MATURSKIRADIZFIZIKE

Tema:MAGNETSKOPOLJEZEMLJE

Predmetniprofesor:

EnisaKozli,prof.

Uenik:

DanaLukovac,IVF

Sarajevo,april2014.godina

2

Sadraj1. Uvod................................................................................................................................................32. Zemljavelikimagnet.....................................................................................................................42.1. Magnetskipolovi.....................................................................................................................52.2. Nastanakmagnetskogpolja....................................................................................................62.3. Karakteristikepolja..................................................................................................................72.4. VarijacijemagnetskogpoljaZemlje.......................................................................................102.5. Reverzijepolja.......................................................................................................................102.6. VanAlenovipojasevi.............................................................................................................112.7. Ionosfera................................................................................................................................12

3. Zanimljivosti..................................................................................................................................143.1. Polarnasvjetlost....................................................................................................................143.2. Ostaliplaneti.........................................................................................................................143.3. MagnetskopoljeZemljeslabitakadnestane?.................................................................15

4. Mjerenjepolja...............................................................................................................................174.1. Eksperimenti..........................................................................................................................18

5. Zakljuci.........................................................................................................................................2410. Izvori(literatura)........................................................................................................................25Saetak..................................................................................................................................................26KOMENTAR............................................................................................................................................27

3

1. UvodtouzrokujeZemljinomagnetskopolje?VjerujesedasemagnetskopoljenaegplanetageneriradubokouZemljinujezgru.Nitkonikadnijepoduzeo mitsko putovanje u sredite Zemlje, ali prouavajui nain na koji udarni valovi odzemljotresaputujukrozplanet,fiziarisuuspjelidashvatenjegovuvjerojatnustrukturu.UsamomsredituZemljejevrstaunutarnjajezgra,dvijetreineveliineMjeseca,kojaseuglavnomsastoji od eljeza. Na temperaturi od oko 5700 C, to je eljezo vrue kao Suneva povrina, alirazarajuitlak(pritisak)uzrokovangravitacijomgaspreavadapostanetekue.Okovrstejezgrejevanjska jezgra,2000kmdebelislojeljeza iniklauzmalekoliinedrugihmetala.Niitlaknegokodunutarnjejezgre,omoguujeovdjetenostanjemetala.Razlikeu temperaturi, tlaku i sastavuunutar vanjske jezgre,uzrokuju strujanje rastaljenogmetalapotohladnijegustematerije tonudok se toplije,manjegustematerije,diu.Coriolisova (Koriolis)sila,kojaproizlaziizZemljinogokretanja,takoeruzrokujekovitlanjerastopljenematerije.Tajprotoktekueg eljeza generira elektrine struje, to (prema nekim teorijama) dovodi do stvaranjamagnetskihpolja.Naelektriziranimetali,prolazeikrozovapolja,stvarajuvlastiteelektrinestruje itakosekruenjenastavlja.Ovasamoodrivapetljapoznatajekaogeodinamo.Spiralne kretnje uzrokovane Coriolisovom silom znae da su, tako stvorena odvojenamagnetskapolja, usmjerena u priblino istom smjeru. Njihov kombinirani uinak proizvodi jedno ogromnomagnetskopoljekojepreplavljujeplanet(Slika1).

Slika1ZemljinmagnetimagnetosferaCiljovogradajedasedaopisznaajnihkarakteristikamagnetskogpoljaZemlje:zatojeZemljavelikimagnet;gdjesumagnetskipoloviZemlje;kojesukarakteristikemagnetskogpolja;kakvesuvarijacijepolja; reverzije polja; Van Alenovi pojasevi; ionosfera; zanimljivosti vezane zamagnetsko polje inajzad, najvanije da se izvre geomagnetska mjerenja kojima treba odrediti horizontalnukomponentumagnetskeindukcijemagnetskogpoljaZemlje(naovompodruju)uzpomotangentnebusole, te provjeriti utjecaj magnetskog polja demonstracijskog ampermetra na magnetsku iglutangentnebusole.

4

2. ZemljavelikimagnetU16.stoljeupostojalo jeuvjerenjedasenegdjenasjeverunalazimagnetinaplaninakojaprivlaikompas i brodove koji joj se priblie. To je predstavljalo veliku zagonetku za srednjevjekovnemoreplovce.Poetkom17.stoljeaobjanjenjepokuavadatiWilliamGilbertusvojojslavnojknjizi"DeMagnete",ukojojprviputdotadapretpostavljadajeZemljavelikimagnetidasilakojazakreemagnetsku iglukompasanastajeunjenojunutranjosti,aneumagnetinimplaninama.Ta je idejabilanaputenakadajeustanovljenodajetemperaturaunajveemdijeluunutranjostinaegplanetaveaodkritine,nakojojnestajetrajnamagnetinost.VjerojatnonajpoznatijesvojstvoZemljinogmagnetskogpoljajepremasjeveruusmjerenamagnetskaigla kompasa, koja je stoljeima bila osnovni orijentir moreplovcima na njihovim pomorskimputovanjima. Kompas je konstruiran tako da magnetska igla u njemu moe slobodno rotirati uhorizontalnoj ravni. Kad bimagnetska igla bila postavljena tako da semoe slobodno kretati i uhorizontalnom iuvertikalnomsmjeru,njezinbisesmjerkontinuiranomijenjaousvakojnovojtakinapovriniZemljeukojojbiizvodilimjerenje.

Slika2KompasKadbisilu,kojadjelujenamagnetskuiglu,mjeriliurazliitimtakamaZemljinepovrine,otkrilibidaje i jakost ove sile takoer prostorno vrlo promjenjiva veliina. Ovo ukazuje na kompleksnostmagnetskogpoljakojeobavijanaplanetve3,5milijardegodina, titeinasod tetnog zraenjaSunca.

5

U ovom radu predvieno je da se izvre geomagnetska mjerenja iji je cilj odreivanje jainemagnetskogpolja(povezanogsmagnetskomsilom)naovomgeografskompodruju.Toesepostiikrozslijedeazadanamjerenja:

1. Odrediti horizontalnu komponentumagnetske indukcijemagnetskog polja Zemlje pomoutangentnebusole,zarazliitbrojnavojanatangentnojbusoli.

