ملاحظات المجال المغناطيسي الأرضي وكيفية تمثيله

ما المقصود بالمجال المغناطيسي الأرضي؟

إن المجال المغناطيسي الأرضي هو المجال المغناطيسي المرتبط بسطح الأرض وباطنها، كما أنه ثنائي القطب في المقام الأول (أي أنه يحتوي على قطبين القطب الشمالي المغنطيسي الأرضي والقطب الجنوبي) على سطح الأرض، وبعيداً عن السطح يصبح ثنائي القطب مشوهاً.

في ثلاثينيات القرن التاسع عشر درس عالم الرياضيات والفلك الألماني كارل فريدريش غاوس المجال المغناطيسي للأرض وخلص إلى أن المكون الرئيسي ثنائي القطب ينشأ داخل الأرض بدلاً من الخارج، لقد أظهر أن المكون ثنائي القطب كان وظيفة متناقصة تتناسب عكسياً مع مربع نصف قطر الأرض، وهو استنتاج قاد العلماء إلى التكهن بأصل المجال المغناطيسي للأرض من حيث المغناطيسية الحديدية (كما في مغناطيس قضيب عملاق) ونظريات دوران مختلفة والعديد من نظريات الدينامو.

إن نظريات المغناطيسية الحديدية والدوران بشكل عام غير مصداقية في المغناطيسية الحديدية لأن نقطة كوري (درجة الحرارة التي يتم فيها تدمير المغناطيسية الحديدية) تصل إلى 20 كيلو متر أو نحو ذلك (حوالي 12 ميل) تحت السطح ونظريات الدوران لأنه على ما يبدو لا توجد علاقة أساسية بين الكتلة في الحركة والمجال المغناطيسي المرتبط بها، يهتم معظم علماء المغناطيسية الأرضية بنظريات الدينامو المختلفة حيث يتسبب مصدر الطاقة في قلب الأرض في مجال مغناطيسي مستدام ذاتياً.

يتم إنتاج المجال المغناطيسي الثابت للأرض بواسطة العديد من المصادر فوق وتحت سطح الكوكب، ومن اللب إلى الخارج تشمل هذه الدينامو المغنطيسي الأرضي ومغناطيسية القشرة ودينامو الغلاف المتأين والتيار الحلقي والتيار المغنطيسي وتيار الذيل والتيارات المحاذية للمجال والشفقي أو الحمل الحراري الكهربية.

الدينامو المغنطيسي الأرضي هو أهم مصدر لأنه بدون الحقل الذي يخلقه لن تكون المصادر الأخرى موجودة، وليس بعيداً عن سطح الأرض يصبح تأثير المصادر الأخرى بنفس القوة أو أقوى من تأثير الدينامو المغنطيسي الأرضي.

مصادر وأسباب المجال المغناطيسي الأرضي:

يخضع المجال المغناطيسي للأرض للتغيير على جميع النطاقات الزمنية، كما يخضع كل من المصادر الرئيسية لما يسمى بالمجال الثابت لتغييرات تنتج اختلافات أو اضطرابات عابرة، ويحتوي الحقل الرئيسي على اضطرابين رئيسيين وهما: الانعكاسات شبه الدورية والاختلاف العلماني، إن دينامو الغلاف الأيوني مضطرب بسبب التغيرات الموسمية والدورة الشمسية بالإضافة إلى تأثيرات المد والجزر الشمسية.

يستجيب التيار الحلقي للرياح الشمسية (الغلاف الجوي المتأين للشمس الذي يتمدد إلى الخارج في الفضاء ويحمل معه المجال المغناطيسي للشمس)، ويزداد قوته عند وجود ظروف الرياح الشمسية المناسبة، وترتبط بنمو التيار الحلقي بظاهرة ثانية وهي عاصفة الغلاف المغناطيسي الفرعية، والتي تظهر بوضوح أكثر في الشفق القطبي، هناك نوع مختلف تمامًا من الاختلاف المغناطيسي ناتج عن الموجات المغناطيسية الديناميكية (MHD).

إن هذه الموجات هي عبارة عن اختلافات حبيبية في المجالين الكهربائي والمغناطيسي مقترنة بالتغيرات في كثافة الجسيمات، كما أنها الوسائل التي يتم من خلالها نقل المعلومات حول التغيرات في التيارات الكهربائية داخل قلب الأرض، وفي بيئتها المحيطة بالجسيمات المشحونة، تتم أيضاً مناقشة كل من مصادر الاختلاف هذه بشكل منفصل أدناه.

