بررسی میدان مغناطیسی زمین در داخل مرزهای ایران و تأثيرات آن در ارتفاعات بالا word

چکیده

امروزه پیشرفت تکنولوژی و صنعت، کشورهای دنیا را بر این امر واداشته که پروژه‌ها و طرح‌های خود را با کیفیت بهتری انجام دهند و از دقت بیش‌تر و بالاتری برخوردار باشند. به‌همین سبب مثلا در پروژه‌های فضایی دانستن اطلاعات پیرامون میدان مغناطیسی زمین، اقليم فضایی، بادهای خورشیدی و... امری ضروری به‌نظر می‌رسد. از آن‌سو چندیست کشور ما نیز وارد عرصه فضایی شده است؛ پس علاوه بر دانش ساخت و پرتاب ماهواره و قرار دادن آن در مدارات ماهواره‌ای مختلف، باید اطلاعات خود را راجع به اقلیم فضایی و نیز تاثیر میدان مغناطیسی بر ماهواره و مدارهای الکترونیکی آن و تاثیر بر کنترل ماهواره از طریق ایستگاه‌های زمینی را افزایش دهد. همچنین با استفاده از نقشه‌های میدان مغناطیسی زمین و مقایسه با تغییرهای الگوها و مقدار و جهت میدان مغناطیسی کانی‌ها و معادنی که تا کنون کشف شده‌اند و هم اکنون مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرند، می‌توانیم برای مکان‌های دیگری نیز که همان تغییرها در مقدار و جهت میدان مغناطیسی را دارند پیش‌بینی کنیم، که در آن نقاط خاص نیز احتمال یافتن منابعی از کانی‌ها و معادن مشابه، وجود خواهد داشت.

به‌طور کلی، اهمیت میدان مغناطیسی و تأثیرهای آن، لازم می‌دارد که ما اطلاعات کامل و مفیدی از مقدار و جهت میدان مغناطیسی پیرامون خود داشته باشیم. با توجه به اینکه حدود 33% از عناصر تشکیل دهنده پوسته زمین، آهن(دارای خاصیت مغناطیسی) است پس می‌توان گفت که مقدار مواد فرومغناطیس در زمین قابل توجه است.

می‌دانیم که کره زمین شکلی کروی دارد به همین منظور ما احتیاج به بررسی یک کره فرومغناطیس داریم که با یک مدل بسیار ساده یعنی به‌صورت یک دوقطبی در نظر بگیریم. بنابراین در این پروژه سعی شده است که ابتدا با استفاده از مدل‌های موجود میدان مغناطیسی دوقطبی، اندازه میدان مغناطیسی دوقطبی زمین در سطح ایران در ارتفاع 4 کیلومتر را به‌دست آورده و سپس با استفاده از نقشه بی‌هنجاری مغناطیسی زمین، در همان ارتفاع و با استفاده از محیط MATLAB، مقادیر بی‌هنجاری را در میدان مغناطیسی تاثیر داده تا مقدار میدان مغناطیسی کل را در آن ارتفاع بخصوص به‌دست آوریم. در ادامه رابطه میان ارتفاع‌ها و کوه‌های موجود در ایران را با بی‌هنجاری مورد بررسی قرار دادیم و ضریب همبستگی میان آن‌دو را یافتیم که دیده می‌شود همبستگی بسیار خوبی در حدود 97 % دارد. این پدیده نشان از پدیده‌های زمین شناختی بیش‌تری در ارتفاعات دارد. در خاتمه، در این پروژه سعی کردیم نقشه‌های میدان مغناطیسی به‌دست آمده را با مقادیر اندازه‌گیری شده میدانی مقایسه کنیم و میزان اعتبار این‌گونه روش‌ها و اندازه‌گیری‌ها را بسنجیم.

کلمات کليدی فارسی: میدان مغناطیسی زمین در ايران، اقليم فضایی، بی‌هنجاری¹

1- بی‌هنجاری، نایکنواختی، بی‌ترتیبیAnomaly:

