Dünya'nın manyetik alanı

Dünya'nın manyetik alanı, diğer adıyla jeomanyetik alan, Dünya'dan uzaya doğru uzanan manyetik alandır. Dünya'dan çıkan manyetik alan, Güneş'ten gelen yüklü parçacıklardan oluşan Güneş rüzgarlarıyla buluşur. Manyetik alanın büyüklüğü, Dünya yüzeyinde 25 ve 65 microtesla arasıdır (0,25 ve 0,65 gauss arası). Kabaca bakarsak, bu alan, Dünya'nın dönüş eksenini baz alarak, yaklaşık 10 derece kaymış bir manyetik dipoldur. Diğer bir deyişle, düz bir dikdörtgen mıknatısın, yine aynı açıyla Dünya'nın merkezine konması gibidir. Kuzey jeomanyetik kutup, Grönland'ın yakınlarında kuzey yarımkürede olan kutup, aslında manyetik olarak Dünya'nın manyetik alanının güney kutbudur ve Güney jeomanyetik kutup da manyetik alanın kuzey kutbudur. Çubuk mıknatıslardan farklı olarak, Dünya'nın manyetik alanı zamanla değişir çünkü bu manyetik alan, Dünya'nın dönüş hareketinden meydana gelir (Dünya'nın içindeki yüksek sıcaklıktaki demir alaşımlarının yaptığı hareket).
Kuzey ve Güney manyetik kutuplar jeolojik zaman aralıkları arasında değişim gösterir; fakat bu değişim çok küçük hızlarla olduğundan genel pusulaların çalışmalarını engelleyecek bir harekette bulunmaz ve böylece pusulalar yön bulmakta kullanılabilir. Ancak, belirsiz zaman aralıklarında, yaklaşık birkaç yüz bin yıllar arası, Dünya'nın manyetik alanı, yer değiştirir ve kuzey ve güney kutupları birbirinin yerine geçer. Bu değişimler, kayalar üzerinde izler bıraktığından gözlemlenmiştir ve bu gözlemle, geçmişteki jeomanyetik alanlarla ilgili bilgi edinilmiştir. Bu tarzda bir bilgi, kıtaların ve okyanus tabanlarının levha hareketleriyle birlikte yer değiştirmesi üzerine yapılan çalışmalarda yardımcı olur.
Manyetosfer, iyonosferin üzerindeki alandır ve uzaya doğru binlerce kilometre uzanır. Manyetosfer, Dünya'yı, Güneş rüzgarlarından gelen zararlı yüklü parçacıklardan ve kozmik ışınlardan korur. Bu zararlı ışımalar normalde Dünya'yı zararlı ultraviyole ışınlardan koruyan ozon tabakasını da içinde bulunduran, atmosferin üst tabakasını yok edebilecek kadar zararlıdır.
Önemi
Dünya'nın manyetik alanı, Dünya'yı Güneş rüzgarlarından ve rüzgarlardan gelen yüklü parçacıklardan korur ve bu sayede bu tarz zararlı parçacıklar ozon tabakasını içinde bulunduran üst atmosfere zarar veremez. Ozon tabakası da Dünya'yı zararlı ultraviyole ışınlardan korur. Örnek olarak, manyetik alana sıkışan gazlar, güneş rüzgarları tarafından serbest kalabilir. Mars yüzeyindeki karbondioksidin kaybını baz alarak yapılan hesaplamalardan yola çıkılarak, manyetik alanın zayıflayarak azalmasının sonucu olarak, Mars neredeyse bütün atmosferini kaybetmiştir.
Dünya'nın, geçmişteki manyetik alanı üzerine yapılan çalışmalar, paleomanyetizma olarak bilinmektedir. Dünya'nın manyetik alanının polaritesi, manyetik kayaçlar içinde kaydedilmiştir, manyetik alan üzerindeki değişimler ise okyanusların orta seviyelerindeki sırtlardaki çizgilere bakarak anlaşılabilir. Deniz yüzeyinin düz ve geniş olduğu alanlarda, jeomanyetik kutupların istikrarlı hareketlerinden yola çıkarak, paleomanyetizma üzerine çalışanlar kıtaların geçmişteki hareketlerini gözlemleyebilmektedir. Manyetik alandaki değişimler, aynı zamanda taşların ne kadar eski olduklarıyla ilgili fikir verir ve sınıflandırmaya yardımcı olur ve ilgili bilim dalının da temelini oluşturur. Alanlara bakılarak, i manyetik anomalilerin olduğu yerlerde, yüklü miktarda metal cevherleri bulunması da kullanımlar arasındadır.
İnsan ırkı, 11. yüzyıldan beri pusulaları yön bulmak ve navigasyon için kullanmaktadır. Pusula üzerinde manyetik sapma olsa da, bu sapma çok küçük olduğundan dolayı, pusula hala yön bulmak için yeterli bir ekipman olarak var olmaya devam etmiştir. Bazı kuş türlerinin ve bakteri türlerinin yaptığı şekilde, manyetik alanı algılayan birkaç organizma, manyetik alanı algılayarak kendi yönlerini buna göre belirler. Bu mantık pusula mantığına benzerdir.
Ana özellikleri
Açıklama
Herhangi bir noktada, Dünya'nın manyetik alanı, üç boyutlu vektör bazında tarif edilebilir. Normal prosedür açısından, pusula, yön bulmak için, yani manyetik kuzeyi bulmak için kullanılır. Gerçek kuzey ve manyetik kuzey arasındaki açı ise sapma (D) açısı olarak adlandırılır. Manyetik kuzeye bakarsak, manyetik kuzey ve yatay düzlem arasındaki açı ise eğilim (I) olarak adlandırılır. Manyetik alanın şiddeti (F) ise, mıknatıs üzerindeki kuvvetle doğru orantılıdır. Diğer genel bir gösterim ise, X, Y, Z bazındadır, X kuzeye, Y doğuya, Z ise aşağıya tekabül eder.
