میدان مغناطیسی زمین، زندگی روی زمین را در برابر اشعه محافظت میکند؛ اما میتواند حرکت کند و حتی قطبهای مغناطیسی میتوانند معکوس شوند
اوفر کوهن، دانشگاه ماساچوست لوفول
میدان مغناطیسی زمین نقش مهمی در محافظت از مردم در برابر اشعههای مضر و فعالیتهای ژئومغناطیسی که میتوانند بر ارتباطات ماهوارهای و عملکرد شبکههای برق تأثیر بگذارند، ایفا میکند. و این میدان در حال حرکت است.
دانشمندان قرنها به مطالعه و پیگیری حرکت قطبهای مغناطیسی پرداختهاند. حرکت تاریخی این قطبها نشانگر تغییر در هندسهٔ جهانی میدان مغناطیسی زمین است. این ممکن است حتی نشانگر آغاز یک وارونگی میدان — «معکوس شدن» بین قطبهای شمال و جنوب مغناطیسی باشد.
من فیزیکدانی هستم که به مطالعهٔ تعامل بین سیارهها و فضا میپردازم. در حالی که جابجایی کمی قطب شمال مغناطیسی مسألهای بزرگ نیست، یک وارونگی میتواند تأثیر قابلتوجهی بر اقلیم زمین و فناوری مدرن ما داشته باشد. اما این وارونگیها بهصورت ناگهانی رخ نمیدهند؛ در عوض، طی هزاران سال اتفاق میافتند.
تولید میدان مغناطیسی
پس چگونه میدانهای مغناطیسی مانند آنچه دور زمین وجود دارد، تولید میشوند؟
میدانهای مغناطیسی توسط حرکت بارهای الکتریکی تولید میشوند. مادهای که به بارها اجازه میدهد به راحتی در آن حرکت کنند، هادی نامیده میشود. فلز یک مثال از هادی است – مردم از آن برای انتقال جریانهای الکتریکی از یک مکان به مکان دیگر استفاده میکنند. خود جریان الکتریکی در اصل بارهای منفی به نام الکترونهاست که در فلز حرکت میکنند. این جریان یک میدان مغناطیسی تولید میکند.
لایههای مواد هادی در هستهٔ مایع آهنی زمین وجود دارند. جریانهای بار در سراسر هسته حرکت میکنند و آهن مایع نیز بهطور همزمان در هسته جریان و گردش دارد. این حرکات میدان مغناطیسی را تولید میکنند.
زمین تنها سیارهای نیست که میدان مغناطیسی دارد؛ سیارههای غولگاز مثل مشتری دارای لایهای از هیدروژن فلزی هادی هستند که میدان مغناطیسی خود را تولید میکند.
حرکت این لایههای هادی درون سیارات منجر به دو نوع میدان میشود. حرکات بزرگ، مانند چرخشهای مقیاسدار سیاره، به یک میدان مغناطیسی متقارن با یک قطب شمال و یک قطب جنوب منجر میشوند – مشابه یک آهنربای اسباببازی.
این لایههای هادی ممکن است در برخی نواحی بهدلیل تلاطم محلی یا جریانهای کوچکتر که با الگوی مقیاسدار همراستا نیستند، حرکات نامنظمی داشته باشند. این ناهماهنگیها میتوانند بهصورت ناهنجاریهای کوچک در میدان مغناطیسی سیاره یا در مکانهایی که میدان از یک میدان دوقطبی کامل منحرف میشود، ظاهر شوند.
این انحرافات مقیاسکوچک در میدان مغناطیسی میتوانند در طول زمان به تغییرات در میدان مقیاسبزرگ منجر شوند و حتی ممکن است به یک وارونگی کامل قطبیت میدان دوقطبی منجر شوند، بهطوری که شمال به جنوب تبدیل شود و بالعکس. اصطلاحات «شمال» و «جنوب» در این زمینه به قطبیتهای مخالف اشاره دارند – اینها با شمال و جنوب جغرافیایی ارتباطی ندارند.
مگناتوسفر زمین، حبابی محافظ
میدان مغناطیسی زمین یک «حباب» مغناطیسی به نام مگناتوسفر ایجاد میکند که بالای بالاترین بخش جو، یعنی لایهٔ یونوسفر، قرار دارد.
مگناتوسفر نقش عمدهای در محافظت از مردم ایفا میکند. این حباب از اشعههای پرانرژی و مخرب کیهانی که در انفجارهای ستارهای تولید میشوند و بهصورت پیوسته در سراسر جهان حرکت میکنند، محافظت کرده و آنها را منحرف میسازد. مگناتوسفر همچنین با باد خورشیدی که جریان گازی مغناطیسی خروجی از خورشید است، تعامل دارد.
