Miten käy, kun magneettinavat kääntyvät?

03.11.2006

Teksti: Eeva Mäkelä

Maan magneettikenttä on heikkenemässä niin, että tulevaisuudessa
magneettinen pohjois- ja etelänapa voivat vaihtaa paikkaa keskenään.
Katastrofielokuvassa tällaisesta seurasi maailmanlopun luokan mullistus.
Otimme selvää, onko tosielämässä syytä huoleen.

Julkaistu Tiede-lehdessä 8/2006

Muutaman vuoden takaisessa scifi-elokuvassa The Core maapallon ydin äkisti hyytyy ja magneettikenttä sammuu. Seuraa monenlaisia kauheuksia. Suuntavaiston katoamisesta häiriintyneet linnut terrorisoivat ihmisiä. Sydämentahdistimet takkuilevat. Avaruussukkulan navigointijärjestelmä pettää. Ilman magneettikentän antamaa suojaa maapallon pinta altistuu aurinkotuulelle ja kosmiselle säteilylle, jotka roihauttavat kaiken palamaan.

"Roskaa!" kommentoivat geofyysikot elokuvan perusolettamuksia Geotimes-lehden elokuva-arviossa. "Vain elokuvaa" ja "Hollywood-hömppää", toteavat suomalaisetkin asiantuntijat.

Totta kuitenkin on, että Maan magneettikenttä ajan mittaan muuttuu - ja että sen voimakkuus voi tulevaisuudessa heiketä lähes nollaan.

Tutkijat ovat päätyneet tähän yhdistämällä tietoa kolmesta lähteestä:

- matemaattisesti mallintamalla Maan ytimen tapahtumia, jotka tuottavat magneettikentän

- arvioimalla kiviin ja sedimentteihin tallentuneista muinaisen magneettikentän merkeistä, miten kenttä on aiemmin muuttunut

- mittaamalla nykyisen magneettikentän voimakkuutta järjestelmällisesti eri puolilta maapalloa.

Taustalla ytimen myllerrykset

Miksi magneettikenttä vaihtelee? Syy käy ilmeiseksi, kun hahmottaa, miten kenttä syntyy.

Planeettamme ytimessä on metallisulaa, joka on jatkuvassa myllerryksessä. Sulan liike synnyttää sähkövirtoja, jotka puolestaan saavat aikaan erilaisia magneettikenttiä. Prosessia kutsutaan geodynamoksi.

Ytimen synnyttämistä magneettikentistä havaitaan maanpinnalla vain vallitsevin ja pysyvin eli sauvamagneetin kenttää vastaava kaksinapainen dipolikenttä. Sen osuus Maan kokonaiskentästä on noin 80 prosenttia.

Taustalla kuitenkin piilee 20 prosentin edestä moninapaisia eli multipolikenttiä.

Sula ydin on jatkuvassa muutostilassa, samoin syntyvä magneettikenttä. Juuri tästä johtuu, että pinnalla havaitun magneettikentän voimakkuus vaihtelee ja että magneettisten napojen sijainti muuttuu.

Jo satoja napakäännöksiä

Maapallon historian aikana dipolikentän pohjois-eteläsuunta on vaihtunut jo satoja kertoja. Muinaiset kuperkeikat tiedetään sen perusteella, minkä suuntaisiksi tiettynä aikana kiteytyneet magneettiset mineraalit ovat asettuneet kallioperässä.

Seitsemän miljoonan viime vuoden aikana käännös on tapahtunut keskimäärin 200 000 vuoden välein, mutta viime kuperkeikasta on 780 000 vuotta.

Pelkästä pitkästä väliajasta ei kuitenkaan voi päätellä, että napaisuuden pitäisi jo vaihtua. Käännösten tiheydessä ei nimittäin näytä olevan mitään säännönmukaisuutta.

Liitukaudella yli 80 miljoonaa vuotta sitten napaisuus ilmeisesti pysyi vakiona yhteen menoon 35 miljoonaa vuotta. Pitkä vaihtumattomuuden kausi oli myös permikaudella, yli 250 miljoonaa vuotta sitten. Tiheimmillään navat ovat puolestaan vaihtuneet miljoonassa vuodessa kymmeniä kertoja.

Ytimen geodynamon mallintamisesta huolimatta tarkkoja syitä napojen vaihteluun ja vaihtumisvälin säännöttömyyteen ei toistaiseksi tunneta.

