ژئودزیژئوماتیک

مروری بر میدان مغناطیسی زمین

میدان مغناطیسی زمین (ژئومغناطیس) معمولاً به‌عنوان میدان مغناطیسی تولیدشده در داخل یا بیرون زمین صلب تا مگنتوپاز، مرز محصورکننده میدان مغناطیسی زمین، تعریف می­ شود. آن‌سوی این مرز ناحیه میدان مغناطیسی بین سیاره­ای (IMF)  توسط خورشید تولیدشده و به‌وسیله یک پلاسما معروف به باد خورشیدی انتقال می­یابد. ترم میدان مغناطیسی زمین، تنها میدان مغناطیسی تولیدشده توسط پدیده­های طبیعی از محدوده فرکانسی صفرتا چند هرتز را در برمی‌گیرد. این محدودیت قراردادی باعث به شمار نیامدن پدیده­هایی مانند امواج الکترومغناطیسی (و بسیاری از پدیده­ های با فرکانس بالا که می­توانند با دستگاه­های مناسب مشاهده شوند) می­ شود و عمدتاً توسط پهنای باند مغناطیس ­سنج­ هایی که به‌طور سنتی برای بررسی مؤلفه‌های دائمی و با تغییرات کم میدان مغناطیسی زمین استفاده می­شدند، تحمیل می­شود.

با این تعریف در ذهن، منابع میدان مغناطیسی زمین به دودسته اصلی تقسیم می­شود: رساناهای مغناطیسی و جریان­های الکتریکی به‌طور آشکار، منابع مغناطیسی را می­توان تنها در درون زمین صلب یافت. که در شکل سنگ­ها که درگذشته مغناطیسی شده­اند، اتفاق می­افتد (مغناطیدگی دائمی)، اما این هم یک مغناطیدگی اضافی متناسب با میدان مغناطیسی محیط حاضر تحمل می­کند (مغناطیدگی القایی). هم­چنین واضح است، چنین سنگ­هایی تنها در ناحیه صلب زمین یافت می­شوند که درجه حرارت کمتر از دمای کوری مواد معدنی است که نهایتاً مغناطیده می­شوند. این سنگ­های مغناطیسی شده را به‌قرار گرفتن در بالاترین لایه زمین محدود می­کند. کل منابع دیگر میدان مغناطیسی زمین جریان­های الکتریکی هستند. آن­ها در بیشتر ناحیه­ های زمین یافت می­شود: درون هسته­ی فلزی، در جبه و پوسته، در اقیانوس­ها، و نهایتاً در بالای جو طبیعی در یونسفر و مگنتوسفر.

geomagnetism

بدین ترتیب منابع میدان مغناطیسی زمین در طبیعت و موقعیت متفاوت هستند. میدانی که آن­ها تولید می­کنند نیز به‌طور گسترده در شدت و رفتارهای مکانی و زمانی متفاوت است. میدان (nT 30000 در استوا و nT 60000 در قطب­ها) در داخل هسته توسط یک فرآیند دینامیکی خود محرک تولیدشده است. این میدان به میدان اصلی معروف است که در مقیاس زمانی دائمی تغییر می­کند و مشتقات زمانی­اش را تغییرات دائمی اطلاق می­کنند.

این میدان اساساً دوقطبی است، اما ترم­های چندقطبی قابل‌توجهی دارد. کاهش شدت میدان نیز در درجات بالا (و بنابراین کوچک شدن مقیاس مکانی) مطرح است. میدان پوسته­ای تولیدشده توسط سنگ­های مغناطیسی شده (که اساساً، نه منحصراً، در پوسته قرار دارند) معمولاً ضعیف­تر است. درواقع اما به­ عنوان تابعی از موقعیت، از کسری از نانو تسلا تا هزاران نانو تسلا در سطح زمین می­ تواند تغییر کند. این تغییرپذیری مکانی قوی در میدان پوسته­ ای تاریخچه­ ی پیچیده منابع مغناطیسی شده ­اش و توانایی مختلف سنگ­ ها به مغناطیدگی را، نتیجه می­ دهد. مجموع میدان اصلی و میدان پوسته­ ای میدان داخلی نامیده می­شود. چراکه هردو منابع شان را در داخل زمین صلب دارند. میدان داخلی توسط میدان اصلی در مقیاس­ های بزرگ و توسط میدان پوسته­ ای زمانی که مقیاس ­ها در مرتبه ­ای معمولاً کمتر از ۲۰۰۰ کیلومتر در سطح زمین در نظر گرفته می­شوند.

همان‌طور که بیان شد، میدان مغناطیسی زمین هم­چنین منابعی بر روی جو طبیعی زمین دارد. (بعضی جریان­ های الکتریکی در جو طبیعی یافت می­شوند اما خیلی ضعیف‌اند، به­جز در مواقع طوفان­ های تندری، اثر مغناطیسی که در مغناطیس زمین در نظر گرفته نمی ­شود) میدان تولیدشده توسط چنان منابع خارجی به میدان خارجی معروف است. این میدان تولیدشده توسط سیستم­ های جریان الکتریکی در یونسفر و مگنتوسفر، مبدأ فیزیکی که می­ تواند برحسب جریان­ های رانده‌شده توسط فرآیند دینامیکی در پلاسمای یونسفر توصیف شود، که درون میدان اصلی حرکت می­ کنند و جریان­ های تولیدشده توسط حرکت ذرات باردار در درون مگنتوسفر در حال گذرند. دو سیستم جریان در طبیعت فیزیکی، بسیار متفاوت هستند اما زوج یکدیگر هستند. میدان تولیدشده توسط جریان­های یونسفری به میدان یونسفری معروف است و میدان­های تولیدشده توسط جریان­ های مگنتوسفری، میدان مگنتوسفری نام دارد. شدت شان می­ تواند بازمان قویاً تغییر کند. یک میدان مگنتوسفری بزرگ‌مقیاس ضعیف در مرتبه ۲۰ nT در سطح زمین در هرزمانی یافت می­شود. در دوره­های آرام مغناطیسی، یک میدان یونسفری ضعیف می­توان یافت، که بازمان محلی تغییر می­کند. شدتش در شب کمترین است، و حداکثرش در طول روز، و در مرتبه چند ده نانو تسلا در سطح زمین. اما در زمان­های دیگر، معروف به زمان­های مغناطیسی اغتشاشی، هردو میدان مگنتوسفری و یونسفری می­تواند بیشتر فعال شوند. با نتیجه ­گیری از میدان خارجی می­توان گه گاه به شدتی در مرتبه هزار نانو تسلا رسید، و در مقیاس زمانی از کسری از ثانیه تا چند روز تغییر می­ کند.

جریان­های الکتریکی را نیز می­ توان در پوسته و جبه زمین یافت. آن­ها به وجود می­آیند چراکه قابلیت رسانایی ضعیف سنگ­ها، به تغییرات زمانی میدان­ های اصلی و خارجی توصیف‌شده در بالا واکنش نشان می ­دهند. درنتیجه جریان­های القایی از میدان­های القایی، تولید می­شوند. جریان­های القایی توسط میدان اصلی به‌سختی قابل ارزیابی مستقیم هستند، و گمان می­شود که مربوط به سیگنال­های با فرکانس بالا تولیدشده توسط هسته، هستند. در مقایسه، جریان­های القایی که توسط میدان خارجی تولیدشده‌اند میدان القایی خارجی نام دارد که به­ آسانی می­توان مشاهده شود (و شدتش به کسری از میدان القایی خارجی می­رسد). مشابه با جریان­های القایی البته هم­چنین (به دلیل رسانایی) در آب­های شور اقیانوس­ها یافت می­شوند. هرچند، جریان­های اضافی که توسط فرآیندهای دینامیکی دیگر مرتبط با جریان­ های اقیانوسی و جزر و مدی آب­ های اقیانوس ­ها در درون میدان اصلی نیز می­ توان یافت. به­ هرحال آن­ها میدان­ های بسیار ضعیف، در مرتبه چند نانو تسلا در سطح زمین تولید می­ کنند.

پس میدان مغناطیسی زمین ناشی از انطباق تعدادی میدان­های تولیدشده توسط منابع مختلف است. متأسفانه مغناطیس­ سنج­ ها تنها نتایج میدان را می­ توانند اندازه­ گیری کنند و با یک اندازه ­گیری منفرد نمی­ تواند سهم هر منبع را تمییز داد. بنابراین اندازه­ گیری ­های کافی به‌دست‌آمده و پردازش­ شده در روش­ های مناسب، تفکیکی از سهم هر یک از انواع میدان می ­توان دست­ یافت و مدل­ های جهانی میدان مغناطیسی زمین ‌ساخته می­ شود.

منبع: M. Kono and G. Schubert, Geomagnetism: Elsevier, 2009.

برای خواندن مقالات بیشتر در مورد میدان مغناطیسی زمین و مدل آن اینجا کلیک کنید.

پاسخ دهید