2. Provjeriti utjecaj magnetskog polja demonstracionog ampermetra na magnetsku iglutangentnebusole

Ovimeseutvrditijainapoljaaliiprovjeritiutjecajkoritenemjerneopremenavaljanostdobivenihrezultata.

2.1. Magnetskipolovi

Trenutno se sjevernimagnetskipolnalaziu sjevernojKanadi,otprilike600 kmodResoluteBaya,mjestasa300stanovnika.ZaResoluteBaykaudasenenalazinakrajusvijeta,alidasekrajsvijetaodatlemoevidjeti!Sjevernimagnetskipolje,kaoijuni,ustalnompomicanju.JamesRossgajeprviput locirao1831.godine,nakonarktikeekspedicije tokomkoje jenjegovbrodostao zaglavljenuleduitaveetirigodine!U to podruje nitko se dugo nije vraao, sve do 1904. godine, kad jeRoaldAmundsen ponovnopronaaopol iotkriodasepomaknuobarem50kmodmjestakoje jezabiljeioRoss.Polnastavljasvoje putovanje tokom 20. stoljea, srednjom brzinom veom od 10 km godinje, ubrzavajuiposljednjihgodina ina40kmgodinje!Akosenastavipomicatiovombrzinom,usljedeihnekolikodesetakagodinanapustiteSjevernuAmerikuiuiupodrujeSibira.Kad se eli prikazati Zemljino magnetsko polje, najee se to ini modelom jednostavnogmagnetskog dipola. Taj zamiljenimagnet prolazi sreditem Zemlje i otklonjen je u odnosu na osrotacijeZemljezaotprilike11,50.Iakojeovakavprikazvrlokoristan,nijeipotpunotoan.Naime, njime se moe prikazati oko 90% ukupnog polja, ali preostali dio ini vrlo kompleksnonedipolno polje. Za razliku od dipolnog, nedipolno polje je nejednoliko rasporeeno Zemljinompovrinom i koncentriranou7 ili8 regija subkontinentalnihveliina.Tako senaprimjerbrazilskaobalanalaziu takozvanoj junoatlantskoj anomaliji, gdje je snagamagnetskogpolja slabija zaoko30%.Danasseanomalijenedipolnogpoljapomiupremazapadubrzinomod0,2ogodinje.Ovedvijekomponentezajednoinetakozvanoglavnopolje.Kaorezultattekompleksnosti,magnetskaiglaeurazliitimtakamaZemljepokazivatirazliitevrijednostideklinacijeiinklinacije,tj.veliinakojimaseopisujesmjermagnetskeosi.Deklinacijajekutizmeusmjeramagnetskeoseuhorizontalnojravniniismjerageografskogmeridijana,ainklinacijaopisujekutkojitaoszatvarashorizontalnomravninom.Ovojeuprolostipredstavljalovelikuzagonetku,tojepokrenuloprvaglobalnamjerenjaZemljinogmagnetskog polja. Osim smjerom, Zemljino magnetsko polje se opisuje i jakou polja. Ta jevrijednostnajveanapolovima,anajmanjanaekvatoru.Nasjevernommagnetskompolumagnetskae igla imati smjerpremadolje,dok ena junommagnetskompolu biti usmjerenaprema gore.Sjevernimagnetskipoldanas senalazinakanadskomArktikunaotprilike82o sjevernegeografske

6

irinei113ozapadnegeografskeduine(ResoluteBay),ajunimagnetskipoljeubliziniAntarktikeobalenaotprilike65ojunegeografskeirinei138oistonegeografskeduine.

2.2. Nastanakmagnetskogpolja

UnutranjostZemljejesloenaisastojiseodmnogorazliitihslojevakojisuuneprestanojinterakciji.U samom sreditu jeunutranjakruta jezgra, ija je temperaturagotovo jednakaonojnapovriniSunca.Unutranjajezgrarotiraveombrzinomnegopreostalidioplaneta,za0,2ogodinje,izanjuseznareida jetosvijetunutarsvijeta. Iznadnjesenalazitekuavanjska jezgra,bogataeljezom iniklom,kojuobavijastjenovitiplatkojinijeelektrikivodljiv. IzvorZemljinogmagnetskogpolja je,prema dinamoteoriji1, strujanje rastopljenog eljeza u vanjskoj jezgri koje nastaje zbog Zemljinerotacije,aprouavanjemvrijednostipolja injegovihprostornih ivremenskihpromjenaznanstvenicipokuavaju otkriti kako taj generator, poznat kao dinamo, tono radi. Paleomagnetski podaci usedimentnimstijenamapokazujudajeZemljinomagnetskopoljestaroak3.5milijardegodina,abeznekihregenerativnihprocesakojiosiguravajudovoljnekoliineenergijezaodravanjedinama,poljebinestaloza15000 20000godina (premanekim izvorima ido40000godina),odaklepobornicidinamoteorijecrpedokazezasvojepretpostavke.

Slika3MagnetskopolijeobranaZemljeodSunevogvjetraMagnetsko poljeZemljeje slino polju koje obrazuje ipkastimagnet. Ta slinost predstavljena jesamooblikommagnetskihlinijasilaioblikommagnetosfere,aliniukomsluajusesvekarakteristikemagnetskogpoljaZemljenemoguobjasnitipoljem laboratorijskog ipkastogmagneta.Magnetskopoljeipkastogmagnetaobrazovano jeusmjeravanjemmagnetskihsilakojesenalazeunutaratomaeljeza.TemperaturaZemljinogjezgrajeviaod1043oK(tzv.Kirijevetemperature)nakojojmagnetskesileunutar atoma eljeza postaju neureene, i eljezo gubi magnetska svojstva. ZbogtogaZemljinmagnetizamnemavezesamagnetskimsvojstvimaeljezaunutarZemljinog jezgra,vejeposljedicaelektrinihstruja,kojeunutarZemljenastajuzbogrelativnogkretanjajezgrainjegovogomotaa.1Dinamoteorija,jednaodteorijaporijeklaZemljinogmagnetizma,tvrdidapostojijedandinamo(generatorelektrinestruje)uZemljinomjezgru.Ovateorijanijepotpunoadekvatnanitipotvrena,alipredstavljazanimljivopojednostavljenjeopisafenomenamagnetskogpoljaZemlje.

