Transcript Magnetické pole Zeme

Magnetické pole Zeme a geodynamo
S. Ševčík
Katedra astronómie, fyziky Zeme a meteorológie
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky UK
Akadémia Trojstenu
06. december 2013
Magnetické pole Zeme
O čom budeme hovoriť?
O čom budeme hovoriť?
• Zopakovanie poznatkov
o elektrických prúdoch a magnetických poliach
• Ako možno v kvapalnom jadre Zeme udržať elektrické prúdy
a k nim odpovedajúce magnetické pole
• Aké sú základné vlastnosti jadra Zeme a príčiny pohybu kvapaliny v ňom
• Čo je to geodynamo?
• Matematický popis magnetického poľa Zeme (MPZ)
• Pomalé zmeny MPZ a prepólovanie
určujú ich procesy v kvapalnom jadre Zeme
• Rýchle zmeny MPZ
určuje ich aktivita Slnka a procesy v ionosfére a magnetosfére
Magnetické pole Zeme
Elektrické prúdy a ich magnetické polia
V okolí elektrického náboja q existuje elektrické pole E.
E je vektor, má veľkosť, smer a nazývame ho elektrická intenzita.
Pole E pôsobí na iný náboj Q silou F = Q .E.
Pole E znázorňujeme siločiarami.
Vektor E leží v dotyčnici k siločiare.
Siločiary začínajú na kladných a končia na záporných nábojoch.
E
+q
+Q
E
E
F=Q.E
Magnetické pole Zeme
Elektrické prúdy a ich magnetické polia
Magnetické pole
tiež súvisí s elektrickými nábojmi.
Náboje sa musia pohybovať = elektrické prúdy.
Pohyb kladného náboja určuje smer prúdu.
B
Magnetické pole priameho vodiča
V okolí prúdov existuje - magnetické pole B.
B je vektor a má názov magnetická indukcia.
Pole B znázorňujeme indukčnými čiarami,
vektor B leží v dotyčnici k indukčnej čiare.
Na náboj Q pohybujúci sa v poli B rýchlosťou v
pôsobí sila
F = Q (v x B)
B
Magnetické pole prúdovej sľučky
Sila je kolmá na vektory v a B.
Magnetická sila je iná, ako sila,
ktorou pôsobí na náboj Q elektrické pole E.
Magnetické pole Zeme
Elektrické prúdy a ich magnetické polia
Magnetické pole trvalých magnetov
tiež súvisí s elektrickými prúdmi,
ktoré na atomárnej úrovni
vytvárajú komplikované usporiadané štruktúry.
Magnetické pole tyčového magnetu.
Má severný (N) a júžný (S) pól.
Indukčné čiary poľa B vystupujú z N-pólu
a vstupujú do S-pólu
a prechádzajú aj magnetom.
Malé kompasy ukazujú
smer a orientáciu vektora B.
V r. 1819 H.Ch. Oersted zistil,
že magnetka kompasu sa pootočila,
keď v jej blízkosti vo vodiči zapol prúd.
To bol historický prelom,
od ktorého sa magnetické javy začali spájať
s elektrickými nábojmi a elektrickými prúdmi.
S
N
Magnetické pole Zeme
Elektrické prúdy a ich magnetické polia
Jednoduchý spôsob vzniku prúdu vo vodiči,
ktorý sa ako celok pohybuje
v magnetickom poli B.
b
Ak chceme udržať magnetické pole,
musíme udržovať elektrické prúdy
a dodávať energiu zo zdroja (batéria).
b
Elektrické prúdy vo vodiči môžeme
vytvoriť aj pohybom vodiča
v magnetickom poli.
Drôt s voľnými nosičmi náboja
pohybujeme rýchlosťou v
v magnetickom poli B.
Na náboj Q bude pôsobiť sila
F = Q (v x B)
Kladné náboje sa budú posúvať
„nahor“ a záporné „nadol“,
vzniká elektrický prúd.
Pohyb vodiča v smere rýchlosti v
„unáša“
spolu kladné a záporné náboje.
To je tiež makroskopický pohyb nábojov.