فهرست مطالب

چکیده.. 2

فهرست مطالب.. 4

بخش یک: میدان مغناطیسی و کاربردها

فصل اول مقدمه‌ای بر میدان مغناطیسی.. 10

1-1 مقدمه.. 10

1-1-1 میدان مغناطیسی.. 10

1-1-2 منشاء میدان مغناطیسی زمین.. 11

1-2 اندازه‌گیری میدان مغناطیسی هسته‌ی زمین.. 13

فصل دوم: خصوصیات مواد مغناطیسی، محیط‌های مغناطیسی و کاربردهای آنها.. 15

2-1 خصوصیات مواد مغناطیده.. 15

2-1-1 میدان مغناطیسی B و شدت مغناطیسی H.. 15

2-1-2 پذیرفتاری و تراوایی مغناطیسی.. 15

2-2 محیط‌های مغناطیسی.. 21

2-2-1 مگنتوسفرزمين.. 21

2-2-2 بادهای خورشیدی و تاثیر آن بر میدان مغناطیسی زمین.. 21

2-2-3 مدارهای وان آلن.. 22

2-2-4 پدیده شفق قطبی.. 23

2-2-5 محاسبه میدان مغناطیسی در محیط‌های بی‌هنجار اطراف زمین.. 23

2-3 موارد دیگری از کاربرهای میدان مغناطیسی زمین در زندگی روزمره.. 25

2-3-1 مغناطیس گرانشی.. 25

2-3-2 محلول های مغناطیسی نانو.. 25

2-3-3 آهنرباهای دوفازی.. 26

2-3-4 بازار جهانی.. 27

2-3-5 نانومغناطیس.. 28

2-3-6 نانوذارت مغناطيسی.. 28

2-3-7 فروسيال‌ها(محلول‌های مغناطيسی).. 29

2-3-8 نانوکامپوزيت‌های مغناطيسی.. 29

2-3-9 دارو رسانی هدفمند.. 29

2-3-10 جهت‌یابی در کشتیرانی و صنعت هواپیما.. 30

2-3-11 مین‌های دریایی.. 30

2-3-12 باستان‌شناسی مغناطیسی.. 32

2-4 کلياتی در مورد کاوش‌های مغناطيسی.. 33

فصل سوم: بررسی اثرات میدان مغناطیسی بر روی پوسته و پدیده‌های زمین شناختی.. 35

3-1 چرخه سنگ.. 35

3-2 کانی‌ها.. 36

3-2-1 تشکیل کانی‌ها.. 37

3-2-2 شناسایی کانی‌ها.. 37

3-2-3 طبقه‌بندی کانی‌ها.. 38

3-2-4 کاربرد کانی‌ها.. 39

3-3 ساختمان درونی زمین.. 40

3-4 ترکیب شیمیایی زمین.. 41

3-4-1 نمونه برداری مستقیم.. 42

3-4-2 روشهای غیرمستقیم.. 43

3-5 خصوصیات و ترکیب پوسته.. 44

3-6 خصوصیات و ترکیب گوشته.. 44

3-7 خصوصیات و ترکیب هسته.. 47

3-8 میدان مغناطیسی.. 49

3-8-1 وارونگی مغناطیسی.. 49

3-9 فشار.. 50

3-10 دما.. 51

3-11 زمین نا آرام.. 51

3-11-1 زمین ساخت ورقه‌ای.. 51

3-11-2 عقیده‌ای پیشرفته در زمان خود.. 51

3-11-3 مغناطیس دیرین.. 52

3-11-4 سرآغاز یک تحول فکری.. 52

3-11-5 گسترش بستر اقیانوس‌ها.. 53

3-11-6 وارونه شدن میدان مغناطیسی زمین.. 53

3-12 حرکت ورقه‌ها نسبت به هم، به سه شکل مختلف زیر می‌تواند صورت بگیرد.. 53

3-12-1 ورقه‌های دور شونده(واگرا).. 53

3-12-2 ورقه‌های نزدیک شونده(همگرا).. 55

3-12-3 ورقه‌های امتداد لغز.. 56

3-12-4 نقاط داغ.. 57

3-12-5 عامل های حرکت دهنده.. 57

3-13 ساخت‌های تکتونیکی و کوه‌زایی.. 57

3-14 تنش.. 57

3-15 کمربندهای کوه‌زایی.. 58

3-16 منابع مواد معدنی.. 59

3-16-1 تشکیل منابع معدنی.. 59

3-16-2 فعالیت‌های آذرین.. 60

3-16-3 فعالیت‌های دگرگونی.. 60

بخش دو: بررسی‌های میدان مغناطیسی در مدل‌های مختلف و نتایج

فصل چهارم: بررسی روش‌های مختلف جداسازی بی‌هنجاری‌های میدان مغناطیسی.. 62

4-1 مقدمه.. 62

4-2 جداسازی بی‌هنجاری‌ها به روش روند سطحی.. 63

