kelas="bagian1">

Detail:

Planet bumi

© Vladimir Kalanov,
situs web"Pengetahuan adalah kekuatan".

Medan magnet bumi

Ini adalah proses yang tidak dapat diakses oleh observasi langsung dan penelitian hanya pada tahap awal. Tetapi ketika proses-proses ini terwujud di permukaan bumi, ketika, seperti yang mereka katakan, terjadi dengan kekuatan penuh, maka proses-proses tersebut menjadi terlihat dan sangat terlihat oleh setiap orang yang berada dalam zona aksinya.

Namun ada juga proses tak terlihat yang terjadi di Bumi yang hampir tidak dirasakan oleh manusia. Pertama-tama, ini adalah daya tarik bumi. Fenomena kemagnetan telah diketahui masyarakat sejak lama. Magnetisme mendapatkan namanya dari kota Magnetia di Asia Kecil, tempat ditemukannya endapan bijih besi magnetis - “batu yang menarik besi” -. Kita menemukan bukti tertulis pertama tentang sifat-sifat magnet, khususnya, dalam puisi “On the Nature of Things” oleh Titus Lucretius Cara, yang ditulis pada abad pertama SM. Lucretius menjelaskan magnetisme dengan “arus magnet” yang mengalir dari “batu magnet”.

Orang telah lama menemukan kegunaan sifat magnet. Salah satu aplikasi pertama adalah kompas sebagai perangkat navigasi sederhana. Kompas ditemukan di Tiongkok sekitar seribu tahun SM. Di Eropa, kompas sudah dikenal sejak abad ke-12. Saat ini sangat mustahil membayangkan banyak industri tanpa menggunakan magnet dan elektromagnet.

Wilayah ruang dekat Bumi di mana medan magnet bumi terdeteksi disebut magnetosfer. Magnetisme adalah sifat alam yang komprehensif dan global. Penciptaan teori lengkap tentang magnetisme terestrial dan matahari masih merupakan masalah masa depan. Namun sains telah menemukan banyak hal dan memberikan penjelasan yang cukup meyakinkan tentang beberapa aspek dari fenomena kompleks seperti magnetisme. Secara khusus, banyak ilmuwan dan masyarakat awam yang merasa prihatin konsekuensi yang mungkin terjadi fenomena seperti pelemahan bertahap Medan gaya Bumi.

Memang sejak zaman Carl Gauss yang pertama kali mengukur kekuatan medan magnet bumi, yakni Selama lebih dari 170 tahun, medan magnet bumi terus melemah. Namun medan magnet adalah sejenis perisai yang menutupi bumi dan seluruh kehidupan di atasnya dari efek radiasi destruktif yang disebut angin matahari, yaitu angin matahari. elektron, proton, dan partikel lain yang dipancarkan Matahari. Magnetosfer bumi membelokkan aliran partikel-partikel ini dan partikel-partikel lain yang terbang dari luar angkasa menuju kutub, sehingga menghilangkan energi awalnya. Di kutub bumi, aliran partikel kosmik ini terhambat lapisan atas atmosfer, berubah menjadi fenomena aurora yang luar biasa indah.

Jika tidak ada angin matahari, medan magnet bumi akan relatif simetris terhadap planet, seperti pada Gambar 1. Gambar 2 menunjukkan magnetosfer bumi yang sebenarnya, yang diubah bentuknya oleh angin matahari. Gambar ketiga menunjukkan perbedaan antara kutub magnet dan geografis.

Jika tidak ada medan magnet

Namun jika tidak ada medan magnet, atau menjadi sangat lemah, maka semua kehidupan di Bumi akan terkena pengaruh langsung radiasi matahari dan kosmik. Dan hal ini, dapat diasumsikan, akan menyebabkan kerusakan radiasi pada organisme hidup, yang akan mengakibatkan mutasinya dalam arah yang tidak terbatas atau kematian. Untungnya, prospek seperti itu kecil kemungkinannya. Ahli paleomagnetologi, yaitu. mereka yang mempelajari medan magnet kuno telah mampu menetapkan dengan tingkat kepastian yang masuk akal bahwa medan magnet bumi terus-menerus berosilasi dengan periode yang berbeda. Jika semua kurva osilasi dijumlahkan, maka kurva yang dihasilkan berbentuk mendekati sinusoidal dengan jangka waktu 8 ribu tahun. Segmen kurva ini yang sesuai dengan zaman kita (awal tahun 2000an) berada pada cabang menurun dari kurva ini. Dan penurunan ini akan berlanjut selama sekitar dua ribu tahun. Setelah itu, medan magnet akan mulai menguat kembali. Penguatan medan ini akan terus berlangsung selama empat ribu tahun, kemudian akan terjadi penurunan lagi. Maksimal sebelumnya terjadi pada awal zaman kita. Amplitudo sinusoid penjumlahan harus kurang dari setengah nilai rata-rata kekuatan medan, yaitu. fluktuasi ini tidak dapat mengurangi kekuatan medan magnet bumi hingga nol.

Di sini, di website kami, karena singkatnya kondisi, kami tidak dapat mempertimbangkan secara rinci metodologi penelitian yang menghasilkan kesimpulan optimis tersebut. Para ilmuwan mempunyai pendapat berbeda mengenai penyebab fluktuasi medan magnet, namun belum ada teori pasti mengenai masalah ini. Mari kita tambahkan bahwa ilmu pengetahuan telah membuktikan adanya fenomena seperti inversi, yaitu. pertukaran periodik kutub magnet bumi di beberapa tempat: kutub utara berpindah ke tempat selatan, kutub selatan - ke tempat utara. Pergerakan seperti itu berlangsung dari 5 hingga 10 ribu tahun. Dalam sejarah planet kita, “lompatan” kutub seperti itu telah terjadi ratusan kali. Pergerakan terakhir terjadi 700 ribu tahun yang lalu. Tidak ada periodisitas atau keteraturan spesifik dari fenomena ini yang teridentifikasi. Alasan pembalikan kutub ini tersembunyi dalam interaksi kompleks bagian cair inti bumi dengan ruang angkasa. Ahli paleomagnetologi telah menetapkan bahwa di Bumi juga terjadi perpindahan kutub magnet dari kutub geografis dalam jarak yang jauh, namun berakhir dengan kembalinya kutub ke tempat semula.

Ada dugaan bahwa selama pembalikan kutub, medan magnet bumi menghilang, dan planet ini selama beberapa waktu tetap tanpa lapisan pelindung yang tidak terlihat. Namun asumsi-asumsi ini tidak mendapatkan pembenaran ilmiah yang dapat diandalkan dan hanya tinggal asumsi saja.

Beberapa ilmuwan umumnya berpendapat bahwa perubahan mendadak pada magnetosfer bumi tidak berbahaya, karena menurut mereka, perlindungan utama terhadap radiasi kosmik bagi semua makhluk hidup bukanlah medan magnet, melainkan atmosfer. Pendapat ini khususnya dianut oleh ahli biologi evolusi Profesor B.M. Mednikov. Dengan kata lain, masalah interaksi medan magnet dengan proses kehidupan di Bumi masih jauh dari jelas, dan masih banyak pekerjaan yang harus dilakukan para peneliti di sini.

Pengaruh medan magnet pada organisme hidup

Telah lama diketahui bahwa medan magnet berdampak negatif terhadap organisme hidup. Eksperimen pada hewan menunjukkan bahwa medan magnet luar menunda perkembangannya, memperlambat pertumbuhan sel, dan mengubah komposisi darah. Selama apa yang disebut badai magnet, mis. Dengan fluktuasi tajam dalam kekuatan medan magnet, orang sakit yang bergantung pada cuaca mengalami penurunan kesehatan.

Kekuatan medan magnet diukur dalam oersteds (E). Satuan ini dinamai fisikawan Denmark Hans Oersted (1777-1851), yang menemukan hubungan antara fenomena listrik dan magnet.

Karena manusia dapat terpapar medan magnet di tempat kerja dan di rumah, tingkat kekuatan medan magnet yang diizinkan telah dikembangkan. Menurut berbagai perkiraan, medan magnet dengan kekuatan 300-700 oersted dianggap aman bagi manusia. Lebih tepatnya, dalam produksi dan kehidupan sehari-hari, seseorang tidak dipengaruhi oleh medan magnet, tetapi oleh medan elektromagnetik. Faktanya adalah bahwa selama pengoperasian perangkat listrik atau radio apa pun, baik medan magnet maupun listrik hanya dapat muncul sebagai satu kesatuan, yang disebut medan elektromagnetik. Hal ini dijelaskan oleh sifat umum fenomena magnet dan listrik.

Perlu diperhatikan sisi fisik dari proses pengaruh medan magnet tubuh manusia Hal ini belum sepenuhnya jelas. Medan magnet juga mempengaruhi tanaman. Berdasarkan hasil beberapa percobaan, ternyata perkecambahan dan pertumbuhan benih bergantung pada bagaimana orientasi awalnya terhadap medan magnet bumi. Mengubah medan magnet luar dapat mempercepat atau menghambat perkembangan tanaman. Mungkin fenomena ini akan diterapkan dalam praktik pertanian.

Jadi, di sekitar kita terdapat medan magnet yang dihasilkan oleh alam itu sendiri dan diciptakan oleh sumber buatan manusia - mulai dari generator dan transformator arus bolak-balik hingga oven microwave dan telepon seluler.

