Wydz. Geol. Geofizyki i Ochr. Środ. Katedra Geofizyki 15.07.2010 Kraków
ELEMENTY GEOFIZYKI - private.igf.edu.plprivate.igf.edu.pl/~debski/PDF/LECTURES/Magnetyzm.pdf ·...
Transcript of ELEMENTY GEOFIZYKI - private.igf.edu.plprivate.igf.edu.pl/~debski/PDF/LECTURES/Magnetyzm.pdf ·...
ELEMENTY GEOFIZYKIMagnetyzm
W. D ↪ebski2010
Plan wykładu z geofizyki (Geomagnetyzm)
1. Magnetyzm ziemski
F pole magnetyczne Ziemi,F w ↪edrowka biegunow magnetycznych i teoria WegeneraF inwersja pola magnetycznegoF model dynamaF pole magnetyczne Ziemi a srodowisko
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 1
Pole magnetyczne Ziemi - pierwsze fakty
F legendy Chinskie (2600 BC) o magicznych wozach wskazuj ↪acychpołudnie
F pierwsze wzmianki o polu magnetycznym Ziemi De Naturis Re-rum ok. 1190r. AD.
F odkrycie deklinacji i inklinacji (Kolumb 1492r. ?)
F W. Gilbert De Magnet - 1600r. idea pola magnetycznego Ziemi
F wiekowe zmiany pola geomagnetycznego -H. Gellibrand (1633)
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 2
Pole magnetyczne Ziemi - Gauss
F praca Gaussa: Allgemeine Theorie des Erdmagnetismus
F skonstruowanie magnetometru
F pierwszy mi ↪edzynarodowy projekt geofizyczny
F “nowoczesna” analiza danych pomiarowych
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 3
Pierwsze zastosowania - kompas
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 4
Magnetometry
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 5
Odkrycia XX wiek
F inwersja pola geomagnetycznego
F wielkoskalowy ruch kontynentow w skali geologicznej
F zastosowanie technik paleomagnetyzmu do badansrodowiskowych
F pogoda kosmiczna
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 6
Pozostałosc magnetyczna skał
Skały wulkaniczne zawieraj ↪a minerałymagnetyczne, ktore schładzane “za-pami ↪etuj ↪a w postaci stałego namagne-sowania wartosc i kierunek magnety-cznego pola ziemskiego. Jest to efektemtego, ze roztopiona magma osi ↪agaj ↪actemperatur ↪e Curie podlega przejsciu fa-zowemu ferromagnetyk ⇒ paramag-netyk w wyniku “zamrozenia” ruchudomen magnetycznych.
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 7
Pozostałosc magnetyczna skał
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 8
Temperatura-Curie
Materiał Temp. Curie [C]
Zelazo (Fe) 770
Kobalt (Co) 1130
Nikiel (Ni) 358
Tlenki zelaza 622
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 9
Odkrycie 1. Grzbiet srodkowo atlantycki
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 10
Odkrycie 1. Grzbiet srodkowo atlantycki
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 11
Odkrycie 1. Grzbiet srodkowo atlantycki
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 12
Odkrycie 1. Grzbiet srodkowo atlantycki
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 13
Odkrycie 2. W ↪edrowka biegunow magnetycznych
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 14
Odkrycie 2. W ↪edrowka biegunow magnetycznych
Dwie teorie:
A B
Biegun magnetycznyzmieniał połozenie w czasie
Kontynenty poruszały si ↪ewzgl ↪edem bieguna
⇓ ⇓
Trajektoria taka sama dlawszystkich kontynentow
Trajektorie mog ↪a si ↪e roznic
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 15
W ↪edrowka kontynentow - teoria Wegenera
Fakt podobienstwa lini brzegowychkontynentow (zwłaszcza wokoł OceanuAtlantyckiego zawsze pobudzałwyobrazni ↪e do tworzenia hipotez owspolnym pochodzeniu kontynetow.Np. Legenda Atlantydy opisana przezPlatona.
