Maan magneettikenttä: synty, toiminta ja merkitys

Maan magneettikenttä on maapalloa ympäröivä magneettikenttä. Sitä kutsutaan joskus geomagneettiseksi kentäksi.

Maan magneettikenttä syntyy maapallon ja maan ytimen pyörimisestä. Se suojaa Maata avaruuden haitallisilta hiukkasilta. Kenttä on epävakaa, ja se on muuttunut usein maapallon historian aikana. Maan pyöriessä ytimen kaksi osaa liikkuvat eri nopeuksilla, ja tämän uskotaan synnyttävän magneettikentän Maan ympärille ikään kuin sen sisällä olisi suuri sauvamagneetti.

Magneettikenttä luo magneettinavat, jotka ovat lähellä maantieteellisiä napoja. Kompassi käyttää geomagneettista kenttää suuntien määrittämiseen. Myös monet muuttavat eläimet käyttävät kenttää matkustaessaan pitkiä matkoja keväisin ja syksyisin. Magneettiset navat vaihtavat paikkaa magneettisen käänteen aikana.

Miten magneettikenttä syntyy?

Maan magneettikentän syntyä selitetään pääasiassa niin kutsutulla dynamioteorialla. Sen ydinajatuksena on, että Maan ulompi ydin on nestemäistä rautaa ja nikkeliä, jossa tapahtuu konvektioliikettä. Maan pyöriminen aiheuttaa näihin virtaaviin metallisiin massoihin Coriolis-voiman kaltaisia vaikutuksia, jotka järjestävät liikettä siten, että syntyy sähkövirtoja. Nämä sähkövirrat puolestaan tuottavat magneettikentän.

Keskeiset tekijät dynamiolle ovat:

• nestemäinen ulompi ydin (rauta–nikkeli),
• lämpö- ja säteilydifferenssit, jotka ylläpitävät konvektiota,
• Maan pyöriminen, joka antaa liikkeelle rakenteen (Coriolis-vaikutus),
• itsereinfornoituva kytkentä: magneettikenttä vaikuttaa virtoihin ja virrat vahvistavat kenttää.

Rakenne ja ominaisuudet

Maan magneettikenttä on suurin piirtein dipolimainen eli se muistuttaa sähköisesti varatun sauvamagneetin kenttää, mutta siinä on myös monimutkaisia poikkeamia ja vaihtelua. Kenttä ei ole täysin vakio:

• Dipolivoima: suurin osa kentästä voidaan mieltää dipolin vaikutukseksi, jonka akseli on noin 11° poikkeamassa maapallon pyörimisakselista.
• Paikallinen vaihtelu: litosfäärin magnetisoituneet kivet ja kuoren rakenteet aiheuttavat paikallisia poikkeamia.
• Sekulaarimuutos: kenttä muuttuu ajan kuluessa — dipolimomentti on heikentynyt viime vuosisatoina, ja navat liikkuvat.
• Voimakkuus: pinta-arvot vaihtelevat tyypillisesti noin 25–65 µT (mikroteslaa) eri paikoissa.

Magneettiset navat ja napojen liikkeet

Magneettinavat eivät ole täsmälleen samassa paikassa kuin maantieteelliset navat. Magneettinen pohjoinen liikkuu ajan mittaan; nykyisin sen paikanmuutokset voivat olla kymmeniä kilometrejä vuodessa. Napojen sijaintia seurataan jatkuvasti, ja niiden liikkeet kertovat ytimen virtauksissa tapahtuvista muutoksista.

Magneettikäänteet (napojen vaihtuminen)

Maan magneettinen kenttä on kääntynyt toistuvasti geologisessa historiassa: pohjoisesta tuli etelä ja päinvastoin. Nämä magneettikäänteet eivät tapahdu säännöllisesti — ajallinen väli voi olla satojatuhansia tai miljoonia vuosia. Viimeisin täydellinen käänne, Brunhes–Matuyama-käänne, tapahtui noin 780 000 vuotta sitten. Käänteen aikana dipoliarvo voi heikentyä merkittävästi, mutta tutkimukset eivät viittaa mihinkään massiiviseen eloonjäämisuhkaan käänteen seurauksena.

