Zemeljsko magnetno polje

    Vsakdo izmed nas je že držal v rokah kompas v trdnem prepričanju, da magnetna igla nezmotljivo kaže proti severnemu tečaju. Pa vendar temu ni tako. Magnetna igla kompasa ne kaže proti geografskemu severnemu tečaju, pač pa proti magnetnemu severnemu polu. Vendar pa magnetni pol (tam kjer so silnice magnetnega polja navpične glede na zemeljsko površino) ne sovpada z geografskim severnim tečajem (kjer os vrtenja Zemlje okoli lastne osi seka površino Zemlje). Kot med obema smerema dosega na področju Slovenije okoli 1.5° (za New York na primer znaša kar 13°) Vendar pa to še ni vse! Lega magnetnega polja se iz leta v leto znatno spreminja. Pravzaprav magnetno pol vidno spreminja lego iz dneva v dan!

    Preden se podrobneje lotimo gornjih presenetljivih spoznanj, si najprej oglejmo, kako si je človeštvo v preteklosti razlagalo magnetno polje Zemlje. Kot vedno, lahko prve omembe magnetizma najdemo v delu Grškega filozofa Talesa iz šestega stoletja pr.n.š. Nedolgo zatem, se tudi v Kitajski literaturi pojavijo omembe magnetnih lastnosti magnetita, ki ga zaradi privlaka med različnimi deli poimenujejo tzhu shih ali ljubeči kamen.

    Naslednji, morda celo najpomembnejši, korak v uporabi in razumevanju magnetizma Zemlje je nastopil s prvo uporabo kompasa, kar se je Kitajcem posrečilo že okoli prvega stoletja našega štetja, vendar pa očitno uporaba kompasa ni dosegla Evrope vse tja do 12. st., ko ga je prvič omenil Angleški menih, Alexander Neckham. Seveda nikakor ni jasno, od kod Alexandru vedenje o obstoju tako pripravne naprave kot je kompas.

    Vzajemno s kompasom so se pojavile tudi različne teorije, ki naj bi pojasnile skrite sile, ki držijo iglo v pravi smeri. Tako so bili filozofi trinajstega stoletja trdno prepričani, da kompas kaže v smer severnice, ter da prejema svojo lastnost od zvezde same. Ideja niti ni tako presenetljiva, saj severnica v nasprotju z ostalimi zvezdami na severni polobli ostane kot pribita pri miru na nočnem nebu, medtem ko ostale zvezde opišejo navidezne kroge zaradi vrtenja Zemlje. Vendar pa je idejo porušilo merjenje deklinacije, to je odmika smeri v katero kaže magnetno polje od smeri geografskega severnega tečaja.

    Lega severnega magnetnega pola
    Lega severnega magnetnega pola

    Drugo zanimivo prepričanje o izvoru Zemeljskega magnetnega polja je prevladovalo med mornarji šestnajstega stoletja. Le ti so si razlagali pojav z veliko namagneteno goro, ki naj bi ležala tem zgoraj na severu in privlačila igle kompasov, pa tudi nesrečne mornarje, ki bi zašli v preveliko bližino. Nekoliko bolj utemeljeno razlago je prvi ponudil Sir William Gilbart, osebni zdravnik kraljice Elizabete I okoli l.1600 . Predlagal je, da naj bi bila Zemlja velik magnet. Tako naj bi sila, ki privlači kompasovo iglo, izvirala iz Zemeljske notranjosti. Poleg tega je tudi izdelal model Zemlje iz magnetita in tako pokazal, da ima Zemlja, če je njegova hipoteza utemeljena, dva pola, severnega in južnega (t.j. obstajata dve točki na Zemeljski površini, kjer so silnice pravokotne na Zemeljsko površino).

    Sodobne teorije o izvoru Zemeljskega magnetnega polja se seveda ne skladajo povsem s to poenostavljeno sliko. V notranjosti Zemlje namreč ne more biti trajno namagnetenih snovi, saj je temperatura precej nad Curiejevo temperaturo, to je kritično temperaturo, do katere je snov še lahko v feromagnetnem stanju. Magnetno polje tako izvira iz razmeroma zapletenega pretakanja raztaljenih kovin v zunanjem jedru Zemlje (to je med 2800 in 5000 km pod površjem).

    Premikanje lege magnetnega pola z leti
    Premikanje lege magnetnega pola z leti

    Kje torej leži severni magnetni pol? Nekako v začetku 19. st. se je nabralo dovolj meritev Zemeljskega magnetnega polja, da je postalo jasno, da severni magnetni pol leži nekje v Arktičnem predelu Kanade. Leta 1829 se je Sir John Ross podal na odpravo z namenom, da odkrije Severozahodni prehod. Njegovo ladjo je vkoval led blizu polotoka Boothia, kjer je ostala naslednja štiri leta. Nečak Sira Johna je izkoristil obilico časa za meritve magnetnega polja okoli polotoka. Meritve so ga prepričale, da se severni magnetni pol nahaja nedaleč od mesta, kjer so bili ujeti v ledu. Spomladi 1831 se je odpravil na lov za severnim magnetnim polom. 1 junija 1831 je v bližini rta Adelaide na zahodni obali polotoka Boothia izmeril naklon magnetnega polja glede na zemeljsko površino (inklinacijo) 89° 59′. Za vse praktične namene je bila točka meritve severni magnetni pol.

    Naslednji poskus določitve severnega magnetnega pola je sledil kakšnih 70 let kasneje. Norvežan Roald Amundsen je zapustil Norveško z namenom, da postavi začasen magnetni observatorij v bližini severnega pola. Poleg tega mu je tudi kot prvemu uspelo prepluti severozahodni prehod, kar je njegovo odpravo resnično naredilo slavno (in ne ponovna določitev magnetnega pola).

    Lego pola je nato zopet določila skupina Kanadskih znanstvenikov takoj po drugi svetovni vojni. Ugotovili so, da se je lega magnetnega pola v zadnje pol stoletja premaknila za več kot 250 km proti severozahodu. Nadaljnja opazovanja Kanadskih znanstvenikov iz let 1962, 1973, 1984 in najnovejša iz leta 1994, kažejo na to, da se severni pol premakne za okoli 10 km na leto.

    Ko govorimo o legi magnetnega pola, pravzaprav mislimo povprečno lego. Pozicija pola se namreč spreminja iz dneva v dan. Tako pol prek dneva potuje po približno eliptični poti po Zemeljski površini. Lega pola je tako lahko tudi kakih 80 km oddaljena od povprečne lege. Slika kaže običajno pot pola na magnetno miren dan (notranja elipsa) in magnetno nemiren dan (zunanja elipsa).

    Dnevne fluktuacije lege magnetnega pola
    Dnevne fluktuacije lege magnetnega pola

    Dnevne spremembe lege magnetnega pola so v glavni meri posledice vpliva Sonca na magnetno polje Zemlje. Sonce neprenehoma bruha v medplanetarni prostor nabite delce (sončni veter), ki zmotijo magnetno polje Zemlje, ko zadenejo ob njeno magnetosfero. Tako nastali električni tokovi vplivajo na samo magnetno polje Zemlje in povzročijo premik magnetnega pola. Najbolj drastično lahko opazimo vpliv sončnega vetra na obliki magnetosfere. Magnetopausa (rob magnetosfere) je tako na strani proti Soncu oddaljena od Zemlje le deset Zemeljskih radijev, medtem ko se na drugi strani razteza kar 60 radijev daleč.

    Vendar pa počasno spreminjanje lege magnetnega pola iz dneva v dan (ure v uro) ni edino presenečenje, ki nam ga je pripravila narava. Če posežemo v področje paleomagnetizma, to je vede, ki preučuje fosilno magnetizacijo kamenin vseh starosti, ugotovimo, da sta se legi severnega in južnega pola v zadnjih štirih milijonih let kar devetkrat zamenjali(!). Kako je kaj takega mogoče? Glede na to, da je Zemljina notranjost tekoča, je gibanje kamenin razmeroma kompleksno in težko napovedljivo, saj med sistemom enačb, ki opisujejo gibanje najdemo tudi nelinearne enačbe (npr. Navier-Stokesovo enačbo). Enačbe gibanja se ne spremenijo, če zamenjamo legi obeh polov. Jasno je torej, da sta mogoči dve rešitvi, takšna kot je sedaj (normalna polarnost) in pa obrnjena polarnost. V katero od obeh možnosti bo zašel sistem odloči naključna usmerjenost majhnega magnetnega polja na začetku vzpostavitve gibanja. Nikakor pa ni jasno, kako pride do obrnitve obeh polov. Obrnitev je verjetno posledica nekega zelo slabo razumljenega vzorca gibanja tekočin znotraj Zemlje.

    Skica magnetosfere okoli Zemlje
    Skica magnetosfere okoli Zemlje

    V tem smislu ostajajo še v veljavi besede, ki jih je pred skoraj pol stoletja izrekel Einstein. Tedaj je izvor magnetnega polja Zemlje označil kot enega petih najpomembnejših nerešenih problemov fizike. Te besede sedaj zvenijo sicer nekoliko pretirano, saj je bil na tem področju od začetkov uporabe računalnikov v znanstvene namene napravljen precejšen napredek. Vendar pa kljub vsemu, kot vidimo, še ostaja kopica nerešenih skrivnosti.

    Jure Zupan, kvarkadabra.net – številka 2 (december 1999)

    Deli