jordmagnetisme

Jordmagnetisme. Fig. 1. Feltlinjebildet for en magnetisk dipol i Jordens sentrum. Sløyfen merket I viser hvilken retning en strøm i Jordens indre må ha for å gi et slikt dipolfelt.

Jordmagnetisme
Av /※.

Jordmagnetisme. Fig. 3. Isomagnetisk kart basert på modellberegninger av det totale jordmagnetiske felt. Konturene forbinder punkter med samme magnetiske feltstyrke. Tallene angir feltstyrke i mikrotesla. Magnetfeltet har maksimalverdier i Nord-Canada og Sibir og over Victoria Land i Antarktis, mens det i et område utenfor kysten av Sør-Amerika når en minimumsverdi.

Jordmagnetisme
Av /※.

Artikkelstart

Jordmagnetisme, eller geomagnetisme, er det magnetfeltet som finnes på Jorden. Sett utenfra vil Jorden være å betrakte som en magnetisert kule, hvor magnetiske kraftlinjer, feltlinjer, stråler ut fra ett område, den magnetiske sydpolen, og trekkes inn mot et annet område, den magnetiske nordpolen. Hovedmekanismen bak jordmagnetismen er trolig elektriske strømmer i Jordens kjerne.

Jordmagnetisme brukes når vi navigerer med kompass. Magnetfeltet skjermer oss også fra stråling fra verdensrommet, og er derfor viktig for livet på Jorden. Ved Jordoverflaten varierer den magnetiske feltstyrken mellom omtrent 30 mikrotesla og 60 mikrotesla.

Fra definisjonen av magnetisme er Jordens magnetiske nordpol den polen som feltmessig tilsvarer sydpolen på en magnet.

Form

Retningen av feltet og variasjoner i styrke i Jordens umiddelbare nærhet er svært likt det man ville få dersom man plasserte en stavmagnet, en magnetisk dipol med et magnetisk moment på 7,91 · 1022 Am2, i Jordens sentrum. Feltet som omgir Jorden kaller man et dipolfelt.

Magnetfeltet blir ofte anskueliggjort ved hjelp av feltlinjer, det vil si kurver som viser retningen på feltet. Feltstyrken ved polene er den dobbelte av styrken ved ekvator, henholdsvis ca. 60 mikrotesla (nanotesla) og 30 mikrotesla ved Jordens overflate. Forflytter man seg utover fra Jorden, vil feltet avta med tredje potens av avstanden (1/R3).

Figur 1 viser feltlinjebildet fra en dipol i Jordens sentrum. Ved polene er feltet vinkelrett på jordoverflaten, og ved ekvator er feltet horisontalt. Dipolaksen faller imidlertid ikke sammen med Jordens rotasjonsakse. Dermed vil man få en forskyvning mellom de geografiske polene (rotasjonspolene) og de magnetiske polene (se geomagnetiske poler).

Nærmere studier av jordens magnetfelt viser imidlertid at det er avvik fra dipolfeltmodellen. Lokale og regionale uregelmessigheter ved jordoverflaten og nær Jorden skyldes delvis at dipolen er litt forskjøvet i forhold til Jordens sentrum og delvis variasjoner i jordskorpens egenskaper. I store trekk vil dipolfelt-representasjonen være tilnærmet riktig ut til 4–5 ganger Jordens radius. Lenger ut vil påvirkning fra solvinden og elektriske strømmer gi betydelig deformasjon av feltet (se magnetosfæren).

Årsak til magnetfeltet

Observasjoner av magnetfeltet viser at mer enn 90 prosent av feltet har sitt opphav i Jordens indre. De øvrige cirka 10 prosentene skyldes magnetisering i jordskorpen og forskjellige strømsystemer i ionosfæren og magnetosfæren.

Det er gjennom tidene blitt foreslått mange teorier for å forklare hvordan magnetfeltet dannes. Den eldste teorien, at Jorden selv er en stor magnet, har holdt seg levende langt inn i moderne tid, men må forkastes fordi temperaturen i Jordens indre er så høy at alle kjente materialer som skulle kunne gi en slik permanent magnetisk effekt, vil ha mistet sin magnetisme (temperaturen ligger over curietemperaturen).