كيف يتم تمثيل المجال المغناطيسي الأرضي؟

يتم إنتاج المجالات الكهربائية والمغناطيسية بواسطة خاصية أساسية للمادة وهي الشحنة الكهربائية، يتم إنشاء المجالات الكهربائية بواسطة الشحنات عند السكون بالنسبة للمراقب، بينما يتم إنتاج المجالات المغناطيسية عن طريق الشحنات المتحركة، والمجالان هما جوانب مختلفة من المجال الكهرومغناطيسي وهي القوة التي تسبب تفاعل الشحنات الكهربائية.

يُعرَّف المجال الكهربائي (E) عند أي نقطة حول توزيع الشحنة على أنه القوة لكل وحدة شحنة عند وضع شحنة اختبار موجبة عند تلك النقطة، وبالنسبة للشحنات النقطية تبتعد نقاط المجال الكهربائي شعاعياً عن الشحنة الموجبة ونحو شحنة سالبة، يتم إنشاء مجال مغناطيسي عن طريق الشحنات المتحركة أي عن طريق تيار كهربائي، ويمكن تعريف الحث المغناطيسي (B) بطريقة مشابهة (لـ E) على أنه يتناسب مع القوة لكل وحدة قوة قطب عندما يتم تقريب القطب المغناطيسي للاختبار من مصدر للمغنطة، ومع ذلك فمن الأكثر شيوعاً تحديده بواسطة معادلة قوة لورنتز.

أما في النظام الدولي للوحدات (SI) يقاس المجال الكهربائي من حيث معدل تغير الجهد فولت لكل متر (V/m)، وتقاس المجالات المغناطيسية بوحدات تسلا (T) (تسلا هي وحدة كبيرة للملاحظات الجيوفيزيائية وعادة ما تستخدم وحدة أصغر والنانو تيسلا (nT واحد نانو تيسلا يساوي 10 إلى 9 تسلا).

تعادل النانو تيسلا جاما واحدة وهي وحدة تم تعريفها في الأصل على أنها 10 إلى 5 جاوس وهي وحدة المجال المغناطيسي في نظام السنتي متر لكل جرام لكل الثانية، لا يزال يتم استخدام كل من جاوس وجاما بشكل متكرر في الأدبيات المتعلقة بالمغناطيسية الأرضية على الرغم من أنها لم تعد وحدات قياسية، كما يتم وصف كل من المجالات الكهربائية والمغناطيسية بواسطة نواقل والتي يمكن تمثيلها في أنظمة إحداثيات مختلفة مثل الديكارتي والقطبي والكروي، وفي النظام الديكارتي يتحلل المتجه إلى ثلاثة مكونات تتوافق مع إسقاطات المتجه على ثلاثة محاور متعامدة بشكل متبادل والتي عادةً ما يتم تسميتها (X، Y، Z).

وفي الإحداثيات القطبية يتم وصف المتجه عادةً بطول المتجه في المستوى (x ،y) وزاوية السمت في هذا المستوى بالنسبة إلى المحور x والمكون الديكارتي الثالث (z)، أما في الإحداثيات الكروية يوصف المجال بطول متجه المجال الكلي والزاوية القطبية لهذا المتجه من المحور (z) وزاوية السمت لإسقاط المتجه في المستوى (x ،y)، وفي دراسات المجال المغناطيسي للأرض يتم استخدام جميع الأنظمة الثلاثة على نطاق واسع.

قياس المجال المغناطيسي الأرضي:

يمكن قياس المجالات المغناطيسية بطرق مختلفة، تتضمن أبسط تقنيات القياس التي لا تزال مستخدمة حتى اليوم استخدام البوصلة وهي أداة تتكون من إبرة ممغنطة بشكل دائم ومتوازنة لتدور في المستوى الأفقي، وفي وجود مجال مغناطيسي وفي حالة عدم وجود الجاذبية فإن الإبرة الممغنطة تحاذي نفسها تماماً على طول ناقل المجال المغناطيسي.

