میدان مغناطیسی زمین

دید کلی
در هر نقطه‌ای در نزدیکی سطح زمین ، عقربه مغناطیسی آویزان از رشته یا واقع روی یک نقطه به ترتیب خاصی سمت گیری می‌کند (تقریبا در جهت شمال به جنوب). این واقعیت مهم به این معنا است که زمین میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند، مطالعه میدان مغناطیسی زمین برای مقاصد عملی و علمی از اهمیتی اساسی برخودار است.

از زمانهای قدیم ، قطب نماها ، یعنی وسایلی بر اساس استفاده از میدان مغناطیسی زمین برای سمت گیری نسبت به چهار جهت اصلی ، بکار گرفته می‌شدند. قطب نمای مرسوم شامل یک عقره مغناطیسی و یک صفحه مدرج است و در جهت یابیها کاربرد وسیعی دارد.

 

از میدان مغناطیسی زمین چه استفاده‌هایی می‌شود؟
در دریانوردی و هوانوردی جدید ، دیگر قطب نمای مغناطیسی تنها وسیله‌ای برای سمت گیری و تعیین مسیر کشتی یا هواپیما نیست. برای این منظور وسایل دیگری نیز وجود دارد. با وجود این ، از اهمیت قطب نمای مغناطیسی به هیچ وجه کاسته نشده است. تمام کشتیها و هواپیماهای امروزی به قطب نمای مغناطیسی مجهزند. زمین شناسان ، شکارچیان و مسافران نیز از قطب نما خیلی استفاده می‌کنند. وجود میدان مغناطیسی زمین انجام پاره‌ای از بررسیهای مهم دیگر را میسر ساخته است. از آن جمله می‌توان از روشهای اکتشاف و مطالعه ذخایر آهن نام برد.

قطبهای مغناطیسی زمین
مغناطیس زمین
پیرامون زمین را میدان مغناطیسی که ماینوتسفر یا مغناطو کره نامیده می‌شود احاطه نموده است. باید توجه داشت که نقاط به هم رسیدن خطوط میدان مغناطیسی روی سطح زمین قرار ندارد، بلکه قدری از آن پایینتر هستند. همچنین قطبهای مغناطیسی زمین با قطبهای جغرافیایی آن منطبق نیستند. محور میدان مغناطیسی زمین ، یعنی خط مستقیمی که از هر دو قطب مغناطیسی می‌گذرد، از مرکز زمین نمی‌گذرد و از اینرو قطر زمین نیست. مغناطو کره توسط دو عامل مشخص می‌شود: انحراف مغناطیسی و شیب مغناطیسی.
انحراف مغناطیسی عبارت است از زاویه انحراف عقربه مغناطیسی از نصف النهار جغرافیایی مورد نظر. خطوط واصل نقاط دارای انحراف مغناطیسی مساوی که خطوط هم گوشه نام دارند، در جنوب و شمال قطبین مغناطیسی که مخالف قطبین جغرافیایی است، همگرا می شود. برخی از محققان ، عدم تطابق قطبهای مغناطیسی و جغرافیایی را به توزیع نایکنواخت خشکی و آب در زمین توجیه می‌نمایند.
شیب مغناطیسی عبارت است از زاویه میان عقربه مغناطیسی نسبت به افق (در نیمکره شمالی سر شمالی عقربه و در نیمکره جنوبی عقربه به افق متمایل می شود). ضمن حرکت از استوا به سوی قطبین ، شیب مغناطیس افزایش می یابد. خط واصل نقاط دارای شیب صفر استوای مغناطیسی نام دارد . استوای مغناطیسی ، استوای جغرافیایی را در دو نقطه، یکی با ۱۶۹˚ طول شرقی و دیگری با ˚۲۳ طول غربی به جنوب و در نیمکره شرقی به شمال منحرف می گردد. در قطبین مغناطیسی شیب به ˚۹۰ می رسد.

