معکوس: تلنگر مغناطیسی

منظور ما از معکوس مغناطیسی یا "تلنگر" مغناطیسی زمین چیست؟

زمین دارای یک میدان مغناطیسی است ، همانطور که با استفاده از قطب نما مغناطیسی مشاهده می شود. این ماده به طور عمده در هسته مذاب بسیار داغ سیاره تولید می شود و احتمالاً در بیشتر طول عمر زمین وجود داشته است. میدان مغناطیسی عمدتاً از دو قطبی است که منظور ما این است که یک قطب شمالی و یک قطب جنوبی دارد. در این مکان ها ، یک سوزن قطب نما به ترتیب مستقیم یا به بالا حرکت می کند. این اغلب به عنوان طبیعت مشابه با مزرعه نوار (به عنوان مثال یخچال) توصیف می شود. با این وجود تنوع در مقیاس کوچک در میدان زمین وجود دارد ، که کاملاً متفاوت از یک آهنربای نوار است. در هر صورت ، می توان گفت که در حال حاضر دو قطب در سطح زمین مشاهده می شود ، یکی در نیمکره شمالی و دیگری در نیمکره جنوبی.

با وارونگی مغناطیسی ، یا "تلنگر" ، منظور ما فرایندی است که قطب شمال به یک قطب جنوبی تبدیل می شود و قطب جنوبی به یک قطب شمالی تبدیل می شود. جالب اینجاست که میدان مغناطیسی ممکن است گاهی اوقات فقط به جای وارونگی ، یک "گشت و گذار" انجام شود. در اینجا ، این کاهش در استحکام کلی خود ، یعنی نیرویی که سوزن قطب نما را حرکت می دهد ، متحمل می شود. در طی گشت و گذار ، این میدان معکوس نمی شود ، اما بعداً خود را با همان قطبیت بازسازی می کند ، یعنی شمال باقی می ماند و جنوب و جنوب در جنوب باقی می ماند.

چند بار معکوس اتفاق می افتد؟

به عنوان یک سابقه زمین شناسی ، میدان مغناطیسی زمین معکوس های زیادی از قطبیت را پشت سر گذاشته است. ما می توانیم این را در الگوهای مغناطیسی موجود در سنگهای آتشفشانی ، به ویژه آنهایی که از کف اقیانوس کشف شده اند ، مشاهده کنیم. در 10 میلیون سال گذشته ، به طور متوسط 4 یا 5 معکوس در هر میلیون سال رخ داده است. در زمان های دیگر در تاریخ زمین ، به عنوان مثال در دوره کرتاسه ، دوره های بسیار طولانی تری رخ داده است که هیچ معکوس رخ نداد. معکوس ها قابل پیش بینی نیستند و مطمئناً از نظر ماهیت تناوبی نیستند. از این رو ما فقط می توانیم در مورد میانگین فاصله معکوس صحبت کنیم.

آیا اکنون میدان مغناطیسی زمین معکوس است؟چگونه می دانیم؟

اندازه گیری هایی از میدان مغناطیسی زمین کم و بیش از حدود سال 1840 انجام شده است. برخی از اندازه گیری ها حتی به دهه 1500 باز می گردند ، به عنوان مثال در گرینویچ در لندن. اگر در این مدت به روند قدرت میدان مغناطیسی نگاه کنیم (به عنوان مثال به اصطلاح "لحظه دو قطبی" که در نمودار زیر نشان داده شده است) می توانیم روند نزولی را مشاهده کنیم. در حقیقت ، پیش بینی این جلو به موقع ، لحظه دو قطبی صفر را در حدود 1500-1600 سال نشان می دهد. این یکی از دلایلی است که برخی از مردم معتقدند که این زمینه ممکن است در مراحل اولیه وارونگی باشد. ما همچنین از مطالعات مربوط به مغناطش مواد معدنی در گلدان های باستانی خاک رس می دانیم که میدان مغناطیسی زمین تقریباً دو برابر در دوران روم قوی است.

با این وجود ، قدرت فعلی میدان مغناطیسی از نظر دامنه مقادیری که طی 50،000 سال گذشته داشته است ، به ویژه کم نیست و تقریباً 800000 سال از آخرین وارونگی می گذرد. همچنین ، با توجه به آنچه در مورد "گشت و گذار" در بالا گفتیم ، و دانستن آنچه در مورد خواص مدلهای ریاضی میدان مغناطیسی انجام می دهیم ، بسیار واضح نیست که بتوانیم از این رو به راحتی به 1500 سال برویم.