Kekuatan medan magnet bumi

Berapakah kekuatan medan magnet bumi? Nilainya tidak sama di semua tempat dan bervariasi dari 0,24 Oe (di Brasil) hingga 0,68 Oe (di Antartika). Kekuatan medan geomagnetik rata-rata diyakini 0,5 oersted. Di tempat-tempat di mana terdapat deposit besar bahan feromagnetik (bijih besi), terjadi anomali magnetik. Anomali magnet Kursk dikenal luas di Rusia yang kuat medannya 2 Oe. Sebagai perbandingan: Kuat medan magnet Merkurius 1/500 Oe, Bulan - 10 -5 Oe, dan medium antarbintang bahkan lebih kecil lagi - 10 -8 Oe. Namun kekuatan medan magnet bintik matahari sangat besar dan setara dengan 10 3 Oe. Bintang katai putih memiliki medan yang lebih kuat - hingga 10 7 Oe. Medan magnet terkuat yang tercatat di alam semesta diciptakan oleh bintang neutron dan pulsar. Kekuatan medan magnet benda luar angkasa tersebut mencapai 10 12 oersted! Dalam kondisi laboratorium, dimungkinkan untuk mencapai intensitas magnet yang ratusan ribu kali lebih lemah, dan itupun dalam waktu yang diukur dalam sepersekian detik. Para ahli menyarankan bahwa jika mungkin dalam kondisi laboratorium untuk memperoleh medan magnet yang kekuatannya sebanding dengan medan magnet yang bekerja bintang neutron, maka transformasi menakjubkan akan terjadi pada objek yang terpapar pada bidang yang tak terbayangkan tersebut. Misalnya besi yang massa jenisnya adalah kondisi normal sama dengan 7,87 g/cm³, di bawah pengaruh medan tersebut akan berubah menjadi zat dengan massa jenis 2700 g/cm³. Sebuah kubus dengan panjang rusuk 10 cm yang terbuat dari bahan semacam itu akan memiliki berat 2,7 ton, dan memerlukan derek yang kuat untuk memindahkannya.

Medan magnet bumi.

Masalah utama yang dibahas dalam kuliah:

1. Sifat geomagnetisme.

2. Unsur medan magnet bumi.

3. Struktur medan geomagnetik.

4. Magnetosfer dan sabuk radiasi bumi.

5. Variasi sekuler dari medan geomagnetik.

6. Anomali medan geomagnetik.

1. Sifat geomagnetisme. Magnetisme terestrial, atau geomagnetisme, adalah sifat bumi sebagai benda langit yang menentukan keberadaan medan magnet di sekitarnya. Geomagnetologi adalah ilmu tentang bumi.

Teori dinamo hidromagnetik didasarkan pada fakta yang ditetapkan oleh ahli geofisika bahwa pada kedalaman 2900 km terdapat inti luar bumi yang “cair” dengan konduktivitas listrik yang baik (106–105 S/m).

Ide dinamo hidromagnetik pertama kali dikemukakan pada tahun 1919 oleh Larmore di Inggris untuk menjelaskan sifat magnet Matahari. Dalam Earth's Magnetism (1947), fisikawan Soviet Ya.I.Frenkel mengutarakan gagasan bahwa konveksi termal di inti bumi justru menjadi alasan yang mengaktifkan dinamo hidromagnetik inti bumi.

Ketentuan pokok hipotesis dinamo hidromagnetik adalah sebagai berikut.

1. Berkat apa yang disebut efek gyromagnetic (dari bahasa Yunani Gyro - berputar, berputar) dan rotasi bumi selama pembentukannya, medan magnet yang sangat lemah dapat timbul. Efek gyromagnetik adalah magnetisasi benda feromagnetik akibat rotasi dan rotasinya dalam kondisi magnetisasi tertentu. Efek gyromagnetik mengungkapkan hubungan antara momen mekanis dan magnetik suatu atom.

2. Adanya elektron bebas pada inti dan perputaran bumi dalam medan magnet yang lemah menyebabkan terjadinya induksi arus listrik eddy pada inti.

3. Arus eddy yang diinduksi pada gilirannya menciptakan (menghasilkan) medan magnet, seperti yang terjadi pada dinamo. Peningkatan medan magnet bumi akan menyebabkan peningkatan baru dalam arus eddy di inti, dan yang terakhir akan menyebabkan peningkatan medan magnet.

4. Proses yang mirip dengan regenerasi berlangsung hingga hilangnya energi akibat viskositas inti dan inti hambatan listrik tidak dikompensasi oleh energi tambahan arus eddy dan alasan lainnya.

Jadi, menurut Frenkel, inti bumi merupakan semacam turbogenerator alami. Peran turbin di dalamnya dimainkan oleh aliran panas: mereka mengangkat sejumlah besar logam cair, yang memiliki sifat cair, dari kedalaman inti ke atas sepanjang radius. Semakin dingin, dan karenanya semakin berat, partikel lapisan atas akan tenggelam. Kekuatan Coriolis "memutar" mereka poros bumi, sehingga membentuk gulungan raksasa di dalam “dinamo duniawi”. Pada aliran logam panas yang tertutup ini, seperti pada lilitan kawat pada jangkar dinamo biasa, arus induksi seharusnya sudah timbul sejak lama. Secara bertahap ia menarik inti bumi. Medan magnet awal yang sangat lemah semakin intensif hingga, seiring waktu, mencapai nilai batasnya. Batas ini telah dicapai di masa lalu. Dan meskipun turbogenerator bumi terus beroperasi, energi kinetik aliran logam cair tidak lagi digunakan untuk magnetisasi inti bumi, melainkan diubah seluruhnya menjadi panas.

Medan magnet bumi telah ada selama sekitar 3 miliar tahun, yaitu sekitar 1,5 miliar tahun lebih muda dari usianya. Artinya, bumi bukanlah peninggalan dan, jika tidak ada mekanisme pemulihan, tidak mungkin ada sepanjang sejarah geologi Bumi.

2. Unsur medan magnet bumi. Pada setiap titik di permukaan bumi, medan magnet dicirikan oleh vektor intensitas total Ht, yang besar dan arahnya ditentukan oleh tiga unsur magnet bumi; komponen horizontal tegangan H, deklinasi magnet D dan kemiringan I. Deklinasi magnet adalah sudut pada bidang horizontal antara meridian geografis dan magnet; kemiringan magnet adalah sudut pada bidang vertikal antara bidang horizontal dan arah vektor penuh Ht.

Besaran H, X, Y, Z, D dan I disebut unsur kemagnetan terestrial, sedangkan unsur H, X, Y dan Z disebut komponen gaya medan magnet terestrial, dan D dan I disebut sudut. yang.

Vektor total kuat medan magnet bumi Ht, komponen gayanya H, X, Y dan Z berdimensi A/m, deklinasi D dan kemiringan I - derajat sudut, menit dan detik. Kekuatan medan magnet bumi relatif rendah: vektor total Ht bervariasi dari 52,5 A/m di kutub hingga 26,3 A/m di ekuator.

Beras. 5.1 – Unsur magnet terestrial

Nilai-nilai mutlak nilai unsur magnetisme bumi kecil, oleh karena itu instrumen presisi tinggi digunakan untuk mengukurnya - magnetometer dan variometer magnetik; Terdapat variometer untuk mengukur nilai H dan nilai Z. Stasiun magnet bergerak yang dilengkapi dengan magnetometer optik-mekanis dan kuantum yang kompleks digunakan. Garis-garis yang menghubungkan titik-titik pada peta dengan deklinasi D yang sama disebut isogon, dengan kemiringan I yang sama - isoklin, dengan H atau Z yang sama - isodina komponen horizontal atau vertikal dari vektor tegangan total Ht dan dengan X atau Y yang sama - isodina komponen utara atau timur. Nilai unsur kemagnetan bumi terus berubah seiring berjalannya waktu sehingga peta magnet diperbarui setiap lima tahun sekali.

3. Struktur medan geomagnetik. Medan magnet bumi memiliki struktur yang heterogen. Ini terdiri dari dua bagian: bidang konstan dan bolak-balik. Medan konstan disebabkan oleh sumber magnet internal; Sumber medan bolak-balik adalah arus listrik di lapisan atas atmosfer - ionosfer dan magnetosfer. Pada gilirannya, medan magnet konstan bersifat tidak homogen dan terdiri dari beberapa bagian. Oleh karena itu, secara umum medan magnet bumi terdiri dari bidang-bidang berikut:

=Ho+Hm+Ha+Hв+δH, (5.1)

dimana Нт – intensitas medan magnet bumi; Namun apakah kekuatan medan dipol diciptakan oleh magnetisasi bola bumi yang seragam; Nm adalah kekuatan medan non-dipol, atau benua, yang tercipta alasan internal, disebabkan oleh heterogenitas lapisan dalam bumi; Na adalah kekuatan medan anomali yang diciptakan oleh magnetisasi berbeda bagian atas kerak bumi; Нв – kekuatan medan, yang sumbernya dikaitkan dengan penyebab eksternal; δH – kekuatan medan variasi magnet yang disebabkan oleh penyebab eksternal.

Jumlah medan Ho+Hm=NG membentuk medan magnet utama bumi. Bidang anomali terdiri dari dua bagian: bidang yang bersifat regional Нр dan bidang yang bersifat lokal (lokal) Нл. Anomali lokal dapat ditumpangkan pada anomali regional, dan kemudian Ha = Нр+Нл.