Prúd bude tiecť vo vodiči dovtedy,
pokiaľ vodič posúvame ako celok.
Elektrickému prúdu odpovedá
„nové“ magnetické pole b.
Magnetické pole Zeme
Elektrické prúdy a ich magnetické polia
B
Magnetické pole Zeme a geodynamo
Princíp generácie – Faradayov zákon elmag. indukcie
• pohyb vodiča rýchlosťou v v magnetickom poli B0 vytvára elektromotorickú silu (EMF) v x B0 ,
ktorá generuje prúd I (prúdová hustota j)
• prúdu I odpovedá magnetické pole b a celkové pole bude B = B0 + b
• magnetické pole pôsobí na vodič s prúdom Lorentzovou silou rovnou j x B a bráni pohybu v
Ak existujú mechanizmy,
ktoré pohybujú elektricky vodivé prostredie v magnetickom poli,
indukujú sa elektrické prúdy,
ktorým odpovedá indukované magnetické pole.
Podmienkou je pohyb elektricky vodivého prostredia –– konvekcia,
ktorá je tepelne alebo inak hnaná, vysoká elektrická vodivosť a rotácia.
Tak to funguje v jadre v Zemi, v Slnku, iných planétach, galaxiách.
Magnetické pole Zeme a geodynamo
Princíp generácie – Faradayov zákon elmag. indukcie
Ak chceme
udržovať magnetické pole B,
musíme
udržovať elektrické prúdy.
V dôsledku elektrického odporu látky
budú elektrické prúdy klesať.
Hovoríme, že prúdy sa ohmicky rozpadajú,
vodič sa zahrieva a máme energetické straty.
Energetické straty musíme
neustále nahrádzať = neustále udržovať pohyb
elektricky vodivej látky v magnetickom poli.
Magnetické pole Zeme a geodynamo
Kovový elektricky vodivý disk
• rotuje uhlovou rýchlosťou Ω
• paralelne s osou preniká diskom
homogénne magnetické pole Bo
• elektromotorickou silou v x Bo
sa na okraji disku vynorí kladný náboj
a na osi záporný náboj
„Inžiniersky“ model dynama
Okraj disku spojíme vodičom W cez
kĺzne kontakty S1 a S2 ,
Bo musí byť stále „zapnuté“
• náboje sa začnú pohybovať
• elektromotorická sila v x Bo
závisí len od rýchlosti rotácie Ω
• cez žiarovku tečie prúd I a svieti
• zariadenie mení
mechanickú energiu na elektrickú
energiu
máme dynamo
Magnetické pole Zem a geodynamo
„Inžiniersky“ model samobudiaceho dynama
Bo
Spojme okraj disku a os disku AA´ vodičom,
ktorý vytvára slučku v rovine disku
• prúdu I odpovedá nehomogénne pole B,
• vodič je navinutý tak, že B podporuje Bo
• obe polia sú v rovine disku kolmé na disk
• B je nehomogénne,
EMF v x B má inú závislosť na vzdialenosti
od osi
ako má v x Bo,
má ale rovnaký smer od osi AA´ k okraju
• ak bude Ω dostatočne veľké, bude
produkovať „veľké“ prúdy I vo vodiči
Magnetické pole Zem a geodynamo
„Inžiniersky“ model samobudiaceho dynama
• existuje vhodné kritické Ω = Ωc také,
že pole Bo môžeme „vypnúť“,
prúd I bude hnaný len EMF v x B,
pokiaľ budeme udržovať Ωc
Spojme okraj disku a os disku AA´ vodičom,
ktorý vytvára slučku v rovine disku
• prúdu I odpovedá nehomogénne pole B,
• vodič je navinutý tak, že B podporuje Bo
• obe polia sú v rovine disku kolmé na disk
• B je nehomogénne,
EMF v x B má inú závislosť na vzdialenosti
od osi
ako má v x Bo,
má ale rovnaký smer od osi AA´ k okraju
• ak bude Ω dostatočne veľké, bude
produkovať „veľké“ prúdy I vo vodiči
• pole B sa samo-kreuje,
máme samobudiace dynamo
Dôležitá je štrukturálna asymetria
usporiadania
• zmena smeru vinutia sľučky,
alebo ak točíme opačne,
B bude opačné k Bo
• samobudenie nebude bežať,
nech by sme točili akokoľvek rýchlo
proti smeru pohybu pôsobí
Lorentzova sila na jednotku objemu J x B
Magnetické pole Zeme a geodynamo
Princíp generácie – Faradayov zákon elmag. indukcie
Princíp elektromagnetickej indukcie tvorí
fyzikálny základ
(re)generácie magnetického poľa Zeme.
