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؟

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.

آشنایی

برای تشریح مشخصات میدان مغناطیسی زمین لازم است که ابتدا به اختصار بحث کنیم. بعضی از اجسام طبیعی دارای این خاصیت اند که می توانند ذرات آهن را جذب کنند و این اجسام به نام آهن ربای طبیعی نامیده می شوند. از آنجا که مغناطیس فقط از فاصله معینی قادر به جذب ذرات آهن است، نتیجه می شود که هر مغناطیس فقط در فضای معینی تاثیر دارد که آن را میدان مغناطیسی می گویند. در هر میدان مغناطیسی تعدادی خطوط نیرو وجود دارد که طبق قرارداد شمال مغناطیس خارج شده و پس از عبور از محیطی که در آن قرار دارند داخل قطب جنوب می شوند.

مشخصات میدان مغناطیسی زمین

هر گاه یک عقربه مغناطیسی را روی پایه بدون اصطکاکی قرار دهیم، پس از نوسانات متعدد، در امتدادی می ایستد که آن را امتداد شمال و جنوب مغناطیسی می گویند. این امتداد معمولا با امتداد شمال و جنوب جغرافیایی منطبق نیست بلکه با آن زاویه ای می سازد که آن را زاویه انحراف مغناطیسی زمین می خوانند. همچنین عقربه به حالت افقی قرار نمی گیرد بلکه با افق زاویه ای می سازد که به نام زاویه میل مغناطیس خوانده می شود.

مختصات قطبین زمین

قطب شمال مغناطیسی دارای طول جغرافیایی 96 درجه غربی و عرض جغرافیایی 70 درجه شمالی است. قطب جنول مغناطیسی دارای طول جغرافیایی 140 درجه شرقی و عرض 68 درجه جنوبی است.
شدت میدان مغناطیسی زمین در قطبهای آن در حدود 6/0 گوس و در سایر نقاط از این مقدار کمتر است. بایستی توجه داشت که شدت میدان مغناطیسی زمین در تمام نقاط یکنواخت نیست و حتی در یک نقطه نیز متغیر است.

تغییرات میدان مغناطیسی زمین

تغییرات میدان مغناطیسی زمین در یک نقطه ثابت نیست و بر حسب زمان تغییر می کند. این تغییرات شامل زوایای میل و انحراف مغناطیسی نیز هست. تغیییرات میدان مغناطیسی زمین را می توان به چهار دسته زیر تقسیم کرد:

• تغییرات با زمان تناوب طولانی:
  که زمان آن قابل مقایسه با دورهای زمین شناسی است (چندین ده میلیون سال). از جمله این تغییرات می توان تغییر مکان قطبهای مغناطیسی و حتی معکوس شدن آنها را نام برد. این تغییرات می توان به وسیله خواص مغناطیسی سنگهای قدیمی زمین مطالعه کرد. می دانیم که کانیهایی مانند منیتیت و پیروتین خاصیت مغناطیسی طبیعی دارند. هرگاه به هنگام انجماد ماگما چنین کانیهایی در آن وجود داشته باشد، طبیعتا تحت تاثیر میدان مغناطیسی وقت زمین در جهت معینی قرار خواهند گرفت که توسط آنها می توان شدت و نیز جهت میدان مغناطیسی زمین را در حالت انجماد به دست آورد. به عنوان مثال می توان از گدازه های آتشفشانی فرانسه نام برد که قشرهای مختلف آن امتدادهای مغناطیسی کاملا متفاوتی را نشان می دهند و نظیر چنین گدازه هایی در انگلستان، آمریکا و ایسلند نیز وجود دارد.

مطالعات سنگهای آذرین و رسوبی نشان داده که قطبین مغناطیسی زمین چندین بار تغییر مکان داده و جهت آنها نیز عوض شده است. مطالعاتی که در زمینه مغناطیسی گذشته زمین انجام گرفته نشان داده است که تعویض قطبین مغناطیسی زمین در دوران سنوزوئیک بیش از همه بوده و در دوران پالئوزوئیک اصلا دیده نشده است. تعویض قطبین زمین را به دو صورت می توان تعبیر کرد. یا اینکه جای قطبین زمین واقعا عوض شده و یا اینکه وجود یک میدان مغناطیسی محلی معکوس، باعث شده است که کانیهای مغناطیسی در جهت عکس میدان مغناطیسی اصلی زمین قرار گیرند.

• تغییرات قرنی:
  این تغییرات که دوره تناوب آنها در حدود قرن است بدین نام خوانده می شود. بر اساس این تغییرات، علاوه بر تغییر شدت میدان مغناطیسی در یک محل زوایای انحراف و میل آن نیز عوض می شود.

 

• تغییرات روزانه:
  میدان مغناطیسی زمین در یک نقطه حتی در طول یک روز ثابت نیست وبه میزان قابل توجهی تغییر می کند به طوریکه مقدار متوسط تغییرات روزانه را می توان 30 گاما در نظر گرفت. اندازه تغییرات روزانه تا حدود زیادی به عرض جغرافیایی محل بستگی دارد واز آنجا که دوره تناوب آن با گردش زمین مطابقت می کند، تصور می شود که عامل اصلی این دسته تغییرات خورشید است.

 

• تغییرات ناگهانی:
  این تغییرات به طور ناگهانی و اتفاقی انجام می گیرد که از جمله معروفترین آنها می توان طوفانهای مغناطیسی را نام برد. هر چند برای این دسته از تغییرات تناوب مشخصی نمی توان در نظر گرفت ولی تقریبا هر 27 روز یکبار تغییرات مشابهی نشان می دهند و از آنجا که این مدت با زمان گردش وضعی خورشید برابر است، می توان گفت که قسمتی از سطح خورشید که دارای لکه های فراوان است در بروز این دسته تغییرات نقش مهمی را ایفا می کند.

منشا میدان مغناطیسی زمین

دمای زمین با عمق مرتبا افزایش می یابد به طوری که در 25 کیلومتری دمای آن به 700 سانتیگراد می رسد و این دما برابر نقطه کوری آهن است (نقطه کوری درجه حرارتی است که در بالاتر از آن جسم خاصیت آهنربایی خود را از دست می دهد) و بدین ترتیب اجسام فرومغناطیس در عمق بیش از 25 کیلومتر نمی توانند خاصیت آهنربایی داشته باشند.
برای تشریح مغناطیس زمین نظریه های مختلفی ارائه شده که از نتیجه آنها می توان گفت که اولا علت اصلی مغناطیس بودن زمین در داخل آن است و ثانیا مغناطیس زمین از دو مولفه تشکیل شده است. یکی از این مولفه ها، که در ضمن مولفه اصلی نیز هست مقدار ثابتی دارد و مولفه دیگر که متغیر است، عامل تغییرات میدان مغناطیسی زمین است. بدین ترتیب مولفه اصلی مغناطیس زمین در داخل زمین است و به وسیله جریان الکتریکی که مربوط به حرکات مواد در درون آن است تولید می شود. در مورد نحوه جریانهای الکتریکی نظریات مختلفی وجود دارد، جریانهای ممکن است در نتیجه فعل و انفعالات شیمیایی یا در اثر اختلاف درجه حرارت تولید شوند.

هسته خارجی زمین از غرب به شرق و با سرعتی کمتر از گوشته و پوسته حرکت می کند و برای حرکت آن دو علت بیان شده است. مطابق یک نظریه، علت این حرکت تغییرات سرعت زاویه ای زمین در نتیجه اصطکاک حاصل از جزر و مد و بر اساس نظریه دیگر، اختلاف دما عامل این حرکت است.
علاوه بر این نظریه، نظریه دیگری نیز توسط الزاسر ارائه شد. مطابق نظریه اول که بررسی شد، جریانها از شرق هب غرب در اطراف هسته حرکت می کنند و میدان مغناطیسی شمالی جنوبی به وجود می آورند ولی بر اساس نظریه وی جریانها ممکن است از شمال به جنوب حرکت کنند و میدان مغناطیسی ای تشکیل دهند که هسته را در امتداد شرق به غرب دور بزند. چون این میدان به وسیله سطح هسته محصور است. نمی تواند در سطح زمین مشاهده و آثار آن توسط ما رویت شود. بدین ترتیب میدانی را که ما مشاهده می کنیم اثر فرعی است یعنی هنگامی که مایع درون هسته حرکت می کند، درنتیجه میدان موجود، جریانهایی به وجود می آید که میدان مغناطیسی شمالی جنوبی زمین را تولید می کند.

