مصادر التباين في دراسة المجال المغناطيسي الأرضي

الاختلاف العلماني للمجال المغناطيسي الأرضي الرئيسي:

يتغير المجال المغناطيسي الرئيسي للأرض كما لوحظ على السطح باستمرار مع مرور الوقت، والتغييرات ذات المدة القصيرة جداً مقارنة بالعمليات الجيولوجية تسمى التباين العلماني، وتظهر ملاحظات الانحراف التي تمت في لندن منذ عام 1540 على سبيل المثال أن اتجاه الحقل في ذلك الموقع، قد أكمل تقريباً دورة كاملة بسعة من الذروة إلى الذروة تبلغ 30، وقد لوحظت المكونات الأخرى للحقل لفترة زمنية أقصر لكنها تظهر أيضاً تغيراً سريعاً مماثلاً.

غالباً ما يتم تمثيل خصائص التباين العلماني من خلال خرائط متراكبة لمعدل التغيير لمكون حقل معين على خرائط المكون نفسه، كما تكشف مثل هذه الخرائط أن العالم قد ينقسم إلى مناطق ذات نطاق قاري، حيث يتزايد أو يتناقص مكون معين، ويمكن أن تصل التغييرات إلى 150 نانوتاً سنوياً وتستمر لعشرات السنين، فإذا تم فحص خرائط الاختلاف العلماني من الأزمنة المتأخرة على التوالي فقد تم العثور على العديد من ميزات الاختلاف العلماني في اتجاه الغرب مع مرور الوقت.

إن المكون السائد في المجال الداخلي هو ثنائي القطب المركزي، ومن المفيد تحديد ما إذا كان هذا المكون يتغير بنفس طريقة تغيير باقي الحقل، ونظراً لأن مجال ثنائي القطب بسيط جداً فمن الملائم أكثر تمثيل تغيره من خلال قوته واتجاهه بدلاً من الخرائط.

ومع ذلك عادةً ما يتم تقديم التباين العلماني للمكونات غير ثنائية القطب كالخرائط، تشبه هذه الخرائط خرائط الاختلاف العلماني للحقل بأكمله، مما يشير إلى أن معظم التغيير العلماني ناتج عن المكونات غير ثنائية القطب، لكن في المتوسط ​ يبدو أن المكونات غير ثنائية القطب للحقل تنجرف غرباً بمعدل متوسط ​​قدره 0.18 درجة في السنة، وبهذا المعدل تدور معالم الانجراف حول الأرض في 2000 عام فقط، وليس كل المجال غير ثنائي القطب يعرض الانجراف، حيث أن نصفها على الأقل يبدو ثابتاً ومتغيراً فقط في الشدة.

يتغير المكون ثنائي القطب أيضاً بمرور الوقت، فإنه منذ عام 1850 انخفضت قوتها من حوالي 8.5 × 1022 إلى حوالي 8 × 1022 أمبير لكل متر مربع، وإذا استمر هذا الاتجاه فسوف يتلاشى المكون ثنائي القطب خلال 2000 عام أخرى، وكما سيتم مناقشته في القسم التالي، يبدو أن المكون ثنائي القطب في مجال الأرض في طور الانعكاس.

أفضل التقديرات هي أن اتجاه المكون ثنائي القطب يبدو أنه يتغير بمرور الوقت، إن التغيير السائد هو الانجراف باتجاه الغرب لسمت ثنائي القطب، ولكن بمعدل أبطأ بكثير (0.08 درجة في السنة) من المكون غير ثنائي القطب، وقد تتزايد الزوايا القطبية أيضاً ولكن بشكل أبطأ.

إن أصل الاختلاف العلماني غير معروف، حيث يشتبه المحققون في أن هذا هو تأثير ثانوي لآلية الدينامو التي تولد الحقل الرئيسي، ويشير النطاق الزمني القصير للاختلاف إلى أن المصدر موجود في المنطقة الخارجية لللب السائل، وإذا كان المصدر أعمق فسيكون التباين ضعيفاً جداً بواسطة التوصيل الكهربائي لللب بحيث لا يمكن اكتشافه على السطح.

