Maa magnetväli: määratlus, teke, kaitse ja magnetpooluste muutused

Maa magnetväli on magnetväli, mis ümbritseb Maad ja ulatub atmosfääri ning kosmosealasse, kus see moodustab magnetosfääri. Seda nimetatakse sageli ka geomagnetväljaks. Pindmistes punktides on magnetväli tüüpiliselt mõnekümne mikrotesla (≈25–65 µT) suurusjärgus, kuid väärtus sõltub asukohast ja ajast.

Tekke mehhanism

Maa magnetväli tekib peamiselt Maa sisemise struktuuri ja pöörlemise koosmõjul. Sügaval Maa sees on vedelast rauast ja niklist koosnev välimine tuum, mille konvektsioonivoolud ja planeedi pöörlemine loovad elektrivoolusid. See protsess on tuntud kui geodünaamomudel. Mööda tuuma voolavad elektrivoolud tekitavad laias ulatuses magnetvälja, mis sarnaneb osaliselt dipooliga ehk kahe vastaspoolusega (põhja ja lõuna).

Kaitse Maa ja eluslooduse jaoks

Magnetväli mängib olulist rolli Maa kaitsmisel: see hajutab ja juhib ümber laenguga osakesi päikesetuulest ning kosmilistest kiirtest. Magnetosfäär koos Van Allen`i vööde ja atmosfääriga vähendab otsest kiirgust Maale jõudvate laetud osakeste hulgas. Tänu sellele on õhk ja pinnal elavad organismid paremini kaitstud päikesekiirguse ja kosmosekiirguse kahjuliku mõju eest. Samuti põhjustab magnetväli polaaralade läheduses nähtavaid virmalisi ehk aurorasid, kus päikesetuule osakesed atmosfääriga kohtudes helendavad.

Muutlikkus: lühiajaline ja pikaajaline

Magnetväli ei ole konstantselt püsiv: see näitab mitut tüüpi muutusi.

• Puudutused ja geomagnetilised tormid – päikesepursked ja muutlik päikesetuul võivad mõne tunni kuni päevade jooksul magnetvälja tugevalt häirida. Need häired võivad mõjutada side- ja navigatsioonisüsteeme ning tekitada induktsiooni elektrivõrkudes.
• Sekulaarne variatsioon – magnetvälja tugevus ja suund muutuvad aeglaselt aastate ja sajandite jooksul. Seda põhjustavad tuuma dünaamilised protsessid ja mittestatiivsed voolud.
• Magnetpooluste "rändamine" – magnetilised poolused liiguvad Maa pinda suhteliselt kiiresti (mõnikord kilomeetrite kaupa aastas) ja võivad kohapidavalt nihkuda sadu kilomeetreid sajandite jooksul.
• Magnetilised pöörded ehk reversioonid – ajalooliselt on geomagnetiline dipool kordunud vahetunud: magnetiline põhjapool ja lõunapool on omavahel kohavahetusi läbi teinud. Need pöörded toimuvad ebaregulaarsetel intervallidel (keskmiselt iga mõnesaja tuhande aasta järel, kuid tugev kõikumine ajaskaalas) ja nende protsess võib võtta tuhandeid kuni kümneid tuhandeid aastaid. Viimane täielik pöördemoment kuulus Brunhes–Matuyama pöördele umbes 780 000 aastat tagasi.

Mõõtmine ja kasutus

Magnetvälja jälgitakse maapinnal paiknevate magnetomeetrite abil ning satelliitide kaudu (näiteks ESA uurimis-satelliidid). Magnetiline info on oluline:

• kompassi tööpõhimõtte jaoks — Kompass orienteerub geomagnetvälja järgi ja näitab ligikaudu magnetilist põhjasuunda;
• märgistamiseks ja navigatsiooniks (laevandus, lennundus, ka geoloogiline uurimistöö ja mineraalide otsingud);
• looduslike rändloomade suunatajaks — paljud linnud, imetajad ja putukad tajuvad magnetvälja ja kasutavad seda rände- ja orientatsioonikäitumiseks.

Magnetvälja ja geograafiliste pooluste erinevus

On oluline eristada magnetilisi ja geograafilisi poolusi. Geograafilised poolused on Maa telje pöördepunkte, magnetilised poolused on punktid, kus magnetväli on vertikaalne. Kompass näitab magnetilist põhjasuunda, mitte täpselt geograafilist põhja; kahe suuna vahe on magnetiline deklinatsioon, mis muutub koha ja aja järgi.

Tagajärjed ja kaitse tehnoloogiale

Magnetvälja muutused, eriti geomagnetilised tormid, võivad mõjutada inimtegevust ja tehnoloogiat:

• satelliitide ja astronautide suurem kiirgusriski tase ning elektroonika rike;
• suured geomagnetilised tormid võivad põhjustada pingeid ja induktoreid elektrivõrkudes, mis mõnikord viib katkestusteni;
• navigatsiooni- ja kommunikatsioonisüsteemide häired, eriti kõrge laiuskraadiga aladel;
• torujuhtmete ja raudteede korrosioon ning maapinna pulseeruv magnetväli, mis võib mõjutada täpseid mõõtmisi.

Kaitsemeetmed hõlmavad satelliitide ja võrguseadmete tugevdamist, ruumipurskehoiatusi ning kosmoseilma jälgimist ja prognoosimist, et vähendada väärkasutust ja tehnoloogilisi riske.

Kokkuvõte

Maa magnetväli on dünaamiline ja eluliselt tähtis süsteem, mis tekib Maa sisemiste voolude ja pöörlemise koosmõjul. See kaitseb planeeti kosmiliste osakeste eest, juhib paljude liikide rännet ning on hädavajalik inimeste loodud navigatsiooni- ja mõõtesüsteemide toimimiseks. Samas ei ole magnetväli püsiv: see muutub lühemate tsüklite jooksul (geomagnetilised tormid, sekulaarne variatsioon) ning pikematel ajaskaalaful (pooluste rändamine ja magnetilised reversioonid), mis toob kaasa nii huvitavaid teaduslikke väljakutseid kui ka praktilisi ohte tehnoloogiale.

Omadused

Maa geomagnetiline väli tekib kahe asja tõttu. Magnetvälja tekkimisel on oluline osa konvektiivsetel liikumistel Maa keskmes asuvas vedelat juhtivas tuumas. Kui konvektiivsed liikumised toimuvad koos elektrivooludega ümber Maa, tekib magnetväli. Maa pöörlemine on see, mis hoiab magnetvälja üleval. Konvektiivsete liikumiste ja elektrivoolude koostoime tekitab dünamoefekti.

Magnetvälja intensiivsus on suurim magnetpooluste lähedal, kus see on vertikaalne. Välja intensiivsus on kõige nõrgem ekvaatori lähedal, kus see on horisontaalne. Magnetvälja intensiivsust mõõdetakse gaussides.

Magnetvälja tugevus on viimastel aastatel vähenenud. Viimase kahekümne kahe aasta jooksul on magnetvälja tugevus vähenenud keskmiselt 1,7%. Mõnes piirkonnas on magnetvälja tugevus vähenenud kuni 10%. Välja tugevuse kiire vähenemine on märk sellest, et magnetväli võib olla pöördumas. Pöördumine võib toimuda järgmise paari tuhande aasta jooksul. On näidatud, et magnetpooluste liikumine on seotud magnetvälja tugevuse vähenemisega.

Geomagnetiline pööre on see, kui põhjapoolus ja lõunapoolus vahetavad kohad. Seda on Maa ajaloos juhtunud paar korda. Magnetiline pöördumine toimub pärast seda, kui magnetvälja tugevus jõuab nullini. Kui tugevus hakkab uuesti suurenema, suureneb see vastupidises suunas, põhjustades magnetpooluste vahetumise. Aeg, mis kulub magnetvälja ümberpööramiseks, ei ole teada, kuid see võib kesta kuni kümme tuhat aastat. Maa magnetilisi pöördumisi on jäädvustatud kivimites, eriti basaldis. Teadlased uskusid, et viimane geomagnetiline pöördumine toimus 780 000 aastat tagasi.

Magnetosfäär

Magnetosfääri tekitab magnetväli. See on Maa ümbritsev ala, mis toimib kilbina päikesetuule kahjulike osakeste vastu. Magnetosfääris on palju erinevaid kihte ja struktuure ning päikesetuul kujundab iga neist kihtidest. Päikesetuule ja magnetosfääri koostoime põhjustab ka põhja- ja lõunatulede tekkimist. Magnetosfäär on väga oluline Maa kaitsmisel päikesetormide eest, mis suurendavad päikesetuule aktiivsust. Päikesetormid võivad põhjustada geomagnetilisi tormid, mis mõnikord mõjutavad Maad tõsiselt.

Põhja- ja lõunapooluste vahelised alad on magnetvälja jooned. Need jooned väljuvad Maast lõunapooluse vertikaalsest punktist ja sisenevad uuesti põhjapooluse vertikaalsest punktist. Neid kahte vertikaalset punkti nimetatakse magnetilisteks kallutuspoolusteks. Magnetilisi kallakupooluseid nimetatakse tavaliselt magnetpoolusteks. Magnetilised poolused lõikuvad Maaga kahes punktis. Põhjamagnetpoolus lõikab Maad 78,3 N laiuskraadi ja 100 W pikkuskraadi juures. See asetab põhjapooluse põhjapooluse põhjapolaarsele ringile. Lõunapoolus lõikub Maaga punktis 78,3 lõunalaiust ja 142 idapikkust. See asetab lõunapooluse Antarktikasse. Magnetpoolused on ka need, kus magnetväljad on kõige tugevamad.

Sellel joonisel on kujutatud magnetosfääri, mis blokeerib päikese põhjustatud päikesetuult.


Põhjamagnetpooluse liikumine. Eeldatavasti läbib ta geograafilise põhja pooluse lähedalt ja jätkab oma teed Siberisse.

Küsimused ja vastused

K: Milline on Maa magnetväli?

K: Mis tekitab Maa magnetvälja?

K: Milline on Maa magnetvälja funktsioon?

K: Kui stabiilne on Maa magnetväli?

K: Kuidas tekib Maa magnetväli?

K: Mida tekitavad magnetpoolused?

K: Millised rakendused on Maa magnetväljal?

Otsing