Jordens magnetfält och vandrande poler

Föreställ dig en stångmagnet inuti jorden, mer eller mindre i linje med axeln, där magnetens ändar ligger nära planetens geografiska nord- och sydpoler. Magnetfältlinjerna rör sig från magnetens nordpol och slingrar sig tillbaka för att gå tillbaka in mot sydpolen. Vid varje pol är magnetfältlinjerna nästan vertikala.

Även om det definitivt inte finns en magnetstång inuti jorden, inträffar samma fenomen runt jorden, vilket skapar ett skyddande område runt hela planeten som kallas magnetosfären, enligt NASA. Jordens magnetosfär skyddar oss från skadlig kosmisk strålning och solvind och är ansvarig för de vackra auroralskärmarna som ses på de norra och södra halvklotens höga breddegrader.

Jordens magnetiska och geografiska poler ligger mittemot varandra. Med andra ord är jordens magnetiska sydpol faktiskt nära den geografiska nordpolen. Så när vi använder en kompass för att bestämma vår plats, pekar kompassnålen faktiskt mot den södra magnetiska polen när man befinner sig på norra halvklotet och mot den nordliga magnetiska polen på södra halvklotet.

De magnetiska polerna är inte fixerade och vandrar lite över planetens yta med avseende på de geografiska polerna. Cirka 75 procent av intensiteten av jordens magnetfält representeras av "magnetstången." De andra 25 procenten av intensiteten av jordens magnetfält, som kan tänkas vara mindre stavmagneter som rör sig, kommer från mindre delar av rörlig magma och kan vara det som gör att polerna kan röra sig.

Baserat på data som släppts av National Centers for Environmental Information i februari 2019, ligger den magnetiska nordpolen vid 86,54 N 170,88 E, inom Arktiska havet och på väg från Kanada mot Sibirien. Den magnetiska sydpolen ligger vid 64,13 S 136,02 E, strax utanför Antarktis kust i riktning mot Australien.

Var kommer fältet ifrån?

Även om det fortfarande är lite av ett mysterium, är forskare överens om att jordens magnetfält börjar djupt i kärnan på planeten. Den yttre kärnan på planeten består av smälta metaller, främst järn, som är en ledare.

"Kärnande, smält metall i den yttre kärnan genererar det [magnetiska] fältet genom vad som kallas dynamo-action", säger Aleksey Smirnov, en geofysikprofessor vid Michigan Technological University.

Dynamo-handling, eller dynamo-teorin, beskriver hur en planet kan upprätthålla ett magnetfält. Dynamomen, eller källan till magnetfältet, skapas av ett roterande, konvektionsmässigt och elektriskt ledande material, till exempel smält järn inuti jorden.

"Det finns många joniserade atomer och fria elektroner som strömmar runt, plus att det finns en komplex form av konvektion som pågår i det inre, i kombination med jordens naturliga rotation - det finns många rörliga laddningar," säger Doug Ingram, en fysik och astronomiprofessor vid Texas Christian University.

Forskare tror att laddningarna som skapas av det rörliga metallmaterialet rör sig runt jordens ekvatorialregion i en cirkulär rörelse som genererar de nordliga och södra magnetiska polerna vid ytan, säger Ingram.

Varför rör polerna sig?

Jordens dynamo är ihållande, men instabil. Just nu förändras magnetfältet snabbt, med den magnetiska nordpolen som plötsligt hoppar mot Sibirien. Sedan 1990-talet har den magnetiska nordpolen förskjutits i genomsnitt 55 miles (55 km) per år, enligt en studie från 2019 publicerad i tidskriften Nature.

Störningar i den strömmande, metalliska magma kan vara orsaken till instabiliteten i magnetfältet som kan leda till sådana polförskjutningar, enligt Smirnov. Flytandet av flytande järn djupt under Kanada kan försvaga magnetfältet något på den platsen, vilket är det som tillåter den nordliga magnetpolen att röra sig mot Sibirien..

Andra elektromagnetiska avvikelser kan ses över hela världen, till exempel i södra Afrika där en magnetfältstörning, liknande en virvel i en bäck, kan orsakas av en tätare del av manteln nära gränsen med planetens vätska yttre kärna.

Historik om polskiftning och reversering

Medan polerna växlar ständigt har de också vänt helt åtminstone några hundra gånger under de senaste 3 miljarder åren, enligt NASA. Under denna process, som vanligtvis inträffar varje 200 000 till 300 000 år under loppet av 100 till några tusen år åt gången, blir magnetfältet krossat och dras med flera poler som slits upp slumpmässigt över jordens yta. Den sista fullständiga vändningen inträffade för ungefär 780 000 år sedan.

Det magnetiska fältets historia, inklusive förskjutningar och reverseringar, framgår av den geologiska posten. Metaller som finns i bergarter, inklusive järn, överensstämmer med magnetfältet innan smälta stenar stelnar eller som fragment som innehåller magnetiska metaller i linje med magnetfältet och sätter sig i lager av sedimentära bergarter.

"Eftersom jorden är en dynamisk och ständigt föränderlig plats har nya bergarter och deras magnetiska poster genererats ständigt under geologisk tid," sade Smirnov och tilllade att dessa poster kan bevaras i miljoner eller miljarder år.

Liknande poster finns på golvet i Atlanten där ny havsbotten skapas ständigt vid mitten av Atlanten.

"När lavan brinner upp till ytan [genom den långa sprickan som utgör kammen] är den smält, och järnpartiklarna upphängda i lavan orienterar sig i riktning mot jordens rådande magnetfält," sade Ingram. När lavan stelnar låser den metallavlagringarna på plats och skapar således en historisk uppteckning av förskjutningarna och omvändningarna av jordens magnetfält.

Vad betyder dessa vandrande och vända stolpar för livet på vår planet? Det finns inga drastiska förändringar i fossilregistret för varken växt- eller djurliv under både skift och vändningar, enligt NASA, vilket antyder att effekterna av polvändning på livet är minimal. Även om det finns vissa spekulationer bland forskare att under perioder med minskad magnetfältstyrka, kunde mer kosmisk strålning ha nått jordens yta och orsakat en ökad hastighet av genetisk mutation och därför gav utvecklingen ett boost, sade Smirnov.

Ytterligare resurser:

• Se denna coola visualisering av jordens magnetosfär från NASA: s Scientific Visualization Lab.
• Lär dig mer om NASA: s Magnetospheric Multiscale-uppdrag för att förstå hur magnetfälten runt jorden ansluter och kopplas bort.
• Kolla in dessa kartor över de historiska platserna för de vandrande magnetiska polerna från National Centers for Environmental Information.