Wandernder Magnetpol • Igor Ivanov • Populäre wissenschaftliche Aufgaben zu den "Elementen" • Physik

Wanderender Magnetpol

Aufgabe

Viele Menschen wissen von Kindheit an, dass magnetische Pole nicht mit geografischen zusammenfallen und dass sie sich mit der Zeit entlang der Erdoberfläche bewegen. Dies liegt daran, dass das Erdmagnetfeld (Erdmagnetfeld) durch dynamische Prozesse im Erdinneren erzeugt wird, sich etwas bewegt, kriecht und wenn dieser Prozess dynamisch ist, hängen seine Auswirkungen auch von der Zeit ab. Der wissbegierige Leser hat wahrscheinlich sogar gehört, dass der magnetische Nordpol Kanada jetzt zum Arktischen Ozean verlassen hat, und bei dieser Geschwindigkeit der Bewegung wird er in ein paar Jahrzehnten in Sibirien ankommen. Diese Beschreibung kann den Eindruck erwecken, dass sich der magnetische Nordpol sanft und langsam bewegt. Aber selbst im Maßstab eines Tages steht es nicht still, sondern "läuft" unter dem Einfluss von Störungen der Erdmagnetosphäre hin und her, die durch Sonneneinstrahlung verursacht werden.

In Abb. Abbildung 1 zeigt das Magnetfeld des Erdmagnetfeldes für den 27. Mai, das an der kanadischen Station Resolute Bay erhalten wurde, die nicht so weit vom magnetischen Nordpol entfernt ist. Dies ist ein ziemlich typisches Bild für eine Situation, in der eine ruhige magnetische Umgebung in der Mitte des Tages einer mäßig starken magnetischen Störung unterliegt.Hinweis: Hier wird nicht der absolute Wert des geomagnetischen Feldes angezeigt, sondern seine Änderung innerhalb eines Tages. Die Daten werden in allen drei Koordinaten angezeigt. Alle Werte sind in Einheiten von nTl (Nanotesla) angegeben. Zum Vergleich: Der Durchschnittswert des gesamten Erdmagnetfeldes an dieser Station beträgt 0,58 G (Gauss), also 58 Mikrotesla.

Abb. 1. Die tageszeitliche Änderung des Erdmagnetfeldes in allen drei Koordinaten, sowie seine volle Größe, laut der kanadischen Station Resolute Bay (für 27. Mai 2015). Zeitplan von intermagnet.org

Betrachtet man dieses Magnetogramm und bedenkt man, dass das Magnetfeld im Bereich des magnetischen Nordpols etwa die gleichen Schwingungen erfährt, bewertenIn welcher Entfernung verschiebt sich der magnetische Nordpol innerhalb eines Tages (kommt dann aber wieder zurück).


Hinweis

Wie bei jedem Bewertungsproblem brauchen wir hier keine genaue Antwort zu erhalten. Es ist nur notwendig, das Wesen des Phänomens zu erfassen, zu verstehen, worauf es ankommt und wie es berechnet wird, und dann eine vernünftige Schätzung in der Größenordnung zu geben.

Wir erhalten typische Veränderungen im Magnetfeld, fragen uns aber nach der Position des Magnetpols. Denken Sie deshalb zuerst darüber nach, was eigentlich ein magnetischer Pol ist, wie er lokal charakterisiert wird.Die Tatsache, dass der Pfeil eines Kompasses irgendwo weit weg zeigt, ist sicherlich gut, aber für uns ist es irrelevant. Wir müssen verstehen, was die genaue Position des magnetischen Pols auf der Erdoberfläche kennzeichnet. Zeichnen Sie gegebenenfalls ein Bild der Kraftlinien. Stellen Sie sich danach vor, dass ein zusätzliches Feld dieses Bild überlagert hat (es ist im Allgemeinen das Bild), und überlegen Sie, wie die Position des Magnetpols darauf reagieren wird.


Lösung

Betrachten Sie zunächst das allgemeine schematische Bild der Kraftlinien des Erdmagnetfeldes (Abb. 2). An verschiedenen Orten auf der Erdoberfläche hat das Magnetfeld eine vertikale und horizontale Komponente, und die Kompassnadel ist exakt entlang der horizontalen gebaut. Der magnetische Pol ist definitionsgemäß ein Ort auf der Erdoberfläche, an dem die Feldlinien streng vertikal ausgerichtet sind. (Nur für den Fall, lassen Sie uns warnen, dass der geomagnetische Pol ein bisschen anders ist. Es wird etwas komplizierter bestimmt und stimmt nicht mit dem magnetischen Pol überein.)

