1 | 2 | 3 | 4

A Föld mágneses tere

A Föld eros egyszerusítéssel egy nagy mágnesnek tekintheto (1. ábra). A mágneses tér eredetét a magas vastartalmú, olvadt külso földmagnak a szilárd Földhöz viszonyított forgásában kereshetjük. Ez az áramlás, mint egy dinamó, a mágneses dipólushoz (mágnesrúdhoz) hasonló mágneses teret hoz létre, ami a napszéllel való kölcsönhatás következtében deformálódik.

1.ábra. A Föld mágneses tere

B = Bf + Ba + Bv .

Bf az ún. fo tér. Átlagos értéke a felszínen 50000 nT. Eredetének magyarázatai közül a Föld magjában muködo öngerjeszto hidromágneses dinamó modelljei nyújtják a megfigyelt jelenségekkel leginkább összhangban levo eredményt. Bf maga sem állandó, lassú változásai az évszázados vagy szekuláris változások. A jelenlegi geomágneses tér legjelentosebb változásai a tér nyugati driftje, a dipólmomentum csökkenése, a dipoltér É-irányú eltolódása. A földkéreg kozeteibe befagyott paleomágneses tér vizsgálatából tudjuk, hogy a polaritása rendszertelen idoközönként (átlagosan egymillió évente) átfordul.
A Föld mágneses terének (?) potenciálját a

sorfejtéssel adhatjuk meg. A formula segítségével határozzák meg ötévente a geomágneses referencia teret (IGRF). Az összefüggésben az -hoz tartozó tag a monopólus, a dipólus potenciálja és így tovább. A geomágneses pólust definíció szerint a sorfejtés elso két tagja határozza meg, a mágneses pólusokat a kvadrupol és multipol potenciálok, valamint az elozo ketto együttesen. A hidromágneses dinamó elso közelítésben, mintegy 90 %-ban egy 8?1022 A/m2-es mágneses dipóllal helyettesítheto, amelynek tengelye 11.5°-os szöget zár be a Föld forgástengelyével. A dipóltér meghatározásának hibája 0.1 %, a nondipol összetevoé
2 % körül van. A térerosség az Egyenlítonél megközelítoleg 24000 nT, a mágneses pólusoknál 66000 nT.
Ba: anomális tér. Kialakításában elsodleges szerepe van a ferromágneses anyagoknak és a velük összefüggo remanens mágnesezettségnek. Tekintve, hogy a földköpeny homérséklete a Curie-pont felett van, az anomáliák forrásai csak a kéreg, esetleg a felso köpeny lokális inhomogenitásai lehetnek. Ba maximálisan a fo tér néhány százalékát teszi ki.
Bv: a fo térre szuperponálódó külso eredetu változások tartoznak ide. A mágneses tér külso eredetu változásainak legfobb energiaforrása a napszél kinetikus energiája. Az energiaáram a magnetopauzánál hozzávetolegesen 2•1013 W (a napsugárzás energiaárama ennek megközelítoleg 10000-szerese). A napszél energiájának csak néhány százaléka jut be a magnetoszférába. A bejutó energia jelentos része Joule-ho formájában disszipálódik. A fennmaradó energia ionoszférikus áramrendszerek, valamint magnetohidrodinamikus hullámok közvetítésével jut el a Föld felszínére, ennek következtében a felszíni eloszlása egyenetlen. Magasabb geomágneses szélességeken az energiasuruség több nagyságrenddel meghaladja a közepes szélességeken tapasztalhatót.
A geomágneses tér kis amplitúdójú, közel harmonikus változásait pulzációknak nevezzük, a megerosödött napszéllel összefüggo igen intenzív változások a geomágneses viharok. (Ezeken kívül természetesen még számos más jelenséget – tranzienst és harmonikust egyaránt – lehet elkülöníteni, de ezek a napszél és a mágneses tér közötti energiacsatolás szempontjából kevéssé érdekesek.)
A geomágneses viharok jellemzo idotartama néhány óra, de elofordulnak több napig tartó viharok is. A Nap nyitott mágneses erovonalai mentén szinte fékezodés nélkül kiáramló gyors napszélnyalábok, vagy napkitörés során kilökodo plazmafelho és a magnetoszféra közötti energiaátadás eredményezi ezt az eroteljes háborgást. Ha a Földet plazmafelho találja el, akkor a viharnak jellegzetes impulzusszeru kezdete van (SSC) (2. ábra). A viharok intenzitását a napszél sebessége és az interplanetáris mágneses tér együttesen határozza meg. Amplitúdójuk közepes szélességeken néhány száz, a sarkifény-övezetben néhány ezer nT is lehet. Az egész Földön hasonló morfológiájú viharok ekvivalens áramrendszere az Egyenlíto fölött a magnetoszférában kialakuló gyuruáram.

2. ábra. SSC-s vihar (Széchenyi István Geofizikai Obszervatórium, 2003. 10. 23.)

