Maan magneettikenttä

Maan magneettikenttä yksinkertaistettuna sauvamagneetiksi

Maan magneettikenttä on melko tarkasti kaksinapainen eli dipolikenttä.
Maan magneettiset navat sijaitsevat lähellä maantieteellisiä napoja siten, että fysikaalisesti magneettinen pohjoisnapa sijaitsee lähellä maantieteellisellä etelänapaa ja päinvastoin. Puhekielessä magneettisella pohjoisnavalla kuitenkin yleensä tarkoitetaan sitä napaa, joka sijaitsee lähellä maantieteellistä pohjoisnapaa. Tarkemmin sanottuna se sijaitsi vuonna 2005 pisteessä 82.7°N, 114.4°W  Kanadan arktisen saariston pohjoisosassa noin 1 000 km:n päässä maantieteellisestä pohjoisnavasta ja liikkuu vuosittain noin 40 kilometriä luoteeseen.

Erilaiset syntymekanismit

Muodoltaan maan magneettikenttä muistuttaa tankomagneetin dipolaarista kenttää, mutta samankaltaisuus on näennäistä. Tankomagneetin kenttä syntyy ns. alkeismagneettien tietynlaisesta suuntautumisesta raudassa (pohjimmiltaan elektronien liikkeestä), mutta Maan ydin on niin kuuma, että suuntautuminen muuttuu satunnaiseksi. Tällainen satunnaisuus saa kappaleen tavallisesti menettämään magneettikenttänsä. Siksi Maan magneettikenttä ei synny magnetoituneesta raudasta, vaan Maan sulassa ytimessä tapahtuvista sähkövirtauksista.

Erot kenttien muodoissa

Maan magneettikentässä on dipolikentän lisäksi heikompia multipolikenttiä. Näiden vuoksi kenttäviivat eivät kaikkialla suuntaudu suoraan magneettinapoja kohti, vaan ne ovat mutkaisia.
Aurinkotuuli muuttaa Maan magneettikentän muotoa venyttäen sen kauas avaruuteen ulottuvaksi "hännäksi".
Maan magneettikentän vaakakomponentin suunta eli magneettipohjoinen ei osoita tarkalleen kohti pohjoisnapaa, eikä myöskään kohti magneettista pohjoisnapaa, vaan sen suunta vaihtelee eri paikoissa ja eri aikoina. Magneettipohjoisen ja napapohjoisen erotusta kutsutaan erannoksi. Esimerkiksi vuonna 2008 kompassi näytti Suomessa paikasta riippuen noin 6–12,5 astetta sivuun pohjoisesta.

Voimakkuusvaihtelut

Magneettikentän voimakkuus vaihtelee. Lyhyen aikavälin muutokset johtuvat lähinnä Auringosta, pitempiaikaiset Maan ytimen nestevirtausten muutoksista. Tällä hetkellä magneettikenttä on heikkenemässä. Joidenkin mielestä tämä puhuu dynamoteoriaa vastaan, tällöin Maan magneettikenttä olisi jäännösmagnetismia. Nykyään tutkijat eivät usko Maan magneettikentän olevan jäännösmagnetismia. Tähän viittaa muun muassa se, että muiden planeettojen, hitaasti pyörivien Venuksen ja Marsin magneettikenttä on Maan kenttää heikompi, ja Marsin kenttä heikko, koska sen ytimen konvektio on oletettavasti lakannut.

Navat liikkuvat jatkuvasti

Maan magneettikentän navat eivät pysy paikoillaan, vaan vaeltavat useita kilometrejä vuodessa. Navat eivät ole täsmälleen vastakkaisilla puolilla maapalloa ja liikkuvat toisistaan riippumatta. Tällä hetkellä magneettinen etelänapa on kauempana etelänavasta kuin magneettinen pohjoisnapa on pohjoisnavasta. Pohjoisessa sijaitseva napa liikkuu nykyään noin 40 kilometriä vuodessa luoteeseen. Se sijaitsi 1900-luvun puolivälissä Walesin prinssin saarella, mutta nykyään hieman Ellesmerensaaren länsipuolella.

Napaisuusvaihdoksia satojen tuhansien vuosien välein

Paleomagneettisten tutkimusten avulla on päätelty, että viimeisen 330 miljoonan vuoden aikana maan magneettikenttä on vaihtanut napaisuuttaan yli 400 kertaa. Keskimäärin maan magneettikenttä vaihtaa napaisuuttaan 700 000 vuoden välein. Vaihteluväli on kuitenkin epäsäännöllinen, alle 100 000 vuodesta kymmeniin miljooniin vuosiin. Viimeisin napaisuuskäännös tapahtui noin 780 000 vuotta sitten. Vaihdoksen aiheuttavaa mekanismia ei tunneta kunnolla, mutta vaihdos ei ole äkillinen vaan kestää arviolta 1 000 vuodesta 8 000 vuoteen. Napaisuuskäännöksen aikana Maan magneettikentässä saattaa olla useampia napoja.

Maan magneettikentän synty

Laajasti kannatettu teoria Maan magneettikentän pääasialliseksi selittäjäksi on ns. dynamoteoria, jonka mukaan magneettikenttä syntyy Maan sulassa ulkoisessa ytimessä, jossa on hyvin sähköä johtavaa raudan ja nikkelin seosta. Mekaanisten virtojen ja sähkövirtojen yhteisvaikutus aiheuttaa itseään ylläpitävän dynamon, joka saa käyttövoimansa liike-energiasta. Monet tutkijat pitävät konvektiovirtauksia todennäköisimpänä syynä. Dynamoteorian avulla voidaan selittää kentän hitaat aikavaihtelut ja kentän napaisuuden eli polariteetin vaihtumiset.

Geomagnetismin historiaa

Vanhin Maan magneettikenttää suunnistamisessa hyödyntävä laite on kompassi, jonka neula asettuu Maan magneettikentän suuntaisesti. Vaikka kompassi on vanha keksintö ja se tunnettiin Kiinassa jo varhain, ajatuksen Maasta suurena magneettina esitti ensimmäisen kerran luonnontieteilijä William Gilbert vasta vuonna 1600. Hänen teoksensa De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure keskeisin väite oli magnus magnes ipse est globus terrestris, Maa itse on suuri magneetti. Gilbert teki myös kokeita Maata kuvaavalla magnetisoidulla rautapallolla eli terrellalla.
Gilbertin jälkeen Maan magneettikentästä on esitetty erilaisia malleja. Vuonna 1804 Jean Biot esitti, että se vastaa Maan keskipisteeseen ajatellun dipolimagneetin kenttää. Koska kenttä ei havaintojen perusteella kuitenkaan täysin näyttänyt noudattavan dipolimallia, teoriaa kehittivät muun muassa Edmund Halley ja Christian Hansteen olettamalla magneettisia napoja olevan useampia, neljä kappaletta. Näitä napoja ei kuitenkaan löydetty. Vuonna 1839 Carl Friedrich Gauss esitti yhä käytössä olevan mallinsa, jossa Maan magneettikenttä on esitetty erinapaisten kenttien summana. Hallitseva termi on dipolikenttä, mutta myös nelinapaisella kvadrupolikentällä ja kahdeksannapaisella oktupolikentällä (ja niin edelleen) on tietty, joskin vähäisempi vaikutus kokonaismagneettikentän muotoon. 
Nykyään magneettikentän voimakkuutta ja suuntaa mitataan magneettisissa observatorioissa tai satelliittien avulla.