sir willam gilbert          (۱۶۰۳-۱۵۴۴)يکی از فيزيکدانان پيشگامی بود که پی به وجود ميدان مغنا طيسی زمين برد وی نشان داد که اگر ميله اهنی را در راستای شمال وجنوب قرار دهيم وبررويش بکوبيم ان ميله اهن ربا خواهد شد.وی همچنين برای اثبات وجودميدان مغنا طيسی زمين يک اهنربا را درون کره ای قرار داد ونام ان راTerrllaکه به لاتين به معنای زمين کو چک بود گذاشت و سپس يک قطب نما را بر روی ان حرکت داد که مشاهده نمود اگر قطب نما بموازات سطح ترلا قرار گيرد جهت عقربه مغنا طيسی همواره ثا بت است . که نشان ميداد عقربه تحت تاثير ميدان مغنا طيسی اهن ربای درون کره است.

 در واقع کره زمين ما نند يک اهنربا ی قوی عمل می کند که قطب N ان در جنوب جغرا فيا ئی قرار دارد( که می تواند قطب S اهن ربا ها را به سمت خود منحرف کند ) و قطب S اهن ربای درون زمين در شمال جغرافيا يی قرار دارد (که قطب N اهن ربا را به سمت خود منحرف سا زد).

همه خطوط ميدان مغناطيسی در نيمکره شمالی در نقطه ای با مختصات ۷۵^۰۵۰Nو۹۶^۰wاست که به ان قطب جنوب مغناطيسی گفته می شود به هم ميرسند .اين خطوط در نيمکره جنوبی در نقطه ا ی با مختصا ت ۱۵۰^۰۴۵E۷۰^۰ ۱۰SR

 به هم می رسند که به ان نقطه قطب شمال مغناطيسی زمين گفته ميشود.

از انجا که محور مغنا طيسی زمين ( خطی که بطور مستقيم ازدو قطب مغناطيسی
زمين می گذرد) کا ملا بر محور دوران زمين ( خطی که از دو قطب شمال و جنوب جغرافيايی می گذرد) منطبق نيست بنا بر اين يک عقربه مغنا طيسی که مما س بر محور مغنا طيسی زمين می ايستد نمی تواند جهت شمال و جنوب جغرافيا يی زمين را دقيقا تعيين  نمايد.

ميدان مغنا طيسی زمين رابا سه مولفه مغنا طيسی مشخص ميکنند

۱-- ميل مغناطيسی:   از انجايی که خطوط  ميدان مغنا طيسی زمين بر سطح زمين منطبق نيستند همواره بين شدت ميدان مغنا طيسی زمين و سطح افقی زاويه وجود دارد که به ان زاويه ميل مغنا طيسی گفته می شود.که حرف i ان را نشان ميدهند.

۲- زاويه انحراف مغناطيسی:

به صفحهای که بر روی ان عقربه مغناطيسی قرار دارد صفحه  نصف النهارمغناطيسی وبه زاويه بين ان وصفحه نصف النهار جغرافيايی زاويه انحراف مغنا طيسی گويند که در هر منطقه متفاوت خواهد بود . دانستن مقدار زاويه انحراف مغناطيسی برای دريانوردان وخلبانان بسيار مهم است

زيرا انها در مسير يابی به نصف انهار جغرافيايی ااحتياج دارند درحاليه بوسيله قطب نما جهت نصف انهار مغنا طيسی را پيدا ميکنند بنابراين اگر از ميزان انحراف اگاه باشند با تصحييح بر روی جهت نصف النهار مغناطيسی به نصف النهار جغرافيايی دست می يابند 

۳-مولفه افقی ميدان مغنا طيسی: که با تجزيه ميدان مغنا طيسی بدست می ايد 

منشاء میدان مغناطیسی زمین

در قلب سياره ما گلوله سخت ويکپارجه ای از اهن وجود دارد که به اندازه سطح خورشيد داغ است و به ان هسته زمين ميگوييم که پهنای ان ۷۰درصدکره ماه   است( ۱۲۱۶کیلومتر)وبه اندازه ۲/. طول جغرافيايی در سال سريعتر از زمين می چرخد. اقيانوسی از اهن مايع  دور هسته درونی وجود دارد که به ان هسته خارجی گويندوشعاعش حدودا نصف شعاع زمين است در حدود ۳۴۸۶  کیلومتر محققان منشاء  ميدان مغنا طيسی زمین  را هسته خارجی ميدانندکه لايه عميقی از اهن مايع است و  بدور هسته می گردد اثر نيروی کريوليس دوران زمين آن  ايجاد طوفان و گرداب ميکند  .در واقع هسته خارجی مانند اب روی اجاق بر روی هسته داخلی در جوش وخروش است.

در دمای بسیار زیاد زمین میتوان تصور کرد که هسته جامد متحمل واکنش شیمیایی   شد ه و بدین ترتیب تبدیل به یک مولد جریان الکتریکی مثل یک باطری خواهد شد   وچون مواد مذاب  هسته خارجی در حال چرخش است میتوان آن  مانند یک سیملوله (القا گر )تصور نمود.

بدین ترتیب در درون زمین مدار ی متشکل از یک باطری و یک القاگر داریم مسلما جریان الکتریکی از این القاگر عبور خواهد کرد  وطبق قانون لنز  در اطراف القاگر میدان مغناطیسی تولید میشود که همان میدان مغناطیسی زمین است خطو طمیدان مغناطیسی درون هسته همانند خطوط میدان مغناطیسی سیملوله موازی است که آزمایشات تجربی نیز موید موازی بودن خطوط میدان مغناطیسی زمین است واز طرفی چون هسته خارجی مانند القاگر است میتواند در آن پدیده خودالقایی نیز رخ دهد یعنی هرگاه واکنش شیمیایی و در نتیجه جریان الکتریکی هسته داخلی در حال کاهش بود جهت خطوط میدان خود را تغییر دهد بگونه ای که نیروی محرکه ای هم جهت با نیروی مولد و سبب تقویت شدت میدان مغناطیسی گردد و برعکس .

علاوه بر پدیده های داخلی پدیده خارجی به نام بادهای خورشیدی نیز روی افزایش شدت میدان مغناطیسی زمین موثر  است . باد خورشیدی حاصل انفجارهای واقع در تاج خورشید است که دمای بسیار زیاد سبب اعمال  فشار  بر ذرات و جریان شدید ذرات منفجره خواهد شد که سرعتشان بطور متوسط در حدود ۵۰۰ کیلومتر برثانیه است و حدود ۵ روز طول میکشد که به زمین برسند  این ذرات شامل الکترون و پروتون و آلفا و بعضی از یونهای دیگر هستند  .. مطالعه لکه های خورشیدی نشان دهنده شدت انفجارات درون تاج خورشید است . در سال ۱۹۸۰ میلادی دانشمندان اعلام کردند که در اثر بادهای خورشیدی ذرات الکتریکی باردار فراوانی(پلاسما) با سرعت ۱۷۰۰ برابر بیشتر از طوفانهای خورشیدی  معمولی به سوی زمین میآیند و ممکن است این مقدار پلاسما با این جریان قوی شدت میدان مغناطیسی زمین را طوری تقویت کند که تمامی فیوزهای سیستمهای الکتریکی از کار بیافتند . .اگرچه در آن دوران بعضی از فرکانسهای رادیویی دچار اختلال گردید ولی خوشبختانه آن حجم عظیم پلاسما به زمین نرسید . 

 جابجايی قطبهای مغناطيسی زمين

دانشمندان ا ز ديرباز ميدانستند که قطب مغناطيسي زمين حرکت ميکند. جيمز روس(james ross نخستينن فردي بود که محل قطب شمال را تعيين نمود وي اينکار را در طي سفري خطرناک که سبب شده بود چهار سال در يخهاي قطب به دام بيافتد انجام داده بود . در سال 1904روالد اماند سون دوباره محل قطب شمال را تعيين نمود ومتوجه شد که محل قطب شمال به اندازه50 کيلومتر جابجا شده است در نقشه زيرجابجايي محل قطب در طي سالهاي مختلف نشان داده شده است.همانطور که در نقشه هم معلوم است سرعت حرکت قطب اوايل هر10کيلومتر در يک سال بود و بعدها به 40کيلومتر در سال رسيد.

ايا  روزی ممکن است  ميدان مغناطيسی زمين کا ملا از بين برود؟

وقتی انجمن زمين شناسی ايالت متحده امريکا از کم شدن دور زدن عقربه مغنا طيسی در افريقا به اندازه ۱/. درجه کم شده و ميدان مغنا طيسی ۱۰درصد از قرن نوزدهم ضعيفتر شده برای جرايد اين سوال پيش امد که ايا ممکن است روزی ميدان مغناطيسی زمين از بين برود.

در جواب اين سوال پروفسور گری گلاتز ماير (gary Gratsmaier) از دانشگاه کاليفرنيا ميگويد با توجه به مطالعه مغناطيس در زمانهای گذ شته (علمpaleomagnetism) می بينيم که ميدان مغناطيسی در اعصار گذشته گاهی در حال افزايش وگاهی در حال کاهش است ودر واقع امروزه کره زمين دارای بيشترين شدت ميدان مغناطيسی خوددر تاريخش است.

هرگاه در نقطه ای از کره زمين مقدار کميتهای مغناطيسی (انحراف مغناطيسی-ميل مغناطيسیـ مولفه افقی بردار مغناطيسی) بطور فاحشی با نقا ط مجاورش فرق کند اصطلاحا گفته می شود که نا هنجاری مغنا طيسی اتفاق افتاده و احتمالادر ان نقطه از زمين مخازن ارزشمندی از سنگهای معدن مغنا طيسی مانند سنگ اهن وجود دارد. استفاده از اين روش در کشف ذخاير معدنی بسيار مفيد است.

معمولا مقدار سه کميت مغنا طيسی  در طی روز وسال تغييرات جزئی دارند . ولی گاهی اوقات در ميدان مغناطيسی ودر نتيجه در مولفه های ان(سه کميت) به مدت ۶ يا ۱۲ ساعت تغييرات ناگهانی رخ می دهد که اصطلاحا به ان توفان مغناطيسی می گويند اين توفانها معمولا هر ۵/۱۱سال تکرار می شوند .و بسيار جالب است که پديده هايی مانند شفقهای قطبی و لکه های خورشيدی و انتشار موجهای راديويی نيز دارای دوره های ۵/۱۱ ساله هستند.که نشان دهنده ارتبا ط بين انها است. 

اثر ميدان مغناطيسی زمين در ايجاد کمربند ون الن(van allen)يا پديده شفق قطبی:

هرگا ه ذره بارداری در ميدان مغنا طيسی زمين قرار گيرد از طرف ميدان بر ان ذره نیروی لورنتس اعمال ميشود

  الفا F=qvBSIN
F=نیروی لورنتس
q=با ر ذره
v= سرعت ذره
B= شدت ميدان مغنا طيسی زمين
الفا = زاويه بين ميدان و سرعت ذره


ميدانيم که در نتيجه اندرکنش هسته ای درون خورشيد طو فانهای خورشيدی بطور مداوم ذرات پر انرژی با سرعت 500KM/S در فضاگسيل ميشوندودا امر سبب می گردد که سيلی از اين ذرات به سمت زمين بيا يد ودر دام حوزه های مغنا طيسی زمين فتند


از انجا ئی که در قطبين  شد ت ميدان مغنا طيسی بيشينه است نيروی لورنتس وارد بر ذرات بنيادی بسيار بزرگ است .


اگر يک گروه پروتون يا الکترون يطور عمود وارد ميدان مغنا طيسی شونداز طرف ميدان بر ذرات يک نيرو ی عمودی ومرکز گرا بنام نيروی لو رنتس وارد خواهد شد
 که سبب حرکت دورانی پروتونها می شود.



f=m.V^۲/r
F=qvb


با برابر گرفتن دو رابطه فوق خواهيم داشت: r=mv/qB


يعنی ذرات درمسير دورانی به شعاعr شروع به حرکت میکنندو مسير حرکتشان
بدورخطوط ميدان مغنا طیسی زمين خواهد بود بعضی از
ذرات که بطور موازی با ميدان به زمين می رسند( الفا=صفر) هيچ نيروئی بر انها از طرف
ميدان مغنا طيسی زمين وارد نمی شود و نيروی لورنتس وارد بر ا نها صفر
ميشود و بر می گردند بنابراين تعداد بیشما ری ذره در حوزه های قطبی
زمين در رفت و امد هستند وچون در قطبين ما نند سا يرنقا ط مختلف زمين
هوا موجود است اين ذرات به مولکولهای هوا بر خورد می کنند وچون حامل
انر ژيهای زيادی هسند با جذب مولکولهای هوا انها رايونيزه کرده ودذرات جديد و پرتوهای گاما توليد می کنند و ما نقا ط در خشانی را در قطب
شاهدخواهيم بود که به ان کمر بند تشعشعی و ياکمر بند وان الن گفته می شود .


لا زم به ذکر است که ا ولين بار اين پديده در سال 1958 مشا هده گرديد و
سپس بشرتوانست در سال 1962 در اثر انفجا را تمی ان را بطور مصنو عی ايجا د کند.

کمربند ون الن دار  مطابق شکل زير دارایدو لايه داخلی و خارجی ميباشد که برروی خطوط مغناطيسی زمين منطبق است

.

شکلهای ترسيم توسط سوپر کامپيوتر از جابحايی قطبهای مغناطيسی زمين که در طی سا لهای طولانی  چندين بار جابجا شده اند

 منابع:

۱-دوره درسی فيزيک(جلد ۲)نوشته لندسبرگ

۲-فيزيک پيش دانشگاهی اثر سکسل.راب.استريرويتس

۳-principles of physicsنوشته فرانک.ج.بلات

 ۴-http://science.nasa.gov

۵-http://csep10.phys.utk.edu

۶-http://www.phy6.org

۷-http://www.phys.ufl.edu