Pengembaraan Kutub Magnet • Igor Ivanov • Tugas sains popular mengenai "Unsur" • Fizik

Tarik Magnet Kutub

Tugas

Ramai orang tahu sejak zaman kanak-kanak bahawa tiang magnet tidak bertepatan dengan geografi, dan juga dari masa ke masa mereka bergerak di sepanjang permukaan bumi. Ini disebabkan oleh medan magnet bumi (medan geomagnetik) dihasilkan oleh proses dinamik di dalam bumi, sesuatu bergerak, merayap, dan jika proses ini dinamik, kesannya juga bergantung pada masa. Pembaca yang ingin tahu mungkin pernah mendengar bahawa kutub magnet utara kini telah meninggalkan Kanada ke Lautan Artik, dan pada kadar gerakan ini, dalam beberapa dekad ia akan tiba di Siberia. Keterangan ini boleh menimbulkan kesan bahawa tiang magnet utara bergerak lancar dan perlahan. Tetapi pada hakikatnya, walaupun pada skala satu hari, ia tidak berhenti, tetapi "berjalan" ke belakang dan seterusnya di bawah pengaruh gangguan di magnetosfer bumi, yang disebabkan oleh pendedahan matahari.

Dalam ara. 1 menunjukkan magnetogram medan geomagnet pada 27 Mei, yang diperoleh di stesen Kanada Resolute Bay, yang terletak tidak jauh dari tiang magnet utara. Ini adalah gambaran biasa bagi keadaan di mana persekitaran magnet yang tenang pada pertengahan hari memberi laluan kepada gangguan magnetik yang agak kuat.Nota: di sini bukanlah nilai mutlak medan geomagnetik yang ditunjukkan, tetapi perubahan intra-hari, dan data ditunjukkan dalam ketiga-tiga koordinat. Semua nilai diberikan dalam unit nTl (nanotesla). Sebagai perbandingan: nilai purata medan geomagnetik di stesen ini ialah 0.58 G (Gauss), iaitu 58 microtesla.

Rajah. 1. Perubahan intra-hari bidang geomagnetik dalam ketiga-tiga koordinat, serta magnitud penuh, menurut stesen Kanada Resolute Bay (27 Mei 2015). Jadual dari intermagnet.org

Melihat magnetogram ini dan mengingat bahawa medan magnet mengalami kira-kira getaran yang sama di rantau kutub magnet utara, kadar, di mana jarak kutub magnet utara beralih (tetapi kemudian kembali) dalam sehari.


Petunjuk

Seperti dalam sebarang masalah penilaian, kita tidak perlu mendapatkan jawapan tepat di sini. Ia hanya perlu memahami intipati fenomena, untuk memahami apa yang ia bergantung kepada dan bagaimana untuk mengiranya, dan kemudian memberikan anggaran munasabah mengikut magnitud.

Kami diberi perubahan tipikal dalam medan magnet, tetapi tanya kami tentang kedudukan kutub magnet. Oleh itu, pertama sekali, fikirkan tentang apa sebenarnya kutub magnet, bagaimana ia dicirikan di dalam negara.Hakikat bahawa anak panah dari kompas menunjuknya di suatu tempat jauh pasti baik, tetapi bagi kita ia tidak relevan. Kita perlu memahami apa yang mencirikan lokasi sebenar tiang magnet di permukaan bumi. Sekiranya perlu, lukiskan garis-garis kuasa. Selepas itu, bayangkan bahawa medan tambahan telah ditumpahkan pada gambar ini (secara umum, gambar menunjukkan), dan fikirkan bagaimana kedudukan tiang magnet akan bertindak balas terhadap ini.


Penyelesaian

Untuk memulakan, lihatlah gambaran skematik umum garis kuasa medan geomagnetik (Rajah 2). Di tempat yang berlainan di permukaan Bumi, medan magnet mempunyai komponen menegak dan mendatar, dan jarum kompas dibina tepat di sepanjang satu mendatar. Tiang magnet, mengikut definisi, adalah tempat di permukaan bumi di mana garis medan kelihatan tegak secara menegak. (Sekiranya berlaku, amalkan bahawa tiang geomagnetik sedikit berbeza. Ia ditentukan sedikit lebih rumit dan tidak bertepatan dengan kutub magnet.)