V jadre musí neustále prebiehať pohyb
vodivej kvapaliny – konvekcia,
ktorá je hnaná na úkor nejakej inej energie.
V kvapalnom jadre Zeme pracuje
samobudiace geodynamo.
Výsledkom činnosti geodynama je
magnetické pole Zeme (MPZ).
MPZ má dominantne dipólový charakter,
ale nemá len dipólový charakter.
Má omnoho komplikovanejšiu štruktúru
nielen na povrchu
ale hlavne v samotnom jadre Zeme.
Ak konvekcia prebieha v magnetickom poli,
tak sa generujú elektrické prúdy,
ktorým odpovedá „nové“ magnetické pole.
Ak indukujúce magnetické pole je
súčasne aj indukované,
potom hovoríme
o samobudiacom dyname.
Magnetické pole Zeme a geodynamo
Plášť a jadro sú dva gigantické tepelné stroje
Základné konvektívne útvary v plášti
a rýchlostné a magnetické pole v kvapalnej časti jadra, kde pracuje geodynamo
Plášť
Časové škály (s,d,r) –elastický,
visko-elastický, elasto-plastický
Časové škály 10-100 mil.r.–tečie
Dva módy konvekcie:
doskový a „plumový“.
Rýchlosti: 3-10 cm/rok
MORB: mid-ocean ridge basalts
OIB: ocean island basalts
Kvapalné jadro
Elektricky vodivá kvapalina,
pracuje tu geodynamo.
Rýchlosti: 0,1 mm/s = 3 km/rok
Časové škály: 10-10 000 rokov
systém dovoľuje inverzie
CMB – Core-Mantle boundary
Najdramatickejšia diskontinuita.
Hustota: 5570(plášť) 9900 (jadro) kg/m^3
Oxidy+silikáty – ťažká tavenina
Pozdĺžne seizm. vlny:13.7-8 km/s
Priečne seizm. vlny: 7.26–0 km/s
10-12x10^3 kg/m^3
CMB – core-mantle boundary (hranica jadro-plášť), ICB – inner core boundary (hranica vnútorného jadra)
Magnetické pole Zeme a geodynamo
Plášť a jadro sú dva gigantické tepelné stroje
Magnetické pole môžeme rozložiť na dve časti – poloidálne Bp a toroidálne Bt.
Úlohou je nájsť mechanizmy, ako sa z jedného „vyrobí“ to druhé a naopak.
Bp-poloidálne pole
v osovo-sym. prípade
leží v poludníkových
rovinách,
na povrchu Zeme
túto časť poľa meriame
V kvapalnom jadre
dominuje časť poľa
Bt-toroidálne pole
v osovo-sym. prípade
leží v smere
rovnobežiek – Bφ,
je uväznené v jadre,
merať ho nemôžeme
1 Gauss = 0.0001 Tesla
10-12x10^3 kg/m^3
CMB – core-mantle boundary (hranica jadro-plášť), ICB – inner core boundary (hranica vnútorného jadra)
Magnetické pole Zeme a geodynamo
Čo študuje magnetohydrodynamika?
Magnetohydrodynamika
skúma ovplyvňovanie
pohybu elektrickej vodivej tekutiny (kvapalina, plazma)
a magnetického poľa, v ktorom pohyb prebieha.
Toto ovplyvňovanie je vzájomné.
Michael Faraday
Rýchlostné pole v ovplyvňuje magnetické pole B
1791-1867
(princíp Faradayovej elektromagnetickej indukcie)
a magnetické pole B spätne ovplyvňuje pohyb v,
lebo nedovolí konvektívnej rýchlosti rozvinúť sa do veľkých hodnôt.