از ۴۰۰ سال پیش بشر می دانست که اگر ا هن ربا ئی را از نقطه ای بیاویزدهرکدام از دو سر ا هن ربا همواره در راستای شما ل و جنوب جغرا فیائی می‌ایستد قطبی از اهنربا که در راستای شمال جغرا فیایی است قطبN و دیگری را قطب S نا مید ند . و علت ان رفتا ر اهن ربا را وجود میدان مغنا طیسی زمین دانستند.
(sir willam gilbert ۱۶۰۳-۱۵۴۴)یکی از فیزیکدانان پیشگامی بود که پی به وجود میدان مغنا طیسی زمین برد وی نشان داد که اگر میله اهنی را در راستای شمال وجنوب قرار دهیم وبررویش بکوبیم ان میله اهن ربا خواهد شد.وی همچنین برای اثبات وجودمیدان مغنا طیسی زمین یک اهنربا را درون کره ای قرار داد ونام ان راTerrllaکه به لاتین به معنای زمین کو چک بود گذاشت و سپس یک قطب نما را بر روی ان حرکت داد که مشاهده نمود اگر قطب نما بموازات سطح ترلا قرار گیرد جهت عقربه مغنا طیسی همواره ثا بت است . که نشان میداد عقربه تحت تاثیر میدان مغنا طیسی اهن ربای درون کره است.

در واقع کره زمین ما نند یک اهنربا ی قوی عمل می کند که قطب N ان در جنوب جغرا فیا ئی قرار دارد( که می تواند قطب S اهن ربا ها را به سمت خود منحرف کند ) و قطب S اهن ربای درون زمین در شمال جغرافیا یی قرار دارد (که قطب N اهن ربا را به سمت خود منحرف سازد).
همه خطوط میدان مغناطیسی در نیمکره شمالی در نقطه ای با مختصات ۷۵۰۵۰Nو۹۶۰wاست که به ان قطب جنوب مغناطیسی گفته می شود به هم میرسند .این خطوط در نیمکره جنوبی در نقطه ا ی با مختصات ۱۵۰۰۴۵E۷۰۰ ۱۰SR به هم می رسند که به ان نقطه قطب شمال مغناطیسی زمین گفته میشود.
از انجا که محور مغنا طیسی زمین ( خطی که بطور مستقیم ازدو قطب مغناطیسی
زمین می گذرد) کا ملا بر محور دوران زمین ( خطی که از دو قطب شمال و جنوب جغرافیایی می گذرد) منطبق نیست بنا بر این یک عقربه مغنا طیسی که مما س بر محور مغنا طیسی زمین می ایستد نمی تواند جهت شمال و جنوب جغرافیا یی زمین را دقیقا تعیین نماید.
میدان مغنا طیسی زمین رابا سه مولفه مغنا طیسی مشخص میکنند
۱) میل مغناطیسی: از انجایی که خطوط میدان مغنا طیسی زمین بر سطح زمین منطبق نیستند همواره بین شدت میدان مغنا طیسی زمین و سطح افقی زاویه وجود دارد که به ان زاویه میل مغنا طیسی گفته می شود.که حرف i ان را نشان میدهند.
۲) زاویه انحراف مغناطیسی:
به صفحهای که بر روی ان عقربه مغناطیسی قرار دارد صفحه نصف النهارمغناطیسی وبه زاویه بین ان وصفحه نصف النهار جغرافیایی زاویه انحراف مغنا طیسی گویند که در هر منطقه متفاوت خواهد بود . دانستن مقدار زاویه انحراف مغناطیسی برای دریانوردان وخلبانان بسیار مهم است
زیرا انها در مسیر یابی به نصف انهار جغرافیایی ااحتیاج دارند درحالیه بوسیله قطب نما جهت نصف انهار مغنا طیسی را پیدا میکنند بنابراین اگر از میزان انحراف اگاه باشند با تصحییح بر روی جهت نصف النهار مغناطیسی به نصف النهار جغرافیایی دست می یابند
۳) مولفه افقی میدان مغنا طیسی: که با تجزیه میدان مغنا طیسی بدست می اید

● منشاء میدان مغناطیسی زمین در قلب سیاره ما گلوله سخت ویکپارجه ای از اهن وجود دارد که به اندازه سطح خورشید داغ است و به ان هسته زمین میگوییم که پهنای ان ۷۰درصدکره ماه است( ۱۲۱۶کیلومتر)وبه اندازه ۲/. طول جغرافیایی در سال سریعتر از زمین می چرخد. اقیانوسی از اهن مایع دور هسته درونی وجود دارد که به ان هسته خارجی گویندوشعاعش حدودا نصف شعاع زمین است در حدود ۳۴۸۶ کیلومتر محققان منشاء میدان مغنا طیسی زمین را هسته خارجی میدانندکه لایه عمیقی از اهن مایع است و بدور هسته می گردد اثر نیروی کریولیس دوران زمین آن ایجاد طوفان و گرداب میکند .در واقع هسته خارجی مانند اب روی اجاق بر روی هسته داخلی در جوش وخروش است.
در دمای بسیار زیاد زمین میتوان تصور کرد که هسته جامد متحمل واکنش شیمیایی شد ه و بدین ترتیب تبدیل به یک مولد جریان الکتریکی مثل یک باطری خواهد شد وچون مواد مذاب هسته خارجی در حال چرخش است میتوان آن مانند یک سیملوله (القا گر )تصور نمود.
بدین ترتیب در درون زمین مدار ی متشکل از یک باطری و یک القاگر داریم مسلما جریان الکتریکی از این القاگر عبور خواهد کرد وطبق قانون لنز در اطراف القاگر میدان مغناطیسی تولید میشود که همان میدان مغناطیسی زمین است خطو طمیدان مغناطیسی درون هسته همانند خطوط میدان مغناطیسی سیملوله موازی است که آزمایشات تجربی نیز موید موازی بودن خطوط میدان مغناطیسی زمین است واز طرفی چون هسته خارجی مانند القاگر است میتواند در آن پدیده خودالقایی نیز رخ دهد یعنی هرگاه واکنش شیمیایی و در نتیجه جریان الکتریکی هسته داخلی در حال کاهش بود جهت خطوط میدان خود را تغییر دهد بگونه ای که نیروی محرکه ای هم جهت با نیروی مولد و سبب تقویت شدت میدان مغناطیسی گردد و برعکس .
علاوه بر پدیده های داخلی پدیده خارجی به نام بادهای خورشیدی نیز روی افزایش شدت میدان مغناطیسی زمین موثر است . باد خورشیدی حاصل انفجارهای واقع در تاج خورشید است که دمای بسیار زیاد سبب اعمال فشار بر ذرات و جریان شدید ذرات منفجره خواهد شد که سرعتشان بطور متوسط در حدود ۵۰۰ کیلومتر برثانیه است و حدود ۵ روز طول میکشد که به زمین برسند این ذرات شامل الکترون و پروتون و آلفا و بعضی از یونهای دیگر هستند .. مطالعه لکه های خورشیدی نشان دهنده شدت انفجارات درون تاج خورشید است . در سال ۱۹۸۰ میلادی دانشمندان اعلام کردند که در اثر بادهای خورشیدی ذرات الکتریکی باردار فراوانی(پلاسما) با سرعت ۱۷۰۰ برابر بیشتر از طوفانهای خورشیدی معمولی به سوی زمین میآیند و ممکن است این مقدار پلاسما با این جریان قوی شدت میدان مغناطیسی زمین را طوری تقویت کند که تمامی فیوزهای سیستمهای الکتریکی از کار بیافتند . .اگرچه در آن دوران بعضی از فرکانسهای رادیویی دچار اختلال گردید ولی خوشبختانه آن حجم عظیم پلاسما به زمین نرسید .

● جابجایی قطبهای مغناطیسی زمین
دانشمندان ا ز دیرباز میدانستند که قطب مغناطیسی زمین حرکت میکند. جیمز روس(james ross نخستینن فردی بود که محل قطب شمال را تعیین نمود وی اینکار را در طی سفری خطرناک که سبب شده بود چهار سال در یخهای قطب به دام بیافتد انجام داده بود . در سال ۱۹۰۴روالد اماند سون دوباره محل قطب شمال را تعیین نمود ومتوجه شد که محل قطب شمال به اندازه۵۰ کیلومتر جابجا شده است در نقشه زیرجابجایی محل قطب در طی سالهای مختلف نشان داده شده است.همانطور که در نقشه هم معلوم است سرعت حرکت قطب اوایل هر۱۰کیلومتر در یک سال بود و بعدها به ۴۰کیلومتر در سال رسید.

