Erdschild: Wo hat unser Planet ein Magnetfeld?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-16 16:01

Das Magnetfeld schützt die Erdoberfläche vor Sonnenwind und schädlicher kosmischer Strahlung. Es funktioniert wie eine Art Schild – ohne seine Existenz würde die Atmosphäre zerstört. Wir erzählen Ihnen, wie sich das Magnetfeld der Erde gebildet und verändert hat.

Aufbau und Eigenschaften des Erdmagnetfeldes

Das Erdmagnetfeld oder Erdmagnetfeld ist ein Magnetfeld, das von intraterrestrischen Quellen erzeugt wird. Das Thema der Erforschung des Geomagnetismus. Erschien vor 4, 2 Milliarden Jahren.

Das erdeigene Magnetfeld (Erdmagnetfeld) lässt sich in folgende Hauptteile unterteilen:

• Hauptfeld,
• Felder von Weltanomalien,
• äußeres magnetisches Feld.

Hauptfeld

Mehr als 90% davon besteht aus einem Feld, dessen Quelle sich im Inneren der Erde befindet, im flüssigen äußeren Kern - dieser Teil wird als Haupt-, Haupt- oder Normalfeld bezeichnet.

Es wird in Form einer Reihe in Harmonischen angenähert - einer Gaußschen Reihe, und in erster Näherung nahe der Erdoberfläche (bis zu drei ihrer Radien) ist es nahe dem magnetischen Dipolfeld, dh es sieht aus wie die Erde ist ein Streifenmagnet mit einer etwa von Nord nach Süd gerichteten Achse.

Felder der Weltanomalien

Die tatsächlichen Kraftlinien des Erdmagnetfeldes, obwohl sie im Durchschnitt nahe an den Kraftlinien des Dipols liegen, unterscheiden sich von diesen durch lokale Unregelmäßigkeiten, die mit dem Vorhandensein von magnetisierten Gesteinen in der oberflächennahen Kruste verbunden sind.

Aus diesem Grund weichen die Feldparameter an einigen Stellen der Erdoberfläche stark von den Werten in nahegelegenen Gebieten ab und bilden sogenannte magnetische Anomalien. Sie können sich überlappen, wenn die magnetisierten Körper, die sie verursachen, in unterschiedlichen Tiefen liegen.

Externes Magnetfeld

Sie wird durch Quellen in Form von Stromsystemen bestimmt, die sich außerhalb der Erdoberfläche, in ihrer Atmosphäre, befinden. Im oberen Teil der Atmosphäre (ab 100 km) - der Ionosphäre - ionisieren seine Moleküle und bilden ein dichtes kaltes Plasma, das höher aufsteigt, also ein Teil der Erdmagnetosphäre über der Ionosphäre, der sich bis zu einer Entfernung von drei erstreckt seiner Radien wird Plasmasphäre genannt.

Plasma wird vom Erdmagnetfeld gehalten, aber sein Zustand wird durch seine Wechselwirkung mit dem Sonnenwind bestimmt - dem Plasmafluss der Sonnenkorona.

In größerer Entfernung von der Erdoberfläche ist das Magnetfeld also asymmetrisch, da es unter der Einwirkung des Sonnenwinds verzerrt wird: Von der Sonne zieht es sich zusammen und in Richtung von der Sonne nimmt es eine "Spur" an, die sich ausdehnt Hunderttausende von Kilometern über die Umlaufbahn des Mondes hinaus.

Diese eigentümliche "Schwanzform" entsteht, wenn das Plasma des Sonnenwinds und der Sonnenkorpuskularströme um die Magnetosphäre der Erde zu fließen scheint - die Region des erdnahen Weltraums, die immer noch vom Magnetfeld der Erde und nicht von der Sonne und anderen kontrolliert wird interplanetare Quellen.

Es ist vom interplanetaren Raum durch eine Magnetopause getrennt, in der der dynamische Druck des Sonnenwinds durch den Druck seines eigenen Magnetfelds ausgeglichen wird.

