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 שלו או בחלל. השדה המגנטי של כדור הארץ דומה לשדה של מגנט דו-קוטבי, שקוטב אחד שלו (שמבחינה פיזיקלית הוא דווקא קוטב דרום) נמצא באוקיינוס הקרח הצפוני, והשני (קוטב צפון) ליד אנטארקטיקה. קטבים אלו נעים כל העת ממקומם, וקיימות אף עדויות להיפוכי כיוון של השדה המגנטי בתקופות גאולוגיות מסוימות של כדור הארץ.
השפעת השדה המגנטי של כדור הארץ מורגשת עד מרחק גדול בחלל, והשפעתו על חלקיקים המגיעים מרוח 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. השימוש העיקרי של האדם בשדה המגנטי של כדור הארץ הוא לצורכי ניווט באמצעות מצפן.

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.

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.

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 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.

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%, תהליך הירידה בעוצמת השדה המגנטי מואץ בשנים האחרונות.
חקר השדה המגנטי של כדור הארץ בתקופות קדומות נקרא פליאומגנטיזם. 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.

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:

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. חמורה יותר מבעיית הגודל היא העובדה שאין עדיין היסטוריית רישום מספקת כדי להפריך או להוכיח את הטענה בדבר הקשר בין עוצמת השדה לרעידות אדמה.

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 להפך.

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.