A Föld mágneses szférája: Bolygónk védelme a káros űrenergiától

Naprendszerünk négy kőzetbolygója közül mondhatni, hogy a Föld “mágneses” személyiségét bolygóközi szomszédai is megirigyelhetik.

A Merkúrtól, a Vénusztól és a Marstól eltérően a Földet hatalmas mágneses mező, az úgynevezett magnetoszféra veszi körül.

Amikor a Nap anyagáramai a Föld magnetoszférájába csapódnak, csapdába eshetnek, és a bolygót körülvevő két fánk alakú övben, a Van Allen-övekben rekedhetnek. Az övek visszatartják a részecskéket, hogy a Föld mágneses mezővonalai mentén haladjanak, és folyamatosan ide-oda pattogjanak pólusról pólusra. Ez a videó a Van Allen-övek egy keresztmetszetének alakjában és intenzitásában bekövetkező változásokat szemlélteti. Forrás: NASA/Goddard Űrrepülési Központ

A világunk középpontjában lévő erőteljes, dinamikus erők által létrehozott magnetoszféra megvéd minket a napszél (a Nap által folyamatosan ránk zúdított töltött részecskék) által okozott légköri eróziótól, a koronakidobódások (a Nap energikus és mágnesezett plazmájának és sugárzásának hatalmas felhői) által okozott eróziótól és részecskesugárzástól, valamint a mély-űrből érkező kozmikus sugárzástól. A magnetoszféránk a kapuőr szerepét tölti be, visszaveri ezt a nem kívánt, a földi életre káros energiát, és nagy részét a Föld felszínétől biztonságos távolságban, a Van Allen-övnek nevezett, fánk alakú ikerzónákban tartja fogva.

A Föld magnetoszférája azonban nem tökéletes védelem. A napszél ingadozásai megzavarhatják azt, ami “űridőjáráshoz” vezethet – geomágneses viharokhoz, amelyek áthatolhatnak a légkörünkön, veszélyeztetve az űrhajókat és az űrhajósokat, megzavarva a navigációs rendszereket és pusztítást okozva az elektromos hálózatokban. Pozitívum, hogy ezek a viharok a Föld látványos sarki fényét is előidézik. A napszél átmeneti repedéseket hoz létre a pajzson, így némi energia naponta lejut a Föld felszínére. Mivel azonban ezek a betörések rövid ideig tartanak, nem okoznak jelentős problémákat.

Mivel a Föld mágneses terét létrehozó erők folyamatosan változnak, maga a mező is folyamatos változásban van, erőssége idővel nő és csökken. Ez okozza, hogy a Föld mágneses északi és déli pólusának helye fokozatosan eltolódik, és körülbelül 300 000 évente teljesen felcserélődik. Itt megtudhatja, hogy a mágneses mező polaritásának változásai és eltolódásai miért nincsenek hatással az éghajlatra az emberi életidőn belül, és miért nem felelősek a Föld közelmúltban megfigyelt felmelegedéséért.

Az Európai Űrügynökség (ESA) által 2013 novemberében indított, három műholdból álló Swarm konstelláció új betekintést nyújt a Föld globális mágneses mezejének működésébe. A Föld magjában lévő olvadt vas mozgása által létrehozott mágneses mező védi bolygónkat a kozmikus sugárzástól és a Nap által kibocsátott töltött részecskéktől. Emellett az iránytűvel való navigáció alapját is ez adja.

A Swarm adatai alapján a felső kép a Föld mágneses terének átlagos erősségét mutatja a felszínen (nanoteslában mérve) 2014. január 1. és június 30. között. A második kép a mágneses mező változását mutatja ugyanezen időszak alatt. Bár a második kép színei ugyanolyan élénkek, mint az elsőé, vegyük észre, hogy a legnagyobb változások plusz-mínusz 100 nanotesla értékűek voltak a 60 000 nanoteslát elérő mezőben. – Forrás: Európai Űrügynökség/Dán Műszaki Egyetem (ESA/DTU Space)

A Föld mágneses mezejét mozgató erők megértéséhez először a földi “szerkezet” (a szilárd Föld) négy fő rétegét kell lehámozni:

1. A földkéreg, ahol élünk, amely a szárazföldön átlagosan mintegy 31 kilométer (19 mérföld) mély, az óceánfenéken pedig 5 kilométer (3 mérföld) mély.
2. A köpeny, amely forró, viszkózus, olvadt kőzetekből álló, körülbelül 1800 mérföld (2900 kilométer) vastagságú keverék.
3. A külső mag, amely körülbelül 2 250 kilométer vastag, és olvadt vasból és nikkelből áll.
4. A belső mag, egy nagyjából 1.221 kilométer vastagságú (759 mérföld), vasból és nikkelből álló szilárd gömb, amely körülbelül olyan forró, mint a Nap felszíne.

A Föld belső szerkezete: sűrű, szilárd, fémes mag, viszkózus, fémes külső mag, köpeny és szilikátalapú kéreg. – Forrás: NASA

A Föld geomágneses mezejének csaknem egésze a folyékony külső magból származik. Mint a forró víz a tűzhelyen, a konvektív erők (amelyek a hőt egyik helyről a másikra mozgatják, általában a levegőn vagy a vízen keresztül) folyamatosan felkavarják az olvadt fémeket, amelyek a Föld forgása által hajtott örvényekben is kavarognak. Ahogy ez a kavargó fémtömeg mozog, több száz mérföld széles elektromos áramlatokat hoz létre, amelyek a Föld forgása miatt óránként több ezer mérföldes sebességgel áramlanak. Ezt a mechanizmust, amely a Föld mágneses mezejének fenntartásáért felelős, geodinamónak nevezik.

A Föld felszínén a mágneses mező két pólust (dipólust) alkot. Az északi és a déli mágneses pólus ellentétes pozitív és negatív polaritású, mint egy rúdmágnes. A mágneses mező láthatatlan vonalai zárt, folytonos hurokban haladnak, az északi mágneses pólusnál a Földbe áramlanak be, a déli mágneses pólusnál pedig ki. A napszél a mező alakját a Föld Nap felé néző oldalán összenyomja, az éjszaka felé néző oldalán pedig hosszú csóvává nyújtja.

A Föld múltbeli mágnesességének tanulmányozását paleomágnesességnek nevezik. A mágneses mező közvetlen megfigyelései csak néhány évszázadra nyúlnak vissza, ezért a tudósok közvetett bizonyítékokra támaszkodnak. Az ősi, háborítatlan vulkáni és üledékes kőzetekben, tavi és tengeri üledékekben, lávafolyásokban és régészeti leletekben található mágneses ásványok elárulhatják a mágneses mező erősségét és irányát, azt, hogy mikor fordult meg a mágneses pólus, és még sok minden mást. A globális bizonyítékok, valamint a műholdak és a geomágneses obszervatóriumok adatainak tanulmányozásával és a mágneses mező alakulásának számítógépes modellek segítségével történő elemzésével a tudósok meg tudják alkotni a mező geológiai idők során bekövetkezett változásának történetét.

 

A Föld óceánközépi gerincei, ahol tektonikus lemezek alakulnak ki, mintegy 160 millió évre visszanyúló adatokkal szolgálnak a paleomágneses kutatók számára. A gerincekből folyamatosan feltörő láva szétterül és lehűl, a benne lévő vasban gazdag ásványi anyagok pedig a geomágneses mezőhöz igazodnak, és észak felé mutatnak. Amint a láva körülbelül 1300 Fahrenheit-fokra (700 Celsius-fokra) hűl, a mágneses mező akkori erőssége és iránya “belefagy” a kőzetbe. A kőzetből történő mintavételezéssel és radiometrikus kormeghatározással a mágneses mezőnek ez a feljegyzése feltárható.

A Föld mágneses mezejének tanulmányozása sokat elárult a Föld történetéről.

Tudjuk például, hogy az elmúlt 200 évben a mágneses mező globális átlagban körülbelül 9 százalékkal gyengült. A paleomágneses vizsgálatok azonban azt mutatják, hogy a mező valójában a legerősebb az elmúlt 100 000 évben, és kétszer olyan intenzív, mint az egymillió éves átlag.

Azt is tudjuk, hogy van egy jól ismert “gyenge pont” a magnetoszférában, amely egész évben jelen van. A Dél-Amerika és az Atlanti-óceán déli része felett található Dél-atlanti anomália (SAA) egy olyan terület, ahol a napszél közelebb hatol a Föld felszínéhez. A geodinamó és a Föld mágneses tengelyének dőlése együttes hatására jön létre. Bár az SAA-n belül a töltött naprészecskék és a kozmikus sugárzás részecskéi megsüthetik az űrhajók elektronikáját, a Föld felszínén lévő életet nem befolyásolják.

Tudjuk, hogy a Föld mágneses pólusainak helyzete folyamatosan mozog. Amióta a brit királyi haditengerészet tisztje és sarkkutatója, Sir James Clark Ross 1831-ben először pontosan meghatározta, a mágneses északi pólus helyzete fokozatosan több mint 600 mérfölddel (1100 kilométerrel) észak-északnyugati irányba tolódott el, és az előrehaladási sebessége is megnőtt, az évi 16 kilométerről (10 mérföldről) körülbelül 55 kilométerre (34 mérföldre) évente.

A Föld mágneses mezeje védőpajzsként veszi körül a bolygót, visszataszítva és csapdába ejtve a Napból származó töltött részecskéket. Dél-Amerika és az Atlanti-óceán déli része felett azonban a mező egy szokatlanul gyenge pontja – a Dél-atlanti anomália (South Atlantic Anomaly, SAA) – lehetővé teszi, hogy ezek a részecskék a szokásosnál közelebb merüljenek a felszínhez. Jelenleg az SAA nem gyakorol látható hatást a mindennapi életre a felszínen. A legújabb megfigyelések és előrejelzések azonban azt mutatják, hogy a régió nyugat felé terjeszkedik, és intenzitása tovább gyengül. A dél-atlanti anomália a NASA földtudósai számára is érdekes, akik figyelemmel kísérik az ottani mágneses erősség változásait, egyrészt azért, mert ezek a változások hogyan hatnak a Föld légkörére, másrészt pedig azért, mert jelzik, hogy mi történik a Föld mágneses mezőivel a földgolyó mélyén. Forrás: NASA’s Scientific Visualization Studio (NASA Tudományos Vizualizációs Stúdió)

A Föld mágneses pólusai nem azonosak a geodéziai pólusokkal, amelyeket a legtöbb ember jobban ismer. A Föld geodéziai pólusainak helyét a bolygónk forgástengelye határozza meg. Ez a tengely nem egyenletesen forog, mint a földgömb az asztalodon. Ehelyett kissé imbolyog. Ez okozza, hogy a valódi északi pólus helyzete idővel kissé eltolódik. A Föld felszínén és belsejében számos folyamat hozzájárul ehhez a bolyongáshoz, de elsősorban a víz Föld körüli mozgása okozza. A megfigyelések kezdete óta a Föld forgástengelyének pozíciója körülbelül 12 méterrel (37 láb) Észak-Amerika felé sodródott, bár egy év alatt soha nem több mint 17 centimétert (7 hüvelyk). Ezek az ingadozások nem befolyásolják mindennapi életünket, de figyelembe kell venni őket ahhoz, hogy a globális navigációs műholdrendszerek, a Földet megfigyelő műholdak és a földi megfigyelőállomások pontos eredményeket kapjanak. A billegések a múltbeli éghajlati viszonyokról árulkodhatnak a tudósoknak, de ezek a kontinensek vízkészletének és jégtakaróinak időbeli változásainak következményei, nem pedig okai.

Az 1831 és 2007 között megfigyelt északi sarkok sárga négyzetek. Az 1590 és 2020 közötti modellezett pólusok elhelyezkedése a kéktől a sárga felé haladó körök.

Az 1903 és 2000 között megfigyelt déli pólusok sárga négyzetek. Az 1590 és 2020 közötti modellezett pólusok elhelyezkedése a kéktől a sárga felé haladó körök. Forrás: NOAA/NCEI

A Föld magnetoszféráját befolyásoló messze legdrámaibb változások a pólusfordulók. A pólusváltás során a Föld mágneses északi és déli pólusa helyet cserél. Bár ez nagy dolognak tűnhet, a pólusváltások valójában gyakoriak a Föld geológiai történetében. A paleomágneses feljegyzések, beleértve a mágneses térerősség változásait is, azt mutatják, hogy a Föld mágneses pólusai az elmúlt 83 millió évben 183 alkalommal fordultak meg, és az elmúlt 160 millió évben legalább több százszor. A megfordulások közötti időintervallumok nagymértékben ingadoznak, de átlagosan körülbelül 300 000 év, és az utolsó fordulatra körülbelül 780 000 évvel ezelőtt került sor. A tudósok nem tudják, hogy mi mozgatja a pólusfordulók gyakoriságát, de valószínűleg a Föld köpenyében zajló konvekciós folyamatok okozzák.

A Föld északi mágneses pólusának helyzete. Az ábrázolt pólusok dip-pólusok, azaz olyan pozíciók, ahol a mágneses mező iránya függőleges. A piros körök a közvetlen megfigyeléssel meghatározott északi mágneses pólusok helyzetét jelölik; a kék körök a GUFM modell (1590-1890) és az IGRF-12 modell (1900-2020) segítségével modellezett helyzeteket jelölik egyéves lépésekben. Az 1890-1900-as évek esetében a két modell között sima interpolációt végeztünk. A 2015 utáni modellezett helyek előrejelzések. Forrás: Cavit, CC BY 4.0, a Wikimedia Commonson keresztül.

A pólusváltás során a mágneses mező gyengül, de nem tűnik el teljesen. A magnetoszféra a földi légkörrel együtt továbbra is védi bolygónkat a kozmikus sugárzástól és a töltött naprészecskéktől, bár előfordulhat, hogy a részecskesugárzás egy kis részecske is lejut a Föld felszínére. A mágneses mező összezavarodik, és váratlan szélességi körökön több mágneses pólus is kialakulhat.

A Föld nem mindig a pólusain átívelő tengelyen forog. Ehelyett idővel szabálytalanul billeg, és a 20. század nagy részében Észak-Amerika felé sodródott (zöld nyíl). Ez az irány a Föld víztömegének változásai miatt drasztikusan megváltozott. Forrás: NASA/JPL-Caltech

Körülbelül 2000 előtt a Föld forgástengelye Kanada felé sodródott (zöld nyíl, bal oldali földgömb). A JPL tudósai kiszámították, hogy a különböző régiókban a víztömegben bekövetkezett változások (középső földgömb) milyen hatással voltak a sodródás irányának kelet felé húzására és a sebesség felgyorsítására (jobb oldali földgömb). Forrás: NASA/JPL-Caltech

A kontinentális víztömeg és a Föld forgástengelyének kelet-nyugati irányú ingadozása közötti kapcsolat. Az eurázsiai vízveszteségek a forgástengely általános irányának keleti irányú kilengéseinek felelnek meg (fent), az eurázsiai vízveszteségek pedig nyugat felé tolják a forgástengelyt (lent). Forrás: NASA/JPL-Caltech

Senki sem tudja pontosan, hogy mikor következhet be a következő pólusváltás, de a tudósok tudják, hogy ezek nem egyik napról a másikra következnek be. Ehelyett több száz vagy ezer év alatt következnek be. A tudósoknak nincs okuk azt hinni, hogy a pólusváltás küszöbön áll.

Geomágneses polaritás az elmúlt 169 millió év során, a jura csendes zónába húzódva. A sötét területek a normál polaritású időszakokat, a világos területek a fordított polaritást jelölik. Forrás: Public domain

Végül vannak a “geomágneses kitérések”: a mágneses mező intenzitásának rövidebb ideig tartó, de jelentős változásai, amelyek néhány évszázadtól néhány tízezer évig tartanak. A kitörések körülbelül tízszer olyan gyakran fordulnak elő, mint a pólusfordulók. Egy kitérés a Föld mágneses pólusait akár 45 fokkal is átrendezheti korábbi helyzetükhöz képest, és akár 20 százalékkal is csökkentheti a mező erősségét. A kitérések általában inkább regionális, mint globális jellegűek. Az elmúlt 70 000 évben három jelentős kitérés történt: a 64 500 évvel ezelőtti norvég-grönlandi tengeri esemény, a 42 000 és 41 000 évvel ezelőtti Laschamps esemény, valamint a 34 500 évvel ezelőtti Mono-tó esemény.

Rampasek, László A.
Forrás: Alan Buis, NASA Sugárhajtási Laboratórium