Maan magneettikentän merkitys

Maan magneettikentällä on useita tärkeitä vaikutuksia:

• Suojaus: se ohjaa suurimman osan auringosta ja avaruudesta saapuvista varautuneista hiukkasista pois Maan pinnalta, muodostaen yhdessä ilmakehän kanssa magnetosfäärin ja Van Allenin vyöhykkeet.
• Ilmiöt: aurorat (revontulet) syntyvät, kun aurinkotuulen hiukkaset ohjautuvat magneettikentän mukaan napojen seuduille ja törmäävät ilmakehän molekyyleihin.
• Navigointi: kompassi toimii geomagneettisen kentän perusteella. Moderni navigointi huomioi myös magneettisen declinaation (poikkeaman maantieteellisestä pohjoisesta).
• Eläimet: monet muuttolinnut, merikilpikonnat, lohet ja jopa tietyt bakteerit (magnetotaktiset bakteerit) käyttävät magneettikenttää suunnistukseen.
• Teknologia: voimakkaat auringonpurkaukset ja magneettikentän muutokset voivat vaikuttaa satelliitteihin, radioliikenteeseen ja sähkönjakelujärjestelmiin.

Mittaaminen ja tutkimus

Maan magneettikenttää mitataan sekä maan päällä että avaruudessa: maasovellut (fluxgate- ja protonipreemissiomagnetometrit), merellä tehtävät mittaukset ja satelliitit kuten ESA:n Swarm kartoittavat kenttää yksityiskohtaisesti. Myös kivet ja sedimentit säilyttävät magneettisen "arkiston" (paleomagnetismi), jonka avulla tutkijat voivat rekonstruoida menneitä kentän suuntia ja käänteitä. Merenalaiset keskiselännekiteytykset näyttävät selkeitä magneettisia nauhoja, jotka ovat keskeinen todiste mannerlaattojen liikkeestä ja geomagneettikäänteistä.

Mitä tapahtuu, jos navat vaihtuvat tai kenttä heikkenee?

Napojen kääntyminen tai kentän heikkeneminen herättää usein huolta. Tutkimusten perusteella seuraavat seikat ovat tärkeitä:

• kenttä voi heikentyä, jolloin otsonikerroksen ja yläilmakehän altistus matalataajuisemmalle ja energisemmälle säteilylle voi lisääntyä paikallisesti;
• satelliitit ja sähköverkot ovat herkkiä avaruusmyrskyille, minkä vuoksi teknologia vaatii suojaus- ja varautumistoimia;
• eläimet, jotka riippuvat magneettikentästä, saattavat joutua sopeutumaan navigointimuutoksiin;
• kuitenkin ei ole näyttöä siitä, että magneettikäänteet olisivat aiheuttaneet suuria massakuolemia tai laajamittaista ekologista katastrofia menneisyydessä.

Yhteenveto

Maan magneettikenttä on dynaaminen ja elintärkeä osa planeettaamme. Se syntyy liikkeessä olevista metallisista aineksista Maan ytimen sisällä dynamioprosessien kautta. Kenttä suojaa meitä avaruuden hiukkasilta, ohjaa ilmakehän ilmiöitä ja mahdollistaa monien eliölajien navigoinnin. Sen tutkimus on tärkeää, koska kenttä muuttuu jatkuvasti ja sillä on vaikutuksia sekä luonnolle että nykyaikaiselle teknologiataloudelle.

Ominaisuudet

Maan geomagneettinen kenttä syntyy kahdesta syystä. Maapallon keskipisteen sisällä olevassa nestettä johtavassa ytimessä tapahtuvat konvektioliikkeet ovat tärkeitä magneettikentän synnyssä. Kun konvektiiviset liikkeet tapahtuvat Maan ympärillä olevien sähkövirtojen kanssa, syntyy magneettikenttä. Maan pyöriminen pitää magneettikentän yllä. Konvektiivisten liikkeiden ja sähkövirtojen vuorovaikutus synnyttää dynamiovaikutuksen.

Magneettikentän voimakkuus on suurin lähellä magneettinapoja, joissa se on pystysuora. Kentän voimakkuus on heikoin lähellä päiväntasaajaa, jossa se on vaakasuorassa. Magneettikentän voimakkuus mitataan gaussina.

Magneettikentän voimakkuus on vähentynyt viime vuosina. Viimeisten kahdenkymmenenkahden vuoden aikana kentän voimakkuus on vähentynyt keskimäärin 1,7 prosenttia. Joillakin kentän alueilla voimakkuus on vähentynyt jopa 10 prosenttia. Kentän voimakkuuden nopea väheneminen on merkki siitä, että magneettikenttä saattaa olla kääntymässä. Kääntyminen saattaa tapahtua seuraavien muutaman tuhannen vuoden aikana. On osoitettu, että magneettinapojen liike liittyy magneettikentän voimakkuuden vähenemiseen.

Geomagneettinen kääntö on, kun pohjoinen ja eteläinen magneettinapa vaihtavat paikkaa. Näin on tapahtunut muutamia kertoja maapallon historiassa. Magneettinen kääntö tapahtuu sen jälkeen, kun kentän voimakkuus on nolla. Kun voimakkuus alkaa jälleen kasvaa, se kasvaa vastakkaiseen suuntaan, mikä aiheuttaa magneettinapojen vaihtumisen. Magneettikentän kääntymiseen kuluvaa aikaa ei tunneta, mutta se voi kestää jopa kymmenentuhatta vuotta. Maapallon magneettiset kääntöpuolet on tallennettu kiviin, erityisesti basalttiin. Tutkijat uskovat, että viimeinen geomagneettinen kääntö tapahtui 780 000 vuotta sitten.

Magnetosfääri

Magnetosfääri syntyy magneettikentästä. Se on Maan ympärillä oleva alue, joka toimii suojana aurinkotuulen haitallisilta hiukkasilta. Magnetosfäärissä on monia eri kerroksia ja rakenteita, ja aurinkotuuli muokkaa kutakin näistä kerroksista. Aurinkotuulen ja magnetosfäärin vuorovaikutus aiheuttaa myös revontulten ja etelänvalojen syntymisen. Magnetosfääri on erittäin tärkeä maapallon suojaamisessa aurinkomyrskyiltä, jotka lisäävät aurinkotuulen aktiivisuutta. Aurinkomyrskyt voivat aiheuttaa geomagneettisia myrskyjä, joilla on joskus vakavia vaikutuksia Maahan.

Pohjoisen ja eteläisen magneettinavan väliset alueet ovat magneettikentän linjoja. Nämä linjat lähtevät Maasta etelän pystysuorasta pisteestä ja tulevat takaisin pohjoisen pystysuoran pisteen kautta. Näitä kahta pystysuoraa pistettä kutsutaan magneettisiksi dip-navoiksi. Magneettisia dip-napoja kutsutaan yleisesti magneettinavoiksi. Magneettinavat leikkaavat maapallon kahdessa pisteessä. Pohjoinen magneettinapa leikkaa maapallon kohdassa 78,3 pohjoista leveyttä ja 100 läntistä pituutta. Tämä asettaa pohjoisen magneettinavan napapiirille. Eteläinen magneettinapa leikkaa maapallon pisteessä 78,3 läntistä leveyttä ja 142 itäistä pituutta. Näin eteläinen magneettinapa sijaitsee Etelämantereella. Magneettinavat ovat myös paikkoja, joissa magneettikentät ovat voimakkaimpia.

Tässä kuvassa magnetosfääri estää auringon aiheuttamaa aurinkotuulta.


Magneettisen pohjoisnavan liike. Sen odotetaan kulkevan lähellä pohjoismaantieteellistä napaa ja jatkavan matkaansa kohti Siperiaa.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on Maan magneettikenttä?

K: Mikä luo Maan magneettikentän?

K: Mikä on Maan magneettikentän tehtävä?

K: Kuinka vakaa Maan magneettikenttä on?

K: Miten Maan magneettikenttä syntyy?

K: Mitä magneettinavat luovat?

K: Mitä sovelluksia Maan magneettikentällä on?

Hae kirjaimella