Jumlah lapangan Ho+Hm+Hb biasa disebut lapangan normal. Namun, medan Hb memberikan kontribusi yang sangat kecil terhadap keseluruhan medan geomagnetik Hb. Sebuah studi sistematis tentang medan geomagnetik, menurut observatorium magnetik dan survei magnetik, menunjukkan bahwa medan luar dalam kaitannya dengan medan dalam kurang dari 1% dan oleh karena itu dapat diabaikan. Dalam hal ini, medan normal bertepatan dengan medan magnet utama bumi.

Kutub geomagnetik terletak pada pertemuan sumbu magnet bumi dengan permukaan bumi. Meskipun kutub magnet utara terletak di belahan bumi selatan, dan kutub selatan berada di belahan bumi utara, namun dalam kehidupan sehari-hari disebut dengan analogi kutub geografis.

Seiring waktu, kutub magnet berubah posisinya. Dengan demikian, kutub magnet utara bergerak melintasi permukaan bumi sebesar 20,5 m (7,5 km per tahun) per hari, dan kutub selatan sebesar 30 m (11 km per tahun).

4. Magnetosfer dan sabuk radiasi bumi. Medan magnet bumi tidak hanya ada di dekat permukaan bumi, tetapi juga di atasnya jarak jauh darinya, yang ditemukan menggunakan roket luar angkasa dan stasiun luar angkasa antarplanet. Pada jarak 10–14 jari-jari Bumi, medan geomagnetik bertemu dengan medan magnet antar lempeng dan medan yang disebut angin matahari. Angin matahari adalah aliran plasma dari korona matahari (gas koronal yang sebagian besar terdiri dari hidrogen dan helium) ke ruang antarplanet. Kecepatan partikel angin matahari (proton dan elektron) sangat besar - sekitar 400 km/s, jumlah partikel (sel darah) beberapa puluh per 1 cm 3, suhu mencapai 1,5–2 juta derajat. Pada batas medan magnet dan medan magnet bumi, intensitasnya sekitar (0,4–0,5)·10-2 A/m.

Daerah kerja medan magnet bumi disebut magnetosfer, dan batas luarnya disebut magnetopause (Gbr. 5.3). Medan geomagnetik sangat dipengaruhi oleh angin matahari. Magnetosfer meluas dalam jarak yang sangat jauh: yang terkecil - menuju Matahari - mencapai 10-14 jari-jari Bumi, yang terbesar - di sisi malam - sekitar 16 jari-jari Bumi. Ekor magnetnya bahkan lebih besar (menurut data dari satelit Bumi buatan - ratusan jari-jari Bumi).

Gambar 5.3 – Struktur magnetosfer bumi: 1 – angin matahari; 2 – guncangan depan; 3 – rongga magnet; 4 – jeda magnet; 5 - batas atas celah magnetosfer kutub; 6 – mantel plasma; 7 – sabuk radiasi luar atau plasmasfer; 9 – lapisan netral; 10 – lapisan plasma

Sabuk proton bagian dalam maksimum terletak pada jarak 3,5 jari-jari Bumi (22 ribu km). Di dalam plasmasfer, dekat permukaan bumi, terdapat sabuk radiasi elektron kedua. Di dekat kutub, sabuk ini terletak pada jarak 100 km, namun bagian utamanya terletak pada jarak 4,4 - 10 ribu km dari permukaan planet. Elektron di dalamnya memiliki energi puluhan hingga ratusan keV. Intensitas aliran elektron diperkirakan mencapai 109 partikel per cm 2 /s, yaitu suatu urutan besarnya lebih tinggi daripada di sabuk elektron terluar.

Kekuatan radiasi di sabuk radiasi cukup tinggi - beberapa ratus bahkan ribuan setara biologis sinar-X per hari. Oleh karena itu, pesawat luar angkasa yang membawa astronot diluncurkan ke orbit yang terletak di bawah sabuk ini.

Jika tidak ada magnetosfer, maka aliran matahari dan angin kosmik, yang tidak menemui hambatan, akan mengalir deras ke permukaan bumi dan berdampak buruk bagi semua makhluk hidup, termasuk manusia.

5. Variasi sekuler dari medan geomagnetik. Proses perubahan nilai rata-rata tahunan suatu unsur magnetisme terestrial selama beberapa dekade dan abad disebut variasi sekuler, dan perubahannya dari tahun ke tahun disebut arus sekuler.

Apa yang disebut efek “membekukan medan magnet ke dalam material” memungkinkan kita menilai masa lalu medan geomagnetik – arah dan intensitasnya. Batuan apa pun, zat apa pun yang mengandung besi, atau unsur feromagnetik lainnya selalu berada di bawah pengaruh medan magnet bumi. Magnet dasar pada bahan ini cenderung mengorientasikan dirinya sepanjang garis medan magnet.

Jika bahan dipanaskan, akan tiba saatnya gerakan termal partikel menjadi sangat energik sehingga merusak tatanan magnet. Kemudian, ketika material mendingin, mulai dari titik Curie (titik Curie adalah suhu di bawah batuan menjadi feromagnetik; untuk besi murni titik Curie adalah 769 ° C, untuk magnetit - 580 ° C), medan magnet berlaku. atas kekuatan gerakan kacau. Magnet-magnet elementer akan kembali sejajar sesuai dengan perintah medan magnet, dan akan tetap pada posisi ini sampai benda tersebut dipanaskan kembali. Dengan demikian, medan geomagnetik tampak “membeku” menjadi material.

Saat ini, medan magnet bumi berkurang 2,5% per 100 tahun, dan dalam waktu sekitar 4000 tahun, jika sifat penurunan ini tidak berubah, maka akan berkurang menjadi nol. Namun, ahli paleomagnetologi berpendapat hal tersebut tidak akan terjadi.

Jika kita menjumlahkan semua kurva siklik dengan periode osilasi medan magnet bumi yang berbeda, kita mendapatkan apa yang disebut “kurva yang dihaluskan, atau dirata-ratakan”, yang cukup bertepatan dengan sinusoidal yang memiliki periode 8000 tahun. Saat ini, nilai total osilasi medan magnet berada pada segmen sinusoida yang menurun.

Perbedaan durasi periode osilasi medan geomagnetik tampaknya dijelaskan oleh kurangnya keseimbangan pada bagian yang bergerak dari dinamo hidromagnetik dan perbedaan konduktifitas listriknya.

Inversi adalah pertukaran kutub magnet di beberapa tempat. Selama pembalikan, kutub magnet Utara berpindah ke tempat Selatan, dan Selatan ke tempat Utara.

Kadang-kadang, alih-alih inversi, mereka berbicara tentang “lompatan” kutub. Namun, kata ini tidak sepenuhnya cocok untuk kutub, karena kutub tidak bergerak begitu cepat - menurut beberapa perkiraan, "lompatan" tersebut berlangsung selama 5 atau bahkan 10 ribu tahun.

Selama 600 ribu tahun terakhir, 12 zaman pembalikan medan geomagnetik telah terjadi (Gottenborg - 10-12 ribu tahun, Lachami - 20-24 ribu tahun, dll.). Merupakan ciri khas bahwa perubahan geologis, iklim dan biologis yang signifikan di planet ini terjadi bersamaan dengan zaman ini.

6. Anomali medan geomagnetik. Anomali magnet merupakan penyimpangan nilai unsur kemagnetan terestrial dari nilai normal, yang akan diamati di tempat tertentu jika terjadi magnetisasi Bumi yang seragam.

Jika terdeteksi perubahan deklinasi dan kemiringan magnet secara tiba-tiba di sembarang tempat, hal ini menandakan bahwa batuan yang mengandung mineral feromagnetik tersembunyi di bawah permukaan bumi. Ini termasuk magnetit, titano-magnetit, hematit, dll. Magnetit memiliki kerentanan magnetik terbesar, oleh karena itu sejumlah besar anomali terkait dengan keberadaannya di batuan.

Tergantung pada ukurannya, anomali magnetik dibagi menjadi benua, regional dan lokal. Anomali benua merupakan akibat dari adanya arus pusaran yang kuat di bawah pusatnya. Penyebab anomali regional dan lokal adalah batuan dengan sifat kemagnetan yang meningkat. Batuan ini, yang berada di medan magnet bumi, menjadi termagnetisasi dan menciptakan medan magnet tambahan.

Sifat magnetik sampai tingkat tertentu melekat pada semua batuan. Ketika suatu batuan ditempatkan dalam medan magnet, setiap elemen volumenya menjadi termagnetisasi. Kemampuan suatu zat untuk mengubah magnetisasinya di bawah pengaruh medan magnet luar disebut kerentanan magnetik. Tergantung pada nilai numerik dan tanda kerentanan magnetik, semua zat alami dibagi menjadi tiga kelompok: diamagnetik, paramagnetik, feromagnetik. Selain itu, untuk zat diamagnetik, kerentanan magnetiknya negatif, dan untuk zat paramagnetik dan feromagnetik, suseptibilitasnya positif.

Untuk zat diamagnetik (kuarsa, marmer, grafit, tembaga, emas, perak, timah, air, dll.), magnetisasi sebanding dengan kuat medan magnet dan diarahkan ke arahnya. Zat diamagnetik menyebabkan melemahnya medan magnet bumi dan berkontribusi terhadap terbentuknya anomali magnet negatif.

