Co siĂŞ dzieje z biegunami magnetycznymi Ziemi?
Ziemia ma dwa bieguny magnetyczne, które nie pokrywaj¹ 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.
W³asnoœci magnetyczne Ziemi wynikaj¹ z jej wewnêtrznej budowy. Ziemia sk³ada siê z czterech podstawowych warstw: sta³ego j¹dra wewnêtrznego z niemal czystego ¿elaza, z p³ynnego p³aszcza zewnêtrznego równie¿ sk³adaj¹cego siê g³ównie z ¿elaza, skalistego p³aszcza i cienkiej skorupy obejmuj¹cej kontynenty i dna oceanów. £¹czny ciê¿ar p³aszcza i skorupy wytwarza w j¹drze ciœnienie œrednio dwa miliony razy wiêksze od tego jakie panuje na powierzchni planety. Temperatura j¹dra wynosi oko³o 5000°C i wytworzy³a siê podczas formowania Ziemi na skutek kurczenia siê materii.
ród³em ziemskiego magnetyzmu s¹ pr¹dy, które p³yn¹ w stopionym j¹drze naszej planety. Fizycy ustalili, ¿e planeta mo¿e wytwarzaÌ w³asne pole magnetyczne, gdy spe³nione s¹ trzy podstawowe warunki. Pierwszym jest obecnoœÌ wewn¹trz du¿ej iloœci p³ynnego przewodnika, którym jest w przypadku Ziemi p³ynne ¿elazo znajduj¹ce siê w p³aszczu zewnêtrznym. Drugim jest zapewnienie dop³ywu energii niezbêdnej do wprawienia p³ynu w ruch. ród³em energii dymana ziemskiego s¹ ciep³o i reakcje chemiczne oraz krystalizacja ¿elaza na granicy j¹dra wewnêtrznego. Powoduje to powstawanie pr¹dów konwekcyjnych. W pobli¿u j¹dra wewnêtrznego temperatura jest znacznie wy¿sza ni¿ wy¿ej i ciep³e warstwy wêdruj¹ ku górze. Gdy gor¹cy strumieù dociera do do granicy z p³aszczem, oddaje mu czêœÌ ciep³a. Sch³odzone ¿elazo staje siê gêstsze od otoczenia i sp³ywa z powrotem. Trzecim czynnikiem jest rotacja w wyniku ruchu
Zmiana rozkÂładu ziemskiego pola magnetycznego, od roku 1980 anomalii przybyÂło, a istniejÂące siĂŞ powiĂŞkszyÂły
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 zas³ug¹ istnienia p³ynnego, metalicznego ¿elaza, zasobów energii wystarczaj¹cych do podtrzymania konwekcji oraz si³y Coriolisa. Jest to tylko niestety uproszczenie. Pole magnetyczne jako ca³oœÌ podobne jest do pola magnesu sztabkowego, ale ruch wirowy powoduje, ¿e w wielu miejscach powstaj¹ obszary o przeciwnej biegunowoœci zwane anomaliami magnetycznymi.
Z namagnesowania starych ska³ i minera³ów mo¿na odczytaÌ, jak zmienia³o siê pole magnetyczne na przestrzeni wieków, bowiem podczas szybkiego stygniêcia lawy kryszta³y tak jak ig³y magnetyczne, uk³adaj¹ 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 nast¹pi³o oko³o 780 tysiêcy lat temu, a magnetyczny chaos z tym zwi¹zany trwa³ kilka tysiêcy lat.