Rajah. 2 Garis kuasa medan geomagnetik: pandangan skema umum. Gambar dari laman web ini.gov

Dalam ara. 3, di sebelah kiri, ditunjukkan secara skematik bagaimana garis medan berorientasikan di tempat ini. Betul di kutub adalah komponen mendatar lapangan. Bx = 0. Apabila bergerak jauh dari itu, ia menjadi nonzero dan bertumbuh secara berkadar dengan penyingkiran x. Ini, tentu saja, boleh ditulis dalam bentuk formula yang tepat, tetapi dengan sendirinya pergantungan ini mestilah jelas secara intuitif dari angka-angka dan secara langsung dari idea umum tentang bagaimana garis-garis kekuatan menyimpang. Bidang menegak, sebaliknya, hampir tidak berubah di sekitar kutub.

Rajah. 3 Di sebelah kiri: orientasi garis medan berhampiran kutub magnet. Hak: apabila menggunakan medan mendatar luaran, kedudukan tiang berubah-ubah

Kami mendapatnya Bx ~ xtetapi kita kekurangan faktor perkadaran. Sekali lagi, lihat gambar itu. 2 dan mewakili konfigurasi umum medan, pekali ini dapat dianggarkan seperti berikut:

Di sini R – Ini adalah radius Bumi, satu-satunya parameter yang sesuai bagi dimensi panjang, yang kami ada. Sesungguhnya, dari angka umum. 2 agar agar bidang mendatar menjadi setanding dengan yang menegak, kita perlu bergerak dari tiang dengan jarak perintah jejari Bumi. Rumus yang lebih tepat (medan dipol) juga memberikan faktor 3/2, yang tidak penting untuk masalah penilaian.

Langkah seterusnya. Biarkan medan tambahan luaran Δ diletakkan di medan ini.B, diarahkan secara mendatar (medan menegak tambahan tidak akan mengubah apa-apa). Kemudian gambaran keseluruhan garis daya akan beralih seperti yang ditunjukkan dalam Rajah. 3, di sebelah kanan. Ini bermakna kedudukan tiang magnet akan beralih dengan jarak yang dikira dari formula yang sama:

Ia kekal untuk menggantikan nombor-nombor itu. Dilihat oleh graf, pelbagai ayunan penuh komponen mendatar lapangan di stesen Resolute Bay adalah ΔB ≈ 250 nT. Bersama-sama dengan medan umum dan radius Bumi, ini memberikan jarak kira-kira 30 km. Memandangkan jenis pengiraan, kita dapat membuat kesimpulan: kedudukan tepat tiang magnet tidak tetap, tetapi bergerak dalam sehari ke satu dan kejauhan jauh puluhan kilometer.


Selepas perkataan

Penilaian di atas disahkan oleh data. Sudah tentu, tidak ada orang yang pergi terus ke kutub beberapa kali sehari dan tidak mengejarnya melewati ais Artik, menandakan kedudukan barunya setiap jam. Kedudukan ini dipulihkan mengikut bacaan magnetometer dari stesen yang berbeza (Rajah 4, kiri). Pergerakan intraday tiang agak tidak teratur dan sangat kuat bergantung kepada keadaan magnetosfera bumi, tetapi apabila purata selama beberapa hari ia kira-kira memberikan elips (Rajah 4, kanan).Apabila rata-rata sepanjang tahun, ayunan ini hilang sepenuhnya, yang membolehkan ahli geofizik mengesan drift kutub berbilang tahun yang perlahan.

Rajah. 4 Di sebelah kiri: ayunan medan magnet di stesen itu memungkinkan untuk mengesan masa sebenar arah ke kutub magnet. Hak: kira-kira seperti elips menggambarkan kutub magnet utara dalam sehari. Imej dari geomag.bgs.ac.uk dan ses-wa.asn.au

Walau bagaimanapun, ia mesti dikatakan bahawa tiang magnet utara tidak begitu perlahan, terutamanya dalam beberapa dekad kebelakangan ini. Selepas dia "menginjak-injak" di antara beberapa pulau yang dilitupi ais di utara Kanada selama beberapa abad, dia secara mendadak "hidup" pada akhir abad ke-20 dan "bergegas" menyeberangi lautan ke arah Siberia (Rajah 5). Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, kelajuan dramnya adalah 55 km / tahun. Walau bagaimanapun, kerana kita tidak dapat meramalkan tingkah lakunya untuk masa yang lama, ia tidak diketahui sepenuhnya di mana ia akan menjadi, misalnya, dalam setengah abad.

