Maapallon magneettinen napa siirtyy itäiselle pallonpuoliskolle

Maapallon magneetikentä ulottuu kauaksi avaruuteen.
Kuva ESA/ATG medialab

Uusimpien tutkimusten mukaan maapallon magneettinen etelänapa^[1], joka sijaitsee lähellä pohjoista maantieteellistä napaa, on siirtynyt kohti itää ainakin viimeisten kahdenkymmenenviiden vuoden ajan. Tutkimukset on tehty Euroopan avaruusjärjestön (ESA) Swarm-satelliittikolmikolla^[2].

Kuten tunnettua, maapallon magneettikenttä suojelee ilmakehää ja maapallon elämää hyvin tehokkaasti. Ilman riittävän voimakasta magneettikenttää aurinkotuuli olisi riipinyt maapallon ilmakehän jo miljardeja vuosia sitten, kuten on käynyt esimerkiksi Marsissa. Tästä syystä maapallon magneettikenttä on ollut hyvin suuren tieteellisen tutkimuksen kohteena viime vuosina.

Yllä olevassa videossa nähdään maapallon magneetikentän paikalliset voimistumiset (punainen) ja heikentyminen (sininen) aikavälillä 2000–2015. Video DTU Space.

Maapallon magneettikenttä ei ole muuttumaton, vaan siinä tapahtuu kaiken aikaa merkittäviä muutoksia. Kentän voimakkuus^[3] on heikentynyt Pohjois-Amerikassa noin 3,5 % vuodesta 1999 tähän päivään mennessä. Vastaavasti kenttä on vahvistunut Aasiassa. Kolmas voimakkaan muutoksen alue on ollut Etelä-Atlantin anomaliana^[5] tunnettu alue Etelä-Amerikassa. Anomalian kenttävoimakkuus on heikentynyt noin 2 % ja anomalia on siirtynyt hieman kohti länttä.

Pohjoisen pallonpuoliskon magneettinen napa löydettiin vuonna 1831, jolloin skotti James C. Ross määritti sen paikan Boothian niemimaalle (70,1 N 96,6 W) Kanadan pohjoisosien saaristossa. Eteläisen pallonpuoliskon magneettinapa löydettiin vuosikymmeniä myöhemmin. Magneettisten napojen sijainti ei juuri kiinnostanut tutkijoita, ehkä syynä oli se, että niiden oletettiin pysyvän paikoillaan. Kuitenkin vuonna 1904 norjalainen Roald Amundsen määritti navan paikaksi joitakin kymmeniä kilometrejä pohjoisemmaksi kuin mitä Ross oli sen määrittänyt.

Yllä olevassa videossa nähdään magneettinapojen liikkuminen vuosina 1999–2016,5. 
Video DTU Space.

Vuonna 1948 Kanadan geologian tutkimuskeskus määritti magneettisen navan paikan kolmannen kerran. Yllätys oli suuri kun se löytyikin noin 500 km pohjoisempaa kuin aikaisemmissa määrityksissä. Tämän jälkeen magneettisen navan paikkaa on määritetty retkikunnilla noin kerran vuosikymmenessä. Viimeksi retkikunta etsi ja löysi magneettisen navan vuonna 2001. Parin viime vuosikymmenen aikana navan liike kohti pohjoista on jatkunut jopa viisinkertaisella vauhdilla aikaisempaan verrattuna, viime vuosina jopa 40 km vuodessa. Nykyisin magneettisten napojen paikat määritetään satelliiteilla.

Eteläisen magneettinavan liikkuminen ei ole ollut yhtä nopeaa eikä yhtä suoraviivaista kuin pohjoisen magneettinavan.

Magneettinapojen paikan muutokset selittynevät itse magneettikentän syntymiseen johtavalla ilmiöllä. Maapallon kiinteän ytimen ulkopuolella on ulkoydin, joka on sulassa tilassa olevaa rauta-nikkeliseosta. Maapallon radioaktiiviset aineet ovat tuottaneet niin paljon lämpöä, että se on riittänyt sulattamaan tuhansia kilometrejä paksun kerroksen metallia. Sula metalliseos ei suinkaan pysy paikoillaan vaan kiertää ydintä kuin jättiläismäinen merivirta. Fysiikkaa tuntevat tietävät, että jos sähköä johtava neste on kierto- tai pyörimisliikkeessä, siihen syntyy aina sähkövirtoja^[4]. Sähkövirrat puolestaan synnyttävät magneettikentän, joka ulottuu kauas maapallon ulkopuolelle.