4-3 جداسازی بی‌هنجاریها با استفاده از فیلترکردن.. 64

4-4 تفکیک بی‌هنجاریها توسط روشهای گسترش میدان پتانسیل.. 67

4-5 روش فرکتال.. 69

4-6 روشفرکتالیطیفتوان- مساحت.. 69

4-7 روش جداسازی کور منابع(BSS). 72

4-7-1 مدلسازی مسئله جداسازی کور منابع.. 72

4-7-2 مراحل پیش پردازش در مسائل جداسازی کور منابع.. 74

4-7-3 معیار Negentropy. 75

4-7-4 الگوریتم‌های جداسازی کور.. 75

4-8 الگوریتم FastICA.. 76

4-9 نتيجه‌گيری.. 76

4-10 ويژگی‌هاى پوسته ايران زمين از نظر نوع، ضخامت و ايزوستازى.. 77

4-10-1 نوع پوسته(Crust).. 77

4-10-2 ضخامت پوسته.. 78

4=10-3 ايزوستازى پوسته.. 79

فصل پنجم: منابع مهم تولید میدان مغناطیسی زمین و انواع مدل‌های موجود.. 81

5-1 منابع مهم تولید میدان مغناطیسی زمین.. 81

5-2 انواع مدل‌های میدان مغناطیسی زمین.. 81

5-2-1 مدل میدان مغناطیسی IGRF. 81

5-2-2 مدل دوقطبی کج شده.. 84

5-2-3 مدل میدان مغناطیسی WMM... 84

5-2-4 مدل میدان مغناطیسیMF. 85

5-2-5 مدل میدان مغناطیسی POMME. 86

5-2-6 مدل میدان مغناطیسی NGDC. 87

5-2-7 مدل میدان مغناطیسی CHAOS. 87

فصل ششم:رسم نقشه‌های میدان مغناطیسی.. 88

6-1 روش انجام کار.. 88

6-2 رسم نقشه‌ها.. 89

6-2-1 نقشه‌های میدان مغناطیسی دوقطبی زمین.. 89

6-2-2 رسم نقشه بی‌هنجاری.. 95

6-2-3 رسم نقشه بی‌هنجاری با نقشه میدان مغناطیسی دوقطبی.. 98

6-2-4 رسم نقشه ارتفاعات ایرن.. 101

6-3 رگرسیون.. 102

6-3-1 تحلیل رگرسیونی(Regression analysis).. 102

6-3-2 تعریف لغوی.. 102

6-3-3 شرايط پذيرش مدل.. 103

6-4 نتیجه‌گیری.. 104

6-5 پیشنهاد.. 106

پیوست یک: حل مسئله‌ی آهنربای دائم.. 108

پیوست دو: دمای کوری.. 110

نقطه‌ی کوری(Curie Point). 110

فرومغناطیس.. 110

فرومغناطیس‌های آکتنیدی.. 111

علت مغناطیسی شدن.. 111

تبادل متقابل.. 111

دمای کوری.. 112

رفتار مغناطیسی مواد.. 112

دوقطبی‌ها و گشتاورهای مغناطیسی.. 113

منابع.. 113

فصل اول مقدمه‌ای بر میدان مغناطیسی

1-1 مقدمه

1-1-1 میدان مغناطیسی

برای اولین بار در سال 1600 میلادی توسط گیلبرت، زمین بعنوان یک آهن‌ربای بزرگ معرفی شد. میدان مغناطیسی زمین شکلی دارد که گویی کره زمین مغناطیسی است که محورش تقریبا از شمال به جنوب قرار دارد. در نیمکره شمالی، تمام خطوط میدان مغناطیسی در نقطه‌ای به هم می‌رسند،این نقطه قطب جنوب مغناطیسی زمین نامیده می‌شود. باید توجه داشت که نقاط به هم رسیدن خطوط میدان مغناطیسی روی سطح زمین قرار ندارد بلکه قدری از آن پایین‌تر هستند. همچنین قطب‌های مغناطیسی زمین با قطب‌های جغرافیایی آن منطبق نیستند(شکل1-1). محور میدان مغناطیسی زمین، یعنی خط مستقیمی که از هر دو قطب مغناطیسی می‌گذرد، از مرکز زمین نمی‌گذرد و از این‌رو قطر زمین نیست. چندین سیاره دیگر از سیاره‌های منظومه شمسی نیز، میدان مغناطیسی دارند که از جمله آنها می‌توان از عطارد و مشتری نام برد. این خاصیت در خورشید و بسیاری ستاره‌های دیگر نیز دیده می‌شود.

شکل 1-1 - قطب‌های مغناطیسی زمین با قطب‌های جغرافیایی آن منطبق نیستند

بر پایه‌ی نظریه‌ی دینامو، این میدان در منطقهی هستهی بیرونی که مایع است، ساخته شده ‌است. در هستهی بیرونی گرمای زیاد و رسانش گرمایی باعث جابه‌جایی مواد رسانای درون آن می‌شود که این پدیده خود باعث پدید آمدن جریان‌های الکتریکی و از آن میدان مغناطیسی زمین می‌گردد. جابه‌جایی مواد در هستهی بیرونی با هرج و مرج همراه‌ است و باعث می‌شود که قطب‌های میدان مغناطیسی در بازه‌های زمانی گوناگون جابه‌جایی‌هایی داشته باشد. از این‌رو در بازه‌های زمانی چند میلیون سال باید چشم به راه چند بار جابه‌جایی در محل قطب‌های مغناطیسی زمین باشیم. برای نمونه، تازه‌ترین جابه‌جایی دو قطب در ۷۰۰۰۰۰ سال پیش رخ داده ‌است.

1-1-2 منشاء میدان مغناطیسی زمین

در الکترومغناطیس کلاسیک تعریف میدان مغناطیسی به‌صورت «میدان حاصل از بار الکتریکی در حال حرکت در اطراف آن» می‌باشد. میدان مغناطیسی از تک بارها، سیم‌های حامل جریان، جهت‌گیری دوقطبی‌های مغناطیسی(آهنرباهای دایمی)، جریان سیال رسانا(میدان مغناطیسی زمین) ایجاد می‌شوند. در الکترودینامیک نسبیتی بین میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی تفاوتی وجود ندارد و تعریف میدان الکترومغناطیسی به‌صورت «اثر بار الکتریکی در اطراف آن» تعریف می‌شود. چون حرکت کاملاً نسبی در نظر گرفته می‌شود و نمی‌توان بین بار ثابت و بار متحرک تفاوتی قایل شد(متحرک بودن یا ثابت بودن برای ناظرهای مختلف تفاوت می‌کند). نیروی حاصل از این میدان را نیروی لورنتس می‌خوانند.

به بیانی دیگر میدان مغناطیسی میدانی است که توسط یک جسم مغناطیسی یا ذرات، و یا با تغییر میدان الکتریکی، تولید شده است و توسط نیرویی که روی دیگر مواد مغناطیسی و یا حرکت بار الکتریکی اعمال می‌شود شناسایی می‌شود. میدان مغناطیسی در هر نقطه داده شده توسط هر دو پارامتر جهت و شدت مشخص می‌شود، که به‌عنوان یک میدان برداری شناخته می‌شود. اشیایی که خود میدان مغناطیسی تولید می‌کنند آهنربا نامیده می‌شوند. آهن‌رباها توسط نیروها و گشتاورهایی که توسط میدان‌های مغناطیسی تولید می‌کنند بر یک‌دیگر تاثیر می‌گذارند. آهن‌ربا معمولاً خود را در جهت میدان مغناطیسی موضعی تراز می‌کند. قطب‌نماها از این اثر برای اندازه گیری جهت میدان مغناطیسی موضعی، تولید شده توسط زمین استفاده می‌کنند. مدلی که میدان مغناطیسی یک شیء را نشان می‌دهد با استفاده از خطوط میدان مغناطیسی نشان داده می‌شوند. این خطوط صرفا یک مفهوم ریاضی هستند و به‌صورت فیزیکی وجود ندارد. با این حال، برخی پدیده‌های فیزیکی از قبیل تراز شدن براده‌های آهن در یک میدان مغناطیسی، به مانند خطوط در یک الگوی مشابه با خطوط فرضی میدان مغناطیسی از جسم را تولید می‌کند. جهت خطوط میدان مغناطیسی که تراز دلخواهی برای براده آهنی که بر روی کاغذی که بر روی یک نوار آهنربا قرار دارد، پاشیده شده است، نشان می‌دهد. جاذبه متقابل قطب مخالف براده آهن منجر به تشکیل خوشه‌های دراز از براده در امتداد خطوط میدان شده است.

