Co się dzieje z biegunami magnetycznymi Ziemi?

Zagadki

Co si

dzieje z biegunami magnetycznymi Ziemi?

Ziemia ma dwa bieguny magnetyczne, które

nie

pokrywaj

z biegunami geograficznymi

. Magnetyczny

biegun

północny

leŜy

pobliŜu

bieguna

geograficznego południowego, a magnetyczny biegun
południowy leŜy w pobliŜu bieguna geograficznego
północnego.
Własności

magnetyczne

Ziemi

wynikają

jej

wewnętrznej budowy. Ziemia składa się z czterech
podstawowych warstw: stałego jądra wewnętrznego z
niemal

czystego

Ŝelaza,

płynnego

płaszcza

zewnętrznego równieŜ składającego się głównie z
Ŝelaza,

skalistego

płaszcza

cienkiej

skorupy

obejmującej kontynenty i dna oceanów. Łączny cięŜar
płaszcza  i  skorupy  wytwarza  w  jądrze  ciśnienie
średnio dwa miliony razy większe od tego jakie panuje
na  powierzchni  planety.  Temperatura  jądra  wynosi
około  5000°C  i  wytworzyła  się  podczas  formowania
Ziemi na skutek kurczenia się materii.
Źródłem  ziemskiego  magnetyzmu  są  prądy,  które
płyną  w  stopionym  jądrze  naszej  planety.  Fizycy
ustalili,  Ŝe  planeta  moŜe  wytwarzać  własne  pole

magnetyczne,  gdy  spełnione  są  trzy  podstawowe  warunki.  Pierwszym  jest  obecność  wewnątrz
duŜej ilości płynnego przewodnika, którym jest w przypadku Ziemi płynne Ŝelazo znajdujące się w
płaszczu zewnętrznym. Drugim jest zapewnienie dopływu energii niezbędnej do wprawienia płynu
w  ruch.  Źródłem  energii  dymana  ziemskiego  są  ciepło  i  reakcje  chemiczne  oraz  krystalizacja
Ŝelaza  na  granicy  jądra  wewnętrznego.  Powoduje  to  powstawanie  prądów  konwekcyjnych.  W
pobliŜu jądra wewnętrznego temperatura jest znacznie wyŜsza niŜ wyŜej i ciepłe warstwy wędrują
ku  górze.  Gdy  gorący  strumień  dociera  do  do  granicy  z  płaszczem,  oddaje  mu  część  ciepła.
Schłodzone  Ŝelazo  staje  się  gęstsze  od  otoczenia  i  spływa  z  powrotem.  Trzecim  czynnikiem  jest
rotacja  w  wyniku  ruchu  obrotowego  Ziemi.  Na  płynne  Ŝelazo  działa  wtedy  siła  Coriolisa,  która
powoduje  ruch  wirowy  strug  płynnego  Ŝelaza  i
torem  jest  krzywa  spiralna.  Nieustanne  istnienie
pola magnetycznego Ziemi (geodynama) jest więc
przede  wszystkim  zasługą  istnienia  płynnego,
metalicznego

Ŝelaza,

zasobów

energii

wystarczających  do  podtrzymania  konwekcji  oraz
siły  Coriolisa.  Jest  to  tylko  niestety  uproszczenie.
Pole  magnetyczne  jako  całość  podobne  jest  do
pola  magnesu  sztabkowego,  ale  ruch  wirowy
powoduje, Ŝe w wielu miejscach powstają obszary
o  przeciwnej  biegunowości  zwane  anomaliami
magnetycznymi.
Z  namagnesowania  starych  skał  i  minerałów
moŜna

odczytać,

jak

zmieniało

się

pole

magnetyczne  na  przestrzeni  wieków,  bowiem
podczas  szybkiego  stygnięcia  lawy  kryształy  tak
jak  igły  magnetyczne,  układają  się  zgodnie  z
kierunkiem

ziemskiego

pola

magnetycznego.

Okazuje

się,

Ŝe

bieguny

ziemskiego

pola

magnetycznego

cyklicznie

zamieniały

się

miejscami  -  południowy  przechodził  na  miejsce
północnego  i  na  odwrót.  W  czasie  takiej  zamiany
ziemskie  pole  magnetyczne  wariowało,  między
innymi  zanikały  wtedy  oba  bieguny  magnetyczne.
Ostatnie odwrócenie biegunów nastąpiło około 780
tysięcy  lat  temu,  a  magnetyczny  chaos  z  tym
związany trwał kilka tysięcy lat.

