Zemes magnētiskais lauks

Zemes magnētiskais lauks vai ģeomagnētiskais lauks ir magnētiskais lauks, ko ģenerē iekšzemes avoti. Ģeomagnētisma izpētes objekts. Zemes magnētiskais lauks rodas šķidrajā ārējā Zemes kodolā (apmēram 2900 km dziļumā). Domā, ka magnētiskā lauka rašanās iemesls ir elektrisko plūsmu cirkulācija izkusušajā materiālā - ģeodinamo. Magnētiskais lauks uz Zemes nav unikāls - tāds ir arī Neptūnam, Urānam, Saturnam un Jupiteram.

Izpētes vēsture

Termins "magnētiskais lauks" radies aptuveni 3.-5. gadsimtā p.m.ē. Ķīnā un Grieķijā (pie Magnēzijas pilsētas). Šajās valstīs atklāja, ka "Herkulesa akmens" un "Magkusa akmens" (iespējams, dzelzs rūdas gabali, kam iespēris zibens) pievelk metālus. Tika novērots, ka berzējot tērauda adatu pret šādu "magnetītu", tā arī kļūst "magnētiska". Ap 1000. gadu Ķīnā atklāja, ka šāda adata, ja to brīvi pakarina, pagriežas pret ziemeļiem un dienvidiem. Ķīniešu matemātiķis Čao Ta ap 200. gadu p.m.ē. izgudroja pirmo kompasu. Iespējams arī vikingi izmantojuši, ko līdzīgu kompasam. Pirmās ziņas par kompasu Eiropas literatūrā datējamas ar 1187. gadā. Eiropā magnētadatu sāka lietot 13. gadsimta kuģu kompasos. To izmantoja arī Kristofors Kolumbs, kad kuģoja pa Atlantijas okeānu. Ceļojumu laikā tika atklāts, ka adatiņa nedaudz novirzās no ziemeļiem — magnētiskā deklinācija.

Jēdzieni Ziemeļpols un Dienvidpols radušies 13. gadsimtā Francijā, kā arī tika atklāts, ka vienādi magnēta poli atgrūžas. Ap 1600. gadu Viljams Gilberts, Anglijas karalienes Elizabetes I fiziķis, piedāvāja izskaidrojumu, kā ap Zemi rodas šāds magnētiskais lauks: Zeme esot milzu magnēts, kas rada vienmērīgu lauku pie Zemes virsmas (feromagnētiskā hipotēze), un ka tā magnētiskie poli atrodas netālu no Zemes ģeogrāfiskajiem poliem. Magnetizētas cietas lodes modelis izveidots 1820. gadā. Lai hipotēze attaisnotos, ap Zemi jābūt 30 km slānim no tīra magnēta.

Lauka līnijas (matemātiski)

Zemes magnētiskās indukcijas līnijas

Maikls Faradejs piedāvāja tagad plaši izplatītu magnētiskā lauka vizualizāciju. Viņš līnijas, kas aptver Zemi sauca par spēka līnijām, bet mūsdienās šīs līnijas sauc par lauka līnijām. Šādas līnijas izskatās tuvu Zemes virsmai. Taču tālāk no Zemes magnētisko lauku ietekmē saules vējš, tādēļ lauks ir deformēts.

Zemes poli

Tā kā elektriskās plūsmas šķidrajā ārējā kodolā patstāvīgi mainās, arī to radītais magnētiskais lauks mainās. Rezultātā Zemes magnētiskie poli pārvietojas, un to atrašanās vieta nesakrīt ar ģeogrāfiskajiem poliem. Tādēļ tagad magnētiskais Ziemeļpols atrodas apmēram 968 km attālumā no ģeogrāfiskā Ziemeļpola, bet magnētiskais Dienvidpols — apmēram 1500 km attālumā no ģeogrāfiskā Dienvidpola.