Şiddet
Manyetik alan şiddeti, çoğunlukla gauss (G) cinsinden ölçülür; fakat genel olarak nanotesla (nT) cinsinden yazılır. 1 Gauss, 100,000 nanotesla büyüklüğündedir. Nanotesla, aynı zamanda gamma (γ) olarak da adlandırılır. Tesla, manyetik alanın (B), SI ölçü birimidir. Manyetik alan genel olarak 25,000 ila 65,000 nanotesla (0,25 - 0,65 G) büyüklüğündedir. Karşılaştırma olarak, buzdolabına yapışan magnetlerin manyetik alanları ortalama olarak 100 gauss (0,010T) büyüklüğündedir.
Manyetik alanın derinliğinin gösterildiği haritalar, isodiamik haritalar olarak adlandırılır. 2010 Dünya Manyetik Modeli'nde görüldüğü üzere, manyetik alanın şiddeti, genel olarak, kutuplardan ekvatora doğru giderken zayıflamaktadır. En düşük manyetik alan şiddeti Güney Afrika'da, en büyük yoğunluk ise Kuzey Kanada, Sibirya ve Antarktika sahillerinde gözlemlenmiştir.
Eğim Açısı
Manyetik alanın eğim açısı, -90 ila 90 arası tanımlanır. Kuzey yarım kürede, manyetik alan aşağı doğrudur. Manyetik kuzey kutbunda, tam olarak yerin içine, aşağı doğru olur ve açı eğilimi, manyetik ekvatorda, 0 olur. Güney manyetik kutbuna yaklaşırken ise, yukarı doğru hareket etmeye devam eder, en sonunda manyetik güney kutbunda da tam olarak yukarıya bakar. Eğim, "daldırma daire" kullanımıyla ölçülebilir.
Dünya'nın manyetik alanı gösterilebilmesi için İsoclinic grafik (eş-eğim) aşağıda gösterilmiştir..
Sapma açısı
Sapması, gerçek kuzey baz alınarak, doğuya doğru pozitif kabul edilir. Sapma, manyetik kuzey veya güneyin, gökyüzündeki yön bulmaya yarayan yıldızlara kıyasıyla, tahmini ve yaklaşık bir değerle bulunabilir. Genellikle, haritalarda, sapmayla ilgili bilgi verilir, bunlar açı olarak ya manyetik kuzeyle gerçek kuzey arasındaki ilişkinin küçük bir diagram hali olarak haritada yer alır. Sapmayla ilgili bölgesel bilgiler ise, isogonik hatlar barındıran bir haritadan (her bir hattın belli başlı sapmaları gösterdiği haritalar) sağlanabilir.
Coğrafi değişim
2015 yılının, Dünya'nın manyetik modeline göre, Dünya'nın manyetik alanının yüzeydeki bileşenleri
Dipolar tahmin
Dünya'nın yüzeyinin yakınlarında, manyetik alan, Dünya'nın merkezinde bir manyetik dipol varmışcasına tahmin edilebilir şekildedir. Tahmini manyetik dipol, Dünya'nın dönüş ekseni baz alındığında 10 derece yatmış şekildedir. Tahmini dipol, kabaca, güçlü bir çubuk mıknatıs özelliklerine sahiptir ve mıknatısın güney kutbu, Dünya'nın jeomanyetik kuzey kutbuyla aynı yöndedir. Genellikle bu bilgi hep karıştırılır, ama mıknatısın kuzey kutbuna kuzey denmesinin sebebi, eğer bir dış etken olmadan dönüş hareketi yaparsa, mıknatısın kuzey kutbu, coğrafi kuzeye doğru bakar. Mıknatıslarda kuzey kutupları güney kutuplarını çektiğinden dolayı, Dünya'nın coğrafi kuzey kutbu, manyetik güney kutbuna denk gelir. Dipolar benzetme, yüzde 80 ila 90 arasında, Dünya'nın çoğu lokasyonunda tutarlıdır.
Manyetik kutuplar
Manyetik kutupların pozisyonu, en azından iki şekilde tanımlanabilirː yerel ve küresel.
Manyetik kutupları bir diğer tanımı da, manyetik alanın dikey olduğu kısımlardır. Dikeylik ise, yukarıda anlatıldığı gibi, eğilimin ölçümüyle kararlaştırılabilir. Dünya'nın manyetik alanının eğiliminin 90 (yukarıya doğru dik) olduğu yer Kuzey Manyetik Kutbu, eğilimin -90 (aşağı doğru dik) olduğu yer ise Güney Manyetik Kutbudur. İki kutupta birbirinden bağımsız olarak hareket eder; fakat Dünya baz alındığında birbirlerine tam olarak dik olmak zorunda değillerdir. Kendileri göreceli olarak çok hızlı şekilde hareket edebilir. Bu hareket pusulaların çalışmalarını engellememekle beraber, Kuzey Manyetik Kutbunun, yılda 40 kilometreye (25 mil) kadar yer değiştirdiği gözlemlenmiştir. Geçtiğimiz son 180 yılda, Kuzey Manyetik Kutbu 1831 yılında Boothia yarımadasındaki Cape Adelaide'den kuzeybatıya doğru hareket etmektedir. 2001 yılında ise Resolute koyunda 600 kilometre (370 mil) uzaklıkta olduğu tespit edilmiştir. Manyetik ekvator ise, eğilimin 0 olduğu çizgidir (manyetik alanın yatay olduğu yer).