7

IakoZemljinomagnetskopoljenastajedubokounjenojunutranjosti,diopoljaprolazikrozplat idostupanzamjerenja.Konvektivnakretanja,kojapokreuiodravajudinamo,uzrokujudaseitajdiopoljavremenskineprestanomijenja.Tesupromjenepoznatekaosekularnevarijacije.Dipolnidoprinos sekularnim varijacijama vrijedi uniformno za itavu Zemlju, dok se krae varijacijenedipolnog polja odnose na pojedine regije. Posljedica svih tih promjena je vidljiva u globalnimgeomagnetskimmodelima i kartama koje semoraju relativno esto obnavljati, obino svakih petgodina.Globalnemodelegeomagnetskogpolja izraujenekoliko svjetskihorganizacija,a jednaodvanihprimjenatihmodelajeipomouorijentacijiumjetnihZemljinihsatelita.

2.3. Karakteristikepolja

VeliinekojekarakterizirajumagnetskopoljeZemljesu:1. Magnetskaindukcija2. Jainamagnetskogaspolja

Magnetska indukcija je fluks po jedinici povrine. Jedinica zamagnetski fluks jeWb (Weber), zapovrinujem2,ajedinicazamagnetskuindukcijuje1T(Tesla):

Ako jefluksravnomjernorasporeenpopovrini iakokroznjuprolaziokomito,onda jemagnetskaindukcijajednaka:

Poredmagnetskeindukcije,koristiseiveliinakojasezovejainamagnetskogpoljaT.MagnetskaindukcijajepovezanasaJainommagnetskogpoljarelacijom:

gdjeje:permeabilnostsredine0permeabilnostvakuuma=4107 rrelativnapermeabilnostsredine,kojazavisiodvrstesredine.JainamagnetskepoljaZemlje,dijelisenahorizontalnuivertikalnukomponentu.NaslijedeojsliciprikazanajeshemaintenzitetavektorageomagnetskogpoljautakiosmatranjanapovriniZemlje:

8

Slika4ShematskiprikazintenzitetageomagnetskogpoljanaodreenojtakipovrinaZemljeMagnetskimeridijanjevertikalnaravanukojojleivektorgeomagnetskogpoljaNaslici4sukoriteneslijedeeoznake:

1. Vektorgeomagnetskogpoljautakiosmatranja 2. =Horizontalnakomponentajainemagnetskogpolja 3. =Vertikalnakomponentajainemagnetskogpolja

Meuovimveliinamavaesljedeematematikerelacije:Intenzitetvektora:

Intenzitethorizontalnekomponentevektora,tj.vektora

Oznakeuglovanaslici4su:

4. I=Inklinacija:vertikalniugaoizmeuhorizontalnekomponente,ivektoraukupnogintenziteta,

Inklinacijaserauna:

9

InklinacijaovisiolokacijinaZemlji,odnosnoonanijeistasvugdjenazemljinojpovrini.Nanaempodruju(BiH)onaiznosioko60o.

5. D = Deklinacija: Horizontalni ugao koji ravan magnetskog meridijana take osmatranjazaklapa sa geografskim meridijanom (na podruju BiH, prema udbeniku, deklinacija jezapadnaiiznosi8o,meutim,premaizvorimaspomenutimupoglavlju4.1Eksperimenti,tavrijednostje3,75opremaistoku)

Deklinacijaserauna:

Magnetska indukcija i jainamagnetskog polja su vektorske fizike veliine (odreene pravcem,smjeromiintenzitetom)ipredstavljajutangentunasilnicemagnetskogpoljaZemlje(Slika5).Na povrine Zemlje,magnetska indukcija varira od 24 000 nT do 66 000 nT. Jedinice koje se jokoristesuGaus(1Gaus=100000nT)igama(1gama=1nT).Glavnizadatakovogradajevjebomutvrditiveliinumagnetskeindukcijezemljenaovimprostorima.

Slika5Shematskiprikaztangentevektora(i)namagnetskesilniceZemljinogpoljaMagnetskopoljeZemljeponaasepriblinokaomagnetskopoljeravnogmagneta.

10

2.4. VarijacijemagnetskogpoljaZemlje

ProcesradaZemljinogdinamadodanasnijeupotpunostirazjanjen(zatoimaidrugihteorijakojimasemagnetskopoljeZemljeobjanjava).Danepostojeprocesikojiobnavljajuenergijukojapokreedinamo,geomagnetskopoljebipotpunonestalo ibilibismodirektno izloeniopasnomkozmikomzraenju.Kako jeranijereeno,smatrasedasegeomagnetskopoljeupotpunostistvaradubokouZemljinojjezgri.Meutim,najnovijematematikesimulacijepokazujudaiZemljinomota(plat)imasvojuuloguutomprocesu.Problemkojisuznanstvenicipokuavalirijeiti itestiratisimulacijom jeutjecaj prostorno nejednolikih gubitaka topline na granici jezgre i plata, na promjenegeomagnetskog polja. Pokazalo se da razliite temperaturne podjele na donjoj granici platapoveavaju,odnosno smanjuju vjerojatnostgeomagnetskih reverzija.Znanstvenici suuspjelidobitiprvu 3dimenzionalnu, vremenski ovisnu, stabilnu matematiku simulaciju generiranja Zemljinogmagnetskog polja konvekcijom u vanjskoj jezgri. Rezultat dobiven simulacijom je dinamo kojeodravamagnetskopoljekrozperiodod40000godina.Najveiuspjehovesimulacijesu ireverzijedipolnogdijelamagnetskogpolja,toesvakakopomoiurazjanjavanjupozadineovihprocesa.Elementi magnetskog polja Zemlje mogu se mjeriti odgovarajuim elementima na svakojtakiZemljinepovrine.Mjerenja,kojasuvrenanarazliitimtakamakrozduginizgodina,pokazujudasevektormagnetskogpoljamijenja.Konstatiranesumanje ilivienepravilnepromjene,razliitejaine,kojesuprirodnogkaraktera.Analize promjena Zemljinogmagnetskog polja u duem vremenskom periodu pokazuju da postojijedan nepromjenljiv dio, na koji se superponiraju razliite promjene geomagnetskog polja saperiodomodoko11godina.Postojanidiotogpolja jeglavnomagnetskopoljeZemlje,dok jedrugidioizazvanpromjenljivimpoljimarazliitihamplituda,fazaiperioda.GlavnomagnetskopoljeZemljejezbirdvapoljahomogenonamagnetiziraneZemlje(dipolnopolje)ipolja izazvanog nehomogenostima u dubljim dijelovima Zemlje (nedipolno polje ili poljekontinenata). Promjenljivi dio magnetskog polja nastaje u dubljim i gornjim slojevimaZemljinekorekao i polja nastalog uslijedSuneveaktivnosti, zraenja, magnetskog polja Sunca, Sunevogvjetraislino.Zapaeno jedasuamplitudepromjenljivihpoljaznatnomanjeod intenzitetaglavnogmagnetskogpolja,aperiodesuodnekolikogodinadodesetihdijelovasekunde.

2.5. Reverzijepolja

Geomagnetsko polje povremenomijenja svoj polaritet, odnosno sjeverni i juni polovi zamijenemjesta.Ta jepojavapoznatakaoreverzijageomagnetskogpolja.Povijestreverzijageomagnetskogpolja,zapisanaustijenama,stara jeoko330milijunagodina!Tokomtogperiodadogodilosevieod400reverzija.Vrijemeizmeudvijereverzijevrlojepromjenjivoimoeiznositimanjeod100000godinapadonekolikodesetakamilijunagodina.Gledano u geolokim vremenskim okvirima, u posljednje vrijeme reverzije su se dogaale uprosjeku svakih200000godina, iako seposljednja reverzijadogodilaprije780000godina,kad jegeomagnetskopoljeiz"reverznog"stanjaprelou"normalno".

11

Dokazeo reverzijamapolja, koje su sedogodileudalekojprolosti Zemlje,dobivamo zahvaljujuistijenama koje su nastale skruivanjem izlivene lave: one u sebi zadravaju informaciju o smjerutadanjeggeomagnetskogpolja.Akosestijenanagloohladi,podatakosmjeruokolnogpoljaostajegotovotrenutnozapisanunjoj.Sedimentnestijenenatajnainusvojimslojevimauvajumilijunegodinastarepodatkeoreverzijamageomagnetskogpolja.Za potpunu reverziju geomagnetskog polja potrebno je u prosjeku 5 000 godina, s tim da se tevrijednostimogu kretati od 1 000 do 8 000 godina.Glavnomagnetsko polje, zajedno sa svojomdipolnomkomponentom,slabitokomreverzijepadajuina10%25%vrijednostikojujeimaloprijereverzije.Reverzijesenikadanedogaajunekimpredvienimredoslijedom.Velikeinaglepromjeneusmjeruiintenzitetu polja podijeljene su na krae periode u kojima se odvijajumanje promjene. Ponekadgeomagnetskopoljedjelujekaodajeupoetnimfazamareverzija,alisereverzijanedogodiipoljesevraaupoetnipolaritet.Tepojave supoznatekaoekskurzije.Postojedvije teorijekojenastojeobjasniti promjene geomagnetskog polja te definirati ponaanje geomagnetskih polova tokomreverzija.Prema jednoj teoriji,geomagnetskopolje tokom reverzijeostajeveinomdipolno,apoloviputujuodreenim stazama s jedne hemisfere na drugu. Druga teorija tvrdi da dipolna komponentageomagnetskogpolja slabi inestaje, aondaponovno jaa, aliovajput sa suprotnimpolaritetom.Tokomtogperioda,ukojemnemadipolnogpolja,prisutnojesamonedipolnopolje.Premdapostojerazliiteteorijeouzrokugeomagnetskihreverzijaodkojihjejednaiudarmeteoradanasprevlauje teorijadaklju leiupromjenamakojesedogaajuusamomgeneratorupolja dinamu.

2.6. VanAlenovipojasevi

Zemljinomagnetskopolje iri sedalekou svemir titeinasodplazme kojomnasobasipa Sunce.Kakoizgledatajnevidljivimagnetskitit?Plazma koja nas zapljuskuje je oblak elektriki nabijenih estica, veinom elektrona i protona.Strujanjenaelektriziranihestica,kojimSunce izbacujeusvemirmalidiosvojemasegodinje(2,5x1014),nazivaseSunevimvjetrom.OvapaljbasaSuncakreeseponekadbrzinamaveimiod450km/s.Dok je svjetlu potrebno 8minuta da stigne sa Sunca na Zemlju, Sunevom vjetru za to jepotrebno2do3dana.Magnetosferakojaobavijanaplanetprostiresedalekousvemir.Topodrujejemjestoneprestanihdramatinihsusretasopasnomplazmom.Oblikkoji tajvelikinevidljivititposjeduje rezultat je tihinterakcija. Sunev vjetar sabija diomagnetosfere koji je izloen Suncu, tako da se ona ovdje neprostireusvemirdaljeod610radijusaZemlje.