Abb. 2 Stromlinien des Erdmagnetfeldes: allgemeine schematische Ansicht. Abbildung von der Website nasa.gov

In Abb. 3 links ist schematisch dargestellt, wie die Feldlinien in der Nähe dieses Ortes orientiert sind. Rechts am Pol ist die horizontale Komponente des Feldes. Bx = 0. Wenn Sie sich von ihm entfernen, wird er ungleich Null und wächst proportional zur Entfernung x. Dies kann natürlich in Form von präzisen Formeln geschrieben werden, aber diese Abhängigkeit muss von sich aus aus den Zahlen intuitiv klar sein und ergibt sich unmittelbar aus der allgemeinen Vorstellung, wie die Kraftlinien divergieren. Im Gegensatz dazu ändert sich das vertikale Feld in der Nähe des Pols fast nicht.

Abb. 3 Auf der linken Seite: Ausrichtung der Feldlinien in der Nähe des Magnetpols. Rechts: wenn ein externes horizontales Feld angelegt wird, verschiebt sich die Polposition

Das haben wir verstanden Bx ~ xaber uns fehlt der Proportionalitätsfaktor. Schauen wir uns das Bild nochmal an. 2 und die allgemeine Konfiguration der Felder darstellend, kann dieser Koeffizient wie folgt geschätzt werden:

Hier R – Dies ist der Radius der Erde, der einzige geeignete Parameter der Dimension der Länge, die wir haben. In der Tat, von der allgemeinen Figur. 2 Damit das horizontale Feld mit dem vertikalen vergleichbar wird, müssen wir uns vom Pol um eine Entfernung in der Größenordnung des Erdradius entfernen. Eine genauere Formel (Dipolfeld) ergibt ebenfalls einen Faktor von 3/2, der für Bewertungsprobleme nicht wichtig ist.

Nächster Schritt. Lassen Sie ein externes Zusatzfeld Δ diesem Feld überlagern.Bhorizontal ausgerichtet (das zusätzliche vertikale Feld ändert nichts). Dann verschiebt sich das ganze Bild der Kraftlinien wie in Abb. 3, rechts. Dies bedeutet, dass sich die Position des Magnetpols um eine Entfernung verschiebt, die aus derselben Formel berechnet wird:

Es bleibt übrig, die Zahlen zu ersetzen. Nach den Graphen zu urteilen, war der gesamte Bereich der Oszillationen der horizontalen Komponente des Feldes an der Station Resolute Bay ΔB ≈ 250 nT. Zusammen mit dem allgemeinen Feld und dem Radius der Erde ergibt dies eine Entfernung von etwa 30 km. Unter Berücksichtigung der ungefähren Art der Berechnung können wir folgern: Die genaue Position des magnetischen Pols ist nicht festgelegt, sondern bewegt sich innerhalb eines Tages in einer Entfernung von Dutzende von Kilometern.


Nachwort

Die obige Bewertung wird durch die Daten bestätigt. Natürlich geht niemand mehrmals am Tag direkt zur Stange und rennt ihm nicht über das arktische Eis nach und markiert jede Stunde seine neue Position. Diese Position wird anhand der Messwerte von Magnetometern verschiedener Stationen wiederhergestellt (Abb. 4, links). Die Intraday-Bewegung des Pols ist ziemlich unregelmäßig und hängt sehr stark vom Zustand der Magnetosphäre der Erde ab, aber wenn sie über viele Tage gemittelt wird, ergibt sie ungefähr eine Ellipse (Abb. 4, rechts).Bei der Mittelung über das Jahr verschwinden diese Oszillationen vollständig, wodurch Geophysiker die langsame mehrjährige Poldrift verfolgen können.

Abb. 4 Auf der linken Seite: Die Schwingungen des magnetischen Feldes an der Station ermöglichen es, die Richtung zum magnetischen Pol in Echtzeit zu verfolgen. Rechts: ungefähr eine solche Ellipse beschreibt den magnetischen Nordpol an einem Tag. Bilder von geomag.bgs.ac.uk und ses-wa.asn.au

Es muss jedoch gesagt werden, dass der magnetische Nordpol insbesondere in den letzten Jahrzehnten nicht so langsam ist. Nachdem er mehrere Jahrhunderte lang zwischen mehreren eisbedeckten Inseln im Norden Kanadas "zertreten" hatte, "erwachte" er Ende des 20. Jahrhunderts zum Leben und "eilte" über den Ozean nach Sibirien (Abb. 5). In den letzten Jahren beträgt seine Driftgeschwindigkeit 55 km / Jahr. Da wir sein Verhalten jedoch noch nicht lange vorhersagen können, ist es völlig unbekannt, wo er zum Beispiel in einem halben Jahrhundert sein wird.

