תאוריית הדינמו

תאוריית הדינמו היא תאוריה מדעית המתארת כיצד נוצר השדה המגנטי של כדור הארץ, של השמש, של דיסקות ספיחה ושל גרמי שמים אחרים.

עקב סיבוב כדור הארץ סביב צירו, זורמות מתכות נוזליות, דוגמת ברזל, בפנים כדור הארץ, ועקב כך נוצרים זרמים חשמליים אשר יוצרים שדה מגנטי לפי חוקי האלקטרומגנטיות. מישור ומהירות סיבוב המתכת הנוזלית בגלעין כדור הארץ נתונים לשינויים, ולכן מיקום הקטבים המגנטיים אינו קבוע בזמן.

בשמש השדה המגנטי נגרם באופן דומה, עקב תנועת פלזמה (גז מיונן).

היסטוריה

כבר בסוף המאה ה-16 שיערו שכדור הארץ הוא מגנט. בתחילה ייחסו זאת לפרומגנטיות - הצורה המוכרת של מתכת מגנטית, אולם מאוחר יותר היה צורך בהסבר אחר, כי הטמפרטורה הגבוהה מאוד בפנים כדור הארץ - הרבה מעל נקודת קירי של כל מתכת - איננה מאפשרת פרומגנטיות. בתחילת המאה ה-20 גילו שגם לשמש שדה מגנטי משל עצמה.

תאוריית הדינמו החלה ברעיונות של ג'וזף לרמור - פיזיקאי ומתמטיקאי צפון אירלנדי אשר הציע בשנת 1919 את הרעיון, שכתמי השמש הם עדות לפעילות של מעין דינמו על פני השמש, עקב תנועת נוזל בעל מוליכות חשמלית (לימים התברר שמדובר בפלזמה - גז מיונן).

בשנות ה-40 של המאה ה-20 החלו לחקור האם השדה המגנטי של כדור הארץ נוצר על ידי תנועת ברזל וניקל נוזליים בתוך כדור הארץ, ובמקביל חקרו את השדה המגנטי של השמש בכיוון דומה. בשנת 1955 הצליחו להראות את הקשר שבין זרימת נוזל בעל מוליכות חשמלית, לבין היווצרות שדה מגנטי בגרמי שמיים.

תאוריית הדינמו הקינטית פורסמה לראשונה ב-1978 על ידי H.K. Moffat מאוניברסיטת קיימברידג'. תאוריה זו הסבירה את היווצרות השדה המגנטי עקב תנועת נוזל בעל מוליכות חשמלית, אך לא נתנה מענה להשפעה ההפוכה של השדה המגנטי על זרימת הנוזל (כוח לורנץ). השפעת כוח לורנץ באה לידי ביטוי רק בתאוריית הדינמו הלא ליניארית (ראו להלן), שהתפתחה בשנות ה-90 של המאה ה-20, תוך שימוש במחשבי על. אחד התוצרים של תאוריה זו - היא מודל היפוך כיוון המגנטיות של כדור הארץ על ידי גארי גלאצמייר (Gary Glatzmaier) מהמעבדה הלאומית לוס אלמוס, כפי שמודגם בתרשימים 2-5 להלן.

עיקרי התאוריה

תאוריית הדינמו מתארת את התהליך שבו תנועה של מסה בעלת מוליכות חשמלית - גורמת ליצירה או לחיזוק של שדה מגנטי. בכדור הארץ הגוף המוליך הוא ברזל נוזלי בגלעין החיצוני הנוזלי (Liquid outer core) של כדור הארץ (מסומן בצבע צהוב בתרשים 1). בשמש הגוף המוליך הוא פלזמה (גז מיונן).

התאוריה מבוססת על:

נוסחאות מתחום הקרוי מגנטו-הידרודינמיקה - תחום באלקטרומגנטיות העוסק בדינמיות של נוזל או פלזמה (גז מיונן) - בעלי מוליכות חשמלית. באמצעות נוסחאות אלה חקרו כיצד תנועת הגופים המוליכים גורמת ליצירת שדה מגנטי.
תצפיות על שינויים בשדה המגנטי של כדור הארץ - תופעת נדידת הקטבים המגנטיים ותופעת היפוכי כיוון, ותצפיות על שינויים בשדה המגנטי של השמש.
יישום של תאוריית גאוס המוכיחה שמקור השדה המגנטי של כדור הארץ פנימי ולא חיצוני.

במקרה של כדור הארץ - על פי תאוריית הדינמו - עקב סיבוב כדור הארץ סביב צירו, מופעל כוח קוריוליס על הברזל והניקל הנוזליים המצויים בגלעין החיצוני הנוזלי Liquid outer core של כדור הארץ (מסומן בצבע צהוב בתרשים 1) והמתכות הנוזליות האלה נעות סביב ציר הסיבוב של כדור הארץ. תנועה כזו בסביבה של שדה מגנטי קיים - יוצרת זרמים חשמליים ואלו יוצרים שדה מגנטי המגביר את השדה הקיים - כפי שמתרחש בדינמו. בצורה דומה ניתן להסביר את השדה המגנטי הנוצר בגרמי שמיים שונים, בהם השמש - המכילה פלזמה העוברת תהליך דומה.

תאוריית הדינמו הקינטית

תאוריית הדינמו הקינטית היא הגרסה הראשונה של תאוריה זו, זו גרסה מופשטת יותר וקלה יותר להבנה, העושה שימוש בשדה וקטורי המייצג את הכוחות המופעלים על הנוזל, תוך שימוש במשוואות מקסוול, בחוק אוהם ובחוקי המכניקה של נוזלים, אך איננה כוללת את השפעת כוח לורנץ. התאוריה הקינטית טובה כדי לחשב האם בסביבה נתונה ייווצר שדה מגנטי או לא, אך היא איננה מתאימה לתאר שינויים והיפוכים לאורך הזמן בשדה המגנטי.

תאוריית הדינמו הלא ליניארית

תאוריית הדינמו הקינטית איננה נותנת מענה, במצבים בהם השדה המגנטי חזק מספיק כדי להשפיע חזרה על תנועת הנוזל. מהירות הנוזל מושפעת גם מכוח לורנץ, מה שהופך את מערכת המשוואות ללא ליניארית, ולשם כך פותחה תאוריית הדינמו הלא ליניארית. בתאוריה זו מודלים מתמטיים מורכבים ביותר, וחישובים נעשים בין היתר באמצעות מחשבי על.

יישומים מעשיים

תאוריית הדינמו מסייעת להבנת תהליכי היווצרותם של שדות מגנטיים והשינויים החלים בהם - בגרמי שמיים רבים, בין היתר תאוריה זו מסייעת רבות להבנת:

המחזוריות המגנטית בשמש, שאורכה כ-11 שנים. מחזוריות המשפיעה על כתמי השמש.
תהליך היפוך כיוון המגנטיות של כדור הארץ, כפי שמודגם בתרשימים 2-5 להלן.

תרשימים 2-5 - סימולציה לתיאור היפוך הכיוון של השדה המגנטי סימולציה שנוצרה במחשב על על ידי גארי גלאצמייר Gary Glatzmaier - המעבדה הלאומית לוס אלמוס.^[1] קווים כחולים / כתומים = "צפון מגנטי" / "דרום מגנטי" או להפך (תלוי באיזה היפוך מדובר).
תרשים 2 - מצב "רגיל" בין היפוכי כיוון	תרשים 3 - כ-500 שנים לפני היפוך כיוון
תרשים 4 - במהלך היפוך הכיוון	תרשים 5 - כ-500 שנים לאחר היפוך כיוון