สนามแม่เหล็กโลกและการเปลี่ยนแปลงแบบ Secular Variation

สนามแม่เหล็กหลักของโลก โดยประมาณอันดับแรก คือสนามแม่เหล็กแบบไดโพลที่เอียงและมีศูนย์กลางอยู่ที่โลก แต่ก็มีความคลาดเคลื่อนในรายละเอียดและมีการเปลี่ยนแปลงที่สามารถวัดได้ในแต่ละปี ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงอย่างช้าๆ ที่เรียกว่า secular variation

Definition

สนามแม่เหล็กโลกคือสนามแม่เหล็กที่สังเกตได้ที่และเหนือพื้นผิวโลก ซึ่งถูกครอบงำด้วยไดโพลภายในที่มีศูนย์กลางอยู่ที่โลก และอธิบายทางคณิตศาสตร์ด้วยการขยายอนุกรมฮาร์มอนิกทรงกลม ซึ่งการเปลี่ยนแปลงช้าๆ ตามเวลาที่มีต้นกำเนิดจากภายในนี้ก่อให้เกิด secular variation

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมคำอธิบายและวิวัฒนาการตามเวลาของสนามแม่เหล็กหลักของโลก: การแสดงด้วยศักย์ฮาร์มอนิกทรงกลมที่ถูกครอบงำด้วยไดโพลที่มีศูนย์กลางอยู่ที่โลก องค์ประกอบของสนาม (การเบี่ยงเบน, ความเอียง, ความเข้ม) และแบบจำลองอ้างอิง เช่น International Geomagnetic Reference Field นอกจากนี้ยังกล่าวถึง secular variation ซึ่งรวมถึงการเคลื่อนที่ไปทางทิศตะวันตก (westward drift) และ geomagnetic jerks และการแยกแหล่งกำเนิดสนามภายในออกจากภายนอก โดยเน้นที่สนามปัจจุบันและการเปลี่ยนแปลงในรอบทศวรรษมากกว่าบันทึกในอดีตอันยาวนาน

Core questions

• สนามแม่เหล็กหลักถูกอธิบายด้วยไดโพลที่มีศูนย์กลางอยู่ที่โลกและฮาร์มอนิกทรงกลมได้อย่างไร?
• องค์ประกอบของสนามคืออะไร และมีการทำแผนที่ในแบบจำลองอ้างอิงอย่างไร?
• secular variation คืออะไร และสนามมีการเปลี่ยนแปลงเร็วแค่ไหน?
• การแยกส่วนประกอบภายในและภายนอกของสนามทำได้อย่างไร?

Key concepts

• ไดโพลแกนที่มีศูนย์กลางอยู่ที่โลกและสนามที่ไม่ใช่ไดโพล
• องค์ประกอบของสนาม: การเบี่ยงเบน, ความเอียง, ความเข้ม
• การแสดงแบบฮาร์มอนิกทรงกลม (เกาส์)
• Secular variation, การเคลื่อนที่ไปทางทิศตะวันตก (westward drift), และ geomagnetic jerks
• International Geomagnetic Reference Field

Key theories

การแสดงสนามด้วยฮาร์มอนิกทรงกลม

เกาส์แสดงให้เห็นว่าสนามแม่เหล็กที่ไม่มีแหล่งกำเนิดสามารถเขียนได้ในรูปของเกรเดียนต์ของศักย์ที่ขยายในฮาร์มอนิกทรงกลม ทำให้สามารถแยกสนามหลักออกเป็นไดโพลเด่น พจน์ที่ไม่ใช่ไดโพล และส่วนประกอบที่มีต้นกำเนิดจากภายในเทียบกับภายนอกได้

Secular variation จากการไหลของแกนโลก

การเปลี่ยนแปลงอย่างช้าๆ ของสนาม รวมถึงการเคลื่อนที่ไปทางทิศตะวันตกและการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหัน สะท้อนถึงการไหลของของเหลวที่เปลี่ยนแปลงไปที่ส่วนบนของแกนโลกที่เป็นของเหลว ซึ่งเป็นหน้าต่างสู่พลวัตของแกนโลกในระดับทศวรรษ

Mechanisms

สนามแม่เหล็กหลักมีต้นกำเนิดจากกระแสไฟฟ้าในแกนโลกที่เป็นของเหลว ที่และเหนือพื้นผิวโลกจะไม่มีกระแสไฟฟ้า ดังนั้นจึงสามารถหาได้จากศักย์สเกลาร์ ซึ่งสัมประสิทธิ์ฮาร์มอนิกทรงกลมจะเปลี่ยนแปลงอย่างช้าๆ เมื่อการไหลของแกนโลกที่อยู่เบื้องล่างมีการพัฒนา ทำให้เกิด secular variation ที่วัดได้ ในขณะที่แหล่งกำเนิดจากเปลือกโลกและภายนอก (ไอโอโนสเฟียร์และแมกนีโตสเฟียร์) จะเพิ่มการเปลี่ยนแปลงที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่าและรวดเร็วกว่า

Clinical relevance

แบบจำลองที่แม่นยำของสนามและการเปลี่ยนแปลงแบบ secular variation มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการนำทางด้วยเข็มทิศแม่เหล็ก การเจาะแบบมีทิศทาง การปฏิบัติการของดาวเทียมและยานอวกาศ และเป็นข้อมูลอ้างอิงที่ได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องสำหรับการสำรวจทางแม่เหล็ก

History

ฮัลเลย์ได้ทำแผนที่การเบี่ยงเบนของเข็มทิศเหนือมหาสมุทรแอตแลนติกประมาณปี ค.ศ. 1700 เกาส์ได้นำเสนอการวิเคราะห์ฮาร์มอนิกทรงกลมและแยกแหล่งกำเนิดภายในออกจากภายนอกเป็นครั้งแรกในช่วงทศวรรษ 1830 และ International Geomagnetic Reference Field สมัยใหม่ ซึ่งปัจจุบันได้รับข้อมูลจากภารกิจดาวเทียม ได้จัดทำแบบจำลองทั่วโลกของสนามและการเปลี่ยนแปลงที่ได้รับการปรับปรุงอย่างสม่ำเสมอ

Key figures

• Carl Friedrich Gauss
• Edmond Halley
• George Backus

Seminal works

• backus1996
• merrill1996
• alken2021

Frequently asked questions

ทำไมเข็มทิศจึงไม่ชี้ไปทางทิศเหนือจริง?

เข็มทิศจะจัดแนวตามสนามแม่เหล็กในแนวราบในพื้นที่ ซึ่งทิศทาง (การเบี่ยงเบน) แตกต่างจากทิศเหนือทางภูมิศาสตร์ เนื่องจากสนามแม่เหล็กโลกไม่ใช่ไดโพลแกนที่สมบูรณ์แบบและแตกต่างกันไปในแต่ละสถานที่ แบบจำลองสนามอ้างอิงจะให้ค่าการเบี่ยงเบนที่จำเป็นในการแก้ไขเข็มทิศ

Secular variation คืออะไร?

Secular variation คือการเปลี่ยนแปลงอย่างช้าๆ ในแต่ละปีของสนามแม่เหล็กหลักของโลก เช่น การเคลื่อนที่ของลักษณะทางแม่เหล็กและการอ่อนกำลังลงอย่างค่อยเป็นค่อยไปของไดโพล ซึ่งขับเคลื่อนโดยการเคลื่อนที่ของของเหลวที่กำลังพัฒนาในแกนโลกชั้นนอกที่เป็นของเหลว