Dünya'nın manyetik alanının dünya çapındaki tanımı, matematiksel bir model baz alınarak yapılır. Eğer, Dünya'nın merkezinden geçen bir çizgi çizilirse ve en uygun manyetik dipol modeline paralel olursa, çizginin yeryüzünü kestiği noktalar Kuzey ve Güney geomanyetik kutup olur. Eğer Dünya'nın manyetik alanı mükemmel bir dipol olsaydı, geomanyetik kutuplar ve manyetik kutuplar üst üste olurlardı, böylece pusulalar hep tek yeri gösterirdi. Fakat, Dünya'nın manyetik alanı kayda değer bir değerde dipolar yapıda olmadığından, geomanyetik ve manyetik kutuplar aynı yerde değiller, bu yüzden de pusulalar geomanyetik kutupları göstermez.
Manyetosfer
Dünya'nın manyetik alanı, yeryüzünde, ağırlıklı olarak dipolardır; fakat güneş rüzgarları tarafından bozulmaktadır. Güneş'in çevresineki plasmadan gelen yüklü parçacıklar, saniyede 200 ila 1000 kilometre hıza ulaşarak Dünya'ya ulaşır. Parçacıklar, kendileriyle birlikte manyetik alanlarını da getirirler, bu da gezegenler arası manyetik alan olarak adlandırılır.
Güneş rüzgarları, basınç uygularlar; eğer ki yüklü parçacıklar Dünya'nın atmosferiyle temasa geçerse, parçacıklar, atmosferi aşındırır. Fakat, Dünya'nın manyetik alanının uyguladığı basınç bu gibi zararlı parçacıkları uzakta tutar. Karşılıklı iki basıncın birbirlerini dengelediği alan, manyetopoz, manyetosferin sınır noktasıdır. Adına rağmen (magnetosphere'de, sphere, küre demektir) manyetosfer, asimetrik yapıdadır. Güneş'e bakan tarafı Dünya'nın yarıçapının 10 katı iken, diğer tarafı kuyruk gibi uzar ve Dünya'nın yarı çapının 200 katından daha uzun bir alanı kaplar. Güneşe bakan manyetopozun ingilizcede özel bir adı vardırː "bow shock". Bu alanda güneş rüzgarları aniden yavaşlar.
Manyetosferin içinde "plasmasphere" bulunur. Simit şeklineki bu alan, içinde düşük enerjili yüklü parçacıklar veya plazma barıdırır. Bu alan 60 kilometre yükseklikten başlar ve Dünya'nın yarıçapının 3-4 katı uzaklığa kadar devam eder. Böyle büyük bir alanda olduğu için iyonosferi de kapsamaktadır. Bu alan, Dünya'yla birlikte dönüş hareketi yapar. Ayrıca, iki tane daha, ortak merkezli, tekerlek şeklinde alan bulunmaktadır. Bunların adı da Val Allen radyasyon kuşaklarıdır. Bu kuşaklar, yüksek enerjili iyonlardan (0,1 ila 10 milyon elektron volt (MeV) arası enerjiler) oluşur. İç taraftakı kuşaklar, Dünya'nın yarıçapının 1-2 katı uzaklıkta iken, dıştaki kuşaklar Dünya'nın yarıçapının 4-7 katı uzaklığındadır. "Plasmasphere" ve Val Allen kuşakları kısmi şekilde üst üste biner ve bu üst üste binme Güneş'in faaliyetlerine göre değişiklik gösterir.
Dünya'nın manyetik alanı, Güneş rüzgarlarını saptırmakla kalmaz, aynı zamanda kozmik ışınları, Güneş sisteminin dışından gelen yüksek enerjili yüklü parçacıkları da saptırır.(Kozmik ışınların çoğu, Güneş'in manyetosferi veya heliosferi sayesinda, Güneş sisteminin dışında tutulur.) Buna karşın, Ay'a ayak basan astronotlar, hala radyasyona maruz kalma tehlikesindedir. Özellikle 2005 yılındaki şiddetli Güneş patlamasında, Ay'ın yeryüzünde bulunan herhangi bir kişi öldürücü dozda radyasyona maruz kalmış olurdu.
Bu olaylara rağmen, bazı yüklü parçacıklar, halen manyetosferin içine girebilir. Manyetosferdeki spiral, yuvarlak alan çizgileri, saniyede birkaç kere, iki kutup arsında, ileri geri hareketler yaparːEk olarak, pozitif ionlar yavaşça batıya doğru hareket ederken, negatif iyonlar da doğuya doğru yavaşça hareket eder, böylece yüzük akımı oluşur. Bu akım Dünya'nın yüzeyindeki manyetik alanı azaltır. İyonosferi delip geçen partiküller de atomlarla çarpışarak aurora adındaki ışıklara yol açar ve bununla birlikte X-Işınları yayarlar.
Uzay hava durumu olarak da bilinen, manyetosferdeki değişken koşulların değişkenliğinin en büyük kaynağı da Güneş'in faaliyetleri tarafından etkilenir. Güneş rüzgarlarının zayıf olduğu zaman, manyetosfer genişler, Güneş rüzgarlarının güçlü olduğu zamanlarda ise manyetosfer sıkıştırılır ve daha fazlası içeri girebilir. Bu tarzda aktivitelerin güçlü ve yoğun olduğu zamanlara ise jeomanyetik fırtına adı verilir ve Güneş üzerinde taçküre kütle atımı olduğu zamanlar ve Güneş sistemi boyunca bir şok dalgası yayıldığında meydana gelebilir. Böyle bir şok dalgasının Dünya'ya gelmesi iki güne kadar sürebilir. Jeomanyetik fırtınalar büyük miktarlarda bozulmalara yol açabilir; 2003 yılındaki "Cadılar bayramı" fırtınası NASA'nın uydularının üçte birine zarar vermiştir. Kaydedilmiş en büyük fırtına ise 1859 yılında gerçekleşmiştir ve bu fırtına telegraf hatlarına kısa devre yaptıracak büyüklükte akımlar indüklemiştir. Bunun yanı sıra, yine fırtına esnasında, Hawaii'nin güneyinde auroralara tanıklık edilmiştir.
