جاذبية الأرض المغناطيسية

جاذبية الأرض المغناطيسية إن أصل المجال المغناطيسي للأرض مسألة طال أمدها، والتي استحوذت على اهتمام العديد من العلماء المشهورين.^[1] إفويليام جيلبرت، أندريه ماري أمبير، رينيه ديكارت، إدمون هالي، كارل فريدريش غاوس، اللورد بلاكيت، والآخرين الذين ساهموا في تطوير العلم. وكان في الماضي العديد من المشاكل بالنسبة للملاحة في البحر من حيث تحديد خط الطول وخط العرض ولكن اليوم ساهمت الأقمار الصناعية في معرفة خط العرض بصيغة دقيقة وخط الطول دون الحاجة إلى المغناطسية الأرضية الداخلية .

هذا البحث يتناول أصل المجال المغناطيسي وهو لايزال موضوع ذات أهمية بالنسبة للابحاث، وأنه لا يستطيع أحد أن يتجاهل نقطة إبرة البوصلة نحو الشمال، وأنه أمر مزعج قليلا في أننا ليس لدينا القدرة في تقديم فهم مادي كامل لماذا هو كذلك. إذن فإن هذه المشكلة أصبحت بالتالي مجالا نشطا أساسيا في البحوث التي أحرزت تقدماً كبيراً في الماضي لبضع سنوات والتي استخدمت وبصفة مجتمعة المجال النظري والتجريبي والعددي. وقد حظيت هذه المشكلة مؤخرا باهتمام كبير في الصحافة بسبب القلق من احتمال عكس القطبية من المجال المغناطيسي للأرض في المستقبل القريب. مع مراعاة أن نخاطر برؤية كوكبنا دون رادع من الرياح الشمسية، فهم آلية توليد الحقل يبدو مرة أخرى أن يكون شاغلا اجتماعيا وهدفا مشروعا للبيئة.

أصل المجال المغناطيسي للأرض: عندما شكلت الأرض من قبل منذ أكثر من 4.5 مليار سنة، كانت العناصر الثقيلة تتركز في وسط الأرض، كان نتيجة لذلك وبعمق 3000 كم يقع تحت أقدامنا أكبر المحيطات من الحديد السائل (مختلط مع عناصر أخرى أخف وزنا)، وعند مجال 3400 كم في دائرة نصف قطرها. يزيد الضغط نحو مركز الأرض، والعثور على النواة الصلبة الداخلية ، التي تحتل حجم من 1200 كم في دائرة نصف قطرها. فمن في هذا المعدن الأساسي التي ينشأ فيها المجال المغناطيسي للأرض.