Rajah. 5 Pergerakan tiang magnet utara sepanjang abad yang lalu. Bulatan coklat menunjukkan hasil pengukuran, titik – Keputusan pemodelan moden. Gambar dari en.wikipedia.org

Sekarang adalah masa untuk menjelaskan mengapa anda biasanya perlu memantau kedudukan tiang dan, secara amnya, keadaan medan geomagnetik. Alasan pertama adalah praktikal: navigasi.Nampaknya sekarang, di era GPS dan Peta Google, tiada siapa yang dibimbing oleh medan magnet. Ini tidak berlaku; kontur dari deklinasi magnet yang diplot pada banyak laut profesional dan peta topografi dan sebenarnya berfungsi untuk navigasi. Orientasi garisan medan kadang kala digunakan dalam penggerudian arah. Oleh kerana pergerakan tiang dan perubahan dalam bidang secara keseluruhan, garis-garis ini berubah secara nyata pada skala dalam satu dekad. Oleh itu, terdapat perkhidmatan khas yang melancarkan peta parameter geomagnet yang dikemas kini setiap lima tahun. Peta pada 2015 bersama-sama dengan penjelasan boleh dijumpai, contohnya, dalam bahagian pendidikan geomagnetisme di laman web Penyiasatan Geologi Great Britain.

Lebih penting lagi ialah pengesanan ayunan pantas medan magnet untuk memantau keadaan di magnetosfera Bumi, yang seterusnya mempengaruhi peralatan berasaskan darat, komunikasi radio, dan juga penting untuk kapal angkasa. Kedudukan tiang itu sendiri tidak memainkan peranan khas di sini, perkara utama adalah untuk memulihkan gambar geomagnetik keseluruhan, secara tempatan atau global. Tetapi trend jangka panjang hanya mudah untuk menjejaki dengan tepat oleh kedudukan tiang itu.Alasan perubahan yang perlahan ini berbeza – bukan luaran (magnetosfera), tetapi dalaman, yang berkaitan dengan proses di dalam bumi. Malah, bidang geomagnetik adalah salah satu alat langka yang membolehkan anda melihat ke dalam kedalaman bumi dengan menggunakan ukuran permukaan. Terdapat banyak masalah rumit, bermula dengan fakta bahawa kita tidak faham dengan cukup baik bagaimana medan magnet dihasilkan di sana, dan berakhir dengan ramalan perubahannya.

Di antara semua soalan-soalan ini, terdapat satu topik yang menarik perhatian khusus orang awam – kelemahan yang diperhatikan dalam bidang geomagnetik dan potensi untuk pembalikan. Perbincangan di sini mencapai mesej panik, berita dan bahkan filem bencana. Secara umum, topik ini sangat besar (kaedah pemerhatian, matematik pengiraan, data semasa, paleomagnetism), dan kita tidak akan masuk ke dalamnya. Kita hanya boleh mengatakan bahawa ya, medan magnet kini rata-rata pada kelemahan bumi pada kadar sekitar 20 nT / tahun, iaitu, 5% setiap abad. Perubahan ini, tentu saja, tidak sekata: di mana bidang berkembang. Pada akaun ini sekarang terdapat data yang cukup tepat yang diperolehi oleh tiga satelit Swarm dilancarkan ke orbit pada November 2013 (Rajah 6).

Rajah. 6 Perubahan dalam bidang geomagnetik pada separuh pertama 2014 mengikut kumpulan satelit Swarm. Imej dari earthobservatory.nasa.gov

Walau bagaimanapun, data-data ini tidak boleh berfungsi sebagai pengesahan perasaan penggangu (dalam senario yang tidak realistik filem-filem bencana, orang awam mungkin tidak perlu yakin). Kadar perubahan adalah sedemikian rupa sehingga kelemahan yang ketara dapat terjadi pada skala beberapa abad. Lebih penting lagi, perubahan ini adalah sebahagian daripada turun naik huru-hara lapangan, jadi tidak masuk akal untuk mengekang data ini untuk jangka waktu yang lama. Jangan berfikir bahawa di dalam Bumi ada magnet tertentu, yang tiba-tiba lemah atau dimatikan, dan akibatnya terdapat kelemahan lapangan. Medan magnet bumi timbul dari sumber lanjutan dan mengandungi banyak komponen dengan kebergantungan ruang yang berlainan. Komponen-komponen ini disebarkan semula, dan akibatnya, di suatu tempat (misalnya, di dalam Bumi) bidang menjadi lebih besar, di suatu tempat yang lebih kecil. Proses-proses ini masih kurang difahami, dan pemantauan yang teliti terhadap medan geomagnetik dan, khususnya, kedudukan tiang, harus membantu dengan ini.

Secara umum, topik ini sangat luas dan menarik.Kami hanya menyentuh kelebihannya, dan kemudian pembaca yang berminat boleh menasihati A. Dyachenko's "Polis Magnet di Bumi", serta buku sains popular yang lebih terperinci (walaupun belum diterjemahkan) Ronald T. Merrill, Bumi Magnetik kami .


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: