المجال المغناطيسي للأرض

Computer simulation of the Earth's field in a normal period between reversals. The tubes represent magnetic field lines, blue when the field points towards the center and yellow when away. The rotation axis of the Earth is centered and vertical. The dense clusters of lines are within the Earth's core.

المجال المغناطيسي للأرض Earth's magnetic field (ويعهد أيضاً باسم المجال الجيومغناطيسي geomagnetic field)، هوالمجال المغناطيسي الذي يمتد من المركز الداخلي للأرض حتى يلتقي الرياح الشمسية، تيار الجسيمات المنبعثة من الشمس.

هناك نظريات عديدة منها التي تقول بأن الأرض تحتوي على رواسب كثيرة من خامات الحديد وبعض هذه الرواسب عبرة عن حديد نقي تقريبآ. ففي العصور القديمة تمغنطت جميع هذه الرواسب الحديدية تدريجيآ في أتحاه واحد, فكونت مغناطيس دائم كبير جدآ.

هناك نظرية أخرى حتى المغنطيسية الأرضية ناشئة من التيارات الكهربائية الشديدة التي تسري حول الأرض وليس في القشرة الأرضية فقط بل وفي الهواء المحيط بها أيضآ, ويبدوبأن هناك علاقة بين هذة التيارات الأرضية وبين دوران الأرض, كما حتى هذا يتفق مع الحقيقة بأن الأرض ممغنطة في أتجاه يوازي تقريبا المحور القطبي للأرض.

التاريخ

بدأ استخدام المغناطيسية بعد اكتشاف حجر المغناطيس lodestone، وهوحجر غني بالمغنيتيت Fe3O4 أوأكسيد الحديد المغنطيسي، وكان الصينيون أول من استخدمه لصناعة البوصلة، قبل الميلاد بعدة قرون. وصلت البوصلة عن طريق التجار العرب إلى أوربا في نهاية القرن الثاني عشر. ثم عُرفت الخواص المغنطيسية للأرض عندما طبع الإنكليزي ويليام جلبرت William Gilbert كتابه «المغنطيس» The Magnet عام 1600، وبعدها ابتدأ قياس تغيرات الحقل المغنطيسي الأرضي geomagnetic field في مرصد لندن.

الأهمية

لوجود الحقل المغنطيسي حول الأرض أهمية بالغة إذ إنه لولا هذا الحقل لما وجدت حياة على سطح الأرض، فهذا الحقل المغنطيسي يقوم بدور الدرع الواقي للأرض من السيل الجارف من الجسيمات المشحونة، التي تُدعى الأشعة الكونية cosmic rays، التي ترد إلى الأرض من الشمس والفضاء الخارجي، والتي تقضي على جميع حياة على سطح الأرض طالما غياب الحقل المغنطيسي. بناء على هذه الفكرة وضعت نظرية تفسير اختفاء الديناصورات والكثير من الأحياء التي ظهرت على سطح الأرض بسبب ضعف الحقل المغنطيسي الأرضي في تلك الفترة الزمنية ما جاز للأشعة الكونية بالوصول إلى الأرض بكميات كبيرة أدت إلى القضاء على تلك الأحياء.

الخصائص الرئيسية

تكتسب الصخور مغنطيسيةً تدعى المغنطيسية القديمة المغنطيسية القديمة palaeomagnetism، عبر الأزمنة الجيولوجية، التي قد تبلغ عدة مليارات من السنين، ويتطلب تشكلها احتواء الصخر على فلزات مغنطيسية وبوجود حقل مغنطيسي خارجي، ولهذه المغنطيسية تطبيقات بنيوية وتكتونية tectonic كثيرة. لكن المغنطيسية القديمة التي تتعامل مع مغنطيسية المواد التي يبلغ عمرها عدة الآف من السنين تدعى المغنطيسية الآثارية المغنطيسية الآثارية archaeomagnetism، وفيها تكتسب الصخور والمواد الآثارية الحاوية على فلزات مغنطيسية (مثل الحديد أوأكاسيده) مغنطيسية متحرضة، بوجود الحقل المغنطيسي الأرضي الحالي، وتُستخدم في دراسات متعددة أهمها تأريخ الأوابد الأثرية.

