Mağnetik varlığını nereden anlıyoruz. YERİN DİPOL ALANI.

... konulu sunumlar: "Mağnetik varlığını nereden anlıyoruz. YERİN DİPOL ALANI."— Sunum transkripti:

1

2 Mağnetik varlığını nereden anlıyoruz.

3

4 YERİN DİPOL ALANI

5 MANYETİK ALANIN VARLIĞI ?

6 DİPOL ALANIN KAYNAĞI Gilbert’in 1600 yılında yaptığı gözlemlere göre, yerkürenin manyetik alanı düzgün mıknatıslanmış bir kürenin manyetik alanına benzemekteydi.

7 Yerkürenin böyle bir alan oluşturabilmesi için ortalama mıknatıslanmasının, yerkabuğunun sahip olduğu mıknatıslanmadan çok daha büyük olması gerekmektedir. Çoğu önemli manyetik minerallerin Curie sıcaklıkları 700 o C den küçüktür.

8 Yeryüzünden yaklaşık 25 km derinlerde sıcaklık 700 o C aştığından bu mineraller mıknatıslanmalarını kaybederler ve bu nedenle yerkabuğunun sadece üst kısmı kalıcı mıknatıslanmaya sahiptir.

9 Ayrıca zaman içinde yermanyetik alanın şiddeti ve doğrultusu değişmektedir. Yermanyetik alanınıdaki bu değişimler, yerkabuğundaki durağan mıknatıs kaynakları ile açıklanamaz. Bu bilgiler bilim adamlarını, yermanyetik alanının kaynağını başka yerlerde aramaya yöneltmiştir.

10

11

12 Kuzey Kanada’daki güçlü zon, kuzey manyetik kutup Sibiryaya doğru geçiş gösterdiğinden zayıflamıştır.

13 Güney Atlantikteki zayıf zon, doğuya doru genişleme göstermiştir.

14

15 Önceki bölümlerde de anlatıldığı gibi ilk defa 1839’ da Gauss tarafından yapılan ‘yermanyetik alanın küresel harmonik analizi’ yermanyetik alanın büyük parçasının kaynağının yerin içinde olduğunu göstermiştir. Daha sonraları yapılan araştırmalar böyle bir manyetik alanın oluşabileceği ortamın ancak yerin sıvı dış çekirdeğinde olabileceği saptanmıştır.

16 Yermanyetik alanın kaynağını oluşturan dış çekirdeğin yapısı sismik ve jeokimyasal verilerle kestirilmiştir. Buna göre; sıvı olan dış çekirdek, demir ve yüzde birkaç oranında nikel ile daha az yoğun metalik olmayan silikat, sülfür veya oksijen gibi hafif elementlerden oluşur.

17 Dış çekirdeğin, manyetik alanın doğmasına olanak sağlayan önemli parametreleri; sıcaklık, viskozite ve elektriksel iletkenliktir. Yer içindeki sıcaklıklar kesin olarak bilinmemekle beraber, dış çekirdekteki sıcaklık 3000 o C’ yi geçmektedir. Demirin elekriksel iletkenliği 20 o C’de ve artan sıcaklıkla azalır. Dış çekirdekteki yüksek sıcaklık ve basınç altında elektriksel iletkenliğin civarında olduğu tahmin edilmektedir. Dış çekirdekteki malzeme sıvı olduğu için kolayca hareket etme özelliğine sahiptir.

18 Yer Manyetik Alanı Yerin manyetik alanı, dünyanın sıvı dış çekirdeğindeki konveksiyon akımları ile oluşur. Dış çekirdekteki konveksiyon hareketleri, zaman içinde manyetik alanı oluşturur. Bu konveksiyon hareketlerinin Çekirdekte bulunan radyoaktif maddelerin yaydığı ısı nedeniyle sıvı, termal dolaşım (İngilizce convection) hareketi adı verilen bir hareket yapar. dünyanın oluşumundan beri meydana gelmiştir.

19 Atomların yeterli bir güçle ve düzenli bir şekilde yer değiştirmesi kalıcı mıknatıslanmaya neden olduğundan dünyanın kabuğunda kalıcı mıknatıslanma yaratır.

20 Yer Manyetik Alanı Laboratuvar deneyleri, ısının manyetizmayı yokettiğini, ve sıcaklığın 500° aşması ile maddelerin mıknatıs olma özelliklerinin kalktığını göstermiştir. Buna göre, 20 ila 30 km derinliklerde malzemeler, sıcaklığın bu seviyeler ulaşması nedeni ile, mıknatıslanma gösteremez.Bu sebepten mıknatıs düşüncesi manyetik alanı açıklayamayınca dinamo teorisi ortaya atılmıştır.

