השדה המגנטי של כדור הארץ
השדה המגנטי של כדור הארץ הוא אחת התכונות הפיזיקליות המאפיינות את כוכב הלכת ארץ. לשדה המגנטי יש השפעה על מגוון תופעות על פני כדור הארץ, באטמוספירה שלו ובחלל הקרוב אליו. על פי ההשערה המקובלת, השדה המגנטי נוצר בגלעין החיצוני של כדור הארץ, ורק חלק קטן ממנו נמדד על פני השטח או בחלל. השדה המגנטי של כדור הארץ דומה לשדה של מגנט דו-קוטבי, שקוטב אחד שלו (קוטב דרום בעידן הנוכחי) באוקיינוס הקרח הצפוני, והשני ליד אנטארקטיקה (קוטב צפון בעידן הנוכחי). קטבים אלו נעים ממקומם באופן רציף, וקיימות אף עדויות להיפוכי כיוון של השדה המגנטי בתקופות מסוימות בהיסטוריה הגאולוגית של כדור הארץ.
השפעת השדה המגנטי של כדור הארץ מורגשת עד למרחק גדול בחלל, והשפעתו על רוח השמש מגדירה אזור הקרוי מגנטוספירה. לרוח השמש יש גם השפעה קטנה על מיקום הקטבים המגנטיים של כדור הארץ. קיום המגנטוספירה מגן על כדור הארץ מפני רוח השמש ומאפשר את קיום החיים על כדור הארץ.
מעריכים שהשדה המגנטי מסייע לבעלי חיים מסוימים, כמו עופות נודדים, לנווט את דרכם בעת הנדידה השנתית, ואילו האדם משתמש בשדה המגנטי של כדור הארץ לצורך ניווט באמצעות מצפן.
תוכן עניינים |
[עריכה] היסטוריה של הידע והמחקר בנושא
תכונות המגנט היו מוכרות כבר בעת העתיקה, לפחות מהמאה ה-4 לפנה"ס בסין. קיימות עדויות לבניית מכשיר הדומה למצפן בסין של המאה ה-1, וייתכן שאף מוקדם יותר אצל האולמקים באמריקה המרכזית. עדות חד משמעית לשימוש במצפן לאיתור כיוון הצפון מופיעה לראשונה בסין בשנת 1044. באירופה החלו להשתמש במצפן לצורכי ניווט במאה ה-13.
הראשון ששיער כי כדור הארץ הוא מגנט היה ויליאם גילברט בשנת 1600. מאוחר יותר שיערו חוקרים שמקור המגנטיות של כדור הארץ בפרומגנטיות של ברזל, הנמצא במעבה כדור הארץ, אולם במהלך המאה ה-20 התברר שהטמפרטורה בחלקיו הפנימיים של כדור הארץ היא גבוהה יותר מנקודת קירי של ברזל ומתכות אחרות, ובתנאים כאלו פרומגנטיות אינה אפשרית. בתחילת המאה ה-20 התגלה שגם לשמש שדה מגנטי. הפיזיקאי והמתמטיקאי ג'וזף לרמור העלה בשנת 1919 את הרעיון שכתמי השמש הם עדות לפעילות דמוית דינמו על פני השמש, עקב תנועת נוזל בעל מוליכות חשמלית. לימים התברר שמדובר בתנועה של פלזמה, כלומר גזים מיוננים.
במהלך המאה ה-20 התפתחו רעיונותיו של לרמור לתאוריה מקיפה, המסבירה את היווצרותו של שדה מגנטי בתוך כדור הארץ כתוצאה מזרימת נוזל מתכתי עשיר בברזל בתוך הגלעין החיצוני. תאוריית הדינמו משמשת כיום באסטרופיזיקה על מנת להסביר היווצרות שדה מגנטי לא רק בכדור הארץ, אלא גם בשמש ובגרמי שמיים נוספים.
מדענים שיערו מזה זמן רב את קיומה של מגנטוספירה סביב כדור הארץ, עקב קיומן של סערות גאומגנטיות. בשנת 1958 בוצעו מדידות באמצעות לוויין המחקר אקספלורר 1, שהוכיחו את קיומה של המגנטוספירה והביאו לגילוי חגורות ואן אלן.
