Wandering Magnetic Pole • Igor Ivanov • Nhiệm vụ khoa học phổ biến trên “Yếu tố” • Vật lý

Wandering Magnetic Pole

Nhiệm vụ

Nhiều người biết từ thời thơ ấu rằng các cực từ không trùng với các cột địa lý và cũng theo thời gian chúng di chuyển dọc theo bề mặt trái đất. Điều này là do từ trường của Trái đất (từ trường địa từ) được tạo ra bởi các quá trình động trong nội địa của Trái Đất, một thứ gì đó di chuyển, creep và nếu quá trình này là động, hiệu ứng của nó cũng phụ thuộc vào thời gian. Người đọc tò mò thậm chí có thể đã nghe nói rằng cực từ cực bắc đã rời Canada đến Bắc Băng Dương, và với tốc độ chuyển động này, trong vài thập kỷ, anh ta sẽ tới Siberia. Mô tả này có thể tạo ra ấn tượng rằng cực từ bắc di chuyển trơn tru và từ từ. Nhưng trên thực tế, ngay cả trên quy mô của một ngày, nó không đứng yên, nhưng "đi" qua lại dưới ảnh hưởng của các rối loạn trong từ quyển trái đất, gây ra bởi tiếp xúc với năng lượng mặt trời.

Trong hình. 1 cho thấy từ trường của trường địa từ vào ngày 27 tháng 5, thu được tại trạm Resolute Bay của Canada, nằm cách cực bắc từ cực xa. Đây là một bức tranh điển hình cho một tình huống mà một môi trường từ tính yên tĩnh vào giữa ngày tạo ra một sự xáo trộn từ trường mạnh vừa phải.Lưu ý: ở đây nó không phải là giá trị tuyệt đối của trường địa từ được hiển thị, nhưng thay đổi trong ngày của nó, và dữ liệu được hiển thị trong cả ba tọa độ. Tất cả các giá trị được tính theo đơn vị nTl (nanotesla). Để so sánh: giá trị trung bình của tổng từ trường địa từ tại trạm này là 0,58 G (Gauss), tức là 58 microtesla.

Hình 1. Sự thay đổi trong ngày của từ trường địa từ trong cả ba tọa độ, cũng như cường độ đầy đủ của nó, theo trạm Resolute Bay của Canada (ngày 27 tháng 5 năm 2015). Lên lịch từ intermagnet.org

Nhìn vào từ tính này và xem xét rằng từ trường trải qua xấp xỉ các dao động tương tự trong vùng cực bắc, tỷ lệ, ở khoảng cách cực bắc từ tính thay đổi (nhưng sau đó trở lại) trong vòng một ngày.


Gợi ý

Như trong bất kỳ vấn đề đánh giá nào, chúng tôi không cần phải nhận được một số câu trả lời chính xác ở đây. Nó chỉ là cần thiết để nắm bắt bản chất của hiện tượng, hiểu những gì nó phụ thuộc vào và làm thế nào để tính toán nó, và sau đó đưa ra một ước tính hợp lý theo thứ tự độ lớn.

Chúng ta có những thay đổi điển hình trong từ trường, nhưng hỏi chúng ta về vị trí của cực từ. Vì vậy, trước hết, hãy nghĩ về những gì thực sự là một cực từ, làm thế nào nó được đặc trưng tại địa phương.Thực tế là mũi tên của một la bàn trỏ đến nó ở đâu đó xa chắc chắn là tốt, nhưng đối với chúng tôi nó không liên quan. Chúng ta cần phải hiểu những gì đặc trưng cho vị trí chính xác của cực từ trên bề mặt trái đất. Nếu cần thiết, vẽ một hình ảnh của các dòng lực. Sau đó, hãy tưởng tượng rằng một trường bổ sung đã chồng lên hình ảnh này (nó nói chung, hình ảnh hiển thị), và suy nghĩ về cách vị trí của cực từ sẽ phản ứng với điều này.


Giải pháp

Để bắt đầu, hãy xem sơ đồ tổng quát của các đường sức mạnh của trường địa từ (Hình 2). Ở những nơi khác nhau trên bề mặt Trái đất, từ trường có thành phần thẳng đứng và nằm ngang, và kim la bàn được xây dựng chính xác dọc theo mặt ngang. Cột từ tính, theo định nghĩa, là một nơi trên bề mặt trái đất, nơi các đường trường nhìn thẳng theo chiều dọc. (Chỉ trong trường hợp, chúng ta hãy cảnh báo rằng cực địa từ có một chút khác biệt. Nó được xác định phức tạp hơn một chút và không trùng với cực từ.)

