Bieguny magnetyczne

Miejsca przecięcia osi symetrii ziemskiego pola magnetycznego z powierzchnią Ziemi nazywa się biegunami geomagnetycznymi. Bieguny cały czas przesuwają się po powierzchni Ziemi z prędkością około 15 km na rok zataczając kręgi. Bieguny magnetyczne nie leżą dokładnie po przeciwnych stronach Ziemi, ich położenie przedstawia tabela:

Opis pola magnetycznego 

W każdym punkcie przestrzeni pole magnetyczne określone jest wektorem pola magnetycznego, wektor ten określa się przez podanie współrzędnych w układzie współrzędnych Ziemi podając jego składową północną, wschodnią i pionową. W układzie współrzędnych cylindrycznych określa się deklinację, składową poziomą, oraz składową pionową, a w układzie sferycznym określa się inklinację, deklinację i moduł natężenia.

Deklinacją pola magnetycznego jest kąt między jego składową poziomą, a południkiem geograficznym.

Inklinacja jest to kąt jaki tworzy wektor natężenia pola z płaszczyzną poziomą.

Na mapach wytycza się linie łączące punkty o jednakowej deklinacji zwane izogonami. Linie łączące punkty o jednakowej inklinacji, to izokliny, izoklina odpowiadająca inklinacji równej 0° nazywana jest równikiem magnetycznym.

Natężenie pola magnetycznego

Natężenie pola magnetycznego jako pierwszy zmierzył Carl Friedrich Gauss w 1835 roku, od tego czasu pole magnetyczne było mierzone wielokrotnie, a od XX w. jest mierzone regularnie w wielu ośrodkach badawczych. Dane z tego okresu wykazują, że pole magnetyczne cały czas zmienia się. Przy czym wyróżnia się składową zmienną, oraz wartość uśrednioną zwaną stałe pole magnetyczne. Stałe pole magnetyczne ulega też powolnej zmianie, słabnie eksponencjalnie z czasem połowicznego zaniku w przybliżeniu równym 1400 lat. Obecnie jest 10-15% słabsze niż 150 lat temu.

Stałe pole magnetyczne

Obecnie indukcja ziemskiego pola magnetycznego przy powierzchni Ziemi zawiera się w granicach od 30 mikrotesli dla większości obszarów na małych i średnich szerokościach geograficznych do 60 mikrotesli w okolicach biegunów magnetycznych w północnej Kanadzie, w południowej Australii oraz w części Syberii.

Do badania pola magnetycznego używa się magnetometrów, które rejestrują niewielkie odchylenia natężenia i kierunku pola magnetycznego wywołane pokładami rud żelaza, zastygłej lawy wulkanicznej i innych struktur geologicznych. Obszary w których kierunek pola magnetycznego wyraźnie odbiega od średniego dla danej szerokości geograficznej nazywa się anomalią magnetyczną. Jedną z największych anomalii magnetycznych jest Kurska anomalia magnetyczna wywołana występowaniem na tym obszarze ogromnych pokładów rud żelaza. Używając magnetometrów skonstruowanych podczas II wojny światowej do wykrywania łodzi podwodnych, dokonano dokładnych pomiarów zmian pola magnetycznego dna oceanicznego. Gdy wypływający z głębi bazalt zastyga stygną też towarzyszące mu minerały, stając się ferromagnetykami zamrażają w sobie pole magnetyczne (magnetyzacja szczątkowa), pole to nie zmienia się już pomimo zmian pola zewnętrznego. Badając skały wulkaniczne można określić kierunek i natężenie pola magnetycznego w przeszłości dział nauki który zajmuje się badaniem pola magnetycznego w przeszłości nazywany jest paleomagnetyzm.

Zmienne pole magnetyczne

Zmienne pole magnetyczne, zmienia wartość pola magnetycznego o 1% jego wartości, czasami zmiana ta dochodzi do 5%. Główną przyczyną zmian są zjawiska zachodzące wokół Ziemi, takie jak deformacja pola magnetycznego wywoływana przez wiatr słoneczny, zmiany w jonosferze ziemskiej (dynamo atmosferyczne). Obserwuje się zmiany okresowe z najsilniejszą zmianą dobową, znacznie słabszą zmianę wywołaną położeniem Księżyca. Uważa się, że główną przyczyną zmiany dobowej jest wiatr słoneczny i słoneczne promieniowanie elektromagnetyczne wpływające na położenie i prądy w jonosferze. Wpływ Księżyca jest tłumaczony poprzez wywoływanie pływów w jonosferze ziemskiej.

Duży wpływ na zaburzenia ziemskiego pola magnetycznego ma aktywność słoneczna w postaci koronalnych wyrzutów masy i zmian w natężeniu wiatru słonecznego. Zmiany i ich skutki są tak poważne że określa się je mianem burz magnetycznych, podczas których następują zakłócenia w łączności, uszkodzenia linii przesyłowych energii elektrycznej, zorza polarna pojawia się na szerokościach geograficznych gdzie zwykle nie występuje, można ją zaobserwować nawet w Polsce.

Klasyfikacja zmian pola magnetycznego Ziemi 

Zmienne pole magnetyczne Ziemi jest definiowane jako różnica pomiędzy wartością obserwowaną składowych natężenia pola magnetycznego a średnią wartością obliczoną dla ustalonego interwału czasowego. Wyróżniamy następujące zmian czasowe pola magnetycznego:

1. Zmiany długookresowe (wiekowe) – wywoływane przez powolne zmiany namagnesowania wnętrza Ziemi. Mają charakter periodycznych zjawisk o okresie 500-600 lat. Przyczyną jest przesuwanie się bieguna magnetycznego Ziemi po krzywej zamkniętej.
2. Zmiany krótkookresowe:
   1. Zmiany spokojne (płynne) podlegające określonym prawidłowościom wywołane przez ruchy przypływowe jonosfery.
      1. zmiany dobowe słoneczne,
      2. zmiany dobowe księżycowe,
   2. Zmiany zaburzone. Mają one charakter nieuporządkowany.
      1. zmiany nieregularne,
      2. zmiany aperiodyczne,
      3. wariacje dobowe zaburzone,
3. Zakłócenia i burze magnetyczne. Są to nagłe i nieokresowe zmiany elementów pola magnetycznego Ziemi (czas trwania do kilku dni).
   1. zakłócenia lokalne,
   2. zakłócenia zatokowe (charakter prawidłowy, lecz nie posiadające okresu),
   3. burze magnetyczne (wywoływane są przez promieniowanie korpuskularne pochodzące od Słońca),
   4. pulsacje (sinusoidalne wahania natężenia pola o amplitudzie kilku jednostek i okresie kilku minut).

Pole magnetyczne w przeszłości

Na podstawie badań lawy wulkanicznej na Hawajach stwierdzono, że ziemskie pole magnetyczne zmienia cały czas swe natężenie, a co kilkadziesiąt tysięcy do milionów lat zmienia swój kierunek (przebiegunowanie Ziemi). Średni czas miedzy przebiegunowaniami wynosi 250 000 lat, ostatnie wystąpiło około 780 000 lat temu.

Nie ma obecnie jasnej teorii opisującej przyczyny przebiegunowania.

Powstawanie pola magnetycznego 

Najstarsze poglądy, mówiące, że pole magnetyczne jest wynikiem namagnesowana głębokich warstw Ziemi, zostały skrytykowane na początku XX w. po odkryciu przez Piotra Curie granicznej temperatury, powyżej której substancje przestają być ferromagnetykami. Temperatura wnętrza Ziemi jest znacznie większa od temperatury Curie innych znanych substancji.

Teorią uznawaną obecnie za najbardziej prawdopodobną jest hipoteza zaproponowana przez Edwarda Bullarda, mówiąca, że pole magnetyczne Ziemi wywołują wirowe prądy elektryczne płynące w płynnym jądrze Ziemi. Teoria ta, zwana "samowzbudne dynamo" lub "geodynamo", znajduje poparcie w magnetohydrodynamice - uzyskuje tu uzasadnienie matematyczne w modelu zwanym dynamo magnetohydrodynamicznym. Obecnie uważa się, że siłą napędową geodynama są prądy konwekcyjne w płynnym jądrze Ziemi. W prądach tych, ruch obrotowy Ziemi poprzez efekt Coriolisa, wywołuje wiry działające jak jednobiegunowy generator Faradaya, wytwarzając prąd elektryczny, który wytwarza pole magnetyczne.

Modele matematyczne, budowane w oparciu o założenia magnetohydrodynamicznego dynama, przewidują zmiany pola magnetycznego oraz utratę jego charakteru dipolowego.