نرى هنا درجات الحرارة في مثل هذا عمق فوق 3000 ° K وهي بالتالي أعلى بكثير من نقطة كوري (التي فيها المعادن تفقد خصائصها المغناطيسية) وبالتالي يمكن أن تستمر التيارات الكهربائية التي تتداول في هذا المحيط من الحديد السائل. ومنذ أكثر من 20 قرن تقريبا، كان هناك مجال مغناطيسي على الأرض لملايين السنين. ويشهد هذا من خلال دراسة الحقل القديم المسجل في الرواسب (المعروفة باسم السجلات باليومغناطيسية). وهذا يعني أنه يجب أن تكون هناك عملية تجدد التيارات الكهربائية في مركز الأرض ضد عدم الجاذبية الأرضية كما كشفت دراسة السجلات البالومغناطيسية للمجال المغنطيسي للأرض عن أكثر السمات المحيرة: في أن الحقل المغناطيسي للأرض فقد عكس قطبيته عدة مرات خلال تاريخه بطريقة فوضوية على ما يبدو. وقد قام السير جوزيف لارمور باقتراح بآلية دينامو الذاتي في عام 1919 لحساب المجال المغناطيسي من البقع الشمسية وتقترح هذه النظرية، التي تسمى نظرية دينامو القصيرة، أن الحل غير المغناطيسي (B = 0) في تدفق ماغنيتوهيدروديناميك يمكن أن يصبح غير مستقر إذا كان التدفق قويا بما فيه الكفاية. هذا النوع من عدم الاستقرار يمكن بسهولة قياسة باستخدام جهاز قرص ميكانيكي بسيط (انظر المربع)، فإنه ليس كما هو واضح عندما يتعلق بحجم موحد للسوائل .وقد تم تحديد السبب الرئيسي لعدم الاستقرار من قبل توماس كولينغ، في أوائل عام 1934 وجدت كولينغ أن هناك مجال متماثل محوريا لا يمكن الحفاظ عليها من قبل دينامو العمل. وهذه النتيجة أدت إلى فقدان الأمل في أي وصف متماثل محوري بسيط لعملية دينامو، وفي الواقع جاءت النتيجة أكثر عمومية بعد ذلك، وكما هو معروف بنظرية زيلدوفيتش: التي أشارت إلى أنه لا يمكن السعي إلى حل ثنائي الأبعاد ولا بد من تصور المشكلة مباشرة من خلال ثلاثية أبعاد الفضاء، دون اتباع نهج بدائي. على الرغم من النتائج الهزيلة المبكرة لنظرية كولينغ، إلا أنها النظرية الوحيدة التي يمكن أن تمثل القيود المراقبة. إلى جانب ذلك، هناك سمة مميزة بشكل ملحوظ للمعادلات الناتجة هي ثباتها تحت تغيير علامة B. إذا كان مجال سرعة الفضاء والوقت u(x,t) الحقل B(x,t)، التي يمكن أن تفي بالمعادلات الحاكمة؛ في نفس السرعة ودرجة الحرارة جنبا إلى جنب مع المجال المغناطيسي المعاكس B(x,t)، أيضا تلبية المعادلات. هذه الخاصية (الناتجة عن المعادلة الخطية التي تحكم تطور B وقوة لورنتس التربيعية في B في معادلة الزخم) بشكل ملحوظ عند احتساب الانتكاسات. لا يحتاج الاستقطاب إلى أن يتوافق مع حالتين هيدروديناميكي مختلف ويمكن اعتبار الانتكاسات بمثابة انتقال من حال مغناطيسي إلى آخر. وهناك مسألة حرجة أخرى تتعلق بخصائص الحديد السائل. مثل كل المعادن السائلة، نجد أن الحديد السائل يبدد التيارات الكهربائية الأكثر كفاءة من الحرارة والزخم. وبعبارة أخرى نجد أن نسبة اللزوجة الحركية أو الانتشار الحراري إلى الانتشار المغناطيسي (تعرف هذه بالنسب المعروفة على التوالي ورقم براندتل المغناطيسي ورقم روبرتس) (من 10-6). دينامو العمل يتطلب الكثير من أجل الحصول على القوة من أجل مواجهة الانتشار المغناطيسي، وهذا يعني أنه لابد من القوة على سبيل المثال: اللزوجة. تعرف باسم رقم رينولدز. يعني رقم رينولدز الكبير اتصالا قويا مع مشكلة الاضطرابات الهيدروديناميكية. في حالة تحكم في مركز الأرض، وهذا الموضوع يشكل تحديا كبيراً من قبل دوران الأرض السريع . تأثير كوريوليس، فضلا عن قانون لورتنس المغناطيسي، يؤثر بشدة على الاضطراب، والحد من الاضطراب، ولكن أيضا مما يجعل تباين الخواص من خصائص هذا الاضطراب المغناطيسي الهيدروديناميكي الدوري السريع، حتى الآن غير مفهوم وقد أحرز تقدم كبير على مدى السنوات القليلة الماضية. نجحت النماذج العددية في حل المجموعة الصحيحة من المعادلات في نماذج ذات صلة، التي تهيمن عليها القوى اللزجة. وتبذل الجهود في محاولة لدفع النماذج إلى توازن القوة الصحيحة. كما تم إنشاء ديناموس السوائل التجريبية في وقت واحد في عام 1999 في ريغا (لاتفيا) وكارلسروه (ألمانيا)، ولكن نتائج هذه التجارب الأولى كانت محصورة للغاية وكان الهدف الأول من هذه التجارب هو الحد من القيود على تدفق وبالتالي الحصول على نظرة ثاقبة للدينامو لماذا تمهيمن الأرض على ثنائي القطب المحوري؟ لماذا وهل نجد العكس؟ ما هو دور الاضطراب في عملية الدينامو؟ كيف يبدد النظام الطاقة على نطاق صغير؟ هذه بعض الأسئلة المفتوحة التي يحاول الباحثون معالجتها.