Ak uvažujeme „nekonečne“ elektricky vodivú kvapalinu,
potom je magnetické pole „zamrznuté“ do kvapaliny.
Indukčné čiary magnetického poľa sa deformujú tak,
ako pohyb kvapaliny „chce“.
Reálne kvapaliny v kozmických objektoch majú konečnú elektrickú vodivosť,
teda „zamrznutie“ nie je dokonalé,
ale „deformácia“ indukčných čiar vplyvom konvekcie je stále dosť veľká.
Magnetické pole Zeme a geodynamo
Čo študuje magnetohydrodynamika?
Magnetohydrodynamika
skúma ovplyvňovanie
pohybu elektrickej vodivej tekutiny (kvapalina, plazma)
a magnetického poľa, v ktorom pohyb prebieha.
Toto ovplyvňovanie je vzájomné.
Michael Faraday
Rýchlostné pole v ovplyvňuje magnetické pole B
1791-1867
(princíp Faradayovej elektromagnetickej indukcie)
a magnetické pole B spätne ovplyvňuje pohyb v,
lebo nedovolí konvektívnej rýchlosti rozvinúť sa do veľkých hodnôt.
Ak uvažujeme „nekonečne“ elektricky vodivú kvapalinu,
potom je magnetické pole „zamrznuté“ do kvapaliny.
Indukčné čiary magnetického poľa sa deformujú tak,
ako pohyb kvapaliny „chce“.
Reálne kvapaliny v kozmických objektoch majú konečnú elektrickú vodivosť,
teda „zamrznutie“ nie je dokonalé,
ale „deformácia“ indukčných čiar vplyvom konvekcie je stále dosť veľká.
Magnetické pole Zeme a geodynamo
Generačné mechanizmy, -efekt, -efekt
BP  poloidálne (meridionálne) pole
BT  toroidálne (azimutálne) pole
v


Mechanizmus (re)generácie
magnetického poľa:
uzavretý cyklus generácie dvoch
typov polí jedného z druhého
Generácia MPZ v jadre je dvojstupňová
Obr. a-c: z meridionálneho magnetického poľa Bp sa
konvekciou v smere rovnobežiek „vyťahuje“ azimutálne pole Bt
to je omega-efekt
Obr. d-f: na pole Bt pôsobia maloškálové víry, pole deformujú
a vznikajú malé sľučky. Každej z nich odpovedá prúd.
Ak vypočítame ich strednú hodnotu v smere rovnobežiek,
tak dostaneme veľkopriestorový prúd v smere rovnobežiek.
Potom máme prúdovú sľučku, jej odpovedá pole Bp
to je alfa-efekt
V jadre Zeme (asi) pracuje
αω-dynamo
Mení kinetickú energiu
pohybu
na energiu
magnetického poľa
a náhrádza
ohmické straty.
Magnetické pole Zeme a geodynamo
Základné charakteristiky MPZ
•
30T (na rovníku) - 60T (na póloch),
v našich zemepisných šírkach približne 48 T
(silné ako pole malej magnetickej príchytky vo vzdialenosti 1 m),
hodnoty uvádzame v nanotesloch, u nás 48 200 - 48 500 nT
•
•
•
prevláda dipólový charakter (90%)
sklon osi dipólu vzhľadom na rotačnú os Zeme 11.5°
z nedipólovej časti dominuje kvadrupólová časť
Zdroje MPZ a zdroje jeho zmien
v čase
• hydromagnetické zdroje v kvapalnom jadre
Zeme, vnútorné zdroje (99%) –
hlavné geomagnetické pole
Miesta, kde sú trvalé geomagnetické observatória.
Jedna bodka patrí aj GO v Hurbanove, GFÚ SAV
• vonkajšie zdroje–elektrické prúdy
v ionosfére a magnetosfére,
určené a ovplyvnené aktivitou Slnka
Model satelitu OERSTED
V celosvetovej sieti
geomagnetických observatórií je asi
200 trvalých staníc. Meria sa aj na
lodiach, letecky a na satelitoch.