Virtaukset maapallon ulkoytimessä ei suinkaan ole tasaisia, vaan siinä tapahtuu muutoksia kaiken aikaa. Muutokset virtauksissa näkyvät magneettikentän muutoksina ja siinä on havaittavissa syklisyyttä. Maapallon magneettikentän suunta vaihtelee pari kertaa miljoonassa vuodessa. Suurimman osan maapallon geologisen historian aikana magneettikenttä on ollut nykyisen suuntainen, mutta jonkin verran lyhyempinä kausina magneettikentän suunta on ollut päinvastainen. Perimmäistä syytä suunnan muuttumiselle ei tunneta mutta ehkä maapallon ydin tekee aivan omia koreografeja riippumatta manttelin ja kuorikerroksen liikkeistä.

Swarm-satelliittien kokoaman mittaustiedon mukaan myös muuta pallon rakenteelliset kerrokset ovat aktiivisia magneettikentän muokkaajia.  Esimerkiksi jähmeähköön mantteliin indusoituu sähkövirtoja magnetosfäärissä tapahtuvien ilmiöiden vaikutuksesta. Sähkövirrat puolestaan synnyttävät omia paikallisia magneettikenttiä, jotka puolestaan vuorovaikuttavat globaalin kentän kanssa. Näin ollen maapallon magneettiset ominaisuudet ovat hyvin dynaamisia ja muuttuvat kaiken aikaa ja josta tutkijat ovat vasta aivan viime vuosina saaneet kalpean aavistuksen.

Maapallon magneettikenttä syntyy sulan ulkoytimen virtauksissa.
Kuva © Kari A. Kuure.

Huomautukset

[1] Kaikissa magneettisissa kappaleissa (myös maapallossa) on vähintään kaksi napaa: pohjoinen ja eteläinen. Magneettisen pohjoisnavan alueella magneettikenttä osoittaa poispäin kappaleesta ja vastaavasti etelänavan läheisyydessä kentän suunta on kohti kappaletta. Magneettikentän suunta voidaan määrittää kotikonstein tavallisella kompassilla. Kompassin (pohjois)neula (joka on magneettisesti pohjoisnapa) osoittaa kaikkialla maapallolla pohjoiseen.

Fysiikasta tiedämme, että samansuuntaiset magneettiset navat hylkivät toisiaan ja erisuuntaiset puolestaan vetävät toisiaan puoleensa. Kun maapallon pohjoisnavan läheisyydessä olevan magneettinen napa vetää kompassin pohjoisneulaa puoleensa, navan täytyy olla magneettinen etelänapa. Vastaavasti lähellä Etelämannerta oleva magneettinen napa on magneettinen pohjoisnapa.

Jotta tilanne olisi mahdollisimman sekava, pohjoisella pallonpuoliskolla olevaa napaa kuitenkin usein kutsutaan pohjoiseksi magneettinavaksi. Vastaavasti eteläisellä pallonpuoliskolla oleva napa on eteläinen magneettinapa, joten joudumme olemaan termistön kanssa erittäin tarkkana.

Swarm-satelliitit kiertämässä maapalloa.
Kuva  ESA/ATG Medialab

[2] ESA laukaisi satelliittikolmikon vuonna 2013. Luotaimien tehtävänä on tehdä mittauksia magneettisista signaaleista, joita syntyy maapallon ytimessä, manttelissa, kuorikerroksessa, merissä, ionosfäärissä ja magnetosfäärissä.

[3] Maapallon magneettikentän voimakkuus on keskimäärin noin 50 000 nT (nanoTeslaa). Se ulottuu Auringon puolella noin 20 000 km korkeuteen ja magneettisen pyrstön (vastakkaisella puolella) pituus on miljoonia kilometrejä pitkä, riippuen aurinkotuulen nopeudesta ja tiheydestä. Kenttävoimakkuus on heikentynyt noin 10 % 1900-luvun alun lukemista. Heikentyminen voi merkitä magneettikentän suunnan kääntymistä, mutta se voi olla myös kentän luontaista (syklistä)vaihtelua.