Od dwudziestu lat dokÂładnie badamy precyzyjnie rozkÂład pola magnetycznego na powierzchni Ziemi. Najpierw ÂźrĂłdÂłem danych byÂł satelita Magsat, a od 1999 roku satelita Oersted. UÂżywajÂąc metod matematycznych i zakÂładajÂąc, Âże pola generowane przez prÂądy elektryczne w pÂłaszczu sÂą zaniedbywanie maÂłe, naukowcy uzyskali z tych pomiarĂłw mapy pola magnetycznego na powierzchni jÂądra. OkazaÂło siĂŞ, Âże chociaÂż pole magnetyczne jest podobne do magnesu sztabkowego to w wiĂŞkszoÂści pochodzi z czterech duÂżych stref na powierzchni jÂądra: dwa pod skrajnymi
Komputerowa symulacja pola magnetycznego Ziemi na 500 lat przed zmianÂą biegunĂłw
wybrze¿ami Antarktydy i po jednym pod Syberi¹ oraz Ameryk¹ Pó³nocn¹. Dodatkowo odkryto, ¿e od lat osiemdziesi¹tych powstaj¹ nowe anomalne obszary, na przyk³ad pod wschodnim wybrze¿em Ameryki Pó³nocnej czy pod Arktyk¹. Pojawienie siê tych anomalii jest najprawdopodobniej oznak¹ kolejnej zamiany biegunów. Zaobserwowano zmniejszenie siê natê¿enie ziemskiego pola magnetycznego o 10% w stosunku do pierwszych pomiarów wykonywanych w XIX wieku. Jeœli bêd¹ siê powiêksza³y w dotychczasowym tempie, to ziemskie bieguny magnetyczne mog¹ zanikn¹Ì w ci¹gu tysi¹ca lat, a kompasy bêd¹ bezu¿yteczne. Ciekawe jak poradz¹ sobie zwierzêta, np. ptaki, które w swych wêdrówkach kieruj¹ siê polem magnetycznym?
Aby poznaĂŚ lepiej mechanizm powstawania lokalnych niezgodnoÂści pola magnetycznego i sposĂłb, w jaki mogÂą powstawaĂŚ kolejne zmiany biegunĂłw magnetycznych, naukowcy symulujÂą geodynamo na superkomputerach i modelach fizycznych. Niestety moce obliczeniowe sÂą zbyt maÂłe aby w peÂłni ÂśledziĂŚ procesy podobne do zachodzÂących w jÂądrze Ziemi. PrĂłbujemy rĂłwnieÂż budowaĂŚ modele fizyczne w laboratorium. Po raz pierwszy w 2000 roku dwa europejskie zespoÂły niezaleÂżnie od siebie wytworzyÂły spontanicznie wytworzone bieguny magnetyczne w spiralnie skrĂŞconych rurach o dÂługoÂści 1-2 metry, zawierajÂących ciekÂły sĂłd (sĂłd ma bardzo niskÂą temperaturĂŞ topnienia). W najbliÂższym czasie planuje siĂŞ umieÂściĂŚ pÂłynny sĂłd w kulistych zbiornikach o Âśrednicy trzy metry i wprawiĂŚ go w ruch.
Czekamy na dalsze pomiary i lepsze komputery. Naukowcy spodziewaj¹ siê, ¿e po³¹czenie trzech metod badawczych - pomiarów satelitarnych, symulacji komputerowych i laboratoryjnych - nast¹pi najdalej za 10 do 20 lat.
Opracowano na podstawie artykuÂłu zamieszczonego w nr 5/2005 czasopisma ÂŚwiat 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 s¹dz¹, ¿e jej kszta³t nie jest sta³y. A te przeobra¿enia zachodz¹ce we wnêtrzu naszej planety maj¹ wielki wp³yw miêdzy innymi na kszta³t i si³ê ziemskiego pola grawitacyjnego.
Jest kilka teorii wyjaÂśnienia tego zjawiska. Pierwsza tajemnicĂŞ zmiennego pola grawitacyjnego Ziemi upatruje w oceanach. Ruchy gigantycznych mas wody, jakie dokonujÂą siĂŞ za sprawÂą morskich prÂądĂłw zmieniajÂą grawitacjĂŞ naszej planety. Wraz z przemieszczaniem siĂŞ wody sÂłodkiej i sÂłonej zmienia siĂŞ rozkÂład mas na naszej planecie. A grawitacja jest wszak wprost proporcjonalna do masy.
Wielu zwolenników ma teoria wi¹¿¹ca zmiany grawitacji z efektami efektu cieplarnianego. G³osi ona, ¿e wzrastaj¹ca œrednia temperatura atmosfery powoduje topnienie lodu i sprawia, ¿e np. pó³nocna Kanada i Pó³wysep Skandynawski uwolnione czêœciowo od przygniataj¹cych je mas lodu... zaczynaj¹ siê nieco unosiÌ do góry! Te ruchy - rzecz jasna - odbijaj¹ siê na kszta³cie pola grawitacyjnego. Wszystko jednak ma siê wyjaœniÌ wraz z uzyskaniem dok³adnych pomiarów zmian grawitacji. Globalne pomiary pola grawitacyjnego Ziemi nie s¹ jednak proste. Dlatego postanowiono zbadaÌ grawitacjê z kosmosu.
Mapa ró¿nic (w mikrometrach, czyli milionowych czêœciach metra) w odleg³oœci miêdzy dwoma statkami Grace. Zmiany w odleg³oœci s¹ powodowane przez zmiany w natê¿eniu ziemskiego pola grawitacyjnego, dzia³aj¹cego na ka¿dy ze statków.
17 marca 2002 roku wystartowa³a rakieta Rockot z dwoma bliŸniaczymi satelitami na pok³adzie. Rozpoczê³a siê amerykaùsko-niemiecka misja GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment). Oba satelity znajduj¹ siê 500 km nad powierzchni¹ Ziemi i pod¹¿aj¹ jeden za drugim w odleg³oœci 220 km. Przelatuj¹ one nad obszarami silniejszego lub s³abszego pola grawitacyjnego i potrafi¹ je rozró¿niÌ. Gdy pod¹¿aj¹cy przodem satelita wchodzi w obszar silniejszego pola grawitacyjnego, oddala siê nieznacznie od towarzysza. Dok³adna wartoœÌ odleg³oœci oraz wartoœÌ wzajemnej prêdkoœci satelitów s¹ mierzone za pomoc¹ umieszczonych na ich pok³adzie instrumentów oraz systemu GPS z dok³adnoœci¹ siêgaj¹c¹... 10 mikronów, czyli oko³o jednej dziesi¹tej gruboœci ludzkiego w³osa!
Dane gromadzone za pomocÂą GRACE sÂą wykorzystywane do budowania trĂłjwymiarowych modeli ziemskiego pola grawitacyjnego raz na 30 dni. Misja bĂŞdzie trwaÂła piĂŞĂŚ lat. Satelity mierzÂą rozkÂład masy na Ziemi z dokÂładnoÂściÂą od stu do tysiÂąca razy wiĂŞkszÂą niÂż dotychczas. Badania ujawniÂą drobne zmiany, jakie dokonujÂą siĂŞ w polu grawitacyjnym Ziemi i byĂŚ moÂże dostarczÂą teÂż wyjaÂśnieĂą, skÂąd siĂŞ one biorÂą. Poza monitorowaniem ziemskiej grawitacji uczeni planujÂą otworzenie z nieznanÂą dotÂąd precyzjÂą ksztaÂłtu ziemskiej geoidy. Oczekuje siĂŞ takÂże, Âże satelity Grace bĂŞdÂą wychwytywaÂły zmiany w prÂądach oceanicznych, zasobach wĂłd podziemnych i lodowcach, co pozwoli lepiej monitorowaĂŚ klimat Ziemi. O dokÂładnoÂści tej metody niech Âświadczy to, Âże wedÂług naukowcĂłw zaangaÂżowanych w projekt statki Grace sÂą w stanie zarejestrowaĂŚ czteromilimetrowe zmiany wysokoÂści wody w basenie Mississippi o powierzchni 32 milionĂłw kilometrĂłw kwadratowych.
Pod koniec 2002 roku satelita Grace zacz¹³ przesy³aÌ pierwsze wyniki swych niezwykle dok³adnych pomiarów pola grawitacyjnego Ziemi. W ci¹gu 30 dni twierdz¹ specjaliœci uzyskano wiêcej danych najlepszej jakoœci ni¿ uda³o siê nam zgromadziÌ przez ostatnie 30 lat. Pierwsze mapy zostan¹ udostêpnione wiosn¹ 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
