Co się dzieje z biegunami magnetycznymi Ziemi?

Rob. M

Ziemia ma dwa bieguny magnetyczne, które nie pokrywają się z biegunami geograficznymi. Magnetyczny biegun północny leży w pobliżu bieguna geograficznego południowego, a magnetyczny biegun południowy leży w pobliżu bieguna geograficznego północnego.
Położenie zarówno biegunów magnetycznych jak i geograficznych jest zmienne. Północny biegun geograficzny zatacza niewielkie kręgi. Ruch ten mierzony na powierzchni nie przekracza 6 m rocznie. Do określenia tej wędrówki wykorzystuje się światową sieć bardzo dokładnych odbiorników sygnałów z satelity GPS, (global positioning satellite) określającego pozycje na Ziemi.

Uważa się, że pole magnetyczne Ziemi wytwarzane jest przez ruchy płynu w ciekłej zewnętrznej części jądra ziemskiego, zbudowanego głównie z żelaza. Ruchy płynu spowodowane są siłami, które powstają w jądrze zewnętrznym w miarę jak Ziemia powoli się ochładza i żelazo tężeje tworząc poniżej stałe jądro wewnętrzne. Z powodu wirowania Ziemi płyn przemieszczany jest po krętych torach, co wytwarza nowe pole magnetyczne na skutek zawirowań w istniejącym polu magnetycznym. Wewnątrz jądra zawarte jest ponad 99 % magnetycznej energii Ziemi. Na powierzchni obserwujemy tylko bardzo niewielką część tej energii. Ma ona strukturę dipolową - to jest proste pole przebiegające z północy na południe jak w zwykłym magnesie sztabkowym. W polu Ziemi istnieją także mniejsze nie dipolowe struktury, które z upływem czasu zmieniają bardzo nieznacznie swoje położenie.

Bieguny magnetyczne bezustannie się przemieszczają. Ich położenie jest wynikiem prądów indukowanych przez jądro ziemskie, które działa jak dynamo, do czego dokłada się jeszcze działanie prądów elektrycznych w jonosferze, pasów radiacyjnych i ziemskiej magnetosfery. Północny biegun magnetyczny przesuwa się ku północy średnio o 10 km na rok. Jest to ruch po elipsie. W jakimkolwiek momencie biegun magnetyczny może znajdować się w promieniu 80 km od swojego średniego położenia, w zależności od zaburzeń geomagnetycznych w jonosferze i magnetosferze.

Fizycy ustalili, że planeta może wytwarzać własne pole magnetyczne, gdy spełnione są trzy podstawowe warunki.
Pierwszym jest obecność wewnątrz dużej ilości płynnego przewodnika, którym jest w przypadku Ziemi płynne żelazo znajdujące się w płaszczu zewnętrznym.

Drugim jest zapewnienie dopływu energii niezbędnej do wprawienia płynu w ruch. Źródłem energii dynama ziemskiego są ciepło i reakcje chemiczne oraz krystalizacja żelaza na granicy jądra wewnętrznego. Powoduje to powstawanie prądów konwekcyjnych. W pobliżu jądra wewnętrznego temperatura jest znacznie wyższa niż wyżej i ciepłe warstwy wędrują ku górze. Gdy gorący strumień dociera do granicy z płaszczem, oddaje mu część ciepła. Schłodzone żelazo staje się gęstsze od otoczenia i spływa z powrotem.

Trzecim czynnikiem jest rotacja w wyniku ruchu obrotowego Ziemi. Na płynne żelazo działa wtedy siła Coriolisa, która powoduje ruch wirowy strug płynnego żelaza i torem jest krzywa spiralna. Nieustanne istnienie pola magnetycznego Ziemi (geodynama) jest więc przede wszystkim zasługą istnienia płynnego, metalicznego żelaza.

Gdyby nie pole magnetyczne, życie na Ziemi nie byłoby możliwe. Tylko w regionach polarnych niektóre cząstki z wiatru słonecznego docierają do atmosfery ziemskiej powodując zjawisko zorzy polarnej – zjawisko „kurtyn świetlnych” o jasnych i neonowych kolorach występujące na niebie w Arktyce i Antarktydzie. Zorza polarna jest wywołana skupiającymi się liniami pola magnetycznego oddziaływującego na obdarzone dużą energią cząstki wiatru słonecznego.