Ziemskie pole magnetyczne to fascynujący obszar badań, tyle że w powszechnej edukacji spłycony jest on do obrazka magnesu sztabkowego we wnętrzu Ziemi. Ale skąd niby ten magnes? Szkolna odpowiedź jest zdawkowa, a o tym, że pole to nie jest jednorodne i ma ciekawe anomalie, bieguny wędrują, a igła magnetyczna odchyla się w dwóch osiach, już ze szkoły się (oficjalnie) nie dowiemy.
Pierwsza ciekawostka, którą sam byłem zaskoczony – w podstawie programowej do geografii nie ma ani słowa o ziemskim polu magnetycznym! Dopiero w klasach 7-8 szkoły podstawowej na fizyce pojawia się hasło „[uczeń] opisuje zachowanie się igły magnetycznej w obecności magnesu oraz zasadę działania kompasu; posługuje się pojęciem biegunów magnetycznych Ziemi”, a w liceum „opisuje jakościowo oddziaływanie pola magnetycznego na przewodniki z prądem i poruszające się cząstki naładowane; omawia rolę pola magnetycznego Ziemi jako osłony przed wiatrem słonecznym”. I tyle.
Podstawa programowa nie definiuje zatem, czy uczeń ma choćby wiedzieć, że bieguny magnetyczny i geograficzny się nie pokrywają, chociaż szczęśliwie w materiale e-podręcznika taka treść się pojawia (może to stary materiał? :p). O czym jeszcze nauczyciele uczą na własną rękę? Poniżej informacje najbardziej aktualne.
Gdzie właściwie skierowana jest igła?
To, że igła magnetyczna wskazuje magnetyczny biegun południowy, a ten jest około 10 stopni odsunięty od geograficznego, jeszcze pojawia się na obrazkach z magnesem sztabkowym w środku Ziemi. Ale już z określeniami deklinacja i inklinacja pola magnetycznego spotkałem się dopiero na studiach. A szkoda, bo to dobre ćwiczenie z wyobraźni przestrzennej: deklinacja określa odchylenie „poziome” igły, czyli o ile stopni pokazywany przez nią kierunek odbiega od kierunku geograficznej północy, a inklinacja to odchylenie „pionowe”, czyli określające, jaki kąt tworzy czubek igły z punktem zawieszenia. Na płaskiej Ziemi z pokrywającymi się biegunami geograficznym i magnetycznym obie wielkości wynosiłyby zero.
Tymczasem deklinacja w Polsce jest dodatnia, czyli igła odchylona jest na wschód i wynosi od niecałe +4 stopnie do około +7,5 stopnia, przez Francję przebiega linia „0”, w Lizbonie mamy już odchylenie na zachód, -1°33’. Przy krótkiej wyciecze w terenie to mogą być pomijalne wartości, ale spójrzcie na światową mapę deklinacji: w samych USA w Waszyngtonie mamy -10 stopni, a w San Francisco +13 stopni. Za to w Yukon w Kanadzie +20 stopni, a na Grenlandii -40 stopni! (Na mapie kolor niebieski oznacza wartości ujemne, czyli odchylenie na zachód, a czerwony wartości dodatnie, odchylenie na wschód).
Pod poniższym linkiem możecie sprawdzić, jakie są parametry pola magnetycznego w dowolnym miejscu na świecie: https://www.magnetic-declination.com/. Widać, że prawidłowe korzystanie z kompasu nie jest takie proste – dlatego na mapach nawigacyjnych oddzielnie nanosi się siatkę współrzędnych geograficznych i magnetycznych.
Deklinacja i inklinacja
Drugi z parametrów, inklinacja, opisuje odchylenie od pionu. Zazwyczaj z igłą magnetyczną spotykamy się w prostym kompasie z płaską, zamkniętą konstrukcją, więc nie widzimy tego odchylenia, ale wystarczy zawiesić igłę magnetyczną swobodnie na sznurku. Wtedy odchyli się w osi poziomej zgodnie z deklinacją w danym miejscu, a pionowo zgodnie z inklinacją. Łatwo sobie to wyobrazić: igła ustawia się równolegle do linii sił pola magnetycznego, jeśli więc pamiętamy rysunek z liniami pola wokół magnesu, to przecież one wzdłuż magnesu przebiegają równolegle do niego, ale „zawijają” i na biegunach „wchodzą” do wnętrza magnesu. Czyli na równiku (magnetycznym!) inklinacja wynosi zero stopni, a na biegunie (magnetycznym!) 90 stopni, czyli igła zwisa pionowo! Korzystając z tej wiedzy można wyznaczyć nie tylko kierunek w nawigacji, ale także długość geograficzną!
Samą inklinację magnetyczną odkrył chiński uczony Shen Kuo w XI wieku (o innych jego odkryciach – w poprzednim artykule o magnetyzmie), a w Europie ta wiedza pojawiła się oficjalnie w 1544 roku w pracy Georga Hartmanna. Do 1831 roku trzeba było poczekać, aż James Clark Ross, pływając w okolicy Kanady, znalazł miejsce, gdzie swobodnie zawieszona igła ustawiła się pionowo – czyli odkrył położenie magnetycznego bieguna północnego. Ówczesne. Położenie magnetycznego bieguna południowego na Antarktydzie ustaliła dopiero ekspedycja Ernesta Shackletona z 1909 roku, w której pomiarów dokonał australijski geolog Douglas Mawson.
Anomalie
Nie tylko deklinacja i inklinacja pola magnetycznego zmienia się w różnych miejscach Ziemi, ale także wartość tego pola. Podobnie jak w poprzednim artykule o wartościach pól magnetycznych przytoczę wartości od 30 do 60 mikrotesli, ale tym razem uzupełnione o mapę tego rozkładu. Mapa jest najaktualniejszą z dostępnych, z cytowanej pracy z 2021 roku. Widać na niej, że również pod względem wartości pole magnetyczne jest bardzo niejednorodne – najsilniejsze w okolicy bieguna południowego w Ameryce Południowej.
Ale już nie północnego, bo tu maksymalne wartości ulokowane są na Syberii, z kolei Amerykę Południową pokrywa „anomalia”, w swoim minimum schodząca poniżej 30 mikrotesli. To tak zwana SAMA, czyli The South Atlantic Magnetic Anomaly.
Najciekawsze w SAMA jest to, że… pojawiła się względnie niedawno i cały czas się pogłębia i rozrasta:
Skąd bierze się ta anomalia? Aby to wyjaśnić, musimy rzucić okiem na budowę ziemskiej magnetosfery (pasy Van Allena), co uczynimy w drugiej części artykułu. Ale jak jesteśmy przy anomaliach, to wymienimy dwie inne, które ze względu na rozdzielczość powyższych map nie były widoczne, ale odznaczają się na poniższej grafice:
Anomalii magnetycznych jest więcej
Czerwony obszar na północy to Kurska Anomalia Magnetyczna, związana z największymi na świecie złożami rudy żelaza. Czerwony obszar w Republice Środkowoafrykańskiej to Anomalia Bangui, związana z… nie wiadomo do końca, z czym. Jedna hipoteza mówi o obecności pewnych naturalnych złóż geologicznych, inna, częściej przyjmowana, o pozostałościach po zderzeniu z meteorytem jakieś 540 milionów lat temu. Ta anomalia wciąż jest przedmiotem badań, tak jak generalnie słabnące pole geomagnetyczne, jego wpływ na życie na Ziemi i orbitowanie satelitów, a także być może zbliżające się kolejne przebiegunowanie planety…
O wędrującym biegunie, o tym, jaki jest mechanizm generowania ziemskiego pola magnetycznego oraz jak daleko sięga nasza magnetosfera, a także czym są „magnetyczne paski” w oceanie – w następnym artykule!
Źródła:
Podstawa programowa:
https://podstawaprogramowa.pl/Szkola-podstawowa-IV-VIII/Geografia
https://podstawaprogramowa.pl/Liceum-technikum/Geografia
E-podręcznik:
Geografia: https://zpe.gov.pl/b/zrodlo-cechy-i-znaczenie-pola-magnetycznego-ziemi/PWXV8kV2y
Fizyka: https://zpe.gov.pl/b/pole-magnetyczne-ziemi/PwEAgFySQ
Mapy pola magnetycznego:
International Geomagnetic Reference Field: the thirteenth generation. Alken, P., Thébault, E., Beggan, C.D. et al. Earth Planets Space 73,49 (2021). https://doi.org/10.1186/s40623-020-01288-x
https://earth-planets-space.springeropen.com/articles/10.1186/s40623-020-01288-x
Anomalia południowa:
Time evolution of the South Atlantic Magnetic Anomaly, Hartmann, Gelvam A. and Pacca, Igor G. Anais da Academia Brasileira de Ciências [online]. 2009, v. 81, n. 2 [Accessed 25 April 2022], pp. 243-255. Epub 26 May 2009. ISSN 1678-2690. https://doi.org/10.1590/S0001-37652009000200010.
https://www.scielo.br/j/aabc/a/w8TwzbXdFMhtn64wLxnJXZw/?lang=en#
The CHAOS-7 geomagnetic field model and observed changes in the South Atlantic Anomaly. Finlay, C.C., Kloss, C., Olsen, N. et al., Earth Planets Space 72, 156 (2020). https://doi.org/10.1186/s40623-020-01252-9
https://earth-planets-space.springeropen.com/articles/10.1186/s40623-020-01252-9
Application of Spherical Cap Harmonic Analysis on CHAMP satellite data to develop a lithospheric magnetic field model over southern Africa at satellite altitude. Nahayo, Emmanuel & Kotze, Pieter & Webb, Susan. (2019). South African Journal of Geology. 122. 10.25131/sajg.122.0012.https://pubs.geoscienceworld.org/gssa/sajg/article-abstract/122/2/163/570415/Application-of-Spherical-Cap-Harmonic-Analysis-on?redirectedFrom=fulltext