Warstwy wewnętrzne Ziemi

Zmiana rozkładu ziemskiego pola magnetycznego, od roku

1980 anomalii przybyło, a istniejące się powiększyły

Page 1 of 5

Pole magnetyczne i zmiana pola grawitacyjnego Ziemi

2008-03-29

http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_zf3.html

Od  dwudziestu  lat  dokładnie  badamy  precyzyjnie  rozkład  pola  magnetycznego  na  powierzchni
Ziemi.  Najpierw  źródłem  danych  był  satelita  Magsat,  a  od  1999  roku  satelita  Oersted.  UŜywając
metod matematycznych i zakładając, Ŝe pola generowane przez prądy elektryczne w płaszczu są
zaniedbywanie  małe,  naukowcy  uzyskali  z  tych  pomiarów  mapy  pola  magnetycznego  na
powierzchni  jądra.  Okazało  się,  Ŝe  chociaŜ  pole  magnetyczne  jest  podobne  do  magnesu
sztabkowego  to  w  większości  pochodzi  z  czterech  duŜych  stref  na  powierzchni  jądra:  dwa  pod
skrajnymi  wybrzeŜami  Antarktydy  i  po  jednym  pod  Syberią  oraz  Ameryką  Północną.  Dodatkowo

odkryto,  Ŝe  od  lat  osiemdziesiątych  powstają  nowe  anomalne
obszary,  na  przykład  pod  wschodnim  wybrzeŜem  Ameryki
Północnej  czy  pod  Arktyką.  Pojawienie  się  tych  anomalii  jest
najprawdopodobniej  oznaką  kolejnej  zamiany  biegunów.
Zaobserwowano  zmniejszenie  się  natęŜenie  ziemskiego  pola
magnetycznego  o  10%  w  stosunku  do  pierwszych  pomiarów
wykonywanych  w  XIX  wieku.  Jeśli  będą  się  powiększały  w
dotychczasowym  tempie,  to  ziemskie  bieguny  magnetyczne
mogą  zaniknąć  w  ciągu  tysiąca  lat,  a  kompasy  będą
bezuŜyteczne. Ciekawe jak poradzą sobie zwierzęta, np. ptaki,
które w swych wędrówkach kierują się polem magnetycznym?
Aby

poznać

lepiej

mechanizm

powstawania

lokalnych

niezgodności pola magnetycznego i sposób, w jaki mogą
powstawać

kolejne

zmiany

biegunów

magnetycznych,

naukowcy  symulują  geodynamo  na  superkomputerach  i
modelach fizycznych. Niestety moce obliczeniowe są zbyt małe
aby w pełni śledzić procesy podobne do zachodzących w jądrze
Ziemi.  Próbujemy  równieŜ  budować  modele  fizyczne  w
laboratorium.  Po  raz  pierwszy  w  2000  roku  dwa  europejskie

zespoły  niezaleŜnie  od  siebie  wytworzyły  spontanicznie  wytworzone  bieguny  magnetyczne  w
spiralnie skręconych rurach o długości 1-2 metry, zawierających ciekły sód (sód ma bardzo niską
temperaturę  topnienia).  W  najbliŜszym  czasie  planuje  się  umieścić  płynny  sód  w  kulistych
zbiornikach o średnicy trzy metry i wprawić go w ruch.
Czekamy na dalsze pomiary i lepsze komputery. Naukowcy spodziewają się, Ŝe połączenie trzech
metod  badawczych  -  pomiarów  satelitarnych,  symulacji  komputerowych  i  laboratoryjnych  -
nastąpi najdalej za 10 do 20 lat.
Opracowano na podstawie artykułu zamieszczonego w nr 5/2005 czasopisma Świat Nauki.

Jak powstaj

zorze polarne?