Elektromagnētiskais lauks

Līdz 1821. gadam bija zināms tikai viens magnētisma veids — tāds, ko rada dzelzs magnēti. Tad dāņu zinātnieks, Hans Kristians Oersteds, demonstrējot draugiem elektriskās strāvas plūsmu vadā, pamanīja, ka tuvumā esoša kompasa adata izkustējās. Jauno fenomenu Francijā pētīja Andrē Marī Ampērs, kurš secināja, ka magnētisma daba ir pavisam savādāka nekā līdz tam tika uzskatīts. Tas būtībā izrādījās spēks starp elektriskajiem lādiņiem: divi paralēli lādiņi tajā pašā virzienā pievelkas, pretējos virzienos — atgrūžas. Izrādījās, ka dzelzs magnēti ir izņēmums. Magnētisms, kas rodas zemes kodolā arī noteikti ir radies elektriskās strāvas ietekmē, bet līdz šim vēl nav atklāts, kā šī strāva rodas.

Skotu fiziķis Džeimss Maksvels izveidoja matemātisku pamatojumu magnētiskajam laukam, iekļaujot tajā arī elektriskos spēkus. Tagad ietekmēto lauku, ko šis vienādojums apraksta sauc par elektromagnētisko lauku.

Latvijā

Nozīmīgākais Latvijas sasniegums Zemes magnētiskā lauka izpētē ir Salaspils Fizikas institūtā, 1999. gadā Prof. Agra Gailīša vadībā veiktais projekts “RĪGAS DINAMO — EKSPERIMENTS”. Ģeomagnētiskā dinamo modelis (hidrodinamiskā hipotēze): Zemes magnētiskā lauka cēlonis — turbulences (“cikloni”) šķidrajā metālā rada virpuļstrāvas.

Magnetosfēras pētījumi

Magnetosfēra var tikt pētīta, sekojot izmaiņām magnētiskajā laukā uz Zemes virsmas. Tā, piemēram, viļņi Zemes magnetosfērā izplatās gar magnētiskā lauka līnijām un var tikt novēroti arī uz Zemes virsmas. Tāpat milzīgas strāvas, kas veidojas jonosfērā magnētisko subvētru laikā, rada magnētisko lauku, kuru viegli var novērot uz Zemes. Radari ļauj pētīt plazmas īpašības jonosfērā. Savukārt ar fotokamerām sekojot polārblāzmu aktivitātei var studēt gan procesus jonosfērā, gan arī tālu magnetosfērā.

Sākot ar Sputnik un Explorer, Magnetosfēra ir kļuvusi pieejama tiešiem mērījumiem. Zemes magnetosfēra tiek pētīta gan uz vietas, ar raķešu un pavadoņu palīdzību, gan arī pa gabalu, ar uz Zemes atrodošos magnetometru, riometru, radaru un fotokameru palīdzību. Satelītu novērojumi ir daudz pamatīgāki nekā no zemes veiktie. Zemes magnetosfēras pētīšanā ir piedalījušies daudzi desmiti pavadoņu. Lielākā daļa no tiem vairs nestrādā, taču to atstātie dati bieži tiek studēti daudzus gadus, pat gadu desmitus, pēc pavadoņu kalpošanas beigām. Katru gadu nāk klāt vairāki jauni pavadoņi. Ir pavadoņi, kas lido apmēram 1000 km augstumā un pēta Zemes jonosfēru (magnetosfēras iekšējā robeža). Arī raķetes, sava lidojuma tāluma ierobežojumu dēļ var pētīt vienīgi procesus jonosfērā. Ir liels skaits pavadoņu, kas atrodas ģeostacionārajā orbītā - šeit atrodas liels skaits komerciālo satelītu un tādēļ zināšanām par magnetosfēras apstākļiem ir sevišķa nozīme. Daudz pavadoņu pēta robežu starp Zemes magnetosfēru un saules vēju, lai saprastu kā enerģija un joni no saules vēja nokļūst Zemes magnetosfērā. Radioviļņus, kas radušies mūsu magnetosfērā bieži modificē vide, kurā tie ir, tādējādi var izpētīt kādas daļiņas tur atrodamas.

Liela nozīme magnetosfēras pētījumos ir datormodelēšanai. Datortehnika ļauj modelēt visu magnetosfēru trīs dimensijās. Taču tas ir iespējams vienīgi pieņemot vienkāršotus modeļus par to, kā plazma Zemes magnetosfērā uzvedās.