Kenttä on heikkenemässä

Siihen, että napakäännös saattaa olla tulollaan, on päädytty mittauksissa havaitun dipolikentän heikkenemisen perusteella. Kenttää on mitattu systemaattisesti vuodesta 1845, ja näiden runsaan 150 vuoden aikana sen voimakkuus on vähentynyt kymmenisen prosenttia.

Heikentyminen näyttää itse asiassa alkaneen jo parituhatta vuotta sitten. Tämä on päätelty tutkimalla muun muassa saviruukkujen magneettisia mineraaleja. Kun savea kuumennetaan polttouunissa ja jäähdytetään, magneettiset mineraalit suuntautuvat uudelleen senhetkisen magneettikentän mukaan. Kentän heikentyminen näkyy niin, että entistä pienempi osa magneettisista mineraaleista asettuu yhdensuuntaisiksi.

Viime vuosina magneettikenttä on heikentynyt entistä nopeammin, erityisesti Brasilian ja eteläisen Atlantin tienoilla. Tämän vaimenemiskeskuksen kasvu nähdään tiedoista, joita ovat välittäneet tanskalainen Ørsted-satelliitti vuodesta 1999 ja saksalainen Champ vuodesta 2000.

Lisäksi maapallon ytimen pinnalla on satelliittimittauksin havaittu käänteisen napaisuuden saarekkeita. Suurin tällainen saareke sijaitsee Afrikan eteläkärjen alla ja toinen lähellä pohjoisnapaa. Siellä täällä magneettikentän voimakkuus on myös paikallisesti vahvistunut, ja näyttää olevan kasvamassa uusia magneettisia pohjois- ja etelänapoja.

Ennakoivatko havainnot todella napaisuuden kääntymistä? Vastausta toivotaan muun muassa Euroopan avaruusjärjestön Esan vireille panemasta ja vuonna 2009 alkavaksi kaavaillusta Swarm-hankkeesta. Siinä maan magneettikentän tilaa on tarkoitus kartoittaa entistä tarkemmin kolmen satelliitin voimin. Projektin vetäjä Gauthier Hulot uskoo, että tutkimusten päätyttyä pystytään ennustamaan, mitä eteläisen Atlantin vaimenemisalueella tapahtuu.

Mallinnus ennakoi käännöstä

- Viime aikojen havainnot magneettikentän heikentymisestä, uusien napojen ilmaantumisesta ja vastakkaisen kentän alkioiden kasvusta ovat sopusoinnussa sen kanssa, mitä mallinnus kertoo napakäännöksen alkamisesta, toteaa Helsingin yliopiston geofysiikan professori Lauri J. Pesonen.

Simulaatioissa magneettikentän vastakkaisten saarekkeiden laajeneminen heikentää dipolista pääkenttää ja altistaa sen käännökselle. Myös havainnot muinaisten napakäännösten aikaisista sedimenteistä ja laavoista puoltavat näkemystä, jonka mukaan napakäännös alkaa aina dipolikentän heikentymisellä.

Napakäännöksen yhteydessä dipolikentän voimakkuus laskee nollaan ja tavallisesti taustalla lymyävä useampinapainen multipolikenttä tulee esiin.

- Multipolikenttä kasvaa suhteessa dipolikenttään, ja käännöksen tapahtuessa multipolikenttä saattaa olla jopa hallitseva, Pesonen arvioi. - Tavallisesti dipolikenttä pysyy heikkona koko käännöksen ajan.

Tämä tarkoittaa, että käännösvaiheen aikana maapallolla on useita magneettisia napoja.

Tilapäisen heikkenemisen jälkeen dipolikenttä sitten kiepsahtaa ympäri ja voimistuu jälleen, nyt käänteisenä. Vähitellen se peittoaa voimakkuudessa multipolisen kentän, ja näkyviin jää ainoastaan kaksi magneettista napaa.

Kaikki eivät odota käännöstä

Kaikki tutkijat eivät kuitenkaan ole vakuuttuneita siitä, että napakäännös on odotettavissa. Epäilijät huomauttavat, että magneettikentän koko historiaan verrattuna nykykenttä ei ole erityisen heikko. Pikemminkin kenttä on tuhansien viime vuosien aikana ollut epätavallisen voimakas.

Viimeksi kenttä oli suunnilleen yhtä vahva nisäkkäiden valta-ajan eli kenotsooisen kauden alussa, kirjoittaa yhdysvaltalaisen Scrippsin merentutkimuslaitoksen professori Lisa Tauxe internetissä julkaisemassaan paleomagnetismiluentosarjassa. Kolmas keskimääräistä voimakkaamman kentän vaihe sijoittui dinosaurusten kulta-ajan liitukauden loppupuolelle, napakäännösten osalta hiljaiseen pitkään jaksoon. Keskimäärin kenttä on ollut paljon heikompi. Siksi Tauxe esittää Physics of the Earth and Planetary Interiors -lehdessä, että kiepauksen sijasta kenttä on vain palaamassa keskimääräiseen tasapainotilaan ja että nyt eletään erityisen pitkää vakaata vaihetta.