Pada zat paramagnetik (batuan metamorf dan beku, logam alkali, dll.), magnetisasi juga sebanding dengan kuat medan magnet, tetapi tidak seperti zat diamagnetik, magnetisasi memiliki arah yang sama. Pada zat feromagnetik (besi, nikel, kobalt, dll.), magnetisasinya jauh lebih besar dibandingkan zat dia- dan paramagnetik, tidak sebanding dengan kekuatan medan magnet, dan sangat bergantung pada suhu dan “prasejarah magnet” zat tersebut. .

Kontribusi utama terhadap penciptaan anomali medan magnet dibuat oleh mineral feromagnetik (magnetit, titanomagnetit, ilmenit, dll.) dan batuan bangga yang mengandungnya. Karena secara umum kerentanan magnet batuan bervariasi dalam batas yang luas (jutaan kali), intensitas anomali medan magnet juga bervariasi dalam batas yang luas.

Medan magnet bolak-balik bumi. Sumber medan magnet bolak-balik terletak di luar ruang angkasa bumi. Berdasarkan asalnya, mereka adalah arus induktif yang muncul di lapisan atmosfer yang tinggi (dari seratus hingga beberapa ribu kilometer). Arus induksi dibentuk oleh aliran keluar plasma - aliran partikel bermuatan kedua tanda (sel darah) yang terbang dari Matahari. Menembus medan magnet bumi, sel-sel ditangkap olehnya dan menyebabkan sejumlah fenomena kompleks, seperti ionisasi atmosfer, aurora, pembentukan sabuk radiasi bumi, dll.

Medan magnet bolak-balik ditumpangkan pada medan magnet utama bumi dan menyebabkan berbagai variasinya dari waktu ke waktu. Beberapa di antaranya terjadi dengan lancar dan mengikuti pola tertentu. Inilah yang disebut variasi periodik (tidak terganggu). Lainnya bersifat kacau, parameter medan geomagnetik (periode, amplitudo, fase) terus menerus dan tajam mengubah nilainya.

Variasi solar-diurnal adalah perubahan unsur kemagnetan terestrial dengan periode yang sama dengan lamanya hari matahari. Variasi solar-diurnal dalam unsur-unsur magnet terestrial bergantung pada waktu dalam setahun dan garis lintang geografis, karena ditentukan oleh intensitas sinar ultraviolet Matahari dan, oleh karena itu, oleh posisi Bumi dalam kaitannya dengan Matahari. Merupakan ciri khas bahwa fase-fase osilasi baik dalam garis lintang maupun waktu dalam setahun praktis tidak berubah, terutama amplitudo osilasi yang berubah.

Variasi lunar-diurnal unsur kemagnetan bumi berhubungan dengan posisi Bulan relatif terhadap cakrawala dan disebabkan oleh pengaruh gravitasi Bulan terhadap atmosfer bumi. Variasi diurnal bulan dalam unsur magnet terestrial kecil - hanya mencakup 10–15% variasi diurnal matahari.

Getaran non-periodik yang terganggu meliputi badai magnet. Salah satu diantara mereka ciri ciri- kemunculan yang tiba-tiba. Dengan latar belakang medan magnet yang cukup tenang, hampir pada saat yang sama di seluruh bumi, semua elemen magnet terestrial tiba-tiba berubah nilainya, dan perjalanan badai selanjutnya mengalami perubahan yang sangat cepat dan terus menerus.

Berdasarkan intensitas (amplitudo), badai magnet biasanya dibedakan menjadi lemah, sedang, dan besar. Amplitudo unsur magnet terestrial selama badai magnet yang sangat besar mencapai beberapa derajat untuk deklinasi magnet, dan –2–4 A/m atau lebih untuk komponen vertikal dan horizontal. Intensitas badai meningkat dari garis lintang geomagnetik rendah ke tinggi. Durasi badai biasanya beberapa hari. Frekuensi dan kekuatan badai magnet bergantung pada aktivitas matahari.

DI DALAM tahun terakhir Para ilmuwan mulai memperoleh manfaat praktis dari badai magnet, memiliki kesempatan untuk “menyelidiki” Bumi hingga kedalaman yang lebih dalam dengan bantuan mereka. Metode mempelajari interior bumi dengan menggunakan gangguan magnetik disebut magnetic-teluric sounding, karena metode ini secara bersamaan mempertimbangkan gangguan magnetik dan arus telurik (yaitu terestrial) yang disebabkan oleh gangguan tersebut di Bumi. Sebagai hasil dari suara magnetik-telurik, diketahui bahwa pada kedalaman 300–400 km, konduktivitas listrik bumi meningkat tajam. Sampai kedalaman ini, Bumi bisa dibilang merupakan isolator.

Medan magnet bumi merupakan formasi yang dihasilkan oleh sumber-sumber di dalam planet. Ini adalah objek studi pada bagian geofisika terkait. Selanjutnya mari kita lihat lebih dekat apa itu medan magnet bumi dan bagaimana pembentukannya.

informasi Umum

Tidak jauh dari permukaan bumi, kira-kira pada jarak tiga jari-jarinya, garis-garis gaya dari medan magnet terletak di sepanjang sistem “dua muatan kutub”. Ada area yang disebut "bola plasma" di sini. Dengan semakin jauhnya jarak dari permukaan planet, pengaruh aliran partikel terionisasi dari mahkota matahari semakin meningkat. Hal ini menyebabkan kompresi magnetosfer dari sisi Matahari, dan sebaliknya, medan magnet bumi terentang dari sisi bayangan yang berlawanan.

Bola Plasma

Pergerakan terarah partikel bermuatan di lapisan atas atmosfer (ionosfer) mempunyai pengaruh yang nyata terhadap medan magnet permukaan bumi. Lokasi yang terakhir ini seratus kilometer ke atas dari permukaan planet. Medan magnet bumi menahan plasmasfer. Namun, strukturnya sangat bergantung pada aktivitas angin matahari dan interaksinya dengan lapisan pembatas. Dan frekuensi badai magnet di planet kita ditentukan oleh semburan api di Matahari.

Terminologi

Ada konsep “sumbu magnet bumi”. Ini adalah garis lurus yang melewati kutub-kutub planet yang bersesuaian. "Ekuator magnet" adalah lingkaran besar bidang yang tegak lurus terhadap sumbu ini. Vektor di atasnya memiliki arah mendekati horizontal. Kekuatan rata-rata medan magnet bumi sangat bergantung pada letak geografis. Kira-kira sama dengan 0,5 Oe, yaitu 40 A/m. Di ekuator magnet, indikator yang sama ini kira-kira 0,34 Oe, dan di dekat kutub mendekati 0,66 Oe. Dalam beberapa anomali planet, misalnya, dalam anomali Kursk, indikatornya ditingkatkan menjadi 2 Oe. garis magnetosfer bumi dengan struktur kompleks , diproyeksikan ke permukaannya dan menyatu di kutubnya sendiri, disebut “meridian magnet”.

Sifat kejadian. Asumsi dan dugaan

Belum lama ini, anggapan tentang hubungan antara kemunculan magnetosfer bumi dan aliran arus pada inti logam cair, yang terletak pada jarak seperempat hingga sepertiga jari-jari planet kita, menjadi benar adanya. Para ilmuwan juga mempunyai asumsi tentang apa yang disebut “arus telurik” yang mengalir di dekat kerak bumi. Harus dikatakan bahwa seiring berjalannya waktu terjadi transformasi formasi. Medan magnet bumi telah berubah beberapa kali selama seratus delapan puluh tahun terakhir. Hal ini tercatat di kerak samudera, dan hal ini dibuktikan dengan penelitian tentang magnetisasi remanen. Dengan membandingkan area di kedua sisi punggung laut, waktu divergensi area tersebut dapat ditentukan.

Pergeseran kutub magnet bumi

Letak bagian-bagian planet ini tidaklah konstan. Fakta perpindahan mereka telah tercatat sejak akhir abad kesembilan belas. Di Belahan Bumi Selatan, kutub magnet bergeser sejauh 900 km dan berakhir di Samudera Hindia. Proses serupa juga terjadi di bagian utara. Di sini kutub bergerak menuju anomali magnet di Siberia Timur. Dari tahun 1973 hingga 1994, jarak perpindahan situs ke sini adalah 270 km. Data yang telah dihitung sebelumnya ini kemudian dikonfirmasi dengan pengukuran. Menurut data terkini, kecepatan pergerakan kutub magnet belahan bumi utara mengalami peningkatan yang signifikan. Kecepatannya meningkat dari 10 km/tahun pada tahun tujuh puluhan abad lalu menjadi 60 km/tahun pada awal abad ini. Pada saat yang sama, kekuatan medan magnet bumi menurun secara tidak merata. Jadi, selama 22 tahun terakhir, di beberapa tempat mengalami penurunan sebesar 1,7%, dan di suatu tempat sebesar 10%, meskipun ada juga daerah yang justru meningkat. Percepatan perpindahan kutub magnet (kira-kira 3 km per tahun) memberikan alasan untuk berasumsi bahwa pergerakannya yang diamati saat ini bukanlah sebuah ekskursi, melainkan inversi lainnya.

Hal ini secara tidak langsung dikonfirmasi oleh meningkatnya apa yang disebut “celah kutub” di selatan dan utara magnetosfer. Materi terionisasi dari korona matahari dan ruang angkasa dengan cepat menembus ke dalam ekspansi yang dihasilkan. Akibatnya, semakin banyak energi yang terkumpul di wilayah sirkumpolar bumi, yang menyebabkan pemanasan tambahan pada lapisan es di kutub.

