ZEMLJINO MAGNETNO POLJE
Napisao/la admin dana 15.12.2007 20:37
Uvod
U globalnim razmerama, sa planetom Zemljom se vezuju dva vazna polja sila: Zemljino gravitaciono polje i Zemljino magnetsko polje. Gravitaciono polje nas privlaci prema zemlji cuvajuci nas tako da ne odletimo u svemir pri Zemljinoj rotaciji. Ono takodje sprecava i atmosferu da ne napusti nasu planetu. Atmosfera, pak, osigurava zastitu od nekih vrsta kosmickog zaracenja. Na primer, ozon u atmosferi stiti od ultraljubicastih zraka, jednog smrtonosnog oblika radijacije.
Ono sto se malo zna jeste da Zemljino magnetsko polje stvara tzv. "magnetski stit" koji omogucava zastitu od nekih drugih opasnih vidova zracenja, naime kosmickih zraka i solarnog vetra. Dok nema opasnosti da se izgubi Zemljino gravitaciono polje, Zemljino magnetsko polje opada brze nego i jedan drugi geofizicki fenomen. Ovo kontinuirano gubljenje magnetskog polja Zemlje, i vezano za njega povecanje stetnog zracenja, su van ljudske kontrole.
Kao dodatak na rastuce probleme Zemljine okoline, postoje i drugi zakljucci koji se mogu izvesti iz slabljenja njenog magnetskog polja:
1) Datiranje metodom ugljenika C-14 treba da se ponovo razmotri;
2) Postoji ogranicenje starosti i za Zemljino magnetsko polje i za samu Zemlju.
Ovoj prezentaciji je svrha da bude korisna kako naucnicima tako i laicima. Ona sadrzi mnostvo materijala koji ce laici lako razumeti, a koji se tesko moze naci na drugom mestu. Takodje, svrha ove prezentacije je da bude jedan zaokruzen kurs elementarne fizike za laike i da im pokaze kako da se to znanje iskoristi za odredjivanje izvora Zemljinog magnetskog polja. Kad nauce osnove magnetizma i s njim u vezi teoriju elektromagnetizma, laici mogu i sami uvideti da resenja predstavljena u ovom odeljku fakticki objasnjavaju izvor i istorijat Zemljinog magnetnog polja. Ovo povlaci procenu poluzivota Zemljinog magnetskog polja na oko 1400 godina. Tako se ustanovljava jedan novi tip Zemaljskog sata i povezavsi ga sa astronomskim podacima, izvodi se zakljucak da je starost Zemlje manja od 10.000 godina. Iz ovog elektromagnetnog pristupa geologiji, izronilo je i jedno novo saznanje o Zemljinom jezgru.
Prirodni i vestacki magneti
U Maloj Aziji blizu starog Grckog grada Magnezije nalaze se velike naslage jednog oksida gvozdja sastava Fe3O4. Od veoma ranih vremena je primeceno da ovaj mineral poseduje svojstvo privlacenja drugih parcica istog minerala, kao i komada gvozdja. Smatra se da mu je dato ime magnetit zbog mesta na kome je prvi put pronadjen. (slika) Nije poznato koliko iznosi starost spoznaje ovog prirodnog magneta, dok ga u istoriji spominje jos cuveni grcki filozof Tales iz Mileta oko 600. god. pne.
Takodje je rano primeceno da ako se prirodni magnet okaci da slobodno visi, on tezi da da se postavi u pravcu sever - jug. Teutonci su ga zvali "lodestone" (u prevodu, kamen-vodic). Smatra se da upotreba ovog kamena kao magnetskog kompasa potice od Kineza jos pre 1000. god. Tada pocinje njegova opsta primena u pomorskoj navigaciji. (slika)
Ako se dugacka gvozdena sipka prevuce prirodnim magnetom, ona postaje namagnetisana. Uopste, magnetizam se moze preneti na odredjene tipove materijala, koji se nazivaju feromagnetski materijali. Sa ovakvim tipovima vestackih magneta je lakse eksperimentisati nego sa prirodnim uzorcima. Vestacki magneti se vec dugo koriste u magnetskom kompasu.
Predstavljanje magnetskog polja linijama sile
Uticaj sile u prostoru oko magneta se naziva magnetsko polje.
Polje je tako jako blizu kraja jedne magnetske sipke da ono zadrzava gvozdene strugotine ili druge feromagnetske materijale. Krajevi sipke gde je polje najjace nazivaju se polovi magneta. Ako se na horizontalnu magnetsku sipku polozi list papira, a preko njega rasprsi gvozdena strugotina, ona ce se poredati preko papira. (slika) Uzrok ovog linijskog uredjenja je magnetsko polje koje se ispoljava delovanjem sile na sisusne parcice strugotine. Ovo uredjenje gvozdene strugotine sugerise na koncept linija sile u prostoru oko magneta. Michael Faraday (Majkl Faradej) je prvi iskoristio linije sile da opise svojstva magnetskog polja.
