השדה המגנטי של כדור הארץ
מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
השדה המגנטי של כדור הארץ הינו מעין מגנט דו-קוטבי ששני קטביו סמוכים לקוטב הצפוני ולקוטב הדרומי.
קו דימיוני החוצה את כדור הארץ ומחבר את שני הקטבים המגנטיים הינו בזווית של 11.3° ביחס לציר הסיבוב של כדור הארץ.
הסיבה לשדה המגנטי מוסברת, קרוב לודאי, על ידי "תאורית הדינמו".
השפעת השדה המגנטי של כדור הארץ מורגשת עשרות אלפי קילומטרים בחלל - אזור המכונה מגנטוספירה.
תוכן עניינים |
[עריכה] הקטבים המגנטיים
קיימים שני סוגים של קטבים בהקשר של השדה המגנטי:
- הקטבים המגנטיים
שתי נקודות נגדיות על פני כדור הארץ, בהן השדה המגנטי הינו אנכי לפני כדור הארץ: בזווית של 90°+ בקוטב הצפוני ושל 90°- בקוטב הדרומי. מצפן טיפוסי שיכול לנוע אך ורק במישור המאוזן - למעשה לא יפעל, ולכן יצביע על כיוון אקראי. - הקטבים הגאומגנטיים
הנקודות בהן הציר של הדיפול המגנטי של כדור הארץ חותכות את פני כדור הארץ.
אם השדה המגנטי של כדור הארץ היה מגנט דו-קוטבי מושלם - הקטבים המגנטיים היו חופפים אל הקטבים הגאומגנטיים. אולם, הדו-קוטביות של כדור הארץ איננה "מושלמת" ולכן קיים מרחק בין הקטבים המגנטיים לבין הקטבים הגאומגנטיים.
מבחינה פיזיקלית, הקוטב המגנטי הצפוני של כדור הארץ הוא למעשה קוטב מגנטי דרומי, ולהפך.
F = כיוון ועוצמה מוחלטת של הכוח המגנטי.
H = הרכיב האופקי - לכיוון זה תצביע מחט המצפן.
Z = הרכיב האנכי.
D = נטייה מגנטית (Declination) - הזווית שבין הרכיב האופקי (H) לבין הצפון הגאוגרפי.
I = שיפוע מגנטי (Inclination) - הזווית שבין כיוון הכוח המגנטי המוחלט (F) לבין הרכיב האופקי (H).
[עריכה] תכונות השדה המגנטי, וסיבות היווצרותו
השדה המגנטי דומה כביכול לשדה מגנטי של מוט מגנט, אבל הסיבות להיווצרותו שונה לגמרי מאשר במוט מגנט:
המגנטיות במוט מגנט נוצרת עקב ספינים מתואמים של אלקטרונים ושל גרעיני האטומים בברזל.
לעומת זאת, בליבת כדור הארץ הטמפרטורה גבוהה מאוד - יותר מאשר 1043°K (770°C) - נקודת קירי של הברזל. כל ברזל בטמפרטורה גבוהה כל כך יאבד את תכונות המגנט שלו, וכיווני הספינים יהפכו להיות אקראיים. לכן, השדה המגנטי של כדור הארץ איננו יכול להיווצר עקב מיגנוט של הברזל בליבת כדור הארץ.
התאוריה המקובל הינה "תאורית הדינמו": זרמים חשמליים נוצרים בליבה הנוזלית החיצונית Liquid outer core של כדור הארץ (מסומנת בצבע צהוב בתרשים 2) עקב סיבוב כדור הארץ סביב צירו. הזרמים החשמליים יוצרים שדה מגנטי לפי חוקי האלקטרומגנטיות. מישור ומהירות סיבוב המתכת הנוזלית בליבת כדור הארץ נתונים לשינויים, ולכן מיקום הקוטב המגנטי אינו קבוע בזמן.
