Jordens Magnetiska Fält

Jordens Magnetiska Fält
En essä för kursen Ämneskommunikation för Fysiker
Sammanställd av Anne Ylinen
14 mars 2009
i

Inneh˚all
1 Inledning 1
2 Beskrivning av Jordens magnetfält 1
2.1 Vektorbeskrivning av magnetfält p˚a Jordens yta . . . . . . . . 1
2.2 Magnetiska kartor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
3 Bidrag till det magnetiska fältet 3
3.1 Jordens inre dipolfält . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
3.2 Det yttre magnetiska fältet, solvindar . . . . . . . . . . . . . . 4
3.3 Lokal magnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
4 Effekter av det magnetiska fältet 6
4.1 van Allen bälten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
4.2 Norrsken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
4.3 Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
4.4 Plattektonik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
5 Slutsatser 7
ii

1 Inledning
Jag kommer att berätta om Jordens magnetfält i denna uppsats. Materialet
är uppdelat i tre delar. Först tar jag upp hur man mäter och beskriver
magnetfältet p˚a Jorden. Som bekant s˚a beskrivs magnetfältet av en vektor,
och det finns vissa konvetioner för att rita magnetiska kartor. I tredje delen
berättar jag om orsaker till att vi har ett magnetfält p˚a Jorden. Det totala
fältet byggs upp av tre olika bidrag. Näst sista kapitlet handlar om olika
fenomen som uppst˚ar p˚a grund av magnetismen.
2 Beskrivning av Jordens magnetfält
2.1 Vektorbeskrivning av magnetfält p˚a Jordens yta
För att kunna diskutera Jordens magnetfält är det bra att kunna beskriva
fältet p˚a ett kvantitativt sätt. Ett magnetfält beskrivs av en vektor, som
allts˚a har riktning och storlek.
Ett etablerat sätt att beskriva fältet är att vi sätter punkten p˚a Jorden vi
befinner oss i som origo. S˚a bestämmer vi enhetsvektorer. Vi kan välja att
x- och y-axlarna är i horisontalplanet s˚a att x pekar norrut och y österut.
Komponenten z pekar in mot Jordens centrum. [2]
Sedan beskrivs det magnetiska fältets styrka och riktning genom att ange
tre storheter: storlek, deklination och inklination. Storleken är helt enkelt
fältvektorns storlek. Deklination anger vinkeln mellan den horisontella komponenten
av magnetfältet och den geografiska nordpolen. Inklination anger
vinkeln mellan magnetiska vektorn och den lokala horisonten, allts˚a hur mycket
fältet ’dippar’. [3]
2.2 Magnetiska kartor
Magnetiska kartor ritas vanligen med kurvor som reflekterar att en storhet är
lika längs den. Oftast lägger man till prefixet iso-. Isogona kartor sammanfogar
punkter med lika stor deklination. Inklinationen är lika längs en isoklin.
Den isodynamiska linjen förenar punkter där den magnetiska vektorn är lika
stor.
1

✑ ✑✑✑✑✑✑✑✑✸
✁
❅
❅
❅
❅
❅
❅
❅
❅
❅❘
✁
✁ ✁
✁ ✁✕
✑
✲
✑✑
✁
✁
✁
Geografisk nordpol Magnetisk nordpol
x He
Xe
✁
✁
y
✁
Öst
Ye
Fe
✁
✁
Ze
❄✁
z
✁
✁
✁
Figur 1: De olika vektorkomponenterna. [2] Vinklarna, som inte finns inritade
denna figur, är inklinationen I som är mellan He och Xe , samt deklinationen
D som är mellan He och Fe
F 2 e = H 2 e + Z 2 e = X 2 e + Y 2
e + Z 2 e
He = Fe cos I Ze = Fe sin I
Xe = He cos D Ye = He sin D
tan D = Ye
Xe
tan I = Ze
He
Fe = Fef1 = Fe(cos D cos Ii + sin D cos Ij + sin Ik)
Figur 2: De olika magnetiska vektorerna är relaterade som ovanför. [2]
2