تعامل مگناتوسفر و یونوسفر با باد خورشیدی مغناطیسی، آنچه دانشمندان «آب و هوای فضایی» مینامند را ایجاد میکند. معمولاً باد خورشیدی ملایم است و آب و هوای فضایی تقریباً یا بهطور کامل وجود ندارد.
با این حال، زمانهایی وجود دارد که خورشید ابرهای بزرگ مغناطیسی گازی به نام انفجارهای جرم کرمانی (CME) را به فضا میپراکند. اگر این انفجارهای جرم کرمانی به زمین برسند، تعامل آنها با مگناتوسفر میتواند طوفانهای ژئومغناطیسی ایجاد کند. این طوفانها میتوانند شفقها را به وجود آورند؛ شفق زمانی رخ میدهد که جریانی از ذرات پرانرژی به جو برخورد کرده و روشن میشود.
در طول رویدادهای آب و هوای فضایی، شدت اشعههای مضر در نزدیکی زمین افزایش مییابد. این اشعهها میتوانند بهطور بالقوه به ماهوارهها و فضانوردان صدمه بزنند. همچنین آب و هوای فضایی میتواند سیستمهای هادی بزرگ، مانند خطوط لوله اصلی و شبکههای برق، را با اضافهبار جریانها در این سیستمها آسیبپذیر کند.
رویدادهای آب و هوای فضایی میتوانند ارتباطات ماهوارهای و عملکرد GPS که بسیاری از مردم به آنها وابستهاند، مختل کنند.
وارونگیهای میدان
دانشمندان شکل کلی و جهتگیری میدان مغناطیسی زمین را با استفاده از اندازهگیریهای محلی جهتگیری و شدت میدان، و اخیراً با بهرهگیری از مدلها، نقشهبرداری و پیگیری میکنند.
موقعیت قطب شمال مغناطیسی از زمان اولین اندازهگیری در سال ۱۸۳۱ حدود ۶۰۰ مایل (۹۶۵ کیلومتر) جابهجا شده است. سرعت مهاجرت در سالهای اخیر از ۱۰ مایل در سال به ۳۴ مایل در سال (۱۶ km به ۵۴ km) افزایش یافته است. این تسریع میتواند نشانگر آغاز یک وارونگی میدان باشد، اما دانشمندان با داشتن کمتر از ۲۰۰ سال داده نمیتوانند این را بهدقت تعیین کنند.
میدان مغناطیسی زمین در مقیاسهای زمانی بین ۱۰۰,۰۰۰ تا ۱,۰۰۰,۰۰۰ سال وارونگی میکند. دانشمندان میتوانند با نگاه به سنگهای آتشفشانی در دریا، دفعات وارونگی میدان را تعیین کنند.
این سنگها هنگام شکلگیری خود، جهتگیری و شدت میدان مغناطیسی زمین را ثبت میکنند؛ بنابراین تاریخگذاری این سنگها نمایی واضح از چگونگی تکامل میدان زمین در طول زمان فراهم میسازد.
وارونگیهای میدان از نقطهنظر زمینشناسی نسبتاً سریع اتفاق میافتند، اگرچه از دید انسانها آهسته بهنظر میرسند. یک وارونگی معمولاً چند هزار سال به طول میانجامد، اما در این مدت ممکن است جهتگیری مگناتوسفر تغییر کند و بخشهای بیشتری از زمین را در معرض اشعه کیهانی قرار دهد. این رویدادها میتوانند غلظت اوزون در جو را تغییر دهند.
دانشمندان نمیتوانند با اطمینان بگویند که وارونگی بعدی میدان چه زمانی رخ خواهد داد، اما میتوانیم به نقشهبرداری و پیگیری حرکت قطب شمال مغناطیسی زمین ادامه دهیم.
این مقاله از The Conversation بازنشر شده است، یک سازمان خبری غیرانتفاعی و مستقل که حقایق و تجزیه و تحلیلهای قابلاعتماد برای کمک به درک بهتر از دنیای پیچیدهمان ارائه میدهد. این مقاله توسط: اوفر کوهن، دانشگاه ماساچوست لوفول نوشته شده است.
اوفر کوهن برای دانشگاه ماساچوست لوفول کار میکند. این دانشگاه از هر مقاله عمومی که توسط یکی از اعضای هیئت علمی آن نوشته میشود، از لحاظ نمایش و دیده شدن بهرهمند میشود. اوفر کوهن بودجهای از ناسا دریافت کرد که به طریقی به این مقاله مربوط است.