Escudo da Terra: Onde Nosso Planeta Possui um Campo Magnético?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Última modificação: 2023-12-16 16:14

O campo magnético protege a superfície da Terra do vento solar e da radiação cósmica prejudicial. Funciona como uma espécie de escudo - sem a sua existência, a atmosfera seria destruída. Contaremos como o campo magnético da Terra foi formado e alterado.

A estrutura e as características do campo magnético da Terra

O campo magnético da Terra, ou campo geomagnético, é um campo magnético gerado por fontes intraterrestres. O objeto do estudo do geomagnetismo. Surgido há 4, 2 bilhões de anos.

O próprio campo magnético da Terra (campo geomagnético) pode ser dividido nas seguintes partes principais:

• campo principal,
• campos de anomalias mundiais,
• campo magnético externo.

Campo principal

Mais de 90% dele consiste em um campo, cuja fonte está no interior da Terra, no núcleo externo líquido - esta parte é chamada de campo principal, principal ou normal.

É aproximado na forma de uma série em harmônicas - uma série gaussiana, e em uma primeira aproximação próximo à superfície da Terra (até três de seus raios) está próximo ao campo dipolo magnético, ou seja, parece a Terra é uma faixa magnética com um eixo direcionado aproximadamente de norte a sul.

Campos de anomalias mundiais

As linhas reais de força do campo magnético terrestre, embora em média próximas às linhas de força do dipolo, diferem delas por irregularidades locais associadas à presença de rochas magnetizadas na crosta localizada próximo à superfície.

Por isso, em alguns pontos da superfície terrestre, os parâmetros de campo são muito diferentes dos valores de áreas próximas, formando as chamadas anomalias magnéticas. Eles podem se sobrepor se os corpos magnetizados que os causam estiverem em profundidades diferentes.

Campo magnético externo

É determinado por fontes na forma de sistemas atuais localizados fora da superfície da Terra, em sua atmosfera. Na parte superior da atmosfera (100 km e acima) - a ionosfera - suas moléculas se ionizam, formando um denso plasma frio que se eleva mais alto, portanto, uma parte da magnetosfera terrestre acima da ionosfera, estendendo-se a uma distância de até três de seus raios, é chamada de plasmasfera.

O plasma é mantido pelo campo magnético da Terra, mas seu estado é determinado por sua interação com o vento solar - o fluxo de plasma da coroa solar.

Assim, a uma distância maior da superfície terrestre, o campo magnético é assimétrico, pois é distorcido pela ação do vento solar: do Sol se contrai, e na direção do Sol adquire um "rastro" que se estende. por centenas de milhares de quilômetros, indo além da órbita da lua.

Esta forma peculiar de "cauda" surge quando o plasma do vento solar e das correntes corpusculares solares parecem fluir ao redor da magnetosfera terrestre - a região do espaço próximo à Terra, ainda controlada pelo campo magnético da Terra, e não pelo Sol e outros fontes interplanetárias.

É separado do espaço interplanetário por uma magnetopausa, onde a pressão dinâmica do vento solar é equilibrada pela pressão de seu próprio campo magnético.

Parâmetros de campo

Uma representação visual da posição das linhas de indução magnética do campo terrestre é fornecida por uma agulha magnética, fixada de tal forma que pode girar livremente em torno do eixo vertical e horizontal (por exemplo, em um gimbal), - em cada ponto próximo à superfície da Terra, ele é instalado de uma certa maneira ao longo dessas linhas.

Como os pólos magnético e geográfico não coincidem, a agulha magnética mostra apenas uma direção norte-sul aproximada.

O plano vertical no qual a agulha magnética está instalada é chamado de plano do meridiano magnético de um determinado lugar, e a linha ao longo da qual esse plano se cruza com a superfície da Terra é chamada de meridiano magnético.

Assim, meridianos magnéticos são as projeções das linhas de força do campo magnético terrestre em sua superfície, convergindo nos pólos magnéticos norte e sul. O ângulo entre as direções dos meridianos magnéticos e geográficos é chamado de declinação magnética.

Pode ser ocidental (geralmente indicado por um sinal "-") ou oriental (um sinal "+"), dependendo se o pólo norte da agulha magnética se desvia do plano vertical do meridiano geográfico para oeste ou leste.

