ELEMENTY GEOFIZYKI

Komentarze

Transkrypt

ELEMENTY GEOFIZYKI
ELEMENTY GEOFIZYKI
Magnetyzm
W. Debski
,
2010
Plan wykładu z geofizyki (Geomagnetyzm)
1. Magnetyzm ziemski
F
F
F
F
F
pole magnetyczne Ziemi,
wedrówka
biegunów magnetycznych i teoria Wegenera
,
inwersja pola magnetycznego
model dynama
pole magnetyczne Ziemi a środowisko
ELEMENTY GEOFIZYKI
Magnetyzm- 1
Pole magnetyczne Ziemi - pierwsze fakty
F legendy Chińskie (2600 BC) o magicznych wozach wskazujacych
,
południe
F pierwsze wzmianki o polu magnetycznym Ziemi De Naturis Rerum 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 miedzynarodowy
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 kontynentów w skali geologicznej
F zastosowanie
technik
środowiskowych
paleomagnetyzmu
do
badań
F pogoda kosmiczna
ELEMENTY GEOFIZYKI
Magnetyzm- 6
Pozostałość magnetyczna skał
Skały wulkaniczne zawieraja, minerały
magnetyczne, które schładzane “zapamietuj
a, w postaci stałego namagne,
sowania wartość i kierunek magnetycznego pola ziemskiego. Jest to efektem
tego, że roztopiona magma osiagaj
ac
,
,
temperature, Curie podlega przejściu fazowemu ferromagnetyk ⇒ paramagnetyk w wyniku “zamrożenia” ruchu
domen magnetycznych.
ELEMENTY GEOFIZYKI
Magnetyzm- 7
Pozostałość magnetyczna skał
ELEMENTY GEOFIZYKI
Magnetyzm- 8
Temperatura-Curie
Materiał
Temp. Curie [C]
Żelazo (Fe)
770
Kobalt (Co)
1130
Nikiel (Ni)
358
Tlenki żelaza 622
ELEMENTY GEOFIZYKI
Magnetyzm- 9
Odkrycie 1. Grzbiet środkowo atlantycki
ELEMENTY GEOFIZYKI
Magnetyzm- 10
Odkrycie 1. Grzbiet środkowo atlantycki
ELEMENTY GEOFIZYKI
Magnetyzm- 11
Odkrycie 1. Grzbiet środkowo atlantycki
ELEMENTY GEOFIZYKI
Magnetyzm- 12
Odkrycie 1. Grzbiet środkowo atlantycki
ELEMENTY GEOFIZYKI
Magnetyzm- 13
Odkrycie 2. Wedrówka
biegunów magnetycznych
,
ELEMENTY GEOFIZYKI
Magnetyzm- 14
Odkrycie 2. Wedrówka
biegunów magnetycznych
,
Dwie teorie:
A
B
Biegun
magnetyczny
zmieniał położenie w czasie
Kontynenty poruszały sie,
wzgledem
bieguna
,
⇓
⇓
Trajektoria taka sama dla
wszystkich kontynentów
Trajektorie moga, sie, różnić
ELEMENTY GEOFIZYKI
Magnetyzm- 15
Wedrówka
kontynentów - teoria Wegenera
,
Fakt podobieństwa lini brzegowych
kontynentów (zwłaszcza wokół Oceanu
Atlantyckiego
zawsze
pobudzał
wyobraźnie, do tworzenia hipotez o
wspólnym pochodzeniu kontynetów.
Np. Legenda Atlantydy opisana przez
Platona.
ELEMENTY GEOFIZYKI
Magnetyzm- 16
Teoria Wegenera - 1912/1960
ELEMENTY GEOFIZYKI
Magnetyzm- 17
A. Wegener (1880 - 1930)
ELEMENTY GEOFIZYKI
Magnetyzm- 18
Obecny poglad
,
F 1100 mln lat temu powstaje superkontynent Rodinia.
F 750 mln lat temu Rodinia rozpada sie, na: Laurencje,
, kraton Konga i Proto-Gondwane.
,
F 600 mln lat temu fragmenty Rodinii na krótko ponownie sie, stykaja,, tworzac
, nowy superkontynent: Pannoncje.
,
F 550 mln lat temu Pannoncja zaczyna sie, rozpadać, tworza, sie, kontynenty i oceany Paleozoiku.
F 250 mln lat temu na Ziemi ponownie istnieje jeden superkontynent Pangea. Jest on
otoczony olbrzymim oceanem Panthalassa, masy ladowe
cześciowo
odgradzaja, od niego
,
,
mniejszy ocean Tetydy.
F 180 mln lat temu superkontynent Pangea zaczyna pekać
na dwie cześci,
które oddalaja, sie,
,
,
od siebie tworzac:
, Laurazje, na półkuli północnej i Gondwane, na półkuli południowej.
ELEMENTY GEOFIZYKI
Magnetyzm- 19
F 135 mln lat temu poczatek
rozpadu Laurazji i Gondwany pojawiaja, sie, zarysy dzisiejszych
,
kontynentów: Laurazja daje poczatek
Ameryce Północnej i Eurazji Gondwana rozpada sie,
,
na: Ameryke, Południowa,, Afryke,
, Antarktyde,
, Australie, i Indie.
F 100 mln lat temu Indie odrywaja, sie, od Afryki i dryfuja, w strone, Azji.
ELEMENTY GEOFIZYKI
Magnetyzm- 20
Ewolucja geodynamiczna kontynentów
ELEMENTY GEOFIZYKI
Magnetyzm- 21
Ewolucja kontynentów
ELEMENTY GEOFIZYKI
Magnetyzm- 22
Inwersja geomagnetyczna - odkrycie