Sitä paitsi kentän jatkuva heikkeneminenkään ei välttämättä johda napaisuuden kääntymiseen. Simulaatioissa juuri kääntymäisillään oleva kentän dipolimomentti saattaa hetken epäröinnin jälkeen jättääkin kiepauksen väliin ja voimistua jälleen aivan entisenlaisena. Myös muinaisen magneettikentän tutkijat ovat havainneet kentän heikkouteen liittyviä epätäydellisiä suunnanmuutoksia, joiden jälkeen navat ovat palautuneet ennalleen.

Ihmisille hidas tapahtuma

Uuden kompassin ostajien ei siis kannata hätiköidä. Napakäännöksen enteistä ei olla varmoja, ja vaikka käännös tulisikin, se ei ole ihan lähitulevaisuuden huoli. Nykyisen kaltaisesta dipolikentän heikentymisestä alkaen koko tapahtumaan arvioidaan menevän 2 000-5 000, jopa 10 000 vuotta. Prosessin loppuvaihe eli varsinainen suunnanmuutos voi sitten valmistua alle tuhannessa vuodessa.

Joidenkin havaintojen mukaan napaisuus on menneisyydessä saattanut vaihtua niinkin vikkelästi kuin 20-200 vuodessa. Tutkijat eivät kuitenkaan ole yksimielisiä siitä, että pikakäännöksiä on todella sattunut.

Epävarmuus ja suuri aikahaarukka johtuvat siitä, että geologisessa aikaskaalassa tällaiset tapahtumat ovat nopeita. Siksi niiden tutkiminen on vaikeaa.

Hankaluutta on esimerkiksi eri havaintoaineistojen sovittamisessa yhteen. Joistakin merten pohjakerrostumista näkyy napaisuuden yksinkertainen vaihtuminen vastakkaiseksi, mutta nopeasti purkautuneet ja kiteytyneet laavavirrat antavat tapahtumista mutkikkaamman kuvan.

Käsitysten selventämiseksi tarvittaisiin lisää havaintoja sellaisista kerrostumista, joista näkee tapahtumat tiheästi, jopa vuoden välein.

Revontulia palmujen ylle?

Epävarmuuksia siis riittää. Mutta entä jos magneettikentän heikkeneminen jatkuu ja napaisuus tosiaan kääntyy? Miten maailmamme muuttuu?

Tulee mieleen, että ensimmäisenä voisi tapahtua jotakin revontulille. Ne syntyvät, kun aurinkotuulen hiukkaset törmäävät ilmamolekyyleihin maapallon magneettisten napojen ympäristössä. Kentän hiipuessa napoja saattaa tulevaisuudessa pullahdella esiin epätavallisissa paikoissa. Ehkä tulevaisuuden revontulituristien ei enää tarvitse värjötellä pakkasessa, vaan pohjanpaloista voi nautiskella mukavasti palmujen katveessa vaikka Tahitilla tai Afrikassa.

Ilmatieteen laitoksen tutkimuspäällikkö Heikki Nevanlinna toppuuttelee turismivisiota. Hän huomauttaa, että moninapaisessa tilanteessa revontulia ei ehkä näy lainkaan tai ne ovat nykyistä heikompia. Tämä johtuu siitä, että aurinkotuulen ja magneettikentän yhteispelialueen, magnetosfäärin, muoto on erilainen kuin nyt.

Moninapaisen magneettikentän vallitessa revontulien syntymekanismi on todennäköisesti erilainen kuin nykyään.

Uhkaisiko kosminen säteily?

Entä vaarat? Miten meidän käy, jos altistumme hiukkaspommitukselle ja aurinkotuulelle, joilta magneettikenttä nyt suojaa meitä?

Heikki Nevanlinna lohduttaa, että vaikka dipolikentän voimakkuus laskisi nollaan, maapallo ei missään vaiheessa jäisi kokonaan ilman magneettikenttää. Käännöksen aattona moninapainen multipolikenttäkin tosin vaimenee hiukan, mutta kentän energia ei häviä. Kentästä vain tulee monimutkaisempi. Nevanlinna arvioi, että heikoimmillaan Maan magneettikentästä jäisi jäljelle noin kymmenen prosentin osuus nykykentästä.

