Pole magnetyczne i elektryczne Ziemi
advertisement
Pole elektryczne Ziemi Naturalne źródła pola elektrycznego Prosty model magnetyzmu Ziemi Poglądy uczonych Składowe pola magnetycznego Magnetosfera Ziemi Przyczyną występowania stałego pola elektrycznego Ziemi jest zgromadzony na niej ładunek ujemny i dodatnia jonizacja górnych warstw atmosfery. Pole to zależy od szerokości geograficznej. Średnia wartość jego natężenia wynosi nad powierzchnią ziemi na średnich szerokościach geograficznych 130 V/m. Maleje ono ze wzrostem wysokości nad powierzchnię ziemi i osiąga 5 V/m na wysokości 9 km. Podlega ono również zmianom rocznym: największe pole występuje w miesiącach zimowych, najmniejsze w letnich. Źródłem naturalnego zmiennego pola elektrycznego są głownie burze a właściwie wyładowania atmosferyczne. Zakres częstotliwości tych pól jest bardzo zróżnicowany: od kilku Hz do 30 MHz. W czasie burzy natężenie pola elektrycznego dochodzi do kilkuset V/m, natomiast podczas ładnej pogody istniejące pole elektryczne jest znacznie mniejsze (do 0,5 V/m). Pochodzi ono od odległych wyładowań atmosferycznych. Pole magnetyczne Ziemi może być rozumiane jako pole pochodzące od dipola magnetycznego znajdującego się wewnątrz Ziemi. Mniej więcej na osi tego dipola znajdują się na powierzchni Ziemi bieguny magnetyczne. Nie pokrywają się one z biegunami geograficznymi. Oś biegunów magnetycznych nachylona jest pod kątem ok. 11° do jej osi obrotu Ziemi. Południowy biegun magnetyczny leży w obszarze archipelagu wysp północnej Kanady, zaś biegun magnetyczny– na krawędzi kontynentu Antaktyda, pod Australią. Bieguny magnetyczne Miejsca przecięcia osi symetrii ziemskiego pola magnetycznego z powierzchnią Ziemi nazywa się biegunami geomagnetycznymi. Bieguny cały czas przesuwają się po powierzchni Ziemi z prędkością około 15 km na rok zataczając kręgi. Bieguny magnetyczne nie leżą dokładnie po przeciwnych stronach Ziemi, ich położenie przedstawiam poniżej: Północny biegun (1965) 73,5° N 100,6° W (2001) 81,3° N 110,8° W (2004) 82,3° N 113.4° W (2005 ) 82,7° N 114,4° W Południowy biegun (1965) 66,5° S 140,3° E (1998) 64,6° S 138,5° E (2004) 63,5° S 138,0° E Siła Lorentza Siła jaka działa na cząstkę obdarzoną ładunkiem elektrycznym poruszającą się w polu elektromagnetycznym Hendrik Lorentz F qvB sin Według podanego wyżej modelu ziemskiego pola, jego źródłem mógłby być ogromny magnes sztabkowy czyli kuliste namagnesowane jądro. Obecnie naukowcy uważają, że mechanizm powstawania ziemskiego pola magnetycznego jest podobny do tego, który działa w tzw. samowzbudnym dynamo Elsassera-Bullarda. Dynamo to stanowi zmodyfikowaną wersję jednobiegunowego generatora Faradaya, zbudowanego w XIX wieku. Generator Faradaya złożony jest z metalowej tarczy osadzonej na osi i umieszczonej w prostopadłym do powierzchni tarczy stałym i jednorodnym polu magnetycznym. Podczas obrotu tarczy, na jej elektrony swobodne działa siła Lorentza, która skierowana jest prostopadle do kierunku pola magnetycznego i wzdłuż promienia tarczy. Dzięki temu pomiędzy środkiem a brzegiem tarczy wytwarza się stałe napięcie elektryczne. Zamiast zewnętrznego stałego magnesu, stosuje się w nim uzwojenie umieszczone na osi