Feldparameter

Eine visuelle Darstellung der Lage der magnetischen Induktionslinien des Erdfeldes liefert eine Magnetnadel, die so befestigt ist, dass sie sich sowohl um die vertikale als auch um die horizontale Achse frei drehen kann (zum Beispiel bei einem Kardanring), - an jedem Punkt in der Nähe der Erdoberfläche ist es auf eine bestimmte Weise entlang dieser Linien installiert.

Da die magnetischen und geografischen Pole nicht zusammenfallen, zeigt die Magnetnadel nur eine ungefähre Nord-Süd-Richtung.

Die vertikale Ebene, in der die Magnetnadel installiert ist, wird als Ebene des magnetischen Meridians des jeweiligen Ortes bezeichnet, und die Linie, entlang der sich diese Ebene mit der Erdoberfläche schneidet, wird als magnetischer Meridian bezeichnet.

Magnetische Meridiane sind also die Projektionen der Kraftlinien des Erdmagnetfeldes auf ihre Oberfläche, die an den magnetischen Nord- und Südpolen konvergieren. Der Winkel zwischen den Richtungen des magnetischen und geographischen Meridians wird als magnetische Deklination bezeichnet.

Er kann westlich (oft durch ein „-“-Zeichen angezeigt) oder östlich (ein „+“-Zeichen) sein, je nachdem, ob der Nordpol der Magnetnadel von der vertikalen Ebene des geografischen Meridians nach Westen oder Osten abweicht.

Außerdem verlaufen die Linien des Magnetfelds der Erde im Allgemeinen nicht parallel zu ihrer Oberfläche. Dies bedeutet, dass die magnetische Induktion des Erdfeldes nicht in der Ebene des Horizonts eines bestimmten Ortes liegt, sondern einen bestimmten Winkel mit dieser Ebene bildet - man spricht von magnetischer Neigung. Es ist nur an den Punkten des magnetischen Äquators nahe Null - dem Umfang eines Großkreises in einer Ebene, die senkrecht zur magnetischen Achse steht.

Ergebnisse der numerischen Modellierung des Erdmagnetfeldes: links - normal, rechts - während der Inversion

Die Natur des Erdmagnetfeldes

Zum ersten Mal versuchte J. Larmor 1919 die Existenz der Magnetfelder der Erde und der Sonne zu erklären, indem er das Konzept eines Dynamos vorschlug, nach dem die Aufrechterhaltung des Magnetfelds eines Himmelskörpers unter der Einwirkung erfolgt der hydrodynamischen Bewegung eines elektrisch leitfähigen Mediums.

1934 bewies T. Cowling jedoch den Satz über die Unmöglichkeit, ein axialsymmetrisches Magnetfeld mit Hilfe eines hydrodynamischen Dynamomechanismus aufrechtzuerhalten.

Und da die meisten der untersuchten Himmelskörper (und erst recht die Erde) als achsensymmetrisch galten, konnte auf dieser Grundlage davon ausgegangen werden, dass ihr Feld auch achsensymmetrisch ist, und dann ihre Erzeugung nach diesem Prinzip wäre nach diesem Theorem unmöglich.

Sogar Albert Einstein war skeptisch gegenüber der Machbarkeit eines solchen Dynamos angesichts der Unmöglichkeit der Existenz einfacher (symmetrischer) Lösungen. Erst viel später zeigte sich, dass nicht alle achsensymmetrischen Gleichungen, die den Prozess der Magnetfelderzeugung beschreiben, auch in den 1950er Jahren eine achsensymmetrische Lösung haben werden. asymmetrische Lösungen gefunden.

Seitdem hat sich die Dynamotheorie erfolgreich weiterentwickelt, und heute ist die allgemein akzeptierte wahrscheinlichste Erklärung für den Ursprung des Magnetfelds der Erde und anderer Planeten ein selbsterregter Dynamomechanismus, der auf der Erzeugung eines elektrischen Stroms in einem Leiter beruht wenn es sich in einem Magnetfeld bewegt, das von diesen Strömen selbst erzeugt und verstärkt wird.