وعندما تكون متوازنة على محور في وجود الجاذبية، فإنها تتماشى مع أحد مكونات المجال في البوصلة التقليدية (هذا هو المكون الأفقي)، ويمكن أيضاً أن تكون الإبرة الممغنطة محورية ومتوازنة حول محور أفقي، إذا تم محاذاة هذا الجهاز المسمى مقياس الغطس أولاً في اتجاه خط الزوال المغناطيسي، كما هو محدد بواسطة البوصلة فإن الإبرة تتماشى مع متجه المجال الكلي وتقيس زاوية الميل (I)، أخيراً من الممكن قياس المقدار من المجال الأفقي من خلال تذبذبات إبرة البوصلة، ويمكن إثبات أن فترة هذا التذبذب تعتمد على خصائص الإبرة وقوة المجال.

تقوم المراصد المغناطيسية بقياس وتسجيل المجال المغناطيسي للأرض بشكل مستمر في عدد من المواقع، وفي مرصد من هذا النوع يتم تعليق الإبر الممغنطة ذات المرايا العاكسة بواسطة ألياف الكوارتز، ويتم تصوير أشعة الضوء المنعكسة من المرايا على صورة فوتوغرافية سلبية مثبتة على أسطوانة دوارة، إن الاختلافات في المجال تسبب انحرافات مقابلة على السلبية.

تتوافق عوامل القياس النموذجية لمثل هذه المراصد مع 2 إلى 10 نانو تيسلا لكل مللي متر عمودياً و20 مللي متر لكل ساعة أفقياً، وتسمى طباعة الصورة السلبية المتقدمة بالرسم المغناطيسي.

سجلت المراصد المغناطيسية البيانات بهذه الطريقة لأكثر من 100 عام، ويتم تصوير مخططاتهم المغناطيسية على ميكروفيلم وإرسالها إلى مراكز البيانات العالمية حيث تكون متاحة للاستخدام العلمي أو العملي، وتشمل هذه التطبيقات إنشاء خرائط مغناطيسية عالمية للملاحة والمسح؛ لذلك يتم تصحيح البيانات التي تم الحصول عليها من المسوحات الجوية والبرية والبحرية للرواسب المعدنية والنفطية والدراسات العلمية لتفاعل الشمس مع الأرض.

في السنوات الأخيرة أثبتت طرق أخرى لقياس المجالات المغناطيسية أنها أكثر ملاءمة ويتم استبدال الأدوات القديمة تدريجياً، تتضمن إحدى هذه الطرق مقياس المغنطيسية لمبادرة البروتون، والذي يستخدم الخصائص المغناطيسية والجيروسكوبية للبروتونات في سائل مثل البنزين، في هذه الطريقة يتم محاذاة اللحظات المغناطيسية للبروتونات أولاً بواسطة مجال مغناطيسي قوي ينتج عن ملف خارجي.

ثم يتم إيقاف المجال المغناطيسي فجأة وتحاول البروتونات محاذاة نفسها مع مجال الأرض، ومع ذلك نظراً لأن البروتونات تدور بالإضافة إلى أنها ممغنطة فإنها تتحرك حول مجال الأرض بتردد يعتمد على حجم الأخير، يستشعر الملف الخارجي جهداً ضعيفاً ناتجاً عن هذا الدوران، ويتم تحديد فترة الدوران إلكترونياً بدقة كافية لإنتاج حساسية بين 0.1 و1.0 نانو تيسلا.

إن الأداة التي تكمل مقياس المغنطيسية لبداية البروتون هي مقياس المغناطيسية لبوابة التدفق، وعلى النقيض من مقياس المغنطيسية لدورة البروتون يقيس جهاز بوابة التدفق المكونات الثلاثة لناقل المجال بدلاً من حجمه، وتستخدم ثلاثة أجهزة استشعار كل منها يتماشى مع أحد المكونات الثلاثة لمتجه المجال، ويتم إنشاء كل مستشعر من محول ملفوف حول قلب من مادة عالية النفاذية (على سبيل المثال معدن الفيليميت mu)

يتم تحفيز الملف الأولي للمحول بموجة حبيبات عالية التردد (حوالي 5 كيلو هرتز)، وفي حالة عدم وجود أي مجال على طول محور المحول تتكون إشارة الخرج في الملف الثانوي من توافقيات فردية فقط (ترددات مكونة) لتردد المحرك، ومع ذلك إذا كان هناك حقل موجود فإنه يؤدي إلى انحياز حلقة للنواة في اتجاه واحد، ويؤدي هذا إلى تشبع اللب في وقت أقرب في نصف دورة محرك مقارنة بالنصف الآخر.