Zaman bağımlılığı
Kısa vadeli değişimleri
Jeomanyetik alan milisaniyelerde değişebildiği gibi, bu değişim milyonlarca yıl da sürebilir. Değişim için gereken zamanının skalası böyledir. Kısa zamanlı değişimler genellikle iyonosferdeki (iyonosferik dinamik alan) ve manyetosferdeki akımlardan kaynaklanır, bazıları ise jeomanyetik fırtınalardan ya da akımların günlük değişiminden kaynaklanır. Yıllar alan değişimler ise genellikle, Dünya'nın içerisindeki değişimlerden, özellikle de demir bakımından zengin çekirdeğindeki değişimlerden kaynaklanır.
Dünya'nın manyetosferi, sık sık Güneş fişekleri tarafından darbe alır, bu da jeomanyetik fırtınalara yol açar. Manyetik fırtınalar da auroraları doğurur. Manyetik alandaki kısa zaman alan dengesizlikler ise K-index ile ölçülür.
THEMIS'ten alınan verilar doğrultusunda, Güneş rüzgarlarıyla etkileşime geçen manyetik alanın, Güneş ve Dünya arasında hizalandığı oryantasyonda, manyetik alanın azaldığını gözlemlenmiştir. Bu daha önceki hipotezleri çürütecek nitelikte bir bilgidir. Önümüzdeki Güneş fırtınaları sırasında, bu ilişki, yapay uydularda elektrik kesintilerine ve bozulmalara yol açabilir.
Dünyevi varyasyon
Bir yıl veya daha fazla bir zaman ölçeğinde, Dünya'nın manyetik alanındaki değişikliklere dünyevi varyasyon denir. Yüzyıllar boyunca, manyetik sapmanın on derece ve daha fazlası kadar değişebilir olduğu gözlemlenmiştir. Sağdaki Bir film son birkaç yüzyıllar boyunca, küresel sapmaların nasıl değiştiğini göstermektedir.
Dipolün yönü ve yoğunluğu, zamanla değişir. Son iki yüzyıl boyunca, dipol kuvvetine yüzyıl başına yaklaşık %6,3 oranında düşüş gözlemlenmiştir. Bu azalma oranda, alan yaklaşık 1600 yıl içinde önemsiz olacaktır. Ancak, bu gücü son 7000 yıldır ortalama hakkında ve değişim cari oran alışılmadık bir durum değildir.
Dünyevi varyasyon olmayan dipolar bölümünde önemli bir özelliği, her yıl yaklaşık 0,2 derecelik bir oranda bir batıya sürüklenmesidir. Bu sürüklenme her yerde aynı değildir ve zamanla değişmiştir. Küresel sürüklenme ortalaması milattan sonra 1400'den beri batıya olmuştu ama doğuya milattan sonra yaklaşık 1000 ila 1400 yıllarında gözlemlenmiştir.
Manyetik gözlem evleri öncesine değişiklikler arkeolojik ve jeolojik malzeme kaydedilir. Bu tür değişiklikler paleomağnetik dünyevi değişimi veya paleodünyevi varyasyon (PSH) olarak ifade edilir. Kayıtlar genellikle jeomanyetik farklılıkların ve terslikleri yansıtan uzun süreli küçük; fakat bazen büyük değişikliklerle, değişmesi yer alıyor.
Manyetik alan terslikleri
Genellikle Dünya'nın manyetik alanı yaklaşık olarak dipolardır ve onun manyetik momenti neredeyse dönme ekseni ile aynı hizada olmasına rağmen, zaman zaman Kuzey ve Güney kutupları jeomanyetik yerlerini değiştirirler. Bu jeomanyetik terslik için kanıt olan bazaltlar dünya çapında bulunabilir. Bazaltlar, okyanus tabanlarında alınan tortu çekirdekleridir ve bazaltların yanı sıra, deniz tabanındaki manyetik anomaliler de buna kanıttır. Bu yer değiştirme 0.100.000 yaşından az intervallerden, 50 milyon yıl kadar büyük yaşlar sahip olabilir ve değişen, rastgele görünen aralıklarla meydana gelir. En son jeomanyetik terslik, Brunhes-Matuyama tersliği olarak adlandırılmıştır ve yaklaşık 780.000 yıl önce meydana gelmiştir. Bilinen diğer bir dünyevi tersliğin adına da Laschamp olayı denir ve Dünya'nın alanının, bir başka küresel tersliği ise son buzul çağı sırasında (41.000 yıl önce) meydana geldi. Ancak, onun kısa süreli olmasından dolayı, bu olay bir farklılık olarak etiketlenir.
Geçmişteki manyetik alan güçlü manyetik mineraller sayesinde kaydedilmiştir, örneğin manyetit özellikle demir oksitler, çoğunlukla kaydedilir. Bu kalıcı mıknatıslanma veya "remanence", birden fazla yolla elde edilebilir. soğuyan lavlar ise, alanın yönü manyetit sebebiyet veren, küçük mineraller "dondurulmuş" dur. onlar okyanus tabanının veya göl dibinde biriken gibi sedimanlarda, manyetik parçacıkların manyetik alan yönü doğru hafif bir önyargı kazanır. Buna, Kırıntılı kalıcı mıknatıslanma denir.
