Jordens Magnetiska Fält

Transkript

1 Jordens Magnetiska Fält En essä för kursen Ämneskommunikation för Fysiker Sammanställd av Anne Ylinen 14 mars 2009 i

2 Innehåll 1 Inledning 1 2 Beskrivning av Jordens magnetfält Vektorbeskrivning av magnetfält på Jordens yta Magnetiska kartor Bidrag till det magnetiska fältet Jordens inre dipolfält Det yttre magnetiska fältet, solvindar Lokal magnetism Effekter av det magnetiska fältet van Allen bälten Norrsken Evolution Plattektonik Slutsatser 7 ii

3 1 Inledning Jag kommer att berätta om Jordens magnetfält i denna uppsats. Materialet är uppdelat i tre delar. Först tar jag upp hur man mäter och beskriver magnetfältet på Jorden. Som bekant så beskrivs magnetfältet av en vektor, och det finns vissa konvetioner för att rita magnetiska kartor. I tredje delen berättar jag om orsaker till att vi har ett magnetfält på Jorden. Det totala fältet byggs upp av tre olika bidrag. Näst sista kapitlet handlar om olika fenomen som uppstår på grund av magnetismen. 2 Beskrivning av Jordens magnetfält 2.1 Vektorbeskrivning av magnetfält på Jordens yta För att kunna diskutera Jordens magnetfält är det bra att kunna beskriva fältet på ett kvantitativt sätt. Ett magnetfält beskrivs av en vektor, som alltså har riktning och storlek. Ett etablerat sätt att beskriva fältet är att vi sätter punkten på Jorden vi befinner oss i som origo. Så bestämmer vi enhetsvektorer. Vi kan välja att x- och y-axlarna är i horisontalplanet så att x pekar norrut och y österut. Komponenten z pekar in mot Jordens centrum. [2] Sedan beskrivs det magnetiska fältets styrka och riktning genom att ange tre storheter: storlek, deklination och inklination. Storleken är helt enkelt fältvektorns storlek. Deklination anger vinkeln mellan den horisontella komponenten av magnetfältet och den geografiska nordpolen. Inklination anger vinkeln mellan magnetiska vektorn och den lokala horisonten, alltså hur mycket fältet dippar. [3] 2.2 Magnetiska kartor Magnetiska kartor ritas vanligen med kurvor som reflekterar att en storhet är lika längs den. Oftast lägger man till prefixet iso-. Isogona kartor sammanfogar punkter med lika stor deklination. Inklinationen är lika längs en isoklin. Den isodynamiska linjen förenar punkter där den magnetiska vektorn är lika stor. 1

4 Geografisk nordpol Magnetisk nordpol x H e X e y Öst Y e F e Z e z Figur 1: De olika vektorkomponenterna. [2] Vinklarna, som inte finns inritade denna figur, är inklinationen I som är mellan H e och X e, samt deklinationen D som är mellan H e och F e F 2 e = H 2 e + Z 2 e = X 2 e + Y 2 e H e = F e cos I X e = H e cos D tan D = Ye X e + Z 2 e Z e = F e sin I Y e = H e sin D tan I = Ze H e F e = F e f 1 = F e (cos D cos Ii + sin D cos Ij + sin Ik) Figur 2: De olika magnetiska vektorerna är relaterade som ovanför. [2] 2

5 Pilar kan också förekomma och dessa reflekterar storleken och riktning på magnetfältet i vissa punkter på Jorden. Man kan till exempel rita ut den horisontella komponenten av magnetfältet. [2] Dip points kallas sådana punkter där den horisontella komponenten av magentfältet är lika noll. Då är det magneska fältet helt vertikalt. Dessa punkter ligger inte exakt där magnetiska syd- respektive nord-polerna ligger. På södra halvklotet ligger dip point vid 67 S 143 E. Det är i viss mån svårt att rita ut en klar karta med mycket information för det magnetiska fältet kan variera mycket inom samma område. Magnetfälten är inte heller helt konstanta med tiden. Det går att rita magnetiska kartor som anger avvikelsen från dipolfältet. Dessa ger en inblick i hur stora variationerna kan vara, eftersom dipolfältet är konstant i ett kort tidsperspektiv. 3 Bidrag till det magnetiska fältet Det magnetfält vi upplever på Jorden kan grovt delas in i tre komponenter. Det största bidraget kommer ur Jordens inre magnetfält. Solvindarna formar om Jordens magnetfält på längre avstånd. På Jordens yta finns magnetiserade mineral som påverkar fältet lokalt. 3.1 Jordens inre dipolfält Medventenhet om magnetiska effekter har funnits åtminstone redan på talet. Det tog ganska länge innan man förstod vad magneter är och att Jorden själv är som en magnet. Seglare kunde använda kompasser och på så sätt underlätta navigerandet på okända platser. På 1600-talet undersökte William Gilbert hur nålar som är suspenderade vid massmedelpunkten beter sig kring magnetiserade stenar. Så undersökte han lutningen på olika ställen på Jorden och insåg att Jorden också har ett liknande magnetfält. [3] En god approximation för att beskriva Jordens magnetfält några jord-radier ifrån är ett magnetiskt dipolfält. Dipolen skulle isåfall ligga ungefär 300 km från Jordens centrum och ha ett magnetiskt moment på Am 2. Dipolen skulle ha sina poler vid 75 N 101 W respektive 69 S 145 E. [4] 3

6 För en exaktare beskrivning, som är aningen mera komplicerad, kan man tänka sig att Jordens magnetfält består av en stor dipol som ovan, samt åtta mindre dipoler som är riktade radiellt. Det kan antas att konvektion sker mellan olika höjder, och att dessa sedan orsakar avvikelse från ett enkelt dipolfält. [2] [3] Paleomagnetism baserar sig på remanent magnetism hos olika mineral. Genom att undersöka mineral och åldersbestämma dem kan man bestämma hur Jordens magnetfält har sett ut tidigare. Det finns flera typer av remanent magnetism som baserar sig på olika effekter. Termoremanent magnetisering sker då ett material kyls under sin Curie temperatur och således blir magnetiserat. [2] En spännande upptäckt som forskare gjorde på 1960-talet är att Jordens magnetfält byter polaritet. Detta upptäcktes vid kartläggning av magnetiska fältet till havs. Speciellt vid havsryggen i Altanten såg man att magnetfältet varierar mycket lokalt. Anomalierna förstärker och försvagar Jordens dipolfält turvis nästan symmetriskt kring ryggen. Man vet att lava kommer sakta upp från manteln och denna kyls ned då den kommer i kontakt med vatten. Ifall lavan innehåller mineral som kan magnetiseras, så bildas termoremanent magnetiserad havsbotten. Det visar sig att förutom polaritetsbyten så vandrar Jordens magnetiska poler kring de geografiska polerna. Vandringen sker inom ungefär 12 från geografiska polerna, så man kan anta att magnetfältet är kopplat till Jordens rotation på något vis. Ett förslag är att Jordens flytande kärna är ett självexciterande dynamo som ibland släcks ut på grund av vulkanisk aktivitet eller meteoriter. Då kan polaritetsbyten också ske spontant. [2] 3.2 Det yttre magnetiska fältet, solvindar Magnetiska fältet ute i rymden är inte alls symmetriskt. Detta beror på solvindarna, som har en temperatur på K och en partikeltäthet på 5 partiklar/cm 3. Då dessa partiklar närmar sig Jorden börjar de uppleva Jordens magnetfält och styrs mot endera pol. Dessa strömmar skapar ett magnetfält motsatt Jordens på solsidan och minskar således fältet. På sidan motsatt solen förstärker partikelströmmarna magnetfältet i en 2 miljoner 4

7 Figur 3: Termoremanent magnetisering av lava vid havsbottnen. [5] kilomenter lång svans. Denna effekt gör att magnetfältet är osymmetriskt format i rymden. Magnetosfär kallas den region där vi har ett magnetfält. Gränsskiktet mellan solvinden och regionen där det finns magnetfält kallas magnetopaus. 3.3 Lokal magnetism Magnetism kan också förekomma lokalt och fältet kan variera mycket inom små områden. Eftersom Curie temperaturen för de flesta mineralen uppnås redan vid ungefär 40 km djup, så måste permanent magnetiserade föremål ligga högre upp. Vissa mineral, som magnetit och pyrrhit kan bli starkt magnetiserade och fördubbla det magnetiska fältet lokalt. Man kan använda sig av denna magnetisering för att hitta värdefulla mineral som är ferromagnetiska, men alla magnetiserbara mineral är inte värdefulla ekonomiskt. [2] 5

8 4 Effekter av det magnetiska fältet 4.1 van Allen bälten Det magnetiska fältet från Jorden blir svagare med avstånd, men påverkar ändå laddade partiklar som färdas med en viss hastighet. I ett magnetfält som växlar i styrka och riktning kan partiklar börja en rörelse som upprepar sin bana periodiskt. Detta sker i van Allen bältena. I det inre bältet finns positiva laddningarna. Deras antal är ungefär konstant. Processen som skapar dessa laddningar sker då kosmisk strålning träffar kärnor av syre och kväve. Då kärnorna splittras bildas neutroner som har energier mellan 1 MeV och 1 GeV. Dessa neutroner har en livstid på ungefär 1000 sekunder och kan alltså röra sig relativt fritt jämfört med laddade partiklar. Då neutronerna splittras fångas protonerna upp av magnetfältet och de oscillarar i inre van Allen bältet. [3] [4] De negativa laddningarna finns i det yttre bältet och deras antal växlar kraftigt. Ibland blåser solvindarna bort laddningarna och sedan fyller de på med laddningar igen. [3] Genom att lösa ekvationen nedanför kan man bestämma en partikels rörelse. ( d m dr ) ( ) dr = q dt dt dt B + E + F. B är magnetfältet, E elfältet och F är någon eventuell kraft förutom ovannämnda. Nära Jorden bör vi ju beakta gravitationen. dr är partikelns dt hastighet, m massa och q laddning. [4] 4.2 Norrsken Norrsken sker då laddningar läcker ur van Allen bälten. Norrsken, också kallad aurora borealis, är vanligast kring nordpolen. Det finns nedskrivet att de skulle ha observeras så sydligt som Paris och Grekland. Förekomstfrekvensen har växlat med tiderna. Vikingarna har registrerat och skrivit ner att de sett norrsken, men senare blev de ganska sällsynta. 6

9 Då partiklar med hög energi träffar atomerna i atmosfären exciteras dessa och emitterar sedan ljus. De aurora borealis som syns vid sydligare breddgrader är rödaktiga, medan de som syns norrut är. Orsaken till detta är att partiklar med olika energi träffar olika breddgrader, och således produceras olika ljus. [4] 4.3 Evolution Man har föreslagit modeller där stora framsteg i evolutionen skulle ha skett samtidigt som Jordens magnetfält byter polaritet. Idéen är att då magnetfältet försvinner kommer inte laddningarna att fångas upp eller deflekteras. Då skulle Jorden få mycket mer strålning än normalt. Det finns ändå vissa fakta som talar emot denna teori. Största delen av högenergi partiklarna träffar atmosfären och kommer således inte fram till Jordens yta, förutom som sekundära partiklar. Det verkar som att Jordens temperatur och dess dipolfält har ett samband, så detta kan få det att se ut som om fältet spelar en roll för evolutionen. [3] 4.4 Plattektonik Stöd för teorin om plattektonik stöds av magnetiska fynd. Det visar sig att på större områden kan man hitta magnetiserade mineral som varken pekar mot den ena eller andra magnetiska polen. Det kan tyda på att landmassan tidigare har haft annan orientering och blivit magnetiserad i dåvarande magnetfältets riktning. 5 Slutsatser Magnetism är att fenomen som inverkar på så gott som allting. Därför är det aningen utmanande att välja mängden saker att ta upp för en uppsats. Det finns mycket flera fenomen än de som jag har tagit upp här. Några bortlämnade exempel är flyttfåglars navigering med hjälp av magnetfältet och magnetiska fält på andra planeter. Jag har inte heller försökt att gå in för detaljerat på de olika fenomenen, utan tar upp dem i huvuddrag. 7

10 Referenser [1] dgirija/index Home.html [2] W.M. Telford, L.P. Geldart och R.E. Sheriff Applied Geophysics Second Edition (Cambridge University Press, 1990) s [3] Harris Benson, University Physics (Wiley, 1995) s [4] Asgeir Brekke Physics of the Upper Polar Atmosphere(Wiley, 1997), s , [5] 8