Polovi magneta se nazivaju severni pol i juzni pol. Severni pol je onaj koji pokazuje na sever kada je magnet slobodan da se okrece. Dakle, severni pol gleda na sever. Linijama sile se odredjuje pravac tako da one izlaze iz severnog pola, a vracaju se u juzni pol magneta. Linije sile u bilo kojoj tacki pokazuju smer magnetskog polja u toj tacki. Otuda, linije sile jednostavno omogucavaju jednu slikovitu predstavu magnetskog polja koje magnet stvara. Tamo gde su linije sile blize, magnetsko polje je jace i obrnuto gde su linije sile redje magnetsko polje je slabije. Ova predstava pokazuje da je magnetsko polje na polovima jace nego bilo gde drugo.
Toplotno razmatranje materijala
Nisu svi materijali feromagnetici; time se hoce reci da se ne mogu svi materijali jako namagnetisati. Od hemijskih elemenata samo se gvozdje, nikl, kobalt i gadolinijum mogu jako namagnetisati. No zato se mogu jako namagnetisati mnoge legure kao i neki keramicki materijali. Tako je moguce napraviti vestacke magnete od mnogih materijala. Ipak, namagnetisanost svih tih materijala se gubi kada se dostigne dovoljno visoka temperatura. Temperatura na kojoj se ponistava namagnetisanost nekog materijala je karakteristicna za taj materijal i naziva se Kirijeva (Curie) temperatura. Iznad Kirijeve temperature taj materijal gubi magnetska svojstva. (slika) Kirijeva temperatura za gvozdje iznosi 750oC, tako da ne postoje gvozdeni magneti na toj ili vecim temperaturama.
Temperatura Zemlje se povecava kako se ide dublje prema sredistu. Na dubini od 25 km, vec se dostize ili cak nadmasava Kirijeva temperatura feromagnetskih materijala. Temperature na vecim dubinama premasuju Kirijeve temperature svih mogucih feromagnetskih materijala tako da nema namagnetisanih materijala na tim dubinama. Ali 25 km je samo jedan mali deo potpune dubine Zemlje, naime poluprecnik Zemlje iznosi 6345 km. Otuda je moguce imati prirodnu namagnetizaciju samo u relativno tankoj Zemljinoj kori (slika). Povrsinski uzorci kao i uzorci jezgra (dobijeni iz busotina) pokazuju da kada se Zemljina kora uzme kao celina, njen materijal nije bas jako namagnetisan. Zato, izvor Zemljinog glavnog magnetskog polja ne moze biti namagnetisani materijal. U Zemljinoj kori ne postoji ni priblizno dovoljno prirodno namagnetisane rude koja bi objasnila ukupno Zemljino magnetsko polje, zato se mora traziti neki drugi izvor glavnog magnetskog polja Zemlje; ono ne moze poticati od magnetskih materijala.
Zemljin magnet je jedan elektromagnet
Godine 1820., Hans Christian Oersted (Hans Kristian Ersted) je dosao do vaznog otkrica, da elektricna struja utice na magnetski kompas tako sto se magnetska igla pomera ako se priblizi provodniku kroz koji tece struja. Ne dugo potom je otkriveno da se magnet moze dobiti od elektricne struje koja tece kroz kruzni provodnik. Ovaj tip magneta je nazvan elektromagnet (slika). Sto je veca struja i sto je veca povrsina tog kruga, dobija se jaci elektromagnet. Jacina tog elektromagneta je jednaka proizvodu struje (u Amperima) i povrsine (izrazene u kvadratnim metrima). Naucni naziv jacine magneta je magnetski moment, a izrazava se u jedinicama Amper puta kvadratni metar (Am2).
Tada se shvatilo da Zemljin magnet predstavlja u stvari jedan ogromni elektromagnet, koji formiraju struje koje kruze unutar rastopljenog jezgra Zemlje (slika).1 Kao sto je ranije navedeno, temperatura u Zemljinom jezgru je toliko velika da nijedan materijal ne moze da doprinese magnetizaciji tog magneta; naime ovaj magnet potice jedino od elektricne struje. Sadasnja vrednost magnetskog momenta Zemlje iznosi oko 8 x 1022 Am2. Ovo je jedan izuzetno jak magnet, daleko daleko jaci nego ijedan magnet napravljen ljudskom rukom.
Zemljin magnet je jedan stalni elektromagnet, sto znaci da elektricna struja mora stalno da tece, inace ne bi bilo magneta. S druge strane, ovo ne moze biti nepromenjiv fenomen jer elektricna struja gubi energiju (toplotni gubici), dok je njen izvor energije ogranicen. U jednom od sledecih odeljaka ce biti pokazano da ovaj magnet u stvari slabi. Upravo ovo slabljenje je ono sto daje kljuc za istorijat i sudbinu Zemljinog magnetskog polja.
Zemljino magnetsko polje stiti Zemlju od zracenja
Elektromagnet u jezgru Zemlje je toliko jak da se njegovo magnetsko polje proteze do njene povrsine pa i mnogo dalje. Ovo polje se moze uociti skretanjem koje ono izaziva kod magnetske igle kompasa, obrcuci je ka severu. Ono sto mi ne vidimo, a sto je od daleko vece vaznosti, jeste magnetski stit koji ovo polje pruza Zemljinoj okolini.
