|
|
|
| Het magnetische veld van de aarde, ook bekend als het geomagnetische veld, is het magnetische veld dat zich vanuit het binnenste van de aarde de ruimte in uitstrekt, waar het in wisselwerking staat met de zonnewind, een stroom geladen deeltjes die uit de zon komt. Het magnetische veld wordt gegenereerd door elektrische stromen als gevolg van de beweging van convectiestromen van een mengsel van gesmolten ijzer en nikkel in de buitenste kern van de aarde: deze convectiestromen worden veroorzaakt door warmte die uit de kern ontsnapt, een natuurlijk proces dat geodynamo wordt genoemd. |
| |
De grootte van het magnetische veld van de aarde aan het oppervlak varieert van 25 tot 65 μT (0,25 tot 0,65 G). Bij benadering wordt dit weergegeven door een veld van een magnetische dipool die momenteel onder een hoek van ongeveer 11° staat ten opzichte
van de rotatieas van de aarde, alsof er een enorme staafmagneet onder die hoek door het middelpunt van de aarde is geplaatst. De geomagnetische noordpool vertegenwoordigt feitelijk de zuidpool van het magnetisch veld van de aarde, en omgekeerd komt de geomagnetische zuidpool overeen met de noordpool van het magnetisch veld van de aarde (omdat tegengestelde magnetische polen elkaar aantrekken en het noordelijke uiteinde van een magneet, zoals een kompasnaald, naar elkaar wijst). Het magnetische veld van het Zuiden van de aarde, Ellesmere Island, Nunavut, Canada). |
| |
Hoewel de magnetische polen van het noorden en het zuiden zich gewoonlijk in de buurt
van de geografische polen bevinden, bewegen ze zich langzaam en continu over geologische tijdschalen, maar zo langzaam dat gewone kompassen bruikbaar blijven voor navigatie. |
Echter, met onregelmatige tussenpozen van gemiddeld enkele honderdduizenden jaren, |
|
 |
| Het geomagnetisch dipoolveld staat met zijn as 9,6° gekanteld ten opzichte van de aardas. |
|
| |
| keert het aardveld om en wisselen respectievelijk de magnetische noord- en zuidpool abrupt van plaats. Deze omkeringen van de geomagnetische polen laten een record achter in gesteenten die van waarde zijn voor paleomagnetisten bij het berekenen van geomagnetische velden in het verleden. Dergelijke informatie is op zijn beurt nuttig bij het bestuderen van de bewegingen van continenten en oceaanbodems boven de ionosfeer, die wordt bepaald door de omvang van het magnetische veld van de aarde in de ruimte. Het strekt zich enkele tienduizenden kilometers de ruimte in en beschermt de aarde tegen de geladen deeltjes van de zonnewind en kosmische straling die anders de bovenste atmosfeer zouden wegnemen, inclusief de ozonlaag die de aarde beschermt tegen schadelijke ultraviolette straling. |
Het magnetische veld van de aarde buigt het grootste deel van de zonnewind af, waarvan de geladen deeltjes anders de ozonlaag zouden
wegnemen die de aarde beschermt tegen schadelijke ultraviolette straling. Eén stripmechanisme is dat gas wordt opgevangen in belletjes van het magnetische veld, die worden afgerukt door zonnewind. Berekeningen van het verlies aan kooldioxide uit de atmosfeer van Mars, als gevolg van het wegvangen van ionen door de zonnewind, geven aan dat de dissipatie van het magnetische veld van Mars een vrijwel totaal verlies van zijn atmosfeer veroorzaakte. |
| |
| De studie van het vroegere magnetische veld van de aarde staat bekend als paleomagnetisme. De polariteit van het magnetische veld van de aarde wordt vastgelegd in stollingsgesteenten, en omkeringen van het veld zijn dus waarneembaar als "strepen" gecentreerd op mid-oceanische ruggen waar de zeebodem zich verspreidt, terwijl de stabiliteit van de geomagnetische polen tussen omkeringen paleomagnetisme mogelijk heeft gemaakt. om de beweging van continenten in het verleden te volgen. Omkeringen vormen ook de basis voor magnetostratigrafie, een manier om gesteenten en sedimenten te dateren. Het veld magnetiseert ook de korst, en magnetische afwijkingen kunnen worden gebruikt om te zoeken naar afzettingen van metaalertsen. |
| |
| Mensen gebruiken kompassen al sinds de 11e eeuw na Christus voor het vinden van richtingen en voor navigatie sinds de 12e eeuw. Hoewel de magnetische declinatie met de tijd verschuift, is dit ronddwalen zo langzaam dat een eenvoudig kompas bruikbaar kan blijven voor navigatie. Met behulp van magnetoreceptie gebruiken verschillende andere organismen, variërend van sommige soorten bacteriën tot duiven, het magnetische veld van de aarde voor oriëntatie en navigatie. |
Op elke locatie kan het magnetische veld van de aarde worden weergegeven door een driedimensionale vector. Een typische procedure voor het meten van de richting ervan is het gebruik van een kompas om de richting van het magnetische noorden te bepalen. De hoek ten opzichte van het ware noorden is de declinatie (D) of variatie. Kijkend naar het magnetische noorden, is de hoek die het veld maakt met de horizontaal de helling (I)
of magnetische dip. De intensiteit (F) van het veld is evenredig met de kracht die het op een magneet uitoefent. Een andere veel voorkomende weergave is de coördinaten X (Noord), Y (Oost) en Z (Omlaag). |
 |
| Gemeenschappelijke coördinatensystemen die worden gebruikt om het magnetische veld van de aarde weer te geven |
| |
| Intensiteit |
De intensiteit van het veld wordt vaak gemeten in gauss (G), maar wordt doorgaans gerapporteerd in microtesla (μT), waarbij 1 G = 100 μT.