21 Dipola benzeyen mağnetik alanın kaynağı nerede? yerin merkezindeki dipol Düzgün mıknatıslanmış çekirdek Düzgün mıknatıslanmış yeryuvarı Manto- çekirdek sınırını takip eden Doğu- Batı elektrik akımları

22 YERİN MANYETİK ALANI Yerin manyetik alanını meydana getiren nedir? Yerin iç sıcaklığı bir kalıcı mıknatısın var olması için çok fazla Manyetik alan her 200.000 yılda bir terslenmektedir. Yerin elektriksel iletkenliği ve çekirdeğin büyüklüğünü ne bağlı olarak manyetik alan son 20.000 yılda azalmaktadır. O zaman manyetik alan sürekli olmalıdır. İletime (konveksiyon) dayalı bir dinamo yerin sıvı dış Çekirdeğinde çalışmalıdır. Manyetohidrodinamik; Elektirk akımın hareketi bir manyetik Alan meydana getirmelidir.

23 Manyetohidrodinamik Lineer olmayan kısmi integral işlemleri çözülmelidir Elektromanyetik Eşitlik Hidrodinamik Eşitlik Isı transferi Eşitlikleri Sınır şartları

24 Dinamo Teorisi Dinamo teorisi ilk defa 1920'de Larmor tarafından güneşin manyetik alanı ile ilgili özelliklerini açıklamak amacı ile önerilmiştir. Yerin manyetik alan kaynağı dinamo teorisiyle açıklanır.Bu teori, yerin metalik ve sıvı olan dış çekirdeğinin “kendi kendini işleten bir dinamo” gibi davranmakta olduğu düşüncesine dayanır.

25 Teorinin fiziksel yönü ise, mağneto-hidrodinamik bir olay olarak açıklanmaktadır. Sıvı (ergimiş) halde demir-nikel karışımından meydana gelmiş olan ve elektrik akımı için iyi bir iletken durumunda bulunan yerin dış çekirdeği içinde sürekli olarak meydana gelen termal konveksiyon hareketi elektrik akımı oluşturmakta ve bu akım yerin asıl manyetik alanını meydana getirmektedir.

26 Yukarıdaki özelliklere sahip dış çekirdekte, ilk olarak neden kaynaklandığı henüz kesin olarak bilinmeyen bir akım sistemleri mevcuttur. Çekirdeğin iyi bir iletken olmasına karşın, elektrik akım sistemleri omik (iletken dirençi) kayıplardan dolayı sürekli enerji kaybeder. Kaybolan elektrik enerjisi ısı enerjisine dönüşür ve bu ısı da çekirdeğin sıcaklık dengesine yardımcı olur. Bilinen elektromanyetik bağıntılar çekirdekteki akım sistemlerine uygulandığında, akım sistemlerinin 10 4 yıl sonra sıfıra ulaştığı görülür. Ancak paleomanyetik veriler akım sistemlerinin bir sonucu olan yermanyetik alanın en az 10 9 yıldan beri var olduğunu göstermektedir. Buna göre akım sistemleri ya süreklilik göstermekte ya da yeniden doğmaktadır. Sıvı dış çekirdekte akım sistemlerini yeniden doğurarak sürekli kılan ve bu sırada yermanyetik alanın oluşmasına da neden olan bir düzenek mevcuttur. Bu düzeneğe dinamo adı verilir.

27 3 Temel Prensip Dinamo teorisi, bir gök cisminin manyetik alanını gök cisminin içindeki elektrik alanı ile açıklamaya çalışır. Teorinin 3 temel prensibi vardır. Nedeni ne olursa olsun başlangıçta zayıf bir manyetik alan varlığı, Gök cismi içinde yer alan malzemede bazı hareketlerin varlığı ve devamlılığı Gök cismi içinde elektrik iletkenliği yüksek ve yeterince büyük bir ortamın varlığıdır.

28 3 Temel Prensip Katı iç çekirdeğin dinamo hareketlerine doğrudan katkısı söz konusu değildir. Başlangıçtaki zayıf dış alan elektriksel iletkenliği yüksek sıvı dış çekirdekteki hareketli maddede indüksiyon etkisi ile bir elektrik akımı oluşur. Bu akımdan kaynaklanan manyetik alan yerin manyetik alanını oluşturur. Yüksek elektriksel iletkenliğe sahip sıvı dış çekirdekteki hareketlerin gerçekleşmesinin 2 şartı vardır. Kütle hareketleri uygun olmalı Kütle hareketleri devamlı olmalıdır.