Silloin kosmiselta säteilyltä suojaava magneettikentän kilpivaikutus heikkenisi jonkin verran. Nevanlinnan mukaan magneettikentän merkitystä on kuitenkin liioiteltu: kenttä hoitaa säteilyn pysäyttämisestä vain 10-20 prosenttia. Tehokkaimmin kosmisen säteilyn pääsyä maanpinnalle estää ilmakehä. Magneettikentän ollessa heikoimmillaan saisimme Nevanlinnan arvion mukaan kymmenen prosenttia enemmän säteilyä kuin nykyisin. Tämän takia tuskin tarvitsisi ryhtyä rakentamaan erityisiä suojia.

Sen sijaan ilmakehän ulkopuolella kiertävät satelliitit todennäköisesti kärsisivät. Jo nyt niitä koettelee magneettisen suojakilven aukko, joka sijaitsee eteläisen Atlantin kohdalla.

Entä jos magneettikenttä kuitenkin tilapäisesti häviäisi kokonaan? Usein väitetään, että jollei magneettikenttää olisi, aurinkotuuli puhaltaisi vähitellen ilmakehän pois. Silloinhan meistä tulisi yhtä suojattomia kuin satelliitit.

Nevanlinna huomauttaa, että myös Marsilla ja Venuksella on ilmakehä, jälkimmäisellä jopa varsin tiheä, vaikkei kummallakaan ole merkittävää magneettikenttää. Hän muistuttaa, että magneettikentättömilläkin planeetoilla on ionosfääri eli sähköisesti varautuneita hiukkasia sisältävä ilmakehän yläkerros, joka magnetosfäärin tavoin säätelee aurinkotuulen ja planeetan kaasujen välisiä vuorovaikutuksia.

Saksalaiset geofyysikot Guido Birk ja Harald Lesch ovat tutkineet aurinkotuulen vaikutusta magneettikentättömään maapalloon tietokonesimulaatiolla. Vuonna 2004 he raportoivat Astronomy and Astrophysics -lehdessä, että simulaatiossa aurinkotuuli kietoi planeettamme vaippaansa ja loi ionosfääriin nykyisen dipolikentän veroisen magneettikentän. Viime kädessä siis Aurinko itse suojaisi maapalloa säteilyn yliannostukselta.

Käännös siedetty ennenkin

Kaiken kaikkiaan asiantuntijoiden viesti on lohdullinen: hirmuvaikutuksia ei ole odotettavissa.

Heikki Nevanlinna kiistää toisinaan maalaillut uhkakuvat magneettikentän heikkenemisen seurauksista.

Esimerkiksi ilmastoon tai ilmakehän otsonipitoisuuksiin sillä ei olisi mitään vaikutusta. Elektronisten laitteiden pettämistäkään ei tarvitse pelätä, ei ainakaan maanpinnalla, missä ilmakehä suojaa valtaosalta kosmista säteilyä. Yläilmakehässä ja ilmakehän ulkopuolella säteily kuitenkin aiheuttaisi virhetoimintoja satelliittien elektroniikkaan ja vaarantaisi astronauttien terveyttä.

Sellaisiakin arveluita on esitetty, että napaisuuden vaihtelu olisi ollut mukana aiheuttamassa elämän historian suuria joukkotuhoja. Tällaisesta ei kuitenkaan Lauri J. Pesosen mukaan ole vakuuttavaa näyttöä.

Maapallon eliöstö on satoja kertoja altistunut magneettikentän heikkenemiselle ja napojen kääntymiselle, ja nykyäänkin elää lajeja, jotka ovat vuosimiljoonien kuluessa selviytyneet useista napojen kuperkeikoista.

Esimerkiksi merinahkakilpikonnat, jotka löytävät pesimärannoilleen magneettisen aistinsa turvin, ovat porskuttaneet jo sata miljoonaa vuotta.

Linnuistakaan tuskin kannattaa huolestua. Laboratoriokokeissa muuttolinnut ovat pystyneet sopeuttamaan sisäisen kompassinsa magneettikentän suunnanmuutokseen muutamassa päivässä. Siihen verrattuna Maan ytimessä tapahtuvat muutokset ovat hyvin verkkaisia.

Eeva Mäkelä on Saksassa asuva filosofian tohtori, geologi ja vapaa toimittaja. Hän kirjoitti myös sarjaamme Tieteen suuret kysymykset osan 2: Millaista on Maan ytimessä? (Tiede 3/2006, s. 42-47; teksti myös nettiarkistossa www.tiede.fi/arkisto)