میدان مغناطیسی زمین چگونه عمل می‌کند و چه تاثیری بر انسان و حیوانات دارد؟
رویداد۲۴| سیما صابری: میدان‌های مغناطیسی توسط بارهای الکتریکی در حال حرکت ایجاد می‌شوند. در یک آهنربای میله‌ای، بارهای متحرک الکترون‌هایی هستند که در اتم‌ها در حال گردش‌اند. در زمین، این الکترون‌ها توسط جریان‌های چرخشی آهن مذاب جابجا می‌شوند.
جزئیات این فرآیند به‌خوبی درک نشده اما به‌طور کلی، مواد داغ در هسته خارجی مایع آهنی زمین منبسط می‌شوند، کمتر چگال می‌شوند و بنابراین بالا می‌روند. با سرد شدن و کاهش چگالی، باید دوباره به پایین برگردند. اما چرخش زمین مانع از این اتفاق می‌شود.
در نتیجه، مایع در اطراف هسته زمین گردش می‌کند و اصطکاک بین لایه‌های مختلف آن باعث ایجاد بار در آن‌ها می‌شود؛ درست مانند یک شانه پلاستیکی که بر روی یک ژاکت نایلونی کشیده می‌شود. این بارهای متحرک هستند که میدان مغناطیسی زمین را ایجاد می‌کنند.
بنابراین، دو شرط لازم برای ایجاد مغناطیس سیاره‌ای، هسته مایع و چرخش است. ما این را می‌دانیم زیرا سیاره زهره، با اینکه تقریباً هم‌اندازه زمین است، عملاً هیچ میدان مغناطیسی ندارد. علت آن این است که این سیاره هسته مایع دارد اما بسیار کند می‌چرخد؛ فقط یک‌بار در هر ۲۴۳ روز زمینی.
چرا قطب‌های مغناطیسی زمین حرکت می‌کنند؟
اگرچه میدان مغناطیسی زمین بسیار شبیه به میدان یک آهنربای میله‌ای است که دارای قطب شمال و جنوب است، اما به دلیل تولید شدن آن توسط فرآیندهای پیچیده درون زمین، به اندازه آن پایدار نیست. این فرآیندها باعث می‌شوند که قطب‌های مغناطیسی جابجا شوند.
قطب شمال با سرعت حدود ۱۵ کیلومتر در سال جابجا شده است. اما از دهه ۱۹۹۰ سرعت آن افزایش یافته و اکنون با سرعت حدود ۵۵ کیلومتر در سال به سمت سیبری در حال حرکت است. این موضوع ممکن است پیش‌بینی کننده یک «وارونگی مغناطیسی» باشد که در آن قطب‌های مغناطیسی شمال و جنوب جابجا می‌شوند. این اتفاق ۱۷۱ بار در ۷۱ میلیون سال گذشته رخ داده است و ما نیز احتمالاً به زودی شاهد یک وارونگی خواهیم بود.
بیشتر بخوانید: چرا مشتری سریع‌تر از دیگر سیاره‌های منظومه شمسی می‌چرخد؟
مدل‌های میدان مغناطیسی زمین بر اساس مشاهدات ماهواره‌ای نشان داده‌اند که جابجایی کنونی نتیجه نبرد بین «توده»های غیرعادی قوی میدان‌های مغناطیسی در اعماق زمین است. اما برای وارونگی میدان مغناطیسی زمین، هیچ‌کس به طور کامل مطمئن نیست که چرا این اتفاق رخ می‌دهد.
اگر میدان مغناطیسی ناپدید شود چه اتفاقی می‌افتد؟
دانشمندان وارونگی‌های مغناطیسی را با اندازه‌گیری میدان مغناطیسی در دو طرف خطوط میانی اقیانوس اطلس، که از آنجا سنگ مذاب مانند خمیر دندان از یک لوله خارج می‌شود، کشف کرده‌اند. وقتی این سنگ‌ها جامد می‌شوند، کریستال‌های آن‌ها در جهت میدان مغناطیسی زمین قرار می‌گیرند و یک «شکل نواری» به جا می‌گذارند.