[עריכה] תרשים סכמטי של כדור הארץ
|
 זהו תרשים אינטראקטיבי. העבירו את העכבר מעל רכיבי התרשים, או לחצו על כפתור העכבר להפניה. |
[עריכה] תכונות השדה המגנטי של כדור הארץ
[עריכה] סוגי קטבים מגנטיים
- הקטבים המגנטיים הם שתי נקודות על פני כדור הארץ, שבהן השדה המגנטי בגובה פני הקרקע מאונך לפני כדור הארץ. מצפן המוצב במאוזן בנקודות אלו, יצביע על כיוון אקראי. מבחינה פיזיקלית, הנקודה הקרויה קוטב מגנטי צפוני היא בעצם קוטב דרומי של מגנט, ועל כן מחט המצפן המהווה קוטב צפוני של מגנט נמשכת לכיוון צפון.
- הקטבים הגאומגנטיים הם שתי נקודות נגדיות על פני כדור הארץ, שבהן הציר של הדיפול המגנטי של כדור הארץ, המהווה קירוב לשדה האמיתי, "חותך" את פני השטח. הקו המחבר את שני הקטבים הגאומגנטיים עובר דרך מרכז כדור הארץ. אילו היה כדור הארץ מגנט דו-קוטבי מושלם, היו הקטבים המגנטיים והקטבים הגאומגנטיים מתאחדים. כיום, ערכה של הזווית בין ציר הדו-קוטביות, המחבר את הקטבים הגאומגנטיים, ובין ציר הסיבוב של כדור הארץ, המחבר את הקטבים הגאוגרפיים, היא 11.3°.
[עריכה] רכיבי השדה המגנטי
את השדה המגנטי בכל נקודה על פני כדור הארץ ניתן להפריד לרכיב אופקי ולרכיב אנכי. מחט המצפן תצביע בכיוון הרכיב האופקי. הזווית בין הרכיב האופקי של השדה המגנטי ובין הקוטב המגנטי הצפוני נקראת נטייה מגנטית (Declination). הזווית בין כיוון השדה המגנטי המוחלט ובין הרכיב האופקי נקראת זווית הרכנה (Inclination). כך למשל, הנטייה המגנטית בישראל משתנה בין 3 ל-4 מעלות, בהתאם למיקום המדויק, לכן כיוון הצפון הגאוגרפי הוא בין 3 ל-4 מעלות מערבית (נגד כיוון השעון) ביחס לכיוון מחט המצפן.
[עריכה] עוצמת השדה המגנטי וכיוונו
עוצמת השדה המגנטי בגובה פני הקרקע משתנה מאזור לאזור, החל מאזורים על פני כדור הארץ שהעוצמה בהם קטנה מ-30 מיקרוטסלה, ועד לאזורים שבהם גודלה מגיע עד 60 מיקרוטסלה. בדרך כלל באזורים הקרובים לקטבים עוצמת השדה גדולה יותר. בנוסף, ככל שמתקרבים לקטבים המגנטיים, הרכיב האנכי הולך וגדל, ואילו הרכיב האופקי הולך וקטן. בקטבים המגנטיים עצמם, השדה המגנטי הוא אנכי לפני כדור הארץ, על פי הגדרתם.
באזורים שונים על פני כדור הארץ, עוצמת השדה המגנטי המקומי וכיוונו מושפעים גם מגורמים סביבתיים סמוכים למקום המדידה, כגון משקעי ברזל או משקעי בזלת המכילים ברזל, למשל בקרקעית האוקיינוס. תופעה זו הייתה מוכרת בניווט הימי כבר במאה ה-18. גופי מתכת גדולים מעשה ידי אדם, כמו מכונות וכלי רכב, יכולים גם הם להשפיע, אם הם קרובים אל מקום המדידה.
[עריכה] מדידת השדה המגנטי
מדידת עוצמת השדה המגנטי וכיוונו מבוצעות באמצעות מגנטומטר, מכשיר שמודד ורושם את עוצמת השדה המגנטי המקומי ואת כיוונו לאורך הזמן.
המדידה מבוצעת באמצעות כ-200 תחנות מדידה קרקעיות קבועות בכל העולם ועוד כמה ניידות, וכן באמצעות לוויינים. בישראל קיימות כיום שלוש תחנות מדידה (המכונות "מצפים מגנטיים") המופעלות על ידי המרכז למיפוי ישראל: בהר חרמון, בבר גיורא ובהרי אילת. בעבר הייתה תחנה נוספת, באמציה, אולם היא נסגרה.
