Is het aardmagnetisch veld bezig om te keren?


Hoe het komt dat de Aarde een magnetisch veld heeft

Het magnetisch veld op Aarde vindt zijn oorsprong bij het ontstaan van onze planeet zo een 4,5 miljard jaar geleden. Onder invloed van de zwaartekracht ging interplanetaire materie samenklitten, waarbij de zwaardere componenten, vooral bestaande uit ijzer en ook wat nikkel en zwavel, zich nestelden in het middelpunt van de toen nog volledig vloeibare kern.

De binnenkern koelde af door warmte af te staan aan de buitenkern, een proces van enkele miljarden jaren. Volgens recent onderzoek werd de ijzer-nikkellegering in de binnenkern zo een 1,6 miljard jaren geleden vast. De temperatuur was toen onder het smeltpunt van deze metalen gedaald, toch nog goed voor 5000°C, maar wel bij een druk van 3,5 miljoen maal de atmosferische druk aan het aardoppervlak. De druk in de buitenkern is lager, trouwens ook de temperatuur van pakweg 2 900°C, en onder die omstandigheden blijven ijzer en nikkel vloeibaar. Onderzoek door de Deense seismologe Inge Lehmann bevestigde dit reeds in 1936: de binnenkern is vast en de buitenkern is vloeibaar.

Het temperatuurverschil tussen binnen- en buitenkern veroorzaakt convectiestromen in deze laatste. Dit zelfde fenomeen zie je trouwens ook als 'slierten' van verschillende densiteit in water dat je opwarmt. In het binnenste van de Aarde is die vloeistof elektrisch geleidend en in beweging, zodat een stroom wordt opgewekt (denk aan een dynamo). Zo ontstaat een magneetveld rond de Aarde.

De corioliskracht ten gevolge van de aardrotatie maakt dat de magnetische polen zich in de buurt van de rotatiepolen bevinden. De chaotische convectiestromen in de aardkern doen echter de magnetische polen wel lichtjes schommelen. Op het kaartje hieronder zie je bijvoorbeeld hoe de magnetische pool van plaats is veranderd tussen 1600 en 2000.

Heden verschuift het magnetische noorden naar het westen in de richting van Siberië. Men heeft kunnen vaststellen dat deze schommelingen tientallen kilometer per jaar kunnen bedragen. Ook de sterkte van het magnetisch veld is niet overal dezelfde: zo is in het zuidelijk deel van de Atlantische Oceaan de veldsterkte maar de helft van het globale gemiddelde. Het aardmagnetisch veld verandert eveneens in de tijd: metingen hebben uitgewezen dat het veld is verzwakt met bijna 10 procent gedurende de laatste 175 jaar.

Het belang van het aardmagnetisch veld

De magnetische veldlijnen schieten op het zuidelijk halfrond uit het oppervlak en buigen om naar het noordelijk halfrond, waar ze de Aarde weer bereiken. Zoals op onderstaande tekening aangegeven, bevindt de magnetische zuidpool zich bij de geografische noordpool. De naald van een kompas wijst naar de magnetische zuidpool en ook min of meer naar het geografische noorden; dezer dagen staat de as van het magnetische dipoolveld ongeveer 10° gekanteld ten opzichte van de omwentelingsas van de Aarde.

Sinds eeuwen wordt in Europa - en iets langer in China - het navigatiekompas gebruikt in de scheepvaart. Een handig en goedkoop gebruik van de magnetische veldlijnen. Moderne uitvoeringen van het kompas in lucht- en zeevaart houden rekening met de magnetische inclinatie en wijzen naadloos naar het geografische noorden.

Zonder magnetisch veld zou er vermoedelijk geen leven zijn ontstaan op Aarde. De planeet zou dor en woestijnachtig zijn zoals de planeet Mars (die het moet doen zonder noemenswaardig magnetisch veld). Het aardmagnetisch veld ageert als een gigantische bel die ons beschermt tegen kosmische straling en geladen deeltjes die door de zonnewind worden aangevoerd. Het grillige poollicht is een visueel schouwspel dat ontstaat ten gevolge van de afbuiging van geladen deeltjes langs de magnetische veldlijnen.

Meer gegevens roepen meer vragen op

In november 2013 lanceerde ESA drie Swarm-satellieten. Hun opdracht was onder andere om gegevens te verzamelen en zo een beter inzicht te krijgen hoe het magnetisch veld wordt in stand gehouden en hoe efficiënt het ons tegen stralingsgevaar van de Zon beschermt.