Zorze

polarne,

które

juŜ

omawiali

ciekawostkach

powstają

skutek

burz

magnetycznych  na  Słońcu.  Powstają  wtedy  silne
rozbłyski  i  z  powierzchni  Słońca  wyrzucane  są
ogromne  ilości  naładowanych  cząstek  (głównie
protonów i elektronów) o wysokiej energii. Tworzą
one  tak  zwany  wiatr  słoneczny,  który  stanowi
przedłuŜenie

atmosfery

słonecznej,

Wiatr

słoneczny

sięga

aŜ

skrajów

Układu

Słonecznego. Kiedy wiatr słoneczny dotrze w
pobliŜe

Ziemi,

oddziaływuje

polem

magnetycznym  Ziemi.  Na  skutek  tego  elektrony
poruszają  się  ruchem  spiralnym  wzdłuŜ  linii
ziemskiego  pola  magnetycznego  i  w  końcu
zderzają się w pobliŜu biegunów magnetycznych z
cząsteczkami  azotu  i  tlenu  wzbudzając  je,  które
wracając do stanu podstawowego wypromieniowują energię w postaci kwantów światła.
Zorza  pojawia  się  w  postaci  kolorowych  łuków,  promieni,  pasm,  serpentyn  i  draperii.  Naukowcy
wciąŜ jednak nie rozumieją, w jaki sposób zorza przyjmuje obłe kształty albo dlaczego jej kurtyna
bywa  pofałdowana  jak  wstąŜka  na  wietrze.  Dlaczego  wreszcie  nie  jest  jednolitą  ścianą  światła,
lecz  często  składa  się  z  osobnych  pasm,  jakby  tworzyły  ją  wiązki  światła  z  równolegle
ustawionych reflektorów. Jest kilka hipotez wyjaśnienia tych faktów. MoŜe jakieś pola elektryczne
w ziemskiej atmosferze muszą tak przyspieszać elektrony, Ŝe skupiają się one w wiązki. Niektórzy

Komputerowa symulacja pola

magnetycznego Ziemi na 500 lat przed

zmianą biegunów

Zdjęcie zorzy polarnej, którego autorem jest

Jan Curtis

Page 2 of 5

Pole magnetyczne i zmiana pola grawitacyjnego Ziemi

2008-03-29

http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_zf3.html

z badaczy sądzą, Ŝe jest to wynik stałych napięć elektrycznych, które tworzą się pomiędzy
róŜnymi warstwami atmosfery.

Niedawno  ogłoszono  nowy  złoŜony
model  powstawania  zorzy,  który
obecnie  obowiązuje.  Aby  omówić
ten

model

musimy

rozszerzyć

wiadomości

ziemskim

polu

magnetycznym.
Pole magnetyczne Ziemi tworzy
osłonę

ochronną,

zwaną

magnetosferą. Wychodzą one z
dwu biegunów, następnie biegną
pionowo,

czym

duŜej

wysokości odchylają się do pionu i
przechodzą

przeciwległego

bieguna.  Wiatr  słoneczny  spłaszcza
czoło  magnetosfery  i  wyciąga  jej
tylną  część  w  formie  ogona,  co
widać na rysunku po lewo.

Okazuje  się,  Ŝe  cząstki  pochodzące  z  wiatru  słonecznego  zostały  uwięzione  przez  ziemskie  pole
magnetyczne  (odkrył  to  van  Allen  w  1958  roku)  i  tworzą  podwójne,  tak  zwane  pasy  van  Allena,
zwane  teŜ  pasami  radiacyjnymi,  poniewaŜ  są  one  obszarami  intensywnego  promieniowania.
Elektrony  i  protony,  w  tych  pasach,  poruszają  się  po  trajektoriach  zbliŜonych  do  spiralnych  z
ogromnymi  prędkościami,  w  kierunku  z  bieguna  północnego  na  południowy  i  z  powrotem  (jedna
sekunda  wystarczy  na  przebycie  trasy  w  obu
kierunkach).

Wewnętrzny

pas

van

Allena,

składający  się  przede  wszystkim  z  protonów,
rozciąga  się  od  wysokości  1000  do  5000  km  nad
równikiem  ziemskim,  natomiast  pas  zewnętrzny
(przewaŜnie  elektrony)  od  15000  do  25000  km
nad  równikiem.  Pasy  van  Allena  odrzucają  cząstki
dochodzące  z  Kosmosu,  stanowią  więc  naturalną
osłonę

radiacyjną,

równieŜ

przed

wiatrem

słonecznym.
Kiedy  wiatr  słoneczny  dociera  do  magnetosfery  to
zaczyna  się  ślizgać  po  liniach  pola  ziemskiego  i
rozciąga  je  dalej  w  przestrzeń  kosmiczna  po
nocnej stronie Ziemi. Co jakiś czas ogon ten staje
się

tak

rozciągnięty,

Ŝe

następuje

zmiana

konfiguracji  linii  pola  magnetycznego,  w  wyniku  której  dochodzi  do  skierowanie  ponownie  ku
Ziemi strumienia protonów i elektronów. Zjawisko to trwa od 10 minut do kilkudziesięciu godzin.
Proces  ponownego  łączenia  się  linii  pola  ziemskiego  wytwarza  fale  wzdłuŜ  pola  magnetycznego.
Od  ogona  magnetycznego  Ziemi  do  biegunów  płyną  fale  elektromagnetyczne,  zwane  falami

