چرا زمین آهنرباست ؟

تاکنون بهترین پاسخ به‌طورِ تقریبی در جریانِ آهسته‌ی ماده در هسته‌ی سیّالِ زمین، که باعثِ جریان الکتریکی و به‌موجبِ آن میدانِ مغناطیسی می‌شود، جستجو شده است (تئوری دینامو). حال در اینجا مدلی زیباتر و ساده‌تر ارائه می‌دهیم.
یک کُره‌ی توپُر از یک رسانای خوب برگزینید. آن‌را گرما دهید تا الکترون‌های ظرفیتی تقریباً کاملاً آزاد شوند، یعنی تا جائی‌که جُنب‌وجوشِ گرمایی تحریک شده‌ی الکترون‌ها نیروهای پیوندیِ آنها به هسته‌هایشان را حذف نماید. (چون احتمالاً در این دما ماده‌ی رسانا ذوب خواهد شد شاید ظرفی عایق، که در این دما جامد است، برای نگاه‌داشتنِ رسانا به‌صورتِ کروی، لازم باشد یا شاید اِعمال فشاری زیاد لازم باشد.) در این حالت الکترون‌هایی آزاد داریم که خود را به‌سمتِ سطح توزیع می‌کنند. یون‌های مثبتِ مانده‌ی ثابت نمی‌توانند خود را با جذبِ الکترون‌های ظرفیتیِ مجاور، و به‌این‌ترتیب توزیعِ بار مثبت به‌سمت سطح، خنثی نمایند، زیرا جنب‌وجوشِ مذکورِ ناشی از حرارت، چنین جاذبه‌ای را خنثی می‌کند. به‌عبارتِ دیگر همان عاملی که باعث آزادیِ الکترون‌های فوق‌الذکر از نیروهای پیوندیشان می‌شود اکنون مانعِ برگشتِ آنها به موقعیت‌های اولیه‌ی آنها در داخل رسانا می‌گردد زیرا بلافاصله پس از چنین برگشتی این عامل، یعنی حرارتِ مفرط، مجدداً باعث آزادی آنها از نیروهای پیوندِ آنها به هسته‌ها می‌شود.

هسته‌ی زمین متشکل از مقدار زیادی آهن و نیکل است که براثرِ حرارتِ مفرط به‌صورتِ مذاب با دمای بسیار بالا می‌باشند و بنابراین مشابهِ مدلِ ارائه شده در فوق عمل می‌کند، یعنی الکترون‌های ظرفیتی مولکول‌های آن در سطحِ هسته و از آن طریق در سطح زمین توزیع می‌شود. از آنجا که پوسته‌ی زمین برخلافِ هسته‌ی آن جامد است لذا الکترون‌هایی که از هسته به پوسته توزیع شده‌اند همراه با پوسته‌ی زمین در گردشِ زمین به‌دورِ خودش حرکت می‌کنند اما به‌علتِ اینکه پوسته جامد و هسته مایع است و مایع سیال است هسته در حرکتِ زمین به‌دورِ خودش از پوسته عقب می‌افتد یعنی به‌عبارتِ ساده گویا سعی در ساکن ماندن دارد درحالی‌که پوسته سرعتِ زاویه‌ای بیشتری دارد، یا به‌عبارتی پوسته‌ی درحالِ گردشِ سریعتر با سختی هسته را به‌دنبال خود می‌کشد. این وضعیت باعث می‌شود که الکترون‌های توزیع شده در پوسته دارای سرعثِ خطی بیشتری نسبت به یون‌های مثبت باقی‌مانده در هسته گردند. حرکتِ خطیِ سریعترِ الکترون‌ها در قیاس با حرکتِ خطی یون‌های مثبت میدانی مغناطیسی را به‌وجود می‌آوَرَد.. جهت‌گیریِ این میدانِ مغناطیسی نسبت به جهتِ چرخشِ زمین دقیقاً مشابه با موردِ مربوط به میدانِ ژئومغناطیسی زمین است، یعنی آهنربای بزرگِ داخلِ زمین از این طریق است که موجودیت پیدا می‌کند.

در سیاره‌ی گازی مشتری که لایه‌های بالایی آن که حاویِ الکترون‌های توزیع‌شده‌اند رقیق‌تر از لایه‌های پائینی و مرکزیِ داغِ تحتِ فشار و غلیظِ آن هستند عکسِ حالتِ زمین اتفاق می‌افتد، یعنی لایه‌های رقیق‌ترِ بالایی نسبت به لایه‌های پائینی و مرکزی در حرکتِ سیاره به‌دورِ خودش عقب می‌افتند ولذا طبق همان استدلالی که برای زمین گفته شد میدانی الکترومغناطیسی، منتهی به‌صورتِ عکسِ موردِ مربوط به زمین، برای مشتری ایجاد می‌شود و از همین‌روست که نسبت جهت میدان مغناطیسی این سیاره به جهت چرخش آن به‌دورِ خود عکسِ وضعیت مربوط به زمین است.
سادگی مفرطی خواهد بود که بیاندیشیم که مدار گردش زمین به‌دور خورشید و نیز جهتِ چرخش آن به‌دورِ خودش در خلال عمر دراز زمین تغییر نکرده‌اند، چون‌که مثلاً قابل توجه است که اندازه‌گیری‌های دقیق، تغییراتِ پیوسته‌ای را در طول زمانِ یک چرخشِ زمین نشان می‌دهد[1و2]. اگر وجودِ چندین تغییر در جهت چرخش زمین در طول عمر آن را قبول کنیم می‌توانیم به‌آسانی وارونی‌های ثابت‌شده در میدانِ مغناطیسی زمین را با درنظر گرفتنِ بحث فوق درباره‌ی رابطه بین جهتِ چرخش و جهت میدان مغناطیسی توجیه کنیم. به‌هرحال روندِ آهسته شدنِ سرعت گردش زمین قابل انکار نیست. از طرفِ دیگر کاهشِ شدتِ میدان مغناطیسی زمین در خلال صد سال گذشته نیز ثابت شده است (و حتی اکنون تغییرِ بعدی در جهتِ میدانِ ژئومغناطیسی زمین ممکن دانسته شده است[1]). روشن است که همزمانیِ این دو کاهش (مربوط به سرعتِ چرخش زمین و شدت میدان مغناطیسی زمین) گواه قاطعی برای اثبات این نظریه می‌باشد.
 

پی نوشت ها :
 

[1] آشنایی با ژئوفیزیک، جرج د. گارلند، ترجمه‌ی رحمتی و طاهری، مرکز نشر دانشگاهی
[2] فیزیک، هالیدی و رزنیک، ترجمه‌ی گلستانیان و بهار، مرکز نشر دانشگاهی
 

/ن