Magnetosphäre der Erde: Schutz unseres Planeten vor schädlicher kosmischer Energie
Magnetosphäre der Erde: Schutz unseres Planeten vor schädlicher kosmischer Energie
Anonim

Die NASA hat gestern einen großen Artikel über die Magnetosphäre der Erde, über die darin stattfindenden Veränderungen, über den Einfluss von Sonneneruptionen darauf, über die Wanderung der Pole und über den möglichen Wechsel der Pole unseres Planeten veröffentlicht. Wir präsentieren Ihnen eine Übersetzung dieses interessanten Artikels:

Unter den vier Gesteinsplaneten unseres Sonnensystems kann man sagen, dass die "magnetische" Persönlichkeit der Erde von ihren interplanetaren Nachbarn beneidet wird.

Wenn Ströme von Sonnenmaterie in die Magnetosphäre der Erde eintreten, können sie in zwei donutförmigen Gürteln um den Planeten, den sogenannten Van-Allen-Gürteln, gefangen und festgehalten werden. Diese Gürtel bewirken, dass sich Teilchen entlang der Linien des Erdmagnetfeldes bewegen und ständig von Pol zu Pol prallen. Dieses Video veranschaulicht die Veränderungen in Form und Intensität des Querschnitts des Van-Allen-Gürtels.

Im Gegensatz zu Merkur, Venus und Mars ist die Erde von einem riesigen Magnetfeld umgeben, das als Magnetosphäre bezeichnet wird. Unsere Magnetosphäre, die von starken dynamischen Kräften im Zentrum unserer Welt geschaffen wird, schützt uns vor der Zerstörung der Atmosphäre durch den Sonnenwind (geladene Teilchen, die die Sonne ständig auf uns schleudert), die Auswirkungen von Strahlung und Teilchen aus koronalen Massenauswürfen (massive Wolken aus energetischem und magnetisiertem Sonnenplasma und -strahlung) und kosmische Strahlung aus dem Weltraum. Unsere Magnetosphäre fungiert als Beschützer, der diese unerwünschte Energie, die für das Leben auf der Erde schädlich ist, abwehrt und den größten Teil davon in sicherer Entfernung von der Erdoberfläche in zwei donutförmigen Zonen, den sogenannten Van-Allen-Gürteln, einfängt.

Aber die Magnetosphäre der Erde ist keine perfekte Verteidigung. Schwingungen im Sonnenwind können ihn stören und zu "Weltraumwetter" führen - geomagnetische Stürme, die unsere Atmosphäre durchdringen, Raumschiffe und Astronauten bedrohen, Navigationssysteme stören und Stromnetze verwüsten.

Der Sonnenwind erzeugt vorübergehende Risse im Schild, wodurch jeden Tag etwas Energie in die Erdoberfläche eindringen kann. Da diese Einfälle jedoch nur von kurzer Dauer sind, verursachen sie keine ernsthaften Probleme und werden von schönen Polarlichtern (Aurora) begleitet.

Da sich die Kräfte, die das Erdmagnetfeld erzeugen, ständig ändern, ist auch das Feld selbst in ständiger Bewegung, wobei seine Stärke im Laufe der Zeit zu- und abnimmt. Infolgedessen ändert sich die Lage der magnetischen Nord- und Südpole der Erde allmählich und ungefähr alle 300.000 Jahre - vollständig.

Eine Konstellation von drei Swarm-Satelliten wurde im November 2013 von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) gestartet und bietet neue Einblicke in die Funktionsweise des globalen Magnetfelds der Erde. Das Magnetfeld, das durch die Bewegung von geschmolzenem Eisen im Erdkern entsteht, schützt unseren Planeten vor kosmischer Strahlung und geladenen Teilchen, die von der Sonne emittiert werden. Es bietet auch eine Grundlage für die Kompassnavigation.

Das obere Bild, basierend auf Swarm-Daten, zeigt die durchschnittliche Stärke des Erdmagnetfelds an der Oberfläche (gemessen in Nanoteslas) zwischen dem 1. Januar und dem 30. Juni 2014. Das zweite Bild zeigt die Veränderungen in diesem Feld im gleichen Zeitraum. Obwohl die Farben im zweiten Bild genauso lebendig sind wie im ersten, beachten Sie, dass die größten Veränderungen plus oder minus 100 Nanotesla bei einem Feld von bis zu 60.000 Nanotesla waren.

Um zu verstehen, welche Kräfte das Erdmagnetfeld steuern, müssen Sie zuerst die vier Hauptschichten der "Zwiebel" der Erde (feste Erde) trennen:

- Die Kruste, in der wir leben, ist durchschnittlich 31 km tief an Land und etwa 5 km tief auf dem Meeresboden.

- Der Mantel ist eine heiße, zähflüssige Mischung aus geschmolzenem Gestein mit einer Dicke von etwa 2.900 Kilometern.

- Der äußere Kern ist etwa 2.250 Kilometer dick und besteht aus geschmolzenem Eisen und Nickel.

- Der innere Kern ist eine feste Kugel mit einer Dicke von etwa 1221 Kilometern aus Eisen und Nickel, die ungefähr so ​​heiß ist wie die Oberfläche der Sonne.

Innere Struktur der Erde: dichter massiver Metallkern, zähflüssiger Metallaußenkern, Mantel und Kruste auf Silikatbasis.

Fast das gesamte Erdmagnetfeld stammt aus dem flüssigen äußeren Kern. Wie kochendes Wasser auf einem Herd wirbeln konvektive Kräfte (die Wärme von einem Ort zum anderen transportieren, normalerweise durch Luft oder Wasser), ständig geschmolzene Metalle auf, die ebenfalls in Wirbeln wirbeln, die durch die Erdrotation verursacht werden. Wenn sich diese wirbelnde Metallmasse bewegt, erzeugt sie elektrische Ströme, die Hunderte von Meilen breit sind und Tausende von Meilen pro Stunde, während sich die Erde dreht. Dieser Mechanismus, der für die Aufrechterhaltung des Erdmagnetfeldes verantwortlich ist, wird als Geodynamo bezeichnet.

Eine Illustration des Dynamomechanismus, der das Erdmagnetfeld erzeugt: Konvektionsströme von flüssigem Metall im äußeren Erdkern, angetrieben durch einen Wärmefluss aus dem inneren Kern, organisiert durch die Corioliskraft in Rollen, erzeugen zirkulierende elektrische Ströme, die ein Magnetfeld.

Das Studium des vergangenen Magnetismus der Erde wird Paläomagnetismus genannt. Direkte Beobachtungen des Magnetfelds erstrecken sich nur über wenige Jahrhunderte, daher verlassen sich Wissenschaftler auf Indizien. Magnetische Mineralien in alten ungestörten Vulkan- und Sedimentgesteinen, See- und Meeressedimenten, Lavaströmen und archäologischen Artefakten können die Stärke und Richtung des Magnetfelds, den Zeitpunkt von Magnetpoländerungen und vieles mehr anzeigen. Durch das Studium globaler Beweise und Daten von Satelliten und geomagnetischen Observatorien und die Analyse der Entwicklung des Magnetfelds mithilfe von Computermodellen können Wissenschaftler die Geschichte der Feldänderungen im geologischen Zeitverlauf darstellen.

Eine einfache Visualisierung der Magnetosphäre der Erde zur Zeit der Tagundnachtgleiche.

Bild

Die Erde ist von einem Magnetfeldsystem umgeben, das als Magnetosphäre bezeichnet wird. Die Magnetosphäre schützt unseren Planeten vor schädlicher Sonnenstrahlung und Strahlung kosmischer Partikel, kann jedoch als Reaktion auf das von der Sonne einfallende Weltraumwetter ihre Form ändern.

Die mittelozeanischen Rücken der Erde, auf denen sich tektonische Platten bilden, liefern Paläomagnetologen seit 160 Millionen Jahren Daten. Während Lava kontinuierlich aus den Kämmen ausbricht, breitet sie sich aus und kühlt ab, und ihre eisenreichen Mineralien richten sich nach dem geomagnetischen Feld aus und zeigen nach Norden. Wenn die Lava auf etwa 700 Grad Celsius abkühlt, "friert" die Stärke und Richtung des Magnetfelds zu diesem Zeitpunkt im Gestein ein. Durch Probennahme und radiometrische Datierung des Gesteins kann diese Magnetfeldaufzeichnung identifiziert werden.

Die Erforschung des Erdmagnetfeldes hat viel von seiner Geschichte offenbart

Wir wissen zum Beispiel, dass sich das Magnetfeld in den letzten 200 Jahren weltweit im Durchschnitt um etwa 9 Prozent abgeschwächt hat. Paläomagnetische Studien zeigen jedoch, dass das Feld tatsächlich das stärkste der letzten 100.000 Jahre und doppelt so stark ist wie der Durchschnitt seit einer Million Jahren.