[עריכה] שימוש במצפן לאיתור כיוון הצפון
 |
ערך מורחב – מצפן |
מחט המצפן היא מגנט דו-קוטבי בעל מומנט מגנטי. כאשר המצפן מוצב במצב מאוזן והמחט אינה מכוונת בדיוק בכיוון הרכיב האופקי של השדה המגנטי המקומי, יפעל על המחט מומנט כוח והיא תסתובב לכיוון הרכיב האופקי. המחט תתחיל לבצע תנודות (בדומה למטוטלת) סביב כיוון הרכיב האופקי, תנודות שידעכו עם הזמן. מהירות שיכוך התנודות תלויה בחומר שממלא את גוף המצפן ועליו צפה המחט.
הכיוון שאליו מצביעה המחט אינו הצפון הגאוגרפי, משום שהקוטב המגנטי אינו מתלכד עם הקוטב הגיאוגרפי. הוא אף אינו מצביע בדיוק לעבר הקוטב המגנטי הצפוני (קוטב דרומי של מגנט, בעידן הנוכחי), מכיוון שכדור הארץ הוא מגנט מורכב בעל שדה מגנטי מקומי שאינו מתאים בדיוק לתיאורו כמגנט דו-קוטבי. כדי לאתר את הצפון הגאוגרפי, נדרש לדעת את הנטייה המגנטית באותו מקום, ולבצע תיקון בהתאם. קיימות מפות מיוחדות המציגות את הנטייה המגנטית בכל מקום על פני כדור הארץ. מפות אלה מתעדכנות משנה לשנה, עקב שינויים בשדה המגנטי של כדור הארץ.
[עריכה] השפעה על בעלי חיים
מדענים משערים כבר זמן רב, שבעלי חיים מסוימים, בהם עופות, צבי ים, לווייתנים ודולפינים יכולים לחוש בשדה המגנטי של כדור הארץ, ושתחושה זו מסייעת להם בעת הנדידה השנתית. שמו לב, שעופות נודדים הנמצאים בכלוב גדול בגן חיות בגרמניה, עפים בעונת הסתיו בקוצר רוח לכיוון החלק הדרומי של הכלוב. אותה תופעה קיימת גם בחדר סגור, כשאין לציפורים יכולת לקבוע את הכיוון לפי ראייה.[1]
הוכחה נוספת לכך שבעלי חיים חשים בשדה מגנטי ניתנה בניסוי שנעשה באוניברסיטת תל אביב, בו נצפה שעכברים במבוך לא מורכב מעדיפים לשכון בעיקר בחלק הדרומי של המבוך, ואילו עכברים במבוך דומה שמופעל עליו שדה מגנטי הפוך מכיוון השדה של כדור הארץ - מעדיפים לשכון דווקא בחלק הצפוני של המבוך.[1] בניסוי אחר השתמשו בחולדות עיוורות, שלמדו וידעו את הדרך במבוך מורכב יותר. מצאו ששינוי כיוון המבוך ביחס לשדה המגנטי של כדור הארץ הקשה עליהן במציאת הדרך.[1]
בניסוי עם צבי ים הנודדים באוקיינוס האטלנטי הפעילו שדה מגנטי מקומי באזורים בהם שחו, והצבים שינו את כיוון תנועתם בהתאם לשדה המגנטי המקומי.[2] בניסוי זה הוכח שצבי הים חשים לא רק בעוצמת השדה המגנטי ובכיוונו האנכי, אלא אף את בזווית ההרכנה (inclination) שעוזרת להם בניווט. במחקר אחר חקרו את מסלול תנועתם של לווייתנים, ומצאו קשר בין המסלול המדויק לבין שדות מגנטיים מקומיים הקיימים בקרקעית האוקיינוס.[1]
[עריכה] המגנטוספירה
|
|
ערך מורחב – מגנטוספירה |
המגנטוספירה של כדור הארץ היא אזור נרחב בחלל סביב כדור הארץ, המושפע מהשדה המגנטי של כדור הארץ, מרוח השמש, המורכבת מחלקיקים טעונים ומהשדה המגנטי הבין-פלנטרי. למרות שמה (ספירה = כדור), צורת המגנטוספירה איננה כדורית: בצד הפונה אל השמש ("יום") המרחק מפני כדור הארץ לגבול המגנטוספירה הוא כ-70,000 ק"מ (10 - 12 פעמים רדיוס כדור הארץ), ואילו בצד הנגדי ("לילה") נמתח שובל המגנטוספירה למרחק גדול פי אלף לערך מרדיוס כדור הארץ.