Een nanotesla wordt ook wel een gamma (γ) genoemd. Het aardveld varieert tussen ongeveer 22 en 67 μT (0,22 en 0,67 G).
Ter vergelijking: een sterke koelkastmagneet heeft een veld van ongeveer 10.000 μT (100 G). |
| |
| Een kaart met intensiteitscontouren wordt een isodynamische kaart genoemd. Zoals het World Magnetic Model laat zien, heeft de intensiteit de neiging af te nemen van de polen naar de evenaar. Een minimale intensiteit treedt op in de Zuid-Atlantische Anomalie boven Zuid-Amerika, terwijl er maxima zijn boven Noord-Canada, Siberië en de kust van Antarctica ten zuiden van Australië. |
| |
| De intensiteit van het magnetische veld is onderhevig aan verandering in de tijd. Een paleomagnetisch onderzoek uit 2021 van de Universiteit van Liverpool heeft bijgedragen aan een groeiend aantal bewijzen dat het magnetische veld van de aarde elke 200 miljoen jaar met intensiteit verandert. Naast de bestaande datasets, ondersteunen het bestaan van een cyclus van ongeveer 200 miljoen jaar in de sterkte van het magnetische veld van de aarde, gerelateerd aan diepe aardse processen. |
| |
| Inclinatie - helling |
De helling wordt gegeven door een hoek die waarden kan aannemen tussen −90° (omhoog) en 90° (omlaag). Op het noordelijk halfrond wijst het veld naar beneden. Het bevindt zich recht naar beneden op de magnetische noordpool en draait naar boven naarmate de breedtegraad afneemt, totdat het horizontaal (0°) is op de magnetische evenaar. Het blijft omhoog draaien totdat het recht omhoog staat op de magnetische zuidpool.
De helling kan worden gemeten met een dipcirkel. |
 |
| Intensiteit |
|
|
 |
| Inclinatie |
|
|
 |
| Declinatie |
|
| Declinatie |
| Declinatie is positief voor een oostelijke afwijking van het veld ten opzichte van het ware noorden. Deze kan worden geschat door de magnetische noord-zuidrichting op een kompas te vergelijken met de richting van een hemelpool. Kaarten bevatten doorgaans informatie over de declinatie als een hoek of een klein diagram dat de relatie tussen het magnetische noorden en het ware noorden laat zien. Informatie over de declinatie voor een regio kan worden weergegeven door een kaart met isogonische lijnen (contourlijnen waarbij elke lijn een vaste declinatie vertegenwoordigt). |
| |
Dipolaire benadering |
Dichtbij het aardoppervlak kan het magnetische veld nauwkeurig worden benaderd door het veld van een magnetische dipool die in het midden van de aarde is geplaatst en onder een hoek van ongeveer 11 ° is gekanteld ten opzichte van de rotatieas van de aarde. De dipool is ongeveer gelijk aan een krachtige staafmagneet, waarbij de zuidpool naar de geomagnetische noordpool wijst. Dit lijkt misschien verrassend, maar de noordpool van een magneet is zo gedefinieerd omdat hij, als hij vrij kan draaien, ruwweg naar
het noorden wijst (in geografische zin). Omdat de noordpool van een magneet de zuidpolen van andere magneten aantrekt en de noordpolen afstoot, moet hij aangetrokken worden tot de zuidpool van de aardmagneet. Het dipolaire veld is op de meeste locaties verantwoordelijk voor 80-90% van het veld. |
| |
| Afbeeding-1: Relatie tussen de polen van de aarde. A1 en A2 zijn de geografische polen; B1 en B2 zijn de geomagnetische polen; C1 (zuid) en C2 (noord) zijn de magnetische polen. |
| |
| Magnetische polen |
Historisch gezien werden de noord- en zuidpolen van een magneet voor het eerst bepaald door het magnetische veld van de aarde, en niet andersom, aangezien een van de eerste toepassingen van een magneet die van een kompasnaald was. De noordpool van een magneet wordt gedefinieerd als de pool
die wordt aangetrokken door de magnetische noordpool van de aarde wanneer de magneet zo hangt dat deze vrij kan draaien. Omdat tegengestelde polen elkaar aantrekken, is de magnetische noordpool van de aarde in werkelijkheid de zuidpool van het magnetische veld (de plaats waar het veld naar beneden de aarde in is gericht). |
| |
De posities van de magnetische polen kunnen op minstens twee manieren worden gedefinieerd: lokaal of mondiaal.[23] De lokale definitie is het punt waar het magnetische veld verticaal is. Dit kan worden
bepaald door de helling te meten. De helling van het aardveld is 90° (naar beneden) op de magnetische noordpool en –90° (naar boven) op de magnetische zuidpool. De twee polen dwalen onafhankelijk van elkaar rond en staan niet direct tegenover elkaar op de aardbol. Voor de magnetische noordpool zijn bewegingen tot 40 kilometer (25 mijl) per jaar waargenomen. In de afgelopen 180 jaar is de magnetische noordpool naar het noordwesten gemigreerd, van Cape Adelaide op het schiereiland Boothia in 1831 tot 600 kilometer (370 mijl) van Resolute Bay in 2001. De magnetische evenaar is de lijn waar de helling nul
