المجال المغناطيسي الخارجي للأرض وخصائصه

ما هي خصائص المجال المغناطيسي للأرض؟

بالنسبة للتقريب الجيولوجي الأول فإن المجال المغناطيسي الملاحظ على سطح الأرض يشبه مجال المغناطيس المحاذي لمحور دوران الكوكب، فإذا تم اعتبار الكرة أرضاً مع وجود القطب الجغرافي الشمالي في أعلى الرسم التخطيطي، فيجب أن يكون المغناطيس موجهاً بقطبه الشمالي المغناطيسي لأسفل باتجاه القطب الجغرافي الجنوبي.

ثم تترك خطوط المجال المغناطيسي القطب الشمالي للمغناطيس، وتنحني حولها حتى تعبر خط الاستواء للأرض وتشير جيولوجياً نحو الشمال، حيث إن هذه الخطوط تنحني بشكل أكبر عند دخولها الأرض في خطوط العرض الشمالية وتعود أخيراً إلى القطب الجنوبي للمغناطيس، في الوقت الحاضر يتوافق القطب الجيولوجي الشمالي مع القطب الجنوبي لقضيب مغناطيسي مكافئ، هذه ليست دائماً الحالة، فإنه في مرات عديدة في تاريخ الأرض كان اتجاه المغناطيس المكافئ يشير إلى الاتجاه المعاكس.

ما هو المجال ثنائي القطب؟

خطوط المجال المغناطيسي تكون في شكل شريط المغناطيس أي ليست كيانات حقيقية، على الرغم من أنها كثيراً ما تعمل على هذا النحو، والمجال المغناطيسي هو وظيفة مستمرة توجد في كل نقطة في الفضاء، كما أن خط المجال هو ببساطة وسيلة لتصور اتجاه هذا المجال ويتم تعريفه على أنه منحنى ثلاثي الأبعاد، يكون في كل مكان مماساً للمجال المغناطيسي المحلي.

كما يتم تسمية نمط خطوط المجال التي تم إنشاؤها عن طريق شريط مغناطيسي اسم الحقل ثنائي القطب؛ نظراً لأن له نفس شكل المجال الكهربائي الناتج عن شحنتين (ثنائي) منفصلين قليلاً (أقطاب) من علامة معاكسة، بطبيعة الحال لا ينتج المجال ثنائي القطب للأرض بواسطة قضيب مغناطيسي في مركزه، بل يتم إنتاجه بدلاً من ذلك بواسطة التيارات الكهربائية داخل قلب الأرض السائل.

يكون المجال المغناطيسي لثنائي القطب عمودياً على طول المحور القطبي وأفقياً على طول خط الاستواء، كما يمكن رؤيته من شكل قضيب المغناطيس، تؤدي هذه الخصائص إلى تعريف خط الاستواء والقطب في مجال الأرض الأكثر تعقيداً، وبالتالي يتم تعريف خط الاستواء المغناطيسي الأرضي على أنه الخط المحيط بسطح الأرض، حيث يكون المجال الفعلي أفقياً.

وبالمثل فإن أقطاب الانحدار المغناطيسي هما النقطتان اللتان يكون فيهما المجال عمودياً، فإذا تم تمديد الملاحظات أعلى أو أسفل السطح، فإن موقع خط الاستواء يكون سطحاً (مستوٍ لثنائي القطب) وتقع الأقطاب على طول المنحنيات.

على مسافة معينة في مجال ثنائي القطب خالص يكون المجال القطبي دائماً ضعف المجال الاستوائي، وهذا صحيح تقريباً بالنسبة لحقل الأرض، وفي خريطة توضح معالم حجم المجال الكلي الثابت وفقاً لنموذج 1980 الذي تم رسمه على إسقاط مركاتو الجغرافي حدثت أكبر الحقول عند نقطتين في نصفي الكرة الشمالي والجنوبي ليس بعيداً عن القطبين المغناطيسيين، لقد حدث أضعف مجال على طول خط الاستواء المغناطيسي، حيث لوحظت أقل قيمة على ساحل المحيط الأطلسي في أمريكا الجنوبية.

