MAAN MAGNEETTIKENTÄN IHMEELLISYYKSIÄ: NAPAISUUSKÄÄNNÖKSET Heikki Nevanlinna, Geofysiikan dos. (Ilmatieteen laitos, eläk.) URSA 9.4.2013
ESITELMÄKALVOT: Tämän esitelmän PowerPoint-kalvot on saatavilla ja vapaasti käytettävissä: Taustamateriaalia ja lisätietoa maapallon magneettikentästä: Nevanlinna, H., 2009. Geomagnetismin ABC-kirja https://helda.helsinki.fi/handle/10138/1204 Nevanlinna, H., 2006. Avaruussää Auringosta tuulee. URSA. 5.4.2013 2
Maapallo: geomagneetti S N Havaintojen mukaan maapalloa ympäröi magneettikenttä Magneettikenttä on pääpiirteissään dipolaarinen ja sen navat lähellä maapallon pyörimisnapoja
Maan magneettikentän napaisuus vaihtuu Maapallon magneettikentän polariteetti vaihtuu keskimäärin kerran miljoonassa vuodessa, viimeksi noin 0.75 miljoonaa vuotta sitten. Itse käännöstapahtuma kestää tuhansia vuosia N S In Bn Mn Mr MAAPALLON DIPOLIKENTÄN KAKSI POLARITEETTITILAA n(ormal) ja r(eversed): Mn = - Mr; Bn = -Br; In = - Ir N S Br Ir 5.4.2013 4
Maapallon magneettiset navat Maanpinta I = 90 I = -90 H.C. Örsted B (1777-1851) B Magneettinen napa on siinä kohtaa maapallolla, missä B on kohtisuorassa maanpintaa vasten. Inklinaatio on ± 90. Napoja on 2 kpl. Dipolinapa: Maan dipolin ja maanpinnan leikkauspisteet. Sijaitsevat eri paikoissa kuin magneettiset navat 5.4.2013 5
MAAN SYVÄRAKENNE Kuorikerros 10-60 km Vaippakerros 60-2900 km Nesteydin (Fe Ni) 2900 km syvyydessä, T = 4500-6000 C Kiinteä sisäydin, säde 1200 km Maapallon magneettisuuden lähteet ovat pääasiassa ulkoytimen pinnalle syntyvissä sähkövirroissa Pallomaisen Maan säde 6372 km 5.4.2013 6
Maapallo on sähkömagneetti Maan magneettikenttä syntyynesteytimessä sähkömagneettisen induktion vaikutuksesta (geodynamo). Sähkövirrat noin 10 9 A. Magneettikenttä noin 50 kertaa suurempi kuin maanpinnalla Induktiotapahtumaan osallistuvat nestevirtaukset (pyörteisyys) ja maapallon pyörimisliike. Siinä mekaaninen energia muuntuu magneettiseksi energiaksi
GEODYNAMO!B!t = 1!µo " 2 B + "#(v # B) Eksponent. vaimeneminen Induktio B magn.vuon tiheys, v nestevirtaus, σ johtavuus 5.4.2013 8
Aurinkokunnan magneettikentät Aurinkokunnan planeetoilla useimmilla on magneettikenttä. Samoin itse auringolla Kuussa ja Marsissa on ollut magneettikenttä, mutta sitä ylläpitävä dynamo on pysähtynyt Jupiterin magneettikenttää Auringonpilkut ovat osa auringon magneettikentästä. Uranuksen ja Neptunuksen magneettikentät ovat anomalisia (non-dipole) Marsin pinnan magneettikenttää Revontulia Saturnuksessa.