Geomagnetický pavilón na
Astronomickom a geofyzikálnom
observatóriu
FMFI UK
v Modre-Piesok.
V Hurbanove je funkčné
observatórium už vyše 100
rokov,
je súčasťou
medzinárodnej organizácie
INTERMAGNET
Magnetometer
typu fluxgate.
Di-flux teodolit pre absolútne
magnetické merania
Magnetometer pre meranie
horizontálnej zložky MPZ
Magnetické pole Zeme a geodynamo
Matematický popis MPZ, Gaussove koeficienty
D – deklinácia, I – inklinácia,
H – horizontálna indukcia, v jej smere sa naorientuje
strelka v horizontálnom kompase, vidíme, že
nesmeruje na geografický sever
Z – vertikálna indukcia, F – totálna indukcia
B = - grad V

n
V (r ,  , )  R0 
n 1 m  0
 R0 
 r 
 
n 1
( g nm cos m  hnm sin m ) Pnm (cos  ) 
n
pole vnútorného pôvodu – jadro Zeme
 r  m
m
m
(
q
cos
m


s
sin
m

)
P
  n
n
n (cos  )
 R0  pole vonkajšieho pôvodu – ionosféra, magnetosféra
MPZ = súčet (dipólová časť + nedipólové časti)
n=1
n2
Carl Fridrich Gauss
1777-1855
V súčasnosti sa Gaussove koeficienty počítajú po n=13, m=13, počet n(n+2).
Magnetické pole Zeme a geodynamo
Sekulárne zmeny poľa vnútorného pôvodu
• Nezastupiteľnými metódami určovania veľkosti a smeru MPZ
v geologickej minulosti sú paleomagnetické metódy.
Laboratórnymi metódami skúmajú zvyšková magnetizáciu
vo vyvrelých a sedimentárnych horninách.
• Horniny obsahujú feromagnetické zložky-minerály,
ktoré sa orientovali podľa MPZ,
keď sedimentácia prebiehala alebo keď tuhli (vyvrelé) na povrchu.
Minulý stav MPZ sa do horniny zapísal.
Na najstarších horninách
bolo dokázané,
že Zem
mala magnetické pole
už pred 3.5-3.8 mld. rokov
Intenzita geomagnetického poľa (veľkosť magnetického dipólového momentu)
za 3.5 miliardy rokov. Súčasná hodnota je asi 8 x 10^22 Am^2.
Magnetické pole Zeme a geodynamo
Sekulárne zmeny poľa vnútorného pôvodu
Zmeny magnetického poľa dlhoperiodické,
určujú ich procesy v kvapalnom jadre
Dlhodobé zmeny geomagnetického poľa - sekulárne variácie.
Určujú sa ako zmena priemernej ročnej hodnoty
geomagnetického elementu na danom mieste.
• Oscilácia magnetického momentu okolo nenulovej hodnoty s periódou
7.8 x 103 rokov (základná perióda) – súvisí s dominantnou dipólovou
časťou poľa
1/ 2
4
M  R03
( g10 )2  ( g11 )2  (h11 )2 
0
Z Gaussových koeficientov g, h pre n=1 vieme vypočítať magnetický moment, jeho
hodnota je 7.9x1022 Am2, o magnetická permeabilita vákua, Ro je polomer Zeme.
•
•
•
•
Pokles g10 za posledných 200 rokov (dipólové pole klesá)
Nárast g20 za posledných 200 rokov (kvadrupólové pole rastie)
Západný geomagnetický drift nedipólovej časti poľa (rýchlosť 0.18°/rok)
Dipólový moment klesá 0,1%/rok – pokles je rýchlejší, ako by bol pri
rozpade poľa (keby prestalo dynamo fungovať, je to „riadený“ pokles)
Magnetické pole Zeme a geodynamo
Sekulárne zmeny poľa vnútorného pôvodu
Sekulárne zmeny horizontálnej zložky MPZ,
na ktorých vidieť západný geomagnetický drift
Zmeny deklinácie – uhol medzi
X-zložkou
a horizontálnou zložkou MPZ.