Wir wissen auch, dass es in der Magnetosphäre einen bekannten „Schwachpunkt“gibt, der das ganze Jahr über existiert. Die Südatlantische Anomalie (SAA) liegt über Südamerika und dem Südatlantik und ist die Region, in der der Sonnenwind näher an die Erdoberfläche vordringt. Es entsteht unter dem gemeinsamen Einfluss von Geodynamo und der Neigung der magnetischen Erdachse.Während geladene solare und kosmische Strahlungspartikel innerhalb des SAA die Elektronik von Raumfahrzeugen braten können, beeinträchtigen sie das Leben auf der Erdoberfläche nicht.

Magnetstreifen um die mittelozeanischen Rücken zeigen die Geschichte des Erdmagnetfelds über Millionen von Jahren. Die Erforschung des vergangenen Erdmagnetismus wird als Paläomagnetismus bezeichnet.

Wir wissen, dass sich die Position der magnetischen Pole der Erde ständig ändert. Seit seine Position zum ersten Mal vom Royal Navy-Offizier und Polarforscher Sir James Clark Ross im Jahr 1831 lokalisiert wurde, hat sich der magnetische Nordpol allmählich um mehr als 1.100 Kilometer nach Nord-Nordwest verschoben und seine Vorwärtsgeschwindigkeit von etwa 10 Meilen (16.) erhöht Kilometer) pro Jahr auf etwa 34 Meilen (55 Kilometer) pro Jahr.

Das Magnetfeld der Erde wirkt wie ein Schutzschild um den Planeten, das geladene Teilchen von der Sonne abstößt und zurückhält. Aber über Südamerika und dem Südatlantik lässt eine ungewöhnliche Schwachstelle im Feld – die sogenannte Südatlantische Anomalie oder SAA – diese Partikel näher als üblich unter die Oberfläche sinken. SAA hat derzeit keine sichtbaren Auswirkungen auf das tägliche Oberflächenleben. Jüngste Beobachtungen und Prognosen zeigen jedoch, dass sich die Region nach Westen ausdehnt und an Intensität weiter abnimmt. Die Südatlantische Anomalie ist auch für NASA-Wissenschaftler von Interesse, die Veränderungen der magnetischen Kraft in der Region beobachten, sowohl in Bezug auf die Auswirkungen dieser Veränderungen auf die Erdatmosphäre als auch als Indikator dafür, was mit den Magnetfeldern der Erde tief in der Erde passiert. …

Die magnetischen Pole der Erde sind nicht die gleichen wie die geodätischen Pole, mit denen die meisten Menschen vertrauter sind. Die Lage der geodätischen Pole der Erde wird durch die Rotationsachse bestimmt, um die sich unser Planet dreht. Diese Achse dreht sich nicht gleichmäßig wie ein Globus auf Ihrem Schreibtisch. Stattdessen wackelt sie leicht. Dadurch verschiebt sich die Position des wahren Nordpols im Laufe der Zeit leicht. Zu dieser Schwingung tragen zahlreiche Prozesse auf der Erdoberfläche und in ihrem Inneren bei, die aber hauptsächlich mit der Bewegung des Wassers um die Erde in Verbindung gebracht wird. Seit Beginn der Beobachtungen hat sich die Position der Erdrotationsachse in Richtung Nordamerika um etwa 12 Meter verschoben, jedoch nie mehr als 17 Zentimeter pro Jahr. Diese Schwankungen haben keinen Einfluss auf unser tägliches Leben, müssen jedoch berücksichtigt werden, um genaue Ergebnisse von globalen Navigationssatellitensystemen, Erdbeobachtungssatelliten und bodengestützten Observatorien zu erhalten. Schwankungen können Wissenschaftler über vergangene klimatische Bedingungen informieren, aber sie sind eine Folge von Veränderungen der kontinentalen Reservoirs und Eisschilde im Laufe der Zeit, nicht deren Ursache.

Beobachtete Verschiebungen des Nordpols zwischen 1831 und 2007 sind gelbe Quadrate. Die simulierten Pole-Positions von 1590 bis 2020 sind Kreise von blau nach gelb.

Beobachtete Südpole im Zeitraum 1903-2000 sind gelbe Quadrate. Die simulierten Pole-Positions von 1590 bis 2020 sind Kreise von blau nach gelb.