● ایا روزی ممکن است میدان مغناطیسی زمین کاملا از بین برود؟ وقتی انجمن زمین شناسی ایالت متحده امریکا از کم شدن دور زدن عقربه مغنا طیسی در افریقا به اندازه ۱/. درجه کم شده و میدان مغنا طیسی ۱۰درصد از قرن نوزدهم ضعیفتر شده برای جراید این سوال پیش امد که ایا ممکن است روزی میدان مغناطیسی زمین از بین برود.
در جواب این سوال پروفسور گری گلاتز مایر (gary Gratsmaier) از دانشگاه کالیفرنیا میگوید با توجه به مطالعه مغناطیس در زمانهای گذ شته (علمpaleomagnetism) می بینیم که میدان مغناطیسی در اعصار گذشته گاهی در حال افزایش وگاهی در حال کاهش است ودر واقع امروزه کره زمین دارای بیشترین شدت میدان مغناطیسی خوددر تاریخش است.
هرگاه در نقطه ای از کره زمین مقدار کمیتهای مغناطیسی (انحراف مغناطیسی-میل مغناطیسیـ مولفه افقی بردار مغناطیسی) بطور فاحشی با نقا ط مجاورش فرق کند اصطلاحا گفته می شود که نا هنجاری مغنا طیسی اتفاق افتاده و احتمالادر ان نقطه از زمین مخازن ارزشمندی از سنگهای معدن مغنا طیسی مانند سنگ اهن وجود دارد. استفاده از این روش در کشف ذخایر معدنی بسیار مفید است.
معمولا مقدار سه کمیت مغنا طیسی در طی روز وسال تغییرات جزئی دارند . ولی گاهی اوقات در میدان مغناطیسی ودر نتیجه در مولفه های ان(سه کمیت) به مدت ۶ یا ۱۲ ساعت تغییرات ناگهانی رخ می دهد که اصطلاحا به ان توفان مغناطیسی می گویند این توفانها معمولا هر ۵/۱۱سال تکرار می شوند .و بسیار جالب است که پدیده هایی مانند شفقهای قطبی و لکه های خورشیدی و انتشار موجهای رادیویی نیز دارای دوره های ۵/۱۱ ساله هستند.که نشان دهنده ارتبا ط بین انها است.

● اثر میدان مغناطیسی زمین در ایجاد کمربند ون الن(van allen)یا پدیده شفق قطبی: هرگا ه ذره بارداری در میدان مغنا طیسی زمین قرار گیرد از طرف میدان بر ان ذره نیروی لورنتس اعمال میشود :

 F=qvBsin(α)

F=نیروی لورنتس
q=با ر ذره
v= سرعت ذره
B= شدت میدان مغنا طیسی زمین
α= زاویه بین میدان و سرعت ذره

میدانیم که در نتیجه اندرکنش هسته ای درون خورشید طو فانهای خورشیدی بطور مداوم ذرات پر انرژی با سرعت ۵۰۰KM/S در فضاگسیل میشوندودا امر سبب می گردد که سیلی از این ذرات به سمت زمین بیا ید ودر دام حوزه های مغنا طیسی زمین فتند
از انجائی که در قطبین شد ت میدان مغنا طیسی بیشینه است نیروی لورنتس وارد بر ذرات بنیادی بسیار بزرگ است .
اگر یک گروه پروتون یا الکترون یطور عمود وارد میدان مغنا طیسی شونداز طرف میدان بر ذرات یک نیرو ی عمودی ومرکز گرا بنام نیروی لو رنتس وارد خواهد شد
که سبب حرکت دورانی پروتونها می شود.

f=m.V^۲/r
F=qvb

با برابر گرفتن دو رابطه فوق خواهیم داشت:

 r=mv/qB

یعنی ذرات درمسیر دورانی به شعاعr شروع به حرکت میکنندو مسیر حرکتشان بدورخطوط میدان مغنا طیسی زمین خواهد بود بعضی از ذرات که بطور موازی با میدان به زمین می رسند( α=0) هیچ نیروئی بر انها از طرف میدان مغنا طیسی زمین وارد نمی شود و نیروی لورنتس وارد بر ا نها صفر میشود و بر می گردند بنابراین تعداد بیشما ری ذره در حوزه های قطبی زمین در رفت و امد هستند وچون در قطبین ما نند سا یرنقا ط مختلف زمین هوا موجود است این ذرات به مولکولهای هوا بر خورد می کنند وچون حامل انرژیهای زیادی هسند با جذب مولکولهای هوا انها رایونیزه کرده ودذرات جدید و پرتوهای گاما تولید می کنند و ما نقا ط در خشانی را در قطب شاهدخواهیم بود که به ان کمر بند تشعشعی و یاکمر بند وان الن گفته می شود .
لازم به ذکر است که ا ولین بار این پدیده در سال ۱۹۵۸ مشا هده گردید و سپس بشرتوانست در سال ۱۹۶۲ در اثر انفجا را تمی ان را بطور مصنو عی ایجا د کند.
کمربند ون الن دار مطابق شکل زیر دارایدو لایه داخلی و خارجی میباشد که برروی خطوط مغناطیسی زمین منطبق است
شکلهای ترسیم توسط سوپر کامپیوتر از جابحایی قطبهای مغناطیسی زمین که در طی سا لهای طولانی چندین بار جابجا شده اند.