Im Erdkern werden die notwendigen Voraussetzungen geschaffen: Im flüssigen Außenkern, der hauptsächlich aus Eisen mit einer Temperatur von etwa 4-6 Tausend Kelvin besteht, der den Strom perfekt leitet, entstehen Konvektionsströmungen, die dem festen Innenkern Wärme entziehen (erzeugt durch den Zerfall radioaktiver Elemente oder die Freisetzung latenter Wärme während der Erstarrung von Materie an der Grenze zwischen dem inneren und äußeren Kern, wenn der Planet allmählich abkühlt).

Die Coriolis-Kräfte verdrehen diese Ströme zu charakteristischen Spiralen, die die sogenannten Taylor-Säulen bilden. Durch die Reibung der Schichten nehmen sie eine elektrische Ladung auf und bilden Schleifenströme. So entsteht ein System von Strömen, die in Leitern, die sich in einem (zunächst vorhandenen, wenn auch sehr schwachen) Magnetfeld bewegen, wie in einer Faraday-Scheibe entlang eines leitfähigen Kreises zirkulieren.

Es erzeugt ein magnetisches Feld, das bei einer günstigen Geometrie der Strömungen das Anfangsfeld und dies wiederum den Strom verstärkt, und der Verstärkungsprozess wird fortgesetzt, bis die mit zunehmendem Strom zunehmenden Verluste an Joule-Wärme die ausgleichen Energiezuflüsse durch hydrodynamische Bewegungen.

Es wurde vorgeschlagen, dass der Dynamo aufgrund von Präzessions- oder Gezeitenkräften angeregt werden kann, dh dass die Energiequelle die Rotation der Erde ist, jedoch die am weitesten verbreitete und entwickelte Hypothese ist, dass dies genau thermochemische Konvektion ist.

Veränderungen des Erdmagnetfeldes

Die Magnetfeldinversion ist eine Änderung der Richtung des Erdmagnetfelds in der geologischen Geschichte des Planeten (bestimmt durch die paläomagnetische Methode).

Bei einer Inversion werden der magnetische Norden und der magnetische Süden umgekehrt und die Kompassnadel beginnt in die entgegengesetzte Richtung zu zeigen. Inversion ist ein relativ seltenes Phänomen, das während der Existenz des Homo sapiens noch nie aufgetreten ist. Vermutlich geschah dies das letzte Mal vor etwa 780.000 Jahren.

Umkehrungen des Magnetfelds traten in Zeitintervallen von Zehntausenden von Jahren bis hin zu riesigen Intervallen eines ruhigen Magnetfelds von Zehnmillionen von Jahren auf, wenn die Umkehrungen nicht auftraten.

Somit wurde bei der Polumkehr keine Periodizität festgestellt, und dieser Prozess wird als stochastisch angesehen. Auf lange Perioden eines ruhigen Magnetfeldes können Perioden mehrerer Umkehrungen mit unterschiedlicher Dauer folgen und umgekehrt. Studien zeigen, dass eine Änderung der magnetischen Pole mehrere hundert bis mehrere hunderttausend Jahre dauern kann.

Experten der Johns Hopkins University (USA) vermuten, dass die Magnetosphäre der Erde bei Umkehrungen so stark abgeschwächt ist, dass kosmische Strahlung die Erdoberfläche erreichen könnte, sodass dieses Phänomen lebenden Organismen auf dem Planeten schaden könnte und der nächste Polwechsel zu noch mehr führen könnte schwerwiegende Folgen für die Menschheit bis hin zu einer globalen Katastrophe.

Wissenschaftliche Arbeiten der letzten Jahre haben (auch im Experiment) die Möglichkeit von zufälligen Richtungsänderungen des Magnetfeldes ("Sprünge") in einem stationären turbulenten Dynamo gezeigt. Laut dem Leiter des Labors für Geomagnetismus am Institut für Physik der Erde, Vladimir Pavlov, ist die Inversion nach menschlichen Maßstäben ein ziemlich langer Prozess.

Geophysiker der University of Leeds Yon Mound und Phil Livermore glauben, dass es in ein paar tausend Jahren eine Umkehrung des Erdmagnetfelds geben wird.