Koordinat

Dalam ilmu sinar kosmik, koordinat medan geomagnetik digunakan, dinamai menurut nama ilmuwan McIlwain. Dia adalah orang pertama yang mengusulkan penggunaannya, karena didasarkan pada versi modifikasi dari aktivitas elemen bermuatan dalam medan magnet. Untuk suatu titik digunakan dua koordinat (L, B). Mereka mencirikan cangkang magnet (parameter McIlwain) dan induksi medan L. Yang terakhir adalah parameter yang sama dengan rasio jarak rata-rata bola dari pusat planet dengan jari-jarinya.

"Kecenderungan magnet"

Beberapa ribu tahun yang lalu, orang Tiongkok membuat penemuan yang menakjubkan. Mereka menemukan bahwa benda yang dimagnetisasi dapat diposisikan pada arah tertentu. Dan pada pertengahan abad keenam belas, Georg Cartmann, seorang ilmuwan Jerman, membuat penemuan lain di bidang ini. Dari sinilah konsep “kecenderungan magnetis” muncul. Nama ini mengacu pada sudut penyimpangan panah ke atas atau ke bawah dari bidang horizontal di bawah pengaruh magnetosfer planet.

Dari sejarah penelitian

Di wilayah ekuator magnet utara, yang berbeda dengan ekuator geografis, ujung utaranya bergerak ke bawah, dan di selatan, sebaliknya, bergerak ke atas. Pada tahun 1600, dokter Inggris William Gilbert pertama kali membuat asumsi tentang keberadaan medan magnet bumi, yang menyebabkan perilaku tertentu dari benda-benda yang sebelumnya termagnetisasi. Dalam bukunya, ia menggambarkan eksperimen dengan bola yang dilengkapi panah besi. Dari hasil penelitiannya, ia sampai pada kesimpulan bahwa Bumi merupakan magnet yang besar. Astronom Inggris Henry Gellibrant juga melakukan eksperimen. Dari hasil pengamatannya, ia sampai pada kesimpulan bahwa medan magnet bumi mengalami perubahan yang lambat.

José de Acosta menjelaskan kemungkinan menggunakan kompas. Dia juga menetapkan perbedaan antara Magnetik dan Kutub Utara, dan dalam karyanya Sejarah terkenal(1590) teori garis tanpa defleksi magnet dibuktikan. Christopher Columbus juga memberikan kontribusi yang signifikan terhadap kajian masalah yang sedang dipertimbangkan. Dia bertanggung jawab atas penemuan variabilitas deklinasi magnet. Transformasi dilakukan tergantung pada perubahan koordinat geografis. Deklinasi magnet adalah sudut deviasi jarum dari arah Utara-Selatan. Sehubungan dengan ditemukannya Columbus, penelitian semakin intensif. Informasi tentang apa itu medan magnet bumi sangat diperlukan bagi para navigator. MV Lomonosov juga menangani masalah ini. Untuk mempelajari magnet terestrial, ia merekomendasikan untuk melakukan observasi sistematis menggunakan titik permanen (mirip dengan observatorium). Menurut Lomonosov, juga sangat penting untuk melakukan ini di laut. Gagasan ilmuwan besar ini diwujudkan di Rusia enam puluh tahun kemudian. Penemuan Kutub Magnetik di kepulauan Kanada adalah milik penjelajah kutub Inggris John Ross (1831). Dan pada tahun 1841 ia menemukan kutub lain di planet ini, tetapi di Antartika. Hipotesis tentang asal usul medan magnet bumi dikemukakan oleh Carl Gauss. Dia segera membuktikan bahwa sebagian besar sumbernya berasal dari sumber di dalam planet ini, namun alasan penyimpangan kecilnya terletak pada lingkungan luar.

Menurut gagasan modern, ia terbentuk sekitar 4,5 miliar tahun yang lalu, dan sejak saat itu planet kita dikelilingi oleh medan magnet. Segala sesuatu di bumi, termasuk manusia, hewan, dan tumbuhan, terkena dampaknya.

Medan magnet meluas hingga ketinggian sekitar 100.000 km (Gbr. 1). Ini membelokkan atau menangkap partikel angin matahari yang berbahaya bagi semua organisme hidup. Partikel bermuatan ini membentuk sabuk radiasi bumi, dan seluruh wilayah ruang dekat bumi tempat partikel tersebut berada disebut magnetosfer(Gbr. 2). Di sisi Bumi yang disinari Matahari, magnetosfer dibatasi oleh permukaan bulat dengan radius kurang lebih 10-15 jari-jari Bumi, dan di sisi berlawanannya memanjang seperti ekor komet hingga jarak beberapa ribu. Jari-jari bumi, membentuk ekor geomagnetik. Magnetosfer dipisahkan dari medan antarplanet oleh daerah transisi.

Kutub magnet bumi

Sumbu magnet bumi mempunyai kemiringan relatif terhadap sumbu rotasi bumi sebesar 12°. Letaknya sekitar 400 km dari pusat bumi. Titik-titik perpotongan sumbu ini dengan permukaan planet adalah kutub magnet. Kutub magnet bumi tidak bertepatan dengan kutub geografis sebenarnya. Saat ini koordinat kutub magnetnya adalah sebagai berikut: utara - 77° lintang utara. dan 102°B; selatan - (65° LS dan 139° BT).

Beras. 1. Struktur medan magnet bumi

Beras. 2. Struktur magnetosfer

Garis gaya yang berjalan dari satu kutub magnet ke kutub magnet lainnya disebut meridian magnetik. Sebuah sudut terbentuk antara meridian magnet dan geografis, yang disebut deklinasi magnetik. Setiap tempat di bumi mempunyai sudut deklinasinya masing-masing. Di wilayah Moskow, sudut deklinasinya adalah 7° ke arah timur, dan di Yakutsk sekitar 17° ke arah barat. Artinya, ujung utara jarum kompas di Moskow menyimpang sebesar T di sebelah kanan meridian geografis yang melewati Moskow, dan di Yakutsk - sebesar 17° ke kiri meridian yang bersangkutan.

Jarum magnet yang digantung bebas terletak secara horizontal hanya pada garis ekuator magnet, yang tidak sesuai dengan garis geografis. Jika Anda bergerak ke utara ekuator magnet, ujung utara jarum akan turun secara bertahap. Sudut yang dibentuk oleh jarum magnet dan bidang mendatar disebut kecenderungan magnetik. Di kutub magnet Utara dan Selatan, kemiringan magnetnya paling besar. Itu sama dengan 90°. Di Kutub Magnet Utara, jarum magnet yang digantung bebas akan dipasang vertikal dengan ujung utara menghadap ke bawah, dan di Kutub Magnet Selatan, ujung selatan akan dipasang ke bawah. Dengan demikian, jarum magnet menunjukkan arah garis-garis medan magnet di atas permukaan bumi.

Seiring berjalannya waktu, posisi kutub magnet terhadap permukaan bumi berubah.

Kutub magnet ditemukan oleh penjelajah James C. Ross pada tahun 1831, ratusan kilometer dari lokasinya saat ini. Rata-rata, ia bergerak sejauh 15 km dalam satu tahun. Dalam beberapa tahun terakhir, kecepatan pergerakan kutub magnet meningkat tajam. Misalnya, Kutub Magnetik Utara saat ini bergerak dengan kecepatan sekitar 40 km per tahun.

Pembalikan kutub magnet bumi disebut inversi medan magnet.

Sepanjang sejarah geologi planet kita, medan magnet bumi telah berubah polaritasnya lebih dari 100 kali.

Medan magnet dicirikan oleh intensitas. Di beberapa tempat di Bumi, garis-garis medan magnet menyimpang dari medan normal sehingga membentuk anomali. Misalnya saja di kawasan Kursk Magnetic Anomaly (KMA), kekuatan medannya empat kali lebih tinggi dari biasanya.

Ada variasi harian dalam medan magnet bumi. Penyebab perubahan medan magnet bumi ini adalah arus listrik yang mengalir di atmosfer pada dataran tinggi. Hal ini disebabkan oleh radiasi matahari. Di bawah pengaruh angin matahari, medan magnet bumi terdistorsi dan memperoleh “jejak” searah dengan Matahari, yang membentang sejauh ratusan ribu kilometer. Penyebab utama terjadinya angin matahari, seperti yang telah kita ketahui, adalah besarnya lontaran materi dari korona matahari. Saat mereka bergerak menuju Bumi, mereka berubah menjadi awan magnetis dan menyebabkan gangguan yang kuat dan terkadang ekstrim di Bumi. Gangguan yang sangat kuat pada medan magnet bumi - badai magnet. Beberapa badai magnet muncul secara tiba-tiba dan hampir bersamaan di seluruh bumi, sementara badai lainnya berkembang secara bertahap. Mereka bisa bertahan selama beberapa jam atau bahkan berhari-hari. Badai magnet sering terjadi 1-2 hari setelah jilatan api matahari akibat Bumi melewati aliran partikel yang dikeluarkan Matahari. Berdasarkan waktu tundanya, kecepatan aliran sel darah tersebut diperkirakan mencapai beberapa juta km/jam.

Selama badai magnet yang kuat, pengoperasian normal telegraf, telepon, dan radio terganggu.

Badai magnet sering diamati pada garis lintang 66-67° (di zona aurora) dan terjadi bersamaan dengan aurora.