Alfvena,

przemieszczające

się

wzdłuŜ

linii

ziemskiego  pola  magnetycznego.  Fale  Alfvena
mogą  przekazywać  swoją  energię  elektronom,
nadając  im  przyspieszenie  skierowane  wzdłuŜ  linii
pola

magnetycznego

kierunku

biegunów

północnego i południowego. Elektrony dostając się
do

atmosfery

zderzają

się

cząsteczkami

powietrza i wzbudzające. Wzbudzone atomy
oddają energię, emitując światło.
Od

dawna

kontrowersyjnym

tematem

było

istnienie tajemniczych dźwięków, które wiele osób
miało  słyszeć  podczas  intensywnych  zórz.  Próby
rejestracji  akustycznej  nie  przyniosły  jednak
rezultatów  i  wydawało  się,  Ŝe  jest  to  efekt
subiektywnych

wraŜeń.

Są

róŜne

próby

wytłumaczenia tych efektów. Być moŜe przyczyna
dźwięków

mogą

być

lokalne

wyładowania

elektryczne w powietrzu lub jak ostatnio się

Zniekształcone pola magnetyczne Ziemi (magnetosfera) przez wiatr słoneczny,

białe obszary to uwięzione elektrony i protony czyli pasy van Allena

Ogon magnetosfery jest bardzo rozciągnięty i za chwilę

nastąpi zmiana konfiguracji linii pola magnetycznego

Page 3 of 5

Pole magnetyczne i zmiana pola grawitacyjnego Ziemi

2008-03-29

http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_zf3.html

przypuszcza

silne

pola

elektromagnetyczne

wywołują jakieś procesy bezpośrednio w mózgu
człowieka.

Najprawdopodobniej

fale

elektromagnetyczne

powodują

minimalne

zaburzenia  temperatury  w  tkankach,  a  to  z  kolei
moŜe  wywołać  wewnątrz  ciała  lokalne  fale
akustyczne słyszalne przez ucho.
Aby jeszcze lepiej poznać zorze polarne naukowcy
prowadzą  ich  obserwacje  z  powierzchni  Ziemi  i
satelit.  Odbyły  się  teŜ  pierwsze  próby  wywołania
sztucznej

zorzy

polarnej

strzelając

silnymi

wiązkami promieniowania radiowego w nocne
niebo. Być moŜe niedługo poznamy jeszcze lepiej
mechanizm

powstawania

tego

tajemniczego

zjawiska i będziemy potrafić przewidywać jego
wystąpienie.
Oracowano

podstawie

artykułów

zamieszczonych w nr 4/2005 Młodego Technika,
nr 11/2001 National Geographic i nr 7/2005
Wiedzy i śycie.

Obserwacja zmian pola grawitacyjnego Ziemi

Ziemia  nie  jest  idealnie  kulista.  Jej
kształt  zbliŜony  jest  do  spłaszczonej
kuli  ale  licznie  zniekształconej.  Co
więcej,  naukowcy  sądzą,  Ŝe  jej
kształt

nie

jest

stały.

przeobraŜenia

zachodzące

wnętrzu naszej planety mają wielki
wpływ między innymi na kształt i siłę
ziemskiego pola grawitacyjnego.
Jest kilka teorii wyjaśnienia tego
zjawiska.

Pierwsza

tajemnicę

zmiennego

pola

grawitacyjnego

Ziemi upatruje w oceanach. Ruchy
gigantycznych

mas

wody,

jakie

dokonują  się  za  sprawą  morskich
prądów  zmieniają  grawitację  naszej
planety.  Wraz  z  przemieszczaniem
się wody słodkiej i słonej zmienia się
rozkład  mas  na  naszej  planecie.  A
grawitacja jest wszak wprost proporcjonalna do masy.
Wielu  zwolenników  ma  teoria  wiąŜąca  zmiany  grawitacji  z  efektami  efektu  cieplarnianego.  Głosi
ona,  Ŝe  wzrastająca  średnia  temperatura  atmosfery  powoduje  topnienie  lodu  i  sprawia,  Ŝe  np.
północna  Kanada  i  Półwysep  Skandynawski  uwolnione  częściowo  od  przygniatających  je  mas
lodu... zaczynają się nieco unosić do góry! Te ruchy - rzecz jasna - odbijają się na kształcie pola
grawitacyjnego.  Wszystko  jednak  ma  się  wyjaśnić  wraz  z  uzyskaniem  dokładnych  pomiarów
zmian  grawitacji.  Globalne  pomiary  pola  grawitacyjnego  Ziemi  nie  są  jednak  proste.  Dlatego
postanowiono zbadać grawitację z kosmosu.