Den mest sannsynlige kilden til jordmagnetisme er elektriske strømmer. Man mener at det skjer en dynamoprosess i Jordens kjerne, hvor det flyter elektrisk ledende masse i et kildefelt slik at det blir generert en elektrisk strøm. Denne strømmen setter opp et nytt magnetfelt, som igjen vekselvirker med massestrømmen slik at magnetfeltet forsterkes. Forutsetninger for denne mekanismen er at man har et kildefelt, en elektrisk ledende, flytende masse og en mekanisme som gir en vridning i massestrømmen. I Jordens indre er alle disse betingelsene til stede. Drivkraften for strømmen er termisk oppvarming. Man trodde lenge at denne prosessen hentet sin energi fra kjernereaksjoner i Jordens indre. I dag mener man at energien kommer fra størkningsprosesser i den flytende kjernen.

Variasjoner i Jordens magnetfelt

Magnetfeltet forandrer seg stadig, både i styrke og retning. Den mest dramatiske forandringen er at hele feltet skifter retning, slik at sydpol og nordpol bytter plass. Dette har skjedd flere ganger i løpet av Jordens historie. Selve skiftet skjer forholdsvis hurtig, sett i en geologisk tidsskala, over en periode på omtrent 5000 år. Men det er store variasjoner i hvor lang tid som går mellom hvert omslag. I gjennomsnitt kan man vente at feltet snur omtrent hvert 500 000 til 1 000 000 år.

Det er usikkert hva som utløser disse polaritetsvekslingene. Årsaken finnes sannsynligvis i selve dynamoen i Jordens indre, hvor det kan oppstå ustabiliteter som under spesielle forhold kan vokse og endre feltets retning i forhold til det opprinnelige.

I de mer normale forandringer i magnetfeltet skiller man mellom sekulære variasjoner – langsomme forandringer over år eller hundreår – og mer hurtige forandringer som skjer med tidsskala fra dager til minutter.

Langsomme variasjoner

Typiske sekulære variasjoner er forandringer i retningen av dipolaksen, slik at de magnetiske poler forflytter seg, og i feltstyrken. I løpet av de siste 100 årene har for eksempel magnetfeltet minket med omtrent seks prosent. Opphavet til disse forandringene antas å være sekundæreffekter i dynamoprosessen.

Hurtige variasjoner

De hurtigere variasjonene i magnetfeltet skyldes alt vesentlig strømmer i ionosfæren og magnetosfæren. Disse globale strømsystemene er knyttet til energiinnstrømning fra Solen til Jordens magnetosfære og atmosfære. Magnetfeltvariasjonene vil dermed, i tillegg til døgnlige variasjoner, fremvise periodiske svingninger knyttet til Solens 27-dagers rotasjonsperiode og 11-årsperioden i solaktiviteten.

De regulære døgnlige forandringene er forholdsvis beskjedne (størrelsesorden promille). De voldsomste forandringene forekommer som ikke-periodiske forstyrrelser i forbindelse med utbrudd på Solen. Slike magnetiske stormer er sterkest i polarområdene, og er da forbundet med nordlys og forstyrrelser i ionosfæren. Under de sterkeste stormene kan forandring i styrken av totalfeltet være opp til 2–3 prosent. Horisontalkomponenten av feltet blir sterkest påvirket, og man kan oppleve variasjoner på 10–15 prosent i den horisontale feltstyrken og retningsforandringer (forandring i misvisningen) på opp til 10 grader i løpet av noen timer.

Observasjoner av magnetfeltet

Magnetfeltmålinger utføres med spesielle instrumenter, magnetometre. Med disse instrumentene måler man enten totalfeltet eller de enkelte feltkomponenter.

De eldste og enkleste magnetometre er basert på kompassprinsippet, en magnetisert stav som stiller seg inn i magnetfeltets retning. De forskjellige feltkomponenter måles ved å henge opp magnetstavene i forskjellige retninger. Mer avanserte, moderne magnetometre benytter andre prinsipper: induksjon av strømmer, kjerneegenskaper, forandring av materialers magnetiske og elektriske egenskaper og bevegelse av ladede partikler i magnetfeltet.

Magnetfeltet overvåkes kontinuerlig, og det finnes et verdensomspennende nett av observatorier for magnetiske målinger, som rapporterer inn til datasentre. I Norge er observatoriene i Tromsø og på Dombås de eldste. Det er også magnetiske målestasjoner på flere av de norske arktiske øyer: Svalbard (Ny-Ålesund), Jan Mayen, Hopen og Bjørnøya. Man har også satellitter spesielt instrumentert for magnetfeltmålinger.