Abb. 5 Die Bewegung des magnetischen Nordpols im vergangenen Jahrhundert. Braune Kreise zeigt die Messergebnisse, Punkte – Die Ergebnisse der modernen Modellierung. Bild von en.wikipedia.org

Jetzt ist es an der Zeit zu erklären, warum Sie generell die Position des Pols und ganz allgemein den Zustand des Erdmagnetfeldes überwachen müssen. Der erste Grund ist rein praktisch: Navigation.Es scheint, dass jetzt, in der Ära von GPS und Google Maps, niemand mehr durch das Magnetfeld geführt wird. Dies ist nicht der Fall; die Konturen der magnetischen Deklination sind auf vielen professionellen See- und topographischen Karten eingezeichnet und dienen eigentlich zur Navigation. Die Ausrichtung der Feldlinien wird manchmal sogar beim Richtungsbohren verwendet. Aufgrund der Bewegung der Pole und Veränderungen im gesamten Feld verändern sich diese Linien in einem Jahrzehnt merklich. Daher gibt es einen speziellen Service, der alle fünf Jahre aktualisierte Karten für geomagnetische Parameter veröffentlicht. Karten ab dem Jahr 2015 mit Erklärungen finden Sie beispielsweise im Bildungsbereich Geomagnetismus auf der Website des Geologischen Dienstes Großbritanniens.

Noch wichtiger ist die Verfolgung schneller Magnetfeldschwingungen, um die Situation in der Magnetosphäre der Erde zu überwachen, was sich wiederum auf bodengestützte Ausrüstung, Funkkommunikation und auch auf Raumfahrzeuge auswirkt. Die Position des Pols selbst spielt hier keine besondere Rolle, Hauptsache das geomagnetische Gesamtbild wird lokal oder global wiederhergestellt. Aber die langfristigen Trends sind einfach praktisch, um genau durch die Position des Pfostens zu verfolgen.Die Gründe für diese langsamen Veränderungen sind unterschiedlich – nicht extern (die Magnetosphäre), sondern intern, bezogen auf Vorgänge im Inneren der Erde. Tatsächlich ist das Erdmagnetfeld eines der wenigen Werkzeuge, mit denen Sie mithilfe von Oberflächenmessungen in die Tiefen der Erde blicken können. Es gibt eine große Anzahl komplexer Probleme, beginnend mit der Tatsache, dass wir nicht gut genug verstehen, wie das Magnetfeld dort erzeugt wird, und mit der Vorhersage seiner Veränderungen enden.

Unter all diesen Fragen gibt es ein Thema, das die besondere Aufmerksamkeit der Öffentlichkeit auf sich zieht – die Schwächung des jetzt beobachteten Erdmagnetfeldes und das Potenzial für eine Umkehrung. Die Diskussionen hier erreichen Panikmeldungen, Nachrichten und sogar Katastrophenfilme. Im Allgemeinen ist dieses Thema sehr groß (Methoden der Beobachtung, Rechenmathematik, aktuelle Daten, Paläomagnetismus), und wir werden nicht darauf eingehen. Wir können nur sagen, ja, das Magnetfeld ist jetzt im Durchschnitt auf der Erde mit einer Rate von etwa 20 nT / Jahr, also um 5% pro Jahrhundert schwächer. Diese Veränderung ist natürlich ungleich: irgendwo wächst das Feld. Aus diesem Grund gibt es jetzt ziemlich genaue Daten von den drei Swarm-Satelliten, die im November 2013 in die Umlaufbahn gebracht wurden (Abb. 6).

Abb. 6 Änderungen des Erdmagnetfeldes in der ersten Jahreshälfte 2014 laut der Swarm-Satellitengruppe. Bild von earthobservatory.nasa.gov

Diese Daten können jedoch keinesfalls als Bestätigung für alarmierende Stimmungen dienen (in unrealistischen Szenarien von Katastrophenfilmen muss die denkende Öffentlichkeit wahrscheinlich nicht überzeugt werden). Die Geschwindigkeit des Wandels ist so groß, dass es zu einer spürbaren Abschwächung in mehreren Jahrhunderten kommen kann. Noch wichtiger ist, dass diese Änderungen Teil der chaotischen Fluktuationen des Feldes sind, so dass es sinnlos ist, diese Daten für so lange Zeiträume zu extrapolieren. Denke nicht, dass es in der Erde einen bestimmten Magneten gibt, der plötzlich geschwächt oder ausgeschaltet wurde, und dass dadurch das Feld geschwächt wird. Das Magnetfeld der Erde entsteht aus einer ausgedehnten Quelle und enthält viele Komponenten mit unterschiedlicher räumlicher Abhängigkeit. Diese Komponenten werden neu verteilt, und irgendwo (zum Beispiel innerhalb der Erde) wird das Feld größer, irgendwo kleiner. Diese Prozesse sind noch wenig bekannt, und eine sorgfältige Überwachung des Erdmagnetfeldes und insbesondere der Position der Pole sollte dabei helfen.

Im Allgemeinen ist dieses Thema sehr umfangreich und interessant.Wir berührten nur ihren äußersten Rand, und dann kann ein interessierter Leser A. I. Dyachenkos Broschüre "Magnetic Poles of the Earth" sowie ein ausführlicheres populärwissenschaftliches Buch (wenn auch noch nicht übersetzt) ​​Ronald T. Merrill, Unsere magnetische Erde, beraten .


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