Verschiebung der magnetischen Pole der Erde

Erstmals wurden die Koordinaten des magnetischen Pols auf der Nordhalbkugel 1831 wieder bestimmt - 1904, dann 1948 und 1962, 1973, 1984, 1994; auf der Südhalbkugel - wieder 1841 - 1908. Die Verschiebung der Magnetpole wird seit 1885 aufgezeichnet. In den letzten 100 Jahren hat sich der Magnetpol auf der Südhalbkugel fast 900 km bewegt und ist in den Südlichen Ozean eingedrungen.

Die neuesten Daten über den Zustand des arktischen Magnetpols (der sich über den Arktischen Ozean in Richtung der ostsibirischen Weltmagnetanomalie bewegt) zeigten, dass seine Laufleistung von 1973 bis 1984 120 km betrug, von 1984 bis 1994 mehr als 150 km. Obwohl diese Zahlen berechnet sind, werden sie durch Messungen des magnetischen Nordpols bestätigt.

Nach 1831, als erstmals die Position des Pols festgelegt wurde, hat sich der Pol bis 2019 bereits um mehr als 2.300 km in Richtung Sibirien verschoben und bewegt sich mit Beschleunigung weiter.

Seine Reisegeschwindigkeit stieg von 15 km pro Jahr im Jahr 2000 auf 55 km pro Jahr im Jahr 2019. Diese schnelle Drift erfordert häufigere Anpassungen von Navigationssystemen, die das Erdmagnetfeld nutzen, wie beispielsweise Kompasse in Smartphones oder Backup-Navigationssysteme für Schiffe und Flugzeuge.

Die Stärke des Erdmagnetfeldes fällt, und zwar ungleichmäßig. In den letzten 22 Jahren ist sie im Durchschnitt um 1,7 % zurückgegangen, in einigen Regionen wie dem Südatlantik sogar um 10 %. An einigen Stellen nahm die Stärke des Magnetfeldes entgegen dem allgemeinen Trend sogar zu.

Die Beschleunigung der Bewegung der Pole (um durchschnittlich 3 km / Jahr) und ihre Bewegung entlang der Korridore der magnetischen Polinversionen (diese Korridore ermöglichten es, mehr als 400 Paläoinversionen aufzudecken) legt nahe, dass bei dieser Bewegung der Pole man sollte keine Exkursion, sondern eine weitere Inversion des Erdmagnetfeldes sehen.

Wie ist das Erdmagnetfeld entstanden?

Experten des Scripps Institute of Oceanography und der University of California haben vermutet, dass das Magnetfeld des Planeten durch den Mantel gebildet wurde. Amerikanische Wissenschaftler haben eine Hypothese entwickelt, die vor 13 Jahren von einer Forschergruppe aus Frankreich aufgestellt wurde.

Es ist bekannt, dass Fachleute lange Zeit argumentierten, dass es der äußere Kern der Erde war, der sein Magnetfeld erzeugte. Aber dann schlugen Experten aus Frankreich vor, dass der Mantel des Planeten immer fest war (vom Moment seiner Geburt an).

Diese Schlussfolgerung ließ die Wissenschaftler vermuten, dass nicht der Kern das Magnetfeld bilden könnte, sondern der flüssige Teil des unteren Erdmantels. Die Zusammensetzung des Mantels ist ein Silikatmaterial, das als schlechter Leiter gilt.

Da der untere Erdmantel jedoch Milliarden von Jahren flüssig bleiben musste, erzeugte die Bewegung der Flüssigkeit darin keinen elektrischen Strom, sondern musste lediglich ein Magnetfeld erzeugen.

Fachleute glauben heute, dass der Mantel ein mächtigerer Kanal sein könnte als bisher angenommen. Diese Schlussfolgerung von Spezialisten rechtfertigt vollständig den Zustand der frühen Erde. Ein Silikat-Dynamo ist nur möglich, wenn die elektrische Leitfähigkeit seines flüssigen Teils viel höher ist und einen niedrigen Druck und eine niedrige Temperatur aufweist.