Napból érkezõ részecskeáramlásból a mágneses térbe történo energiabetáplálási folyamat az erovonal-összekapcsolódás. A napszél energiájának egy része (alig néhány százalék) a bolygóközi mágnestér és a magnetoszféra erovonalainak összekapcsolódása révén részecskegyorsítással kerül be a magnetoszférába. Erovonal-összekapcsolódás csak akkor jöhet létre, ha a bolygóközi mágneses térnek van dél felé mutató komponense. Ez az energiabetáplálás határozza meg a mágneses tér háborgatottságának mértékét, azaz az általános geomágneses aktivitást.
Ettol teljesen eltéro a pulzációk keletkezéséhez vezeto energiabetáplálási folyamat. A geomágneses pulzációk meglehetosen széles spektrumú (1-0.001 Hz), ugyanakkor egymástól nagyon eltéro eredetu, többé-kevésbé szabályos, periodikus jelek (3. ábra). Szabályos szinuszos megjelenésük arra utal, hogy keletkezésük hátterében valamilyen rezonanciafolyamat áll. Közepes geomágneses szélességeken 20-30 s periódusú hullámok a leggyakoribbak. A változó amplitúdóval akár több órán keresztül is megfigyelheto folyamatos pulzációkat Pc-nek, az éjszaka jelentkezo, 2-5 hullám alatt csillapodó, 1-2 perc periódusú impulzív jeleket Pi-nek nevezzük.

3. ábra. Pulzációk

A pulzációs aktivitás eltér a geomágneses aktivitástól, de igen szorosan összefügg a napszél intenzitásával. Periódusuk fordítva arányos a bolygóközi mágnestér erosségével, az aktivitás pedig akkor nagy, ha a bolygóközi mágnestér közel meroleges a magnetoszféra határára, a magnetopauzára. Ha a mágnestér érintoleges a magnetopauzával, pulzációk nem keletkeznek. A magnetopauzához, illetve az elotte kialakuló íves lökéshullámhoz érkezo napszél áramlása lassul, egy része pedig úgy verodik vissza, hogy közben a részecskék energiát nyernek és gyorsulnak. A Föld felé áramló napszél és a visszafordított protonok kölcsönhatása révén ion-ciklotron instabilitás alakul ki. Mivel ez a folyamat áramló közegben zajlik le, Doppler-eltolódás, mégpedig anomális Doppler-eltolódás lép fel, vagyis a hullám mintegy „visszafelé” éri el ismét a magnetopauzát. A hullám periódusát a bolygóközi mágnestér térerossége szabja meg, de az arányossági tényezo függ a napszél sebességétol. A magnetopauzára meroleges mágnestér esetében a hullámok bejuthatnak a magnetoszférába, elérhetik a felszínt is. Ott tehát olyan pulzációk jelennek meg, amelyeknek periódusa a bolygóközi mágnestér térerosségével fordítottan arányos. A megfelelo periódusú pulzációk a felszínen 3-4 perc múlva jelennek meg. A pulzációknak ezt a magnetoszférán kívül keletkezo típusát UW (upstream waves) hullámoknak hívjuk.
A geomágneses tér erovonalait úgy képzelhetjük el, mint kifeszített húrokat. Ezek a húrok az egyik félteke ionoszférája és a másik félteke ionoszférája között feszülnek. A húrt olyan UW hullám hozza rezgésbe, amelynek periódusa megegyezik a húr rezgési periódusával. A rezgési periódus (sajátperiódus) az erovonal hosszától, a részecskesuruségtol és a mágneses tér erosségétol függ. Az azonos sajátperiódusú húrok héjat alkotnak. Egy ilyen héjat az Egyenlíto síkjával való metszéspontjának a Föld középpontjától vett távolságával jellemezzük földsugárban, ezt nevezik L-értéknek. Magyarország például kissé a 2-es L-érték alatt fekszik, vagyis a nálunk kiinduló mágneses erovonalak mintegy 6000 km, a felszín felett egy földsugárnyi távolságban érik el az egyenlítoi síkot. A kialakuló hullám periódusa L 2 körül 25 s, megfelel a leggyakrabban megjeleno pulzációk periódusának. Ezek a pulzációk tehát az erovonal rezonanciájával létrejövo (FLR-típusú) hullámok. A héjrezonancia energiaforrása ugyancsak a napszél energiája.

A napszél és a magnetoszféra közötti energiaátadás fo mechanizmusa tehát a geomágneses aktivitást meghatározó erovonal-összekapcsolódás. A pulzációkat gerjeszto folyamat hatásfoka kicsi, a magnetoszférába jutó energia aránya, mintegy két nagyságrenddel kisebb az erovonal összekapcsolódás esetében bejutó energiának. A pulzációk esetében energiát nemigen várhatunk, információt viszont annál inkább. A napszél által a Föld magnetoszférájához szállított energia változásáról képet kaphatunk az MTA Széchenyi István Geofizikai Obszervatórium 50 éve folyamatosan meghatározott aktivitási indexe alapján.