Manyetit okyanus sırtları etrafında manyetik anomalilerin ana kaynağıdır. Deniz tabanı uzandığı alan boyunca, magma kuyuları yayıldığı gibi, sırtın her iki tarafı da, yeni bazaltik kabuklar oluşturmak için soğur ve deniz dibinin yayılmasıyla uzaklara taşınır. Soğurken ise, Dünya'nın alanının yönünü kaydederler. Dünya'nın alan tersine döndüğünde, yeni bazaltlar ters yöndeki alanı kaydederler. Sonuç ise, sırt etrafında bulunan, simetrik olan şeritlerin dizisidir. Okyanus yüzeyinden, bir manyetometre çeken bir gemi, bu çizgileri algılayabilir ve de böylece, bu çizgilerden, derindeki okyanus tabanının yaşını çıkarabiliriz. Bu deniz tabanı geçmişteki yayılma hızı hakkında bilgi verir.
Lavların, radyometrik zamanlaması jeomanyetik polarite zaman ölçeği kurmak için kullanılır olmuştur (görüntüde bir kısmı mevcuttur). Bu manyetotostratigrafi temelini oluşturur. Manyetotostratigrafi ise, tortul ve volkanik dizilerinin yanı sıra, deniz tabanının manyetik anomalilerinin hem bugüne kadar kullanılan bir jeofizik korelasyon tekniğidir.
Steens Mountain, Oregon, üzerinde lav akıntıları çalışmaları, manyetik alan önemli ölçüde Dünya'nın manyetik alanının nasıl da günde en fazla 6 derecelik gibi bir oranda değişiminin olabileceğini göstermektedir. Böylece bu çalışma Dünya'nın manyetik alanının nasıl çalıştığını kavramaya çalışan Dünya tarihindeki popüler anlayışı zorlar.
Orijinal kutuplarına sonra tekrar ekvator boyunca dipol ekseni almak ve geçici dipol eğim varyasyonları farklılıklar olarak bilinir.
İlk zamanlardaki görünümü
Avustralya'daki kırmızı dasit ve yastık bazalt üzerine paleomanyetik çalışmalar, Dünya'nın manyetik alanın, en az 3450 milyon yıl önce bu yana mevcut olduğu tahmin etti.
Gelecekte
Şu anda genel jeomanyetik alan zayıflamaktadır; Mevcut güçlü bozulma son 150 yıldır %10-15 oranında düşüşe karşılık gelmektedir ve son birkaç yıl içinde hızlanmıştır; Modern değeri 2000 yıl önce yaklaşık elde edilen jeomanyetik yoğunluktan en az %35 aşağıdadır. Jeomanyetik yoğunluk, neredeyse sürekli azalmıştır. Kayalarda kaydedilen geçmiş manyetik alanların kayıtlarının da gösterdiği gibi düşüş oranı ve cari gücü, değişim normal sınırlar içindedir (Sağdaki şekil).
Dünya'nın manyetik alanının doğası heteroskedastik dalgalanmalardan biridir. Bunun, ya da on yıllarca hatta yüzyıllarca süren bir zaman aralığı boyunca bunun birçok ölçümlerin, anlık ölçümü, alan şiddetini, genel bir eğilim ile tahmin etmek için yeterli değildir. Geçmişte, bu değerin. görünüşte sebepsiz bir şekilde aşağı ve yukarı hareket ettiği olmuştur. Ayrıca, dipol alanının (ya da dalgalanmasının) yerel yoğunluğunu belirterek, bu, kesinlikle bir dipol alanı değil diyemeceğimiz gibi, bir bütün olarak dünyanın manyetik alanını karakterize etmek yeterli değildir. Toplam manyetik alan artar veya aynı kalırken bile Dünya'nın alanının, dipol bileşeni azalabilir.
Dünya'nın manyetik kuzey kutbu 2003 yılında yılda 40 kilometre (25 mil) kadar iken, 20. yüzyılın başında yılda bir anda hızlanan oranla, 10 kilometre (6,2 mil) ile, Sibirya'ya doğru kuzey Kanada'dan sürüklenir ve o zamandan beri sadece hızlanmıştır.
Fiziksel kökeni
Dünya'nın manyetik alanının, Dünya'nın çekirdeğinden kaçan ısı nedeniyle konveksiyon akımları tarafından oluşturulan kendi iç iletken malzeme elektrik akımları tarafından üretildiğine inanılmaktadır. Ancak süreç karmaşıktır ve bazı özellikleri bilgisayar modelleri yalnızca son birkaç on yıl içinde yeniden geliştirilmiştir.
Dünya'nın çekirdeği ve jeodinamosu
Dünya ve Güneş Sistemi yanı sıra Güneş'ten ve diğer yıldızlardan gezegenlerin çoğu, hepsi son derece iletken sıvıların hareketi ile manyetik alanlar üretir. Dünya'nın alan özünde kaynaklanır. Bu yaklaşık 3400 km (Dünya'nın yarıçapı 6370 kilometredir) kadar uzanan demir alaşımları içeren bir bölgedir. Bu 1220 kilometrelik yarıçap, bir sıvı dış çekirdek ile, katı bir iç kısımdan ayrılmıştır. Yaklaşık 3,800 K (3530 C,6380 F), çekirdek-manto sınırının içindeyken; dış çekirdek içindeki sıvının hareketi ise iç kısımda yaklaşık 6.000 K (10.340 F ve 5730 C) olarak gözlemlenmiştir, ısı akışı tarafından yönlendirilen; Akış şablonu, Dünya'nın dönüşü ve katı iç çekirdeğin varlığı sayesinde düzenlenmektedir.