Pilar kan ocks˚a förekomma och dessa reflekterar storleken och riktning p˚a
magnetfältet i vissa punkter p˚a Jorden. Man kan till exempel rita ut den horisontella
komponenten av magnetfältet. [2] Dip points kallas s˚adana punkter
där den horisontella komponenten av magentfältet är lika noll. D˚a är det
magneska fältet helt vertikalt. Dessa punkter ligger inte exakt där magnetiska
syd- respektive nord-polerna ligger. P˚a södra halvklotet ligger dip point
vid 67 ◦ S 143 ◦ E.
Det är i viss m˚an sv˚art att rita ut en klar karta med mycket information för
det magnetiska fältet kan variera mycket inom samma omr˚ade. Magnetfälten
är inte heller helt konstanta med tiden. Det g˚ar att rita magnetiska kartor som
anger avvikelsen fr˚an dipolfältet. Dessa ger en inblick i hur stora variationerna
kan vara, eftersom dipolfältet är konstant i ett kort tidsperspektiv.
3 Bidrag till det magnetiska fältet
Det magnetfält vi upplever p˚a Jorden kan grovt delas in i tre komponenter.
Det största bidraget kommer ur Jordens inre magnetfält. Solvindarna formar
om Jordens magnetfält p˚a längre avst˚and. P˚a Jordens yta finns magnetiserade
mineral som p˚averkar fältet lokalt.
3.1 Jordens inre dipolfält
Medventenhet om magnetiska effekter har funnits ˚atminstone redan p˚a 1100talet.
Det tog ganska länge innan man förstod vad magneter är och att Jorden
själv är som en magnet. Seglare kunde använda kompasser och p˚a s˚a sätt
underlätta navigerandet p˚a okända platser. P˚a 1600-talet undersökte William
Gilbert hur n˚alar som är suspenderade vid massmedelpunkten beter sig kring
magnetiserade stenar. S˚a undersökte han lutningen p˚a olika ställen p˚a Jorden
och ins˚ag att Jorden ocks˚a har ett liknande magnetfält. [3]
En god approximation för att beskriva Jordens magnetfält n˚agra jord-radier
ifr˚an är ett magnetiskt dipolfält. Dipolen skulle is˚afall ligga ungefär 300 km
fr˚an Jordens centrum och ha ett magnetiskt moment p˚a 7.91 × 10 22 Am 2 .
Dipolen skulle ha sina poler vid 75 ◦ N 101 ◦ W respektive 69 ◦ S 145 ◦ E . [4]
3

För en exaktare beskrivning, som är aningen mera komplicerad, kan man
tänka sig att Jordens magnetfält best˚ar av en stor dipol som ovan, samt ˚atta
mindre dipoler som är riktade radiellt. Det kan antas att konvektion sker
mellan olika höjder, och att dessa sedan orsakar avvikelse fr˚an ett enkelt
dipolfält. [2] [3]
Paleomagnetism baserar sig p˚a remanent magnetism hos olika mineral. Genom
att undersöka mineral och ˚aldersbestämma dem kan man bestämma
hur Jordens magnetfält har sett ut tidigare. Det finns flera typer av remanent
magnetism som baserar sig p˚a olika effekter. Termoremanent magnetisering
sker d˚a ett material kyls under sin Curie temperatur och s˚aledes blir
magnetiserat. [2]
En spännande upptäckt som forskare gjorde p˚a 1960-talet är att Jordens
magnetfält byter polaritet. Detta upptäcktes vid kartläggning av magnetiska
fältet till havs. Speciellt vid havsryggen i Altanten s˚ag man att magnetfältet
varierar mycket lokalt. Anomalierna förstärker och försvagar Jordens dipolfält
turvis nästan symmetriskt kring ryggen. Man vet att lava kommer sakta
upp fr˚an manteln och denna kyls ned d˚a den kommer i kontakt med vatten.
Ifall lavan inneh˚aller mineral som kan magnetiseras, s˚a bildas termoremanent
magnetiserad havsbotten.
Det visar sig att förutom polaritetsbyten s˚a vandrar Jordens magnetiska poler
kring de geografiska polerna. Vandringen sker inom ungefär 12 ◦ fr˚an geografiska
polerna, s˚a man kan anta att magnetfältet är kopplat till Jordens
rotation p˚a n˚agot vis. Ett förslag är att Jordens flytande kärna är ett självexciterande
dynamo som ibland släcks ut p˚a grund av vulkanisk aktivitet
eller meteoriter. D˚a kan polaritetsbyten ocks˚a ske spontant. [2]
3.2 Det yttre magnetiska fältet, solvindar
Magnetiska fältet ute i rymden är inte alls symmetriskt. Detta beror p˚a
solvindarna, som har en temperatur p˚a 5 × 10 5 K och en partikeltäthet p˚a
5 partiklar/cm 3 . D˚a dessa partiklar närmar sig Jorden börjar de uppleva
Jordens magnetfält och styrs mot endera pol. Dessa strömmar skapar ett
magnetfält motsatt Jordens p˚a solsidan och minskar s˚aledes fältet. P˚a sidan
motsatt solen förstärker partikelströmmarna magnetfältet i en 2 miljoner
4

Figur 3: Termoremanent magnetisering av lava vid havsbottnen. [5]
kilomenter l˚ang svans. Denna effekt gör att magnetfältet är osymmetriskt
format i rymden. Magnetosfär kallas den region där vi har ett magnetfält.
Gränsskiktet mellan solvinden och regionen där det finns magnetfält kallas
magnetopaus.
3.3 Lokal magnetism
Magnetism kan ocks˚a förekomma lokalt och fältet kan variera mycket inom
sm˚a omr˚aden. Eftersom Curie temperaturen för de flesta mineralen uppn˚as
redan vid ungefär 40 km djup, s˚a m˚aste permanent magnetiserade förem˚al
ligga högre upp. Vissa mineral, som magnetit och pyrrhit kan bli starkt magnetiserade
och fördubbla det magnetiska fältet lokalt. Man kan använda sig
av denna magnetisering för att hitta värdefulla mineral som är ferromagnetiska,
men alla magnetiserbara mineral är inte värdefulla ekonomiskt. [2]
5