يجب أن يوفر الانجراف نحو الغرب من الانحرافات المغناطيسية الواضحة في التباين العلماني دليلاً مهماً لأصل المجال الرئيسي إذا كان يمكن تفسيره فقط، ويفسر أحد النماذج الانجراف بافتراض أن الجزء الخارجي من اللب السائل يدور بشكل أبطأ من الوشاح الأكثر صلابة أعلاه وتدور الأرض باتجاه الشرق، وإذا كانت الميزات داخل النواة تدور ببطء أكثر من ميزات السطح فستظهر وكأنها تتحرك للخلف بالنسبة للدوران العام؛ أي باتجاه الغرب، وفي هذا النموذج يحدث الاختلاف العلماني بسبب أجزاء من الدوامات في نظام التيار الداخلي التي تدور بشكل أبطأ من الكوكب ككل.

يفترض نموذج أكثر حداثة للانجراف باتجاه الغرب أنه ينتج عن الموجات الهيدرومغناطيسية في القلب مثل النبضات المغناطيسية ففي هذا النموذج يدور اللب بنفس معدل دوران الوشاح الخارجي، لكن الموجة تنتشر ببطء حول الجزء الخارجي من اللب، ونظراً لأن الموجات في سائل موصل تشوه المجال المغناطيسي المتجمد بداخله، فإنها تنتج تغيرات يمكن ملاحظتها على السطح، وبسبب أن خصائص الموجات تعتمد على الوسط الذي تنتشر من خلاله فقد يكون من الممكن استنتاج خصائص اللب الخارجي من الملاحظات السطحية.

انعكاسات المجال الأرضي الرئيسي:

لم يتم توجيه المجال المغناطيسي الداخلي للأرض دائماً كما هو الحال اليوم، ينعكس اتجاه المكون ثنائي القطب في المتوسط ​ كل 300000 إلى 1000000 سنة، وهذا الانعكاس مفاجئ جداً على مقياس زمني جيولوجي ويبدو أنه استغرق حوالي 5000 عام، إن الوقت بين الانعكاسات متغير بدرجة كبيرة، ويحدث أحياناً في أقل من 40.000 سنة وفي أوقات أخرى يظل ثابتاً لمدة تصل إلى 35.000.000 سنة، ولم يتم اكتشاف أي انتظام أو تواتر في نمط الانعكاسات، ويمكن أن يتبع الفاصل الزمني الطويل لقطبية واحدة فترة قصيرة من القطبية المعاكسة.

تشير البيانات المتاحة إلى أنه أثناء الانعكاس تتقلص قوة المكون ثنائي القطب إلى الصفر مع الحفاظ على اتجاهه، ثم ينمو مرة أخرى إلى قوته السابقة ولكن مع اتجاه معاكس، وخلال الفترة التي لا يوجد فيها مكون ثنائي القطب يبدو أن الجزء غير ثنائي القطب من الحقل يستمر.

وأثناء انعكاسات المجال يتغير الجزء الخارجي من المجال المغناطيسي للأرض بشكل كبير، قد يعني عدم وجود مكون ثنائي القطب أن الرياح الشمسية ستقترب كثيراً من الأرض، كما تصل جسيمات الأشعة الكونية التي ينحرفها مجال الأرض عادةً أو المحاصرة في أجزائها الخارجية إلى سطح الكوكب، وقد تسبب هذه الجسيمات ضرراً وراثياً في المجتمعات النباتية أو الحيوانية، مما يؤدي إلى اختفاء نوع وظهور نوع آخر، بذلت محاولات لتحديد ما إذا كان هناك دليل على مثل هذه التغييرات في وقت الانعكاسات الميدانية، (حتى الآن تظل النتائج غير حاسمة).

ومع ذلك فإن الدليل على حدوث الانعكاسات المغناطيسية لا يرقى إليه الشك، وتوفر المسوحات المغناطيسية التي يتم إجراؤها بواسطة السفن عبر مراكز الانتشار في وسط المحيطات أفضل دليل، وتظهر هذه البيانات أن شرائح قاع المحيط الممغنطة بشكل معاكس تظهر بشكل متماثل حول ميزات مثل سلسلة جبال وسط المحيط الأطلسي، وتفسير هذه الشرائط هو أن البازلت المنصهر يتدفق من التلال وينتشر بعيداً في كلا الاتجاهين.

عندما يبرد البازلت فإنه يلتقط اتجاه المجال المغناطيسي السائد، ويحمله على طول قاع البحر المنتشر، والبازلت الخارج من التلال والتبريد في أوقات لاحقة يلتقط اتجاه المجال اللاحق، وهكذا يعمل قاع البحر مثل شريط مغناطيسي يلتقط التسلسل المتناوب لاتجاهات المجال.

وتجدر الإشارة إلى أنه يتم التقاط معلومات أكثر من إحساس المكون ثنائي القطب في صخور التبريد، والصخور المتكونة عند خط الاستواء المغناطيسي على سبيل المثال تحتوي على مغنطة أفقية، وبالمثل فإن الصخور المتكونة عند خطوط العرض المغناطيسية الأعلى تحتوي على حقل يتجه لأعلى أو لأسفل عند ميل يعتمد على خط العرض، ويكشف انحدار المغنطة عن الاتجاه إلى القطب المغناطيسي في وقت المغنطة، ويمكن استخدام هاتين الزاويتين معاً لاستنتاج موقع قطب مغناطيسي افتراضي بالنسبة إلى موقع العينة.

الاختلافات في تيار دينامو الغلاف الأيوني:

يتم إنتاج دينامو الغلاف المتأين عن طريق حركة الجسيمات المشحونة من الأيونوسفير عبر الحقل الرئيسي للأرض، وهذه الحركة مدفوعة بتأثيرات المد والجزر للشمس والقمر والتدفئة الشمسية، وهكذا يتم التحكم في دينامو الغلاف الأيوني بواسطة معلمتين وهما: توزيع الرياح وتوزيع التوصيل الكهربائي في طبقة الأيونوسفير، تتأثر هذه المعلمات بعدة عوامل بما في ذلك البارامترات المدارية للأرض والقمر والشمس الدورة الشمسية مشاعل شمسية وخسوف الشمس.

التغييرات في موقع الشمس والقمر بالنسبة للأرض نتيجة للحركات المدارية تسبب تغيرات في المسافة، إن هذا يغير قوة المد والجزر والتدفئة الشمسية، وبالتالي تغيير أنماط الرياح الأيونوسفيرية، وتظهر هذه التغييرات على أنها تعديل موسمي للرياح وبالتالي لقوة التيار.

المعلمة الثانية التي تتحكم في تيار الدينامو هي التوصيل الكهربائي للأيونوسفير؛ أي عملية تغير الموصلية الأيونوسفيرية تغير التيار، إن مصدر التأين المهيمن على جانب الأرض هو ضوء الشمس، ويعتمد مقدار التأين على الزاوية التي يدخل فيها ضوء الشمس إلى الغلاف الجوي، وينتج عن الوقوع العمودي تأين أكبر لكل وحدة حجم من الإدخال المائل، بالنسبة لنصف الكرة الأرضية تحدث الوقوع الطبيعي في الصيف، وبالتالي يؤدي هذا التأثير أيضاً إلى تعديل موسمي قوي لتيار الدينامو.

تعتمد درجة تأين الغلاف الجوي أيضاً على مرحلة الدورة الشمسية، وتنتج دورة نشاط البقع الشمسية التي تبلغ 11 عاماً اختلافات في كمية الأشعة فوق البنفسجية المنبعثة من الشمس، ويؤدي المزيد من البقع الشمسية إلى مزيد من الإشعاع فوق البنفسجي وزيادة الموصلية الأيونوسفيرية، وبالتالي تيارات أقوى، فعلى نطاق زمني أقصر تبعث التوهجات الشمسية أشعة سينية تخترق أعمق في الغلاف الجوي مؤينة مؤقتاً المنطقة D وهي الطبقة الدنيا من الأيونوسفير، ثم يتم إنتاج تيارات الدينامو في هذه الطبقة بأي رياح موجودة هناك.

ينتج عن كسوف الشمس تأثير معاكس على الموصلية الأيونوسفيرية، وظل القمر أثناء عبوره طبقة الأيونوسفير يقلل من التأين، وإعادة تركيب إلكترونات الأيونوسفير والأيونات في غياب الضوء يقلل بسرعة من التوصيل، ونظراً لأن التأثير محلي وقصير المدة، فإن تأثيره على تيار الدينامو الكلي يكون طفيفاً.