قطب ها چقدر سریع می چرخند؟

ما هیچ سابقه کاملی از تاریخ هرگونه وارونگی نداریم ، بنابراین هرگونه ادعایی که می توانیم مطرح کنیم بیشتر بر اساس مدل های ریاضی رفتار میدانی و بخشی از شواهد محدود از صخره هایی است که اثری از میدان مغناطیسی باستانی موجود در آن را حفظ می کندشکل گرفت. به عنوان مثال ، به نظر می رسد که شبیه سازی های ریاضی نشان می دهد که یک معکوس کامل ممکن است حدود یک تا چند هزار سال طول بکشد. این با استانداردهای زمین شناسی سریع است اما در مقیاس زمانی انسان کند است.

چه اتفاقی می افتد در هنگام وارونگی؟در سطح زمین چه می بینیم؟

همانطور که در بالا ، ما شواهد محدودی از اندازه گیری های زمین شناسی در مورد الگوهای تغییر در میدان مغناطیسی در طی وارونگی داریم. ممکن است انتظار داشته باشیم که بر اساس مدل های میدان اجرا شده بر روی ابر رایانه ها ، الگوی میدانی بسیار پیچیده تری در سطح زمین ، با شاید بیش از یک قطب شمالی و جنوبی در هر زمان معین باشد. ما همچنین ممکن است قطب ها را با گذشت زمان از موقعیت های فعلی آنها به سمت و در سراسر استوا ببینیم. قدرت کلی این میدان ، در هر نقطه روی زمین ، ممکن است اکنون بیش از یک دهم از قدرت آن نباشد.

آیا خطری برای زندگی وجود دارد؟

تقریباً مطمئناً نیست. میدان مغناطیسی زمین با عمل باد خورشیدی در منطقه ای از فضا ، معروف به مگنتوسفر قرار دارد. مگنتوسفر بسیاری از ذرات پر انرژی را که از خورشید در باد خورشیدی و از منابع دیگر در کهکشان جریان دارند ، از بین می برد. گاهی اوقات خورشید به ویژه فعال است ، به عنوان مثال وقتی بسیاری از لکه های آفتاب وجود دارد ، و ممکن است ابرهایی از ذرات پر انرژی را در جهت زمین بفرستد. در طی چنین "شعله های خورشیدی" و "تخلیه انبوه تاج" ، فضانوردان در مدار زمین ممکن است برای جلوگیری از دوزهای بیشتر تابش به پناهگاه اضافی احتیاج داشته باشند. بنابراین می دانیم که میدان مغناطیسی زمین فقط برخی از مقاومت در برابر تابش ذرات از فضا را به جای کامل ارائه می دهد. در واقع ذرات پر انرژی در واقع می توانند در مغناطیسی تسریع شوند.

در سطح زمین ، جو به عنوان یک پتو اضافی عمل می کند تا همه به جز پر انرژی ترین تابش خورشیدی و کهکشانی متوقف شود. در صورت عدم وجود میدان مغناطیسی ، جو هنوز هم بیشتر تابش را متوقف می کند. در واقع جو ما را از تابش انرژی بالا به عنوان یک لایه بتونی به ضخامت 13 فوت محافظت می کند.

بشر و اجداد آنها برای چند میلیون سال در زمین بوده اند که در طی آن معکوس های زیادی وجود داشته است و هیچ ارتباطی آشکار بین رشد انسان و معکوس وجود ندارد. به طور مشابه ، الگوهای معکوس با الگوهای انقراض گونه ها در طول تاریخ زمین شناسی مطابقت ندارد.

برخی از حیوانات مانند کبوترها و نهنگ ها ممکن است از میدان مغناطیسی زمین برای یافتن جهت استفاده کنند. با فرض اینکه یک معکوس چند هزار سال طول می کشد ، یعنی در طی بسیاری از نسل های هر گونه ، هر حیوان ممکن است به خوبی با محیط مغناطیسی در حال تغییر سازگار باشد یا روشهای مختلف ناوبری را توسعه دهد.