• اقتراب الأنعكاس القطبي: وعلى الرغم من أن هذا المجال من البحوث قد أحرز تقدما كبيرا على مدى السنوات القليلة الماضية، فقد حظي أيضا باهتمام كبير في الصحافة بسبب القلق من اقتراب الأنعكاس القطبي. والواقع أنه قد اقترح حتى الآن أننا في بداية هذا الانعكاس الجيومغناطيسي.
• لحظة اضمحلال الثنائي القطبي : الطريقة المعتادة لقياس قوة واتجاه المكون ثنائي القطب في المجال المغنطيسي الأرضي هو استخدام لحظة ثنائي القطب. يتم تعريفه باستخدام المصطلحات الأولى للتوسع التوافقي الكروي. بل هو فكرة مريحة، لأنه يمكن أيضا أن يتم استردادها باستخدام سجلات الشريط المغناطسي (إهمال متوسط تأثير لحظة أعلى).

بدلا من استخدام بيانات المرصد المغناطيسي، نعتمد هنا على نماذج ممهدة على أساس هذه القياسات. هذه هي نموذج الحقل المغنطيسي الأرضي (جاكسون وآخرون، 2000) على مدى 1600- 1990 أو المجال المرجعي الجيومغناطيسي الدولي -GRF(مانديا و ماميلان، 2000) يعود إلى 1900. هذه النماذج تختلف قليلا فقط، ونحن سوف تستخدم على حد سواء لتسليط الضوء على المميزات القوية . كل من هذه تكشف بوضوح (انظر الشكل 1) الانخفاض السريع والمطرد نسبيا من لحظة ثنائي القطب المغنطيسي الأرضي في القرون الأربعة الأخيرة. وهذا يشكل الدافع الأصلي والأولي للتفكير في إمكانية الاقتراب من الانعكاس. ولما كان هذا الانخفاض ملحوظا، فإن هذا الانخفاض ليس بالضرورة ذا مغزى، خاصة إذا كان الحجم الحالي لحظة الثنائي القطب ليس صغيرا مقارنة بالماضي. في الواقع تكشف الحركة البالومغناطيسية أن اتساع المجال المغنطيسي الأرضي هو كمية متقلبة، ويمكن أن يكون الانخفاض الحالي جزءا من هذه التقلبات.وفي الواقع، اتضح أن لحظة الثنائي القطب الحالية لا تزال أعلى بكثير من قيمته المتوسطة على مدى آخر فترة قطبية (على سبيل المثال، 800 Ka) والثلاثة السابقة (0.8-1.2 ) وهناك خاصية أخرى مثيرة للاهتمام لحظة القطب الثنائي للأرض وهي اتجاهها، ولا سيما زاوية الميل، حيث يكشف الظل عن القوة النسبية لعنصر ثنائي القطب المحوري (أي محاذاة محور الدوران) إلى المحور الاستوائي. يتم تمثيل هذه الزاوية مقابل الوقت في الشكل 2. ومن الملاحظ أن الزاوية في الوقت الحاضر تتزايد بسرعة نحو 90 درجة. وبعبارة أخرى، فإن المكون ثنائي القطب أصبح محوري على نحو متزايد. هذا هو عكس ما هو متوقع لعكس، مما يعكس ببساطة حقيقة أن ثنائي القطب الاستوائي، في الوقت الراهن، تنخفض بسرعة أكبر من ثنائي القطب المحوري. تراجع تسارع القطب المغناطيسي : إلى جانب التوسع العالمي التوافقي الكروي، يمكن للمرء أيضا التفكير في كميات محددة محليا: تراجع المغناطيسي للقطبين.هذه هما المكانين على الأرض التي نجد فيها وقوف الإبرة المغناطيسية على التوالي. من المهم معرفة التمييز بين هذه النقاط واتجاه لحظة القطب ثنائي مناقشته أعلاه.بينما القطبين من حقل ثنائي القطب واسع النطاق المحددة في الفقرات السابقة، وذلك باستخدام التوسع التوافقي الكروي.

وأقطاب تراجع المغناطيسي هي الكائنات المحلية المتضررة من جميع المكونات في التوسع الطيفي.ونتيجة لذلك، فإنها يمكن أن تتحرك بشكل مستقل عن بعضها البعض. وتبين أن موقف القطب المغناطيسي المغنطيسي الشمالي يقاس في كثير من الأحيان خلال البعثات العلمية، وقد تبين مؤخرا أن سرعته تتزايد بسرعة لتصل إلى 40 كم / سنة خلال السنوات القليلة الماضية، في حين أن ذروته السرعة قد بلغ نحو 15 كيلومترا في السنة خلال القرن الماضي. ويعتقد أن الزيادة المفاجئة في سرعة القطب المغناطيسي تراجع الشمالية لتكون نذير للتغيير المفاجئ في سلوك الميدان، والتي من المحتمل أن تدخل مرحلة الانعكاس. وقد كان هذا سبب إثارة كبيرة. ومع ذلك، أننا نرى أن هناك في النصف الآخر من الكرة الأرضية، ظلت سرعة القطب المغناطيسي الجنوبي تنخفض خلال السنوات القليلة الماضية، وهي أقل بكثير من 10 كم / سنة! إلى جانب ذلك، تماما كما في القطبين العالمي، القطب المغناطيسي القطب الشمالي هو المتجه نحو القطب الجغرافي وليس بعيدا عنه! في الواقع أن تراجع القطب المغناطيسي يفهم على أنه صفر في المكون الأفقي للحقل. يمكن أن يظهر أن القطب المغناطيسي في التراجع الشمالي بكمية غير محددة، و يمكن أن يحدث تغير دقيق في الحقل بتحول هائلا في موضع الصفر (أي وضع القطب في القطب)، في حين أن القطب المغنطيسي الجنوبي يظهر بكمية مقيدة بشكل جيد (ميوارا ودورمي، 2003). التمويه المغناطيسي: وهناك علامة أخرى محتملة عند حدوث انعكاس يقترب من تطور بنية المجال المغنطيسي عند الحدود بين النواة (حيث يحدث عمل دينامو) والغطاء (عازل إلى حد كبير). بفضل الطبيعة العازلة (لأول 300 كم تحت أقدامنا)، يمكن أن تستمر النماذج التوافقية الكروية نزولا إلى هذا العمق. الحقل هناك أكثر تعقيدا بكثير من على سطح الأرض، حيث أن استمرار الهبوط يكشف عن هياكل أكثر دقة. المجال هناك أكثر تعقيدا بكثير من على سطح الأرض، كما يكشف استمرار الهبوط هياكل أكثر دقة على نطاق واسع.ومن بين هذه الهياكل، في حين أن الطبيعة الثنائي للقطب لا تزال موجودة بشكل واضح، والتدفق المغناطيسي عكس على الصعيد العالمي علامته في خط الاستواء، وبعض بقع من تدفق عكسي موجودة في كل نصفي الكرة الأرضية. ويحدث أنه في حين أن هناك بقعتين من هذا القبيل في نصف الكرة الشمالي في عام 1980، فقد ارتفع هذا العدد إلى 6 في عام 2000 (وفي الوقت نفسه، أدى اندماج بقعتين إلى خفض عددهما من 4 إلى 3، بما في ذلك واحد أكبر في النصف الجنوبي من الكرة الأرضية ). وبطبيعة الحال، إذا أصبحت هذه الرقع كبيرة جدا والعديد من أنها بدأت لتغطية سطح الأساسية، سيتم عكس القطبية! في الواقع اتضح أن هذه هي الطريقة التي تحدث بعض نماذج دينامو الانعكاسات العددية.في هذه اللحظة، هذه البقع تمتد على نحو 15٪ من أساس سطح الأرض . الانعكاس المتأخر: وأخيرا، يمكن أن يشير أحد العناصر الأخيرة إلى إمكانية اقتراب حدوث انعكاس: يعود تاريخ الانعكاس الأخير إلى حوالي 800.000 سنة مضت، في حين أن سبعة انعكاسات حدثت خلال آخر مليوني سنة، ومع ذلك فإن معدل انعكاس المجال المغناطيسي للأرض بعيد عن الثبات.المتوسط على المدى الطويل (أكثر من مائة قرن) هو 1 انعكاس لكل مليون سنة (القيمة القصوى، عند متوسطها على مدى بضعة ملايين من السنين، هو حوالي 6 انعكاسات لكل مليون سنة). بعض فترات القطبية، والمعروفة باسم سوبيركرونس، تستمر لعشرات الملايين من السنين! ولذلك فإن هذه الحجة ليست مقنعة . وجهات النظر : ويبدو أن خاصية ضرب دينامو النشط يعني القدرة على العمل في مجموعة كبيرة ومتنوعة من الهيئات الطبيعية. لأن معظم الكواكب في النظام الشمسي (فينوس والمريخ استثنائيا) تظهر مجالا مغناطيسيا، ولكن دينامو يظهر عدم الاستقرار يحدث أيضا على نطاقات أكبر. الشمس (100 أضعاف الأرض في دائرة نصف قطرها) يظهر مجال مغناطيسي، الذي يعكس مع فترة منتظمة نسبيا من 22 عاما..

