32-8 Magnetické pole Zeme

32-8 Magnetické pole Zeme

V Číne už pred dvomi tisícročiami poznali tú znamenitú vlastnosť určitej železnej rudy, že jej kúsok sa vždy otočí do smeru sever-juh. Magnet do Európy priviezol – spolu s inými zaujímavosťami Ďalekého východu – Marco Polo. Zmapovanie magnetického poľa Zeme bolo z hľadiska námorných plavieb prvoradá úloha, a na týchto mapách je vidieť, že póly magnetického poľa Zeme nie sú totožné so zemepisnými pólmi. „Severný magnetický pól“ (ktorý je v skutočnosti južným pólom zemského magnetu) sa nachádza v roku 2020 na severnej zemepisnej šírke 86,5° a východnej zemepisnej dĺžke 164,0°, kým južný pól sa nachádza na južnej zemepisnej šírke 64,1° a východnej zemepisnej dĺžke 135,9°. Obidva magnetické póly putujú, a to nezávisle od seba. Napríklad južný magnetický pól je dnes veľmi blízko k  severnému zemepisnému pólu, ale svoju polohu mení ročne o 40 km a presúva sa od Kanady smerom k severnej oblasti Ázie.

Obr. 32.8: Zjednodušená predstava magnetického poľa Zeme.

Napriek tomu, že momentálne obidva magnetické póly sa nachádzajú na jednej hemisfére, dokonca skoro na tej istej zemepisnej dĺžke, magnetické pole Zeme si môžeme predstaviť, v dobrom priblížení, ako magnetické pole (obrovského) tyčového magnetu (32.8). Hovoríme mu dipólová časť zemského magnetického poľa.

Dipólová časť magnetického poľa Zeme mení nie len svoj smer, ale aj svoju intenzitu. Od roku 1700 klesla o 16 % zo svojej maximálnej hodnoty v roku 1700. Magnetické pole zamrznuté v čadiči na oboch stranách oceánskych chrbtoch nesú nevyvrátiteľné svedectvo, že z času na čas magnetické pole Zeme zmení svoju polaritu, severný a južný pól si prehodia miesta. Za posledných 5 miliónov rokov sa to stalo najmenej 12-krát, a deje sa to v nepravidelných intervaloch, aspoň dodnes v tom nevidíme žiadny vzor. Dipólová časť magnetického poľa môže aj zaniknúť, aj keď celkové magnetické pole Zeme nezanikne, čo sa prejaví tým, že magnetické póly sa objavia na viacerých miestach povrchu Zeme (inými slovami, je tu viac magnetických severných a viac magnetických južných pólov, a kľudne môžu byť aj na rovníku).

S touto rozhodujúcou (dipólovou) časťou magnetického poľa sa spája druhotné, slabšie pole, ktoré je už skôr nepravidelné, a ktoré už nie je spojené s rotačnou osou Zeme. Aj toto druhotné pole sa pomaly mení a nie všade rovnako, ale v priemere sa posúva smerom na západ ročne v priemere o  0,2°. Takto tomu je už od roku 1400, kým medzi rokmi 1000 až 1400 sa posúvalo smerom na východ.

Tieto spomínané zložky majú svoj zdroj vo vnútri Zeme, ale do magnetického poľa Zeme prispieva aj ionosféra atmosféry, v ktorej tečú elektrické prúdy, a vplýva na magnetické pole Zeme aj magnetické pole Slnka, najmä počas erupcií.

Pôvod magnetického poľa, ktoré nás obklopuje, bol nejasný, ale dnes – najmä po práci anglického geofyzika Sira Edwarda Bullarda a amerického fyzika nemeckého pôvodu Waltera M. Elsassera – sa prijal názor, že magnetické pole Zeme vzniká vďaka elektrickým prúdom indukovaných v  tekutom (a elektricky vodivom) jadre Zeme a jeho obklopujúcich tekutých a vodivých vrstiev (jadro a spomínané vrstvy predstavujú až 60 % polomeru Zeme). Tieto spomínané vrstvy sa neotáčajú spolu ako pevné teleso. Je tu viac príčin. Musíme zobrať do úvahy, že prenos tepla sa deje v jadre prostredníctvom konvektívnych prúdov: horúci a menej hustý materiál stúpa hore, kým chladnejší a hustejší klesá dole. Pritom sa ale Zem točí okolo svojej osi a stúpajúce prúdy hmoty sa vychýlia smerom na západ, kým klesajúce smerom na východ – dá sa preto očakávať, že vonkajšie vrstvy tekutého jadra sa otáčajú pomalšie, než vrstvy na rozhraní s pevným vnútorným jadrom. Niektorí dokonca tvrdia, na základe analýz seizmických vĺn, že pevné jadro Zeme sa otáča rýchlejšie, ako tekuté vonkajšie jadro. Rozdiel v uhlovej rýchlosti by mohol činiť až 3° za rok, ale pokusy zmerať tento rozdiel pomocou šírenia sa seizmických vĺn nie sú dostatočne presné, a niektorí údaje interpretujú tak, že ak tu taký efekt je, tak sa jedná len o 0,5° za rok.

Ako môže nerovnomerné otáčanie sa tekutého vonkajšieho jadra pozostávajúceho z roztaveného elektricky vodivého železa vytvoriť magnetické pole? Schematické ale verné vysvetlenie môžeme vidieť na obr. 32.9, ktoré ukazuje náčrt dynama. Vodivý otáčajúci sa kovový kotúč A a jeho os sú cez zberné kefy C a C′ spojené so slučkou B, ktorá môže mať aj viac závitov. Predpokladajme, že je prítomné slabé vonkajšie magnetické pole, ktorého smer je rovnobežný s osou rotácie kotúča, a ukazuje smerom hore. Na základe známeho zákona, ak sa vodič pohybuje vo vonkajšom magnetickom poli, indukuje sa v ňom elektrický prúd. Tento prúd tečie od okraja kotúča lúčovito smerom k osi. Prúd pokračuje v  slučke, ktoré vytvára magnetické pole zosilňujúc už existujúce pole, čím sa indukuje ešte väčší prúd a takto pokračuje ďalej. Už za prítomnosti veľmi slabého vonkajšieho poľa narastá generovaný prúd a magnetické pole rýchlo až po určitú maximálnu hodnotu, ktorú určuje elektrický odpor celej sústavy. Tento generátor ukazuje, že čo sa deje vo vnútri Zeme, kde vodivé časti jadra cirkulujú voči vonkajším častiam.

Až počítačové modely posledných desaťročí boli schopné ukázať, že model dynama je schopný vysvetliť nie len kvalitatívne existenciu magnetického poľa Zeme, ale aj zložité procesy vedúce napríklad k preklopeniu magnetických pólov – zatiaľ však nie sú schopné predpovedať kedy by sa to malo udiať najbližšie (ak sa to predpovedať vôbec dá). Nerozumieme plne ani úlohe pevného jadra – vznik pevného jadra Zeme predpokladajú niekedy pred 2,2 miliardami rokov, keď sa významne zvýšila intenzita magnetického poľa Zeme. Otázok, na ktoré nepoznáme odpoveď je mnoho, ale zdá sa, že základnému mechanizmu vzniku magnetického poľa Zeme rozumieme.