من به توضیحات فنی تر علاقه مندم. آیا میتوانی بیشتر برای من توضیح بدهی؟

منبع میدان مغناطیسی هسته بیرونی مایع غنی از آهن زمین است. این مایع در نتیجه همرفت گرما در اعماق هسته و چرخش سیاره به روشهای پیچیده حرکت می کند. حرکت مایع هسته مداوم است و هرگز متوقف نمی شود ، حتی در هنگام وارونگی. این تنها در صورت عدم موفقیت منبع انرژی می تواند متوقف شود. گرما حداقل تا حدی به دلیل جامد سازی هسته مایع بر روی هسته داخلی جامد که در مرکز زمین قرار دارد ، تولید می شود. این روند به طور مداوم بیش از میلیارد ها سال عمل کرده است. در بالای هسته مایع ، حدود 3000 کیلومتری زیر پاهای ما و زیر گوشته صخره ای ، مایع ممکن است با سرعت افقی ده ها کیلومتر در سال حرکت کند. حرکت این مایع فلزی در خطوط میدان مغناطیسی موجود جریان های الکتریکی ایجاد می کند و اینها به نوبه خود میدان مغناطیسی بیشتری ایجاد می کنند. این فرایندی است که به عنوان Advection شناخته می شود. برای تعادل هرگونه رشد میدان ، و به این ترتیب آنچه را که ما "ژئودینامو" می نامیم ، تثبیت می کنیم ، به انتشار نیاز داریم ، جایی که "میدان" به دور از هسته نشت می کند و از بین می رود. در نهایت ، جریان مایع هسته یک الگوی میدان مغناطیسی پیچیده در سطح زمین با تغییر زمان پیچیده تولید می کند.

شبیه سازی Geodynamo در ابر رایانه ها ماهیت پیچیده این زمینه و رفتار آن را با گذشت زمان نشان داده است. شبیه سازی ها همچنین معکوس هایی را در قطبیت نشان داده اند ، جایی که قطب شمال مغناطیسی با قطب جنوبی جایگزین می شود و برعکس. در چنین شبیه سازی ها ، به نظر می رسد که قدرت قطب اصلی تضعیف می شود ، شاید تا حدود 10 ٪ از ارزش طبیعی آن (اما ناپدید نشود) و قطب های موجود ممکن است در سراسر جهان سرگردان شوند و به سایر قطب های مغناطیسی موقت شمال و جنوبی بپیوندند ("زمینه غیر قطبی").

هسته داخلی آهن جامد زمین در این شبیه سازی ها نشان داده شده است که در کنترل فرآیند معکوس مهم است. از آنجا که این یک جامد است ، هسته داخلی نمی تواند میدان مغناطیسی را با استفاده از پیشرفت ایجاد کند ، اما هر زمینه ای که در هسته بیرونی سیال ایجاد می شود می تواند در هسته داخلی پخش یا پخش شود. به نظر می رسد فرآیند تولید میدانی (Advection) در هسته بیرونی به طور مرتب سعی در معکوس دارد. اما مگر اینکه میدان قفل شده در هسته داخلی ابتدا از بین برود ، یک میدان معکوس واقعی نمی تواند در سراسر هسته ایجاد شود. اساساً هسته داخلی در برابر هر زمینه "جدید" که در آن پخش می شود ، مقاومت می کند و شاید تنها در هر ده تلاش معکوس موفقیت آمیز باشد.

شایان ذکر است که این نتایج اگرچه به خودی خود جذاب هستند، اما مشخص نیست که کاملاً در مورد زمین "واقعی" صادق باشند. با این حال، ما مدل های ریاضی میدان مغناطیسی زمین در 400 سال گذشته را داریم، با مدل های اولیه که عمدتاً بر اساس مشاهدات انجام شده توسط دریانوردان درگیر در کشتی های تجاری و دریایی است. از این مدل ها و برون یابی به زمین، مشخص می شود که نواحی شار معکوس در مرز هسته و گوشته در طول زمان رشد کرده اند. در این مناطق قطب نما در جهت مخالف، در داخل یا خارج از هسته، در مقایسه با مناطق اطراف قرار می گیرد. این رشد در ناحیه چنین وصله شار معکوس در زیر اقیانوس اطلس جنوبی است که در درجه اول مسئول فروپاشی میدان دوقطبی اصلی است. این پچ معکوس همچنین مسئول حداقل قدرت میدانی به نام ناهنجاری اقیانوس اطلس جنوبی است که اکنون در آمریکای جنوبی متمرکز شده است. در این منطقه، ذرات پرانرژی می توانند از نزدیک به زمین نزدیک شوند و باعث افزایش خطر تشعشعات برای ماهواره های مدار پایین زمین شوند.

هنوز کار زیادی برای درک خواص اعماق زمین وجود دارد. این دنیایی است که در آن نیروهای خرد کننده و دمای هسته مشابه سطح خورشید درک علمی ما را به حد نهایی می رساند.