is (het magnetische veld is horizontaal). |
| |
De mondiale definitie van het aardveld is gebaseerd op een wiskundig model. Als er een lijn door het middelpunt van de aarde wordt getrokken, parallel aan het moment van de best passende magnetische dipool, worden de twee posities waar deze het aardoppervlak snijdt de geomagnetische noord- en zuidpool genoemd. Als het magnetische veld van de aarde perfect dipolair zou zijn, zouden de geomagnetische polen en de magnetische dippolen samenvallen en zouden kompassen naar hen toe wijzen. Het veld van de aarde heeft echter een aanzienlijke niet-dipolaire bijdrage, dus de polen vallen
niet samen en kompassen wijzen doorgaans ook niet naar beide. |
|
|
 |
| Afbeelding-1 |
 |
| De beweging van de magnetische noordpool van de aarde over het Canadese noordpoolgebied |
|
| Het magnetische veld van de aarde, dat aan het oppervlak overwegend dipolair is, wordt verder vervormd door de zonnewind. Dit is een stroom geladen deeltjes die de corona van de zon verlaten en versnellen tot een snelheid van 200 tot 1000 kilometer per seconde. Ze dragen een magnetisch veld met zich mee, het interplanetair magnetisch veld (IMF).[ |
| |
| De zonnewind oefent een druk uit, en als hij de atmosfeer van de aarde zou kunnen bereiken, zou hij deze eroderen. Het wordt echter weggehouden door de druk van het magnetische veld van de aarde. De magnetopauze, het gebied waar de druk in evenwicht is, is de grens van de magnetosfeer. Ondanks zijn naam is de magnetosfeer asymmetrisch, waarbij de zonzijde ongeveer 10 aardstralen naar buiten reikt, maar de andere kant zich uitstrekt in een magnetostaart die verder reikt dan 200 aardstralen. Zonwaarts van de magnetopauze bevindt zich de boegschok, het gebied waar de zonnewind abrupt vertraagt. |
| |
Binnen de magnetosfeer bevindt zich de plasmasfeer, een donutvormig gebied met laagenergetische geladen deeltjes, oftewel plasma. Dit gebied begint op
een hoogte van 60 km, strekt zich uit tot 3 of 4 aardstralen en omvat de ionosfeer. Dit gebied draait met de aarde mee. Er zijn ook twee concentrische bandvormige gebieden, de Van Allen-stralingsgordels genoemd, met hoogenergetische ionen (energieën van 0,1 tot 10 MeV). De binnenste band heeft een straal van 1 à 2 aardstralen naar buiten, terwijl de buitenste band
een straal van 4 à 7 aardstralen heeft. De plasmasfeer en de Van Allen-gordels overlappen elkaar gedeeltelijk, waarbij de mate van overlap sterk varieert afhankelijk van de zonneactiviteit. |
| |
Het magnetische veld van de aarde buigt niet alleen de zonnewind af, maar
ook kosmische straling, hoogenergetische geladen deeltjes die grotendeels van buiten het zonnestelsel komen. Veel kosmische straling wordt buiten het zonnestelsel gehouden door de magnetosfeer of heliosfeer van de zon. Daarentegen riskeren astronauten op de maan blootstelling aan straling. Iedereen die tijdens een bijzonder gewelddadige zonne-uitbarsting in 2005 op het maanoppervlak was geweest, zou een dodelijke dosis hebben gekregen. |
|
|
 |
| Een artistieke weergave van de structuur van een magnetosfeer. 1) Boegschok. 2) Magnetomantel. 3) Magnetopauze. 4) Magnetosfeer. 5) Noordelijke staartlob. 6) Zuidelijke staartkwab. 7) Plasmasfeer. |
|
| |
| Een deel van de geladen deeltjes komt in de magnetosfeer terecht. Deze draaien rond veldlijnen en stuiteren meerdere keren per seconde heen en weer tussen de polen. Bovendien drijven positieve ionen langzaam naar het westen en negatieve ionen naar het oosten, waardoor een ringstroom ontstaat. Deze stroom vermindert het magnetische veld aan het aardoppervlak. Deeltjes die de ionosfeer binnendringen en daar met de atomen botsen, veroorzaken het licht van de aurorae en zenden tegelijkertijd röntgenstraling uit. |
| |
De wisselende omstandigheden in de magnetosfeer, bekend als ruimteweer, worden grotendeels bepaald door zonneactiviteit. Als de zonnewind zwak is, breidt de magnetosfeer uit; terwijl het, als het sterk is, de magnetosfeer samendrukt en er meer van binnendringt. Perioden van bijzonder intense activiteit, geomagnetische stormen genoemd, kunnen optreden wanneer een coronale massa-ejectie boven de zon losbarst en een
schokgolf door het zonnestelsel stuurt. Zo'n golf kan er slechts twee dagen over doen om de aarde te bereiken. Geomagnetische stormen kunnen veel verstoring veroorzaken; de "Halloween"-storm van 2003 beschadigde meer dan een derde van de NASA-satellieten. De grootste gedocumenteerde storm, de Carrington Event, vond plaats in 1859. Het veroorzaakte stromingen die sterk genoeg waren om telegraaflijnen te verstoren, en aurora werden gerapporteerd tot in het zuiden van Hawaï. |
| |
| Tijd afhankelijke variaties |
| |
| Variaties op de korte termijn |