Hình 2 Đường dây điện của trường địa từ: xem sơ đồ chung. Hình từ trang nasa.gov

Trong hình. 3, bên trái, được hiển thị sơ đồ cách các đường trường được định hướng gần nơi này. Ngay tại cực là thành phần nằm ngang của trường. Bx = 0. Khi di chuyển ra khỏi nó, nó sẽ trở thành nonzero và phát triển tương ứng với việc loại bỏ x. Điều này, tất nhiên, có thể được viết dưới dạng công thức chính xác, nhưng bản thân sự phụ thuộc này phải được trực quan rõ ràng từ những con số và trực tiếp sau từ ý tưởng chung về cách các dòng lực phân kỳ. Trường đứng, ngược lại, hầu như không thay đổi trong vùng lân cận của cực.

Hình 3 Ở bên trái: định hướng của các đường trường gần cực từ. Quyền: khi áp dụng một trường ngang ngoài, thay đổi vị trí cực

Chúng tôi đã nhận Bx ~ xnhưng chúng ta thiếu yếu tố tỷ lệ. Một lần nữa, nhìn vào pic. 2 và đại diện cho cấu hình chung của các trường, hệ số này có thể được ước tính như sau:

Ở đây R – Đây là bán kính của Trái đất, thông số phù hợp duy nhất của kích thước chiều dài mà chúng ta có mặt. Thật vậy, từ hình chung. 2 để cho trường ngang để có thể so sánh với trường ngang, chúng ta cần phải di chuyển ra khỏi cực theo khoảng cách của thứ tự bán kính của Trái Đất. Một công thức chính xác hơn (trường lưỡng cực) cũng đưa ra một hệ số 3/2, không quan trọng đối với các vấn đề về đánh giá.

Bước tiếp theo. Hãy để một trường bổ sung bên ngoài Δ được chồng lên trường này.B, theo chiều ngang (trường dọc bổ sung sẽ không thay đổi bất kỳ thứ gì). Sau đó, toàn bộ hình ảnh của các dòng lực sẽ thay đổi như trong hình. 3, bên phải. Điều này có nghĩa là vị trí của cực từ sẽ dịch chuyển theo khoảng cách tính từ cùng một công thức:

Nó vẫn còn để thay thế các con số. Xét theo đồ thị, toàn bộ dao động của thành phần nằm ngang của trường tại trạm Resolute Bay là ΔB ≈ 250 nT. Cùng với lĩnh vực chung và bán kính của Trái Đất, điều này tạo ra khoảng cách khoảng 30 km. Với tính chất gần đúng của phép tính, chúng ta có thể kết luận: vị trí chính xác của cực từ không cố định, nhưng di chuyển trong vòng một ngày đến và fro ở khoảng cách hàng chục cây số.


Lời nói

Đánh giá trên được xác nhận bởi dữ liệu. Tất nhiên, không ai đi thẳng đến cực vài lần một ngày và không chạy theo anh ta trên băng Bắc Cực, đánh dấu vị trí mới của mình mỗi giờ. Vị trí này được phục hồi theo số đọc từ kế từ các trạm khác nhau (Hình 4, bên trái). Chuyển động trong ngày của cực là khá bất thường và rất mạnh phụ thuộc vào trạng thái của quyển từ quyển trái đất, nhưng khi tính trung bình trong nhiều ngày nó xấp xỉ cho một hình elip (Hình 4, bên phải).Khi tính trung bình trong năm, các dao động này biến mất hoàn toàn, cho phép các nhà địa vật lý theo dõi sự trôi dạt cực chậm nhiều năm.

Hình 4 Ở bên trái: các dao động của từ trường tại trạm làm cho nó có thể theo dõi theo thời gian thực theo hướng đến cực từ. Quyền: khoảng một hình elip như vậy mô tả cực từ phía bắc trong một ngày. Hình ảnh từ geomag.bgs.ac.uk và ses-wa.asn.au

Tuy nhiên, phải nói rằng cực từ phía bắc không quá chậm, đặc biệt là trong những thập kỷ gần đây. Sau khi ông đã "giẫm đạp" giữa một số hòn đảo phủ đầy băng ở phía bắc Canada trong nhiều thế kỷ, ông đã "sống rất" vào cuối thế kỷ 20 và "vội vã" qua đại dương về phía Siberia (Hình 5). Trong những năm gần đây, tốc độ trôi dạt của nó là 55 km / năm. Tuy nhiên, vì chúng ta không thể dự đoán được hành vi của anh ta trong một thời gian dài, hoàn toàn không biết anh ta sẽ ở đâu, ví dụ, trong nửa thế kỷ.