המגנטוספירה מגנה על פני כדור הארץ מפגיעת החלקיקים שמכילה רוח השמש, והיא מונעת מהם לחדור לאטמוספירה. פגיעת רוח השמש במגנטוספירה גורמת לניתוב חלקיקים טעונים, כמו אלקטרונים, לאורך קווי השדה המגנטי. חלקיקים אלו מעוררים אטומים באטמוספירה, וכאשר האלקטרונים שלהם חוזרים וממלאים את הקליפות באטום, הם פולטים פוטונים. כך נוצר זוהר הקוטב. מסלול האלקטרונים המהירים מגיע לגובה נמוך סמוך לאזורי הקטבים, ולכן זוהר הקוטב נראה בדרך כלל רק באזורים אלו. צבע זוהר הקוטב תלוי בגזים המעוררים, ולכל גז באוויר יש צבעים אופייניים.
לווייני המחקר הראשונים ששוגרו לחלל, גילו בשנת 1958 חגורות המכילות חלקיקים טעונים אנרגטיים סביב כדור הארץ, שלא היו ידועות עד אז. אזורים אלה קרויים חגורות ואן אלן. תחילה, התגלו החגורות הפנימיות בגובה של 700 - 10,000 ק"מ מעל פני כדור הארץ, המכילות בעיקר פרוטונים, ולאחר מכן התגלו החגורות החיצוניות, בגובה של 13,000 - 65,000 ק"מ מפני כדור הארץ, המכילות בעיקר אלקטרונים. היווצרותן של החגורות מוסברת בזכות קיום השדה המגנטי של כדור הארץ והמגנטוספירה.
בעת פעילות מוגברת של השמש נוצרים שינויים מהירים בשדה המגנטי של המגנטוספירה שגורמים לתופעה הקרויה סערה גאומגנטית. הדבר עלול להשפיע על השדה המגנטי במקומות רבים, ובמקרים קיצוניים אף לגרום הפרעות ללוויינים, לשידורי רדיו, לקווי מתח גבוה ולמכשירים רגישים. בנוסף, תופעת זוהר הקוטב מתגברת בעת סערות מגנטיות. בשעת סערה, אסטרונאוטים בחלל ללא מיגון מתאים עלולים להיחשף לקרינה בכמות קטלנית.
[עריכה] היווצרות השדה המגנטי
|
|
ערך מורחב – תאוריית הדינמו |
תאוריית הדינמו מסבירה כיצד נוצר השדה המגנטי בתוך הגלעין החיצוני, העשיר בנוזלים מתכתיים[3]. שלושה גורמים מאפשרים את פעולתו של הדינמו בכדור הארץ. הגורם הראשון הוא כמות גדולה של ברזל בגלעין החיצוני, שיכול להוליך זרם חשמלי. הנוזל המתכתי המותך יכול לאפשר את קיומם של מסלולי הולכה חשמלית שדרכם יזרום זרם, אם יהיה מקור שייצר אותו. הגורם השני הוא אנרגיה שמקורה בגלעין הפנימי החם, המניעה את הנוזל בכיוון אנכי. הנוזל עולה מעלה ויורד חזרה לאחר שהוא מתקרר. מקור האנרגיה הזה הוא שמאפשר פעולה יציבה של הדינמו, ובלעדיו לא ייתכן דינמו שיוצר שדה מגנטי לאורך מיליארדי שנה.
הגורם השלישי הוא סיבוב כדור הארץ. כוח קוריוליס מעניק לנוזל רכיב תנועה אופקי וגורם ליצירת דיסקות ענקיות מסתובבות של נוזל מתכתי. לדיסקות יש תנועה סיבובית יחסית לגלעין, ושדות מגנטיים שנמצאים בגלעין עצמו יוצרים בהן זרם חשמלי באמצעות כוח לורנץ, בדומה לזרם שנוצר בדינמו[4]. הזרם החשמלי, בהתאם לצורתו המרחבית, יכול ליצור שדה מגנטי חזק יותר, כלומר להגביר את עוצמת השדה. חוק שימור האנרגיה נשמר משום שמקור האנרגיה המגנטית הוא באנרגיית החום של הגלעין הפנימי המוצק ובאנרגיה הסיבובית של כדור הארץ. דינמו יציב הוא כזה שמתקיים בו היזון חוזר. כלומר, השדה המגנטי יוצר זרם בדיסקות המסתובבות, והן מייצרות שדה מגנטי בעצמן. אולם, ללא הספקת אנרגיה מהגלעין הפנימי היה הדינמו דועך תוך כמאה אלף שנה, כתוצאה מהפיכת אנרגיה חשמלית לחום בדיסקות עצמן.
בעזרת חקר של מינרלים הניתנים למגנוט ונמצאים בשכבות הסלע על פני כדור הארץ, הגיעו חוקרים למסקנה שלכדור הארץ יש שדה מגנטי משלו מזה שלושה מיליארד שנים לפחות. ידוע שהשדה מתחדש באופן קבוע, משום שלולא כן הוא היה דועך. השדה שנוצר על פני הצד החיצוני של הגלעין חזק באופן משמעותי מהשדה הנמדד על פני שטח כדור הארץ. עוצמתו של זה כאחוז בלבד מעוצמת השדה בגבול בין הגלעין למעטפת כדור הארץ. כאמור, על פני השטח ובחלל, השדה קרוב בצורתו לשדה דו-קוטבי, אולם בתוך כדור הארץ צורתו הרבה יותר מורכבת, ולא ניתן לתאר אותו כמגנט בעל מספר קטן של קטבים.
הקושי לחקור ישירות את גלעין כדור הארץ מונע אישוש חד-משמעי של תאוריית הדינמו. החוקרים מקבלים את תאוריית הדינמו כהסבר לשדה המגנטי של כדור הארץ, כי הממצאים הגאולוגיים מתאימים לתאוריה, ואין תאוריה מתחרה. הדמיות ממוחשבות ויצירת דגמים של גלעין כדור הארץ במעבדה מסייעים אף הם להבין את תאוריית הדינמו ולחקור את השלכותיה.
[עריכה] שינויים בשדה המגנטי
[עריכה] נדידת הקטבים המגנטיים
הקטבים המגנטיים אינם קבועים, אלא נעים ללא הפסק ממקום למקום. בין תנועת הקוטב המגנטי הדרומי ובין תנועת הקוטב המגנטי הצפוני לא נמצאה התאמה. בשנים האחרונות, הקוטב המגנטי הצפוני נע לכיוון צפון-מערב בקצב של כ-40 ק"מ בשנה.[6] שני הקטבים המגנטיים אינם נמצאים בנקודות גאוגרפיות מנוגדות זו לזו, וכיום המרחק בין הקוטב המגנטי ובין הקוטב הגאוגרפי גדול יותר בדרום מאשר בצפון.
| שנה[6] | הקוטב הצפוני | הקוטב הדרומי | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| גאוגרפי | מגנטי | גאומגנטי | גאוגרפי | מגנטי | גאומגנטי | |||
| 1900 | 90.0°N | 70.5°N 96.2°W | 78.7°N 68.8°W | 90.0°S | 71.7°S 148.3°E | 78.7°S 111.2°E | ||
| 1910 | 90.0°N | 70.8°N 96.7°W | 78.7°N 68.7°W | 90.0°S | 71.2°S 148.6°E | 78.7°S 111.3°E | ||
| 1920 | 90.0°N | 71.3°N 97.4°W | 78.6°N 68.4°W | 90.0°S | 70.4°S 148.2°E | 78.6°S 111.6°E | ||
| 1930 | 90.0°N | 72.3°N 98.7°W | 78.6°N 68.3°W | 90.0°S | 69.5°S 146.8°E | 78.6°S 111.7°E | ||
| 1940 | 90.0°N | 73.3°N 99.9°W | 78.6°N 68.5°W | 90.0°S | 68.6°S 144.6°E | 78.6°S 111.5°E | ||
| 1950 | 90.0°N | 74.6°N 100.9°W | 78.6°N 68.9°W | 90.0°S | 67.9°S 143.6°E | 78.6°S 111.2°E | ||
| 1960 | 90.0°N | 75.3°N 101.0°W | 78.6°N 69.5°W | 90.0°S | 66.7°S 140.2°E | 78.6°S 110.5°E | ||
| 1970 | 90.0°N | 75.9°N 101.0°W | 78.7°N 70.2°W | 90.0°S | 66.0°S 139.4°E | 78.7°S 109.8°E | ||
| 1980 | 90.0°N | 76.9°N 101.7°W | 78.9°N 70.8°W | 90.0°S | 65.4°S 139.3°E | 78.9°S 109.2°E | ||
| 1990 | 90.0°N | 78.1°N 103.7°W | 79.2°N 71.1°W | 90.0°S | 64.9°S 138.9°E | 79.2°S 108.9°E | ||
| 2000 | 90.0°N | 81.0°N 109.6°W | 79.6°N 71.6°W | 90.0°S | 64.7°S 138.3°E | 79.6°S 108.4°E | ||
| 2005 | 90.0°N | 83.2°N 118.3°W | 79.8°N 71.8°W | 90.0°S | 64.5°S 137.9°E | 79.8°S 108.2°E | ||
| 2010 (הערכה) | 90.0°N | 85.2°N 133.2°W | 80.0°N 72.0°W | 90.0°S | 64.4°S 137.4°E | 80.0°S 108.0°E | ||
[עריכה] שינויים יומיים
שינויים בשדה המגנטי של כדור הארץ חלים אף בתדירות יומיומית:
- קיימת תנועתיות מחזורית יומית, שבאה לידי ביטוי בתנועת הקטבים המגנטיים לאורך עשרות קילומטרים ביממה אחת. כך למשל, נמדדה בקוטב המגנטי הצפוני תנועה של כ-85 ק"מ צפונה ודרומה במהלך יממה אחת עקב השפעת המגנטוספירה. הגורם לכך הם זרמים חשמליים בצד ה"יום" של המגנטוספירה שנוצרים בעקבות פגיעת רוח השמש בצד זה. הזרמים יוצרים שדות מגנטיים שמשפיעים מעט על השדה המגנטי של כדור הארץ.
- שינויים במחזוריות לא קבועה עקב סערות גאומגנטיות, שרובן נגרמות מפליטה מסיבית של חלקיקים טעונים ברוח השמש עקב התפרצויות בשמש.
[עריכה] פלאומגנטיזם
קרל פרידריך גאוס מדד לראשונה את עוצמת השדה המגנטי של כדור הארץ בשנת 1835. מאז, בכ-150 השנים האחרונות נמדדה ירידה בעוצמה בשיעור של כ-10%, קצב הירידה בעוצמת השדה המגנטי מואץ בשנים האחרונות.
חקר השדה המגנטי של כדור הארץ בתקופות קדומות נקרא פלאומגנטיזם. מינרלים מסוימים ממוגנטים בשעת התמצקותם, וכך הם משמרים בתוכם מידע אודות כיוון השדה המגנטי ששרר אז, ואת עוצמתו. מגנטיט שמצוי בבזלת (ובסלעים אחרים) הוא דוגמה למינרל כזה, ועל כן שכבות של זרמי לבה קדומים הם מקום מועדף לחקר הפלאומגנטיזם. המדידות מראות שעוצמת השדה המגנטי משתנה לאורך השנים, וכיוון השדה המגנטי של כדור הארץ מתהפך מפעם לפעם: היו תקופות גאולוגיות שבהן הייתה מחט המצפן מצביעה לכיוון דרום. בין היפוך להיפוך חולפת תקופה שאורכה בין עשרות אלפים ועד למיליוני שנים (בממוצע כ-250 אלף שנה בין כל היפוך). ההיפוך האחרון התרחש לפני כ-780 אלף שנים, אירוע המכונה היפוך ברונהס-מטויאמה (Brunhes-Matuyama reversal). המדענים תיעדו אירועים רבים נוספים של היפוך שדה מגנטי בתקופות קדומות יותר. ברמת הגולן קיימים מספר מקומות שבהם השתמרה בזלת שהתמצקה בתקופה של שדה הפוך.