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 16
Teoria Wegenera - 1912/1960
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 17
A. Wegener (1880 - 1930)
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 18
Obecny pogl ↪ad
F 1100 mln lat temu powstaje superkontynent Rodinia.
F 750 mln lat temu Rodinia rozpada si ↪e na: Laurencj ↪e, kraton Konga i Proto-Gondwan ↪e.
F 600 mln lat temu fragmenty Rodinii na krotko ponownie si ↪e stykaj ↪a, tworz ↪ac nowy su-perkontynent: Pannoncj ↪e.
F 550 mln lat temu Pannoncja zaczyna si ↪e rozpadac, tworz ↪a si ↪e kontynenty i oceany Paleo-zoiku.
F 250 mln lat temu na Ziemi ponownie istnieje jeden superkontynent Pangea. Jest onotoczony olbrzymim oceanem Panthalassa, masy l ↪adowe cz ↪esciowo odgradzaj ↪a od niegomniejszy ocean Tetydy.
F 180 mln lat temu superkontynent Pangea zaczyna p ↪ekac na dwie cz ↪esci, ktore oddalaj ↪a si ↪eod siebie tworz ↪ac: Laurazj ↪e na połkuli połnocnej i Gondwan ↪e na połkuli południowej.
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 19
F 135 mln lat temu pocz ↪atek rozpadu Laurazji i Gondwany pojawiaj ↪a si ↪e zarysy dzisiejszychkontynentow: Laurazja daje pocz ↪atek Ameryce Połnocnej i Eurazji Gondwana rozpada si ↪ena: Ameryk ↪e Południow ↪a, Afryk ↪e, Antarktyd ↪e, Australi ↪e i Indie.
F 100 mln lat temu Indie odrywaj ↪a si ↪e od Afryki i dryfuj ↪a w stron ↪e Azji.
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 20
Ewolucja geodynamiczna kontynentow
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 21
Ewolucja kontynentow
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 22
Inwersja geomagnetyczna - odkrycie
Badaj ↪ac magnetyczne własnosci skał lawowych wulkanu Pontafarinz okolic Cezanes (Francja) Brunhes odkrył w 1905r., ze stara lawama prawie dokładnie odwrotne namagnesowani w stosunku do obec-nego pola magnetycznego Ziemi. Zinterpretował ten fakt przyjmuj ↪acze w przeszłosci biegun połnocny pola magnetycznego Ziemi znaj-dował si ↪e w okolicy południowego bieguna geograficznego. Musiałoupłyn ↪ac 50 lat by jego teoria została potwierdzona i zaakceptowana.
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 23
Inversja geomagnetyczna
B. Brunhes (1867 -1910) Cezanes (Francja)
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 24
Inversja geomagnetyczna
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 25
Inversja geomagnetyczna - dalsze badaniaA
ge
(Ma)
Ch
ron
Su
bch
ron
0.7
8
0.9
0
1.0
6
1.1
9
1.7
8
2.0
02
.08
2.1
4
2.5
9
3.0
53
.12
3.2
2
3.3
3
3.5
9
4.1
7
4.2
9
4.4
7
4.6
4
4.8
14
.89
5.0
1
5.2
5
4.0
5.0
1.0
3.0
2.0
Thvera
Sid
ufja
ll
Nuniv
ak
Coch
iti
Mam
moth
Kaena
Reunio
n
Old
uvai
Cobb M
ounta
in
Jara
millo
BrunhesMatuyamaGaussGilbert
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 26
Pole magnetyczne Ziemi - teoria geodynama
Powyzsze wyniki (i mnostwo innych mniej spektakularnych)wskazuj ↪a jednoznacznie na fakt, ze Ziemia wytwarza własne polemagnetyczne, ktore jest bardzo skomplikowane i zmienne w czasie.Co wi ↪ecej nie zanika w czasie !.
Jaki jest mechanizm jego powstania i co utrzymuje jegoobecnosc
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 27
Pole magnetyczne Ziemi - pierwsze podejscie
Według pierwszych modeli pole magnetyczne Ziemi jest wynikiemnamagnesowania wn ↪etrza Ziemi. Jednakze oszacowanie temper-atury wn ↪etrza Ziemi i zrozumienie procesow wulkanizmu obaliły tepogl ↪ady. Teoria ta miała jeszcze jeden mankament. Niezrozumiałybył mechanizm podtrzymuj ↪acy istnienie pola magnetycznego w skaliczasu geologicznego. Gdyby był to ruch obrotowy Ziemi, to szacow-ane straty energii wskazywały, ze Ziemia powinna zatrzymac si ↪e wci ↪agu kilkudziesi ↪eciu tysi ↪ecy lat.
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 28
Pole magnetyczne Ziemi - teoria geodynama
Po odkryciu j ↪adra wewn ↪etrznego i stwierdzeniu,ze j ↪adro zewn ↪etrzne jest płynne panuje przeko-nanie (model geodynama), ze pole magnety-czne Ziemi jest efektem pr ↪adow wirowych wj ↪adrze zewn ↪etrznym. J ↪adro wewn ↪etrzne, obra-caj ↪ac si ↪e nieco szybciej niz płaszcz działa sta-bilizuj ↪aco zapobiegaj ↪ac gwałtownym zmianomtego pola. Przyjmuje si ↪e, takze, ze ruchy kon-wekcyjne w poł ↪aczeniu z efektem Coriolisa wyt-worzyły pierwotne pole magnetyczne wzmoc-nione mechanizmami znanymi z hydrodynamiki.Ci ↪agle jednak nie jest jasne co powoduje zmianybiegunowosci pola.
Larmor
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 29
Geodynamo - budowa Ziemi
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 30
Geodynamo - koncepcja
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 31
Geodynamo - teoria
Załozmy, ze ruch materii w j ↪adrze zewn ↪etrznym generuje pola elek-tromagnetyczne, lecz jest ono na tyle słabe, ze nie wpływa na ruchmaterii.
∂B
∂t= ∇× (u×B) + η∇2B
η = 1µ0σ
Dwa czynniki: transport pola magnetycznego (1), dyfuzja (2)
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 32
Geodynamo - teoria
Czas zaniku pola magnetycznego (drugi człon)
Obiekt L [cm] η [cm2s−1] τ [lata]
Ziemia 3× 108 7× 103 4× 105
Słonce 5× 1010 7× 102 1× 1011
Galaktyka 3× 1020 7× 109 4× 1023
A wi ↪ec dlaczego jeszcze istnieje ?
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 33
Geodynamo - symulacje
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 34
Geodynamo - symulacje
Glatzmaier & Roberts (2000) and Buffett (2000)
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 35
Srodowiskowa rola pola geomagnetycznego
Pole magnetyczne Ziemi jest stosunkowo słabe. Jednakze jegoobecnosc jest decyduj ↪aca dla obecnosci wszelkich form zycia naZiemi. Pami ↪etajmy bowiem, ze nasza zyciodajna gwiazda Słonce,jest zarazem naszym najw ↪ekszym zagrozeniem. Jest to przeciez gi-gantyczny rektor termoj ↪adrowy omiataj ↪acy nas w kzdej sekundzieniewiarygodnie duz ↪a dawk ↪a energetycznych cz ↪astek naładowanychpowstaj ↪acych w wyniku reakcji termoj ↪adrowych w jego wn ↪etrzu. Towłasnie pole magnetyczne Ziemi chroni nas przed tym kosmicznym“smieciem”.
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 36
Pole magnetyczne Ziemi
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 37
Powstanie zorzy
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 38
Pasy Van Allena
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 39
Pole magnetyczne Ziemi
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 40
Pole magnetyczne Ziemi
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 41
Koniec
ELEMENTY GEOFIZYKI Magnetyzm- 42