4 Effekter av det magnetiska fältet
4.1 van Allen bälten
Det magnetiska fältet fr˚an Jorden blir svagare med avst˚and, men p˚averkar
änd˚a laddade partiklar som färdas med en viss hastighet. I ett magnetfält
som växlar i styrka och riktning kan partiklar börja en rörelse som upprepar
sin bana periodiskt. Detta sker i van Allen bältena.
I det inre bältet finns positiva laddningarna. Deras antal är ungefär konstant.
Processen som skapar dessa laddningar sker d˚a kosmisk str˚alning träffar
kärnor av syre och kväve. D˚a kärnorna splittras bildas neutroner som har
energier mellan 1 MeV och 1 GeV. Dessa neutroner har en livstid p˚a ungefär
1000 sekunder och kan allts˚a röra sig relativt fritt jämfört med laddade partiklar.
D˚a neutronerna splittras f˚angas protonerna upp av magnetfältet och
de oscillarar i inre van Allen bältet. [3] [4]
De negativa laddningarna finns i det yttre bältet och deras antal växlar
kraftigt. Ibland bl˚aser solvindarna bort laddningarna och sedan fyller de p˚a
med laddningar igen. [3]
Genom att lösa ekvationen nedanför kan man bestämma en partikels rörelse.
d
m
dt
dr
dr
= q × B + E + F
dt dt
. B är magnetfältet, E elfältet och F är n˚agon eventuell kraft förutom
ovannämnda. Nära Jorden bör vi ju beakta gravitationen. dr är partikelns
dt
hastighet, m massa och q laddning. [4]
4.2 Norrsken
Norrsken sker d˚a laddningar läcker ur van Allen bälten. Norrsken, ocks˚a kallad
aurora borealis, är vanligast kring nordpolen. Det finns nedskrivet att de
skulle ha observeras s˚a sydligt som Paris och Grekland. Förekomstfrekvensen
har växlat med tiderna. Vikingarna har registrerat och skrivit ner att de sett
norrsken, men senare blev de ganska sällsynta.
6

D˚a partiklar med hög energi träffar atomerna i atmosfären exciteras dessa och
emitterar sedan ljus. De aurora borealis som syns vid sydligare breddgrader
är rödaktiga, medan de som syns norrut är. Orsaken till detta är att partiklar
med olika energi träffar olika breddgrader, och s˚aledes produceras olika ljus.
[4]
4.3 Evolution
Man har föreslagit modeller där stora framsteg i evolutionen skulle ha skett
samtidigt som Jordens magnetfält byter polaritet. Idéen är att d˚a magnetfältet
försvinner kommer inte laddningarna att f˚angas upp eller deflekteras.
D˚a skulle Jorden f˚a mycket mer str˚alning än normalt.
Det finns änd˚a vissa fakta som talar emot denna teori. Största delen av
högenergi partiklarna träffar atmosfären och kommer s˚aledes inte fram till
Jordens yta, förutom som sekundära partiklar. Det verkar som att Jordens
temperatur och dess dipolfält har ett samband, s˚a detta kan f˚a det att se ut
som om fältet spelar en roll för evolutionen. [3]
4.4 Plattektonik
Stöd för teorin om plattektonik stöds av magnetiska fynd. Det visar sig att
p˚a större omr˚aden kan man hitta magnetiserade mineral som varken pekar
mot den ena eller andra magnetiska polen. Det kan tyda p˚a att landmassan
tidigare har haft annan orientering och blivit magnetiserad i d˚avarande
magnetfältets riktning.
5 Slutsatser
Magnetism är att fenomen som inverkar p˚a s˚a gott som allting. Därför är
det aningen utmanande att välja mängden saker att ta upp för en uppsats.
Det finns mycket flera fenomen än de som jag har tagit upp här. N˚agra
bortlämnade exempel är flyttf˚aglars navigering med hjälp av magnetfältet
och magnetiska fält p˚a andra planeter. Jag har inte heller försökt att g˚a in
för detaljerat p˚a de olika fenomenen, utan tar upp dem i huvuddrag.
7

Referenser
[1] http://www.physics.utoronto.ca/ dgirija/Index Home.html
[2] W.M. Telford, L.P. Geldart och R.E. Sheriff Applied Geophysics Second
Edition (Cambridge University Press, 1990) s. 62–75
[3] Harris Benson, University Physics (Wiley, 1995) s. 624–628
[4] Asgeir Brekke Physics of the Upper Polar Atmosphere(Wiley, 1997), s.
127–190, 389–434
[5] http://www.astrosciences.info/magflips.htm
8