مصادر المجال المغناطيسي الأرضي الثابت

ما المقصود بالدينامو المغناطيسي الأرضي؟

تشير ملاحظات المجال المغناطيسي لسطح الأرض إلى أن أكثر من 90 بالمائة من هذا المجال ينشأ من مصادر داخلية على الكوكب، تم اقتراح مجموعة متنوعة من الآليات لتوليد هذا المجال، ولكن في الوقت الحالي يتم النظر بجدية فقط في الدينامو المغنطيسي الأرضي، وفي آلية الدينامو تحرك حركة السوائل في القلب مادة موصلة عبر مجال مغناطيسي موجود وتنتج تياراً كهربائياً.

ينتج هذا التيار مجالاً مغناطيسياً يتفاعل أيضاً مع حركة السوائل لإنشاء مجال مغناطيسي ثانوي بنفس اتجاه المجال الأصلي، والحقلين معاً أقوى من الأصل، كما تأتي الطاقة الإضافية في المجال المضخم على حساب انخفاض الطاقة في حركة السوائل.

التسخين الحراري في القلب هو العملية التي تحرك حركة السوائل، ولسنوات عديدة كان يُعتقد أن هذا التسخين ناتج عن عناصر مشعة مذابة في قلب السائل، تشير الأعمال الحديثة إلى أن تجميد اللب السائل أكثر أهمية، كما أظهرت الدراسات السيزمية أن مركز الأرض عبارة عن كرة صلبة من الحديد يبلغ نصف قطرها التقريبي 1200 كيلو متر، إن هذه الكرة محاطة بنواة خارجية من الحديد السائل.

وبمرور الوقت يتجمد السطح الداخلي لللب السائل على السطح الخارجي لللب الصلب، تعمل الطاقة المنبعثة في عملية التجميد على تسخين المناطق المحيطة إلى درجة حرارة عالية، وتتدفق الحرارة في جميع الاتجاهات، مما يرفع درجة حرارة المناطق المجاورة؛ لأنه لا يمكن فقدان الحرارة من الداخل فإنها تتدفق في النهاية إلى السطح، وهناك يتم إشعاعها في برد الفضاء مثل الأشعة تحت الحمراء تُنشئ هذه العملية توزيعاً شعاعياً لدرجة الحرارة يتناقص نحو السطح.

فإذا تم توليد الحرارة بسرعة كبيرة بحيث يتعذر على التوصيل حملها بعيداً تصبح العملية الثانية الحمل الحراري مهمة، حيث أنه في الحمل الحراري يتم نقل الطاقة عن طريق فقاعات من السوائل الساخنة التي ترتفع نحو مناطق أكثر برودة وتحمل حرارة أكثر من التي تتدفق عبر نفس المادة أثناء السكون.

يجب استيفاء العديد من الشروط لحركة السوائل لإنتاج مجال مغناطيسي، أولاً يجب أن يكون السائل موصل كهربائياً وثانياً يجب أن يكون هناك مجال مغناطيسي ربما كقائمة عن التكوين الأولي للجسم، وثالثاً يجب أن تُحدث بعض القوة التواءات في حركة السوائل بحيث يتشوه المجال المغناطيسي الأولي بالحركة.

بالنسبة للأرض يجري الحديد السائل ومن المحتمل وجود مجال مغناطيسي أولي وتحدث قوة كوريوليس التقلبات، حيث إن قوة كوريوليس هي القوة التي يشعر بها سائل داخل أو على جسم دوار كما أنها القوة التي تخلق العواصف الإعصارية في الغلاف الجوي للأرض، وفي نصف الكرة الشمالي تتسبب في ارتفاع السائل شعاعياً للدوران عكس اتجاه عقارب الساعة.

ما المقصود بمغنطة القشة الأرضية؟

لا يتم إنتاج الحقول المغناطيسية المقاسة على سطح الأرض بالكامل بواسطة الدينامو الداخلي، وشعاعياً إلى الخارج من قلب الأرض إن المصدر الرئيسي التالي للحقل المغناطيسي هو مغنطة القشرة، تكون درجة حرارة المواد المكونة للقشرة باردة بدرجة كافية لتتواجد في شكل صلب، وقد تصبح المواد الصلبة ممغنطة بواسطة الحقل الرئيسي للأرض وتسبب حالات شاذة يمكن اكتشافها.

ينقسم مغنطة القشرة إلى نوعين وهما: مستحث وبقايا، تحدث المغنطة المستحثة عندما يتم محاذاة ثنائيات الأقطاب المغناطيسية الأولية للمواد القشرية مع المجال الرئيسي للأرض تماماً مثل محاذاة إبرة البوصلة، وإذا تم تركيز مادة ذات قابلية عالية بشكل خاص للمغنطة كما هو الحال في الترسبات المعدنية فيمكن أيضاً تقريبها إلى قضيب مغناطيسي ينتج عنه حقل ثنائي القطب صغير.

وعلى نطاق مثل هذه التركيزات يكون المجال الرئيسي للأرض منتظماً؛ لذلك اعتماداً على موقع المراقب بالنسبة إلى ثنائي القطب الصغير قد يضيف مجاله إلى الحقل الرئيسي أو يطرح منه، ونظراً لأن المغنطة المستحثة تتناسب مع قوة المجال المحرض فإنها تتلاشى عندما يتلاشى المجال الأولي.

يشبه مغنطة البقايا المغنطة المستحثة من حيث أنها تنتج في مادة بواسطة مجال أولي، ولكنها بمجرد إنشائها تستمر بعد اختفاء الحقل الأولي، وتعتمد هذه الظاهرة على وجود المواد المغناطيسية التي تشكل المجالات المغناطيسية وهي مناطق من ثنائيات الأقطاب المتوافقة مثبتة في مكانها بواسطة قوى بين الذرية، في قشرة الأرض يتم إنشاء معظم المغناطيسات المتبقية عن طريق محاصرة محاذاة ثنائي القطب للحقل الرئيسي للأرض، حيث تصلب الصخور المنصهرة.

ما المقصود بدينامو الغلاف الأيوني؟

يوجد فوق سطح الأرض المصدر التالي للمجال المغناطيسي دينامو الغلاف المتأين، وهو نظام تيار كهربائي يتدفق في الغلاف الجوي المتأين للكوكب، وتبدأ من حوالي 50 كيلو متر وتمتد فوق 1000 كيلو متر بحد أقصى 400 كيلو متر تتكون طبقة الأيونوسفير بشكل أساسي من تأثير ضوء الشمس على جزيئات الغلاف الجوي، وهناك تجرد أشعة الشمس الإلكترونات من الذرات المحايدة وتنتج غازاً متأيناً جزئياً (بلازما).

على جانب يوم من الأرض بالقرب من الظهيرة المحلية وبالقرب من النقطة تحت الشمسية تقوم الشمس بتسخين الغلاف الجوي المتأين إلى درجات حرارة عالية وتتسبب في تدفقه بعيداً عن الظهيرة باتجاه منتصف الليل في نمط نصف قطري تقريباً، ويعمل التدفق على تحريك كل من الذرات المحايدة والجسيمات المشحونة عبر خطوط المجال المغناطيسي للأرض.

تتسبب قوة لورنتز التي تمت مناقشتها سابقاً في انحراف الشحنات في اتجاهات متعاكسة بشكل عمودي على سرعة الشحنات، وكذلك المجال المحلي، وينتج عن فصل الشحنة هذا مجالاً كهربائياً يمارس أيضاً قوة على الجسيمات المشحونة، كما يعتمد شكل توزيع المجال الكهربائي الناتج بشدة على توزيع الموصلية الأيونوسفير والمجال المغناطيسي.

يُفترض عموماً على سبيل المثال أن هناك القليل من الموصلية الأيونوسفيرية على الجانب الليلي، وبالتالي لا يمكن أن يتدفق أي تيار هناك، أما بالنسبة للحقل المغناطيسي فإنه يشير إلى الأعلى في نصف الكرة الجنوبي وأفقياً شمالاً عند خط الاستواء، وإلى الأسفل في نصف الكرة الشمالي، ويمارس المكون الأفقي للحقل المغناطيسي قوة رأسية على الشحنات التي تتحرك نتيجة للرياح.

عند خط الاستواء يتسبب هذا في انحراف الشحنات الموجبة والسالبة رأسياً وينتج مجالاً كهربائياً رأسياً قوياً يعيق فصل الشحنات بشكل أكبر، وفي خطوط العرض المغناطيسية الأعلى يكون المجال المغناطيسي عمودياً في المقام الأول وتكون الانحرافات أفقية مما ينتج عنه مجالات كهربائية أفقية.

وبشكل عام الشحنات المفصولة بواسطة قوى ميكانيكية أو كيميائية كما هو الحال في الدينامو أو البطاريات، سوف يتم تفريغها إذا كان هناك موصل كهربائي خارجي يمكن أن تتدفق من خلاله، وتحدث هذه العملية عند خطوط العرض العالية والمنخفضة في نفس الوسط الذي يولد فصل الشحنات.

مسار التيار الفعلي معقد بشكل خاص في الأيونوسفير لأن التوصيل الكهربائي غير متجانس مكانياً ومتباين الخواص؛ أي أنه يختلف من نقطة إلى أخرى، وله قيم مختلفة في اتجاهات مختلفة بالنسبة إلى المجالات المغناطيسية والكهربائية الموجودة.

تم استنتاج شكل التيارات الكهربائية المتدفقة في طبقة الأيونوسفير من الملاحظات الأرضية للتغيرات اليومية في المجال المغناطيسي، وفي الأيام الهادئة مغناطيسياً يُلاحظ أن المجال يتغير بطريقة منهجية تعتمد بشكل أساسي على التوقيت المحلي وخط العرض، وقد أطلق على هذا الاختلاف اسم تباين اليوم الشمسي الهادئ (Sq).

يمكن استخدام الاختلافات المغناطيسية لاستنتاج نظام تيار كهربائي مكافئ والذي إذا كان يتدفق في المنطقة E من الأيونوسفير فإنه ينتج التغييرات المرصودة، وتم عرض هذا النظام لظروف الاعتدال للإضاءة المتساوية لكلا نصفي الكرة الأرضية عندما كان النمط متماثلاً حول خط الاستواء، ويتكون النموذج من دوامين حاليين يدوران حول البؤر عند +30 و-30 درجة خط عرض مغناطيسي.

من منظور الشمس كان الدوران عكس اتجاه عقارب الساعة في نصف الكرة الشمالي، وفي اتجاه عقارب الساعة في نصف الكرة الجنوبي، تدفق ما يقرب من 500000 أمبير باتجاه الشرق موازية لخط الاستواء بين البؤرتين، وبصرف النظر عن التغييرات الصغيرة الناتجة عن الدوران اليومي للشذوذ الصغير في المجال الرئيسي كان التيار وتأثيراته عند نقطة ثابتة في الفضاء ثابتة تقريباً، ومع ذلك فإن مرصداً مغناطيسياً يدور أسفل أجزاء مختلفة من النظام الحالي ويسجل مجالاً مغناطيسياً متغيراً بمرور الوقت.

ما هو التيار المغناطيسي؟

إن التيار المغناطيسي لا يزال بعيداً عن الأرض في حوالي (10 Re) على طول خط الأرض والشمس، وهو نظام حالي آخر يؤثر على المجال السطحي ويغير بشكل كبير طبيعة مجال الأرض في الفضاء، يُطلق على هذا النظام اسم التيار المغناطيسي أو نظام (تشابمان فيرارو) الحالي للفيزيائي الإنجليزي سيدني تشابمان وطالبه (فيرارو) الذي اقترح وجوده لأول مرة، كما يتدفق في ورقة واحدة ويشكل حدوداً بين الحقول المغناطيسية للأرض والرياح الشمسية.

عندما تواجه جسيمات الرياح الشمسية مجال الأرض فإنها تنحني عن مساراتها بفعل قوة لورنتز، حيث تدور البروتونات بمعنى أعسر حول مجال مغناطيسي والإلكترونات بمعنى اليد اليمنى، ونظراً لأن الجسيمات تأتي من الشمس واتجاه مجال الأرض صاعداً موازياً لمحور دورانها، فإن هذا الدوران يخلق تياراً كهربائياً باتجاه الشرق في المستوى الاستوائي، ومن المهم معرفة أن مجال هذا التيار يقلل من مجال الأرض خارج الحدود ويزيدها بالداخل.

وبمجرد أن يتم تطوير التيار بالكامل فإنه يحتل طبقة رقيقة في كل مكان على جانب الأرض من الأرض، والتي يتم إلغاء كل المجال الأرضي خارجها، وداخل الورقة يكون الحقل ضعف الحقل الرئيسي.