گمان می‌رود وارونگی‌ها طی ۱۰۰۰ تا ۱۰,۰۰۰ سال رخ دهند که در این مدت، میدان به صفر کاهش می‌یابد و سپس با قطبیت مخالف دوباره رشد می‌کند. بنابراین شاید حتی قرن‌ها وجود داشته که زمین عملاً هیچ میدان مغناطیسی نداشته است.
میدان مغناطیسی صفر برای حیات خطرناک است زیرا میدان مغناطیسی تا دوردست در فضا گسترش می‌یابد و یک حباب محافظتی در اطراف زمین ایجاد می‌کند که سطح سیاره را از توفان ذرات باد خورشیدی و ذرات پرانرژی اشعه کیهانی از اعماق فضا محافظت می‌کند. بنابراین نبود آن برای موجودات روی زمین خطرناک است.
در حال حاضر این تابش‌های مضر در اطراف زمین از طریق میدان مغناطیسی به قطب‌ها هدایت می‌شوند و شفق‌های قطبی را ایجاد می‌کنند. بدون یک میدان محافظتی، چنین تابش‌های کشنده‌ای می‌تواند نرخ جهش سلول‌های زنده را افزایش دهد و منجر به ایجاد سرطان در حیوانات شود. با این حال، حیات قبلاً از تعداد زیادی از چنین رویدادهایی جان سالم به در برده بدون اینکه کاملاً نابود شود.
میدان مغناطیسی زمین چقدر پایدار است؟
این واقعیت که میدان مغناطیسی زمین به جریان‌های الکتریکی که توسط مواد مذاب در حال گردش در درون پرتلاطم سیاره حمل می‌شود، وابسته است، به این معناست که این میدان ذاتاً متغیر است. اما آنچه شگفت‌آور است این است که میدان مغناطیسی که توسط چنین تلاطم‌های داخلی خشنی ایجاد می‌شود، در ۹۹.۹ درصد مواقع نسبتاً پایدار است. این پایداری میدان مغناطیسی زمین و قابلیت اعتماد به حفاظت آن است که به حیات روی زمین اجازه داده تا برای حداقل ۳.۸ میلیارد سال پابرجا بماند.
میدان مغناطیسی چگونه بر حیوانات اثر می‌گذارد؟
بسیاری از موجودات زنده نشان‌دهنده مهارت‌های شگفت‌انگیزی در جهت‌یابی هستند. بنابراین این گمان وجود دارد که آن‌ها نوعی حس مغناطیسی دارند که به آن‌ها امکان می‌دهد خطوط میدان مغناطیسی بین قطب‌ها را تشخیص دهند. با این حال، شناسایی مکانیزم دقیق آن دشوار است. اما در سال ۲۰۲۱، دانشمندان ژاپنی در مورد فرآیندی که سال‌ها پیش کشف شده بود، پیشرفت‌هایی داشته‌اند.
در دهه ۱۹۷۰، ریچارد بلیک‌مور، یک دانشجوی در ایالات متحده، موجودات تک‌سلولی را مشاهده کرد که در یک جهت ثابت در برکه‌ای گلی حرکت می‌کردند و نشان داد که آن‌ها به یک میدان مغناطیسی پاسخ می‌دهند. زیست‌شناسان بعدها کشف کردند که چنین موجودات تک‌سلولی حاوی کیسه‌های کوچکی از اکسید آهن یا سولفید آهن مغناطیسی هستند.
همچنین نوبورو ایکیا و جاناتان وودوارد در دانشگاه توکیو نشان داده‌اند که میدان مغناطیسی زمین باعث تغییرات شیمیایی می‌شود که می‌تواند بر رفتار سلولی تأثیر بگذارد. آن‌ها این کار را با استفاده از یک ماده شیمیایی سلولی که بسته به میدان مغناطیسی خارجی فلورسانس می‌دهد، انجام دادند. وقتی آن‌ها یک آهنربا را نزدیک سلول‌ها حرکت دادند، نور شیمیایی تا ۳.۵ درصد کاهش یافت.