29

30 Dinamo teorisi Alman kökenli Amerikan fizikçi Walter M. Elsasser ve İngiliz jeofizikci Edward Bullard tarafından 1900’lerin ortalarından ortaya atılmıştır. Dinamo ile ilgili en önemli konu; dinamonun bir mıknatısa dayandığıdır. Mıknatıs bir loop içerisinde rotasyon yapmaktadır. Böylece değişken akı bobinde bir elektrik akımı indüklemektedir. Sürekli bir akım elde etmek için bu prensip değişikliğe uğrayabilir. Bu ise Faraday disk dinamosu (1831) olarak bilinmektedir. Eğer iletken bir disk uygulanan manyetik alan karşısında kalıcılık kazanırken dönerse, diskin ekseni ve kenarı arasında bir potansiyel fark meydana gelir. Eğer bunlar iletken bir tel ile bağlanırsa, bir elektrik akım oluşur.

31 Diskten geçen manyetik akı ve elektromotor kuvvet Bu ise kendi kendini besleyen bir dinamo değildir. Çünkü sistem sadece kalıcı bir mıknatısa bağlıdır. Şimdi mıknatıs yerine bir selenoid kullanıldığını göz önüne alalım (Şekil b). Eğer rotasyon yeterinde büyük ise, M;disk ve selenoid arasındaki voltaj farkı, I:akım, :açısal hız

32 Dynamo Etkisi : Dinamo etkisi jeofiziksel bir teori olarak yer manyetik alanın kökenini kendi kendini besleyen bir dinamo modeli ile açıklamaya çalışmaktadır. Bu dinamo mekanizması yerin dış çekirdeğindeki akışkan hareketi var olan bir manyetik alanda iletken malzeme-sıvı demirin hareketi sonucu elektrik alımlarının meydana gelmesi şeklinde çalışmaktadır çekirdekdeki (radyoaktif bozuşma sonucu ortaya çıkan ısı konveksiyon hareketi oluşturduğu düşünülmektedir). Elektrik akımı manyetik alanı meydana getirirken aynı zamanda akışkan hareketi ile birlikte ikincil manyetik alanların oluşmasını da katkıda bulunur. Böylece oluşan manyetik alan orijinal alandan daha güçlü olmaktadır ve yerin rotasyon ekseni üzerinde yer almaktadır..

33 Şekilde kendi kendini besleyen manyetik alanın nasıl meydana geldiğini göstermektedir. (A) ‘da başlangıçta poloidal bir manyetik alanın olduğunu göz önüne alalım. Bunlardan bir tanesi meridyen yüzeyinde bulunmaktadır. Bu alan çizgisinin en iç kısmının bir akışkan içinde bulunduğu ve bunun dışdaki akışkan hareketinden daha hızlı rotasyon ettiği göz önüne alınmıştır. İyi iletkenlerde, manyetik alan akışkan içerisinde hapsolur ve hareketi de akışkan hareketinin hareketi şeklindedir. Birçok rotasyondan sonra, alan çizgisi rotasyon ekseni etrafında sarınmak ister. Böylece büyük toroidal bir alan meydana gelir. Bunlardan bir tanesi rotasyon eksenine dik olan yüzeyde bulunmaktadır. İletkenlik kusursuz olmadığından, toroidal loop akışkan üzerinden yayılır ve orijinal poloidal alandan kendini ayırır.

34 Bundan sonra, toroidal alan üzerinde radyol akışın etkisini göz önüne alalım. Sıvı çekirdeğin farklı noktalarında, akışkan termal konveksiyon ile hücreler şeklinde yükselmektedir. Yükselen akışkan toroidal manyetik alanı da birlikte taşımaktadır. Bu alan yükseldikte saptırma kuvveti akışkanı saptırmakta ve hücrenin merkezi ekseninde sönmesine sebep olmaktadır. Böylece manyetik alan da burulmaya sebep olacaktır. Yaklaşık 270 derecelik bir rotasyondan sonra, manyetik alan çizgileri kendi içlerinde burulmaya başlamakta ve iletken üzerinden dışarı yayılmaktadır. Böylece toroidal loopdan ayrılmaktadır (C). Bu aşamada, yükselen loop orijinal alan ile birlikte meridyen düzlemine doğru yönelmektedir. –poloidal. Sonuçta, küçük loplar tek büyük bir lopta birleşerek tekrar başlangıçtaki poloidal alanı oluşturmaktadır.

35 alçalan akışkanlardaki hücrelerde, toroidal alan zıt doğrultuda sarmalanmakta poloidal lopların da zıt polariteleri olur. Eğer alçalma işlemi tam olarak simetrik olursa, bu şekilde oluşan loplar yükselen loplar ile birbirini sönümleyecektir. O yüzden alçalanakışkan ile oluşan lopların yükselenlerden daha zayıf olması gerekmektedir.

36

37

38

39

40 Magnetic Field of Other Planets Mercury – yes, but weak Venus – no, or very weak Mars – no clear evidence for field, but might have had field in the past Jupiter – yes, very strong (20,000 times earth) Saturn – yes 500 times earth Uranus – yes, strong tilt with respect to rotational axis

41