جریان الکتریسیته و انتقال شار الکتریکی میدان مغناطیسی تولید می‌کند. حتی میدان مغناطیسی از یک ماده مغناطیسی را می‌توان به‌عنوان مدل حرکت شار الکتریکی الگو گرفت. میدان مغناطیسی نیز بر روی حرکت شار الکتریکی نیرو وارد می‌کند. میدان‌های مغناطیسی در داخل و با توجه به مواد مغناطیسی می‌تواند کاملا پیچیده باشد. میدان مغناطیسی با مواد دیگر اثر متقابلی دارد، بنابراین میدان مغناطیسی متقابلی با مواد دیگر ایجاد می‌کند. شرح میدان مغناطیسی در داخل آهن‌ربا شامل دو رشته جداگانه ‌است که می‌تواند هر دو به نام میدان مغناطیسی، میدان مغناطیسی B و میدان مغناطیسی H نامیده شود. اینها توسط یک میدان سوم که توصیف حالت مغناطیسی مواد مغناطیسی در درون آنهاست، که مغناطیس کنندگی(مغناطش) نامیده می‌شود تعریف می‌شود. انرژی مورد نیاز برای ایجاد میدان مغناطیسی می‌تواند زمانی که میدان از بین می‌رود اصلاح شود. و این انرژی می‌تواند، به‌عنوان "ذخیره شده" در میدان مغناطیسی در نظر گرفته شود. انرژی ذخیره شده در مواد مغناطیسی به مقادیر B و H بستگی دارد. میدان الکتریکی میدانی است که توسط شار الکتریکی ایجاد شده است و این میدان‌ها به‌طور تنگاتنگی به میدان‌های مغناطیسی مربوط می‌شوند؛ تغییر در میدان مغناطیسی میدان الکتریکی و تغییر در میدان الکتریکی میدان مغناطیسی تولید می‌کند. ارتباط کامل بین میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی و جریان و شار که آنها را ایجاد می‌کنند، توسط مجموعه‌ای از معادلات ماکسول توصیف می‌شوند. با در نظرگرفتن این ارتباط خاص، میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی دو جنبه مرتبط از یک موضوع منفرد، به نام میدان الکترو مغناطیسی هستند. یک میدان الکتریکی خالص، در یک چارچوب مرجع، به‌عنوان ترکیبی از هر دو میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی که در یک چارچوب مرجع حرکت می‌کند، مشاهده می‌شود. در فیزیک کوانتومی، میدان مغناطیسی خالص(و الکتریکی) را توسط اثرات ناشی از فوتون‌های مجازی می‌توان درک کرد و در زبان مدل استاندارد، نیروی الکترومغناطیسی در تمام مظاهر توسط فوتون واقع می‌شود. در اغلب موارد این شرح میکروسکوپی مورد نیاز نمی‌باشد چرا که نظریه کلاسیک ساده، قانع کننده‌ است؛ تفاوت تحت میدان با انرژی پایین‌تر در اکثر شرایط قابل اغماض است.

میدان‌های مغناطیسی در جوامع قدیمی و مدرن استفاده‌های بسیار داشته‌ است. زمین میدان مغناطیسی خود را تولید می‌کند. که در جهت‌یابی‌ای که توسط قطب شمال قطب نما که به سمت قطب جنوب میدان مغناطیسی زمین منحرف شده ‌است، بسیار حایز اهمیت است. از چرخش میدان مغناطیسی در موتور الکتریکی و ژنراتور بهره گرفته شده‌ است. نیروهای مغناطیسی ارائه دهنده اطلاعاتی در مورد حرکت شار از طریق اثر هال هستند. تداخل میدان‌های مغناطیسی در دستگاه‌های برقی مانند ترانسفورماتورها در نظم حوزه‌های مغناطیسی مورده مطالعه قرار گرفته‌اند. مطالعه میدان مغناطیسی به‌عنوان یک موضوع مجزا از آهنربا در قرن 13 هنگامی که Petrus Peregrinus میدان مغناطیسی آهنربای کروی را مطالعه کرد و فرض نمود که زمین خود یک آهن‌ربا است، آغاز شد. تمایز مدرن بین میدان‌های B و H در قرن 19 کشف شد. رابطه بین میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی در مجموعه‌ای از معادلات ماکسول در نیمه دوم قرن 19کشف شد. و مفهوم الکترومغناطیس متولد شد. روندی که در پشت معادلات ماکسول قرار داشت در نیمه اول قرن 20 مشخص شد، هنگامی که ارتباط خاص آنها نشان داده شد. شرح کاملی از الکترومغناطیس، الکترودینامیک کوانتومی و یا QED نامیده می‌شود، که شامل مکانیک کوانتومی که در اواسط قرن 20 کشف شد، است.