17  marca  2002  roku  wystartowała  rakieta  Rockot
z  dwoma  bliźniaczymi  satelitami  na  pokładzie.
Rozpoczęła  się  amerykańsko-niemiecka  misja
GRACE

(Gravity

Recovery

And

Climate

Experiment).  Oba  satelity  znajdują  się  500  km
nad  powierzchnią  Ziemi  i  podąŜają  jeden  za
drugim  w  odległości  220  km.  Przelatują  one  nad
obszarami

silniejszego

lub

słabszego

pola

grawitacyjnego i potrafią je rozróŜnić. Gdy
podąŜający przodem satelita wchodzi w obszar

Po nastąpieniu zmiany konfiguracji pola magnetycznego
Ziemi następuje powstanie fal Alfvena, skierowanych do

biegunów magnetycznych

Page 4 of 5

Pole magnetyczne i zmiana pola grawitacyjnego Ziemi

2008-03-29

http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_zf3.html

silniejszego  pola  grawitacyjnego,  oddala  się
nieznacznie  od  towarzysza.  Dokładna  wartość
odległości  oraz  wartość  wzajemnej  prędkości
satelitów  są  mierzone  za  pomocą  umieszczonych
na  ich  pokładzie  instrumentów  oraz  systemu  GPS
z  dokładnością  sięgającą...  10  mikronów,  czyli
około jednej dziesiątej grubości ludzkiego włosa!
Dane

gromadzone

pomocą

GRACE

są

wykorzystywane  do  budowania  trójwymiarowych
modeli  ziemskiego  pola  grawitacyjnego  raz  na  30
dni.  Misja  będzie  trwała  pięć  lat.  Satelity  mierzą
rozkład  masy  na  Ziemi  z  dokładnością  od  stu  do
tysiąca  razy  większą  niŜ  dotychczas.  Badania
ujawnią drobne zmiany, jakie dokonują się w polu
grawitacyjnym  Ziemi  i  być  moŜe  dostarczą  teŜ
wyjaśnień,

skąd

się

one

biorą.

Poza

monitorowaniem

ziemskiej

grawitacji

uczeni

planują  otworzenie  z  nieznaną  dotąd  precyzją
kształtu  ziemskiej  geoidy.  Oczekuje  się  takŜe,  Ŝe
satelity  Grace  będą  wychwytywały  zmiany  w
prądach

oceanicznych,

zasobach

wód

podziemnych i lodowcach, co pozwoli lepiej

monitorować  klimat  Ziemi.  O  dokładności  tej  metody  niech  świadczy  to,  Ŝe  według  naukowców
zaangaŜowanych  w  projekt  statki  Grace  są  w  stanie  zarejestrować  czteromilimetrowe  zmiany
wysokości wody w basenie Mississippi o powierzchni 32 milionów kilometrów kwadratowych.
Pod  koniec  2002  roku  satelita  Grace  zaczął  przesyłać  pierwsze  wyniki  swych  niezwykle
dokładnych  pomiarów  pola  grawitacyjnego  Ziemi.  W  ciągu  30  dni  twierdzą  specjaliści  uzyskano
więcej  danych  najlepszej  jakości  niŜ  udało  się  nam  zgromadzić  przez  ostatnie  30  lat.  Pierwsze
mapy zostaną udostępnione wiosną 2003 roku.

Zagadki

Mapa  róŜnic  (w  mikrometrach,  czyli  milionowych  częściach
metra)  w  odległości  między  dwoma  statkami  Grace.  Zmiany
w  odległości  są  powodowane  przez  zmiany  w  natęŜeniu
ziemskiego  pola  grawitacyjnego,  działającego  na  kaŜdy  ze
statków.

Page 5 of 5

Pole magnetyczne i zmiana pola grawitacyjnego Ziemi

2008-03-29

http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_zf3.html