 

مغناطش خود بخودی مواد در میدان مغناطیسی زمین
از مغناطش خودبخودی مواد در میدان مغناطیسی زمین استفاده‌های زیادی می‌شود. از جمله در ساخت مینهای مغناطیسی است که در عمق معینی زیر سطح آب قرار می‌دهند و با عبور کشتی از بالای آنها منفجر می‌شود. ساز و کاری که باعث صعود مین به سطح و انفجار آن می‌شود وقتی عمل می‌کند که عقربه مغناطیسی که می‌تواند حول میله‌ای افقی بچرخد، بر اثر میدان مغناطیسی کشتی که از بالای مین می گذرد، بتواند بگردد. معلوم شده است که کشتی همیشه خودبخود آهنربا می‌شود. برای محافظت در مقابل مینهای مغناطیسی دو روش بکار می‌برند:
مین روبی
این روش عبارت است از حمل مغناطیس نیرومندی که با طنابهای سیمی از هواپیمای در حال پرواز در ارتفاع کم در منطقه مین گذاری شده آویزان می‌شود. گاهی کابل سیمی دایره شکلی را بطور شناور روی آب قرار می‌دهند و جریانی از آن می‌گذرانند. بر اثر میدان مغناطیسی یا جریان ، ساز و کار مینها عمل می‌کند و بدون هیچ خسارتی منفجر می‌شوند.
خنثی سازی میدان مغناطیسی کشتی
این روش به این ترتیب است که حلقه هایی از سیم عایق بندی شده را به کشتی وصل می‌کنند و جریانی را از آنها می‌گذرانند، بطوری که میدان مغناطیسی این جریان مساوی و در خلاف جهت میدان مغناطیسی کشتی (که یک مغناطیس دائمی است) باشد. وقتی که این میدانها باهم ترکیب شوند، همدیگر را خنثی می‌کند و کشتی بدون اینکه ساز و کار مین را به کار اندازد از روی آن می‌گذرد.
آنچه باید بدانیم
• از مدتها پیش (قرن شانزدهم) معلوم شده است که شبکه پنجره قائم به مرور زمان آهنربا می‌شود.
• یکی از اولین پژوهشگران میدان مغناطیسی زمین ، گیلبرت (Gilbert) آزمایش زیر را در کتاب خود شرح داده است. اگر شخصی به یک میله آهنی که از شمال به جنوب قرار گرفته است با چکش بکوبد، میله آهنربا می‌شود.
• در تدارک پرواز به قطب شمال ، بیشترین توجه به سمت گیری هواپیما در نزدیکی قطب مبذول می‌شود، زیرا قطبهای مغناطیسی معمولی در این فاصله به کلی از کار کردن باز می‌ماند و عملا بدون استفاده هستند.

ميدان مغنا طيسی زمين
از ۴۰۰ سال پيش بشر می دانست که اگر ا هن ربا ئی را از نقطه ای بياويزدهرکدام از دو سر ا هن ربا همواره در راستای شما ل و جنوب جغرا فيا ئی می ايستدقطبی از اهنربا که در راستای شمال جغرا فيايی است قطبN و ديگری را قطب S نا ميد ند . و علت ان رفتا ر اهن ربا را وجود ميدان مغنا طیسی زمين دانستند.
گيلبرت (۱۶۰۳-۱۵۴۴)يکی از فيزيکدانان پيشگامی بود که پی به وجود ميدان مغنا طيسی زمين برد وی نشان داد که اگر ميله اهنی را در راستای شمال وجنوب قرار دهيم وبررويش بکوبيم ان ميله اهن ربا خواهد شد.وی همچنين برای اثبات وجودميدان مغنا طيسی زمين يک اهنربا را درون کره ای قرار داد ونام ان راTerrllaکه به لاتين به معنای زمين کو چک بود گذاشت و سپس يک قطب نما را بر روی ان حرکت داد که مشاهده نمود اگر قطب نما بموازات سطح ترلا قرار گيرد جهت عقربه مغنا طيسی همواره ثا بت است . که نشان ميداد عقربه تحت تاثير ميدان مغنا طيسی اهن ربای درون کره است.

