Magnetyzm - hp.igf.edu.pl
advertisement
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm W. Debski , 2010 Plan wykładu z geofizyki (Geomagnetyzm) 1. Magnetyzm ziemski F F F F F pole magnetyczne Ziemi, wedrówka biegunów magnetycznych i teoria Wegenera , inwersja pola magnetycznego model dynama pole magnetyczne Ziemi a środowisko ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 1 Pole magnetyczne Ziemi - pierwsze fakty F legendy Chińskie (2600 BC) o magicznych wozach wskazujacych , południe F pierwsze wzmianki o polu magnetycznym Ziemi De Naturis Rerum ok. 1190r. AD. F odkrycie deklinacji i inklinacji (Kolumb 1492r. ?) F W. Gilbert De Magnet - 1600r. idea pola magnetycznego Ziemi F wiekowe zmiany pola geomagnetycznego -H. Gellibrand (1633) ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 2 Pole magnetyczne Ziemi - Gauss F praca Gaussa: Allgemeine Theorie des Erdmagnetismus F skonstruowanie magnetometru F pierwszy miedzynarodowy projekt geofizyczny , F “nowoczesna” analiza danych pomiarowych ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 3 Pierwsze zastosowania - kompas ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 4 Magnetometry ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 5 Odkrycia XX wiek F inwersja pola geomagnetycznego F wielkoskalowy ruch kontynentów w skali geologicznej F zastosowanie technik środowiskowych paleomagnetyzmu do badań F pogoda kosmiczna ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 6 Pozostałość magnetyczna skał Skały wulkaniczne zawieraja, minerały magnetyczne, które schładzane “zapamietuj a, w postaci stałego namagne, sowania wartość i kierunek magnetycznego pola ziemskiego. Jest to efektem tego, że roztopiona magma osiagaj ac , , temperature, Curie podlega przejściu fazowemu ferromagnetyk ⇒ paramagnetyk w wyniku “zamrożenia” ruchu domen magnetycznych. ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 7 Pozostałość magnetyczna skał ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 8 Temperatura-Curie Materiał Temp. Curie [C] Żelazo (Fe) 770 Kobalt (Co) 1130 Nikiel (Ni) 358 Tlenki żelaza 622 ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 9 Odkrycie 1. Grzbiet środkowo atlantycki ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 10 Odkrycie 1. Grzbiet środkowo atlantycki ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 11 Odkrycie 1. Grzbiet środkowo atlantycki ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 12 Odkrycie 1. Grzbiet środkowo atlantycki ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 13 Odkrycie 2. Wedrówka biegunów magnetycznych , ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 14 Odkrycie 2. Wedrówka biegunów magnetycznych , Dwie teorie: A B Biegun magnetyczny zmieniał położenie w czasie Kontynenty poruszały sie, wzgledem bieguna , ⇓ ⇓ Trajektoria taka sama dla wszystkich kontynentów Trajektorie moga, sie, różnić ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 15 Wedrówka kontynentów - teoria Wegenera , Fakt podobieństwa lini brzegowych kontynentów (zwłaszcza wokół Oceanu Atlantyckiego zawsze pobudzał wyobraźnie, do tworzenia hipotez o wspólnym pochodzeniu kontynetów. Np. Legenda Atlantydy opisana przez Platona. ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 16 Teoria Wegenera - 1912/1960 ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 17 A. Wegener (1880 - 1930) ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 18 Obecny poglad , F 1100 mln lat temu powstaje superkontynent Rodinia. F 750 mln lat temu Rodinia rozpada sie, na: Laurencje, , kraton Konga i Proto-Gondwane. , F 600 mln lat temu fragmenty Rodinii na krótko ponownie sie, stykaja,, tworzac , nowy superkontynent: Pannoncje. , F 550 mln lat temu Pannoncja zaczyna sie, rozpadać, tworza, sie, kontynenty i oceany Paleozoiku. F 250 mln lat temu na Ziemi ponownie istnieje jeden superkontynent Pangea. Jest on otoczony olbrzymim oceanem Panthalassa, masy ladowe cześciowo odgradzaja, od niego , , mniejszy ocean Tetydy. F 180 mln lat temu superkontynent Pangea zaczyna pekać na dwie cześci, które oddalaja, sie, , , od siebie tworzac: , Laurazje, na półkuli północnej i Gondwane, na półkuli południowej. ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 19 F 135 mln lat temu poczatek rozpadu Laurazji i Gondwany pojawiaja, sie, zarysy dzisiejszych , kontynentów: Laurazja daje poczatek Ameryce Północnej i Eurazji Gondwana rozpada sie, , na: Ameryke, Południowa,, Afryke, , Antarktyde, , Australie, i Indie. F 100 mln lat temu Indie odrywaja, sie, od Afryki i dryfuja, w strone, Azji. ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 20 Ewolucja geodynamiczna kontynentów ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 21 Ewolucja kontynentów ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 22 Inwersja geomagnetyczna - odkrycie Badajac , magnetyczne własności skał lawowych wulkanu Pontafarin z okolic Cezanes (Francja) Brunhes odkrył w 1905r., że stara lawa ma prawie dokładnie odwrotne namagnesowani w stosunku do obecnego pola magnetycznego Ziemi. Zinterpretował ten fakt przyjmujac , że w przeszłości biegun północny pola magnetycznego Ziemi znajdował sie, w okolicy południowego bieguna geograficznego. Musiało upłynać , 50 lat by jego teoria została potwierdzona i zaakceptowana. ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 23 Inversja geomagnetyczna B. Brunhes (1867 -1910) ELEMENTY GEOFIZYKI Cezanes (Francja) Magnetyzm- 24 Inversja geomagnetyczna ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 25 Inversja geomagnetyczna - dalsze badania Age (Ma) 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 Chron Thvera Sidufjall Nunivak Cochiti Mammoth Kaena Reunion Olduvai Cobb Mountain Jaramillo Subchron 0.78 0.90 1.06 1.19 1.78 2.00 2.08 2.14 2.59 3.05 3.12 3.22 3.33 3.59 4.17 4.29 4.47 4.64 4.81 4.89 5.01 5.25 Magnetyzm- 26 ELEMENTY GEOFIZYKI Brunhes Matuyama Gauss Gilbert Pole magnetyczne Ziemi - teoria geodynama Powyższe wyniki (i mnóstwo innych mniej spektakularnych) wskazuja, jednoznacznie na fakt, że Ziemia wytwarza własne pole magnetyczne, które jest bardzo skomplikowane i zmienne w czasie. Co wiecej nie zanika w czasie !. , Jaki jest mechanizm jego powstania i co utrzymuje jego obecność ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 27 Pole magnetyczne Ziemi - pierwsze podejście Według pierwszych modeli pole magnetyczne Ziemi jest wynikiem namagnesowania wnetrza Ziemi. Jednakże oszacowanie temper, atury wnetrza Ziemi i zrozumienie procesów wulkanizmu obaliły te , poglady. Teoria ta miała jeszcze jeden mankament. Niezrozumiały , był mechanizm podtrzymujacy istnienie pola magnetycznego w skali , czasu geologicznego. Gdyby był to ruch obrotowy Ziemi, to szacowane straty energii wskazywały, że Ziemia powinna zatrzymać sie, w ciagu kilkudziesieciu tysiecy lat. , , , ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 28 Pole magnetyczne Ziemi - teoria geodynama Po odkryciu jadra wewnetrznego i stwierdzeniu, , , że jadro zewnetrzne jest płynne panuje przeko, , nanie (model geodynama), że pole magnetyczne Ziemi jest efektem pradów wirowych w , jadrze zewnetrznym. Jadro wewnetrzne, obra, , , , cajac , sie, nieco szybciej niż płaszcz działa stabilizujaco zapobiegajac , , gwałtownym zmianom tego pola. Przyjmuje sie, , także, że ruchy konwekcyjne w połaczeniu z efektem Coriolisa wyt, worzyły pierwotne pole magnetyczne wzmocnione mechanizmami znanymi z hydrodynamiki. Ciagle jednak nie jest jasne co powoduje zmiany , biegunowości pola. ELEMENTY GEOFIZYKI Larmor Magnetyzm- 29 Geodynamo - budowa Ziemi ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 30 Geodynamo - koncepcja ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 31 Geodynamo - teoria Załóżmy, że ruch materii w jadrze zewnetrznym generuje pola elek, , tromagnetyczne, lecz jest ono na tyle słabe, że nie wpływa na ruch materii. ∂B = ∇ × (u × B) + η∇2B ∂t η= 1 µ0 σ Dwa czynniki: transport pola magnetycznego (1), dyfuzja (2) ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 32 Geodynamo - teoria Czas zaniku pola magnetycznego (drugi człon) Obiekt L [cm] η [cm2s−1] τ [lata] Ziemia 3 × 108 7 × 103 4 × 105 Słońce 5 × 1010 7 × 102 1 × 1011 Galaktyka 3 × 1020 7 × 109 4 × 1023 A wiec , dlaczego jeszcze istnieje ? ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 33 Geodynamo - symulacje ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 34 Geodynamo - symulacje Glatzmaier & Roberts (2000) and Buffett (2000) ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 35 Środowiskowa rola pola geomagnetycznego Pole magnetyczne Ziemi jest stosunkowo słabe. Jednakże jego obecność jest decydujaca dla obecności wszelkich form życia na , Ziemi. Pamietajmy bowiem, że nasza życiodajna gwiazda Słońce, , jest zarazem naszym najwekszym zagrożeniem. Jest to przecież gi, gantyczny rektor termojadrowy omiatajacy nas w kżdej sekundzie , , niewiarygodnie duża, dawka, energetycznych czastek naładowanych , powstajacych w wyniku reakcji termojadrowych w jego wnetrzu. To , , , właśnie pole magnetyczne Ziemi chroni nas przed tym kosmicznym “śmieciem”. ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 36 Pole magnetyczne Ziemi ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 37 Powstanie zorzy ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 38 Pasy Van Allena ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 39 Pole magnetyczne Ziemi ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 40 Pole magnetyczne Ziemi ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 41 Koniec ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 42