| Het geomagnetische veld verandert op tijdschalen van milliseconden tot miljoenen jaren. Kortere tijdschalen komen meestal voort uit stromingen in de ionosfeer (ionosferische dynamoregio) en magnetosfeer, en sommige veranderingen kunnen worden herleid tot geomagnetische stormen of dagelijkse variaties in stromingen. Veranderingen op tijdschalen van een jaar of langer weerspiegelen meestal veranderingen in het binnenste van de aarde, met name in de ijzerrijke kern. |
| |
| Regelmatig wordt de magnetosfeer van de aarde getroffen door zonnevlammen die geomagnetische stormen veroorzaken, waardoor verschijnselen van aurorae ontstaan. De korte termijn instabiliteit van het magnetische veld wordt gemeten met de K-index. |
| |
Gegevens van THEMIS laten zien dat het magnetische veld, dat in wisselwerking staat met de zonnewind, wordt verminderd wanneer de
magnetische oriëntatie op één lijn ligt tussen de zon en de aarde – in tegenstelling tot de vorige hypothese. Tijdens komende zonnestormen zou dit kunnen leiden tot stroomuitval en storingen in kunstmatige satellieten. |
 |
| Afbeelding-2 |
|
|
 |
| Afbeelding-3 |
|
|
 |
| Afbeelding-4 |
|
| |
| Afbeelding-1: Achtergrond: een reeks sporen van magnetische observatoria die een magnetische storm in 2000 laten zien. |
| Globe: kaart met locaties van observatoria en contourlijnen die de horizontale magnetische intensiteit in μT weergeven. |
| Afbeelding-2: Geschatte declinatiecontouren per jaar, 1590 tot 1990 (klik om variatie te zien) |
| Afbeelding-3: Sterkte van de axiale dipoolcomponent van het magnetische veld van de aarde van 1600 tot 2020 |
| |
| Seculiere variatie |
| Veranderingen in het magnetische veld van de aarde op een tijdschaal van een jaar of langer worden seculiere variatie genoemd. Er wordt waargenomen dat de magnetische declinatie gedurende honderden jaren tientallen graden varieert. De animatie laat zien hoe de mondiale declinaties de afgelopen eeuwen zijn veranderd. |
| |
| De richting en intensiteit van de dipool veranderen in de loop van de tijd. De afgelopen twee eeuwen is de dipoolsterkte met ongeveer 6,3% per eeuw afgenomen. Bij dit tempo van afname zou het veld over ongeveer 1600 jaar verwaarloosbaar zijn. Deze sterkte is echter ongeveer gemiddeld over de afgelopen zevenduizend jaar, en het huidige tempo van verandering is niet ongebruikelijk. |
| |
| Een opvallend kenmerk van het niet-dipolaire deel van de seculiere variatie is een westwaartse drift met een snelheid van ongeveer 0,2° per jaar. Deze drift is niet overal hetzelfde en varieert in de loop van de tijd. De mondiaal gemiddelde drift is westwaarts geweest sinds ongeveer 1400 na Christus, maar oostwaarts tussen ongeveer 1000 na Christus en 1400 na Christus. |
| |
| Veranderingen die dateren van vóór magnetische observatoria zijn vastgelegd in archeologische en geologische materialen. Dergelijke veranderingen worden paleomagnetische seculiere variatie of paleoseculaire variatie (PSV) genoemd. De gegevens bevatten doorgaans lange perioden van kleine veranderingen, met af en toe grote veranderingen die geomagnetische excursies en omkeringen weerspiegelen. |
| |
| In juli 2020 rapporteren wetenschappers dat analyse van simulaties en een recent observationeel veldmodel aantonen dat de maximale snelheid
van richtingsverandering van het magnetische veld van de aarde ~10°C per jaar bereikte – bijna 100 keer sneller dan de huidige veranderingen
en 10 keer sneller dan eerder werd gedacht. |
| |
| Studies van lavastromen op Steens Mountain, Oregon, geven aan dat het magnetische veld op een bepaald moment in de geschiedenis van de aarde met een snelheid van wel 6° per dag zou kunnen verschuiven, wat het populaire begrip van hoe het magnetische veld van de aarde werkt aanzienlijk uitdaagt. Deze bevinding werd later door een van de oorspronkelijke auteurs van het onderzoek uit 1995 toegeschreven aan ongebruikelijke magnetische eigenschappen van de lavastroom die werd bestudeerd, en niet aan snelle veldveranderingen. |
| |
| Omkeringen van magnetische velden |
| Hoewel het veld van de aarde over het algemeen ongeveer dipolair is, met een as die bijna op één lijn ligt met de rotatie-as, wisselen de geomagnetische polen van het noorden en het zuiden af en toe van plaats. Bewijs voor deze geomagnetische omkeringen kan worden gevonden in basalt, sedimentkernen uit de oceaanbodem en magnetische afwijkingen op de zeebodem. Omkeringen vinden vrijwel willekeurig in de tijd plaats, met intervallen tussen omkeringen die variëren van minder dan 0,1 miljoen jaar tot wel 50 miljoen jaar. De meest recente geomagnetische omkering, de zogenaamde Brunhes-Matuyama-omkering, vond ongeveer 780.000 jaar geleden plaats. Een verwant fenomeen, een geomagnetische excursie, brengt de dipoolas over de evenaar en vervolgens terug naar de oorspronkelijke polariteit. Het Laschamp-evenement is een voorbeeld van een excursie die plaatsvond tijdens de laatste ijstijd (41.000 jaar geleden). |