در واقع کره زمين ما نند يک اهنربا ی قوی عمل می کند که قطب N ان در جنوب جغرا فيا ئی قرار دارد( که می تواند قطب S اهن ربا ها را به سمت خود منحرف کند ) و قطب S اهن ربای درون زمين در شمال جغرافيا يی قرار دارد (که قطب N اهن ربا را به سمت خود منحرف سا زد).
همه خطوط ميدان مغناطيسی در نيمکره شمالی در نقطه ای با مختصات ۷۵۰۵۰Nو۹۶۰wاست که به ان قطب جنوب مغناطيسی گفته می شود به هم ميرسند .اين خطوط در نيمکره جنوبی در نقطه ا ی با مختصا ت ۱۵۰۰۴۵E۷۰۰ ۱۰SR
به هم می رسند که به ان نقطه قطب شمال مغناطيسی زمين گفته ميشود.
از انجا که محور مغنا طيسی زمين ( خطی که بطور مستقيم ازدو قطب مغناطيسی
زمين می گذرد) کا ملا بر محور دوران زمين ( خطی که از دو قطب شمال و جنوب جغرافيايی می گذرد) منطبق نيست بنا بر اين يک عقربه مغنا طيسی که مما س بر محور مغنا طيسی زمين می ايستد نمی تواند جهت شمال و جنوب جغرافيا يی زمين را دقيقا تعيين نمايد.
ميدان مغنا طيسی زمين رابا سه مولفه مغنا طيسی مشخص ميکنند
۱– ميل مغناطيسی: از انجايی که خطوط ميدان مغنا طيسی زمين بر سطح زمين منطبق نيستند همواره بين شدت ميدان مغنا طيسی زمين و سطح افقی زاويه وجود دارد که به ان زاويه ميل مغنا طيسی گفته می شود.که حرف i ان را نشان ميدهند.
۲- زاويه انحراف مغناطيسی:
به صفحهای که بر روی ان عقربه مغناطيسی قرار دارد صفحه نصف النهارمغناطيسی وبه زاويه بين ان وصفحه نصف النهار جغرافيايی زاويه انحراف مغنا طيسی گويند که در هر منطقه متفاوت خواهد بود . دانستن مقدار زاويه انحراف مغناطيسی برای دريانوردان وخلبانان بسيار مهم است
زيرا انها در مسير يابی به نصف انهار جغرافيايی ااحتياج دارند درحاليه بوسيله قطب نما جهت نصف انهار مغنا طيسی را پيدا ميکنند بنابراين اگر از ميزان انحراف اگاه باشند با تصحييح بر روی جهت نصف النهار مغناطيسی به نصف النهار جغرافيايی دست می يابند

۳-مولفه افقی ميدان مغنا طيسی: که با تجزيه ميدان مغنا طيسی بدست می ايد
جابجايی قطبهای مغناطيسی زمين
دانشمندان ا ز ديرباز ميدانستند که قطب مغناطيسي زمين حرکت ميکند. جيمز روس(james ross نخستيننشده بود چهار سال در يخهاي قطب به دام بيافتد انجام داده بود . در سال ۱۹۰۴روالد اماند سون دوباره محل قطب شمال را تعيين نمود ومتوجه شد که محل قطب شمال به اندازه۵۰ کيلومتر جابجا شده است در نقشه زيرجابجايي محل قطب در طي سالهاي مختلف نشان داده شده است.همانطور که در نقشه هم معلوم است سرعت حرکت قطب اوايل هر۱۰کيلومتر در يک سال بود و بعدها به ۴۰کيلومتر در سال رسيد.
ايا روزی ممکن است ميدان مغناطيسی زمين کا ملا از بين برود؟

