مقدمه

میدان مغناطیسى زمین همانند پوست پیاز کره خاکى ما را در برگرفته است. توفانهاى خورشیدى آن را مورد حمله قرار داده و موجب بروز توفانهاى الکتریکى در آن مى‌گردند. این توفانها نیز متعاقبا بر روى سیستمهاى الکتریکى زمین اثر مى‌گذارد. اگر چه میدان مغناطیسى زمین کره خاکى ما را از توفانهاى خورشیدى و تشعشعات فضایى حفظ مى‌کند، اما متأسفانه این میدان مغناطیسى به تدریج در حال ضعیف‌تر شدن بوده و عواقب حاصل از آن مایه نگرانى کارشناسان امر است.

نخستین خبری که ماهیت میدان مغناطیسی زمین را آشکار ساخت!

در دهه 80 میلادی رسانه‌هاى گروهى از وقوع انفجارات شدید در خورشید (در منظومه شمسى) خبر داده و متذکر شدند در اثر این انفجارات ، تشعشعات خطرناکى وارد جو زمین شده و ذرات الکتریکى باردار آن براى همگان مضر خواهد بود. در این گزارشها از قطع ارتباطات رادیویى در سراسر جهان ، از کار افتادن ماهواره‌ها و سیستمهاى برق رسانى سخن می‌رفت. این نگرانىها همه به حق بودند. پس از انفجارهاى شدید خورشیدى که 14 سال پیش صورت گرفتند ابرى از ذرات باردار پر انرژى (این ذرات باردار در زبان فیزیکدانان ، پلاسما نامیده مى‌شود) با قدرتى 1700 بار بیشتر از روزهاى معمولى ، بسوى سیاره ما وزیدن گرفت.

در آن زمان دانشمندان از این بیم داشتند که اگر توفان حاصل از این ذرات پر انرژى به میدان مغناطیسى زمین برسند، در میدان مغناطیسى ، شدت جریان الکتریکى آنچنان زیاد خواهد بود که تقریبا تمامى فیوزهاى سیستمهاى الکتریکى از کار خواهند افتاد. خوشبختانه این فاجعه عظیم به وقوع نپیوست. تنها برخى از فرکانسهاى رادیویى دچار اشکال پخش شدند و کار بعضى از ماهواره‌ها بصورت موقت و از روى احتیاط متوقف شد.

میدان مغناطیسی سپر دفاعی نامرئی

کارشناسان به این نتیجه رسیدند که میدان مغناطیسى زمین ، سپر دفاعى نامرئى ما در برابر توفانهاى خورشیدى و تشعشعات فضایى بوده است. با این وجود نقش پروتونها و ذرات آلفا در این تشعشعات و همچنین نقش میدان مغناطیسى زمین هنوز هم معماهاى بسیارى را در خود نهفته دارند. اما اصولا چرا کره زمین از دو قطب مغناطیسى برخوردار است؟ چه چیزى باعث مى‌شود که زمین همانند یک میله مغناطیسى عظیم ، آنطور که همه ما آ ن را از کلاسهاى درس فیزیک مى‌شناسیم، عمل کند؟ چرا عقربه یک قطب نما همیشه جهت شمال و جنوب مغناطیسى را بر روى زمین نشان مى‌دهد؟ (این مسئله هزاران سال پیش توسط چینیها کشف شد.)

شاید بد نباشد توضیح دهیم که حتى تا قرن شانزدهم میلادى هم بسیارى از مردم معتقد بودند که یک کوه عظیم مغناطیسى در شمال زمین وجود دارد. متخصصان رشته‌هاى فیزیک و زمین شناسى تنها چند دهه پیش بود که تئورى دیگرى را ارائه کردند و این تئورى تازه ، در انستیتوى تحقیقاتى شهر کارلسروهه مورد تأیید قرار گرفت. طبق این تئورى تقریباً 95 درصد از میدان مغناطیسى زمین از طریق یک ماشین دینام یا در حقیقت ژنراتورى که با کمک اثر مغناطیسى ، انرژى الکتریکى تولید مى‌کند، در ماده مذاب قشر بیرونى هسته زمین که کلاً از آهن تشکیل شده است تولید مى‌شود. در این قشر ، جریانهایى بوجود مى‌آیند که بر اثر چرخش کره زمین شکلى مارپیچ به خود مى‌گیرند.

آزمایشهاى انجام گرفته نشانگر آنند که این جریانهاى مارپیچ ، واقعاً یک میدان مغناطیسى را بوجود مى‌آورند. میدان مغناطیسى درونى زمین بر جریانهاى الکتریکى خارجى در یونسفر جو زمین اثر گذاشته و به این ترتیب در برابر توفانهاى خورشیدى و تشعشعات زیان آور ذرات الکتریکى نقش حفاظ را بازى مى‌کند.

البته این میدان مغناطیسى همانند میدان مغناطیسى زمین که دائماً ضعیف‌تر مى‌شود، از یک ثبات دائمى برخوردار نیست. علاوه بر این ، بررسى سنگهاى کره زمین نشان مى‌دهد که پس از بروز یک چنین ضعفى در میدان مغناطیسى زمین ، تقریباً هر 750 هزار سال یک بار ، محل قطبهاى شمال و جنوب مغناطیسى تغییر مى‌کند. اما بر اساس محاسبات کنونى این تغییر محل قطبهاى مغناطیسى زمین حدوداً 500 سال دیگر انجام خواهد گرفت. اینکه علت این پدیده چیست و آیا به این خاطر ، آن طور که برخى از محققان معتقدند، آب و هواى کره زمین تغییر خواهد کرد یا اینکه اصولاً بقاى حیات بر روى کره خاکى ما با خطر مواجه مى‌شود، هنوز مشخص نیست.

دید کلی

از میدان مغناطیسی زمین چه استفاده‌هایی می‌شود؟

قطبهای مغناطیسی زمین

مغناطش خود بخودی مواد در میدان مغناطیسی زمین

مین روبی

خنثی سازی میدان مغناطیسی کشتی

آنچه باید بدانیم

دید کلی

اگر آهنربایی را از نقطه‌ای آویزان کنیم، آهنربا چرخیده و در راستای شمال و جنوب جغرافیایی قرار می‌گیرند. قطبی از آهنربا را که در راستای شمال جغرافیایی قرار دارد، قطب N و دیگری را قطب S می‌نامند. دلیل رفتار این گونه آهنربا وجود میدان مغنا طیسی در زمین می‌باشد.

تاریخچه

ویلیام گیلبرت (willam gilbert) یکی از فیزیکدانان پیشگامی بود که اولین بار به وجود میدان مغناطیسی زمین پی برد. وی نشان داد که اگر یک میله آهنی را در راستای شمال و جنوب قرار داده و بر روی آن بکوبیم میله ، آهنربا خواهد شد. او همچنین برای اثبات وجود میدان مغناطیسی زمین یک آهنربا را درون کره‌ای قرار داد و نام ان را Terrlla نامید که در زبان لاتینی به معنای زمین کوچک بود. گیلبرت یک قطب نما را بر روی آن حرکت داد و مشاهده نمود که وقتی قطب نما در راستای سطح Terrlla قرار می‌گیرد، جهت عقربه مغناطیسی آن همواره ثابت می‌ماند، که نشانگر قرار گرفتن عقربه تحت تاثیر میدان مغناطیسی آهنربای درون کره است.

قطب‌های میدان مغناطیسی زمین

• در واقع کره زمین مانند یک آهنربای قوی عمل می‌کند که قطب N آن در جنوب جغرافیایی قرار دارد (که می‌تواند قطب S آهنربا‌ها را به سمت خود منحرف کند) و قطب S آن در شمال جغرافیایی قرار دارد (که قطب N آهنربا را به سمت خود منحرف می‌سازد).
  
  
• همه خطوط میدان مغناطیسی در نیمکره شمالی در نقطه‌ای که به آن قطب جنوب مغناطیسی زمین گفته می‌شود، به هم می‌رسند. این خطوط در نیمکره جنوبی در نقطه‌ای که به قطب شمال مغناطیسی زمین معروف است، به هم می‌رسند.
  
  
• از آنجا که محور مغناطیسی زمین (خطی که از دو قطب مغناطیسی زمین می‌گذرد) کاملا بر محور دوران زمین (خطی که از قطب شمال و جنوب جغرافیایی زمین می‌گذرد) منطبق نیست، بنابراین یک عقربه مغناطیسی که در جهت مماس بر محور مغناطیسی زمین قرار می‌گیرد، نمی‌تواند جهت شمال و جنوب جغرافیایی زمین را دقیقا تعیین نماید.

مولفه‌های مشخص کننده میدان مغناطیسی زمین

• میل مغناطیسی:
  از آنجا که خطوط میدان مغناطیسی زمین بر سطح آن منطبق نیستند، بین شدت میدان مغناطیسی زمین و سطح افق همواره زاویه‌ای وجود دارد، که به آن زاویه میل مغناطیسی می‌گویند.
  
  
• زاویه انحراف مغناطیسی:
  صفحاتی که بر روی آن عقربه مغناطیسی قرار دارد، صفحه نصف النهار مغناطیسی و به زاویه بین آن و صفحه نصف النهار جغرافیایی ، زاویه انحراف مغناطیسی می‌گویند، که مقدار آن در هر منطقه متفاوت خواهد بود. چون دریانوردان و خلبانان در مسیریابی به نصف النهار جغرافیایی احتیاج دارند، لذا دانستن مقدار زاویه انحراف مغناطیسی برای آنان بسیار مهم است.
  
  
• مولفه افقی میدان مغنا طیسی:
  اگر میدان مغناطیسی زمین به دو مولفه عمود بر هم تجزیه کنیم، مولفه افقی میدان مغناطیس زمین حاصل می‌شود.

جابجایی قطب‌های مغناطیسی زمین

دانشمندان از دیرباز می‌دانستند که قطب‌های مغناطیسی زمین حرکت می‌کنند. جیمز روس (james ross) نخستین فردی بود که محل قطب شمال را تعیین نمود. وی این کار را در طی سفری خطرناک انجام داده بود. در سال 1904 روالد اماند سون دوباره محل قطب شمال را تعیین نمود، و متوجه شد که محل قطب شمال به اندازه 50 کیلومتر جابجا شده‌ است. اوایل سرعت حرکت قطب 10 کیلومتر در یک سال بود ولی بعدها به 40 کیلومتر در سال رسید.

ناهنجاری مغناطیسی زمین

وقتی انجمن زمین شناسی ایالت متحده امریکا متوجه شد که دور زدن عقربه مغناطیسی در افریقا به اندازه 0.1 درجه کم شده ، و میدان مغنا طیسی 10 درصد از قرن نوزدهم ضعیف تر شده است. برای جراید این سوال پیش آمد که آیا ممکن است روزی میدان مغناطیسی زمین از بین برود؟ پروفسور گری گلاتز مایر (gary Gratsmaier) از دانشگاه کالیفرنیا در جواب این سوال گفت، با توجه به مطالعات مغناطیسی در زمانهای گذشته (علم paleomagnetism) ملاحظه می‌شود که میدان مغناطیسی در اعصار گذشته گاهی در حال افزایش و گاهی در حال کاهش است.

در واقع امروزه کره زمین دارای بیشترین شدت میدان مغناطیسی خود در طول تاریخ است. هرگاه در نقطه‌‌ای از کره زمین مقدار کمیتهای مغناطیسی (انحراف مغناطیسی ، میل مغناطیسی ، مولفه افقی بردار میدان مغناطیسی) بطور فاحشی با نقا ط مجاورش فرق کند، اصطلاحا گفته می‌شود که ناهنجاری مغناطیسی اتفاق افتاده و احتمالا در آن نقطه از زمین مخازن ارزشمندی از سنگهای معدن مغناطیسی مانند سنگ آهن وجود دارد. استفاده از این روش در کشف ذخایر معدنی بسیار مفید است.

توفان مغناطیسی

معمولا مقدار سه کمیت مغناطیسی در طی روز و سال تغییرات جزئی دارند. ولی گاهی اوقات در میدان مغناطیسی ، در نتیجه در مولفه‌های آن (سه کمیت) به مدت 6 یا 12 ساعت تغییرات ناگهانی رخ می‌دهد، که اصطلاحا به آن توفان مغناطیسی می‌گویند. این توفانها معمولا هر 11.5 سال تکرار می‌شوند. جالب توجه است که پدیده‌هایی مانند شفقهای قطبی و لکه‌های خورشیدی و انتشار امواج رادیویی نیز دارای دوره‌های 11.5 ساله هستند، که نشان دهنده ارتباط بین آنها است.

کمربند تشعشعی وان آلن

هرگا ه ذره بارداری در میدان مغناطیسی زمین قرار گیرد، بر آن ذره نیرویی وارد می‌شود، که به نیروی لورنتس معروف است. می‌دانیم که در نتیجه اندرکنش هسته‌ای درون خورشید و طوفانهای خورشیدی ، بطور مداوم ذرات پر انرژی با سرعت 500 کیلومتر بر ثانیه در فضا گسیل می‌شوند. این موضوع سبب می‌شود که سیلی از این ذرات به سمت زمین بیایند و در دام حوزه‌های مغناطیسی آن بیافتند. از آنجا که در قطبین ، شدت میدان مغناطیسی بیشینه است، نیروی لورنتس وارد بر ذرات بنیادی بسیار بزرگ است. اگر یک گروه پروتون یا الکترون بطور عمود وارد میدان مغناطیسی شوند، از طرف میدان بر این ذرات یک نیروی عمودی و جانب مرکز به نام نیروی لورنتس وارد خواهد شد، که سبب حرکت دورانی آنها می‌شود.

در اثر این نیرو ذرات در یک مسیر دورانی به شعاع r شروع به حرکت می‌کنند و مسیر حرکت آنها حول خطوط میدان مغناطیسی زمین خواهد بود. بنابراین تعداد بیشماری ذره در حوزه‌های قطبی زمین در رفت و آمد هستند. و چون در قطبین مانند سا یر نقا ط مختلف زمین هوا موجود است، به مولکولهای هوا برخورد می‌کنند. این ذرات چون حامل انرژیهای زیادی هسند، با جذب مولکولهای هوا ،‌ آنها را یونیزه کرده و ذرات جدید و پرتوهای گاما تولید می‌کنند، و ما نقاط درخشانی را در قطب مشاهده خواهیم کرد، که به آن کمربند تشعشعی وان آلن گفته می‌شود.

منشا میدان مغناطیسی زمین

در قلب سیاره ما گلوله سخت و یکپارچه‌ای از آهن وجود دارد که به اندازه سطح خورشید داغ است و به آن هسته زمین می‌گوییم. اقیانوسی از آهن مایع دور هسته درونی وجود دارد که به آن هسته خارجی می‌گویند. محققان منشا میدان مغناطیسی را هسته خارجی می‌دانند که لایه عمیقی از آهن مایع است و به دور هسته می‌گردد. در واقع هسته خارجی مانند آب روی اجاق ، بر روی هسته داخلی در جوش و خروش است. از طرفی اثر نیروی کوریولیس دوران زمین ، درون هسته خارجی ایجاد طوفان و گرداب می‌کند. مجموع این حرکتها است که میدان مغناطیسی سیاره زمین را بوجود می‌آورد.