i sprawia, ¿e np. pó³nocna Kanada i Pó³wysep Skandynawski uwolnione czê¶ciowo od przygniataj±cych je mas lodu... zaczynaj± siê nieco unosiæ do góry! Te ruchy - rzecz jasna - odbijaj± siê na kszta³cie pola grawitacyjnego. Wszystko jednak ma siê wyja¶niæ wraz z uzyskaniem dok³adnych pomiarów zmian grawitacji. Globalne pomiary pola grawitacyjnego Ziemi nie s± jednak proste. Dlatego postanowiono zbadaæ grawitacjê z kosmosu.
Mapa ró¿nic (w mikrometrach, czyli milionowych czê¶ciach metra) w odleg³o¶ci miêdzy dwoma statkami Grace. Zmiany w odleg³o¶ci s± powodowane przez zmiany w natê¿eniu ziemskiego pola grawitacyjnego, dzia³aj±cego na ka¿dy ze statków.
17 marca 2002 roku wystartowa³a rakieta Rockot z dwoma bli¼niaczymi satelitami na pok³adzie. Rozpoczê³a siê amerykañsko-niemiecka misja GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment). Oba satelity znajduj± siê 500 km nad powierzchni± Ziemi i pod±¿aj± jeden za drugim w odleg³o¶ci 220 km. Przelatuj± one nad obszarami silniejszego lub s³abszego pola grawitacyjnego i potrafi± je rozró¿niæ. Gdy pod±¿aj±cy przodem satelita wchodzi w obszar silniejszego pola grawitacyjnego, oddala siê nieznacznie od towarzysza. Dok³adna warto¶æ odleg³o¶ci oraz warto¶æ wzajemnej prêdko¶ci satelitów s± mierzone za pomoc± umieszczonych na ich pok³adzie instrumentów oraz systemu GPS z dok³adno¶ci± siêgaj±c±... 10 mikronów, czyli oko³o jednej dziesi±tej grubo¶ci ludzkiego w³osa!
Dane gromadzone za pomoc± GRACE s± wykorzystywane do budowania trójwymiarowych modeli ziemskiego pola grawitacyjnego raz na 30 dni. Misja bêdzie trwa³a piêæ lat. Satelity mierz± rozk³ad masy na Ziemi z dok³adno¶ci± od stu do tysi±ca razy wiêksz± ni¿ dotychczas. Badania ujawni± drobne zmiany, jakie dokonuj± siê w polu grawitacyjnym Ziemi i byæ mo¿e dostarcz± te¿ wyja¶nieñ, sk±d siê one bior±. Poza monitorowaniem ziemskiej grawitacji uczeni planuj± otworzenie z nieznan± dot±d precyzj± kszta³tu ziemskiej geoidy. Oczekuje siê tak¿e, ¿e satelity Grace bêd± wychwytywa³y zmiany w pr±dach oceanicznych, zasobach wód podziemnych i lodowcach, co pozwoli lepiej monitorowaæ klimat Ziemi. O dok³adno¶ci tej metody niech ¶wiadczy to, ¿e wed³ug naukowców zaanga¿owanych w projekt statki Grace s± w stanie zarejestrowaæ czteromilimetrowe zmiany wysoko¶ci wody w basenie Mississippi o powierzchni 32 milionów kilometrów kwadratowych.
Pod koniec 2002 roku satelita Grace zacz±³ przesy³aæ pierwsze wyniki swych niezwykle dok³adnych pomiarów pola grawitacyjnego Ziemi. W ci±gu 30 dni twierdz± specjali¶ci uzyskano wiêcej danych najlepszej jako¶ci ni¿ uda³o siê nam zgromadziæ przez ostatnie 30 lat. Pierwsze mapy zostan± udostêpnione wiosn± 2003 roku.
http://www.fizyka.net.pl/index.html?menu_file=aktualnosci/m_aktualnosci.html&former_url=http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_zf3.html