Kompasy na lodiach sa orientovali
podľa horizontálnej zložky,
neukazovali na geografický sever.
Keď sa deklinácia zmenila,
tak lode „blúdili“ na otvorených
moriach.
Magnetické pole Zeme a geodynamo
Inverzie – prepólovanie MPZ
Inverzie – prepólovania (angl. reversals)
Nepravidelné zmeny polarity MPZ.
• proces prepólovania trvá 6-8x103 rokov
• posledná inverzia
bola pred 780 000 rokmi
• Identifikované boli obdobia (temer) bez inverzií:
CNS – Cretaceous Normal Superchron pred 83-120 mil. r.
KRS – Kiaman Reversed Superchron pred 260-310 mil. r
PhS – Phanerozoic Superchron pred 460-490 mil. r.
Trvanie kľudu okolo 40 Myr a potom 200 Myr opäť výskyt
inverzií geodynama (nevysvetlené, náhoda ???)
Na morskom dne v oblasti stredooceánskych chrbtov je zapísaný
„kalendár“ inverzií.
Magnetické pole Zeme a geodynamo
Inverzie – prepólovanie MPZ
Gauss-Matuyama inverzia (pred 2.58 mil. rokov)
identifikovaná na sedimentoch v Searies Lake, California, USA.
Proces inverzie je komplikovaný.
Začiatočné exkurzie (pokusy o prepólovanie, ktoré boli neúspešné) a koncové exkurzie (žlté),
niekoľkonásobné rýchle oscilácie (čierne), prechod cez rovník a návrat späť
a hlavná fáza (prepólovanie sa podarilo) s dvomi kolísaniami k rovníku (červené).
G.A.Glatzmaier,
P.H. Roberts,
1995
Inverzia
magnetického
poľa
Model dynama
počítaný
na superpočítačoch
v Los Alamos
Samobudiace
a selfkonzistentné
dynamo
v guľovej
vrstve hnané
tepelne
a kompozične
Magnetické pole Zeme a geodynamo
Inverzie – prepólovanie MPZ
Výsledok počítačovej simulácie činnosti geodynama pred (vľavo), počas (v strede) a po prepólovaní (vpravo).
Kvapalná časť jadra je medzi väčším a menším bielym kruhom, vnútorný biely kruh je vnútorné pevné jadro.
V ľavej časti pologule je zobrazená zložka magnetického poľa v poludníkovej rovine,
(žltou farbou je znázornené pole orientované v smere hodinových ručičiek, modrou
pole opačnej orientácie). Vidíme, že toto pole prechádza aj cez vnútorné jadro, ktoré je
síce elektricky vodivé, ale konvekcia tam nie, teda tu dynamo nepracuje.
V pravej časti pologule sú zobrazené izočiary rovnakej veľkosti zložky magnetického
poľa v smere rovnobežiek. Tam, kde sú izočiary žlté, toto pole vstupuje do obrázku
a kde sú modré vystupuje von z obrázku. Aj táto časť magnetického poľa preniká cez
vnútorné jadro.
MPZ a geodynamo
Závislosť medzi distribúciou tepelného toku na CMB a inverziami
Rozloženie tepelného
toku z jadra do plášťa
Trajektória pólu počas
prepólovania
Geografická šírka pólu
počas prepólovania
Veľkosť dipólového
momentu
Rozloženie tepelného
toku z jadra do plášťa
Trajektória pólu počas
prepólovania
Geografická šírka pólu
počas prepólovania
Veľkosť dipólového
momentu
Aké procesy
pravdepodobne
riadia prepólovanie?
• distribúcia
tepelného toku
z jadra,
ktorá závisí
od konvekcie
v plášti
• magnetické pole
vo vnútornom jadre
sa musí tiež
prepólovať,
vnútorné jadro
musí „dovoliť“
prepólovanie,
je teda dôležitým
„spúšťačom“
pre inverziu MPZ
Magnetické pole Zeme
Pole vonkajších zdrojov a rýchle zmeny
Prevládajúci dipólový charakter má MPZ len v menších vzdialenostiach.
Vo väčších vzdialenostiach sa konfigurácia indukčných čiar
silne deformuje a mení v dôsledku aktivity Slnka.
Slnko neustále emituje prúd častíc – protóny, elektróny, -častice,
ktoré tvoria tzv. slnečný vietor.
MPZ je prúdom slnečného vetra silne tvarovo ovplyvnené.
Na privrátenej strane k Slnku je MPZ „stláčané“
a na odvrátenej „naťahované“ do chvosta magnetosféry.
Intenzita a rýchlosť slnečného vetra sa mení a rastie v období zvýšenej aktivity Slnka.
Ionosféra je ionizovaná časť atmosféry od výšky asi 60 km po 1000 km.
Je zohrievaná na privrátenej strane, rozpína sa a kolíše v MPZ.
Magnetické pole Zeme a geodynamo
Variácie a poruchy vonkajšieho pôvodu
Denná variácia
• pravidelná zmiena v geomagnetickom zázname,amplitúda je asi 10 – 20 nT
• spôsobená je rôznym nahrievaním ionosféry na dennej a nočnej strane
a gravitačnými účinkami Mesiaca a Slnka
• denná variácia nie je porucha magnetického poľa, ale jeho pravidelný chod
• pohyb elektricky vodivej látky v geomagnetickom poli indukuje vo výške
asi 110 km (E vrstva ionosféry) prúdový systém
• tomu odpovedá nejaké magnetické pole s 24 hod. periódou zmien
Magnetické pole Zeme a geodynamo
Variácie a poruchy vonkajšieho pôvodu
Magnetická búrka
• z nepravidelných zmien je najzaujímavejšia
• vyvolaná je fluktuáciou v rýchlosti slnečného vetra (400 km/s – 1000 km/s)
• družice (napr. GOES) kontinuálne merajú stav slnečného vetra,
• dôležité je to najmä v slnečnom maxime;
• veľmi silné búrky boli v r. 2003 na jeseň, keď na Slnku vznikali obrovské,
možno najsilnejšie erupcie v histórii, odkedy sa uskutočnujú merania
po náraze anomálneho
slnečného vetra sa
magnetosféra zmrští
a súčasne sa pole zosilní
potom
horizontálna
zložka klesá (10-ky hodín)
a nasleduje fáza návratu
(až niekoľko dní)
Magnetické pole Zeme a geodynamo
Variácie a poruchy vonkajšieho pôvodu
Za všetko môže prstencový prúd – angl. ring current
Drifty častíc:
súčasne vykonávajú pohyb okolo indukčnej čiary,
pozdĺž indukčnej čiary magnetického poľa
a pohyb aj v smere rovnobežiek,
ktorému odpovedá prstencový prúd.
Rôzne pohľady do štruktúry magnetosféry
Magnetické pole Zeme a geodynamo
Variácie a poruchy vonkajšieho pôvodu
Ring current – prstencový prúd
• prstencový prúd neustále tečie nad rovníkom vo vzdialenosti asi 3.5 R0
• protóny driftujú na západ a elektróny na východ
• pri anomálii v slnečnom vetre sa porušia rovnováhy v magnetosfére
• prstencový prúd sa zosilní a svojím magnetickým poľom zníži
horizontálnu zložku geomagnetického poľa generovaného v jadre
• silné magnetické búrky ohrozujú elektrifikačnú sieť, satelity,
geostacionárne družice,...
Polárna žiara
Polárna žiara
Polárna žiara na Jupiteri
15.9.1998, NASA
Dynamics Explorer 1.
Kompletný aurorálny
ovál pri severnom póle
Zeme, aurora=polárna žiara
Polárna žiara na Saturne
Modrá polárna žiara v atmosfére Jupitera (Hubble Space Telescope,
14.12 2000) okolo severného magnetického pólu Jupitera. Vedĺa je
aurorálny ovál na Saturne. Pozorované boli aj na Uráne a Neptúne.
Záver – všetky tieto planéty majú magnetosféru, nejakú
atmosféru a pracuje v ich jadrách hydromagnetické dynamo