الوصف

Illustration of the coordinate systems used for representing the Earth's magnetic field. The coordinates X,Y,Z correspond to North, East and down; D is the declination and I is the inclination.

الكثافة

كثافة المجال المغناطيسي للأرض من النموذج المغناطيسي العالمي لعام 2010.

الميل

ميل المجال المغناطيسي للأرض من النموذج المغناطيسي العالمي لعام 2010.

الانحراف

انحراف المجال المغناطيسي للأرض من النموذج المغناطيسي العالمي لعام 2010. Isogonic lines give the declination in signed degrees.

Dipolar approximation

The variation between magnetic north (N_m) and "true" north (N_g).

الأقطاب المغناطيسية

The movement of Earth's North Magnetic Pole across the Canadian arctic, 1831-2001.

الغلاف المغناطيسي

Simulation of the interaction between Earth's magnetic field and the interplanetary magnetic field. The magnetosphere is compressed on the day (Sun) side due to the force of the arriving particles, and extended on the night side.

التغيرات المغناطيسية

تغير الحقل المغنطيسي الأرضي مع الزمن، ويمكن حصر هذه التغيرات بما يأتي:

التغيرات القرنية

التغيرات القرنية secular variations، وهي تغيرات بطيئة في الحقل المغنطيسي الأرضي يمكن ملاحظتها في عقود أوقرون من الزمن، وبمعدل متغير مع الزمن، ويمكن ملاحظتها في تسجيلات جميع المراصد المغنطيسية العالمية. وليس لهذه التغيرات تأثير في القياسات اليومية التي تُجرى في أثناء المسح المغنطيسي بسبب طول الفترة الزمنية اللازمة لبلوغها قيمة ملموسة، لكنها تستخدم في الدراسات الجيوفيزيائية المتعلقة بباطن الأرض.

التغيرات اليومية

التغيرات اليومية diurnal variations، وهي تغيرات صغيرة نسبياً لها دور مقداره يوم واحد، ومتوسط سعتها 25 نانوتسلا، ويتم تسجيلها في المراصد المغنطيسية العالمية جميعها، وتقسم إلى قسمين:

1- التغيرات الشمسية اليومية solar diurnal variations، تبلغ سعتها نحو40 نانوتسلا، وتعتمد على وضع الشمس بالنسبة إلى الأرض، وتشتد في أثناء الصيف بسبب تأثير الجسيمات المشحونة الواردة من الشمس في الغلاف الأيوني للأرض.

2- التغيرات القمرية اليومية lunar diurnal variations، يبلغ متوسط سعتها 2 نانوتسلا ولها دورية مقدارها 25 ساعة، ويعزى تشكلها إلى تأثير القمر في الغلاف الأيوني ionosphere للأرض، في أثناء دورانه حول الأرض. هذه التغيرات أقل أهمية من التغيرات اليومية الشمسية لانخفاض سعتها.

يجب التخلص من تأثير هذه التغيرات اليومية في أثناء المسح المغنطيسي، بالقيام بما يدعى التسليمات المغنطيسية اليوميةmagnetic diurnal corrections ؛ لكونها تغيرات مصدرها الفضاء، ومن ثم يتم حذفها للوصول إلى الشواذ المغنطيسية الواردة من الصخور الأرضية بهدف تعيين الأجسام الصخرية المسببة للشواذ المغنطيسية في منطقة الدراسة.

العواصف المغناطيسية

العواصف المغنطيسة magnetic storms، وهي تغيرات مفاجئة عالية القيمة وسريعة وغير متسقطة، قد تبلغ سعتها عدة مئات من النانوتسلا في ساعات بين خط الاستواء وخط عرض 60 درجة شمالاً أوجنوباً، وقد تزداد سعتها كثيراً في المناطق القطبية، حيث تؤدي إلى حدوث الشفق القطبي aurora الذي يمكن رؤيته في خطوط عرض دنيا في أثناء العواصف المغنطيسية الشديدة. تنتج هذه العواصف المغنطيسية من البقع الشمسية solar spots، وهي انفجارات على سطح الشمس، تؤدي إلى إصدار سيل جارف من الجسيمات المشحونة كهربائياً التي تنطلق في الفضاء وعندما تصطدم بالغلاف المغنطيسي للأرض، تؤدي إلى انضغاطه ومن ثم تزداد شدة المغنطيسية المسجلة بأجهزة تسجيل المراصد أوالمسح المغنطيسي الحقلي. وفي الوقت نفسه تسير هذه الجسيمات وفق خطوط الحقل المغنطيسي الأرضي باتجاه القطبين المغنطيسيين الشمالي والجنوبي، فينتقل جزء من طاقتها إلى الجسيمات المحايدة في الغلاف الجوي ما يؤدي إلى تهيج الإلكترونات إلى مستويات طاقة عليا، بحيث تطلق إشعاعاً عند عودتها إلى مستويات طاقتها الأصلية، يظهر في المناطق القطبية الشمالية والجنوبية بشكل تألق ضوئي بألوان زاهية في السماء، وهوما يُعهد باسم الشفق القطبي. يجب إيقاف أي نوع من المسح المغنطيسي عند حدوث العاصفة المغنطيسية أوإهمال الإنضمامات المغنطيسية التي جرت في أثناء العاصفة المغنطيسية، لأنها تعطي قيماً خاطئة لهذه الإنضمامات ومن ثم لاتعبر عما هوموجود في باطن الأرض.

أدت دراسات حقول الجاذبية لكواكب المجموعة الشمسية solar system والقياسات التي أجرتها المركبات الفضائية إلى استنتاج وجود حقول مغنطيسية أوغيابها حول الكواكب. فمن المؤكد حتى القمر يفتقر إلى الحقل المغنطيسي ثنائي القطب، لكن العينات الصخرية التي جلبتها المركبات الفضائية تحمل مغنطيسية متبقية متغيرة الاتجاه. يُعتقد حتى هذه المغنطيسية المتبقية ناتجة من حقل مغنطيسي ضعيف نتج من مولد ذاتي التحريض داخلي خمد مع الزمن فتناقصت شدة المغنطيسية مع الزمن، أي إذا هذه المغنطيسية في صخور القمر هي الأثر الباقي الذي يشير على أنه كان للقمر حقلٌ مغنطيسيٌ في فترة مبكرة من حياته، تكوّنت فيه في أثناء تبرده نواة داخلية، مثل حال الأرض اليوم، ما ساعد على نشوء المولد ذاتي التحريض، واختفى هذا الحقل عندما تصلب القمر وتحول إلى ما عليه اليوم.

من الثابت اليوم حتى لكواكب عطارد والزهرة والمريخ والمشتري وزحل وأورانوس مغنطيسية تراوح بين الضعيفة مثل المريخ والقوية جداً مثل المشتري. إذا وجود حقل مغنطيسي حول أي كوكب يعد مؤشراً على وجود نواة داخلية، وأن الكوكب لم يصل إلى فترة الخمود والتبرد الكامل للمواد المنصهرة التي تكوّن منها الكوكب ذات يوم.

استقلال الوقت

اختلافات المدى القصير

Background: a set of traces from magnetic observatories showing a magnetic storm in 2000.
Globe: map showing locations of observatories and contour lines giving horizontal magnetic intensity in μT.

اختلافات فهمانية

Estimated declination contours by year, 1590 to 1990 (click to see variation).

انعكاسات المجال المغناطيسي

Geomagnetic polarity during the late Cenozoic Era. Dark areas denote periods where the polarity matches today's polarity, light areas denote periods where that polarity is reversed.

الظهور المبكر

المستقبل

Variations in virtual axial dipole moment since the last reversal.

النشأة الفيزيائية

ينشأ نحو99% من الحقل المغنطيسي الأرضي في باطن الأرض، ويبدوبشكل حقل مغنطيسي ثنائي القطب dipole field يمتد داخل الأرض من القطب المغنطيسي الأرضي الشمالي إلى القطب المغنطيسي الأرضي الجنوبي، ويبعد نحو400 كيلومتراً عن مركز الأرض ويميل بزاوية مقدارها 11.5 درجة عن محور دوران الأرض. تقع إحداثيات القطبين، حيثقد يكون الحقل المغنطيسي الكلي شاقولياً على سطح الأرض في 73 درجة شمالاً، 100 درجة غرباً، للقطب المغنطيسي الشمالي، وفي 68 درجة جنوباً، 143 درجة شرقاً ، للقطب المغنطيسي الجنوبي. تراوح شدة الحقل المغنطيسي الأرضي الكلي total geomagnetic field بين 30000 نانوتسلا (0.3 nanotesla أورستد oersted) في منطقة خط الاستواء، و60000 نانوتسلا (0.6 أورستد) في منطقة القطب المغنطيسي.

يمكن تمثيل الحقل المغنطيسي الأرضي الكلي بمتجه فراغي، اصطلح على اعتباره موجباً تحت الأفق في النصف الشمالي من الكرة الأرضية وفوق الأفق في النصف الجنوبي من الكرة الأرضية، ومن ثم يمكن تحليله إلى مركِّباته الآتية: المركِّبة الشمالية northern (X) component، والمركِّبة الشرقية (Y) eastern component، والمركِّبة الشاقولية (Z) vertical component، وهي موجبة نحوالأسفل، والمركِّبة الأفقية horizontal component (H) وهي محصلة المركِّبتين الشمالية والشرقية في المستوى الأفقي، والانحراف المغنطيسي (D) magnetic declination هوالزاوية التي تشكلها المركِّبة الأفقية (اتجاه الشمال المغنطيسي الأرضي) مع المركِّبة الأفقية (اتجاه الشمال الجغرافي)، والميل المغنطيسي (I) magnetic inclination هوالزاوية التي يشكلها الحقل المغنطيسي الأرضي الكلي مع الأفق. تربط بين هذه المركِّبات العلاقات الرياضية التي تطبق على متجه فراغي، بحيث يمكن استنتاج بعض المركِّبات من المركِّبات المقيسة.

يعتقد حتى هذا الحقل، بناء على فرضية المولِّد ذاتي التحريض self-exciting dynamo، ناتج من دوران الأرض وحركات السوائل الناقلة كهربائياً في النواة الخارجية للأرضouter core . ويتلخص ذلك بأنه لكون النواة الخارجية للأرض سائلة نسبياً (أقل لزوجة) بالنسبة إلى النواة الداخلية inner core من الأسفل وإلى المعطف mantle السفلي من الأعلى [ر: الأرض]، لا تستطيع النواة الداخلية الدوران بسرعة دوران الأرض حول محورها، مما يؤدي إلى تأخر في دوران النواة الداخلية، وهذا بدوره يؤدي إلى حدوث دوَّاماتeddies في السوائل الناقلة كهربائياً الموجودة في النواة الخارجية، وبالتالي تتشكل تيارات كهربائية حلقية spiral electric currents في جميع دوامة، وهي بذلك تشكل مايشبه الوشيعة الكهربائية [ر:المغنطيس] التي تنتج حقلاً مغنطيسياً يتجه باتجاه محور الدوامة، ومن ثم تُنتج هذه الدَّومات حقلاً مغنطيسياً موازياً لمحور دوران الأرض حول محورها.

اصطلح على حتىقد يكون اتجاه خطوط القوة المغنطيسية lines of magnetic force من القطب الجنوبي إلى القطب الشمالي، خارج الأرض ومن القطب الشمالي إلى القطب الجنوبي داخل الأرض. تكون هذه الخطوط موازية لسطح الأرض في منطقة خط الاستواء وتبدأ بالميل تدريجياً تحت الأفق مع التوجه شمالاً إلى حتى تصبح شاقولية على سطح الأرض في منطقة القطب الشمالي المغنطيسي والعكس عند التوجه جنوباً.