Além disso, as linhas do campo magnético da Terra, em geral, não são paralelas à sua superfície. Isso significa que a indução magnética do campo terrestre não está no plano do horizonte de um determinado lugar, mas forma um certo ângulo com esse plano - é chamado de inclinação magnética. É próximo de zero apenas nos pontos do equador magnético - a circunferência de um grande círculo em um plano perpendicular ao eixo magnético.

Resultados da modelagem numérica do campo magnético da Terra: à esquerda - normal, à direita - durante a inversão

A natureza do campo magnético da Terra

Pela primeira vez, J. Larmor tentou explicar a existência dos campos magnéticos da Terra e do Sol em 1919, propondo o conceito de um dínamo, segundo o qual a manutenção do campo magnético de um corpo celeste ocorre sob a ação do movimento hidrodinâmico de um meio eletricamente condutor.

Porém, em 1934, T. Cowling provou o teorema da impossibilidade de manter um campo magnético axissimétrico por meio de um mecanismo de dínamo hidrodinâmico.

E uma vez que a maioria dos corpos celestes estudados (e mais ainda a Terra) foram considerados axialmente simétricos, com base nisso foi possível fazer uma suposição de que seu campo também seria axialmente simétrico, e então sua geração de acordo com este princípio seria impossível de acordo com este teorema.

Até Albert Einstein era cético quanto à viabilidade de tal dínamo, dada a impossibilidade da existência de soluções simples (simétricas). Só muito mais tarde foi mostrado que nem todas as equações com simetria axial que descrevem o processo de geração do campo magnético terão uma solução axialmente simétrica, mesmo na década de 1950. soluções assimétricas foram encontradas.

Desde então, a teoria do dínamo tem se desenvolvido com sucesso, e hoje a explicação mais provável geralmente aceita para a origem do campo magnético da Terra e de outros planetas é um mecanismo dínamo autoexcitado baseado na geração de uma corrente elétrica em um condutor quando se move em um campo magnético gerado e amplificado pelas próprias correntes.

As condições necessárias são criadas no núcleo da Terra: no núcleo externo líquido, consistindo principalmente de ferro a uma temperatura de cerca de 4-6 mil Kelvin, que conduz perfeitamente a corrente, são criados fluxos convectivos que removem o calor do núcleo interno sólido. (gerado devido à decadência de elementos radioativos ou a liberação de calor latente durante a solidificação da matéria na fronteira entre os núcleos interno e externo à medida que o planeta esfria gradualmente).

As forças de Coriolis torcem essas correntes em espirais características que formam os chamados pilares de Taylor. Devido ao atrito das camadas, adquirem uma carga elétrica, formando correntes em loop. Assim, é criado um sistema de correntes que circulam ao longo de um circuito condutor em condutores que se movem em um campo magnético (inicialmente presente, embora muito fraco), como em um disco de Faraday.

Ele cria um campo magnético, que, com uma geometria favorável dos fluxos, potencializa o campo inicial, e este, por sua vez, potencializa a corrente, e o processo de amplificação continua até que as perdas por calor de Joule, aumentando com o aumento da corrente, equilibrem o fluxos de energia devido aos movimentos hidrodinâmicos.

Foi sugerido que o dínamo pode ser excitado por precessão ou forças de maré, ou seja, que a fonte de energia é a rotação da Terra, porém, a hipótese mais difundida e desenvolvida é que se trata justamente da convecção termoquímica.

Mudanças no campo magnético da Terra

A inversão do campo magnético é uma mudança na direção do campo magnético da Terra na história geológica do planeta (determinada pelo método paleomagnético).

Em uma inversão, o norte magnético e o sul magnético são invertidos e a agulha da bússola começa a apontar na direção oposta. A inversão é um fenômeno relativamente raro que nunca ocorreu durante a existência do Homo sapiens. Presumivelmente, a última vez que aconteceu há cerca de 780 mil anos.

As reversões do campo magnético ocorreram em intervalos de tempo de dezenas de milhares de anos a enormes intervalos de um campo magnético silencioso de dezenas de milhões de anos, quando as reversões não ocorreram.

Assim, não foi encontrada periodicidade na reversão do pólo, sendo este processo considerado estocástico. Longos períodos de um campo magnético silencioso podem ser seguidos por períodos de múltiplas reversões com durações diferentes e vice-versa. Estudos mostram que uma mudança nos pólos magnéticos pode durar de várias centenas a várias centenas de milhares de anos.