|
| Het magnetische veld uit het verleden wordt voornamelijk geregistreerd door sterk magnetische mineralen, met name ijzeroxiden zoals magnetiet, die een permanent magnetisch moment kunnen dragen. Deze remanente magnetisatie, of remanentie, kan op meer dan één manier worden verkregen. Bij lavastromen wordt de richting van het veld bij kleine mineralen "bevroren" terwijl ze afkoelen, waardoor een thermoremanente magnetisatie ontstaat. In sedimenten krijgt de oriëntatie van magnetische deeltjes een lichte neiging naar het magnetische veld wanneer ze op de oceaanbodem of de bodem van een meer worden afgezet. Dit wordt detritale remanente magnetisatie genoemd. |
|
Thermoremanente magnetisatie is de belangrijkste bron van magnetische afwijkingen rond mid-oceanische ruggen. Terwijl de zeebodem zich verspreidt, welt magma uit de mantel op, koelt af en vormt nieuwe basaltkorst aan beide zijden van de bergkam, en wordt ervan weggevoerd door de verspreiding van de zeebodem. Terwijl het afkoelt, registreert het de richting van het aardveld. Wanneer het aardveld omkeert, registreert nieuw basalt de omgekeerde richting. Het resultaat is een reeks strepen die symmetrisch zijn
rond de rand. Een schip dat een magnetometer over het oceaanoppervlak sleept, kan deze strepen detecteren en de ouderdom van de oceaanbodem eronder afleiden. Dit levert informatie op over de snelheid waarmee de zeebodem zich in het verleden heeft verspreid. |
|
| Radiometrische datering van lavastromen is gebruikt om een tijdschaal voor geomagnetische polariteit vast te stellen, waarvan een deel in de afbeelding wordt weergegeven. Dit vormt de basis van magnetostratigrafie, een geofysische correlatietechniek die kan worden gebruikt om zowel sedimentaire als vulkanische sequenties te dateren, evenals de magnetische afwijkingen op de zeebodem. |
|
| Afbeelding-5: Geomagnetische polariteit tijdens het late Cenozoïcum. Donkere gebieden duiden perioden aan waarin de polariteit overeenkomt met de huidige polariteit, lichte gebieden duiden perioden aan waarin die polariteit is omgekeerd. |
|
|
 |
| Afbeelding-5 |
|
| Vroegste verschijning |
| Paleomagnetische studies van Paleoarcheïsche lava in Australië en conglomeraat in Zuid-Afrika hebben geconcludeerd dat het magnetische veld al minstens 3.450 miljoen jaar geleden aanwezig is. |
| |
| Toekomst |
Vanaf het einde van de 19e eeuw en gedurende de hele 20e eeuw en later is het algehele geomagnetische veld zwakker geworden; de huidige sterke verslechtering komt overeen
met een daling van 10 à 15% en is sinds 2000 versneld; De geomagnetische intensiteit is vrijwel continu afgenomen van maximaal 35% boven de moderne waarde, vanaf circa
jaar 1 na Christus. De mate van afname en de stroomsterkte liggen binnen het normale variatiebereik, zoals blijkt uit de registratie van magnetische velden uit het verleden die in rotsen zijn vastgelegd. |
| |
| De aard van het magnetische veld van de aarde is er een van heteroscedastische (schijnbaar willekeurige) fluctuaties. Een onmiddellijke meting ervan, of meerdere metingen ervan over een periode van decennia of eeuwen, zijn niet voldoende om een algemene trend in de veldsterkte te extrapoleren. Het is in het verleden om onbekende redenen op en neer gegaan. Ook is het opmerken van de lokale intensiteit van het dipoolveld (of de fluctuatie ervan) onvoldoende om het magnetische veld van de aarde als geheel te karakteriseren, aangezien het strikt genomen niet een dipoolveld is. De dipoolcomponent van het aardveld kan afnemen, zelfs als het totale magnetische veld gelijk blijft of toeneemt. |
| |
| De magnetische noordpool van de aarde drijft van Noord-Canada naar Siberië met een momenteel toenemende snelheid: 10 kilometer (6,2 mijl) per jaar aan het begin van de 20e eeuw, tot 40 kilometer (25 mijl) per jaar in 2003, en sindsdien is het alleen maar versneld. |
| |
| Afbeelding-6: Variaties in virtueel axiaal dipoolmoment sinds de laatste omkering |
|
|
 |
| Afbeelding-6 |
|
| |
| Opwekking van het aardmagnetisch veld |
| |
De opwekking van het aardmagnetisch veld is een nog niet geheel verklaard fenomeen uit de magnetohydrodynamica. In het veld buiten de Aarde
is er energie opgeslagen in de orde van grootte van exajoules (1018 J). De energie die binnenin de Aarde is opgeslagen, is vermoedelijk twee ordes van grootte meer. Bij de hoeveelheid draaibeweging van het aardmagnetisch veld wordt impulsmoment berekend |
| |