Earth's core and the geodynamo

A schematic illustrating the relationship between motion of conducting fluid, organized into rolls by the Coriolis force, and the magnetic field the motion generates.

النماذج الرقمية

تيارات الغلاف الأيوني والمغناطيسي

مغناطيسية القشرة الأرضية

A model of short-wavelength features of Earth's magnetic field, attributed to lithospheric anomalies.

القياس والتحليل

لقد صُمِّمت أجهزة لقياس المركِّبات المتنوعة للحقل المغنطيسي الأرضي، منها ما يستخدم في المراصد المغنطيسية magnetic observatories، ومنها ما يُستخدم للمسح المغنطيسي الجوي أوالبحري أوالقاري، كما يمكن استنتاج بعض المركِّبات من فهم بعضها الآخر باستخدام العلاقات الرياضية التي تربط بينها.

الخرائط

يمكن رسم خرائط لخطوط تساوي أي من المركِّبات المذكورة، فقد رسمت أول خريطة لتساوي الانحراف المغنطيسي isoclinic map في المحيط الأطلسي عام 1701 بوساطة هاليHalley، ثم رسمت أول خريطة لتساوي الميل المغنطيسي isogonic map عام 1777 بوساطة ويلكي Wilcke. ولتغير الحقل المغنطيسي الأرضي في الزمان والمكان كان لابد من تعديل هذه الخرائط بين فترة وأخرى لاستخدامها في الملاحة الجوية والبحرية والتوجه القاري. وقد استمرت هذه الخرائط فترة طويلة من الزمن موجهاً رئيسياً للسفن والطائرات.

تستخدَم الخرائط المغنطيسية التي تُرسَم في أثناء المسح المغنطيسي الجوي أوالبحري أوالقاري في التنقيب عن الفلزات minerals المغنطيسية، مثل المغنيتيت أوالهيماتيت Fe2O3 التي تعدّ من أبرز الأكاسيد الحديدية، أوفي اكتشاف التراكيب الصخرية الحاوية على فلزات مغنطيسيتها أعلى من الوسط المحيط فتولد شواذاً في القيم المغنطيسية بالنسبة إلى الوسط المحيط، والتي قد تكون مرافقة لتشكل المصائد البترولية أوالطبقات الحاملة للماء. فمن المعروف حتى المسح المغنطيسي الجوي هوأول القياسات الجيوفيزيائية التي تُجرى في بلد ما لسرعة تطبيقه وقلة كلفته، ومن دراسة الخرائط المغنطيسية الجوية المرسومة من هذا المسح يتم الانتنطق لتطبيق الدراسات الجيوفيزيائية والجيولوجية الفهمية أوالتنقيبية.

التحقق

نماذج احصائية

التوافقات الكروية

Schematic representation of spherical harmonics on a sphere and their nodal lines.

P ℓ m

is equal to 0 along

m

great circles passing through the poles, and along

ℓ- m

circles of equal latitude. The function changes sign each ℓtime it crosses one of these lines.

Example of a quadrupole field. This could also be constructed by moving two dipoles together. If this arrangement were placed at the center of the Earth, then a magnetic survey at the surface would find two magnetic north poles (at the geographic poles) and two south poles at the equator.

الاستقلال الراديكالي

النماذج العالمية

المغناطيسية الحيوية

انظر أيضاً

Geomagnetic jerk
تاريخ مغناطيسية الأرض
المجال المغناطيسي للقمر
الغلاف المغناطيسي للمشترى

سفن مسح المغناطسيتية:

كارنگيه (سفينة)
رحلات كريستوفر كولومپس—الانحراف المغناطيسي
گاليي (سفينة)

هوامش

^ خطأ استشهاد: وسم <ref> غير سليم؛ لا نص تم توفيره للمراجع المسماة selfconsistent
^ Glatzmaier, Gary. "The Geodynamo". University of California Santa Cruz. Retrieved October 2011. Check date values in: |accessdate= (help)
^ جمال أبوديب. "المغنطيسية الأرضية". الموسوعة العربية. Retrieved 2012-04-26.
^ Frey, Herbert. "Satellite Magnetic Models". Comprehensive Modeling of the Geomagnetic Field. NASA. Retrieved 13 October 2011.