المجرات تظهر المجال المغناطيسي على نطاق واسع الخاصة بهم، وهذا هو التفسير الوحيد المقبول لعمل دينامو النشط . ومن تسليط الضوء على هذه مجموعة مذهلة من المقاييس، يجب أن نؤكد فقط أنه في وحدات ذات الصلة لمجرة الأرض كائن النانو ومع ذلك، فإن هناك عملية مماثلة في العمل في جميع هذه الكائنات (بطبيعة الحال، في ظل أنظمة مختلفة). في الختام، في حين أن دينامو النشط أصل المجالات المغناطيسية في الكواكب والنجوم والمجرات والذي يشكل تحديا علميا مثيرة؛ ولا تزال الأدلة على الانعكاس ضعيفة إلى حد ما.

وعلاوة على ذلك، من المتوقع الجدول الزمني للنموذج العكسي خلال 1000 سنة بحيث لا ينبغي أن تشكل هذا مصدرا رئيسيا للقلق الاجتماعي الملحة بل ينبغي دعمها حيث يقوم الباحثون بمحاولة لفهم أصل المجال المغنطيسي الأرضي وتفعيل ذلك من أجل الفهم المادي، ولتحسين معرفتنا العامة. ليس لأنهم يخشون انتكاسة وشيكة.أكثر وأكثر لتعزيز البحوث التطبيقية، التي تهدف مباشرة إلى المخاوف البيئية.

مراجع

Emmanuel Dormy, (CNRS/ENS/IPGP) MHD in Astro- and Geophysics, Département de Physique, LRA, Ecole Normale Supérieure • France

• آخر تعديل 05 مارس 2018 .

موسوعات ذات صلة :

• موسوعة الفيزياء
• موسوعة تقانة
• موسوعة علوم الأرض
• موسوعة كهرومغناطيسية