GEOMAGNETISMI TÄNÄÄN Kaksi tutkimussuuntaa: paleomagnetismi ja neomagnetismi Paleomagnetismi selvittää Maan muinaista magneettikenttää ennen suorien havaintojen aikakautta. Laavakivet, järvi- ja merisedimentit Maapallon magneettikentän napaisuuskäännösten mallittaminen Muiden planeettojen ja taivaankappaleiden magnetismi 1
GEOMAGNETISMI TÄNÄÄN 2 1. Neomagnetismi 2. Magneettiset observatoriot eri puolilla maapalloa (noin 200) sekulaarimuutoksen monitorointiin (Nurmijärvi, Ilmatieteen laitos) 3. Magnetometriverkot (automaattiasemat) 4. Kenttämittaukset (maa, meri & ilma) 5. Satelliittimittaukset (Örsted 1999, CHAMP, 2000) 6. Teoriat: Miksi Maa on magneettinen? Geodynamo
GEOMAGNETISMI TÄNÄÄN Tietoja magneettikentästä kerätään observatorioissa 1-10 s tiheydellä Reaaliaikaisuus: alueellisesti mm. IMAGEverkko, globaalisti INTERMAGNET (80 observatoriota) Avaruussäämonitorointi 3 Ilmatieteen laitoksen automaattiset magnetometriasemat (IMAGE)
IGRF-MALLIT IGRF (International Geomagnetic Reference Field) geomagneettisen pääkentän malli Päivitetään joka 5. vuosi satelliittimittauksista (Örsted) ja observatoriodatoilla Kehitys käy kohti reaaliaikaista mallia, jossa mukana Maan lähiavaruuden magneettikehästä tulevat häiriöt Maapallon magneettikenttä (µt) IGRF vuonna 2010 5.4.2013 13
Magneettiset observatoriot Maapallon magneettikentän muutoksia rekisteröidään observatorioissa, joita on toiminnassa noin 200 Sodankylä (OY) vuodesta 1913 Helsinki vuodesta 1844 ja Nurmijärvi (IL) vuodesta 1953 Helsingin magneettinen observatorio 1838-1912
MAGNEETTIKENTÄN SEKULAARIMUUTOS Magneettikentän hidas muutos, sekulaarimuutos, kertoo maapallon nesteytimen virtauksista. Suomessa eranto on muuttunut keskimäärin 0,1 ast itään viimeisten noin 200 vuoden aikana
Paleomagnetismi: ikkuna magneettikentän menneisyyteen Paleomagneettinen mittaus käynnissä Helsingin yliopiston paleomagnetismin laboratoriossa Paleomagnetismin keinoin saadaan tietoa Maan magneettikentän vaihteluista aikaväliltä 10 2-10 9 vuotta Suomen järvisedimenteistä lasketut tiedot deklinaation ja inklinaation vaihteluista viimeisten 10 000 vuoden ajalta (Ojala & Saarinen, 2002)
Erantohavaintoja Suomesta 10 000 vuoden ajalta Declination ( E) 10 0-10 -20-30 -40-50 3000 Observatory data 2000 1000 0-1000 Lake Sediment Declination Lake Nautajärvi, Finland 61.8 N; 24.7 E -2000-3000 -4000-5000 -6000-7000 -8000 Magneettikentän eranto Nautajärven (61.8 ; 24.7 E) pohjasedimenteistä määritettynä jääkauden jälkeisellä ajalla A.D. 1980... -7900 noin 40 vuoden välein Musta viiva vasemmalla näyttää observatoriohavainnoista saadut erantoarvot (vuosikeskiarvot) Erannon suurin itäisin lukema 13 E vuonna noin 1120 Erannon suurin läntisin lukema 45 W noin vuonna 4530 B.C Year 5.4.2013 17
Maan magneettikentän napaisuus vaihtuu Maapallon magneettikentän polariteetti vaihtuu keskimäärin kerran miljoonassa vuodessa, viimeksi noin 0.75 miljoonaa vuotta sitten. Itse käännöstapahtuma kestää tuhansia vuosia 5.4.2013 18
NAPAISUUSKÄÄNNÖKSIÄ ON OLLUT TUHANSIA Aika milj. vuosia B.P. Dipolipolariteetti Normaali, N Käänteinen, R 0.0 Brunhes 1.0 2.0 Matyama 3.0 Gauss 4.0 Gilbert Maan magneettikentän napaisuus vaihtuu keskimäärin kerran miljoonassa vuodessa Napaisuuden vaihdosprosessi on ollut käynnissä koko maapallon geologisen historian ajan > 3 miljardia vuotta. Käännöksiä on ollut tuhansia 5.4.2013 19
NAPAISUUSKÄÄNNÖSTEN ESIINTYMINEN VAIHTELEE Kuvassa valkea histogrammi ilmoittaa kuinka monta napaisuuskäännöstä tapahtuu per 2 milj. v Noin 100 milj. vuotta sitten polariteettivaihdoksia oli äärimmäisen vähän. Frekvenssi on siitä lähtien kasvanut. Nyt n. 6 käännöstä miljoonassa vuodessa 5.4.2013 20
180 NAPAISUUDEN-VAIHDOS Kentän voimakkuus 180 Eranto 0 Inklinaatio +60-60 Yläkuvassa maapallon magneettikentän voimakkuus tietyllä havaintopaikalla, keskikuvassa eranto (kompassisuunta) ja alimpana inklinaatio (magneettikentän kallistuskulma) Napaisuuden vaihdos kestää 1000-10000 vuotta Ensimmäisenä magneettikentän voimakkuus lähtee pienenemään magneettikentän pysyessä dipolimaisena eli suunta säilyy tietyllä paikalla. Kentän ollessa pienmmillää, n, 90 % siitä on hävinnyt ja jäljellä on vain anomalinen (ei-dipolaarinen) osuus Suunnan muutos (D ja I) tapahtuu lyhyessä ajassa 5.4.2013 21
DIPOLINAVAN LIIKE Normaali Käänteinen Napaisuudenvaihtoprosessissa magneettikenttä heikkenee noin 90 % Kentän ollessa pienimmillään, sen suunta vaihtuu nopeasti 180 Tämän jälkeen kentän voimakkuus kasvaa entiselleen, mutta sen suunta on käänteinen 5.4.2013 22
MAGNEETTIKENTÄN RAKENNE NAPAVAIHDOSKEN AIKANA Vakaa polariteetti. Dipoli- rakenne Polariteetti muuttuu: multipolinen rakenne 5.4.2013 23
MAGNEETTIKENTÄN RAKENNE NAPAVAIHDOSKEN AIKANA Vaipan ja ytimen pyörmisnopeuksien ero aiheuttaa ytimeen toridikentän (ω-efekti) Ytimen konvektiovirtaukset palauttavat toroidikentän poloidiaaliseksi (α-efekti) 5.4.2013 24
NAPAISUUSKÄÄNNÖKSEN SIMULOINTI Aika etenee vasemmalta oikealle 3000 vuoden välein Ylärivi: B maanpinnalla Keskirivi: B Maan ytimessä Alarivi: Läpileikkaus kenttäviivoineen N- polariteetti (sininen) vaihtuu asteettain käänteiseksi S (punainen) 5.4.2013 25
MAAN MAGNEETTI- KENTTÄ HEIKKENEE Vaihtuuko napaisuus? Strength of the Dipole Field at the Equator (nt) 32000 31000 30000 1900 1920 STRENGTH OF THE MAIN DIPOLE (nt) 1900-2000 1940 Linear Decrease -20 nt/year 1960 1980 2000 8.2x10 22 8.0 7.8 Dipole Moment (Am 2 ) Year 5.4.2013 26
MAGNEETTINEN NAPA LIIKKEELLÄ 90 MAAPALLON MAGNEETTINEN POHJOISNAPA VUOSINA 1600-2010 85 2010 2000 2005 1600 80 Leveysaste N 75 1940 1980 1960 1700 1920 1800 70 1900 65 90 100 110 120 130 Pituusaste W Magneettinen napa liikkuu pohjoiseen noin 40 km vuodessa 5.4.2013 27
KÄÄNTEISEN NAPAISUUDEN ALUEET KASVAVAT Magneettikenttä ytimen pinnalla muodostuu laajoista magneettivuon tihentymistä. Satelliittimittausten mukaan käänteisen napaisuuden alueet pohjoisella ja eteläisellä pallonpuoliskolla ovat kasvamassa 5.4.2013 28