Nytte

Gjennom historien har nok bruken av magnetfeltet som hjelpemiddel i navigasjon (kompass) vært det som de fleste vil se på som den største praktiske nytte. Feltet blir også brukt som referanse ved innretting og stabilisering av satellitter. Videre blir magnetfeltet utnyttet i geologiske studier (paleomagnetisme) og i malmleting (magnetisk prospektering).

Aller størst betydning ligger nok i den rollen magnetfeltet har for fysiske prosesser i det nære verdensrommet. Feltet er her en kontrollerende faktor som påvirker koblingen mellom vårt jordnære verdensrom (magnetosfæren) og partikkelstrømmen i det interplanetare rom. Feltet skjermer oss for mye av partikkelstrålingen, og har dermed en avgjørende betydning for liv og forhold på Jorden.

Historie

Kineserne var sannsynligvis de første som innså at Jorden omgir seg med et magnetisk felt, men det er usikkert hvor langt tilbake i tiden denne kunnskap strekker seg. Kompasset ble imidlertid brukt i Kina i begynnelsen av vår tidsregning og av europeiske sjøfolk på 1100-tallet. Oppdagelsen av misvisningen blir ofte tilskrevet Columbus, men var i virkeligheten kjent lenge før hans tid både i Kina og Europa. Den første vitenskapelige avhandling om Jordens magnetfelt kom fra engelskmannen William Gilbert. I år 1600 utgav han sitt seksbinds verk De Magnete hvor han sier at «Jorden selv er en stor magnet», og at kilden til magnetfeltet er å finne i Jordens indre. Andre pionerer i utforskningen av jordmagnetismen er Edmund Halley (teorier), Georg Graham (variasjoner i magnetfeltet), Anders Celsius (variasjoner i magnetfeltet og nordlys), Carl Friedrich Gauss (matematisk analyse) og de norske forskere Christoffer Hansten (kartlegging) og Kristian Birkeland (magnetiske stormer og nordlys). Både under det første og andre internasjonale polarår, henholdsvis 1882–83 og 1932–33, var en av hovedoppgavene å studere Jordens magnetfelt.

Magnetiske koordinater

Jordmagnetisme. Fig. 2. De magnetiske komponenter av feltet B i tre koordinatsystemer, kartesisk (blå), polar (rød) og sfærisk (grønn).

Jordmagnetisme
Av /※.

For å beskrive magnetfeltet må man angi både størrelse og retning på feltet. Et slikt felt kaller man et vektorfelt. For å fastsette feltvektoren på et tilfeldig sted på Jorden må man bruke et koordinatsystem. Dette kan for eksempel være et rettvinklet (kartesisk) system hvor den ene aksen, x, peker mot geografisk nordretning, den andre, y, mot geografisk øst, og den tredje, z, vertikalt nedover (se figur 2).

I et polarkoordinatsystem vil feltvektoren defineres ved størrelsen på det horisontale feltet, H, vinkelen mellom geografisk nordretning og den horisontale feltretningen, D, og den vertikale feltkomponenten, z.

I et sfærisk system blir de tre jordmagnetiske elementene den totale feltstyrken, og de to vinklene mellom geografisk nord og horisontalfeltet og mellom horisontalplanet og retningen av totalfeltet.

I studier av jordmagnetisme blir alle tre systemer brukt. En kompassnål vil peke i samme retning som den horisontale komponenten av feltet, altså mot den magnetiske polen. En forskjell mellom retningen mot magnetisk og geografisk pol, vinkelen D, kalles deklinasjon, eller misvisning. Den regnes positiv østover og negativ vestover. Vinkelen mellom horisontalplanet og retningen på totalfeltet kalles inklinasjonen, I. Ved magnetisk ekvator er inklinasjonen 0° og ved de magnetiske (di-)polene er den 90°. Retningen av horisontalfeltet og inklinasjonen gir grunnlag for å lage kart i et magnetisk orientert nett, med geomagnetisk lengde og bredde, helt analogt med lengde- og breddekurver i et geografisk kart. De magnetiske meridianene er halvsirkler som går fra pol til pol, og breddekurvene blir sirkler som står vinkelrett på meridianene.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg