در میان چهار سیارهی سنگی منظومه شمسی، میشود گفت «ویژگی مغناطیسی» زمین باعث شده است که بقیه سیارههای همسایهاش به آن حسادت کنند.
منبع: ناسا / مرکز پروازهای فضایی گادرد
برخلاف عطارد، زهره و مریخ، زمین توسط یک میدان مغناطیسی بسیار بزرگ به نام مگنتوسفر احاطه شده است. این میدان که توسط نیروهای قوی و پویای داخل مرکز زمین ایجاد میشود، مثل یک سپر از ما محافظت میکند و اجازه نمیدهد باد خورشیدی (ذرات بارداری که دائماً از خورشید خارج میشوند) جو زمین را از بین ببرد.همچنین از زمین در برابر پرتابهای عظیم جرم از خورشید (ابرهای بزرگ و پرانرژی از پلاسمای مغناطیسی و تابش خورشیدی) و همینطور پرتوهای کیهانی که از فضاهای بسیار دور میآیند محافظت میکند.
مگنتوسفر نقش یک «نگهبان» را دارد؛ انرژیهای خطرناک را دفع میکند و بیشتر آنها را در فاصلهای امن از سطح زمین به دام میاندازد، در دو ناحیهی حلقهایشکل به نام کمربندهای وان آلن.اما این سپر کامل و بینقص نیست. تغییرات باد خورشیدی میتواند آن را به هم بزند و باعث پدیدهای به نام «آبوهوای فضایی» شود؛ یعنی طوفانهای مغناطیسی که ممکن است وارد جو زمین شوند و به ماهوارهها و فضانوردان آسیب بزنند، سیستمهای ناوبری را مختل کنند و حتی شبکههای برق را دچار مشکل کنند.
در عین حال، همین طوفانها باعث ایجاد شفقهای قطبی زیبا هم میشوند. باد خورشیدی گاهی شکافهای موقتی در این سپر ایجاد میکند و اجازه میدهد مقدار کمی انرژی به سطح زمین برسد، اما چون این نفوذها کوتاهمدت هستند، معمولاً مشکل جدی ایجاد نمیکنند.
چون نیروهایی که میدان مغناطیسی زمین را ایجاد میکنند همیشه در حال تغییر هستند، خودِ این میدان هم دائماً در حال تغییر است و قدرتش در طول زمان کم و زیاد میشود.
به همین دلیل، جای قطبهای مغناطیسی شمال و جنوب زمین بهتدریج جابهجا میشود و حتی حدود هر ۳۰۰ هزار سال یکبار، این قطبها کاملاً جای خود را با هم عوض میکنند (یعنی شمال و جنوب مغناطیسی زمین جابهجا میشوند).
برای اینکه بفهمیم چه نیروهایی میدان مغناطیسی زمین را ایجاد میکنند، بهتر است اول لایههای اصلی زمین را مثل پوستهای یک پیاز در نظر بگیریم:
1. پوسته (Crust):
همان جایی که ما روی آن زندگی میکنیم.
ضخامت آن به طور میانگین حدود ۳۱ کیلومتر روی خشکی و حدود ۵ کیلومتر در کف اقیانوسهاست.
2. گوشته (Mantle):
لایهای بسیار داغ و نیمهخمیری از سنگهای مذاب که حدود ۲۹۰۰ کیلومتر ضخامت دارد.
3. هسته بیرونی (Outer Core):
لایهای به ضخامت حدود ۲۲۵۰ کیلومتر که از آهن و نیکلِ مذاب تشکیل شده است.
4. هسته درونی (Inner Core):
یک کرهی جامد از آهن و نیکل با ضخامت حدود ۱۲۲۱ کیلومتر که دمای آن تقریباً به اندازه سطح خورشید داغ است.
تقریباً تمام میدان مغناطیسی زمین از هسته بیرونیِ مایع بهوجود میآید.
در این لایه، مانند آب در حال جوش روی اجاق، جریانهای همرفتی (حرکتهایی که گرما را از یک نقطه به نقطه دیگر منتقل میکنند) باعث میشوند فلزات مذاب دائماً در حال چرخش و تلاطم باشند. علاوه بر این، چرخش خودِ زمین هم این مواد را به صورت گردابههایی به حرکت درمیآورد.
وقتی این تودهی فلز داغ و در حال حرکت جابهجا میشود، جریانهای الکتریکی بسیار بزرگی ایجاد میکند که صدها کیلومتر پهنا دارند و با سرعتهای بسیار بالا در حال گردشاند. این فرایند که باعث حفظ میدان مغناطیسی زمین میشود، ژئودینامو (geodynamo) نام دارد.
در سطح زمین، این میدان مغناطیسی به شکل دو قطب (شبیه یک آهنربای میلهای) دیده میشود:
قطب شمال و قطب جنوب مغناطیسی که بارهای مخالف دارند.
خطوط نامرئی میدان مغناطیسی بهصورت یک حلقهی بسته حرکت میکنند؛ از قطب شمال وارد زمین میشوند و از قطب جنوب خارج میشوند.
باد خورشیدی این میدان را از سمت رو به خورشید فشرده میکند و در سمت پشت زمین آن را به شکل یک دنبالهی بلند در فضا کش میدهد.
مطالعهٔ مغناطیس گذشتهٔ زمین «پالئومغناطیس» نام دارد. چون اندازهگیریهای مستقیم از میدان مغناطیسی فقط به چند قرن اخیر برمیگردد، دانشمندان از شواهد غیرمستقیم استفاده میکنند. کانیهای مغناطیسی موجود در سنگهای آتشفشانی و رسوبیِ دستنخوردهٔ باستانی، رسوبات دریاچهای و دریایی، جریانهای گدازه و حتی آثار باستانی میتوانند قدرت و جهت میدان مغناطیسی زمین را در گذشته نشان دهند و اطلاعاتی درباره زمان وقوع وارونگی قطبهای مغناطیسی و موارد دیگر ارائه کنند. دانشمندان با بررسی دادههای جهانی، اطلاعات ماهوارهها و رصدخانههای ژئومغناطیسی و همچنین تحلیل تکامل میدان مغناطیسی با استفاده از مدلهای رایانهای، میتوانند تاریخچهای از تغییرات این میدان در طول زمانهای زمینشناسی بازسازی کنند.
پشتههای میاناقیانوسی زمین، جایی که صفحات تکتونیکی شکل میگیرند، به دانشمندان پالئومغناطیس دادههایی تا حدود ۱۶۰ میلیون سال پیش ارائه میدهند. در این نواحی، گدازه بهطور مداوم از شکافها خارج میشود، پخش میشود و سپس سرد میگردد. کانیهای غنی از آهن موجود در این گدازه در هنگام سرد شدن با میدان ژئومغناطیسی همراستا میشوند و به سمت شمال جهت میگیرند. وقتی دمای گدازه به حدود ۷۰۰ درجه سلسیوس (۱۳۰۰ درجه فارنهایت) میرسد، قدرت و جهت میدان مغناطیسی آن زمان درون سنگ «قفل» میشود و ثبت میگردد. با نمونهبرداری از این سنگها و تعیین سن آنها به روشهای رادیومتریک، میتوان این سابقهٔ تغییرات میدان مغناطیسی زمین را آشکار کرد.
مطالعات مربوط به میدان مغناطیسی زمین بخش زیادی از تاریخ آن را آشکار کرده است.
برای مثال، میدانیم که در ۲۰۰ سال گذشته، میانگین جهانی قدرت میدان مغناطیسی زمین حدود ۹ درصد کاهش یافته است. با این حال، پژوهشهای پالئومغناطیسی نشان میدهند که این میدان در واقع در حال حاضر یکی از قویترین حالتهای خود در ۱۰۰ هزار سال گذشته است و حتی دو برابر میانگین قدرت آن در یک میلیون سال اخیر است.
ما همچنین میدانیم که یک «نقطهٔ ضعیف» شناختهشده در مگنتوسفر وجود دارد که در تمام طول سال پایدار است. این ناحیه که روی آمریکای جنوبی و اقیانوس اطلس جنوبی قرار دارد، به نام ناهنجاری اقیانوس اطلس جنوبی (SAA) شناخته میشود. در این منطقه، باد خورشیدی میتواند تا فاصلهٔ نزدیکتری به سطح زمین نفوذ کند.
این ناهنجاری بر اثر ترکیب اثرات ژئودینامو و کج بودن محور مغناطیسی زمین بهوجود آمده است. در حالی که ذرات باردار خورشیدی و ذرات پرتوهای کیهانی در این ناحیه میتوانند به تجهیزات ماهوارهای آسیب بزنند، اما روی حیات روی سطح زمین تأثیری ندارند.
همچنین میدانیم که موقعیت قطبهای مغناطیسی زمین دائماً در حال حرکت است. از زمانی که قطب شمال مغناطیسی برای اولین بار در سال ۱۸۳۱ توسط افسر نیروی دریایی بریتانیا و کاوشگر قطبی «سر جیمز کلارک راس» بهطور دقیق مکانیابی شد، این قطب بیش از ۱۱۰۰ کیلومتر به سمت شمال-شمالغرب جابهجا شده است. سرعت حرکت آن نیز افزایش یافته و از حدود ۱۶ کیلومتر در سال به حدود ۵۵ کیلومتر در سال رسیده است.
قطبهای مغناطیسی زمین با قطبهای ژئودتیکی (یا جغرافیایی) یکی نیستند؛ در حالی که بیشتر مردم با قطبهای جغرافیایی آشناتر هستند. موقعیت قطبهای ژئودتیکی زمین بر اساس محور چرخش زمین تعیین میشود؛ همان محوری که زمین به دور آن میچرخد.
اما این محور مثل یک کرهٔ کاملاً ثابت و منظم روی میز نمیچرخد، بلکه کمی نوسان و لرزش دارد. به همین دلیل، جای «قطب شمال واقعی» در طول زمان اندکی تغییر میکند. عوامل مختلفی در سطح زمین و درون آن در این جابهجایی نقش دارند، اما عامل اصلی آن جابهجایی آب روی زمین است.
از زمان شروع اندازهگیریها، محور چرخش زمین حدود ۱۲ متر به سمت آمریکای شمالی جابهجا شده است، هرچند این تغییر در هیچ سالی بیشتر از حدود ۱۷ سانتیمتر نبوده است.
این نوسانها روی زندگی روزمره ما تأثیری ندارند، اما برای دقت در سیستمهای ناوبری ماهوارهای، ماهوارههای سنجش زمین و رصدخانههای زمینی باید در نظر گرفته شوند. همچنین این تغییرات میتوانند به دانشمندان در فهم شرایط اقلیمی گذشته کمک کنند، اما خودشان علت تغییرات اقلیم نیستند؛ بلکه نتیجهٔ تغییرات در ذخیرهٔ آب قارهها و یخسارها در طول زمان هستند.
بزرگترین و چشمگیرترین تغییراتی که بر مگنتوسفر زمین تأثیر میگذارند، وارونگی قطبها هستند. در جریان یک وارونگی قطبی، قطب شمال و قطب جنوب مغناطیسی زمین جای خود را با هم عوض میکنند.
اگرچه این موضوع ممکن است مهم و نگرانکننده به نظر برسد، اما در واقع در تاریخ زمینشناسی زمین پدیدهای نسبتاً رایج است. دادههای پالئومغناطیسی، از جمله تغییرات در قدرت میدان مغناطیسی، نشان میدهند که قطبهای مغناطیسی زمین در ۸۳ میلیون سال گذشته ۱۸۳ بار جابهجا شدهاند و در ۱۶۰ میلیون سال گذشته حداقل چند صد بار وارونه شدهاند.
فاصله زمانی بین این وارونگیها بسیار متغیر بوده، اما بهطور میانگین حدود ۳۰۰ هزار سال است. آخرین وارونگی نیز حدود ۷۸۰ هزار سال پیش رخ داده است.
دانشمندان هنوز دقیق نمیدانند چه چیزی باعث تغییر در تعداد و زمانبندی این وارونگیها میشود، اما احتمال میدهند که این پدیده به فرآیندهای همرفتی در گوشتهٔ زمین مرتبط باشد.
در طول یک وارونگی قطبی، میدان مغناطیسی زمین ضعیفتر میشود، اما بهطور کامل از بین نمیرود. مگنتوسفر همراه با جو زمین همچنان از سیاره ما در برابر پرتوهای کیهانی و ذرات باردار خورشیدی محافظت میکند، هرچند ممکن است مقدار کمی از این تابشها به سطح زمین برسد. در این دوره، میدان مغناطیسی آشفته و نامنظم میشود و ممکن است چندین قطب مغناطیسی در عرضهای جغرافیایی غیرمنتظره شکل بگیرند.
هیچکس دقیقاً نمیداند وارونگی بعدی قطبها چه زمانی رخ خواهد داد، اما دانشمندان میدانند که این اتفاق یکشبه رخ نمیدهد. در عوض، این فرایند طی صدها تا هزاران سال اتفاق میافتد. دانشمندان دلیلی ندارند که فکر کنند چنین وارونگیای بهزودی رخ خواهد داد.
در نهایت، «انحرافهای ژئومغناطیسی» وجود دارند: تغییرات کوتاهمدتتر اما قابلتوجه در شدت میدان مغناطیسی زمین که از چند صد سال تا چند ده هزار سال طول میکشند. این انحرافها حدود ۱۰ برابر بیشتر از وارونگیهای قطبی رخ میدهند. یک انحراف میتواند قطبهای مغناطیسی زمین را تا حدود ۴۵ درجه از موقعیت قبلیشان جابهجا کند و قدرت میدان را تا ۲۰ درصد کاهش دهد. رویدادهای انحرافی معمولاً منطقهای هستند، نه جهانی. در ۷۰ هزار سال گذشته سه انحراف مهم رخ داده است: رویداد دریای نروژ–گرینلند حدود ۶۴٬۵۰۰ سال پیش، رویداد لاسشامپ بین ۴۲٬۰۰۰ تا ۴۱٬۰۰۰ سال پیش، و رویداد دریاچه مونو حدود ۳۴٬۵۰۰ سال پیش.
مدلهای ابررایانهای از میدان مغناطیسی زمین. در سمت چپ یک میدان مغناطیسی دوقطبیِ معمولی دیده میشود که در طول دورههای طولانی بین وارونگیهای قطبی رایج است. در سمت راست، نوعی میدان مغناطیسی پیچیدهتر دیده میشود که زمین در زمان آشفتگی و دگرگونیِ یک وارونگی قطبی دارد.
ترجمه از مقاله اصلی توسط انجمن علمی فیزیک پردیس شهید باهنر
دسترسی به مقاله اصلی NASA. Earth’s magnetosphere: protecting our plant from harmful space energey