MAGNEETTIKENTTÄ JA MAAN PYÖRIMISLIIKKEEN HEILAHTELUT -10-1.0 Secular Change of the Dipole Field (nt/year) -20-30 -40-50 1900 Length of Day (LOD) Offset: +10 yrs 11-year smoothing 1920 Dipole Field Secular Change 1940 Year 60-Year Wave 1960 1980 2000 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 Excess Length of Day LOD (ms) Siniset pallot ja musta viiva: Dipolikentän vuotuinen muutos 1900-2000 Punainen käyrä: Maapallon pyörähdysnopeuden heilahtelut (LOD = Length of Day) 5.4.2013 29
AURINGON MAGNEETTIKENTTÄ Auringolla on laaja-alainen globaali magneettikenttä Auringonpilkuissa on voimakas magneettikentän keskittymä 100 1000 x Maan kenttä Koronan aukkojen kohdalla magneettikenttä jatkuu avaruuteen, pilkkujen kohdalla kenttäviivat ovat dipolaarisia tai monimutkaisempia 5.4.2013 30
AURINGON MAGNEETTIKENTÄN NAPAISUUS Auringon polaarinen magneettikenttä vaihtaa napaisuuttaan säännöllisesti noin 22 vuoden välein. Napaisuus vaihtuu lähellä auringonpilkkujen esiintymisen maksimikohtaa. Nyt käynnissä olevan pilkkujakson napaisuus on vaihtumassa (2013) 5.4.2013 31
NAPAISUUSKÄÄNNÖKSET PÄÄTELMIÄ - 1 Magneettikentän napaisuuskäännöksiä tunnetaan maapallolta, Marsista, Auringosta ja monista tähdistä Maapallon tapauksessa napaisuuskäännöksiä tapahtuu harvoin: 1-2 kertaa miljoonassa vuodessa, joskus vieläkin harvemmin Auringossa ja tähdissä käännösfrekvenssi on nopeampi: Auringon tapauksessa noin 22 vuotta: Auringon magneettikentän polariteetti on parhaillaan vaihtumassa Maapallon magneettikentän nykyinen polariteetti on kestänyt jo 750 000 vuotta, mikä on tilastollisesti enemmän kuin keskimäärin Polariteetin vaihtuminen kestää tuhansista vuosista kymmeniintuhansiin. Kääntötapahtuman keskellä magneettikenttä pienenee noin 90 % vakaan polariteetin arvosta. Kentän geometria on silloin moninapainen 5.4.2013 32
NAPAISUUSKÄÄNNÖKSET PÄÄTELMIÄ - 2 Käännöstapahtuman keskellä vallitseva heikko magneettikenttä mahdollistaa avaruuden kosmisen säteilyn kasvun maanpinnalla. Lisäys on kuitenkin vain noin 20 %, koska ilmakehä absorboi suurimman osan kosmisesta säteilystä Vakaan polariteetin kaudella maapallon magneettikenttä suojaa ilmakehää aurinkotuulen pyyhkäisyiltä; heikon magneettikentän vallitessa suoja on pienempi ja ilmakehä on alttiimpi aurinkotuulen kuluttavalle vaikutukselle Ihmiskunnan kannalta napaisuuden käännös on hidas prosessi eikä sillä ole suurta merkitystä maapallon biosfääriin Merkittävin vaikutus jää maapallon lähiavaruuteen, missä käännöksen aikana vallitseva heikko ja moninapainen magneettikenttä muuttaa avaruussään ominaisuuksia: hiukkasvyöhykkeet muuttuvat tai puuttuvat kokonaan, ja revontulia voidaan nähdä säännöllisesti napaseutujenkin ulkopuolella 5.4.2013 33
LISÄKALVOT 5.4.2013 34
AURINGONPILKUT 1610 2020 5.4.2013 35
AURINGON AIHEUTTAMAT MAGNEETTISET MYRSKYT MAAPALLOLLA 1844 2013 Harmaa alue: auringonpilkut Punainen: magneettiset myrskyt (indeksi) 5.4.2013 36
AURINGON AKTIIVISUUS MAAPALLOLLA 1844 2013 Harmaa alue: auringonpilkut Punainen: magneettinen aktiivisuus 8.4.2013 37
AURINGONPILKUT 1997 2013 5.4.2013 38
AURINGON SÄTEILYN MUUTOS JA MAAPALLON LÄMPÖTILA 1850 2010 5.4.2013 39