[4] Fyysikko Walter M. Elsasser (1904–1991) kehitti yksityiskohtaisen dynamoteorian Maan magneettikentän selitykseksi vuonna 1946. Hypoteesi ei ollut uusi, sillä Joseph Larmor (1857–1942) oli jo vuonna 1897 ehdottanut jonkinlaista dynamomallia magneettikentän synnyttäjänä.

[5] Etelä-Atlantin anomalissa magneettikenttä on hyvin heikko. Tästä syystä Van Allenin vyön varatut hiukkaset pääsevät tunkeutumaan jopa noin 200 km korkeuteen. Hiukkastiheys on suuri juuri siinä korkeudessa jossa alimmilla kiertoradoilla olevat satelliitit kiertävät maapalloa. Vähintäänkin kerran vuorokaudessa satelliitit joutuvat anomaliaan ja voivat vaurioitua hiukkassäteilyn vaikutuksesta.

Nopea muutos Maan magneettikentässä

Maapallon magnettikentän muutos
tammi–kesäkuussa. Sininen
merkitsee heikkenemistä ja punainen
vahvistumista.

Nopea, joskaan ei kovin suuri, muutos Maan magneettikentässä on tapahtunut viimeisen puolen vuoden aikana. Etelä-Atlantin anomaliana tunnettu heikon kentän alue on laajentunut ja Intian valtameren kohdalla oleva alue on puolestaan vahvistunut. Magneettikenttä heikkeni molemmilla Amerikan mantereilla ja näiden lisäksi suurella osalla Tyynen meren itäosaa [1].

Intian valtamerellä magneettikenttä on vahvistunut koko Afrikan itäpuolisella alueella joka ulottuu ekvaattorilta aina Etelämantereelle asti. Muutokset eivät ole suuren suuria, maksimissaan noin 50 nT (nanoteslaa). Vertaamalla muutosta maapallon magneettikentän kokonaisvoimakkuuteen, joka on noin 55 000 nT, todetaan muutoksen olevan noin promillen luokkaa. Muutosvauhti on kuitenkin noin kymmenkertainen aikaisemmin havaittuun verrattuna.

Maapallon magneettisen pohjoisnavan
siirtyminen kohti pohjoista.

Toinen merkittävä muutos maapallon magneettikentässä on pohjoisnavan siirtyminen kohti pohjoista. 1800-luvulla magneettikenttä sijaitsi Kanadan pohjoisella saaristoalueella, mutta nyt napa on siirtynyt huomattavasti pohjoisemmaksi ja sijaitsee nyt noin 87 leveyspiirillä Beringinsalmesta pohjoiseen.  Jos vaeltaminen jatkuu samalla nopeudella ja samaan suuntaan kuin tähän asti, vuosisadan lopulla magneettinen napa on siirtynyt Siperian rannikolle.

Tutkijoilla ei ole varmaa käsitystä miksi magneettikenttä heikkenee. ESAn Swarm-projektin [2] tutkimusjohtaja Rune Floberghagenin mukaan se saattaa olla seurausta maapallon magneettikentän kääntymisestä. Edellisen kerran maapallon magneettikentän suunta vaihtui noin 750 000 vuotta sitten. Aikaa siitä on kuitenkin kulunut jo kolminkertaisesti keskimääräiseen kääntymisväliin verrattuna. Maapallon magneettikentän täydelliseen kääntymiseen näyttäisi kuluvan muutama tuhat vuotta, mutta jos uudet tiedot ovat todellakin enteitä kääntymisestä, muutos voi tapahtua huomattavasti nopeammin.

Maapallon magneettikenttä
syntyy kiinteässä ja sulassa
ytimessä.

Maapallon magneettikenttä syntyy planeettamme ytimessä. Nykyisen käsityksen mukaan perusdipolikenttä syntyy maapallon kiinteässä olomuodossa olevassa ytimessä. Tämä magneettikenttä kuitenkin vaihtelee jostakin tuntemattomasta syystä. Sen ollessa heikoimmassa vaiheessa, sen muodostama kenttä antaa tilaa toiselle, sulassa ulkoytimessä syntyvälle kentälle, jonka suunta poikkeaa perusdipolista. Tätäkään teoriaa ei ole voitu osoittaa kiistatta oikeaksi, joten satelliitein tehtävälle magneettikentän tutkimuksella on tärkeä tehtävä ongelman ratkaisussa. 

Swarmin tuottaman mittausdatan perusteella ei vielä tässä vaiheessa pystytä arvioimaan onko esitetty teoria oikea, vaikka Tanskan Teknillisen yliopiston avaruusosaston (DTU Space) CHAOS-4-tietokonemallin antamat ennusteet eivät juuri poikkea Swarm-satelliittien tekemistä mittauksista. 

Kaikki tietävät maapallon magneettikentän suojelevan maapallon elämää ja ilmakehää. Magneettikentän suunnan muutos herättää levottomuutta, mutta tutkijat rauhoittelevat maallikkoja. Maapallon magneettikenttä on vaihtanut suuntaansa kymmeniä tai satoja kertoja muutaman sadan tuhannen vuoden välein ja yhteenkään kentän muutokseen ei ole liitetty massiivista sukupuuttoaaltojen alkuja. Tämä on luonnollista, sillä vaikka suunta muuttuu, kokonaismagneettikentän voimakkuus ei milloinkaan putoa nollaan. Maapallolla on aina jonkinlainen magneettikenttä, jonka voimakkuus on suhteellisen korkea, arviolta heikoimmillaankin noin 10 000 – 20 000 nT.

Havainnekuva Swarm-satelliiteista.

Heikentyvä ja suuntaansa vaihtuva magneettikenttä (jos siitä on kysymys) ei kuitenkaan ole läpihuutojuttu erilaisille Maata kiertäville sateliiteille. Etelä-Atlantin anomalia on alue, jossa nykyisellään suuri osa satelliiteista rikkoontuu tai niissä esiintyy ennakoimattomia häiriöitä. Heikentyvän magneettikentän vaikutus on siis otettava huomioon uusia satelliitteja suunniteltaessa ja löydettävä tekniikoita, jotka eivät ole kovin herkkiä lisääntyvälle kosmiselle säteilylle ja mahdollisesti energeettisille aurinkotuulen hiukkasille. 

Omat ongelmansa suuntaa muuttavasta magneetinkentästä tulee olemaan magneettisiin kompasseihin liittyvissä laitteissa, esimerkiksi tavallisessa suunnistuskompassissa. Magneettista kompassia ei ole kovin helppo korvata millään muulla teknisellä sovelluksella ainakaan yksityishenkilöiden käyttämissä laitteissa. 

Vaikka magneettineulakompassi ei enää olekaan aivan jokamiehen varusteita, niin kännyköiden kompassisovellukset perustuvat edelleen sunnilleen pohjois-eteläsuunnassa olevalle magneettikentälle. Suunnaltaan poikkeava ja heikentynyt kenttä altistaan kompassisovellukset erilaisille paikallisille häiriöille nykyistä helpommin.

Alla olevat videot kertovat hieman yksityiskohtaisemmin mistä oikein on kysymys. Videot ovat englanninkielisiä.

Kaikki kuuvat ja videot: ESA/DTU Space ja ESA/ATG Medialab

Huomautukset

[1] Tutkimus julkaistiin Tanskassa järjestetyssä kolmannessa Swarm-tutkijoiden kokouksessa kesäkuussa (19.–20.6.2014). Kokouksen järjesti Tanskan Teknillisen yliopisto (DTU) avaruusosasto ja sen sponsoroi ESA.

[2] Maapallon magneettikenttää mittaavat Swarm-satelliittit (3 kpl) laukaistiin avaruuteen 22. marraskuuta vuonna 2013. Nyt ESA on julkaissut ensimmäisen puolen vuoden (tammi–kesäkuu 2014) aikana kootun datan tutkijoiden käyttöön.