Especialistas da Universidade Johns Hopkins (EUA) sugerem que durante as reversões, a magnetosfera terrestre enfraqueceu tanto que a radiação cósmica poderia atingir a superfície terrestre, de modo que esse fenômeno poderia prejudicar os organismos vivos do planeta, e a próxima mudança de pólos poderia levar a ainda mais graves consequências para a humanidade até uma catástrofe global.

O trabalho científico dos últimos anos mostrou (inclusive em experimentos) a possibilidade de mudanças aleatórias na direção do campo magnético ("saltos") em um dínamo turbulento estacionário. Segundo o chefe do laboratório de geomagnetismo do Instituto de Física da Terra, Vladimir Pavlov, a inversão é um processo bastante longo para os padrões humanos.

Geofísicos da Universidade de Leeds Yon Mound e Phil Livermore acreditam que em alguns milhares de anos haverá uma inversão do campo magnético da Terra.

Deslocamento dos pólos magnéticos da Terra

Pela primeira vez, as coordenadas do pólo magnético no Hemisfério Norte foram determinadas em 1831, novamente - em 1904, depois em 1948 e 1962, 1973, 1984, 1994; no hemisfério sul - em 1841, novamente - em 1908. O deslocamento dos pólos magnéticos é registrado desde 1885. Nos últimos 100 anos, o pólo magnético no hemisfério sul se moveu quase 900 km e entrou no oceano austral.

Os dados mais recentes sobre o estado do pólo magnético ártico (movendo-se em direção à anomalia magnética mundial da Sibéria Oriental através do Oceano Ártico) mostraram que de 1973 a 1984 sua milhagem foi de 120 km, de 1984 a 1994 - mais de 150 km. Embora esses números sejam calculados, eles são confirmados por medições do pólo magnético norte.

Depois de 1831, quando a posição do pólo foi fixada pela primeira vez, em 2019 o pólo já havia se deslocado mais de 2.300 km em direção à Sibéria e continua a se mover com aceleração.

Sua velocidade de deslocamento aumentou de 15 km por ano em 2000 para 55 km por ano em 2019. Essa deriva rápida requer ajustes mais frequentes nos sistemas de navegação que usam o campo magnético da Terra, como bússolas em smartphones ou sistemas de navegação de backup para navios e aeronaves.

A força do campo magnético terrestre diminui de maneira desigual. Nos últimos 22 anos, diminuiu em média 1,7% e, em algumas regiões, como o Oceano Atlântico Sul, 10%. Em alguns lugares, a força do campo magnético, ao contrário da tendência geral, até aumentou.

A aceleração do movimento dos pólos (em média 3 km / ano) e o seu movimento ao longo dos corredores de inversões dos pólos magnéticos (estes corredores permitiram revelar mais de 400 paleoinversões) sugere que neste movimento dos pólos se faz deve ver não uma excursão, mas outra inversão do campo magnético da Terra.

Como surgiu o campo magnético da Terra?

Especialistas do Scripps Institute of Oceanography e da University of California sugeriram que o campo magnético do planeta era formado pelo manto. Cientistas americanos desenvolveram uma hipótese proposta há 13 anos por um grupo de pesquisadores da França.

Sabe-se que há muito tempo os profissionais argumentavam que era o núcleo externo da Terra que gerava seu campo magnético. Mas então especialistas da França sugeriram que o manto do planeta sempre foi sólido (desde o momento de seu nascimento).

Essa conclusão fez os cientistas pensarem que não era o núcleo que poderia formar o campo magnético, mas a parte líquida do manto inferior. A composição do manto é um material de silicato considerado um mau condutor.

Mas, como o manto inferior precisava permanecer líquido por bilhões de anos, o movimento do líquido dentro dele não produzia corrente elétrica e, na verdade, era simplesmente necessário gerar um campo magnético.

Os profissionais de hoje acreditam que o manto poderia ter sido um canal mais poderoso do que se pensava. Esta conclusão de especialistas justifica totalmente o estado da Terra primitiva. Um dínamo de silicato só é possível se a condutividade elétrica de sua parte líquida for muito maior e tiver baixa pressão e temperatura.