היפוך כיוון שדה מגנטי אורך בין מאות לאלפי שנים, והוא מלווה בדרך כלל בירידת עוצמתו של השדה המגנטי, עד להיפוך כיוון צפון מגנטי - דרום מגנטי, ולאחר מכן עלייה מהירה בעוצמת השדה המגנטי. אין עדויות להשפעה של אירועי היפוך השדה על החי והצומח על פני כדור הארץ בצורת הכחדה או בצורות אחרות. כך למשל, מינים קדומים של האדם, כגון ההומו ארקטוס ואבותיו הקדמונים, שרדו מספר היפוכי כיוון של השדה המגנטי. המגנטוספירה אומנם מגנה על פני כדור הארץ מפני חלקיקים טעונים המגיעים מרוח השמש, אך מניחים שגם במצב של העדר שדה מגנטי בכדור הארץ, רוח השמש גורמת להשראה וליצירת שדה מגנטי ביונוספירה, ושדה מגנטי זה מגן על צורות החיים מפני אותם חלקיקים[8].
[עריכה] הסיבות להיפוכי הכיוון של השדה המגנטי
מדידות פלאומגנטיות מראות שהיפוכי השדה המגנטי מתרחשים במהירות רבה יחסית. תוך מספר אלפי שנה, לכל היותר, מחליף השדה המגנטי את כיוונו. אין הסכמה בקרב החוקרים לגבי הסיבות להיפוכי השדה. יש הסבורים שהיפוכי הכיוון הם פועל יוצא של תאוריית הדינמו. לטענתם, קווי השדה המגנטי עלולים להסתבך עקב התנועה הכאוטית של הנוזל בגלעין כדור הארץ. הדבר יכול לגרום לחוסר יציבות ולהיפוך כיווני השדה המגנטי. הרעיון הומחש באמצעות הדמיה ממוחשבת[9]. ההדמיה נועדה להראות שהיפוך כיוון ספונטני הוא אפשרי, והיא הצליחה להדגים שרשרת אירועים בגלעין שהביאה להיפוך כיוון מהיר. אולם, אין ודאות שאירועים אלו אכן מתרחשים בעת היפוכי כיוון. השדה המגנטי של השמש מתהפך כל 7 - 15 שנים באופן ספונטני, ועובדה זו תומכת באפשרות של היפוך ספונטני במסגרת תאוריית הדינמו.
מדענים אחרים טוענים שההיפוכים אינם ספונטניים, אלא נגרמים עקב אירועים מחוץ לגלעין המשבשים את הזרימה. אירועים אלו יכולים להיות גושי סלע גדולים במיוחד ששוקעים למעטפת כדור הארץ בעקבות תנועת הלוחות הטקטוניים, או כוחות חזקים המופעלים על המעטפת כתוצאה מהתנגשויות של אסטרואידים או שביטים בכדור הארץ.
| הדמיה ממוחשבת של היפוך כיוון השדה המגנטי ההדמיה בוצעה בעזרת מחשב-על על ידי גארי גלאצמייר (Gary Glatzmaier) מהמעבדה הלאומית לוס אלמוס.[9] הקווים הכחולים/כתומים מציינים קווי שדה שיוצאים/נכנסים לגלעין |
|
|
|
|
|
[עריכה] שימושים מעשיים בשדה המגנטי של כדור הארץ
השימוש השכיח ביותר שעושה האדם בשדה המגנטי של כדור הארץ הוא השימוש במצפן לאיתור כיוון הצפון. להלן שימושים נוספים, חלקם עדיין בשלבי מחקר:
[עריכה] חיזוי רעידות אדמה
במדינות שונות (ארצות הברית, יפן, רוסיה, סין וטורקיה) נבדק השימוש במדידת השדה המגנטי כשיטה אפשרית לחיזוי רעידות אדמה. ברעידות אדמה יש שחרור לחצים במקום מסוים בקרום כדור הארץ, דבר שיכול להשפיע בין היתר על השדה המגנטי המקומי. היו מספר פרסומים שטענו להצלחה לזהות שינויים קטנים אך עקביים בשדה המגנטי בגודל של כמה עשיריות ננוטסלה, לפני רעידת האדמה. בעיה אחת היא ששינויים אלה הם קטנים מדי ביחס לשינויים אחרים בשדה המגנטי שנוצרים במהלך היממה ממגוון סיבות. לשם כך פותחו מגנטומטרים חדשים שאמורים להתגבר על הקשיים האלה[10]. חמורה יותר מבעיית הגודל היא העובדה שאין עדיין היסטוריית רישום מספקת כדי להפריך או להוכיח את הטענה בדבר הקשר בין עוצמת השדה לרעידות אדמה.