Die bedeutendsten Veränderungen, die die Magnetosphäre der Erde betreffen, sind Polverschiebungen. Bei einer Polaritätsumkehr werden die magnetischen Nord- und Südpole der Erde vertauscht. Während dies wie ein großes Problem erscheinen mag, sind Polumkehrungen in der geologischen Geschichte der Erde üblich. Paläomagnetische Aufzeichnungen, einschließlich Aufzeichnungen über Variationen der Magnetfeldstärke, weisen darauf hin, dass sich die magnetischen Pole der Erde in den letzten 83 Millionen Jahren 183 Mal und in den letzten 160 Millionen Jahren mindestens mehrere hundert Mal vertauscht haben. Die Zeitintervalle zwischen den Umkehrungen sind sehr variabel, aber im Durchschnitt etwa 300.000 Jahre, und das letzte Mal fand vor etwa 780.000 Jahren statt.Wissenschaftler wissen nicht, was die Häufigkeit der Polumkehr bestimmt, aber dies könnte auf konvektive Prozesse im Erdmantel zurückzuführen sein.

Die Position des magnetischen Nordpols der Erde. Die gezeigten Pole sind Tauchpole, die als Positionen definiert sind, an denen die Richtung des Magnetfelds vertikal ist. Rote Kreise markieren die Positionen des magnetischen Nordpols, die durch direkte Beobachtungen bestimmt wurden; blaue Kreise zeigen Positionen an, die mit dem GUFM-Modell (1590-1890) und dem IGRF-12-Modell (1900-2020) in Schritten von einem Jahr modelliert wurden. Für 1890-1900 wurde eine glatte Interpolation zwischen den beiden Modellen durchgeführt. Die simulierten Standorte nach 2015 sind Hochrechnungen.

Bei der Umpolung schwächt sich das Magnetfeld ab, verschwindet aber nicht vollständig. Die Magnetosphäre schützt unseren Planeten zusammen mit der Erdatmosphäre weiterhin vor kosmischer Strahlung und geladenen Sonnenpartikeln, obwohl eine kleine Menge fester Partikel auf die Erdoberfläche fallen kann. Das Magnetfeld wird unregelmäßig und mehrere Magnetpole können an unerwarteten Breitengraden auftreten.

Die Erde dreht sich nicht immer um eine Achse durch ihre Pole. Stattdessen schwankt er im Laufe der Zeit ungleichmäßig und driftet für den größten Teil des 20. Jahrhunderts in Richtung Nordamerika (grüner Pfeil). Diese Richtung hat sich aufgrund der Veränderung der Wassermasse auf der Erde dramatisch geändert.

Bis etwa 2000 driftete die Erdrotationsachse in Richtung Kanada (grüner Pfeil, linker Globus). JPL-Wissenschaftler berechneten die Auswirkung von Veränderungen der Wassermasse in verschiedenen Regionen (zentraler Globus) auf die Richtung der Ostdrift und die Beschleunigung der Geschwindigkeit (rechter Globus).

Der Zusammenhang zwischen der Wassermasse der Kontinente und den Schwingungen der Erdrotationsachse in Ost-West-Richtung. Wasserverluste aus Eurasien entsprechen Schwankungen nach Osten in der allgemeinen Richtung der Rotationsachse (oben), und der eurasische Gewinn verschiebt die Rotationsachse nach Westen (unten).

Niemand weiß genau, wann die nächste Polumkehr stattfinden könnte, aber Wissenschaftler wissen, dass sie nicht über Nacht passieren. Stattdessen treten sie über Hunderte und Tausende von Jahren auf. Wissenschaftler haben keinen Grund zu der Annahme, dass ein Putsch unvermeidlich ist.

Geomagnetische Polarität in den letzten 169 Millionen Jahren, die in die Jura-Ruhezone übergeht. Dunkle Bereiche zeigen Perioden normaler Polarität an, helle Bereiche zeigen umgekehrte Polarität an.

Supercomputermodelle des Erdmagnetfeldes. Auf der linken Seite ist das normale dipolare Magnetfeld, typisch für die langen Jahre zwischen den Polaritätsumkehrungen. Rechts ist das komplexe Magnetfeld zu sehen, das bei Polaritätsumkehrschocks um die Erde herum auftritt.

Schließlich gibt es „geomagnetische Exkursionen“: kurzlebige, aber signifikante Änderungen der Intensität des Magnetfelds, die von mehreren Jahrhunderten bis zu mehreren Zehntausend Jahren andauern. Touren sind etwa 10-mal häufiger als Polumkehrungen.

Die Exkursion kann die magnetischen Pole der Erde um 45 Grad von ihrer vorherigen Position aus neu ausrichten und die Feldstärke um 20 Prozent reduzieren. Touren sind im Allgemeinen eher regional als global.

In den letzten 70.000 Jahren fanden drei bedeutende Exkursionen statt: das Norwegisch-Grönland-Meer-Ereignis vor etwa 64.500 Jahren, das Lashamp-Ereignis zwischen 42.000 und 41.000 Jahren und das Mono-See-Ereignis vor etwa 34.500 Jahren.

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