وقتی انجمن زمين شناسی ايالت متحده امريکا از کم شدن دور زدن عقربه مغنا طيسی در افريقا به اندازه ۱/. درجه کم شده و ميدان مغنا طيسی ۱۰درصد از قرن نوزدهم ضعيفتر شده برای جرايد اين سوال پيش امد که ايا ممکن است روزی ميدان مغناطيسی زمين از بين برود.
در جواب اين سوال پروفسور گری گلاتز ماير (gary Gratsmaier) از دانشگاه کاليفرنيا ميگويد با توجه به مطالعه مغناطيس در زمانهای گذ شته (علمpaleomagnetism) می بينيم که ميدان مغناطيسی در اعصار گذشته گاهی در حال افزايش وگاهی در حال کاهش است ودر واقع امروزه کره زمين دارای بيشترين شدت ميدان مغناطيسی خوددر تاريخش است.
هرگاه در نقطه ای از کره زمين مقدار کميتهای مغناطيسی (انحراف مغناطيسی-ميل مغناطيسیـ مولفه افقی بردار مغناطيسی) بطور فاحشی با نقا ط مجاورش فرق کند اصطلاحا گفته می شود که نا هنجاری مغنا طيسی اتفاق افتاده و احتمالادر ان نقطه از زمين مخازن ارزشمندی از سنگهای معدن مغنا طيسی مانند سنگ اهن وجود دارد. استفاده از اين روش در کشف ذخاير معدنی بسيار مفيد است.
معمولا مقدار سه کميت مغنا طيسی در طی روز وسال تغييرات جزئی دارند . ولی گاهی اوقات در ميدان مغناطيسی ودر نتيجه در مولفه های ان(سه کميت) به مدت ۶ يا ۱۲ ساعت تغييرات ناگهانی رخ می دهد که اصطلاحا به ان توفان مغناطيسی می گويند اين توفانها معمولا هر ۵/۱۱سال تکرار می شوند .و بسيار جالب است که پديده هايی مانند شفقهای قطبی و لکه های خورشيدی و انتشار موجهای راديويی نيز دارای دوره های ۵/۱۱ ساله هستند.که نشان دهنده ارتبا ط بين انها است.
اثر ميدان مغناطيسی زمين در ايجاد کمربند ون الن(van allen)يا پديده شفق قطبی:
هرگا ه ذره بارداری در ميدان مغنا طيسی زمين قرار گيرد از طرف ميدان بر ان ذره نیروی لورنتس اعمال ميشود
الفا F=qvBSIN
F=نیروی لورنتس
q=با ر ذره
v= سرعت ذره
B= شدت ميدان مغنا طيسی زمين
الفا = زاويه بين ميدان و سرعت ذره
ميدانيم که در نتيجه اندرکنش هسته ای درون خورشيدو طو فانهای خورشيدی بطور مداوم ذرات پر انرژی با سرعت ۵۰۰KM/S در فضاگسيل ميشوندودا امر سبب می گردد که سيلی از اين ذرات به سمت زمين بيا يد ودر دام حوزه های مغنا طيسی زمين فتند

از انجا ئی که در قطبين شد ت ميدان مغنا طيسی بيشينه است نيروی لورنتس وارد بر ذرات بنيادی بسيار بزرگ است .
اگر يک گروه پروتون يا الکترون يطور عمود وارد ميدان مغنا طيسی شونداز طرف ميدان بر ذرات يک نيرو ی عمودی ومرکز گرا بنام نيروی لو رنتس وارد خواهد شد
که سبب حرکت دورانی پروتونها می شود.
f=m.V۲/r

F=qvb
با برابر گرفتن دو رابطه فوق خواهيم داشت: r=mv/qB
يعنی ذرات درمسير دورانی به شعاعr شروع به حرکت میکنندو مسير حرکتشان
بدورخطوط ميدان مغنا طیسی زمين خواهد بود بعضی از
ذرات که بطور موازی با ميدان به زمين می رسند( الفا=صفر) هيچ نيروئی بر انها از طرف
ميدان مغنا طيسی زمين وارد نمی شود و نيروی لورنتس وارد بر ا نها صفر
ميشود و بر می گردند بنابراين تعداد بیشما ری ذره در حوزه های قطبی
زمين در رفت و امد هستند وچون در قطبين ما نند سا يرنقا ط مختلف زمين
هوا موجود است اين ذرات به