Dünya bir manyetik alan üreten mekanizma, bir dinamo, olarak bilinir. manyetik alan bir geri besleme döngüsü tarafından oluşturulan: Mevcut döngüler manyetik alanlar (Amper yasası) oluşturmak; değişen bir manyetik alan bir elektrik alanı (Faraday yasası) üretir; Elektrik ve manyetik alanlar akımlarda (Lorentz kuvveti) akan yüklerden, bir kuvvet uygularlar. Manyetik alan ve manyetik indüksiyon denklemi denilen için bu etkiler kısmi diferansiyel denkleme kombine edilebilir:

... u akışkanın hızı; B manyetik B-alanıdır; ve manyetil yayılma, η = 1 / σμ elektriksel iletkenlik (σ) ürünü ve geçirgenliği (μ) ile ters orantılıdır. ∂B / ∂t terimi, alanın zaman türevi olduğunu; ∇2 kıvrım operatörüdür ve de ∇ Laplace operatörüdür.
İndüksiyon denklemin sağ tarafındaki ilk terim bir difüzyon terimdir. Sabit bir sıvı içinde, manyetik alan düşüşler ve alan herhangi bir konsantrasyonları yayılmıştır. Dünya'nın dinamosunun kapanması durumunda, Dünya'nın dipol kısmı birkaç on bin yıl içinde yok olur.
Mükemmel bir iletken'de (σ = ), herhangi bir difüzyon olacaktır. Lenz Yasasına göre, manyetik alan herhangi bir değişiklikte, hemen akımlara karşı tarafta olacağını, bu yüzden sıvının belirli bir hacmi, akı değiştirmeye yetmemelidir. Akışkan hareket ettikçe, manyetik alan da onunla gitmek eylimindedir. Bu etkiyi açıklayan teoreme, dondurulmuş alan içi teoremi denir. Hatta, sonu olan, iletkenliğe sahip bir sıvı içinde bile, yeni alan deforme olmuş bir şekilde, sıvı hareket ederken alan çizgileri gerilmesiyle üretilir. Bu süreç sonsuz kere yeni bir alan üretene kadar gidilebilir olmakla beraber, bu manyetik alan gücü arttıkça, sıvı hareketine direnmeye devam eder.
Sıvının hareket konveksiyon, kaldırma kuvveti tarafından oluşan tahrik hareketi, ile devam eder. Dünya'nın merkezine doğru sıcaklık artar ve sıvı yüksek sıcaklık düşük aşağı doğru yüzer hale getirir. Bu kaldırma kuvveti, kimyasal ayırma ile geliştirilmiştir: Çekirdek soğudukça, erimiş demir katılaşır bazı ve iç çekirdeğe kaplanır. Bu süreç içinde, hafif elementler daha hafif hale sıvısında geride kalır. Bu kompozisyon konveksiyon denir. Genel gezegen rotasyon nedeniyle bir Coriolis etkisi, kuzey-güney kutup ekseni boyunca hizalanmış rulo haline akışını organize etmek eğilimindedir.
Bir manyetik alan göz önüne alındığında, bir dinamo büyümeye yapabilirsiniz, ama o başladı almak için bir "tohum" alanına ihtiyacı var. Dünya, bu harici bir manyetik alan olabilirdi. Erken tarihte Güneş, erken tarihteki güneş rüzgarlarının, mevcut güneş rüzgarından daha büyük bir manyetik alan düzenine sahip olabileceği bir T-Tauri fazdan geçti. Ancak, alanın çok Dünya'nın mantosu tarafından görüntülenmiş olabilir. Alternatif bir kaynak, termal veya elektrik iletkenliği kimyasal reaksiyonlar veya varyasyonları ile tahrik çekirdek-manto sınırında akımlar olduğunu. Bu tür etkileri hala geodynamo için sınır koşullarının bir parçası olan küçük bir önyargı sağlayabilir.
Dünya'nın dış çekirdeğindeki manyetik alan, yüzeydeki ortalama manyetik alandan 50 kat daha güçlüdür ve 25 gauss olarak hesaplanmıştır.
Sayısal modeller
Geodynamo simülasyonu, Dünya'nın içerisinin megnetohidrodinamiği (MHD) için doğrusal olmayan kısmi diferansiyel denklemlerin bir dizi sayısal çözümünü gerektirir. MHD denklemlerinin, simülasyonlarının noktalarının iyi mi kötü mü oldğunu belirleyen 3D ızgaralar ve bir noktada, çözümlerin gerçekçiliğini belirleyen ızgaralar, ağırlıklı olarak bilgisayar gücüyle sınırlıdır. Onlarca yıldır, kuramcılar akışkan hareketin, peşin ve hesaplanan manyetik alan üzerindeki etkisini belirleyen kinematik dinamo bilgisayar modelleri oluşturmak için hapsedilmiştir. Kinematik dinamo teorisi esas olarak farklı akış geometrileri çalışıyor olması ve bu tür geometrilerin bir dinamoyu sürdürebilir olup olmadığı, test meselesidir.
İlk kendine yeten dinamo modelleri, hem sıvı hareketleri hem de manyetik alan belirleyen modeller, 1995 yılında, biri Amerika Birleşik Devletleri'nden, biri de Japonya'dan olmak üzere, iki grup tarafından geliştirilmiştir. Jeomanyetik terslikler dahil olmak üzere Dünya'nın alanının özelliklerinin bazılarının tekrar başarıyla modellenmesiyle, tekrar ilgi gördü.
İyonosferin ve manyetosferin içindeki akımlar
İyonosfer kaynaklı elektrik akımları, manyetik alanları (iyonosfer dinamo bölgeyi) oluşturur. Böyle bir alan her zamanki gibi büyük bir ölçüde yüzeydeki manyetik alanları saptırmaktadır ve günlük değişiklikler nedeniyle atmosfer Güneş'e en yakın olduğu yakınlıkta oluşturulur. Alan gücündeki tipik günlük varyasyonlar, genellikle yaklaşık 25 nanoteslayken (nT) (2000 bir parçası), birkaç saniye içindeki varyasyonları ise yaklaşık 1 nanotesladır (nT) (50.000 bir kısmı).
Ölçümü ve analizi
Algılama
Dünya'nın manyetik alan şiddeti, 1835 yılında Carl Friedrich Gauss tarafından ölçüldü ve manyetik alanda son 150 yılda defalarca %10'a yakın rölatif çürüme olduğu, o zamandan dahi ölçülmüştür. Magsat uydusu ve sonraki uydular dünyanın manyetik alanının 3 boyutlu yapısını araştırmak için 3 eksenli vektör manyetometreler kullanıldı. Daha sonra Ørsted uydusu Güney Afrika'dan batısındaki Atlantik Okyanusu altında alternatif bir kutup sebebiyet veren gibi görünen eylem dinamik geodynamo gösteren bir karşılaştırma izin verdi.
Hükümetler bazen Dünya'nın manyetik alanının ölçümünde uzman birimleri işletir. Bunların bir örneği, British Geological Survey Eskdalemuir gözlemevidir ve bu tarzda jeomanyetik gözlemevleri genel olarak ulusal jeoloji anketinin parçasıdır. Böyle gözlemevlerinin ölçümleri sayesinde, bazen iletişimi etkileyen manyetik fırtınalar, elektrik ve diğer insan etkinlikleri gibi manyetik koşulları tahmin edebilirsiniz.
Dünya'da 100'ün üzerinde, birbirine benzer jeomanyetik gözlem evlerinin toplandığı Uluslararası Gerçek zamanlı Manyetik Gözlem Ağı, 1991 yılından bu yana yeryüzünün manyetik alanı kayıt edilmiştir.
Askeriyeler, böyle bir batık denizaltı olarak önemli bir metalik nesnenin neden olabileceği, doğal arka plandaki anomalileri tespit etmek amacıyla, yerel jeomanyetik alan özelliklerini belirler. Tipik olarak, bu manyetik anomali dedektörleri, İngiltere'nin Nimrod'u gibi uçaklarda uçurulur ya da yüzey gemilerden araçların bir dizi olarak çekilir.
Ticari olarak, jeofizik şirketleri de bu gibi Kursk Manyetik Anomali olarak, cevher kütlelerini bulmak için, doğal olarak oluşan anormallikleri tespit etmek için manyetik dedektörler kullanın.
Kabuksal manyetik anomaliler
Manyetometre demir eserler, fırınlarda, taş yapıların bazı türleri ve arkeolojik jeofizik hatta hendekleri ve atık alanlarından kaynaklanan Dünya'nın manyetik alanında dakika sapmaları tespit. denizaltı tespit etmek için Dünya Savaşı sırasında geliştirilen havadan manyetik dedektörlerle uyarlanan manyetik aletler kullanılarak, okyanus tabanı üzerinde manyetik varyasyonlar haritalanmıştır. Bazalt - okyanus tabanını oluşturan demir açısından zengin, volkanik kaya - bir kuvvetle manyetik mineral (manyetit) içerir ve pusula okumalarını yerel bozabilir. Bozulma, yaklaşık 18. yüzyılın sonlarında olarak İzlanda'da denizciler tarafından tanındı. Manyetitin varlığı, bazaltın ölçülebilir manyetik özelliklerini verir. Daha da önemlisi, bundan dolayı, bu manyetik değişimler derin okyanus tabanını incelemek için başka araçlar sağlamıştır. Yeni oluşturulan kaya soğuduğu zaman, manyetik malzemeler Dünya'nın manyetik alanını kaydeder.
İstatistiksel modeller
Manyetik alanın her ölçümü, belirli bir yerde ve zamandadır. Başka bir yerde ve zamanda bu alanda doğru bir tahmini gerekiyorsa, ölçümler için kullanılacak model, tahminler yapmak için kullanılması gereken modele dönüştürülmesi gerekir.
Küresel harmonikler
Dünya'nın manyetik alanında küresel değişimleri analiz en yaygın yolu küresel harmonik bir dizi ölçümleri uygun etmektir. Bu ilk Carl Friedrich Gauss tarafından yapılmıştır. Küresel harmonikler bir kürenin yüzeyi üzerinde salınım işlevleri yapar. Buradaki iki fonksiyon, enlem bağlıdır biri ve boylam üzerindeki birinin ürünüdür. Boylam fonksiyonu Kuzey ve Güney Kutuplarını geçerek sıfır veya daha fazla büyük çember boyunca sıfır olur; Bu tür düğüm hatlarının sayısı sırası m mutlak değeridir. Enlem fonksiyonu ise sıfır veya daha fazla enlem çevreleri boyunca sıfırdır; Bu artı düzen derecesi l'e eşittir. Her bir harmonik Dünya'nın merkezideki manyetik yükler belirli bir düzenlemeye eşdeğerdir. Tek kutuplu bir gözlemlenme olmamıştır, izole bir manyetik yük vardır. Bir dipol iki karşıt ücretleri birbirine yakınlaştırır ve iki dipol bir dört kutuplu bir araya getirmekle eşdeğerdir. Bir kuadrupol alan sağda alt şekilde gösterilmiştir.
Küresel harmonikler belirli özellikleri karşılayan herhangi bir skaler alan (pozisyon fonksiyonu) temsil edebilir. Bir manyetik alan bir vektör bir alandır; fakat Kartezyen bileşenler X, Y, Z olarak ifade edilir, her bir bileşen, manyetik potansiyel olarak adlandırılan aynı skaler fonksiyonunun türevidir. Dünya'nın manyetik alanının analizi çarpımsal faktör ile farklılık zamanki küresel harmonik değiştirilmiş bir sürümünü kullanın. manyetik alan ölçümleri uygun bir en küçük kareler küresel harmoniklerin toplamı, en iyi uyan Gauss katsayısı (g^l) veya (h^l) ile çarpılarak her biri ile Dünya'nın manyetik alanı elde edersiniz..
Sıfır yani en düşük derece Gauss katsayısı, G, izole bir manyetik şarj katkısını verir. Önümüzdeki üç katsayıları - g, g1 ve h1 - dipol katkısının yönünü ve büyüklüğünü belirler. Daha önce tarif edildiği gibi en iyi uyan dipol dönme eksenine göre yaklaşık 10 'lik bir açı ile eğimlidir.
Radyal bağımlılık
Küresel harmonik analiz ölçümleri birden fazla yüksekliği (örneğin, yer gözlem ve uydu) mevcut ise, dış kaynaklardan iç ayırt etmek için kullanılabilir. 1 / r^l + 1 yarıçapıyla azalır ve r^l yarıçapıyla azalır. Biriyle artar biriyle azalır biri: bu durumda, katsayı (g^l) veya (h^l) her dönem iki dönem ayrılabilir. artan terimler (iyonosfer ve manyetosferin akımları) dış kaynaklardan uygun. Ancak, sıfıra dış katkıları ortalama birkaç yıldır ortalama 0'dır.
Kalan terimler dipol kaynağının (l = 1) potansiyeli 1 / r2 olarak devre dışı bırakır tahmin. manyetik alan, potansiyel bir türevi olan, 1 / r3 olarak devre dışı bırakır. Kuadropol terimleri 1 / r olarak düşüyorlar ve daha yüksek mertebeden terimler yarıçapı ile giderek hızla düşüyorlar. dış çekirdek yarıçapı Dünya'nın yarıçapının yarısına hakkındadır. Çekirdek-manto sınırında alanı, küresel harmonik için uygun ise, dipol kısmı yaklaşık 8 yüzey, dört kutuplu bir 16 faktörü ile bir parçası ve en bir faktör kadar daha küçüktür. Böylece, büyük dalga boylarına sahip sadece bileşenleri yüzeyde fark olabilir. argümanların çeşitli, genellikle dereceye 14 veya daha az kadar sadece terimler çekirdek kökenlerine sahip olduğu varsayılır. Bunlar yaklaşık 2,000 kilometre (1.200 mil) veya daha az dalga boyları vardır. Daha küçük özellikler kabuk anomalilerine atfedilir.
Küresel modeller
Uluslararası Geomagnetizma ve Aeronomy Birliği, Uluslararası Manyetik Referans Alanı denilen bir standart küresel alan modeli korur. Her 5 yılda bir güncellenir. 11. nesil model, IGRF11 uydusu (Ørsted, CHAMP ve SAC-C) ve jeomanyetik gözlemevleri dünya ağı verileri kullanılarak geliştirilmiştir. 2000'e kadar, daha sonraki modellerde küresel harmonik genişlemenin derecesi 13 (195 katsayıyla) olarak kesilir, 120 katsayıyla ile derecesi 10'ken kesildi.
Manyetik Model Dünya adlı başka bir küresel alan modeli, Ulusal Jeofizik Bilgi Merkezi ve British Geological Survey tarafından ortaklaşa üretilmiştir. Bu model derecesi 12 (168 katsayıyla) olarak kesilmiştir. Bu, Amerika Birleşik Devletleri Savunma Departmanı, Savunma Bakanlığı (Birleşik Krallık), Kuzey Atlantik Antlaşması Örgütü (NATO) ve Uluslararası Hidrografi Dairesi tarafından ve eklenti olarak çok sayıda sivil navigasyon sistemlerinde kullanılan modeldir.
Goddard Uzay Uçuş Merkezi (NASA ve GSFC) ve Danimarka Uzay Araştırma Enstitüsü tarafından üretilen üçüncü model ise, zemin ve uydu kaynaklardan büyük ölçüde değişen zamansal ve mekansal çözünürlüğe sahip verileri uzlaştırmak için çalışan "kapsamlı bir modelleme" yaklaşımı kullanır.
Biomanyetizma
Kuşlar ve kaplumbağalar da dahil olmak üzere hayvanlar, Dünya'nın manyetik alanı tespit eder ve göç sırasında gezinmek için Dünya'nın manyetik alanını kullanabilir. Lider araştırmacılar manyetizmanın sorumlu olduğuna inanmaktadır. İnek ve yabani geyik kuzey-güney çizgisini rahatlatıcı bularak bu yönde vücutlarını hizalamak eğilimindedir ancak hayvanlar yüksek gerilim hatları [açıklamak] altında bu eğilimden kaçınabilir. 2011 yılında bir grup Çek araştırmacının farklı Google Earth görüntüleri kullanılarak bulguları çoğaltmakta başarısız bir girişimi bildirilmiştir.
Araştırmacılar çok zayıf elektromanyetik alanları kullanarak Dünya'nın manyetik alanınında gezinmek için Avrupa'daki narbülbülülerini ve diğer ötücü kuşlar tarafından kullanılan manyetik pusulanın bozabilir olduğunu öğrendiler. Nature dergisinin 8 Mayıs 2014 sayısında yayınlanan yeni bir araştırmaya göre, ne güç hatları ne de cep telefonu sinyalleri, kuşların elektromanyetik alan algısındaki bozulmada sorumlu bulunmaktadır. Bunun yerine, suçluların işletmelerde veya özel evlerde bulunan ve sıradan elektronik ekipman olarak kullanılan, 2 kHz ve 5 MHz arasındaki frekanslardaki, AM radyo sinyalleri ve benzerleri olduğu belirlenmiştir.