تظهر العديد من الحقائق حول مجال الأرض من خريطة المجال الكلي، أولاً ثنائي القطب الذي يقترب منه لا يتماشى تماماً مع محور الدوران، ويقع أقطاب ثنائي القطب تقريباً في شمال كندا وعلى ساحل القارة القطبية الجنوبية بدلاً من القطبين الجغرافيين، هذا يعني أن ثنائي القطب يميل بعيداً عن محور الدوران في خط الطول الجغرافي الذي يمر عبر شرق الولايات المتحدة.

إن الميل الدقيق لثنائي القطب الأفضل تمركزاً هو 11 درجة بعيداً عن القطب الشمالي الجغرافي باتجاه أمريكا الشمالية عند خط طول 71 درجة غرباً من غرينتش، وتشير خريطة المجال الكلي أيضاً إلى أن المجال لا يتمركز تماماً في الأرض؛ لأنه إذا كان كذلك فيجب أن تكون شدة المجال ثابتة تقريباً على طول خط الاستواء.

إن الوصف الرياضي لحقل متجه على سطح الكرة معقد للغاية، وفي دراسات مجال الأرض يتم ذلك عادةً عن طريق توسعات متعددة الأقطاب، ويُفترض أن الحقل مصنوع من تراكب الحقول من سلسلة من الأقطاب الموجودة في مركز الأرض إن القطب الأول في هذا التمدد هو أحادي القطب يقابل قطباً واحداً فقط من المغناطيس.

نظراً لعدم ملاحظة أي احتكار مغناطيسي على الإطلاق لا يتم استخدام هذا المصطلح، المصطلح التالي هو ثنائي القطب ثم رباعي القطب وهكذا، وعندما يتم وصف مجال الأرض بهذه الطريقة وجد أن المصطلح ثنائي القطب يمثل أكثر من 90 بالمائة من المجال، وإذا تم طرح المساهمة من ثنائي القطب المركزي من الحقل المرصود، فإن المتبقي يسمى المجال غير ثنائي القطب أو الشذوذ الجيومغناطيسي الإقليمي.

تُظهر الخرائط الحالية للشذوذ الإقليمي لمختلف مكونات المجال المغناطيسي أن هناك حداً أقصى كبير ي جنوب المحيط الأطلسي وفي منغوليا، ويمكن تفسير هذا الشذوذ جزئياً عن طريق موازنة أفضل ثنائي القطب بطريقة مناسبة، كما تؤثر الحالات الشاذة مثل هذا على قراءات البوصلة في المناطق القطبية، وتؤثر على الجسيمات المحاصرة في المجال الخارجي، كما أنها مسؤولة عن الفصل بين مواقع الأقطاب ثنائية القطب والأقطاب المغناطيسية الأرضية.

المسوحات المغناطيسية لحقل الأرض:

تم إجراء المسوحات المغناطيسية لحقل الأرض بدقة متزايدة لأكثر من 100 عام، وفي الآونة الأخيرة تم إجراؤها وفقاً لجدول زمني مدته 10 سنوات تقريباً، ولكل مسح من الممكن تحديد مكونات المجال ثنائي القطب وغير ثنائي القطب، لقد وجد أن كلاهما يتغير بشكل منهجي مع مرور الوقت.

في الوصف متعدد الأقطاب لحقل الأرض يتضح أن تأثيرات الأقطاب ذات الترتيب الأعلى تنخفض بسرعة أكبر مع المسافة من تأثيرات الأقطاب ذات الترتيب الأدنى، إن مجال أحادي القطب على سبيل المثال يتناقص كمربع المسافة العكسي وثنائي القطب كمكعب عكسي وهكذا.

بسبب هذه الخاصية قد يُتوقع أن تكون الأجزاء الخارجية من حقل الأرض ثنائي القطب محض تقريباً، ومع ذلك تظهر ملاحظات المركبات الفضائية الأخيرة أن هذا ليس صحيحاً، وينحرف الحقل جذرياً عن حقل ثنائي القطب على ارتفاعات قليلة فقط من أنصاف أقطار الأرض.

لا تشير الملاحظات السطحية إلى حدوث تشويه كبير في مجال الأرض بالقرب من الكوكب، وتتيح تقنية التوسع متعدد الأقطاب فصل المجال السطحي المرصود إلى أجزاء منشأ داخلية وخارجية للأرض، عندما يتم حساب متوسط ​​الملاحظات السطحية على مدى عدة سنوات يتم إنتاج أقل من 1 في المائة من الحقل السطحي بواسطة مصادر خارجية، وبالتالي فإن وجود تشويه خارجي يثير الدهشة.

المجال المغناطيسي الخارجي للأرض:

يُظهر التكوين الفعلي للمجال المغناطيسي الخارجي للأرض كما تم تحديده مؤخراً بواسطة المركبات الفضائية إسقاطات لخطوط المجال المغناطيسي في فترة الظهيرة حتى منتصف الليل في وقت قريب من الاعتدال، في هذا الوقت يكون محور دوران الأرض عمودياً على خط الأرض والشمس.

سيتم إمالة المحور ثنائي القطب بمقدار 11 درجة أخرى أو ناقص حسب الوقت من اليوم، وعلى جانب يوم من الأرض ينتهي المجال المغناطيسي للكوكب على مسافة حوالي 10 (Re)، (حيث Re هو نصف قطر خط الاستواء للأرض حوالي 6،378 كيلو متر)، وتسمى الحدود الموجودة في هذه النقطة بالإيقاف المغناطيسي (كسر في المجال المغناطيسي)، وخارج هذه الحدود توجد الحقول المغناطيسية والجسيمات، ولكنها تنتمي إلى الغلاف الجوي للشمس وليس إلى الغلاف الجوي للأرض، أما في الجانب الليلي يتم سحب المجال المغناطيسي إلى ذيل طويل يتكون من فصين مفصولين بواسطة ورقة 14(Re)سميكة من الجسيمات تسمى ورقة البلازما.

إن لوح البلازما له حد داخلي حوالي (11 Re) خلف الأرض، كما أن لها حدود علوية وسفلية كما هو موضح، إن إسقاط هذه الحدود على الأجزاء الشمالية والجنوبية من الغلاف الجوي عند خط عرض مغناطيسي يبلغ حوالي 67 درجة يتوافق مع منطقتين تدعى الأشكال البيضاوية الشفقية في الجانب الليلي، ويظهر الشفق القطبي والشفق الأسترالي (الشفق القطبي الشمالي والأضواء الجنوبية) داخل المناطق المحددة بأقدام هذه الخطوط الميدانية، وينجم عن قصف الغلاف الجوي بواسطة جزيئات مشحونة نشطة.

على جانب اليوم تنقسم خطوط المجال المغناطيسي من خطوط العرض العالية، فبعضها يعبر خط الاستواء، بينما يعبر البعض الآخر فوق القبعات القطبية، وتسمى المناطق التي تنقسم فيها خطوط الحقل بالشرفات القطبية، كما يؤدي إسقاط النتوءات القطبية على الغلاف الجوي عند خط عرض مغناطيسي بحوالي 72 درجة إلى تكوين الأشكال البيضاوية الشفقية بجانب النهار.

يمكن رؤية الشفق القطبي في هذه المناطق في ساعات الشتاء المظلمة، لكنها أضعف بكثير منها في الليل؛ لأن الجسيمات التي تنتجها لديها طاقة أقل بكثير، وإسقاطات فصي الذيل المغناطيسي على الغلاف الجوي هي القمم القطبية، كما يوجد في منتصف مجال الأرض العديد من الحدود والمناطق المهمة الأخرى التي لا يمكن اكتشافها من خلال ملاحظات المجال المغناطيسي، وبالقرب من الأرض (1–2 Re) يوجد حزام إشعاع فان ألين الداخلي والذي يتكون من جزيئات نشطة للغاية ناتجة عن الأشعة الكونية، ويتركز في حوالي (4-5 Re) حزام (Van Allen) الخارجي الذي تم إنشاؤه من جسيمات مشحونة من أصل شمسي وغلاف جوي.

أيضا إن هذه المسافة هي البلازما وهي حدود في بلازما الأرض (غاز بارد نسبياً يتكون من أعداد متساوية من الإلكترونات والأيونات الموجبة)، وعلى هذا النحو فإنه يشكل في الواقع حداً في المجال الكهربائي لكوكب الأرض.