Badajac
, magnetyczne własności skał lawowych wulkanu Pontafarin
z okolic Cezanes (Francja) Brunhes odkrył w 1905r., że stara lawa
ma prawie dokładnie odwrotne namagnesowani w stosunku do obecnego pola magnetycznego Ziemi. Zinterpretował ten fakt przyjmujac
,
że w przeszłości biegun północny pola magnetycznego Ziemi znajdował sie, w okolicy południowego bieguna geograficznego. Musiało
upłynać
, 50 lat by jego teoria została potwierdzona i zaakceptowana.
ELEMENTY GEOFIZYKI
Magnetyzm- 23
Inversja geomagnetyczna
B. Brunhes (1867 -1910)
ELEMENTY GEOFIZYKI
Cezanes (Francja)
Magnetyzm- 24
Inversja geomagnetyczna
ELEMENTY GEOFIZYKI
Magnetyzm- 25
Inversja geomagnetyczna - dalsze badania
Age
(Ma)
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
Chron
Thvera
Sidufjall
Nunivak
Cochiti
Mammoth
Kaena
Reunion
Olduvai
Cobb Mountain
Jaramillo
Subchron
0.78
0.90
1.06
1.19
1.78
2.00
2.08
2.14
2.59
3.05
3.12
3.22
3.33
3.59
4.17
4.29
4.47
4.64
4.81
4.89
5.01
5.25
Magnetyzm- 26
ELEMENTY GEOFIZYKI
Brunhes
Matuyama
Gauss
Gilbert
Pole magnetyczne Ziemi - teoria geodynama
Powyższe wyniki (i mnóstwo innych mniej spektakularnych)
wskazuja, jednoznacznie na fakt, że Ziemia wytwarza własne pole
magnetyczne, które jest bardzo skomplikowane i zmienne w czasie.
Co wiecej
nie zanika w czasie !.
,
Jaki jest mechanizm jego powstania i co utrzymuje jego
obecność
ELEMENTY GEOFIZYKI
Magnetyzm- 27
Pole magnetyczne Ziemi - pierwsze podejście
Według pierwszych modeli pole magnetyczne Ziemi jest wynikiem
namagnesowania wnetrza
Ziemi. Jednakże oszacowanie temper,
atury wnetrza
Ziemi i zrozumienie procesów wulkanizmu obaliły te
,
poglady.
Teoria ta miała jeszcze jeden mankament. Niezrozumiały
,
był mechanizm podtrzymujacy
istnienie pola magnetycznego w skali
,
czasu geologicznego. Gdyby był to ruch obrotowy Ziemi, to szacowane straty energii wskazywały, że Ziemia powinna zatrzymać sie, w
ciagu
kilkudziesieciu
tysiecy
lat.
,
,
,
ELEMENTY GEOFIZYKI
Magnetyzm- 28
Pole magnetyczne Ziemi - teoria geodynama
Po odkryciu jadra
wewnetrznego
i stwierdzeniu,
,
,
że jadro
zewnetrzne
jest płynne panuje przeko,
,
nanie (model geodynama), że pole magnetyczne Ziemi jest efektem pradów
wirowych w
,
jadrze
zewnetrznym.
Jadro
wewnetrzne,
obra,
,
,
,
cajac
, sie, nieco szybciej niż płaszcz działa stabilizujaco
zapobiegajac
,
, gwałtownym zmianom
tego pola. Przyjmuje sie,
, także, że ruchy konwekcyjne w połaczeniu
z efektem Coriolisa wyt,
worzyły pierwotne pole magnetyczne wzmocnione mechanizmami znanymi z hydrodynamiki.
Ciagle
jednak nie jest jasne co powoduje zmiany
,
biegunowości pola.
ELEMENTY GEOFIZYKI
Larmor
Magnetyzm- 29
Geodynamo - budowa Ziemi
ELEMENTY GEOFIZYKI
Magnetyzm- 30
Geodynamo - koncepcja
ELEMENTY GEOFIZYKI
Magnetyzm- 31
Geodynamo - teoria
Załóżmy, że ruch materii w jadrze
zewnetrznym
generuje pola elek,
,
tromagnetyczne, lecz jest ono na tyle słabe, że nie wpływa na ruch
materii.
∂B
= ∇ × (u × B) + η∇2B
∂t
η=
1
µ0 σ
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
Słońce
5 × 1010
7 × 102
1 × 1011
Galaktyka 3 × 1020
7 × 109
4 × 1023
A wiec
, 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
Środowiskowa rola pola geomagnetycznego
Pole magnetyczne Ziemi jest stosunkowo słabe. Jednakże jego
obecność jest decydujaca
dla obecności wszelkich form życia na
,
Ziemi. Pamietajmy
bowiem, że nasza życiodajna gwiazda Słońce,
,
jest zarazem naszym najwekszym
zagrożeniem. Jest to przecież gi,
gantyczny rektor termojadrowy
omiatajacy
nas w kżdej sekundzie
,
,
niewiarygodnie duża, dawka, energetycznych czastek
naładowanych
,
powstajacych
w wyniku reakcji termojadrowych
w jego wnetrzu.
To
,
,
,
właśnie pole magnetyczne Ziemi chroni nas przed tym kosmicznym
“śmieciem”.
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