מבנה כדור הארץהמגנטוספירה של כדור הארץ מגנה עליו מפני חלקיקים טעונים המגיעים ברוח השמש. המגנטוספירה שמקיפה את כדור הארץ (בימין התמונה) צרה בחלק הפונה אל השמש ("יום"), ורחבה בצד השני ("לילה"). (התרשים איננו בקנה מידה)
השדה המגנטי של כדור-הארץ, על פי התיאוריה, הוא אחת התכונות הפיזיקליות המאפיינות את כוכב הלכתארץ. לשדה המגנטי יש השפעה על מגוון תופעות על פני כדור הארץ, באטמוספירה שלו ובחלל הקרוב אליו. על פי ההשערה המקובלת, השדה המגנטי נוצר בגלעין החיצוני של כדור הארץ, ורק חלק קטן ממנו נמדד על פני השטח שלו או בחלל. השדה המגנטי של כדור הארץ דומה לשדה של מגנט דו-קוטבי, שקוטב אחד שלו (שמבחינה פיזיקלית הוא דווקא קוטב דרום) נמצא באוקיינוס הקרח הצפוני, והשני (קוטב צפון) ליד אנטארקטיקה. קטבים אלו נעים כל העת ממקומם, וקיימות אף עדויות להיפוכי כיוון של השדה המגנטי בתקופות גאולוגיות מסוימות של כדור הארץ.
השפעת השדה המגנטי של כדור הארץ מורגשת עד מרחק גדול בחלל, והשפעתו על חלקיקים המגיעים מרוח השמש מגדירה אזור הקרוי מגנטוספירה. לרוח השמש יש גם השפעה קטנה על מיקום הקטבים המגנטיים של כדור הארץ. קיום המגנטוספירה מגן על כדור הארץ מפני רוח השמש ומאפשר את קיום החיים על כדור הארץ.
תכונות המגנט היו מוכרות כבר בעת העתיקה, לפחות מהמאה ה-4 לפנה"ס בסין. קיימות עדויות לבניית מכשיר הדומה למצפן בסין של המאה ה-1, וייתכן שאף מוקדם יותר אצל האולמקים באמריקה המרכזית. עדות חד משמעית לשימוש במצפן לאיתור כיוון הצפון מופיעה לראשונה בסין בשנת 1044. באירופה החלו להשתמש במצפן לצורכי ניווט במאה ה-13.
במהלך המאה ה-20 התפתחו רעיונותיו של לרמור לתאוריה מקיפה, המסבירה את היווצרותו של שדה מגנטי בתוך כדור הארץ כתוצאה מזרימת נוזל מתכתי עשיר בברזל בתוך הגלעין החיצוני. תאוריית הדינמו משמשת כיום באסטרופיזיקה על מנת להסביר היווצרות שדה מגנטי לא רק בכדור הארץ, אלא גם בשמש ובגרמי שמים נוספים.
A1 A2 = הקטבים הגאוגרפיים - הנקודות שבהן "חותך" ציר הסיבוב את פני כדור הארץ.
הגלעין החיצוני (נוזלי)(מסומן בצבע אפור) - שכבה בכדור הארץ שבה נוצר השדה המגנטי, על פי תאוריית הדינמו.
B = ציר הדו-קוטביות(מסומן בקו כחול) - הציר המגנטי הדו-קוטבי, המדמה מעין מוט מגנטי, שחלקו הצפוני הוא מגנט שמבחינה פיזיקלית נחשב ל"דרומי" (מסומן ב-S = South = דרום), ואילו חלקו הדרומי נחשב ל"צפוני" (N = North = צפון) מבחינה פיזיקלית. כיום, הזווית בין ציר זה לבין ציר הסיבוב של כדור הארץ היא 11.3°.
B1 B2 = הקטבים הגאומגנטיים - הנקודות שבהן "חותך" ציר הדו-קוטביות את פני כדור הארץ.
קווי השדה המגנטי (קווים שחורים דקים) - מתארים את כיוון השדה המגנטי מחוץ לגלעין.
C1 C2 = הקטבים המגנטיים - הנקודות שבהן קווי השדה המגנטי (מסומנים בקווים שחורים) מאונכים לפני כדור הארץ (זווית של 90° בדיוק בגובה פני הקרקע). הקטבים המגנטיים אינם חופפים לקטבים הגאומגנטיים.
זהו תרשים אינטראקטיבי. העבירו את העכבר מעל רכיבי התרשים, או לחצו על כפתור העכבר להפניה. לצפייה בתרשים ברזולוציה גבוהה לחצו כאן התרשים איננו בקנה מידה
תכונות השדה המגנטי של כדור הארץ
רכיבי השדה המגנטי. כאן F - וקטור השדה המגנטי, H - הרכיב האופקי, שלכיוונו תצביע מחט המצפן, Z - הרכיב האנכי, D - נטייה מגנטית, I - זווית הרכנה.נטייה מגנטית על פני כדור הארץ בשנת 2005. על פני הקווים הירוקים אין נטייה (0°). הקווים האדומים מציינים נטייה מזרחה, והקווים הכחולים מציינים נטייה מערבה.עוצמה מוחלטת של השדה המגנטי בגובה פני הקרקע בחצי הכדור הצפוני (במיקרוטסלה)עוצמת הרכיב האופקי של השדה המגנטי בגובה פני הקרקע בחצי הכדור הצפוני (במיקרוטסלה)
סוגי קטבים מגנטיים
הקטבים המגנטיים הם שתי נקודות על פני כדור הארץ, שבהן השדה המגנטי בגובה פני הקרקע מאונך לפני כדור הארץ. מצפן המוצב במאוזן בנקודות אלו, יצביע על כיוון אקראי. מבחינה פיזיקלית, הנקודה הקרויה קוטב מגנטי צפוני היא בעצם קוטב דרומי של מגנט, ועל כן מחט המצפן המהווה קוטב צפוני של מגנט נמשכת לכיוון צפון.
הקטבים הגאומגנטיים הם שתי נקודות נגדיות על פני כדור הארץ, שבהן הציר של הדיפול המגנטי של כדור הארץ, המהווה קירוב לשדה האמיתי, "חותך" את פני השטח. הקו המחבר את שני הקטבים הגאומגנטיים עובר דרך מרכז כדור הארץ. אילו היה כדור הארץ מגנט דו-קוטבי מושלם, היו הקטבים המגנטיים והקטבים הגאומגנטיים מתאחדים. כיום, ערכה של הזווית בין ציר הדו-קוטביות, המחבר את הקטבים הגאומגנטיים, ובין ציר הסיבוב של כדור הארץ, המחבר את הקטבים הגאוגרפיים, היא 11.3°.
רכיבי השדה המגנטי
את השדה המגנטי בכל נקודה על פני כדור הארץ ניתן להפריד לרכיב אופקי ולרכיב אנכי. מחט המצפן תצביע בכיוון הרכיב האופקי. הזווית בין הרכיב האופקי של השדה המגנטי ובין הקוטב הצפוני הגאוגרפי נקראת נטייה מגנטית (Declination). הזווית בין כיוון השדה המגנטי המוחלט ובין הרכיב האופקי נקראת זווית הרכנה (Inclination). כך למשל, הנטייה המגנטית בישראל משתנה בין 3 ל-4 מעלות, בהתאם למיקום המדויק, לכן כיוון הצפון הגאוגרפי הוא בין 3 ל-4 מעלות מערבית (נגד כיוון השעון) ביחס לכיוון מחט המצפן.
עוצמת השדה המגנטי וכיוונו
עוצמת השדה המגנטי בגובה פני הקרקע משתנה מאזור לאזור, החל מאזורים על פני כדור הארץ שהעוצמה בהם קטנה מ-30 מיקרוטסלה, ועד לאזורים שבהם גודלה מגיע עד 60 מיקרוטסלה. בדרך כלל באזורים הקרובים לקטבים עוצמת השדה גדולה יותר. בנוסף, ככל שמתקרבים לקטבים המגנטיים, הרכיב האנכי הולך וגדל, ואילו הרכיב האופקי הולך וקטן. בקטבים המגנטיים עצמם, השדה המגנטי הוא אנכי לפני כדור הארץ, על פי הגדרתם.
באזורים שונים על פני כדור הארץ, עוצמת השדה המגנטי המקומי וכיוונו מושפעים גם מגורמים סביבתיים סמוכים למקום המדידה, כגון משקעי ברזל או משקעי בזלת המכילים ברזל, למשל בקרקעית האוקיינוס. תופעה זו הייתה מוכרת בניווט הימי כבר במאה ה-18. גופי מתכת גדולים מעשה ידי אדם, כמו מכונות וכלי רכב, יכולים גם הם להשפיע, אם הם קרובים אל מקום המדידה.
בישראל, עוצמת השדה המגנטי היא כ-32 מיקרוטסלה בירושלים. הזווית בה נכנסים קווי השדה המגנטי אל פני כדור הארץ היא כ-46 מעלות בממוצע.
מדידת השדה המגנטי
מדידת עוצמת השדה המגנטי וכיוונו מבוצעות באמצעות מגנטומטר, מכשיר שמודד ורושם את עוצמת השדה המגנטי המקומי ואת כיוונו לאורך הזמן.
המדידה מבוצעת באמצעות כ-200 תחנות מדידה קרקעיות קבועות בכל העולם ועוד כמה ניידות, וכן באמצעות לוויינים. בישראל קיימות כיום שלוש תחנות מדידה (המכונות "מצפים מגנטיים") המופעלות על ידי המרכז למיפוי ישראל: בהר חרמון, בבר גיורא ובהרי אילת. בעבר הייתה תחנה נוספת, באמציה, אולם היא נסגרה.
מחט המצפן היא מגנט דו-קוטבי בעל מומנט מגנטי. כאשר המצפן מוצב במצב מאוזן והמחט אינה מכוונת בדיוק בכיוון הרכיב האופקי של השדה המגנטי המקומי, יפעל על המחט מומנט כוח והיא תסתובב לכיוון הרכיב האופקי. המחט תתחיל לבצע תנודות (בדומה למטוטלת) סביב כיוון הרכיב האופקי, תנודות שידעכו עם הזמן. מהירות שיכוך התנודות תלויה בחומר שממלא את גוף המצפן ועליו צפה המחט.
מאחר שהקוטב הגאוגרפי הצפוני אינו קשור לשדה המגנטי, המחט במצפן אינה מצביעה אליו. היא גם אינה מצביעה לקוטב הגאומגנטי הצפוני מאחר שהוא רק קֵרוב ומודל מדעי. במקום זאת היא מצביעה בקרוב לעבר הקוטב המגנטי הצפוני (קוטב דרומי של מגנט, בעידן הנוכחי). אולם, מאחר שהשדה המגנטי אינו אחיד על פני כדור הארץ וגם לא בתוכו, ייתכנו שנויים מקומיים בני מעלות בודדות. כדי לאתר את הצפון הגאוגרפי, נדרש לדעת את הנטייה המגנטית באותו מקום, ולבצע תיקון בהתאם. קיימות מפות מיוחדות המציגות את הנטייה המגנטית בכל מקום על פני כדור הארץ. מפות אלה מתעדכנות משנה לשנה, עקב שינויים בשדה המגנטי של כדור הארץ בעקבותיו נע הקוטב המגנטי לכיוון סיביר במהירות 40 ק"מ/שנה[1].
השפעה על בעלי חיים
מדענים משערים כבר זמן רב, שבעלי חיים מסוימים, בהם עופות, צבי ים, לווייתנים ודולפינים יכולים לחוש בשדה המגנטי של כדור הארץ, ושתחושה זו מסייעת להם בעת הנדידה השנתית. שמו לב, שעופות נודדים הנמצאים בכלוב גדול בגן חיות בגרמניה, עפים בעונת הסתיו בקוצר רוח לכיוון החלק הדרומי של הכלוב. אותה תופעה קיימת גם בחדר סגור, כשאין לציפורים יכולת לקבוע את הכיוון לפי ראייה[2].
הוכחה נוספת לכך שבעלי חיים חשים בשדה מגנטי ניתנה בניסוי שנעשה באוניברסיטת תל אביב, בו נצפה שעכברים במבוך לא מורכב מעדיפים לשכון בעיקר בחלק הדרומי של המבוך, ואילו עכברים במבוך דומה שמופעל עליו שדה מגנטי הפוך מכיוון השדה של כדור הארץ - מעדיפים לשכון דווקא בחלק הצפוני של המבוך[2]. בניסוי אחר השתמשו בחולדות עיוורות, שלמדו וידעו את הדרך במבוך מורכב יותר. מצאו ששינוי כיוון המבוך ביחס לשדה המגנטי של כדור הארץ הקשה עליהן במציאת הדרך[2].
בניסוי עם צבי ים הנודדים באוקיינוס האטלנטי הפעילו שדה מגנטי מקומי באזורים בהם שחו, והצבים שינו את כיוון תנועתם בהתאם לשדה המגנטי המקומי[3]. בניסוי זה הוכח שצבי הים חשים לא רק בעוצמת השדה המגנטי ובכיוונו האנכי, אלא אף בזווית ההרכנה (inclination) שעוזרת להם בניווט. במחקר אחר חקרו את מסלול תנועתם של לווייתנים, ומצאו קשר בין המסלול המדויק לבין שדות מגנטיים מקומיים הקיימים בקרקעית האוקיינוס[2].
המגנטוספירה של כדור הארץ היא אזור נרחב בחלל סביב כדור הארץ, המושפע מהשדה המגנטי של כדור הארץ, מרוח השמש, המורכבת מחלקיקים טעונים ומהשדה המגנטי הבין-פלנטרי. למרות שמה (ספירה = כדור), צורת המגנטוספירה איננה כדורית: בצד הפונה אל השמש ("יום") המרחק מפני כדור הארץ לגבול המגנטוספירה הוא כ-70,000 ק"מ (10 - 12 פעמים רדיוס כדור הארץ), ואילו בצד הנגדי ("לילה") נמתח שובל המגנטוספירה למרחק גדול פי אלף לערך מרדיוס כדור הארץ.
המגנטוספירה מגנה על פני כדור הארץ מפגיעת החלקיקים שמכילה רוח השמש, והיא מונעת מהם לחדור לאטמוספירה. פגיעת רוח השמש במגנטוספירה גורמת לניתוב חלקיקים טעונים, כמו אלקטרונים, לאורך קווי השדה המגנטי. חלקיקים אלו מעוררים אטומים באטמוספירה, וכאשר האלקטרונים שלהם חוזרים וממלאים את הקליפות באטום, הם פולטים פוטונים. כך נוצר זוהר הקוטב. מסלול האלקטרונים המהירים מגיע לגובה נמוך סמוך לאזורי הקטבים, ולכן זוהר הקוטב נראה בדרך כלל רק באזורים אלו. צבע זוהר הקוטב תלוי בגזים המעוררים, ולכל גז באוויר יש צבעים אופייניים.
לווייני המחקר הראשונים ששוגרו לחלל, גילו בשנת 1958 חגורות המכילות חלקיקים טעונים אנרגטיים סביב כדור הארץ, שלא היו ידועות עד אז. אזורים אלה קרויים חגורות ואן אלן. תחילה, התגלו החגורות הפנימיות בגובה של 700 - 10,000 ק"מ מעל פני כדור הארץ, המכילות בעיקר פרוטונים, ולאחר מכן התגלו החגורות החיצוניות, בגובה של 13,000 - 65,000 ק"מ מפני כדור הארץ, המכילות בעיקר אלקטרונים. היווצרותן של החגורות מוסברת בזכות קיום השדה המגנטי של כדור הארץ והמגנטוספירה.
בעת פעילות מוגברת של השמש נוצרים שינויים מהירים בשדה המגנטי של המגנטוספירה שגורמים לתופעה הקרויה סערה גאומגנטית. הדבר עלול להשפיע על השדה המגנטי במקומות רבים, ובמקרים קיצוניים אף לגרום הפרעות ללוויינים, לשידורי רדיו, לקווי מתח גבוה ולמכשירים רגישים. בנוסף, תופעת זוהר הקוטב מתגברת בעת סערות מגנטיות. בשעת סערה, אסטרונאוטים בחלל ללא מיגון מתאים עלולים להיחשף לקרינה בכמות קטלנית.
תאוריית הדינמו מסבירה כיצד נוצר השדה המגנטי בתוך הגלעין החיצוני, העשיר בנוזלים מתכתיים[4]. שלושה גורמים מאפשרים את פעולתו של הדינמו בכדור הארץ. הגורם הראשון הוא כמות גדולה של ברזל בגלעין החיצוני, שיכול להוליך זרם חשמלי. הנוזל המתכתי המותך יכול לאפשר את קיומם של מסלולי הולכה חשמלית שדרכם יזרום זרם, אם יהיה מקור שייצר אותו. הגורם השני הוא אנרגיה שמקורה בגלעין הפנימי החם, המניעה את הנוזל בכיוון אנכי. הנוזל עולה מעלה ויורד חזרה לאחר שהוא מתקרר. מקור האנרגיה הזה הוא שמאפשר פעולה יציבה של הדינמו, ובלעדיו לא ייתכן דינמו שיוצר שדה מגנטי לאורך מיליארדי שנה.
הגורם השלישי הוא סיבוב כדור הארץ. כוח קוריוליס מעניק לנוזל רכיב תנועה אופקי וגורם ליצירת דיסקות ענקיות מסתובבות של נוזל מתכתי. לדיסקות יש תנועה סיבובית יחסית לגלעין, ושדות מגנטיים שנמצאים בגלעין עצמו יוצרים בהן זרם חשמלי באמצעות כוח לורנץ, בדומה לזרם שנוצר בדינמו[5]. הזרם החשמלי, בהתאם לצורתו המרחבית, יכול ליצור שדה מגנטי חזק יותר, כלומר להגביר את עוצמת השדה. חוק שימור האנרגיה נשמר משום שמקור האנרגיה המגנטית הוא באנרגיית החום של הגלעין הפנימי המוצק ובאנרגיה הסיבובית של כדור הארץ. דינמו יציב הוא כזה שמתקיים בו היזון חוזר. כלומר, השדה המגנטי יוצר זרם בדיסקות המסתובבות, והן מייצרות שדה מגנטי בעצמן. אולם, ללא הספקת אנרגיה מהגלעין הפנימי היה הדינמו דועך תוך כמאה אלף שנה, כתוצאה מהפכת אנרגיה חשמלית לחום בדיסקות עצמן.
בעזרת חקר של מינרלים הניתנים למגנוט ונמצאים בשכבות הסלע על פני כדור הארץ, הגיעו חוקרים למסקנה שלכדור הארץ יש שדה מגנטי משלו מזה שלושה מיליארד שנים לפחות. ידוע שהשדה מתחדש באופן קבוע, משום שלולא כן הוא היה דועך. השדה שנוצר על פני הצד החיצוני של הגלעין חזק באופן משמעותי מהשדה הנמדד על פני שטח כדור הארץ. עוצמתו של זה כאחוז בלבד מעוצמת השדה בגבול בין הגלעין למעטפת כדור הארץ. כאמור, על פני השטח ובחלל, השדה קרוב בצורתו לשדה דו-קוטבי, אולם בתוך כדור הארץ צורתו הרבה יותר מורכבת, ולא ניתן לתאר אותו כמגנט בעל מספר קטן של קטבים.
הקושי לחקור ישירות את גלעין כדור הארץ מונע אישוש חד-משמעי של תאוריית הדינמו. החוקרים מקבלים את תאוריית הדינמו כהסבר לשדה המגנטי של כדור הארץ, כי הממצאים הגאולוגיים מתאימים לתאוריה, ואין תאוריה מתחרה. הדמיות ממוחשבות ויצירת דגמים של גלעין כדור הארץ במעבדה מסייעים אף הם להבין את תאוריית הדינמו ולחקור את השלכותיה.
תנועת הקוטב המגנטי הדרומי על רקע קו החוף של אנטארקטיקהתנועת הקוטב המגנטי הצפוני על רקע צפון קנדהתנועת הקוטב המגנטי הצפוני כ-85 ק"מ צפונה ודרומה במהלך של יממה אחת, עקב השפעת המגנטוספירה. מיקום: אוקיינוס הקרח הצפוני, צפונית לקנדהשינויים בעוצמת המומנט המגנטי של כדור הארץ[6] במהלך 780 אלף השנים האחרונות. צבע לבן מציין היפוך כיוון יחסית לשדה הנוכחי.שינויים בכיוון השדה המגנטי במהלך 5.25 מיליון השנים האחרונות. צבע לבן מציין היפוך כיוון יחסית לשדה הנוכחי.מגנטיט הוא מינרל שעובר מיגנוט בהתאם לשדה המגנטי בשעת התמצקותו
הקטבים המגנטיים אינם קבועים, אלא נעים ללא הפסק ממקום למקום. בין תנועת הקוטב המגנטי הדרומי ובין תנועת הקוטב המגנטי הצפוני לא נמצאה התאמה. בשנים האחרונות, הקוטב המגנטי הצפוני נע לכיוון צפון-מערב בקצב של כ-40 ק"מ בשנה[7]. שני הקטבים המגנטיים אינם נמצאים בנקודות גאוגרפיות מנוגדות זו לזו, וכיום המרחק בין הקוטב המגנטי ובין הקוטב הגאוגרפי גדול יותר בדרום מאשר בצפון.
שינויים בשדה המגנטי של כדור הארץ חלים אף בתדירות יומיומית:
קיימת תנועתיות מחזורית יומית, שבאה לידי ביטוי בתנועת הקטבים המגנטיים לאורך עשרות קילומטרים ביממה אחת. כך למשל, נמדדה בקוטב המגנטי הצפוני תנועה של כ-85 ק"מ צפונה ודרומה במהלך יממה אחת עקב השפעת המגנטוספירה. הגורם לכך הם זרמים חשמליים בצד ה"יום" של המגנטוספירה שנוצרים בעקבות פגיעת רוח השמש בצד זה. הזרמים יוצרים שדות מגנטיים שמשפיעים מעט על השדה המגנטי של כדור הארץ.
שינויים במחזוריות לא קבועה עקב סערות גאומגנטיות, שרובן נגרמות מפליטה מסיבית של חלקיקים טעונים ברוח השמש עקב התפרצויות בשמש.
המגנטומטר (קריוגני) הראשון בארץ במעבדה במכון הגאופיסי לישראל.
קרל פרידריך גאוס מדד לראשונה את עוצמת השדה המגנטי של כדור הארץ בשנת 1835. מאז, בכ-150 השנים האחרונות נמדדה ירידה בעוצמה בשיעור של כ-10%, תהליך הירידה בעוצמת השדה המגנטי מואץ בשנים האחרונות.
חקר השדה המגנטי של כדור הארץ בתקופות קדומות נקרא פליאומגנטיזם. מינרלים מסוימים ממוגנטים בשעת התמצקותם, וכך הם משמרים בתוכם מידע אודות כיוון השדה המגנטי ששרר אז, ואת עוצמתו. מגנטיט שמצוי בבזלת (ובסלעים אחרים) הוא דוגמה למינרל כזה, ועל כן שכבות של זרמי לבה קדומים הם מקום מועדף לחקר הפלאומגנטיזם. המדידות מראות שעוצמת השדה המגנטי משתנה לאורך השנים, וכיוון השדה המגנטי של כדור הארץ מתהפך מפעם לפעם: היו תקופות גאולוגיות שבהן הייתה מחט המצפן מצביעה לכיוון דרום. בין היפוך להיפוך חולפת תקופה שאורכה בין עשרות אלפים ועד למיליוני שנים (בממוצע כ-250 אלף שנה בין כל היפוך). ההיפוך האחרון התרחש לפני כ-780 אלף שנים, אירוע המכונה היפוך ברונהס-מטויאמה (Brunhes-Matuyama reversal). המדענים תיעדו אירועים רבים נוספים של היפוך שדה מגנטי בתקופות קדומות יותר. ברמת הגולן קיימים מספר מקומות שבהם השתמרה בזלת שהתמצקה בתקופה של שדה הפוך וסמוך לצומת וסט הוסדר אתר המציג את התופעה.[9]
היפוך כיוון שדה מגנטי אורך בין מאות לאלפי שנים, והוא מלווה בדרך כלל בירידת עוצמתו של השדה המגנטי, עד להיפוך כיוון צפון מגנטי - דרום מגנטי, ולאחר מכן עלייה מהירה בעוצמת השדה המגנטי. אין עדויות להשפעה של אירועי היפוך השדה על החי והצומח על פני כדור הארץ בצורת הכחדה או בצורות אחרות. כך למשל, מינים קדומים של האדם, כגון ההומו ארקטוס ואבותיו הקדמונים, שרדו מספר היפוכי כיוון של השדה המגנטי. המגנטוספירה אומנם מגנה על פני כדור הארץ מפני חלקיקים טעונים המגיעים מרוח השמש, אך מניחים שגם במצב של העדר שדה מגנטי בכדור הארץ, רוח השמש גורמת להשראה וליצירת שדה מגנטי ביונוספירה, ושדה מגנטי זה מגן על צורות החיים מפני אותם חלקיקים[10].
המחקר הפליאומגנטי בישראל צעיר יחסית, והחל למעשה באמצע שנות השמונים של המאה ה-20 במחקרו של חגי רון שנחשב לפורץ דרך גם במושגים עדכניים[11]. המחקר עסק בשחזור רוטציות טקטוניות של בלוקים בין העתקי הגליל[12]. בעקבות מחקריו בארץ ובאונ' סטנפורד, קליפורניה, קיבל אמצעים להקמת המעבדה הפליאומגנטית הראשונה בארץ, ואשר הוקמה במכון הגיאופיזי לישראל. במעבדה זו הוצב אחד מהמגנטומטרים הקריוגנים[13] הראשונים בעולם, שהיוו את המילה האחרונה של המחקר הפליאומגנטי[14]. בשנת 2001 עבר רון עם המעבדה למכון למדעי כדור הארץ באוניברסיטה העברית בירושלים.
הסיבות להיפוכי הכיוון של השדה המגנטי
מדידות פלאומגנטיות מראות שהיפוכי השדה המגנטי מתרחשים במהירות רבה יחסית, כהרף עין. תוך מספר אלפי שנה, לכל היותר, מחליף השדה המגנטי את כיוונו. אין הסכמה בקרב החוקרים לגבי הסיבות להיפוכי השדה. יש הסבורים שהיפוכי הכיוון הם פועל יוצא של תאוריית הדינמו. לטענתם, קווי השדה המגנטי עלולים להסתבך עקב התנועה הכאוטית של הנוזל בגלעין כדור הארץ. הדבר יכול לגרום לחוסר יציבות ולהיפוך כיווני השדה המגנטי. הרעיון הומחש באמצעות הדמיה ממוחשבת[15]. ההדמיה נועדה להראות שהיפוך כיוון ספונטני הוא אפשרי, והיא הצליחה להדגים שרשרת אירועים בגלעין שהביאה להיפוך כיוון מהיר. אולם, אין ודאות שאירועים אלו אכן מתרחשים בעת היפוכי כיוון. השדה המגנטי של השמש מתהפך כל 7 - 15 שנים באופן ספונטני, ועובדה זו תומכת באפשרות של היפוך ספונטני במסגרת תאוריית הדינמו.
מדענים אחרים טוענים שההיפוכים אינם ספונטניים, אלא נגרמים עקב אירועים מחוץ לגלעין המשבשים את הזרימה. אירועים אלו יכולים להיות גושי סלע גדולים במיוחד ששוקעים למעטפת כדור הארץ בעקבות תנועת הלוחות הטקטוניים, או כוחות חזקים המופעלים על המעטפת כתוצאה מהתנגשויות של אסטרואידים או שביטים בכדור הארץ.
הדמיה ממוחשבת של היפוך כיוון השדה המגנטי ההדמיה בוצעה בעזרת מחשב-על על ידי גארי גלאצמייר (Gary Glatzmaier) מהמעבדה הלאומית לוס אלמוס.[15] הקווים הכחולים/כתומים מציינים קווי שדה שיוצאים/נכנסים לגלעין
מצב "רגיל" בין היפוכי כיוון
כ-500 שנים לפני היפוך כיוון
במהלך היפוך הכיוון
כ-500 שנים לאחר היפוך כיוון
שימושים מעשיים בשדה המגנטי של כדור הארץ
השימוש השכיח ביותר שעושה האדם בשדה המגנטי של כדור הארץ הוא השימוש במצפן לאיתור כיוון הצפון. להלן שימושים נוספים, חלקם עדיין בשלבי מחקר:
חיזוי רעידות אדמה
במדינות שונות (ארצות הברית, יפן, רוסיה, סין וטורקיה) נבדק השימוש במדידת השדה המגנטי כשיטה אפשרית לחיזוי רעידות אדמה. ברעידות אדמה יש שחרור לחצים במקום מסוים בקרום כדור הארץ, דבר שיכול להשפיע בין היתר על השדה המגנטי המקומי. היו מספר פרסומים שטענו להצלחה לזהות שינויים קטנים אך עקביים בשדה המגנטי בגודל של כמה עשיריות ננוטסלה, לפני רעידת האדמה. בעיה אחת היא ששינויים אלה הם קטנים מדי ביחס לשינויים אחרים בשדה המגנטי שנוצרים במהלך היממה ממגוון סיבות. לשם כך פותחו מגנטומטרים חדשים שאמורים להתגבר על הקשיים האלה[16]. חמורה יותר מבעיית הגודל היא העובדה שאין עדיין היסטוריית רישום מספקת כדי להפריך או להוכיח את הטענה בדבר הקשר בין עוצמת השדה לרעידות אדמה.
הפקת אנרגיה מהשדה המגנטי
רבים חיפשו דרך לנצל את השדה המגנטי של כדור הארץ כדי להפיק אנרגיה, ביניהם בנג'מין פרנקלין במאה ה-18 וקרומוול וארלי (מהנדס טלגרףבריטי) במאה ה-19, אולם עד היום לא נמצאה דרך מעשית לנצל את השדה המגנטי לשם כך.
חקר הפלאומגנטיזם סייע במדידת טקטוניקת הלוחות בתקופות קדומות. בהנחה שהקטבים המגנטיים הקדומים היו סמוכים לקטבים הגאוגרפיים, ניתן לשחזר את סידור היבשות בתקופות אלו על סמך מדידת סידור המגנטיט בסלעים, דוגמת בזלת, בשעת התמצקותם. בדרך זו נמצאו אישושים לתאוריית נדידת היבשות, וניתן היה לשחזר את סידור היבשות בתקופות קדומות.
בנוסף, פענוח כיוון השדה המגנטי שנרשם במגנטיט שבבזלת בקרקעית האוקיינוס האטלנטי סייע במדידת קצב התרחבות האוקיינוס. התרחבות זו מלווה בזרימת לבה מתוך הרכס המרכז אוקייני ודחיפת שני הלוחות הנושקים לרכס מזרחה לכיוון אפריקה-אירופה ומערבה לכיוון אמריקה. כן נמצא שסלעים בעלי מגנוט הפוך נמצאים במרחקים שווים ממרכז הרכס, והדבר מצביע על כך שהאוקיינוס מתרחב באופן שווה לשני הכיוונים.
R.T. Merrill, M.W. McElhinny, and P.L. MacFadden, The Magnetic Field of the Earth: Paleomagnetism, the Core, and the Deep Mantle, Academic Press, 1998.
G.A. Glatzmaier and P. Olson, Probing the Geodynamo, Scientific American, April 2005, p.50.
^Cold-Plasma Dispersion Relation - קורס בנושא "מבוא לפיזיקת הפלזמה" ובו הסבר על תאוריית הדינמו באתר The University of Texas at Austin
^The Dynamo Process - אופן פעולת הדינמו של מייקל פאראדיי, והשוואה לתאוריית הדינמו]. שדה מאונך למישור הדיסקה יוצר זרם חשמלי ממרכז הדיסקה לקצותיה, באתר Educational Web Sites on Astronomy, Physics, Spaceflight and the Earth's Magnetism
^הגודל (VADM (Virtual axial dipole moment ביחידות של אמפר*מטר רבוע מאפיין את השדה המגנטי של כדור הארץ. הוא מחושב בהנחה שהשדה המגנטי של כדור הארץ הוא שדה של מגנט דו-קוטבי שהציר שלו עובר דרך מרכז כדור הארץ.
^ 12הקטבים נעים גם בתנודתיות יומית עקב השפעת המגנטוספירה, ולכן מיקומו של קוטב מגנטי בשנה מסוימת נקבע לפי ממוצע שנתי.