| In 2005 werd aangetoond dat het aardmagnetische veld in principe wordt opgewekt in vier regio’s die liggen op de overgang tussen aardkern en aardmantel. De magnetische flux concentreert zich in gebieden onder Noord-Amerika, Siberië en de kust van Antarctica. Men neemt aan dat deze regio’s in de loop van millennia ontstaan en weer verdwijnen door veranderingen in de convectiestroming binnenin de Aarde. |
| |
| Dynamotheorie |
| De meest aanvaarde theorie voor het ontstaan van het aardmagneetveld gaat uit van stromingen in de aardkern. Voor het ontstaan van magnetische velden om hemellichamen moet aan drie voorwaarden worden voldaan: |
| |
- Er moet een grote hoeveelheid elektrisch geleidende vloeistof aanwezig zijn. Bij de Aarde wordt aan deze voorwaarde voldaan door de
aanwezigheid van een vloeibare buitenkern die grotendeels uit nikkel en ijzer bestaat. De temperaturen in de aardkern liggen ver boven de
Curietemperatuur van nikkel en ijzer en daardoor zijn deze twee metalen er niet magnetiseerbaar. Stromingen in de buitenkern kunnen het
magneetveld –als bewegende ladingdrager– wel beïnvloeden. Daarvoor moet het materiaal waaruit de buitenkern bestaat geïoniseerd zijn,
iets dat bij hoge temperatuur juist gemakkelijker kan. |
- Om (convectie-) stromingen in de kern van het hemellichaam op gang te krijgen is een energiebron nodig en in het geval van de Aarde wordt de
temperatuur in de binnenkern op minstens 5000°C geschat. Doordat de vaste binnenkern veel warmer is dan de vloeibare buitenkern, wordt de
buitenkern van onderen verwarmd. Deze warmtestroom veroorzaakt de convectiestromen in de buitenkern. |
- Het hemellichaam moet roteren, waarbij er door interne traagheid een corioliskracht gaat werken op het materie van het hemellichaam.
Hierdoor ontstaat een schroefvormige stroming naast de convectiestroom, die de magnetische veldsterkte verhoogt. |
| |
| Net als bij een dynamo of elektromagneet wordt met het principe van inductie een stroom opgewekt en ontstaat het aardmagneetveld. Men noemt dit de geodynamo, waarbij het aardmagnetisch veld uit kinetische energie van de buitenkern ontstaat. De corioliskracht zal ervoor zorgen dat de magnetische polen altijd in de buurt van de rotatiepolen van de Aarde liggen. |
| |
| Getijdenkrachttheorie |
Een alternatieve theorie verklaart het ontstaan van het aardmagnetisch veld uit getijdenkrachten die vooral de Maan, maar ook de Zon en andere planeten op de Aarde uitoefenen. Door deze krachten wordt de Aarde in haar rotatie afgeremd. De krachten werken echter sterker op de aardmantel dan op de aardkern, omdat de van de Maan af gerichte en naar de Maan toe gerichte zijdes van de aardmantel verder uit elkaar liggen dan de weerszijden van de aardkern. De mantel wordt daarom sterker afgeremd dan de aardkern, waardoor de binnenkern iets sneller roteert dan de mantel. Dit is mogelijk vanwege de vloeibare buitenkern die de twee scheidt. Deze beschouwing is met seismologische metingen gestaafd.
Door de snellere rotatie van de binnenkern wordt door inductie een stroom opgewekt die het aardmagnetisch veld veroorzaakt. |
| |
| Men neemt echter over het algemeen aan dat de waargenomen snellere rotatie van de binnenkern door het aardmagnetisch veld zelf wordt aangedreven en niet door getijdenkrachten. De snellere rotatie van de binnenkern is als zodanig een gevolg en niet de oorzaak van het aardmagnetisch veld. |
| |
| Convectiemodel |
De oorzaak van het ontstaan van het veld wordt gezocht in de convectiestromingen bij de kern van de aarde. Die kern kan worden opgedeeld in
een vaste binnenkern en een vloeibare buitenkern. De binnenkern is warmer dan haar omgeving door de grote druk. Daardoor wordt de buitenkern opgewarmd, zorgend voor beweging in de substantie. Dat zijn de convectiecellen die uit zichzelf zijn ontstaan. De buitenkern beweegt waardoor onder invloed van de warmte de ijzeratomen elektronen verliezen. Daardoor ontstaan in de buitenkern enorme elektrische stromen, die weer magnetische velden opwekken. De convectiecellen creëren dus een magneetveld. Doordat de richting van de magneetveldjes tegengesteld van
elkaar zijn, is er geen dipolair magneetveld meetbaar. Met deze gegevens zou het aardmagnetisch veld dus niet verklaarbaar zijn. Maar wanneer de convectiecellen niet gelijk zijn, bijvoorbeeld wanneer er kleine verschillen optreden bijvoorbeeld in de grootte of dichtheid, heffen de magneetvelden elkaar niet helemaal meer op. Dan is er aan het oppervlak wel een dipolair magneetveld waardoor het aardmagnetisch veld ontstaat. Deze theorie, die het ontstaan van het aardmagnetische veld verklaart, heet het convectiemodel. |
| |
| |
| Detectie |