Najveci deo solarnog vetra i nekih kosmickih zraka, a oboje su stetni oblici naelektrisanog zracenja, se skrece Zemljinim magnetskim poljem pre nego sto stignu do Zemlje. Teorija i odgovarajuca satelitska merenja ukazuju da Zemljino magnetsko polje vrsi pritisak na solarni vetar. Ovaj pritisak stvara jedan "lucni talas" (ponekad nazvan udarni talas ili Van Allan-ov pojas) na rastojanju od nekoliko Zemljinih poluprecnika od povrsine Zemlje (slika).2 Solarni vetar tako struji oko ovog lucnog talasa, mimoilazeci Zemlju i osiguravajuci nasoj zivotnoj sredini stit od ovog opasnog zracenja. Kosmicke zrake sacinjavaju pozitivno naelektrisane cestice koje dolaze iz svih smerova. Zemljino magnetsko polje deluje svojom silom na ove pokretne cestice. Ova sila uvek ima pravac koji je pod pravim uglom i na pravac njihovog kretanja i na pravac linija magnetskog polja. Stoga, izuzimajuci slucaj kada kretanje cestica i magnetsko polje imaju potpuno isti pravac, javlja se sila koja tezi da skrene taj zrak. Slika pokazuje kako Zemljino magnetsko polje iskrivljuje putanju kosmickih zraka cineci da mnogi promasuju Zemlju.
Jedna kolicina kosmickih zraka dolazi tako brzo i pod takvim uglovima da prisutno magnetsko polje nije dovoljno jako da ih skrene tako da mimoidju Zemlju. U polarnim oblastima, zraci koji dolaze duz ovih linija sile se ne podvrgavaju skretanju. Time se zeli reci da magnetski stit ne omogucava totalnu zastitu. No ipak postoji bitna zastita od solarnog vetra i kosmickog zracenja. Sa opadanjem magnetskog polja, ova zastita zivotne okoline se smanjuje.
Zivopisni prizori aurore u arktickim i antarktickim oblastima poticu od ovih zraka koji upadaju u atmosferu. Ovi zraci "ulaze" duz magnetskih linija sile koje su na polovima normalne na povrsinu Zemlje. Na njih ne deluje nikakva skretna sila i zato daleko vise zraka upada u Zemljinu atmosferu u polarnim oblastima.
Poreklo struje Zemljinog elektromagneta
Mnogo toga se zna o Zemljinom magnetskom polju i njegovom efektu zastite od radijacije. Medjutim, znanje o poreklu struja koje konstituisu Zemljin magnet je zamracivano preteranim entuzijazmom zagovornika dinamo teorije. Dinamo teorija tvrdi da postoji jedan dinamo (generator elektricne struje) u Zemljinom jezgru. U svakom slucaju za dinamo teoriju je pokazano da je neadekvatna i neodrziva.3 Smatra se da je ovaj generator vezan za hipoteticka kretanja u Zemljinom jezgru. Medjutim, stroge matemaricke analize, kao sto je ona koju je dao T. G. Cowling (Kauling), pokazuju da se nikakvo verodostojno kretanje fluida u Zemljinom jezgru ne moze proizvesti dinamo, cak i kad bi ta hipoteticka kretanja postojala.4
Postoji, medjutim, jedno veoma dobro objasnjenje izvora Zemljinog magnetskog polja. Cuveni naucnik, Sir Horace Lamb, je 1883.god. dao naucnu podlogu za ovo objasnjenje.5,6 Ovo objasnjenje se sastoji u tome da postoje slobodne struje, ostatak jednog pocetka u proslosti, koje kruze unutar Zemlje proizvodeci magnetsko polje. (slika) Medjutim, iznenadjujuca cinjenica na koju je ukazao Lamb jeste da ove slobodne struje mogu postojati, bez potrebe za nekim dinamom koji bi ih pokretao. To su slobodno opadajuce struje, pa je prema tome i magnetsko polje slobodno opadajuce.
Lambova teorija zahteva, da oblast u kojoj ova struja tece ima neku razumno veliku elektricnu provodnost, vecu od one uocene u Zemljinoj kori. Sadasnje znanje, bazirano na seizmickim analizama, otkriva da se unutar Zemlje nalazi jezgro u tecnom stanju.7 Smatra se da sadrzi istopljeno gvozdje, jer je proracunata gustina tog dela pribizno jednaka gustini gvozdja, dok je temperatura jezgra jako velika. Ovakvo metalno jezgro omogucava provodljivost koja udovoljava Lambovim uslovima za slobodno opadajuce struje koje traju jedno duze vreme. Tako, Lambovo objasnjenje Zemljinog magnetskog polja eliminise potrebu za bilo kakvim dinamom. Ova struja jos uvek postoji, ali ne moze trajati beskonacno zbog otpora u jezgru.
Uoceno opadanje Zemljinog magnetskog polja
Potvrda Lambove teorije se bazira na uocenom slabljenju Zemljinog magnetskog polja.8 Zagovornici teorije dinama ne zele da priznaju da ovo magnetsko polje opada, dok Lambova teorija zahteva ovaj pad i povezuje brzinu ovog opadanja sa provodnoscu i dimenzijama Zemljinog jezgra.