Hình 5 Sự chuyển động của cực bắc từ trong thế kỷ qua. Vòng tròn màu nâu cho thấy kết quả đo lường, chấm – Kết quả của mô hình hiện đại. Ảnh từ en.wikipedia.org

Bây giờ là lúc giải thích tại sao bạn thường cần theo dõi vị trí của cực và, nói chung, trạng thái của trường địa từ. Lý do đầu tiên là hoàn toàn thực tế: chuyển hướng.Có vẻ như bây giờ, trong thời đại GPS và Google Maps, không ai được hướng dẫn bởi từ trường. Đây không phải là trường hợp; các đường nét của từ chối được vẽ trên nhiều bản đồ biển và địa hình chuyên nghiệp và thực sự phục vụ cho việc điều hướng. Định hướng của các đường trường đôi khi được sử dụng trong khoan định hướng. Do sự chuyển động của các cực và những thay đổi trong lĩnh vực nói chung, những dòng này thay đổi đáng kể trên quy mô trong một thập kỷ. Do đó, có một dịch vụ đặc biệt cho phép phát hành các thông số địa từ được cập nhật mỗi 5 năm một lần. Bản đồ năm 2015 cùng với các giải thích có thể được tìm thấy, ví dụ, trong phần giáo dục về geomagnetism trên trang web của Khảo sát địa chất của Vương quốc Anh.

Quan trọng hơn, theo dõi sự biến động nhanh chóng của từ trường để theo dõi tình hình trong từ quyển Trái đất, từ đó ảnh hưởng đến thiết bị dựa trên mặt đất, thông tin vô tuyến và cũng quan trọng đối với tàu vũ trụ. Vị trí của cực chính nó không đóng một vai trò đặc biệt ở đây, điều chính là để khôi phục lại toàn bộ hình ảnh địa từ, cục bộ hoặc toàn cầu. Nhưng xu hướng dài hạn chỉ thuận tiện để theo dõi chính xác bởi vị trí của cực.Lý do cho những thay đổi chậm này là khác nhau – không phải bên ngoài (từ quyển), nhưng nội bộ, liên quan đến các quá trình trong nội địa của Trái Đất. Trong thực tế, trường địa từ là một trong những công cụ hiếm hoi cho phép bạn nhìn sâu vào trái đất bằng cách sử dụng các phép đo bề mặt. Có một số lượng lớn các vấn đề phức tạp, bắt đầu với thực tế là chúng ta không hiểu đủ cách từ trường được tạo ra ở đó, và kết thúc với dự đoán về những thay đổi của nó.

Trong số tất cả những câu hỏi này, có một chủ đề thu hút sự chú ý đặc biệt của công chúng – sự suy yếu của lĩnh vực địa từ bây giờ quan sát được và tiềm năng đảo ngược. Các cuộc thảo luận ở đây đạt được các tin nhắn, tin tức và thậm chí cả các thảm họa. Nói chung, chủ đề này là rất lớn (các phương pháp quan sát, toán học tính toán, dữ liệu hiện tại, paleomagnetism), và chúng tôi sẽ không nhận được vào nó. Chúng ta chỉ có thể nói rằng có, từ trường bây giờ là trung bình trên Trái Đất suy yếu với tốc độ khoảng 20 nT / năm, tức là, 5% mỗi thế kỷ. Sự thay đổi này, tất nhiên, không đồng đều: một nơi nào đó mà cánh đồng đang phát triển. Trên tài khoản này hiện nay có một dữ liệu khá chính xác thu được bởi ba vệ tinh Swarm được phóng vào quỹ đạo vào tháng 11 năm 2013 (Hình 6).

Hình 6 Thay đổi trong lĩnh vực địa từ trong nửa đầu năm 2014 theo nhóm vệ tinh Swarm. Hình ảnh từ earthobservatory.nasa.gov

Tuy nhiên, những dữ liệu này trong mọi trường hợp có thể đóng vai trò xác nhận tâm trạng báo động (trong các tình huống không thực tế của các thảm họa thảm họa, công chúng suy nghĩ có lẽ không nhất thiết phải bị thuyết phục). Tốc độ thay đổi là một sự suy yếu đáng chú ý có thể xảy ra trên quy mô vài thế kỷ. Quan trọng hơn, những thay đổi này là một phần của những biến động hỗn loạn của trường, do đó, vô nghĩa để ngoại suy những dữ liệu này trong một khoảng thời gian dài như vậy. Đừng nghĩ rằng bên trong trái đất có bất kỳ một nam châm cụ thể, đột nhiên bị suy yếu hoặc tắt, và kết quả là có sự suy yếu của trường. Từ trường của trái đất phát sinh từ một nguồn mở rộng và chứa nhiều thành phần với sự phụ thuộc không gian khác nhau. Các thành phần này được phân phối lại, và kết quả là, ở đâu đó (ví dụ, bên trong Trái đất), trường này trở nên lớn hơn, ở đâu đó nhỏ hơn. Các quá trình này vẫn chưa được hiểu rõ, và giám sát cẩn thận của trường địa từ và đặc biệt là vị trí của các cực, nên giúp đỡ với điều này.

Nói chung, chủ đề này rất rộng và thú vị.Chúng tôi chỉ chạm vào cạnh của nó, và sau đó một độc giả quan tâm có thể tư vấn cho cuốn sách nhỏ “Từ cực của Trái đất” của A. Dyachenko, cũng như một cuốn sách khoa học phổ biến chi tiết hơn (dù chưa được dịch) Ronald T. Merrill, Trái đất Từ của chúng ta .


Like this post? Please share to your friends:
Trả lời

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