Struktur medan magnet bumi berbeda-beda tergantung pada garis lintang suatu daerah. Permeabilitas medan magnet meningkat menuju kutub. Di wilayah kutub, garis-garis medan magnet kurang lebih tegak lurus terhadap permukaan bumi dan mempunyai konfigurasi berbentuk corong. Melalui mereka, sebagian angin matahari dari siang hari menembus magnetosfer dan kemudian ke atmosfer bagian atas. Selama badai magnet, partikel-partikel dari ekor magnetosfer bergegas ke sini, mencapai batas atmosfer bagian atas di garis lintang tinggi di Belahan Bumi Utara dan Selatan. Partikel bermuatan inilah yang menyebabkan terjadinya aurora di sini.

Jadi, badai magnet dan perubahan medan magnet harian dijelaskan, seperti telah kita ketahui, oleh radiasi matahari. Tapi apa alasan utama yang menciptakan magnet permanen bumi? Secara teoritis, dimungkinkan untuk membuktikan bahwa 99% medan magnet bumi disebabkan oleh sumber yang tersembunyi di dalam planet. Medan magnet utama disebabkan oleh sumber yang terletak jauh di dalam bumi. Mereka secara kasar dapat dibagi menjadi dua kelompok. Bagian utamanya terkait dengan proses di inti bumi, di mana, karena pergerakan materi penghantar listrik yang terus menerus dan teratur, terciptalah sistem arus listrik. Alasan lainnya adalah karena batuan di kerak bumi termagnetisasi oleh arus utama Medan listrik(bidang inti), menciptakan medan magnetnya sendiri, yang dijumlahkan dengan medan magnet inti.

Selain medan magnet di sekitar bumi, terdapat medan lain: a) gravitasi; b) listrik; c) termal.

Medan gravitasi Bumi disebut medan gravitasi. Itu diarahkan sepanjang garis tegak lurus terhadap permukaan geoid. Jika Bumi berbentuk ellipsoid revolusi dan massa di dalamnya tersebar merata, maka medan gravitasinya akan normal. Perbedaan antara intensitas medan gravitasi nyata dan teoritis merupakan anomali gravitasi. Komposisi material dan kepadatan batuan yang berbeda menyebabkan anomali tersebut. Namun alasan lain juga mungkin terjadi. Itu bisa dijelaskan proses berikutnya- keseimbangan kerak bumi yang padat dan relatif ringan pada mantel atas yang lebih berat, dimana tekanan lapisan di atasnya disamakan. Arus ini menyebabkan deformasi tektonik, pergerakan lempeng litosfer dan dengan demikian menciptakan makrorelief bumi. Gravitasi menahan atmosfer, hidrosfer, manusia, hewan di Bumi. Gravitasi harus diperhitungkan ketika mempelajari proses dalam lingkup geografis. Syarat " geotropisme" adalah gerak pertumbuhan organ tumbuhan yang dibawah pengaruh gaya gravitasi selalu menjamin arah vertikal pertumbuhan akar primer yang tegak lurus permukaan bumi. Biologi gravitasi menggunakan tumbuhan sebagai subjek percobaan.

Jika gravitasi tidak diperhitungkan, tidak mungkin menghitung data awal peluncuran roket dan pesawat ruang angkasa, membuat eksplorasi gravimetri mineral bijih dan, akhirnya, menjadi tidak mungkin pengembangan lebih lanjut astronomi, fisika dan ilmu-ilmu lainnya.

Model global ini - seperti Bidang Referensi Geomagnetik Internasional (IGRF) dan Model Magnetik Dunia (WMM)- dibuat oleh berbagai organisasi geofisika internasional, dan setiap 5 tahun kumpulan koefisien Gauss yang diperbarui disetujui dan diterbitkan, yang menentukan semua data tentang keadaan medan geomagnetik dan parameternya. Jadi, menurut model WMM2015, kutub geomagnetik utara (pada dasarnya ini kutub selatan magnet) memiliki koordinat 80,37° LU. w. dan 72,62° BB. d., kutub geomagnetik selatan - 80,37° selatan. lintang, 107,38° BT. d., kemiringan sumbu dipol terhadap sumbu rotasi bumi adalah 9,63°.

Bidang Anomali Dunia

Garis-garis medan sebenarnya dari medan magnet bumi, meskipun rata-rata dekat dengan garis-garis medan dipol, berbeda dengan garis-garis medan tersebut dalam ketidakteraturan lokal yang terkait dengan keberadaan batuan termagnetisasi di kerak bumi yang terletak dekat dengan permukaan. Oleh karena itu, di beberapa tempat di permukaan bumi, parameter medan sangat berbeda dengan nilai di daerah sekitarnya, sehingga membentuk apa yang disebut anomali magnetik. Mereka dapat saling tumpang tindih jika benda magnetis yang menyebabkannya terletak pada kedalaman yang berbeda.

Adanya medan magnet di wilayah lokal yang luas pada kulit terluar mengarah pada fakta bahwa kutub magnet sejati- poin (atau lebih tepatnya, daerah kecil), yang garis-garis medan magnetnya benar-benar vertikal, tidak berhimpitan dengan garis-garis geomagnetik, dan tidak terletak di permukaan bumi itu sendiri, melainkan di bawahnya. Koordinat kutub magnet pada waktu tertentu juga dihitung dalam kerangka tersebut berbagai model medan geomagnetik dengan mencari semua koefisien dalam deret Gaussian menggunakan metode iteratif. Jadi, menurut model WMM saat ini, pada tahun 2015 kutub magnet utara terletak pada 86° LU. lintang, 159°b. panjang., dan yang selatan - 64° S. lintang, 137° BT. Nilai model IGRF12 saat ini sedikit berbeda: 86,3° LU. lintang, 160°b. panjang., untuk kutub utara, 64,3° selatan. lintang, 136,6° BT untuk selatan.

Masing-masing, sumbu magnet- garis lurus yang melalui kutub magnet tidak melalui pusat bumi dan bukan diameternya.

Posisi semua kutub terus bergeser - kutub geomagnetik mengalami presesi relatif terhadap kutub geografis dengan jangka waktu sekitar 1200 tahun.

Medan magnet luar

Hal ini ditentukan oleh sumber-sumber berupa sistem arus yang terletak di luar permukaan bumi di atmosfernya. Di bagian atas atmosfer (100 km ke atas) - ionosfer - molekulnya terionisasi, membentuk plasma, oleh karena itu bagian magnetosfer bumi ini, yang memanjang hingga tiga jari-jarinya, disebut plasmasfer. Plasma ditahan oleh medan magnet bumi, namun keadaannya ditentukan oleh interaksinya dengan angin matahari - aliran plasma korona matahari.

Jadi, pada jarak yang lebih jauh dari permukaan bumi, medan magnet menjadi asimetris, karena terdistorsi di bawah pengaruh angin matahari: dari sisi Matahari ia dikompresi, dan ke arah Matahari ia memperoleh “ jejak” yang membentang ratusan ribu kilometer, melampaui orbit Bulan. Bentuk “berekor” yang aneh ini terjadi ketika plasma angin matahari dan aliran sel darah matahari mengalir di sekitar permukaan bumi. magnetosfer- wilayah ruang dekat Bumi, yang masih dikendalikan oleh medan magnet Bumi, dan bukan oleh Matahari dan sumber antarplanet lainnya; itu terpisah dari ruang antarplanet magnetopause, dimana tekanan dinamis angin matahari diimbangi dengan tekanan medan magnetnya sendiri. Titik subsolar magnetosfer rata-rata berada pada jarak 10 jari-jari bumi * R⊕ ; dengan angin matahari yang lemah, jarak ini mencapai 15-20 R⊕, dan selama periode gangguan magnet di Bumi, magnetopause dapat melampaui orbit geostasioner (6,6 R⊕). Ekor memanjang di sisi malam memiliki diameter sekitar 40 R⊕ dan panjang lebih dari 900 R⊕; dimulai dari jarak sekitar 8 R⊕, dibagi menjadi beberapa bagian oleh lapisan netral datar yang induksi medannya mendekati nol.

Karena konfigurasi garis induksi yang spesifik, medan geomagnetik menciptakan perangkap magnet untuk partikel bermuatan - proton dan elektron. Ia menangkap dan menampung sejumlah besar partikel, sehingga magnetosfer adalah semacam reservoir partikel bermuatan. Massa total mereka, menurut berbagai perkiraan, berkisar antara 1 kg hingga 10 kg. Mereka membentuk apa yang disebut sabuk radiasi, menutupi bumi dari segala sisi, kecuali daerah kutub. Secara konvensional, ini dibagi menjadi dua - internal dan eksternal. Batas bawah sabuk bagian dalam berada pada ketinggian sekitar 500 km, ketebalannya beberapa ribu kilometer. Sabuk terluar terletak di ketinggian 10-15 ribu km. Partikel sabuk radiasi, di bawah pengaruh gaya Lorentz, melakukan pergerakan periodik yang kompleks dari Belahan Bumi Utara ke Belahan Bumi Selatan dan sebaliknya, sekaligus bergerak perlahan mengelilingi Bumi dalam azimuth. Bergantung pada energinya, mereka melakukan revolusi penuh mengelilingi bumi dalam waktu beberapa menit hingga satu hari.

Magnetosfer tidak memungkinkan aliran partikel kosmik mendekati bumi. Namun, di bagian ekornya, pada jarak yang jauh dari Bumi, intensitas medan geomagnetik, dan oleh karena itu sifat pelindungnya, melemah, dan beberapa partikel plasma matahari dapat masuk ke dalam magnetosfer dan perangkap magnet sabuk radiasi. Dengan demikian, ekornya berfungsi sebagai tempat terbentuknya aliran partikel yang mengendap sehingga menimbulkan aurora dan arus aurora. Di daerah kutub, sebagian aliran plasma matahari menyerbu lapisan atas atmosfer dari sabuk radiasi bumi dan, bertabrakan dengan molekul oksigen dan nitrogen, menggairahkan atau mengionisasinya, dan ketika kembali ke keadaan tidak tereksitasi, atom oksigen memancarkan foton. dengan λ = 0,56 μm dan λ = 0,63 μm, sedangkan molekul nitrogen terionisasi, ketika digabungkan kembali, menyoroti pita spektrum biru dan ungu. Pada saat yang sama, aurora diamati, terutama yang dinamis dan cerah selama badai magnet. Mereka terjadi ketika terjadi gangguan pada magnetosfer yang disebabkan oleh peningkatan kepadatan dan kecepatan angin matahari seiring dengan peningkatan aktivitas matahari.

Opsi Bidang

Representasi visual dari posisi garis-garis induksi magnet medan bumi diberikan oleh jarum magnet, dipasang sedemikian rupa sehingga dapat berputar bebas pada sumbu vertikal dan horizontal (misalnya, pada suspensi gimbal) - di setiap titik dekat permukaan bumi dipasang dengan cara tertentu sepanjang garis tersebut.

Karena kutub magnet dan geografis tidak berhimpitan, jarum magnet hanya menunjukkan arah dari utara ke selatan kira-kira. Bidang vertikal tempat jarum magnet dipasang disebut bidang meridian magnet suatu tempat, dan garis sepanjang bidang ini memotong permukaan bumi disebut meridian magnetik. Jadi, meridian magnet adalah proyeksi garis-garis medan magnet bumi ke permukaannya, yang bertemu di kutub magnet utara dan selatan. Sudut antara arah meridian magnet dan geografis disebut deklinasi magnetik. Itu bisa di barat (sering ditandai dengan “-”) atau timur (ditunjukkan dengan “+”), tergantung pada apakah kutub utara jarum magnet menyimpang ke barat atau timur dari bidang vertikal meridian geografis.

Selain itu, garis-garis medan magnet bumi pada umumnya tidak sejajar dengan permukaannya. Artinya induksi magnet medan bumi tidak terletak pada bidang horizon suatu tempat, tetapi membentuk sudut tertentu dengan bidang tersebut - disebut kecenderungan magnetik. Itu mendekati nol hanya pada titik-titik ekuator magnetik- lingkaran lingkaran besar pada bidang yang tegak lurus terhadap sumbu magnet.

Deklinasi magnet dan kemiringan magnet menentukan arah induksi magnet medan bumi pada setiap lokasi tertentu. Dan nilai numerik besaran ini dapat diketahui dengan mengetahui kemiringan dan salah satu proyeksi vektor induksi magnet B (\displaystyle \mathbf (B) )- ke vertikal atau sumbu horisontal(yang terakhir ternyata lebih nyaman dalam praktiknya). Jadi, ketiga parameter tersebut adalah deklinasi magnet, kemiringan dan besarnya vektor induksi magnet B (atau vektor kuat medan magnet H (\displaystyle \mathbf (H) )) - sepenuhnya mengkarakterisasi medan geomagnetik di lokasi tertentu. Pengetahuan pasti mereka tentang jumlah titik terbesar di Bumi sangatlah luar biasa penting. Kartu magnetik khusus dibuat, di mana isogon(garis deklinasi yang sama) dan isoklin(garis dengan kemiringan yang sama) diperlukan untuk orientasi menggunakan kompas.

Rata-rata intensitas medan magnet bumi berkisar antara 25.000 hingga 65.000 nT (0,25 - 0,65 G) dan sangat bergantung pada letak geografis. Hal ini sesuai dengan kekuatan medan rata-rata sekitar 0,5 (40 /) . Di ekuator magnet, nilainya sekitar 0,34, di kutub magnet - sekitar 0,66 Oe. Di beberapa daerah (anomali magnet), intensitasnya meningkat tajam: di kawasan anomali magnet Kursk mencapai 2 Oe.

Sifat medan magnet bumi

Untuk pertama kalinya, J. Larmore mencoba menjelaskan keberadaan medan magnet Bumi dan Matahari pada tahun 1919 dengan mengajukan konsep dinamo, yang menurutnya pemeliharaan medan magnet suatu benda langit terjadi di bawah pengaruh gerak hidrodinamik suatu medium penghantar listrik. Namun, pada tahun 1934 T. Penutup membuktikan teorema tentang ketidakmungkinan mempertahankan medan magnet aksisimetris melalui mekanisme dinamo hidrodinamik. Dan karena sebagian besar dari mereka belajar benda langit(dan khususnya Bumi) dianggap simetris secara aksial, berdasarkan hal ini dimungkinkan untuk membuat asumsi bahwa medannya juga simetris secara aksial, dan kemudian pembangkitannya menurut prinsip ini tidak mungkin dilakukan menurut teorema ini. Belakangan diketahui bahwa tidak semua persamaan simetri aksial yang menggambarkan proses pembangkitan medan magnet akan memiliki solusi simetri aksial, dan pada tahun 1950-an. solusi asimetris telah ditemukan.

Sejak itu, teori dinamo telah berhasil berkembang, dan saat ini penjelasan paling mungkin yang diterima secara umum tentang asal usul medan magnet bumi dan planet lain adalah mekanisme dinamo yang menggairahkan sendiri berdasarkan pembangkitan arus listrik dalam sebuah konduktor. saat ia bergerak dalam medan magnet yang dihasilkan dan diperkuat oleh arus itu sendiri. Kondisi yang diperlukan tercipta di inti bumi: di inti luar cair, yang sebagian besar terdiri dari besi pada suhu sekitar 4-6 ribu kelvin, yang menghantarkan arus dengan sempurna, tercipta aliran konvektif yang menghilangkan panas dari inti dalam padat (dihasilkan karena peluruhan unsur radioaktif atau pelepasan panas laten selama pemadatan materi pada batas antara inti dalam dan luar saat planet mendingin secara bertahap). Gaya Coriolis memutar aliran ini menjadi spiral yang khas, membentuk apa yang disebut Pilar Taylor. Karena gesekan lapisan, mereka memperoleh muatan listrik, membentuk arus loop. Dengan demikian, sistem arus tercipta yang bersirkulasi sepanjang sirkuit konduktif dalam konduktor yang bergerak dalam medan magnet (awalnya ada, meskipun sangat lemah), seperti pada piringan Faraday. Ini menciptakan medan magnet, yang, dengan geometri aliran yang menguntungkan, memperkuat medan awal, dan ini, pada gilirannya, memperkuat arus, dan proses amplifikasi berlanjut hingga kehilangan panas Joule, yang meningkat seiring dengan meningkatnya arus, menyeimbangkan masuknya energi. berasal dari gerakan hidrodinamik.

Proses ini dijelaskan secara matematis persamaan diferensial

∂ B ∂ t = η ∇ 2 B + ∇ × (u × B) (\displaystyle (\frac (\partial \mathbf (B) )(\partial t))=\eta \mathbf (\nabla ) ^(2 )\mathbf (B) +\mathbf (\nabla ) \kali (\mathbf (u) \kali \mathbf (B))),

Di mana kamu- kecepatan aliran fluida, B- induksi magnet, η = 1/μσ - viskositas magnetik, σ adalah konduktivitas listrik cairan, dan μ adalah permeabilitas magnetik, yang secara praktis tidak berbeda pada saat itu suhu tinggi inti dari μ 0 - permeabilitas vakum.

Namun untuk gambaran yang lengkap perlu dituliskan sistem persamaan magnetohidrodinamik. Dalam pendekatan Boussinesq (di mana semua sifat fisik zat cair diasumsikan konstan, kecuali gaya Archimedes, yang perhitungannya memperhitungkan perubahan massa jenis akibat perbedaan suhu) adalah:

• Persamaan Navier-Stokes, berisi istilah-istilah yang menyatakan efek gabungan rotasi dan medan magnet:

ρ 0 (∂ u ∂ t + u ⋅ ∇ u) = − ∇ P + ρ 0 ν ∇ 2 u + ρ g ¯ − 2 ρ 0 Ω × u + J × B (\displaystyle \rho _(0)\left ((\frac (\partial \mathbf (u) )(\partial t))+\mathbf (u) \cdot \mathbf (\nabla ) \mathbf (u) \kanan)=-\nabla \mathbf (P) +\rho _(0)\nu \mathbf (\nabla ) ^(2)\mathbf (u) +\rho (\bar (\mathbf (g) ))-2\rho _(0)\mathbf (\ Omega ) \kali \mathbf (u) +\mathbf (J) \kali \mathbf (B) ).

• Persamaan konduktivitas termal yang menyatakan hukum kekekalan energi:

∂ T ∂ t + u ⋅ ∇ T = κ ∇ 2 T + ϵ (\displaystyle (\frac (\partial T)(\partial t))+\mathbf (u) \cdot \mathbf (\nabla ) T=\ kappa \mathbf (\nabla ) ^(2)T+\epsilon ),

Terobosan dalam hal ini dicapai pada tahun 1995 oleh kelompok dari Jepang dan Amerika Serikat. Mulai saat ini, hasil sejumlah karya pemodelan numerik secara memuaskan mereproduksi karakteristik kualitatif medan geomagnetik dalam dinamika, termasuk inversi.

Perubahan medan magnet bumi

Hal ini dibuktikan dengan peningkatan sudut bukaan puncak (celah kutub magnetosfer di utara dan selatan) saat ini yang mencapai 45° pada pertengahan tahun 1990-an. Materi radiasi dari angin matahari, ruang antarplanet, dan sinar kosmik mengalir ke celah yang semakin lebar, akibatnya lebih banyak materi dan energi yang masuk ke wilayah kutub, yang dapat menyebabkan pemanasan tambahan pada tutup kutub [ ] .

Koordinat geomagnetik (koordinat McIlwain)

Fisika sinar kosmik banyak menggunakan koordinat tertentu dalam bidang geomagnetik, dinamai menurut nama ilmuwan Carl McIlwain ( Carl McIlwain), yang pertama kali mengusulkan penggunaannya, karena didasarkan pada invarian gerak partikel dalam medan magnet. Suatu titik dalam medan dipol dicirikan oleh dua koordinat (L, B), di mana L disebut kulit magnet, atau parameter McIlwain. L-shell, nilai-L, parameter McIlwain L), B - induksi medan magnet (biasanya dalam G). Parameter cangkang magnet biasanya dianggap nilai L, sama dengan perbandingan jarak rata-rata cangkang magnet sebenarnya dari pusat bumi pada bidang ekuator geomagnetik dengan jari-jari bumi. .

Sejarah penelitian

Beberapa ribu tahun yang lalu di Tiongkok Kuno Diketahui bahwa benda-benda yang bermagnet terletak pada arah tertentu, khususnya jarum kompas selalu menempati posisi tertentu dalam ruang. Berkat ini, umat manusia telah lama dapat menggunakan panah (kompas) untuk menavigasi laut lepas yang jauh dari pantai. Namun, sebelum pelayaran Columbus dari Eropa ke Amerika (1492), tidak ada seorang pun yang memberikan perhatian khusus pada kajian fenomena ini, karena para ilmuwan pada masa itu percaya bahwa fenomena tersebut terjadi akibat tarikan jarum oleh Bintang Utara. Di Eropa dan lautan yang mencucinya, kompas pada waktu itu dipasang hampir di sepanjang meridian geografis. Saat melintasi Samudera Atlantik, Columbus memperhatikan bahwa kira-kira di tengah perjalanan antara Eropa dan Amerika, jarum kompas menyimpang hampir 12° ke arah barat. Fakta ini langsung menimbulkan keraguan akan kebenaran hipotesis sebelumnya tentang tarikan jarum oleh Bintang Utara, dan memberikan dorongan untuk dilakukan penelitian yang serius kembali. fenomena terbuka: informasi tentang medan magnet bumi sangat dibutuhkan oleh para pelaut. Sejak saat itulah ilmu magnet terestrial dimulai, pengukuran deklinasi magnet secara luas dimulai, yaitu sudut antara meridian geografis dan sumbu jarum magnet, yaitu meridian magnet. Pada tahun 1544, seorang ilmuwan Jerman Georg Hartman menemukan fenomena baru: jarum magnet tidak hanya menyimpang dari meridian geografis, tetapi, karena tergantung dari pusat gravitasi, cenderung berdiri pada sudut tertentu terhadap bidang horizontal, yang disebut kemiringan magnet.

Sejak saat itu, selain mempelajari fenomena defleksi, para ilmuwan juga mulai mempelajari kemiringan jarum magnet. José de Acosta (salah satu pendiri geofisika, menurut Humboldt) dalam bukunya Cerita(1590) teori empat garis tanpa deklinasi magnet pertama kali muncul. Ia menjelaskan penggunaan kompas, sudut defleksi, perbedaan antara Kutub Magnetik dan Kutub Utara, dan variasi defleksi dari satu titik ke titik lainnya, mengidentifikasi tempat-tempat yang tidak memiliki defleksi, seperti Azores.

Dari hasil pengamatan diketahui bahwa deklinasi dan kemiringan mempunyai nilai yang berbeda pada berbagai titik di permukaan bumi. Selain itu, perubahannya dari satu titik ke titik lainnya mengikuti pola yang rumit. Penelitiannya memungkinkan dokter istana Ratu Elizabeth dari Inggris dan filsuf alam William Gilbert mengajukan hipotesis pada tahun 1600 dalam bukunya "De Magnete" bahwa Bumi adalah magnet, yang kutubnya bertepatan dengan kutub geografis. Dengan kata lain, W. Gilbert percaya bahwa medan bumi mirip dengan medan bola magnet. W. Gilbert mendasarkan pernyataannya pada eksperimen model planet kita, yaitu bola besi bermagnet, dan panah besi kecil. Gilbert percaya bahwa argumen utama yang mendukung hipotesisnya adalah bahwa kemiringan magnet yang diukur dengan model seperti itu ternyata hampir sama dengan kemiringan yang diamati di permukaan bumi. Gilbert menjelaskan perbedaan antara deklinasi bumi dan deklinasi model melalui efek pembelokan benua terhadap jarum magnet. Meskipun banyak fakta yang ditemukan kemudian tidak sesuai dengan hipotesis Hilbert, namun hal tersebut tidak kehilangan signifikansinya hingga saat ini. Gagasan utama Gilbert bahwa penyebab magnet terestrial harus dicari di dalam Bumi ternyata benar, begitu pula fakta bahwa, pada perkiraan pertama, Bumi memang merupakan magnet besar, yaitu bola bermagnet seragam.

Pada tahun 1634, seorang astronom Inggris Henry Gellibrand?! menemukan bahwa deklinasi magnet di London berubah seiring waktu. Ini adalah bukti pertama yang tercatat tentang variasi sekuler - perubahan teratur (dari tahun ke tahun) dalam nilai rata-rata tahunan komponen medan geomagnetik.

Sudut deklinasi dan kemiringan menentukan arah kekuatan medan magnet bumi dalam ruang, tetapi tidak dapat memberikan nilai numeriknya. Hingga akhir abad ke-18. pengukuran intensitas tidak dilakukan karena hukum interaksi antara medan magnet dan benda yang termagnetisasi tidak diketahui. Baru setelah itu pada tahun 1785-1789. Fisikawan Perancis Charles Coulomb menetapkan hukum yang dinamai menurut namanya, dan kemungkinan pengukuran semacam itu menjadi mungkin. Sejak akhir abad ke-18, seiring dengan pengamatan deklinasi dan kemiringan, dimulailah pengamatan luas terhadap komponen horizontal, yaitu proyeksi vektor kuat medan magnet ke bidang horizontal (dengan mengetahui deklinasi dan kemiringan, dimungkinkan untuk menghitung nilai vektor kekuatan medan magnet total).

Pertama pekerjaan teoretis tentang apa itu medan magnet bumi yaitu berapa besaran dan arah intensitasnya pada setiap titik di permukaan bumi, milik matematikawan Jerman Carl Gauss. Pada tahun 1834, ia memberikan ekspresi matematis untuk komponen tegangan sebagai fungsi koordinat - lintang dan bujur dari lokasi pengamatan. Dengan menggunakan ungkapan ini, setiap titik di permukaan bumi dapat dicari nilai salah satu komponennya, yang disebut unsur kemagnetan bumi. Karya ini dan karya Gauss lainnya menjadi fondasi di mana bangunan itu dibangun ilmu pengetahuan modern tentang magnet bumi. Secara khusus, pada tahun 1839 ia membuktikan bahwa bagian utama medan magnet keluar dari Bumi, dan penyebab penyimpangan kecil dan pendek nilainya harus dicari di lingkungan eksternal.

Pada tahun 1831, penjelajah kutub Inggris John Ross menemukan kutub utara magnet di kepulauan Kanada - wilayah yang ditempati jarum magnet. posisi vertikal, yaitu kemiringannya 90°. Dan pada tahun 1841, James Ross (keponakan John Ross) mencapai kutub magnet bumi lainnya, yang terletak di Antartika.

Lihat juga

• antarmagnet (Bahasa inggris)

Catatan

1. Para ilmuwan di AS telah menemukan bahwa medan magnet bumi berusia 700 juta tahun lebih tua dari perkiraan sebelumnya
2. Edward Kononovich. Medan magnet bumi (belum diartikan) . http://www.krugosvet.ru/. Ensiklopedia di Seluruh Dunia: Ensiklopedia sains populer online universal. Diakses tanggal 26-04-2017.
3. Geomagnetisme Pertanyaan yang Sering Diajukan (Bahasa inggris) . https://www.ngdc.noaa.gov/ngdc.html. Pusat Informasi Lingkungan Nasional (NCEI). Diakses pada 23 April 2017.
4. A.I.Dyachenko. Kutub magnet bumi. - Moskow: Rumah Penerbitan Pusat Pendidikan Matematika Berkelanjutan Moskow, 2003. - 48 hal. - ISBN 5-94057-080-1.
5. A.V.Vikulin. VII. Medan geomagnetik dan elektromagnetisme bumi// Pengantar fisika bumi. tutorial untuk spesialisasi geofisika universitas.. - Rumah Penerbitan Negara Kamchatka universitas pedagogi, 2004. - 240 hal. - ISBN 5-7968-0166-X.