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 שמים 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.
תכונות השדה המגנטי של כדור הארץ.
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 הצפוני הגאוגרפי 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.
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.
בישראל, עוצמת השדה המגנטי היא כ-32 מיקרוטסלה בירושלים. הזווית בה נכנסים קווי השדה המגנטי אל פני כדור הארץ היא כ-46 מעלות בממוצע.
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.
שימוש במצפן לאיתור כיוון הצפון.
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.
מאחר שהקוטב הגאוגרפי הצפוני אינו קשור (ראה לעיל) לשדה המגנטי, המחט במצפן אינה מצביעה אליו. היא גם אינה מצביעה לקוטב הגאומגנטי הצפוני מאחר שהוא רק קֵרוב ומודל מדעי. במקום זאת היא מצביעה בקרוב לעבר הקוטב המגנטי הצפוני (קוטב דרומי של מגנט, בעידן הנוכחי). אולם, מאחר שהשדה המגנטי אינו אחיד על פני כדור הארץ וגם לא בתוכו, ייתכנו שנויים מקומיים בני מעלות בודדות. 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 בעקבותיו נע הקוטב המגנטי לכיוון סיביר במהירות 40 ק"מ/שנה.
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.
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. 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.
בניסוי עם צבי ים הנודדים באוקיינוס האטלנטי הפעילו שדה מגנטי מקומי באזורים בהם שחו, והצבים שינו את כיוון תנועתם בהתאם לשדה המגנטי המקומי. בניסוי זה הוכח שצבי הים חשים לא רק בעוצמת השדה המגנטי ובכיוונו האנכי, אלא אף 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.
המגנטוספירה.
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.
היווצרות השדה המגנטי.
תאוריית הדינמו מסבירה כיצד נוצר השדה המגנטי בתוך הגלעין החיצוני, העשיר בנוזלים מתכתיים. 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.