| De magnetische veldsterkte van de aarde werd in 1832 door Carl Friedrich Gauss gemeten en is sindsdien herhaaldelijk gemeten, waarbij een relatief verval van ongeveer 10% in de afgelopen 150 jaar is gebleken.[68] De Magsat-satelliet en latere satellieten hebben 3-assige vectormagnetometers gebruikt om de 3D-structuur van het magnetische veld van de aarde te onderzoeken. De latere Ørsted-satelliet maakte een vergelijking mogelijk die wijst op een dynamische geodynamo in actie die aanleiding lijkt te geven tot een alternatieve pool onder de Atlantische Oceaan ten westen van Zuid-Afrika. |
| |
| Overheden beschikken soms over eenheden die gespecialiseerd zijn in het meten van het magnetische veld van de aarde. Dit zijn geomagnetische observatoria, die doorgaans deel uitmaken van een nationaal geologisch onderzoek, bijvoorbeeld het Eskdalemuir Observatory van de British Geological Survey. Dergelijke observatoria kunnen magnetische omstandigheden meten en voorspellen, zoals magnetische stormen die soms de communicatie, elektriciteit en andere menselijke activiteiten beïnvloeden. |
| |
| Het International Real-time Magnetic Observatory Network, met meer dan 100 onderling verbonden geomagnetische observatoria over de hele wereld, registreert sinds 1991 het magnetische veld van de aarde |
| |
| Het leger bepaalt de kenmerken van het lokale geomagnetische veld om afwijkingen in de natuurlijke achtergrond op te sporen die kunnen worden veroorzaakt door een belangrijk metalen voorwerp, zoals een ondergedompelde onderzeeër. Normaal gesproken worden deze magnetische anomaliedetectoren in vliegtuigen zoals de Britse Nimrod gevlogen of als instrument of een reeks instrumenten van oppervlakteschepen gesleept. |
| |
| Commercieel gebruiken geofysische prospectiebedrijven ook magnetische detectoren om natuurlijk voorkomende afwijkingen in ertslichamen te identificeren, zoals de Koersk-magnetische anomalie. |
| |
| Magnetische afwijkingen in de aardkors |
Magnetometers detecteren minieme afwijkingen in het magnetische veld van
de aarde, veroorzaakt door ijzerartefacten, ovens, sommige soorten steenconstructies en zelfs sloten en putten in de archeologische geofysica.
Met behulp van magnetische instrumenten die zijn aangepast aan magnetische anomaliedetectoren in de lucht die tijdens de Tweede Wereldoorlog zijn ontwikkeld om onderzeeërs te detecteren, zijn de magnetische variaties over de oceaanbodem in kaart gebracht. |
| |
| Basalt het ijzerrijke, vulkanische gesteente waaruit de oceaanbodem bestaatbevat een sterk magnetisch mineraal (magnetiet) en kan plaatselijk de kompasmetingen vervormen. De vervorming werd al aan het einde van de 18e eeuw door IJslandse zeelieden onderkend. Belangrijker nog: omdat de aanwezigheid van magnetiet het basalt meetbare magnetische eigenschappen geeft, hebben deze magnetische variaties een extra manier opgeleverd om de diepe oceaanbodem te bestuderen. Wanneer nieuw gevormd gesteente afkoelt, registreren dergelijke magnetische materialen het magnetische veld van de aarde. |
|
|
 |
| Een model van kortegolflengtekenmerken van het magnetische veld van de aarde, toegeschreven aan lithosferische anomalieën |
|
| |
| Statistische modellen |
Elke meting van het magnetische veld vindt plaats op een bepaalde plaats en tijd. Als een nauwkeurige schatting van het veld op een andere plaats
en tijd nodig is, moeten de metingen worden omgezet in een model en moet het model worden gebruikt om voorspellingen te doen. |
| |
| Geofysische modellering |
| Sinds 1995 worden ook numerieke computersimulaties gebruikt om te onderzoeken hoe het aardmagnetisch veld in de toekomst zou kunnen gaan veranderen en wat de oorzaken voor veranderingen in het verleden zijn. De rekentijden voor deze simulaties zijn zeer lang: om bijvoorbeeld de verandering van het magneetveld over 300.000 jaar te berekenen is een jaar nodig. De op deze manier berekende modellen zijn zeer realistisch en leveren bevestigingen voor theorieën over het magneetveld. De exacte samenstelling van het binnenste van de Aarde blijft hierbij een grote onzekerheid. Zo zijn bijvoorbeeld driedimensionale turbulentiestromen in de buitenkern nog niet goed te modelleren. |
| |
| Vanaf de jaren zestig zijn de principes bekend voor het maken van schaalmodellen van de geodynamo. De materialen die gebruikt worden moeten stromings- en stofeigenschappen hebben die de werkelijkheid benaderen. Lange tijd bleven er extreme schaalverschillen optreden tussen de werkelijkheid en het model. Pas in 2000 lukte het een realistisch magneetveld in een schaalmodel op te wekken, toen de aanwezigheid van vloeibaar natrium in het model werd geïntroduceerd. |
| |
| Toepassingen van het aardmagnetisch veld |
| |
| Geomagnetisme als exploratiemethode |
| Zowel wereldwijd als lokaal worden er geomagnetische metingen gedaan. Het in kaart brengen van magnetische anomalieën is naast seismiek een belangrijke methode om structuren in de ondergrond in kaart te brengen. Dit komt onder andere goed van pas bij het zoeken naar grondstoffen. Magnetische metingen worden verder gebruikt in de navigatie en de geodesie. Voor de nauwkeurige vaststelling van de richting van het magnetisch veld, wordt een Boussole-theodoliet gebruikt. |
| |
| Opwekken van energie met magneten |
| Er is weleens voorgesteld dat het aardmagnetisch veld gebruikt kan worden gebruikt om energie te winnen, wat door een groot aantal tegenstanders wordt afgedaan als pseudowetenschap. Onder de ontwerpers van elektromotoren die worden aangedreven door het aardmagnetisch veld bevinden zich Benjamin Franklin en Oleg Jafimenko. Tot nog toe zijn echter nog geen realistische ontwerpen gemaakt. |
| |
| De Engelse uitvinder Cromwell Varley ontdekte in 1867 dat een dynamo niet opgestart hoeft te worden door een energiebron. Hij gebruikte het aardmagnetisch veld om door inductie genoeg veldsterkte in de wikkelingen van de stator op te wekken om de dynamo aan het werk te krijgen. |
| |
| Dieren en het aardmagnetisch veld |
| Een aantal soorten dieren –zoals blindmuizen, postduiven, trekvogels, zeeschildpadden, haaien en waarschijnlijk walvissen– zijn in staat het aardmagnetisch veld waar te nemen en dat te gebruiken om zich te oriënteren bij het ondernemen van lange reizen. Dit fenomeen wordt verklaard doordat er zich in de organen van deze dieren ferromagnetische mineralen bevinden. |
| |
| Een aantal in oppervlaktewater levende micro-aerofiele bacteriën hebben organellen die magnetosomen genoemd worden en die de magnetische mineralen magnetiet of greigiet bevatten. Hierdoor worden de bacteriën parallel aan de veldlijnen van het aardmagnetisch veld gericht. Op het noordelijk halfrond "zwemmen" ze hierdoor naar het zuiden; op het zuidelijk halfrond naar het noorden. Vanwege de inclinatie van het magneetveld zullen ze echter in beide gevallen ook naar onderen zwemmen en in de voor deze soorten bacteriën gebruikelijke bodemmilieus blijven waar de zuurstofconcentraties laag zijn. In de biologie noemt men dit verschijnsel magnetotaxis. |
| |
| Paleomagnetisme en paleomagnetische toepassingen |
| |
| Paleomagnetisme in de platentektoniek |
Veranderingen in het magneetveld van de Aarde worden gebruikt door paleomagnetisme,
een wetenschappelijk vakgebied dat continentverschuivingen uit het verleden onderzoekt.
Door het constant aangroeien van de aardkorst bij mid-oceanische ruggen en de omkeringen van het aardmagnetisch veld is de oceaankorst verdeeld in banden van normaal en omgekeerd magnetisme. |
| |
IJzerhoudend gesteente dat boven zijn Curietemperatuur wordt verhit en daarna afkoelt– wordt gemagnetiseerd in de richting van het magneetveld waaraan het blootstaat, normaal gesproken is dat het aardmagnetisch veld. Omdat het aardmagnetisch veld zich eens in de paar honderdduizend jaar omdraait, kan gesteente aan de hand van zijn magnetisme
worden gedateerd. |
| |
| Paleomagnetisme heeft belangrijk bewijs geleverd voor oceanische spreiding, een belangrijk concept binnen de theorie van plaattektoniek. Volgens deze theorie groeit bij mid-oceanische ruggen de aardkorst in een ongeveer continu tempo aan. Bij het in kaart brengen van het magnetisme van de oceaanbodem bleek dit magnetisme zich in stroken voor te doen, nu eens naar het noorden, dan weer naar het zuiden gericht. Dit concept kon via de omkeringen van het aardmagnetisch veld verklaard worden |
|
|
 |
| Een model van kortegolflengtekenmerken van het magnetische veld van de aarde, toegeschreven aan lithosferische anomalieën |
|
| |
| Bij platentektoniek bewegen de continenten over het aardoppervlak, waardoor ook de richting van gesteente naar de magnetische polen geleidelijk verandert. Door het paleomagnetisme van een opeenvolging van gesteentelagen vast te stellen kan daarom een grove schatting worden gemaakt hoe het betreffende continent in het verleden heeft bewogen. |
| |
| Paleomagnetisme in de paleontologie |
Door de afname van het aardmagnetisch veld tijdens een omkering van het aardmagnetisch veld wordt de Aarde aan meer schadelijke straling van
de Zon blootgesteld. Aangezien mutaties in genetisch materiaal veroorzaakt worden door deze straling, zou het tempo waarmee genetisch materiaal muteert kunnen versnellen in die periode. Deze opvatting wordt ook ondersteund door onderzoek van paleontologen die met biostratigrafisch onderzoek in tijden van omkeringen een relatief snellere verandering van soorten kleine organismen hebben vastgesteld. Waarschijnlijk zorgt de verhoogde dosis ioniserende straling in deze perioden voor een toename van de mutaties in het DNA, zodat de evolutie in een versnelling raakt. |
|
|
|
|
|
|