obrotu tarczy. Wystarczy nawet niewielkie zewnętrzne pole magnetyczne prostopadłe do tarczy, by przez uzwojenie popłynął prąd. Wówczas zacznie być ono źródłem pola magnetycznego i nie będzie potrzebne pole magnesu stałego jak w generatorze Faradaya. We wnętrzu naszej planety rolę tarczy i zwojnicy odgrywają prądy konwekcyjne w płynnym jądrze. Konwekcja polega na ciągłym ruchu wirowym w płynnym jądrze Ziemi. Gorące niższe warstwy płynnego jądra wypływają ku warstwom wyższym, by stamtąd, po oddaniu porcji energii cieplnej do warstwy płaszcza i ostygnięciu, jako gęstsze, ponownie opaść. Tworzą się pętle prądów konwekcyjnych, które, dzięki siłom Coriolisa, „wyciągane” są w kierunku płaszczyzn równoleżnikowych. Właśnie te poziome pętle prądów konwekcyjnych są źródłem ziemskiego pola magnetycznego Wektor indukcji pola magnetycznego Ziemi – B, w dowolnie wybranym punkcie jej powierzchni posiada składowe – poziomą i pionową. Na biegunach magnetycznych pozioma składowa dąży do zera, a igła kompasu „stara się” ustawić pionowo. Kąt pomiędzy kierunkiem wskazywanym przez igłę kompasu (kierunkiem północy magnetycznej) a kierunkiem północy geograficznej nazywa się deklinacją magnetyczną – D, zaś kąt pomiędzy wektorem pola magnetycznego B a kierunkiem poziomym nazywa się inklinacją magnetyczną – I Maksymalna wartość wektora prostopadłego występuje na biegunach magnetycznych Ziemi (67 mT); na równiku magnetycznym natomiast, jego wartość jest równa zero. W przeciwieństwie do tego, składowa równoległa na równiku magnetycznym osiąga wartość maksymalną (33 mT) i zero na biegunie magnetycznym. W Polsce wartości składowych stałego pola magnetycznego wynoszą w przybliżeniu: 50 mT składowa prostopadła; 20 mT równoległa. Obszar wokół Ziemi, w którym na naładowane cząstki, takie jak protony, elektrony oddziałuje ziemskie pole magnetyczne, a nie pola Słońca czy innych planet nazywamy ziemską magnetosferą. Źródło: http://lepmfi.gsfc.nasa.gov/mfi/images/bs.gif Magnetosfera, mimo że skutecznie chroni Ziemię przed wiatrem słonecznym, posiada tzw. Obszary neutralne, czyli miejsca, gdzie współistnieją linie pola o przeciwnych zwrotach. Są trzy takie obszary: dwa nad biegunami magnetycznymi oraz jeden większy, położony na osi „ogona” magnetosfery. Wysokoenergetyczne, naładowane cząstki wiatru słonecznego mogą zatem wniknąć głęboko do magnetosfery w obszarach neutralnych nad biegunami, docierając aż do górnych warstw ziemskiej atmosfery (na wysokości około 100 km). Pasy Van Allena, zwane też pasami radiacyjnymi, są obszarami intensywnego promieniowania. Otaczają Ziemię i składają się z naładowanych cząstek o wielkiej energii głównie elektronów i protonów - schwytanych w pułapkę przez ziemskie pole magnetyczne, w którym poruszają się one po trajektoriach zbliżonych do spiralnych. Pasy radiacyjne Van Allena - odkryte w 1958 r. przez satelitę Explorer I - wewnętrzny: 2400 – 5000 km nad Ziemią, - zewnętrzny: 12000 – 25000 km nad Ziemią - wypełnione są protonami i elektronami o bardzo wysokich energiach Zorza polarna wokół bieguna południowego zarejestrowana 11 września 2005 przez satelitę NASA Wynik symulacji komputerowej ewolucji czasowej ziemskiego pola magnetycznego.