Lamb nije mogao da precizno predvidi brzinu opadanja Zemljinog magnetskog polja jer on nije nista znao o rastopljenom jezgru niti mu je priustena satisfakcija da vidi da rezultati posmatranja potvrdjuju njegovu teoriju. Pa ipak, njegov strogi teorijski rad je dao jedino fizicki opravdano objasnjenje izvora Zemljinog magnetskog polja. Ovo se uzdize kao drugi spomenik za ovog naucnika koji je dao najveci doprinos koji je ikad ucinjen u hidrodinamici.
Opservaciona potvrda (tj. potvrda dobijena na osnovu posmatranja i merenja) Lambove teorije se bazira na jednom dugom nizu merenja koja je zapoceo Karl Gauss (Karl Gaus). Gaus je pronasao magnetometar da bi izmerio apsolutnu vrednost magnetskog polja na raznim tackama Zemljine kugle. Zatim je razvio i matematicki aparat da bi reducirao ova globalna merenja polja na samo jedan broj, broj koji je predstavljao ukupnu jacinu magnetskog polja Zemlje (tj. magnetski moment). Ovu vrednost ukupne jacine Zemljinog magneta on je prvi put odredio 1835. god.
Od tada su napravljene mnoge opservacije i redukcije. Danas postoji mnostvo podataka koji pokazuju da se ukupna jacina Zemljinog magneta smanjuje jednom relativno velikom brzinom. (slika) Ovo je u stvari jedna tako velika brzina slabljenja da je cuveni naucnik Sidney Chapman napisao: "Kad se razmotre velike razmere ovog fenomena to mora da govori o uocljivo velikoj i brzoj sekularnoj promeni, s kojom se ne moze meriti nijedno drugo globalno geofizicko svojstvo."9
Dakle, Lambovu teoriju slabljenja Zemljinog magnetskog polja potvrdjuje vise od 130 godina savremenih opservacija. Ovaj period savremene provere je mnogo duzi od onih koji se mogu utvrditi za vecinu procesa raspada; kao sto je, na primer, raspad radioaktivnih elemenata. Dakle, nase saznanje o izvoru i ponasanju Zemljinog magnetskog polja se bazira na nepogresivoj fizici i obimnoj opservacionoj potvrdi.
Poluzivot Zemljinog magneta
Lambovo resenje izvora Zemljinog magnetskog polja pokazuje da jacina ovog magneta (magnetskog momenta - M) opada eksponencijalno. (slika)
Ovaj tip raspada se mnogo lakse razume preko pojma njegovog poluzivota, tj. vremena potrebnog da se njegova vrednost smanji na 1/2. Poluzivot Zemljinog magnetskog momenta iznosi 1400 godina. Ova vrednost je dobijena na racunaru statistickom analizom svih dostupnih savremenih podataka, podataka koji pokrivaju 130 godina opservacija sirom sveta. Ovih 1400 godina su iznenadjujuce kratko vreme poluzivota sa istorijske tacke gledista. To znaci da svakih 1400 godina Zemljin magnet gubi polovinu one jacine koju je imao na pocetku tog perioda.
Tabela pokazuje preostali deo pocetnog magnetskog momenta nakon sukcesivnih intervala poluzivota. Uocimo da se nakon svakog perioda preostali deo smanji za pola. Ovih pet intervala poluzivota predstavljaju 5 puta po 1400 godina, ili ukupno proteklo vreme od 7000 godina. Dakle, za 7000 godina Zemljino magnetsko polje je opalo na 1/32 od svoje pocetne vrenosti.
Zemljin magnetski casovnik
S obzirom da Zemljin magnetski moment opada poznatom brzinom, on se moze iskoristiti kao jedan casovnik za odredjivanje geoloskih vremenskih perioda. Slicno dedinom satu, i Zemljin magnetski sat zavisi od uskladistene energije i ima tendenciju da prestane sa radom. Za razliku od dedinog casovnika koji se mora navijati svakih osam dana, Zemljin magnetski casovnik je startovao sa tako ogromnom energijom da on jos uvek radi usled svog pocetnog "navijanja".
"Opruga" ovog ogromnog sata je energija koja se sadrzi u magnetskom polju Zemlje. (slika) Rad sata se bazira na pouzdanoj brzini raspada, naime opadanju sa faktorom 1/2 svakih 1400 godina.
Kad bi se u nekoj buducnosti, pre zaustavljanja Zemljinog magnetskog sata, izgubili svi ostali casovnici, teoretski bi bilo moguce odrediti kalendarsku godinu preko ovog magnetskog sata. To bi se moglo uraditi tako sto bi se precizno odredio Zemljin magnetski moment, a potom odredio odgovarajuci datum preko jedne krive kao sto je ona prikazana na (slici).
Na slican nacin teoretski je moguce odrediti datum dogadjaja u proslosti preko ovog geoloskog sata kad bi se pronasao neki nacin za odredjivanje tacne vrednosti magnetskog polja Zemlje u vreme zbivanja tog dogadjaja. To je, medjutim, veoma tezak zahtev. Cak i danas se magnetski moment Zemlje ne moze precizno odrediti na osnovu jednog lokalnog merenja magnetskog polja, posto varijacije izmedju lokalnih vrednosti magnetskog polja mogu biti dosta velike. Ove varijacije mogu poticati od tzv. telurskih struja (obliznjim strujama u zemlji), lokalnih tela, diurnalnih varijacija (dnevnih varijacija vanzemaljskog porekla), kao i drugih razloga. Da bi se ukupni efekat tacno redukovao u jednu vrednost, tj. magnetski moment, potrebna je statisticka analiza koja obuhvata daleko vise informacija nego sto se moze dobiti na jednoj lokaciji. Dakle, slicno drugim metodama datiranja i magnetski sat ima svojih poteskoca. No i pored toga, njeno ogranicenje usled "opruge" predstavlja restrikciju na starost Zemljinog magnetskog polja.
Samoindukcija usporava opadanje magnetskog polja
Majkl Faradej je otkrio poznati princip da se u provodnoj petlji indukuje (stvara) elektricna struja svaki put kada se tamo desava promena magnetskog fluksa (linija sile) koji prolazi kroz tu petlju. Slika ilustruje ovaj zakon indukcije. Kada se iz jednog navoja zice izvuce permanentni magnet, u toj zici se indukuje elektricna struja. Ova indukovana struja proizvodi jedno indukovano magnetsko polje koje tezi da odrzi magnetsko polje koje se smanjuje, usporavajuci tako opadanje magnetskog polja. Kad se u slucaju elektromagneta iskljuci strujni izvor, na slican nacin opadajuce polje jednog elektromagneta indukuje struju odrzavanja. Ovaj proces se naziva samoindukcija i sprecava da se elektromagnet ugasi trenutno. Uvek je potrebno izvesno vreme za njegovo gasenje.
Kada Zemljino magnetsko polje opada, ono u Zemljinom jezgru proizvodi elektricnu struju koja tezi da odrzi to magnetsko polje. Da ne postoji ova samoindukcija, Zemljino magnetsko polje bi vec odavna bilo ugaseno. Posto u Zemljinom jezgru ne postoji nikakav dinamo koji bi odrzavao tok te struje, javlja se tendencija da se ta struja zaustavi. Ali sada stupa na scenu princip samoindukcije, usporavajuci gubitak magnetskog polja.
Ukoliko su poznati njegova induktivnost L i otpornost R, moguce je odrediti vreme opadanja elektromagneta. Kolicnik L/R odredjuje sporost kojom taj magnet opada. Vremenska konstanta T, to jest vreme potrebno da elektromagnet opadne na oko 37% od svoje pocetne vrednosti, se jednostavno racuna iz jednacine:
T = L/R
gde je T u sekundama, L u Henrima, a R u Omima.10
Moze se pokazati da Zemljino jezgro ima samoinduktivnost malo vecu od jednog Henrija, a da je njegova otpornost fantasticno mala (jer jezgro sadrzi ogromne kolicine provodnog materijala). I kao sto bi se moglo ocekivati, vreme opadanja Zemljinog magnetskog polja je prilicno dugo. Vremenska konstanta je dobijena na osnovu opservacionih podataka (istovremeno sa proracunom vremena poluzivota) i pronadjeno je, kada se sekunde pretvore u godine, da iznosi 1970 godina. Ovo je jedna interesantna vrednost. To znaci da je 1970-ih godina vrednost Zemljinog magnetskog polja iznosila samo 37% od one koja je bila u vreme Hristovog rodjenja. (slika)
Kljuc za svojstva Zemljinog jezgra
Lambov rad je bio sveobuhvatniji nego sto to implicira prethodni odeljak. On se nije bavio strujom u jednom jedinom namotu zice. Lamb je morao da razmotri struju koja je bila neravnomerno rasporedjena kroz sferni provodnik. Ovo je mnogo kompleksniji problem od onog sa jednim zicanim namotajem. On je uspeo da resi problem koristenjem cetri Maksvelove jednacine elektromagnetskog polja. Ovo je cuvena grupa jednacina koje je otkrio James Clerk Maxwell, i koje su mu omogucile da unificira celokupni temelj elektriciteta, magnetizma i optike (prakticno svu tadasnju fiziku), sto je najvece pojedinacno dostignuce u istoriji fizike.
Sa takvim strogim matematickim pristupom, Lamb je resio mnoge aspekte ovog problema koji su povezani sa Zemljinim magnetskim poljem i strujom koju ono stvara. On je ponudio opste jednacine, ali nikad nije dosao do njihovih resenja jer nije imao potrebne opservacione podatke. S obzirom da je danas dostupno mnostvo podataka, o Zemljinom jezgru se moze dosta saznati na osnovu tih resenja.
Niko tacno ne zna kako bi se ponasalo gvozdje i drugi materijali kad bi se podvrgli temperaturi i pritisku koji postoje u jezgru Zemlje. Medjutim, izracunata vrednost provodnosti Zemljinog jezgra je najverovatnija vrednost za gvozdje pod ovim uslovima. (slika) Provodnst gvozdja na 400oC iznosi 2,3 x 105 mho/m. Ocekivalo bi se da provodnost gvozdja opadne sa temperaturom i da vrednost od 4,04 x 104 mho/m udovoljava tom zahtevu. Zato nije nerazumno smatrati da je gvozdje jedan od glavnih mogucih elemenata jezgra. Interesantno je zapaziti da provodnost morske vode iznosi 5 mho/m, sto je samo jadan desetohiljaditi deo provodnosti Zemljinog jezgra. Morska voda ne bi mogla trpiti elektricnu struju koju proizvodi Zemljino magnetsko polje; ona ima isuvise veliku otpornost. Magnetsko polje bi davno nestalo kad bi se jezgro sastojalo od morske vode.
Sadasnja vrednost struje u Zemljinom jezgru
Dr. Thomas Barnes je takodje uzeo Maksvelove jednacine i izveo resenja slicna Lambovim, ali u savremenim jedinicama, terminologiji i matematickom aparatu. Ova nova izvedba daje jedno resenje za ukupnu struju Zemljinog jezgra u funkciji jacine odgovarajuceg magnetskog polja na polovima.
Stavljajuci danasnju vrednost magnetskog polja na polovima, naime 0.62 gausa, dobija se 6.16 x 109 A za sadasnju vrednost struje u Zemljinom jezgru. Dakle, struja od nesto vise od sest milijardi Ampera u jezgru Zemlje proizvodi svoje magnetsko polje danas.
Ova struja Zemljinog jezgra nije uniformno raspodeljena u jezgru. Resenje za gustinu struje u zavisnosti od rastojanja od centra pokazuje da je stujna gustina najveca na dve trecine precnika jezgra, kao sto je prikazano na slici.
Elektricno zagrevanje Zemljinog jezgra
Svaki put kada elektricna struja tece kroz provodnik, dolazi do njegovog zagrejavanja. Ovo zagrejavanje predstavlja gubitak energije. Jednacina za gubitak snage na racun elektricnog zagrijavanja glasi:
P = I2R
gde je I jacina struje, a R otpornost.
Resenje za toplotne gubitke jezgra Zemlje se dobija integracijom jedne jednacine, slicne gornjem izrazu, preko celog jezgra. Vrednost dobijena za sadasnju toplotnu snagu u Zemljinom jezgru iznosi:
P = 8.13 x 108 W
To je 813 megavata snage, sto predstavlja dosta pozamasnu kolicinu toplote koja se formira u Zemljinom jezgru. Izrazeno u kalorijama ova proizvodnja toplote iznosi 1,94 x 108 cal/s.
Ovih 813 MW gubitaka snage predstavlja sadasnju brzinu oticanja energije uskladistene u magnetskom polju Zemlje. To je, svakako, razlog opadanja Zemljinog magnetskog polja. Njena "magnetska opruga" se odmotava.
Datum nestajanja Zemljinog magnetskog polja
Znajuci da Zemljino magnetsko polje opada i da njegovo vreme poluzivota iznosi 1400 godina, neko se moze upitati: "Kada ce nestati Zemljino magnetsko polje?" Na ovo pitanje se ne moze bas lako odgovoriti jer je ovo opadanje eksponencijalno. Kad bi opadanje bilo linearno (pravolinijsko opadanja), odgovor bi se lako dobio. Jedna drzavna publikacija iz 1965. god. pretpostavlja da je ovo opadanje linearno i fiksira taj trenutak na 3991. god., kao sto se vidi u sledecem citatu: "Od vremena Gausovih merenja Zemljin magnetnki moment opada, prilicno linearno, pribliznom brzinom od 5% na 100 god. Uzevsi da se nastavi ovom brzinom, nasa analiza pokazuje da ce dipolni moment nestati 3991. god."11
Teoretski, jedno eksponencijalno slabljenje, kao sto je ovo, nikad ne bi dostiglo nulu jer ono uvek ima jacinu koja je upola manja od one 1400 godina ranije. Medjutim, prakticno za jedan eksponencijalni raspad se smatra da dostize tacku ponistavanja kada dostigne "nivo suma".
Magnetske oluje, koje prate eksplozije na Suncu za oko 30 sati, mogu iznenada promeniti magnetsko polje za oko 1%.12 Otuda, mozemo na svoju ruku uzeti da nivo suma (tj. tacka nestanka) iznosi 1/100-ti deo danasnje vrednosti Zemljinog polja. Sada se brzina eksponencijalnog opadanja sa poluzivotom od 1400 godina moze iskoristiti da se pokaze kako bi magnetsko polje Zemlje nestalo oko 11.000. god., odnosno za oko 9.000 godina od danas. Medjutim, njegova delotvornost kao magnetskog stita nestace mnogo pre tog datuma.
Slika pokazuje razliku izmedju jednog eksponencijalnog zakona raspada koji oznacava 11.000. godinu kao datum nestanka, i linearnog zakona raspada kod koga nestanak polja nastupa 3.991. godine.
Linearni raspad bi se mogao iskljuciti, jer su svi prirodni raspadi eksponencijalni. Stavise, ako se ovi opservacioni podaci analiziraju metodom najmanjeg srednjeg kvadrata, za eksponencijalnu krivu se dobijaju manja odstupanja nego za linearnu krivu. Odavde zakljucujemo da je ovo opadanje linearno i da je datum nestanka blizi 11.000. god. nego 3991. god.
Posledice opadanja magnetskog polja
Jedna od posledica opadanja Zemljinog magnetskog polja je porast kolicine zracenja koje dolazi do Zemlje. Tako sve vise solarni vetrovi i kosmicki zraci udaraju u nasu planetu. Ovaj porast zracenja je, svakako, skodljiv i uzrokuje opasne mutacije.
Osim toga, porast kosmickog zracenja koje dolazi do atmosfere, povecava brzinu stvaranja ugljenika C-14. Kosmicki zraci stvaraju neutrone u atmosferi, koji se pak sudaraju sa azotom stvarajuci C-14.13 Dakle, brzina stvaranja ugljenika C-14 je veca sada nego u proslosti. Metoda datiranja C-14 se bazira na pretpostavci da je ova brzina stvaranja konstantna, ali sada mi znamo da ova brzina stvaranja nije konstantna. Cinjenica da je brzina stvaranja u proslosti bila manja nego danas, zahteva izmenu ranije proracunatih C-14 datuma, prepravljajuci ih na neko mladje doba. (slika) Ova korekcija je progresivno veca za starije datume zbog eksponencijalnog karaktera opadanja.
To znaci da najstariji datumi kod C-14 datiranja u stvari i nisu tako stari i da bi trebalo biti ispravljeni na mladje datume.
Pocetna vrednost Zemljinog magnetskog polja
Kada bi bila poznata pocetna vrednost Zemljinog magnetskog polja, mogao bi se ustanoviti datum njegovog nastanka. To bi se uradilo ekstrapolacijom unazad na krivoj eksponencijalnog opadanja. Ali mi ne znamo koliko je ta pocetna vrednost iznosila.
U tabeli su prikazne vrednosti magnetskog polja izracunate unazad u vremenu. Ove hipoteticke vrednosti bi postojale za svaki navedeni datum kad bi danasnja brzina raspada (tj. vreme poluzivota 1400 god.) ostala nepromenjiva tokom tog perioda.
U tabeli su takodje navedene, radi poredjenja, velicine magnetskih polja iz astronomiji. Ove vrednosti astronomskih magnetskih polja su uzete iz jedne publikacije14 i najverovatnije da se radi o tacnim vrednostima. Magnetsko polje jedne magnetske zvezde (sa svojim termonuklearnim poreklom) iznosi oko 100 gausa. Sigurno se ne moze ocekivati da jedna planeta ima magnetsko polje veliko kao magnetska zvezda. Zato nije verovatno da je Zemljino magnetsko polje ikad bilo tako veliko. Tako se moguca gornja granica za pocetnu vrednost Zemljinog magnetskog polja stavlja na manje od 100 gausa.
Poreklo Zemljinog magnetskog polja
Primenjujuci razumnu pretpostavku da ova planeta nikad nije imala magnetsko polje kao jedna magnetska zvezda, iz tabele se moze uociti da postanak Zemljinog magnetskog polja mora biti mladje od 8.000 godina. Drugim recima, postanak Zemljinog magnetskog polja desio se pre 10.000 god. Koliko tacno pre ovog datuma ne moze se odrediti na osnovu danasnjeg naucnog znanja. Ako se pretpostavi da je pocetna vrednost Zemljinog magnetskog polja bila za red velicine manja od one koju ima magnetska zvezda, postanak bi se mogao desiti pre oko 6 ili 7 hiljada godina.
Svakako, ova ilustrativna vrednost je uzeta zato sto je konzistentna sa pribliznim datumom stvaranja koji se moze izracunati iz biblijske hronologije. Ona dokazuje naucnu potvrdu starosti Zemljinog magnetskog polja koja je u granicama starosti Zemlje koju odredjuje Biblija.
Jedina alternativa za "mlado" Zemljinog magnetskog polja jeste negiranje opadanja Zemljinog magnetskog polja, sto nije bas mudro stanoviste za jednog naucnika s obzirom na strogu fiziku na kojoj se bazira teorija Sir Horace Lamba i da je ne podrzavaju tokom 160 godina sirom sveta prikupljeni podataci.
Slabosti tradicionalne hipoteze preokreta
Savremeni podaci koji obuhvataju sve sirom sveta obavljene opservacije intenziteta Zemljinog magnetskog polja, reducirani naprednim matematickim tehnikama i zabelezeni u zvanicnim drzavnim publikacijama, omogucavaju jedan obiman dokaz raspada Zemljinog magnetskog polja i kao posledicu zakljucak da je Zemljino magnetsko polje mlado. Medjutim, ortodoksni tradicionalisti ignorisu ove podatke i postavljaju hipotezu preokreta (reverzionu hipotezu) da bi zadrzali svoju "geolosku" hronologiju. U ovoj hipotezi oni pretpostavljaju da se Zemljino magnetsko polje okretalo vise puta u veoma dalekoj proslosti iz njima nepoznatih razloga. Oni se ne koriste aktuelnim podacima o magnetskom polju na Zemlji, vec "citaju" lokalni remanentni (zaostali) magnetizam u stenama, pokusavajuci da dokazu svoj stav na osnovu ove magnetizacije u stenama.
Medjutim, reverziona hipoteza ima poteskoce, jer podaci o magnetizmu u stenama ne daju uverljiv dokaz o okretanjima Zemljinog magnetskog polja. J. A. Jakobs, koji se slaze sa evolucionom hronologijom i hipotezom preokreta, priznaje velike slabosti u interpretaciji kompleksnih podataka iz stena. U svojoj informativnoj knjizi, The Earth's Core and Geomagnetism (Zemljino jezgro i magnetizam), Jakobs daje brojne ilustracije nedoslednosti podataka iz stena.15 Da bi se ispravile ove nedoslednosti, za bar cetri fizicko-hemijska procesa se smatra da su u stanju da prouzrokuju samo-obrtanja magnetizacije u stenama, procese koji su nepovezani sa magnetskim poljem Zemlje. Ovi procesi su potrebni tradicionalistima da bi ucinili da se nesaglasni podaci sloze sa hipotezom preokreta. Jakobs upozorava: "Takvi rezultati pokazuju da treba biti oprezan kod interpretacije svih reverzija kao posledice obrtanja polja i da problem odlucivanja koje od reverznih stena ukazuju na obrtanje polja moze biti u nekim slucajevima veoma tezak. Da bi se pokazalo da je jedan uzorak reverzne stene namagnetisan obrtanjem Zemljinog polja, neophodno je pokazati da on nije mogao biti preokrenut nekim fizicko-hemijskim procesom. To je jedan doslovno nemoguc zadatak..."16
Odavde se vidi da sama tehnicka literatura osvetljava cinjenicu da je hipoteza preokreta opterecena poteskocama. To je jedna slaba hipoteza bez ikakvih cinjenica koje bi je podrzavale i bez istorijskih podataka na osnovu kojih bi se mogao izracunati Zemljin magnetski moment (tj. ukupna jacina ovog magneta). Svi podaci i proracuni Zemljinog magnetskog momenta podrzavaju teoriju opadanja koja navodi na jednu malu starost, kao sto je receno u prethodnim odeljcima.
Poreklo Zemlje
Poreklo Zemljinog magnetskog polja je bez sumnje vezano za poreklo Zemlje. Nema razloga da se veruje je ovo magnetsko polje "navijeno" u nekoj geoloskoj epohi u proslosti nakon nastanka Zemlje. Ako se pretpostavi da se nastanak desio negde oko 5.000. god. pne., magnetski moment bi iznosio najmanje 2,6 x 1024 Am.2 Danas se smatra da jedna planeta ne moze imati magnet te jacine. Tako se ispostavlja da nista nije moglo inicirati jedan tako silan magnet unutar nase planete posle nastanka Zemlje. Dakle, dolazi se do zakljucka da je Zemljino magnetno polje stvoreno u pocetku, u vreme nastanka Zemlje, i da je od tada postepeno opadalo.
Obrada savremenih podataka i povezivanje nastanka magnetskog polja sa nastankom Zemlje osigurava naucnu verodostojnost jedne starosti Zemlje koja je u skladu sa staroscu izracunatoj na osnovu Biblijske hronologije.
Literatura
1. Jacobs, J. A. 1967. "The earth's magnetic field", Mining Geophysics, Society of Exploration geophysicists, Tulsa, 2:247.
2. Rossi, Bruno and Stanislaw Olbert. 1970. Introduction to the Physics of Space, McGraw-Hill Book Co. pp. 369-370.
3. Jacobs, J. A., op. cit. pp. 430-432.
4. Cowling, T. G. 1934. Monthly Not. Roy. Astron. Soc., 94:39.
5. Lamb, Horace. 1883. On electrical motions in a spherical conductor, Philosophical Transactions (London), 174, pp. 519-549.
6. Lamb, Horace. 1883-1884. On the induction of electric currents in Cylindrical and spherical conductors, Mathematical Society (Proceedings), London, 15, pp. 139-149.
7. Jacobs, J. A., op. cit. pp. 6-15.
8. McDonald, Keith L. and Robert H. Gunst. July, 1967. "An analysis of the earth's magnetic field from 1835 to 1965", ESSA Technical Rept. IER 46-IES 1. U.S. Government Printing Office, Washington, D.C. p. 15.
9. Chapman, Sidney. 1951. The Eath's Magnetism. Methuen and Co., Ltd., London; Joh Wiley and Sons, Inc., New York, p. 23.
10. Barnes, T. G. 1965. Foundations of Electricity and Magnetism. D.C. Heath and Co., Boston, pp. 215-216.
11. McDonald, 1967. op. cit. p. 1.
12. Grant, F. S. and G. F. West, Interpretation Theory in Applied Geophysics, McGraw Hill. 1965. p. 206.
13. Libby, Willard F. 1955. Radiocarbon Dating, Second ed. University of Chicago Press, pp. 1-4.
14. Parker, E. N. 1971. "Universal magnetic fields", Amer. Sci., 59(5):578.
15. Jacobs, J. A. 1963. The Eath's Core and Geomagnetism, MacMillan Co., New York, p. 106.
16. Ibid.