[עריכה] הפקת אנרגיה מהשדה המגנטי
רבים חיפשו דרך לנצל את השדה המגנטי של כדור הארץ כדי להפיק אנרגיה, ביניהם בנג'מין פרנקלין במאה ה-18 וקרומוול וארלי (מהנדס טלגרף בריטי) במאה ה-19, אולם עד היום לא נמצאה דרך מעשית לנצל את השדה המגנטי לשם כך.
שימושים אפשריים בחלל יכולים לכלול הפקת זרם חשמלי על ידי תנועה של רכיבים אלקטרומגנטיים דרך שדה מגנטי במגנטוספירה. כך ניתן יהיה להמיר אנרגיה קינטית לאנרגיה חשמלית או להיפך.
[עריכה] תנועת הלוחות הטקטוניים
חקר הפלאומגנטיזם סייע במדידת טקטוניקת הלוחות בתקופות קדומות. בהנחה שהקטבים המגנטיים הקדומים היו סמוכים לקטבים הגאוגרפיים, ניתן לשחזר את סידור היבשות בתקופות אלו על סמך מדידת סידור המגנטיט בסלעים, דוגמת בזלת, בשעת התמצקותם. בדרך זו נמצאו אישושים לתאוריית נדידת היבשות, וניתן היה לשחזר את סידור היבשות בתקופות קדומות.
בנוסף, פענוח כיוון השדה המגנטי שנרשם במגנטיט שבבזלת בקרקעית האוקיינוס האטלנטי סייע במדידת קצב התרחבות האוקיינוס. התרחבות זו מלווה בזרימת לבה מתוך הרכס המרכז אוקייני ודחיפת שני הלוחות הנושקים לרכס מזרחה לכיוון אפריקה-אירופה ומערבה לכיוון אמריקה. כן נמצא שסלעים בעלי מגנוט הפוך נמצאים במרחקים שווים ממרכז הרכס, והדבר מצביע על כך שהאוקיינוס מתרחב באופן שווה לשני הכיוונים.
[עריכה] ראו גם
[עריכה] לקריאה נוספת
- R.T. Merrill, M.W. McElhinny, and P.L. MacFadden, The Magnetic Field of the Earth: Paleomagnetism, the Core, and the Deep Mantle, Academic Press, 1998.
- G.A. Glatzmaier and P. Olson, Probing the Geodynamo, Scientific American, April 2005, p.50.
[עריכה] הערות שוליים
- ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 Impact on Animals - Peter Tyson, NOVA.
- ^ Regional Magnetic Fields as Navigational Markers for Sea Turtles - Kenneth J. Lohmann et al.
- ^ קורס בנושא "מבוא לפיזיקת הפלזמה" ובו הסבר על תאוריית הדינמו
- ^ אופן פעולת הדינמו של מייקל פאראדיי, והשוואה לתאוריית הדינמו. שדה מאונך למישור הדיסקה יוצר זרם חשמלי ממרכז הדיסקה לקצותיה
- ^ הגודל (VADM (Virtual axial dipole moment ביחידות של אמפר*מטר רבוע מאפיין את השדה המגנטי של כדור הארץ. הוא מחושב בהנחה שהשדה המגנטי של כדור הארץ הוא שדה של מגנט דו-קוטבי שהציר שלו עובר דרך מרכז כדור הארץ.
- ^ 6.0 6.1 הקטבים נעים גם בתנודתיות יומית עקב השפעת המגנטוספירה, ולכן מיקומו של קוטב מגנטי בשנה מסוימת נקבע לפי ממוצע שנתי.
- ^ הסקר הגאולוגי הבריטי - הקטבים המגנטיים.
- ^ Solar wind induced magnetic field around the unmagnetized Earth G. T. Birk, H. Lesch and C. Konz - Astronomy & Astrophysics.
- ^ 9.0