קיים הבדל נוסף בין כדור הארץ לבין מוט מגנט: המגנטוספירה. זרמים חשמליים מושרים הנוצרים במרחקים גדולים מכדור הארץ - יוצרים אף הם שדה מגנטי - בעיקר בצד הפונה אל השמש (תרשים 1) מה שגורם לשינויים בשדה המגנטי במהלך היממה - תרשים 6.
[עריכה] רכיבי הכוח המגנטי
הכוח המגנטי כפי שהוא נמדד בנקודה מסוימת על פני כדור הארץ (F בתרשים 3), ניתן להפריד לרכיב אופקי (H בתרשים 3) ולרכיב אנכי (Z בתרשים 3). מחט המצפן תצביע אל כיוון הרכיב האופקי (H).
הזווית שבין הרכיב האופקי של הכוח המגנטי לבין הצפון הגאוגרפי נקרא נטייה מגנטית Declination (D בתרשים 3). הזווית שבין כיוון הכוח המגנטי המוחלט לבין הרכיב האופקי נקרא שיפוע מגנטי Inclination (I בתרשים 3).
[עריכה] עוצמת השדה המגנטי וכיוונו
עוצמת השדה המגנטי בגובה פני הקרקע משתנה מאזור לאזור, החל מאזורים על פני כדור הארץ בהם העוצמה פחות מאשר 30 מיקרוטסלה ועד לאזורים בהם 60 מיקרוטסלה. בדרך כלל באזורים הקרובים לקטבים עוצמת השדה גדולה יותר - תרשים 4.
כיוון השדה המגנטי, כאמור, הינו לפי כיוון הקו הדימיוני שמחבר את שני הקטבים המגנטיים. לכן ככל שמתקרבים לקטבים המגנטיים, הרכיב האנכי (מסומן באות Z בתרשים 3) הולך וגדל, ואילו הרכיב האופקי (מסומן באות H בתרשים 3) הולך וקטן - תרשים 5. בקטבים המגנטיים עצמם, השדה המגנטי הינו אנכי לפני כדור הארץ, ומצפן טיפוסי שיכול לנוע אך ורק במישור האופקי - למעשה לא יפעל, ולכן יצביע על כיוון אקראי.
בכל נקודה על פני כדור הארץ, הזווית שבין הרכיב האופקי של השדה המגנטי לבין הצפון הגאוגרפי - מכונה נטייה מגנטית Magnetic declination (מסומן באות D בתרשים 3).
באזורים שונים על פני כדור הארץ, עומצת השדה המגנטי המקומי וכיוונו מושפעים גם מגורמים סביבתיים סמוכים למקום המדידה, כגון משקעי ברזל או משקעי בזלת עשירים בברזל המצויים בקרקעית האוקיינוס במקומות מסוימים. תופעה זו הייתה מוכרת בניווט הימי כבר במאה ה-18. גופי מתכת גדולים מעשה ידי אדם - מכונות, כלי רכב וכיוצ"ב - יכולים גם הם להשפיע אם הם קרובים אל מקום המדידה.
| עוצמת השדה המגנטי בגובה פני הקרקע - בחצי הצפוני של כדור הארץ (הערכים מבוטאים במיקרוטסלה): | |
|
|
[עריכה] מדידת השדה המגנטי
מדידת עוצמת השדה המגנטי וכיוונו מבוצעת באמצעות מכשיר מגנטומטר. מכשיר זה מודד ורושם לאורך הזמן את:
- עוצמת השדה המגנטי המקומי - גודל מוחלט וחלוקה לרכיבים במרחב התלת ממדי (רכיב אופקי צפוני, רכיב אופקי מזרחי, רכיב אנכי).
- כיוון השדה המגנטי - גודל מוחלט, ואת הנטייה המגנטית - שהיא הזווית שבין הרכיב האופקי של השדה המגנטי לבין הצפון המגנטי.
מכיוון שהשדה המגנטי איננו אחיד, נדרשות מדידות רבות כדי לאמוד את השדה המגנטי. המדידה מבוצעת באמצעות כ-200 תחנות מדידה קרקעיות קבועות בכל העולם ועוד כמה ניידות, וכן באמצעות לוויינים. בישראל קיימות כיום 3 תחנות מדידה (המכונות מיצפים מגנטיים) שמופעלות על ידי המרכז למיפוי ישראל בהר חרמון, בבר גיורא ובאילת (בעבר הייתה תחנה באמציה שנסגרה).
[עריכה] שימוש במצפן לאיתור כיוון הצפון
בניגוד למה שנהוג לחשוב, מחט המצפן איננה מצביעה לכיוון הקוטב המגנטי הצפוני. המחט מצביעה לכיוון הרכיב האופקי של השדה המגנטי (מסומן באות H בתרשים 3), וזה לא בהכרח כיוון הקוטב המגנטי הצפוני.
כדי לאתר את כיוון הצפון הגאוגרפי באמצעות שימוש במצפן, נדרש לדעת מה הנטייה המגנטית באותו מקום, ולבצע תיקון זווית.
ערך מורחב – נטייה מגנטית
בעלי חיים, בהם ציפורים, לווייתנים, דולפינים וצבים, יכולים לחוש בשדה המגנטי של כדור הארץ. משערים שעופות נודדים משתמשים בשדה המגנטי לניווט דרכם.
[עריכה] המגנטוספירה
- ערך מורחב – מגנטוספירה
המגנטוספירה של כדור הארץ הינה אזור בחלל, שצורתו מושפעת מהשינויים בשדה המגנטי של כדור הארץ, מרוח השמש המורכבת מחלקיקים טעונים ומהשדה המגנטי הבין-פלנטרי. המגנטוספירה מגנה על פני כדור הארץ מפני חלקיקים טעונים המגיעים מרוח השמש.
[עריכה] שינויים בשדה המגנטי
[עריכה] נדידת הקטבים המגנטיים
הקטבים המגנטיים אינם קבועים, אלא נעים כל שנה ממקום למקום. הקוטב המגנטי הצפוני ותנועת הקוטב המגנטי הדרומי אינן קשורות זו לזו - תרשים 6. בשנים האחרונות, הקוטב המגנטי הצפוני נע לכיוון צפון-מערב בקצב של כ-40 ק"מ בשנה. שני הקטבים המגנטיים אינם נמצאים בנקודות גאוגרפיות מנוגדות זו לזו. לאחרונה, המרחק בין הקוטב המגנטי ובין הקוטב הגאוגרפי - בדרום גדול יותר בהרבה מאשר בצפון.
| שנה | הקוטב הצפוני | הקוטב הדרומי | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| גאוגרפי | מגנטי | גאומגנטי | גאוגרפי | מגנטי | גאומגנטי | |||
| 2005 | 90.0°N | 83.2°N 118.3°W | 79.7°N 71.8°W | 90.0°S | 64.5°S 137.9°E | 79.7°S 108.2°E | ||
| 2001 | 90.0°N | 81.3°N 110.8°W | 90.0°S | 64.7°S 138.0°E | ||||
| 1994 | 90.0°N | 78.3°N 104.0°W | 90.0°S | |||||
| 1984 | 90.0°N | 77.0°N 102.3°W | 90.0°S | |||||
| 1973 | 90.0°N | 76.0°N 100.6°W | 90.0°S | |||||
| 1962 | 90.0°N | 75.1°N 100.8°W | 90.0°S | |||||
| 1948 | 90.0°N | 73.9°N 100.9°W | 90.0°S | |||||
קיימת גם תנועתיות מחזורית יומית. כך למשל הקוטב המגנטי הצפוני יכול לנוע עד כ-85 ק"מ צפונה ודרומה במהלך יממה אחת. הסיבה לשינויים אלה: השפעת המגנטוספירה.
ציר הזמן בכיוון מלמטה כלפי מעלה, הערכים מבטאים מיליוני שנים.
שחור = תקופה בה המחט הצפונית של המצפן מצביעה לכיוון צפון, לבן = לכיוון דרום.
ציר הזמן בכיוון מלמטה כלפי מעלה, הערכים מבטאים מיליוני שנים.
שחור = תקופה בה המחט הצפונית של המצפן מצביעה לכיוון צפון, לבן = לכיוון דרום.
[עריכה] סערות גאומגנטיות
- ערך מורחב – סערה גאומגנטית
בעת פעילות מוגברת מאוד של השמש נגרמים שינויים מהירים בשדה המגנטי של המגנטוספירה מה שגורם לתופעה הקרויה סערה גאומגנטית, וזה עלול להשפיע על השדה המגנטי במקומות רבים, ובמקרים קיצוניים - אף לגרום הפרעות ללוויינים, לשידורי רדיו, לקווי מתח גבוה ועוד.
תופעת זוהר הקוטב נגרמת ביונוספירה (חלק מהאטמוספירה) בעת סערות מגנטיות.
[עריכה] שינויים בעוצמת השדה המגנטי והיפוכי כיוון
עוצמת השדה המגנטי של כדור הארץ נמדדה לראשונה על ידי קרל פרידריך גאוס בשנת 1835 ובכ-150 השנים האחרונות נמדדה הפחתה בעוצמה בשיעור של כ-10%, כאשר קצב הירידה בעוצמת השדה המגנטי מואץ בשנים האחרונות.
על-פי חקר של זרימות לבה היסטוריות במקומות שונים בעולם, הגיעו למסקנה שעוצמת השדה המגנטי משתנה לאורך השנים, ואף כיוון השדה המגנטי של כדור הארץ מתהפך מפעם לפעם: היו תקופות היסטוריות בהן מחט המצפן הייתה מצביעה לכיוון דרום. בין היפוך להיפוך חולפת תקופה שאורכה בין עשרות אלפים ועד למיליוני שנים (בממוצע כ-250 אלף שנה בין כל היפוך). ההיפוך האחרון קרה לפני כ-780 אלף שנים, ארוע המכונה היפוך ברונהס-מצויאמה Brunhes-Matuyama reversal - תרשים 7. המדענים תיעדו ארועים רבים נוספים של היפוך שדה מגנטי בתקופות קדומות יותר - תרשים 8.
ארוע של היפוך כיוון שדה מגנטי אורך בין מאות לאלפי שנים, מלווה בדרך כלל בירידת עוצמתו של השדה המגנטי, עד להיפוך כיוון צפון מגנטי - דרום מגנטי, ולאחר מכן עלייה מהירה בעוצמת השדה המגנטי.
ההפחתה בעוצמת השדה בכ-150 השנים האחרונות איננה מבשרת כלל היפוך קרוב של השדה המגנטי, כי בין היפוך אחד למישנהו ישנן עוד עליות וירידות רבות בעוצמת השדה שאינן קשורות להיפוכים.
אין עדות להכחדה של צורות חיים בתקופות של ירידה בעוצמת השדה המגנטי. מינים קדומים של האדם - כגון ההומו ארקטוס ואף אבותיו הקדמונים - שרדו מספר היפוכי כיוון של השדה המגנטי. המגנטוספירה אומנם מגנה על פני כדור הארץ מפני חלקיקים טעונים המגיעים מרוח השמש, אך גם האטמוספירה מגינה מפני אותם חלקיקים.
[עריכה] הסיבות להיפוכי הכיוון של השדה המגנטי
קיימים חילוקי דעות בנושא. מדענים רבים סבורים, שהיפוכי הכיוון הינם פועל יוצא של תאורית הדינמו. באמצעות סימולציה ממוחשבת, ניתן לראות שקווי השדה המגנטי עלולים להסתבך ולאבד צורה עקב תנועת מתכת נוזלית בצורה בלתי אחידה בליבת כדור הארץ - תרשימים 9א'-9ד' - מה שגורם לחוסר יציבות ולהיפוך כיווני השדה המגנטי[1].
תימוכין להשערה זו: השדה המגנטי של השמש, אשר מתהפך כל 7-15 שנים.
מיעוט מקרב המדענים טוען שההיפוכים אינם ספונטניים, אלא נגרמים עקב ארועים חיצוניים המשבשים את הזרימה בליבת כדור הארץ, כגון תנועת ההלוחות הטקטוניים בקרום כדור הארץ, המשפיעה על השכבות מתחתיה.
| תרשימים 9א'-9ד' - סימולציה במחשב על לתאור קווי השדה המגנטי קווים כחולים / כתומים = "צפון מגנטי" / "דרום מגנטי" או להפך (תלוי באיזה היפוך מדובר). גארי גלאצמייר Gary Glatzmaier - מעבדה לאומית לוס אלאמוס Los Alamos National Laboratory. |
|
מצב "רגיל" בין היפוכי כיוון |
כ-500 שנים לפני היפוך כיוון |
במהלך היפוך הכיוון |
כ-500 שנים לאחר היפוך כיוון |
[עריכה] שימושים מעשיים בשדה המגנטי של כדור הארץ
השימוש השכיח ביותר הינו כמובן שימוש במצפן לאיתור הצפון. להלן שימושים נוספים, חלקם עדיין בשלבי מחקר:
[עריכה] חיזוי רעידות אדמה
שימוש במדידת השדה המגנטי כשיטה אפשרית לחיזוי רעידות אדמה נוסתה במדינות שונות (ארצות הברית, יפן, רוסיה, סין וטורקיה). ברעידות אדמה יש שחרור לחצים בקרום כדור הארץ במקום מסוים, מה שיכול להשפיע בין היתר על השדה המגנטי המקומי. בכמה מקומות נרשמו מקרי הצלחה בהם נרשמו שינויים קטנים בשדה המגנטי בגודל של כמה עשיריות ננוטסלה, לפני רעידת האדמה. הבעיה היא ששינויים אלה הינם קטנים מדי ביחס לכלל השינויים בשדה המגנטי שנוצרים במהלך היממה ממקורות אחרים. לשם כך פותחו מגנטומטרים חדשים שאמורים להתגבר על הקשיים האלה [2]
[עריכה] הפקת אנרגיה מהשדה המגנטי
רבים ניסו לנצל את השדה המגנטי של כדור הארץ כדי להפיק אנרגיה, ביניהם בנג'מין פרנקלין (המאה ה-18, מדען מהאבות המייסדים של ארצות הברית) וקרומבל וארלי (המאה ה-19, מהנדס טלגרף), אולם עד היום לא נמצאה דרך מעשית לנצל את השדה המגנטי לשם הפקת אנרגיה.
שימושים אפשריים בחלל: הפקת זרם חשמלי על ידי תנועה של רכיבים אלקטרומגנטיים דרך שדה מגנטי במגנטוספירה. כך ניתן יהיה בחלל להפוך אנרגיה קינטית לאנרגיה חשמלית ולהפך.
[עריכה] קישורים חיצוניים
- מגנטומטריה - המרכז למיפוי ישראל.
- שינויים בכוון הצפון המגנטי בישראל - בוריס שירמן, יוסי מלצר - המרכז למיפוי ישראל.
- השדה המגנטי נחלש והצפון עשוי להפוך לדרום - הארץ.
- תוכנית הגאומגנטיזם (אנגלית) - USGS הסקר הגאולוגי של ארצות הברית.
- גאומגנטיזם (אנגלית) - NOAA - הסוכנות הלאומית לאוקינוסים ולאטמוספירה - ארצות הברית.
- גאומגנטיזם - הקוטב הצפוני (אנגלית) - הסקר הגאולוגי של קנדה.
- גאומגנטיזם (אנגלית) - הסקר הגאולוגי הבריטי.
- האם המצפן יצביע דרומה? (אנגלית) - ויליאם ברוד, ניו יורק טיימס.
- סערות מגנטיות (אנגלית) - PBS.
[עריכה] ראו גם
[עריכה] הערות שוליים
- ^ גאודינאמו (אנגלית) - גארי גלאצמייר Gary Glatzmaier, מעבדה לאומית לוס אלאמוס, ארצות הברית.
- ^ מערכת משולבת של מגנטומטר וראדון לניטור תופעות גאודינמיות - המרכז למיפוי ישראל.
