Kirkkonummen Komeetan esitelmäsarjassa oli vuorossa 12.11.2001 professori Lauri J. Pesonen Helsingin yliopiston Geofysiikan osastolta. Hänen aiheenaan oli Maan magneettikentän arvoitus. Esitelmää kuulemassa oli 44 henkeä. Esitelmän rahoitti Helsingin yliopiston Vapaan sivistystyön toimikunta.
Magneettikentät aurinkokunnassa
Esitelmöitsijä kertoi ensin mitä tiedämme tänä päivänä muiden planeettojen, asteroidien ja meteoriittien magneettikentistä. Kaikilla jättiläisplaneetoilla, eli Jupiterilla, Saturnuksella, Uranuksella ja Neptunuksella on magneettikentät, samoin Merkuriuksella. Sen sijaan Venuksella ja Marsilla (sekä Kuulla) ei ole tänä päivänä planetaarista magneettikenttää. Niillä on kuitenkin ollut magneettikenttä joskus, jota todistaa mm. kuunäytteiden voimakkaat magnetoitumat.
Asteroidien ja nykyään myös planeettojen muinaisista magneettikentistä saadaan tietoja tutkimalla meteoriitteja. Esimerkiksi Marsista peräisin olevat meteoriitit ovat verrattain voimakkaasti magnetoituneita, mikä tulos viittaa siihen, että Marsilla on joskus ollut voimakas planetaarinen magneettikenttä, jonka se sittemmin on menettänyt. Sama tilanne on omassa Kuussamme.
Historiaa
Luonnonmagneetit, jotka ovat magnetiittimineraalia, tunnettiin Italian Sisiliassa jo 600 eKr. Magneettinen kivi eli ns. lodestone tunnettiin myös Kiinassa jo kauan sitten ja sitä käytettiin kartoitustöissä suuntien määritykseen ainakin jo 2000 vuotta sitten. Euroopassa raudan magneettisuuteen perustavan suunnannäyttäjä, kompassi, tuli käyttöön 1100-luvulla munkkien tuomana.
Englantilainen lääkäri William Gilbert selosti v. 1600 julkaistussa
kirjassaan De Magnete, kuinka Maa toimii magneettina. Erilaisilla pallokokeilla
hän oivalsi että Maa on itsessään suuri magneetti, joka kääntää kompassineulan
navoilla pystysuuntaiseksi ja
päiväntasaajalla vaakasuuntaiseksi. Juuri tämä ominaisuus liittyy kaksinapaisen
dipolin eli sauvamagneetin ominaisuuksiin.
Matemaattinen nero C.F. Gauss todisti 1800-luvun alkupuolella, että Gilbertin teoria geomagneettisen kentän luonteesta oli oikea. Hän laski kenttähavainnoista kehittämänsä palloharmonisen analyysin avulla, että 99 % kentästä johtuu maapallon sisäisistä syistä ja loput ulkopuolisista syistä. Jos magneetti voitaisiin asettaa Maan keskipisteeseen siten, että se muodostaa n. 11 asteen kulman pyörähdysakselin kanssa, saataisiin nykyistä magneettikenttää pääpiirteissään muistuttava kaksinapainen dipolikenttä. Magneetin kuviteltu jatke leikkaisi maanpinnan kahdessa pisteessä, joista toinen olisi magneettinen pohjoisnapa, toinen etelänapa niinkuin on tänä päivänä. Kenttä kuitenkin muuttuu jatkuvasti.
Määritelmiä
Geomagneettinen kentän suunta määritellään deklinaation ja inklinaation avulla. Deklinaatio on kompassineulan osoittaman magneettisen pohjoissuunnan ja maantieteellisen pohjoissuunnan välinen kulma. Inklinaatio on magneettineulan kaltevuuskulma vaakatasoon nähden. Esimerkiksi Suomessa deklinaatio vaihtelee tänä päivänä 4-10 asteen välillä ja inklinaatio 72-78 asteen välillä.
Kenttävoimakkuuden yksikkö on tesla. Tavallisen hevosenkenkämagneetin voimakkuus on satatuhatta teslaa, Maan magneettikentän taas 25-65 mikroteslaa.
Geomagneettinen kenttä ei ole tarkasti ottaen täydellinen keskeisdipolikenttä, sillä dipolikentän lisäksi siinä on korkeampia ei-dipolaarisia eli multipolikenttiä kuten kvadrupolikenttä, oktupolikenttä jne. Dipolikentän osuus on noin 80 % ja multipolikentän noin 20 %. Multipolikenttä muuttuu ajan suhteen paljon nopeammin kuin dipolikenttä, mutta molempien muutosten syynä ovat Maan nesteytimessä olevat muuttuvat sähkö- ja konvektiovirtaukset.
Mikä magneettikentän aiheuttaa?
Vaikka geomagneettinen kenttä on pääosiltaan sauvamagneetin aiheuttaman
kentän kaltainen, ei pysyvä rautamagneetti voi olla sen aiheuttaja, koska
Maan sisällä vallitseva korkea lämpötila tuhoaisi sen. Useimpien magneettisten
mineraalien magneettisuus häviää alle
700 Celsius-asteessa eli Curie-pisteessä, joka vallitsee jo noin 40
km:n syvyydessä.
Geomagneettisen kentän aiheuttajaksi voidaan ajatella Maan sisällä kulkevia
sähkövirtoja. Maan ytimen ulkokerros on sulaa raudan ja nikkelin seosta,
joka johtaa hyvin sähköä. Siinä voi tapahtua sekä mekaanisia että sähkövirtauksia,
ja näiden yhteisvaikutuksena voi
syntyä itseään ylläpitävä dynamo, joka saa käyttövoimansa aineen liike-energiasta.
Monet tutkijat pitävät konvektiovirtauksia todennäköisimpänä syynä.
Tämä ns. dynamoteoria on saavuttanut laajan kannatuksen Maan magneettikentän pääasiallisena selittäjänä. Sen avulla voidaan selittää kentän hitaat aikavaihtelut ja kentän napaisuuden eli polariteetin vaihtumiset.
Muutokset
Maan magneettikenttä muuttuu jatkuvasti. Muutokset ovat joko hitaita
muutoksia, joiden kestoajat ovat satoja tai tuhansia vuosia tai nopeita
muutoksia, jotka kestävät muutamista sekunneista muutamiin päiviin. Lyhytperiodiset
muutokset juontuvat Auringon
aktiivisuudesta, jolle on tyypillistä 11 vuoden jakso. Telekommunikaatiotakin
joskus häiritsevät "magneettiset myrskyt" johtuvat juuri Auringon aktiviteetista,
joka mm. parhaillaan on verrattain vilkasta, josta todistuksena ovat revontulet.
Muutokset, joiden jakso on yli 2 vuotta, johtuvat vuorostaan Maan nesteytimessä
tapahtuvista sähkö- ja konvektiovirtauksista ja niissä tapahtuneista muutoksista.
Merenkululle magneettikentän vaihteluiden tietäminen on tärkeätä. Niinpä magneettikentän vaihteluita on mitattu jo satojen vuosien ajan. Esimerkiksi Sodankylän magneettisen aseman kohdalla deklinaatio on kääntynyt 150 vuoden kuluessa noin 15 astetta itään.
Havainnot napaisuuden käännöksistä ovat epäsuoria ja ne tehdään kivinäytteiden magnetismin avulla. Kaikki kivet ovat magneettisia (jotkut vahvemmin kuin toiset) ja toimivat "magneettisina fossiileina", joihin Maan magneettikentän historia on tallennettuna. Näiden tutkimusten mukaan magneettikentän napaisuus eli polariteetti on kääntynyt vastakkaiseksi useita tuhansia kertoja Maan geologisen historian (4500 milj. vuotta) aikana. Viimeksi kuluneiden 10 miljoonan vuoden aikana polariteetti on vaihtunut keskimäärin 200 000 vuoden välein. Vaihtuminen näyttää tapahtuneen lyhyehkössä ajassa, alle 10 000 vuodessa. Vaihdoksessa magneettikentän pohjoisnavasta tulee etelänapa ja päinvastoin. Vaihtuminen rekisteröityy kiviin ja napaisuuskäännöksiä voidaankin käyttää tämän vuoksi kivien ajoituksiin. Tämä sopii erityisen hyvin paksujen sedimenttikivien ajoituksiin, joita on vaikea ajoittaa muilla keinoilla.
Seuraavana Komeetan esitelmäsarjassa on vuorossa professori Kari Lumme Helsingin yliopiston Tähtitieteen laitokselta. Hänen esitelmänsä käsittelee jättiläisplaneettoja ja se on 10.12. klo 18 Kirkkonummen keskustan yläasteen auditoriossa.
Seppo Linnaluoto