المصادر

Herndon, J. M. (1996-01-23). "Substructure of the inner core of the Earth". PNAS. 93 (2): 646–648. Bibcode:1996PNAS...93..646H. doi:10.1073/pnas.93.2.646. PMC 40105. PMID 11607625.
Herndon, J. M. (2001-09-25). "Deep-Earth reactor: Nuclear fission, helium, and the geomagnetic field". PNAS. 98 (20): 11085. Bibcode:2001PNAS...9811085H. doi:10.1073/pnas.201393998. PMC 58687. PMID 11562483.
Luhmann, J. G.; Johnson, R. E.; Zhang, M. H. G. (1992). "Evolutionary impact of sputtering of the Martian atmosphere by O⁺ pickup ions". Geophysical Research Letters. 19 (21): 2151–2154. Bibcode:1992GeoRL..19.2151L. doi:10.1029/92GL02485.

قراءات إضافية

Campbell, Wallace H. (2003). Introduction to geomagnetic fields (2nd ed.). New York: Cambridge University Press. ISBN .
Comins, Neil F. (2008). Discovering the Essential Universe (Fourth ed.). W. H. Freeman. ISBN .
Love, Jeffrey J. (2008). "Magnetic monitoring of Earth and space" (PDF). Physics Today. 61 (2): 31–37. Bibcode:2008PhT....61b..31H. doi:10.1063/1.2883907.
Merrill, Ronald T. (2010). Our Magnetic Earth: The Science of Geomagnetism. University of Chicago Press. ISBN .
Merrill, Ronald T.; McElhinny, Michael W.; McFadden, Phillip L. (1996). The magnetic field of the earth: paleomagnetism, the core, and the deep mantle. Academic Press. ISBN .
"Temperature of the Earth's core". NEWTON Ask a Scientist. 1999. Retrieved September 2011. Check date values in: |accessdate= (help)
Tauxe, Lisa (1998). Paleomagnetic Principles and Practice. Kluwer. ISBN .
Towle, J. N. (1984). "The Anomalous Geomagnetic Variation Field and Geoelectric Structure Associated with the Mesa Butte Fault System, Arizona". Geological Society of America Bulletin. 9: 221–225. doi:10.1130/0016-7606(1984)95<221:TAGVFA>2.0.CO;2.
Wait, James R. (1954). "On the relation between telluric currents and the earth's magnetic field". Geophysics. 19: 281–289. Bibcode:1954Geop...19..281W. doi:10.1190/1.1437994.
Walt, Martin (1994). Introduction to Geomagnetically Trapped Radiation. Cambridge University Press. ISBN .

وصلات خارجية

Geomagnetism & Paleomagnetism background material. American Geophysical Union Geomagnetism and Paleomagnetism Section.
National Geomagnetism Program. United States Geological Survey, March 8, 2011.
BGS Geomagnetism. Information on monitoring and modeling the geomagnetic field. British Geological Survey, August 2005.
William J. Broad, Will Compasses Point South?. New York Times, July 13, 2004.
John Roach, Why Does Earth's Magnetic Field Flip?. National Geographic, September 27, 2004.
Magnetic Storm. PBS NOVA, 2003. (ed. about pole reversals)
When North Goes South. Projects in Scientific Computing, 1996.
The Great Magnet, the Earth, History of the discovery of Earth's magnetic field by David P. Stern.
Exploration of the Earth's Magnetosphere, Educational web site by David P. Stern and Mauricio Peredo
Dr. Dan Lathrop: The study of the Earth's magnetic field. Interview with Dr. Dan Lathrop, Geophysicist at the University of Maryland, about his experiments with the Earth's core and magnetic field.سبعة - ثلاثة - 2008
International Geomagnetic Reference Field 2011
Global evolution/anomaly of the Earth's magnetic field Sweeps are inعشرة degree steps atعشرة years intervals. Based on data from: The Institute of Geophysics, ETH Zurich