12

Slika6VanAlenovipojaseviNasuprotnojstranimagnetosferajerazvuenadubokousvemirskaprostranstva,oko1000Zemljinihradijusadaleko.MeudjelovanjeZemljinogmagnetskogpoljaiSunevogvjetrastvaraiVanAlenove(VanAllen)pojaseve,parprstenovaod ioniziranogplina zarobljenoguorbitioko Zemlje (Slika6).Vanjskiprstenseproteeizmeuvisinaod19000i41000km,dokseunutranjinalaziizmeuvisinaod7600i13000km.KadanaletopasnihesticastignedoZemljinemagnetosfere,nekeodnjihostatezarobljene.Magnetopauza jeslojkojiokruujeZemljinumagnetosferu.Ovdjeseveinaesticapreusmjeritakoda obie magnetosferu, ali dio estica proe kroz magnetopauzu i zavrava u Van Alenovimpojasevima.Unutarnjipojassastojiseuglavnomodprotona,dokvanjskisainjavajuelektroni.esticesekreupolinijamamagnetskihsilapremapolarnimregionimagdjeselinijesilasastaju.Ovipojasevisuotkriveni1958.godinezavrijemeletaamerikogumjetnogsatelitaExplorera1.FiziarJamesVanAllen,pokojemsupojasevinazvani,zasluanjetojesatelitnosioGeigerovbrojazadetekcijunabojaestica.

2.7. Ionosfera

Geomagnetski opservatoriji svakodnevno biljee promjene u vrijednostima Zemljinogmagnetskogpolja.UzroktimdnevnimvarijacijamasupromjenekojesedogaajuuvanjskommagnetskompoljuZemlje,tj.uzrokuju ihelektrinestrujeugornjojatmosferinavisinama izmeu100 i130km iznadZemljinepovrine.NatimvisinamaatmosferajeioniziranapodutjecajemUViXSunevihzraka.Ionepokreuvjetrovi iuzdizanjaatmosferezbogdnevnogzagrijavanja igravitacijskihdjelovanjaSunca i

13

Mjeseca.Dnevne varijacije, koje se kreu u rasponu od 20 do 30 nT, ovise o lokalnom vremenu,geografskojirini,godinjemdobuiSunevomciklusu.Tagornjazonaatmosferenazivaseionosfera(Slika7).

Slika7Zemljinaatmosferapoloajaionosfere

14

3. Zanimljivosti

3.1. Polarnasvjetlost

lakonasmagnetosfera titi zaustavljajui veinuelektrikinabijenih estica kojimanas zapljuskujeSunce, jedandiose ipakprobijakroznju.ElektronikojiseprobijukrozmagnetosferusudarajusesatomimauvisokimslojevimaZemljineatmosfere.Prisudaru,atomiZemljineatmosferesepobuujuizraesvjetlosturazliitimbojamastvarajuivelianstvennebeskiprizorpolarnusvjetlost(Slika8).Galileo jeovupojavuopisaonazivomAuroromborealis,touprijevoduznaiSjevernosvitanje.Namjestimanavisokimgeografskimirinama,kaotojeFairbanksnaAljasciilinorvekiTromso,pojavapolarnesvjetlostirelativnojeesta.OsimSjevernogsvitanja,postojiiAuroraaustralis(Junosvitanje)iAuroratropicalis(Tropskosvitanje),ovisnoopredjeluizkojegpotjeu.

Slika8Auroraborealis

3.2. Ostaliplaneti

KaoiZemlja,Veinaplanetaposjedujudipolnomagnetskopolje,sasjevernimijunimpolomkojisesastajunaimaginarnojosiunutarplaneta.Zemljinomagnetskopolje jenagnutozanetovieod11oodrotacioneosi.Slina jesituacija ikodnekihdrugihobjekataSunevogsustava:divovskihtijelaJupiteraiSaturna,kaoiJupiterovogmjesecaGanimede.Magnetsko polje Jupitera je, na primjer, slino kao i Zemlja, nagnuto za 10, dok sumagnetskapoljaNeptuna iUranadalekovienagnuta.KodNeptunatajkut iznosi47,akodUranaak59.OstaliplanetiSunevogsustavaposjedujuvrloslabapoljailiihuopenemaju.

15

3.3. MagnetskopoljeZemljeslabitakadnestane?

Zemljinomagnetskopoljenemijenjasmjerupravilnimvremenskim intervalima. lakosereverzalinajeedogaajuuprosjeku svakih200000 godina,posljednji sedogodioprije780000 godina.Ekskurzije, u kojimamagnetski polovi prilino od lutaju, ali se ne dogodi reverzija, dogaaju sepunoee.Znanstvenicima je vedugopoznata injenicada jainaZemljinogmagnetskogpoljaopada tokomposljednjih150godina,alimeunjimapostojeneslaganjakad jerijeobudunostiovihpromjena.Nekismatrajudajenapomolunovareverzijapolja,dokdrugivjerujudaseradisamooprivremenojvarijacijikojaneeimatidramatinijihposljedica.Usluajunestankamagnetskogpolja,posljedicebimoglebitikatastrofalnezaivotnaZemlji.Snanozraenjezagrijalobigornjeslojeveatmosfere iuzrokovalovelikeklimatskepromjene.Navigacijski ikomunikacijskisatelitibilibiuniteni,aivotinjekojeseseleudalekekrajeveorijentirajuisepremasmjerovimamagnetskihpolova,bilebiizgubljene.Jedina stvarkojaZemlju uvaod scenarijapremakojembimoglapostatibeivotnakaoMars, jestmagnetosferapoljekojenaplanet,atmosferuiivottitiodsnanogiopasnogSunevogzraenja.Znanstvenici upozoravaju damagnetsko polje u posljednje vrijeme sve vie slabi te da bimoglopotpunonestatiunarednih500godina.Nakontogabitrebalodoidosmjenemagnetskihpolova.Tose ve dogaalo u prolosti geoloki podaci pokazuju da semagnetska polja izmjenjuju svakih200.000godina.Potosusemagnetski jug isjeverposljednjiputzamijeniliprije780tisuagodina,novasmjenapolovavekasni.GeofiziarConallMacNiocaillsOxfordaovako jeopisaosituacijunaZemlji: 'Uposljednjemstoljeumagnetski se sjever pomaknuo za vie od 1.500 km.U posljednjih 150 godina snagamagnetskogpoljaoslabilajezaoko10%,topokazujedamoemooekivatiobrtanjepolova.'Iakojeposljedicetogdogaajatekopredvidjeti,strunjacismatrajudabionemoglebitiogromne.MacNiocailljesituacijuusporediosMarsom:'AkojenaMarsuikadabiloivota,onjesigurnounitennestankommagnetskogpoljaprije3,5do4milijardegodina.Kadajepoljeoslabilo,solarnisuvjetroviotpuhalinjegovuatmosferu,akozmikozraenjejeporasloidoprlodopovrine.Objeovestvaribilesuloezaeventualniivotnapovriniilijeunitenilisemoraopreselitiuunutranjostplaneta.'Zemljinomagnetskopoljeuvijeksedosadanakonobrtanjapovratilo,meutimnjegovopomicanjeislabljenjeuzrokovat emnogeproblemekako za ljude, tako i za ivotinje sateliti ebiti izloenijaemzraenju,aivotinjekojesenjimeravnaju,poputptica,pela,morskihkornjaa inekihriba,postat e zbunjene.Neke ptice bi semoda imogle snai jer su neke studije pokazale da imajurezervnesustavenavigacijeuzpomozvijezdaiorijentiranakopnu.Europska svemirska agencija ovaj problem shvaa ozbiljno pa uskoro, u sklopu misije SWARM,planira lansirati tri satelitadvauorbitunavisiniod450km te jedanna530km.Te letjelice epreciznomjeritiutjecajSuncaipromjenemagnetskogpolja.

16

SWARM e obaviti mjerenja svih faktora koji utjeu na formiranje magnetskog polja (struje urastopljenojeljeznoj jezgriZemlje,magnetiziranestijeneukori idrugo)kakobiznanstvenicimoglikreiratikvalitetnijekompjuterskeprogramezapredvianjepromjenausnazi ipoloajumagnetskihpolja.Processmjenepolovaobinotrajeodtridopettisuagodina,meutimnovijaistraivanjapokazujudabiseprelazakizdananjegstanjaukaosmogaodogoditiveza500tinjakgodina.

17

4. MjerenjepoljaDirektnamjerenjaZemljinogmagnetskogpoljakontinuiranoseizvodeumagnetskimopservatorijimau svim dijelovima svijeta. Vrijednosti polja se, zahvaljujui raznim oceanografskim, terenskim,avionskimisatelitskimmjerenjima,dobivajuisrazliitih(ranijetekodostupnih)lokacija.MalojepoznatainjenicadasuupravogeomagnetskamjerenjaodigralakljunuuloguuistraivanjuiutvrivanjutektonikeploatekonvektivnihgibanjauZemljinojunutranjosti.U geologiji i primijenjenoj geofizici ta sumjerenja vaan alat prilikom utvrivanja karakteristikaZemljinekore.Kadaseizvodimjerenjegeomagnetskogpolja,onotosestvarnomjerijekombinacijaZemljinogmagnetskogpoljaivarijacijauzrokovanihmagnetiziranimstijenamaielektrinimstrujamaukoriZemlje.Premdajeveinamineralaodkojihsuformiranestijenenemagnetina,mnogestijenesadre dovoljno magnetinih minerala koji uzrokuju znaajne magnetske anomalije. Pored toga,anomalijeuzrokujuimetalniobjekti,kaotosueljezniketranice,dalekovodi,odailjai,zakopanipredmetiislino.Geomagnetska mjerenja se mogu primijeniti u raznim podrujima, od manjih inenjerskih iliarheolokihistraivanjapasvedomjerenjakojimasedefinirajuregionalnegeolokestrukture.Satelitisuidealnizaglobalnamjerenjageamagnetskogpoljavisokerezolucije,potrebnazadobivanjepreciznihmodela Zemljinogmagnetskogpolja.Otkada jeu listopadu 1979. godine lansiran satelitMAGSAT, lansirano je jonekolikonovihsatelita ilisuuprogramuza lansiranje.TemisijeglobalnopokrivajuZemlju,apodacimogubitikoritenizaistraivanjaglavnogmagnetskogpolja,magnetskogpolja kore, elektrine vodljivosti omotaa, kao i za istraivanja trenutnog stanjamagnetosfere iionosfere.Meutim, iako sateliti omoguuju uvid u globalnu raspodjelu vrijednosti geomagnetskog polja,podacisuaktualnivrlokratakvremenskiperiod,paseestomorajuaurirati.DanskisatelitRSTED(OERSTED=itaseersted) lansiran jeuveljai1999.godine,anjemakiCHAMPusrpnju2000.godine.Tisateliti idaljeuspjenoprikupljajupodatkesvisokompreciznou(literaturareferenca).MagnetskeolujesuporemeajigeomagnetskogpoljauzrokovanidinamikimprocesimanaSuncu.UvrijemekadanastupivrhunacciklusaSunevihpjega,Sunevomagnetskopolje jenajnemirnije,torezultirapojavomSunevihbljeskovakojinajveidio svojeenergije izbacujuuobliku rendgenskogzraenja,kaoibombardiranjemZemljeelektrikinabijenimesticamavelikeenergije.Ovojepoznatokao IKM (izbacivanje koronarnemase). Bljeskovimogu omesti radiosignale i rad navigacijskihureaja,audaracnabijenihesticaonaplanetmoeuzrokovatipreoptereenjeelektrinemree inestanakelektrinestruje.IKMsuvelikaprijetnjaikomunikacijskimsatelitima.Prijedvadesetipetgodina,1989.godine,upravojejedantakavsnaanIKMpogodioZemljuisruioglavnu elektrinu mreu kanadskog Hydro Quebeca, ostavivi gotovo sedam milijuna ljudi bezelektrinestrujetokomvieod9satiipoinivitetuodviemilijunadolara.

18

No,postoji jo svjeijapaljba saSunca,koja jebilausmjerena inanaplanet.Tokomdvotjedneoluje,kojasedogodilaujesen2003.godine,buknulasudvanajjaaikadzabiljeenabljeska.Sreom,bljesak i IKMkoji jepotomuslijedio, samo su okrznulinaplanet.Manjipadelektrinemreepogodiojevedsku,anekolikodesetakasatelita,izolujejeizaloskvarovima.

4.1. EksperimentiZadatak(cilj):odreditihorizontalnukomponentumagnetskeindukcijemagnetskogpoljaZemlje.PRIBOR:Tangentnabusola,ampermetar,otpornik,izvorstalnognapona.OPISUREAJA:VeliinuhorizontalnekomponentemagnetskogpoljaZemljeustanovit emo takodanamagnetskuiglu djelujemomagnetskim poljem zavojnice koja je postavljena u vertikalnoj ravnini, tj. pomoutangentnebusole(Slika9).Tangentnabusolasastojiseodkrunognamotajabakreneiceuijemsesreditunalazimalamagnetska igla,kojasemoeslobodnookretatiokovertikalneose.Magnetskaigla je malih dimenzija pa se, bez vee pogreke,moe smatrati da se cijela igla nalazi u centrukrunogprovodnika.Zamagnetskuiglujeprivrenavea,laganakazaljka,ijikrajeviprelazeprekokrune skale koja slui za itanja kuta skretanja igle. Kazaljka je napravljenaodmaterijala kojinepokazujeferomagnetskeosobine,takodananjunedjelujemagnetskopolje.

Slika9Tangentnabusola

19

Kada kroz zavojnicu ne tee struja, na iglu djeluje samomagnetsko polje Zemlje. Ako zavojnicupostavimo takodasenjena ravninanalaziu istomsmjerukao igla, tada jezavojnicapostavljenaumagnetskimeridijan,akazaljkajenanultompodioku.Kada kroz zavojnicu pustimo struju, tada se javlja dodatno polje H, koje je u sreditu zavojniceokomito na njezinu ravninu, dakle i na smjer magnetskog meridijana. Magnetska igla je poddjelovanjemdvameusobnookomitapolja,pasepostavljausmjerrezultante,tj.zakreesezakut',kojimjerimo.Mjerenjeseponavljazastruju iste jainealisuprotnogsmjera,kakobise izbjeglagreka. Kazaljka se sada kree na drugu stranu za priblino isti kut'', tako da se usvaja srednjavrijednosttadvamjerenja.POSTUPAKMJERENJA

1. Spojitistrujnikrugpremashemi:

2. Tangentnubusoluprikljuitinaodreenibrojnavoja(oznaenonabusoli).3. Akonijepoznatpoluprenikkrunogprovodnika,izmjeriseobimiizrauna(r=8cm)4. Bonizavrtanjnabusoliotpustitiikruniprovodnikpostavitiusmjermagnetskogmeridijana.

Nakontogatrebaopetprivrstitibonizavrtanj.5. Klizanaotpornikupostavitiupoloajmaksimalnogotpora.6. Ukljuitistrujnikrug,podesitijainustrujeiizmjeritijepomouampermetra.7. Proitatikutskretanjakazaljkenaobakrajakazaljkeiuzetisrednjuvrijednostzakut'8. Ponovitimjerenjezastrujuistogintenzitetaalisuprotnogsmjera.9. Proitatikutskretanjakazaljkenaobakrajakazaljkeiuzetisrednjuvrijednostzakut''.

Izraunatikutskretanjapremaformuli: 10. Ponovitimjerenjezarazliitevrijednostijainestruje.Podatkeunijetiutabelu(Tabela1)11. Svepoznatevrijednostiuvrstitiuizraz:

iizraunativrijednosthorizontalnekomponentemagnetskogpoljaZemlje.

20

12. Mjerenjaponovitizarazliitbrojnavojanatangentnojbusoliipodatkeunijetiutabele(Tabela2iTabela3).

PremauputiasistentaPrirodnomatematikogfakulteta,gdjejevjebaraena,rezultatizajakomalibrojnavoja(2) i jakoveliki (500),nisu jakopouzdani,pa jezaovesluajeveraenosamopo jednomjerenje.Tabela1 r2=8cm N2=50R.B.

Mjerenja 1' 2' SR' 1'' 2'' SR'' tg I(A) Bh1(T)1 67o 68o 67,5o 73o 72o 72,5o 70o 2,747 140mA 2,0105 T2 76o 75o 75,5o 69o 69o 69o 72,25o 3,17 160mA 0,495105 T3 75o 74o 74,5o 80o 79o 79,5o 77o 4,33 180mA 1,6105 T4 70o 70o 70o 65o 65o 65o 67,5o 2,41 120mA 1,9105 T Bh1sr= 1,51105T

Tabela2 r2=8cm N2=2R.B.

Mjerenja 1' 2' SR' 1'' 2'' SR'' tg I(A) Bh1(T)1 15o 15o 15o 10o 10o 10o 12,5o 0,22 280mA 1,998105 T Bh2sr= 1,998105 T

Tabela3 r2=8cm N2=500R.B.

Mjerenja 1' 2' SR' 1'' 2'' SR'' tg I(A) Bh1(T)1 95o 95o 95o 82o 83o 82,5o 88,75o 45,83 30mA 0,256105 T Bh3sr= 0,256105 T

Srednja vrijednost horizontalne komponente magnetskog polja Zemlje, na osnovu provedenihmjerenjaje: Bhsr=1,254105TJainamagnetskogpoljaT:

ili

cos Zainklinacijuod60o

T=. .

, , 105T

21

OBRAZLOENJEREZULTATA:Premaliteraturi(referenca):Odmagnetskihpolovapremamagnetskomekvatorutotalniintenzitet(T)opadaodpriblino60000nTnaoko20000do30000nT.Narezultat,zaugaoinklinacije60,je25080nT,tojerelativnoniskavrijednostuodnosunaoekivanu.ZasusjednuHrvatsku,premareferenci,zabiljeenojedajeuHrvatskojD=2do3,I60dokjeT47000nT,tojetakoerviavrijednostodonekojusmoizmjerili.Provjeraprekoreference:Inklinacija:oitanosaslike(Slika10)I=60

Slika10DistribucijaINKLINACIJAnapovriniZemljeDeklinacija:oitanosaslike(Slika10)D=3,8o

22

Slika11DistribucijaDEKLINACIJAnapovriniZemljeIntenzitet:oitanosaslike(Slika12)T=47000nT

Slika12DistribucijaINTENZITETAnapovriniZemlje

23

Najzad,premakalkulatoru:

Slika13RezultatipremakalkulatoruNGDCIzsveganavedenogizlazidasuizmjerenirezultatidalinievrijednostiodoekivanih.Ukupnasrednjavrijednostsvetriserijemjerenjasrazliitimbrojemnavojaizmjerenajeiizraunatakao25080nT,tojeoko53%oekivanevrijednostijainepolja.Za 500 navoja, dobiju se preniske vrijednosti.Ako pogledamo rezultat za prvu seriju s 50 navojadobijemo:T=30200nTili64%,aza2navojaT=40000nTili85%.Odavde izlazida jenajtanijeoitanjebilos2navojana tangentnojbusoli,odnosnoda jeoitanjetanijetojemanjibrojnavoja.Valja napomenuti da drugi dio vjebe (Provjera utjecaja magnetskog polja demonstracijskogampermetranamagnetsku iglutangentnebusole),nijeraen iztehnikihrazloga.Moguejedajeupravoovajutjecajdoprinioniimoitanjima.

24

5. Zakljuci1. U ovom radu, na bazi literature, analizirano magnetsko polje Zemlje, njegovo porijeklo,

utjecajiznaaj,jaina,poloajipromjenljivost.2. MagnetnopoljeZemljenajvjerojatnijenastajedubokounjenom jezgru. Zemljadjelujekao

jedanvelikimagnetijisupoloviublizinigeografskihpolova,alistalnomijenjajupoloaj.3. Promjenljivajeijainapolja.MagnetskopoljetitizemljuodopasnogSunevogzraenja,to

jepomoglonastankuiodravanjuivotanaZemlji.4. Uovomperiodupostepenoslabijainamagnetskogpolja.Kadabimagnetskopoljenestalo,

solarnozraenjebidospjelodozemljeiivotnaZemljibinestao.5. MagnetskopoljeZemljereverzibilno,odnosnonakonodreenogvremenskogperiodadolazi

dozamjenepolova.6. UtjecajSunevih vjetrova esto jevidljivublizinimagnetskihpolova.Ovo semanifestira

velianstvenimprizorimapolarnesvjetlostiiliauroreborealis.Magnetskopoljejeformiraiodravaionosferu,kaoiVanAlenovepojaseve.

7. Praktinom vjebom izvedenomnaPMF,uzpomo tangentnebusole,odredila sam jainumagnetskog polja u Sarajevu. Izmjerena je jaina od 25000 nT. Prema literaturi, ta bivrijednosttrebalaiznositioko47000nT.

8. Iakodobivenirezultatiodstupajuodoekivanih,mogusesmatratiprihvatljivimjerjedobiventaan red veliine, posebno s obzirom da je koritena aparatura donekle zastarjela, jerpotjeeiz1966.godine.

9. Uznovijeinstrumente,moglibiseoekivatitanijirezultatimjerenja.

25

10. Izvori(literatura)1) WIkipedia:http://sh.wikipedia.org/wiki/Magnetsko_polje_Zemlje2) DrvoZnanja,broj145,2011.Magnetskopoljezemlje(str.1519)3) HrvatskaEnciklopedija,LeksikografskizavodMiroslavKrlea:

http://www.enciklopedija.hr/Natuknica.aspx?ID=380364) ProfilSkolskiportal:http://www.profil.hr/skolskiodjel/osnovnaskola/geomagnetizam5) NationalGeographicaldatacenter,Magneticfieldcalculator:

http://www.ngdc.noaa.gov/geomagweb/#igrfwmm6) NationalGeographicaldatacenter,Onlinemagneticfieldcalculator:

http://www.ngdc.noaa.gov/geomag/magfield.shtml7) EarthObservationwithCHAMP:ResultsfromThreeYearsinOrbit,ByChristophReigber,

HermannLhr,PeterSchwintzer,JensWickert(Potsdam,August2004)PDFverzijaNapomena:Svegorenavedene referenceuvidu Internet stranica (linkova),posjeivane su ikonsultiraneuvienavratauperiodufebruarapril2014.

26

SaetakUovom radugovori seomagnetskompoljuZemlje,njegovomporijeklu,utjecaju i znaaju, jaini,poloaju,promjenljivosti iozanimljivostimavezanimzanjega.Poredovoga, izvrilasam imjerenjasmjeraijainemagnetnognaovimprostorima,odnosnouSarajevu.VjerujesedamagnetnopoljeZemljenastajedubokounjenomjezgru.Zemljadjelujekaojedanvelikimagnetijisupoloviublizinigeografskihpolova,alistalnomijenjajupoloaj.Promjenljivajeijainapolja. Magnetsko polje titi zemlju od opasnog Sunevog zraenja, to je pomoglo nastanku iodravanju ivota na Zemlji. U ovom periodu postepeno slabi jainamagnetskog polja. Kada bimagnetskopoljenestalo,solarnozraenjebidospjelodozemljeiivotnaZemljibinestao.Vjeruje se da jemagnetsko polje Zemlje reverzibilno, odnosno da nakon odreenog vremenskogperiodadolazidozamjenepolova.Utjecaj Sunevih vjetrova esto je vidljiv u blizini magnetskih polova. Ovo se manifestiravelianstvenimprizorimapolarnesvjetlostiiliauroreborealis.Praktinom vjebom izvedenom na PMF, uz pomo tangentne busole, odredila sam jainumagnetskog polja u Sarajevu. Izmjerena je jaina od 25000 nT. Prema literaturi, ta bi vrijednosttrebala iznositi oko 47000 nT. Razlika je najvjerojatnije rezultat koritenja relativno zastarjelihinstrumenatakojidatirajuiz1966.godine.

27

KOMENTAR_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

28

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_________________________________________________________________

_______

29

Datumpredajerada:17.april2014.godine

Datumodbranerada:___.___.2014.godineOcjena:________________________________lanoviKomisije:

1._______________________________________2._______________________________________3._______________________________________