De drie Swarm-satellietenDe drie Swarm-satellieten

Dit onderzoek leverde tot nu wel een reeks bijzondere waarnemingen op, die aantonen dat dit magnetisch fenomeen iets gecompliceerder blijkt dan een simpele dipoolmagneet.

Gecombineerd met eerdere gegevens van de missie CHAMP (Challenging Mini-satellite Payload), een project van EOS (Earth Observing System), heeft men vastgesteld dat tussen 1999 en 2016 de veldsterkte boven Azië met 2 % was gestegen en boven Noord-Amerika met 3,5 % was gedaald. Een andere curiositeit is dat de plek met zwakke veldsterkte in het zuiden van de Atlantische Oceaan (South Atlantic Anomaly) verder afzwakt en zich daarenboven westwaarts verplaatst met een snelheid van 20 km per jaar.

Aardmagnetisch veld anno 2014Aardmagnetisch veld anno 2014

Volgens Swarm-onderzoeker Chris Finlay (Technische Universiteit van Denemarken) zijn deze eigenaardigheden te wijten aan de chaotische turbulenties in de buitenkern van de Aarde. Een rode draad lijkt echter dat gebieden met zwakkere veldsterkte de neiging vertonen om westwaarts te migreren, terwijl plekken met grotere veldsterkte neigen naar het oosten.

Daarenboven hebben gegevens van Swarm geleid tot identificatie van een 'straalstroom' van vloeibaar ijzer in de buitenkern. Deze circuleert westwaarts onder Alaska en Siberië met een snelheid van 40 km per jaar.

Dat de globale magnetische veldsterkte de laatste 175 jaar is afgenomen, kan aanleiding zijn om de hypothese aan te nemen dat de polen van de aardmagneet gaan omkeren: het magnetisch noorden wordt zuiden en omgekeerd.

Wat gebeurt er als het magnetisch veld omkeert?

Paleomagnetisch onderzoek van gesteenten heeft aangetoond dat ompoling van het aardmagnetisch veld verschillende malen heeft plaats gehad sinds het ontstaan van de Aarde. Gesteenten kunnen magnetisch zijn als ze magnetische mineralen bevatten, en die nemen de richting aan van het aardmagnetisch veld ten tijde van hun vorming.

Als we tientallen miljoenen jaren in de tijd teruggaan, zou ompoling zich gemiddeld om de 250 000 jaar hebben voorgedaan. Die frequentie blijkt niet heel accuraat, want de laatste ompoling naar de toestand van vandaag vond reeds 780 000 jaar geleden plaats. We zijn dus ruimschoots overtijd met de volgende ompoling...

Het is evident dat niemand ooit een ompoling heeft meegemaakt. En we weten op vandaag niet welke parameters aanleiding geven tot een ompoling. Wetenschappers geloven niet dat de veldsterkte eerst naar nul daalt en dan in omgekeerde richting weer toeneemt. Eerder zal het veld in kleinere deelvelden opsplitsen en zullen er op vele plaatsen plekken met zeer lage veldsterkte ontstaan. Later zal vermoedelijk de veldsterkte weer stijgen en de polariteit omkeren.

Zou dat weldra kunnen gebeuren? Volgens sommige bronnen wel. Maar wat betekent weldra in deze context? Volgens wetenschappers zal dat proces van ompoling zo'n 5000 jaar duren. Uit de recent vastgestelde fluctuaties en dipjes kan men geen nauwkeurige voorspelling doen. Computersimulaties geven een chaotisch beeld van het proces van ompoling (zie figuur hiernaast). Het aardmagnetisme gedraagt zich immers zo warrig en onvoorspelbaar, en dit gericht onderzoek gebeurt slechts sinds een paar tientallen jaren op een fenomeen dat zich over miljoenen jaren manifesteert. Verder kennis blijven vergaren is de boodschap. En paniek is zeker niet aan de orde!

De gevolgen op Aarde?

Er zijn geen indicaties van massale sterfte of fundamentele stoornis in de biotoop tijdens vorige ompolingen, maar het omkeren van het aardmagnetisch veld heeft toch wel zeker implicaties voor onze planeet. Voor een hoogtechnologische beschaving, grotendeels in stand gehouden middels elektriciteit en de alom aanwezige elektronica, zal de impact ingrijpend zijn. Het aardmagnetisch veld vormt een immens schild ter bescherming van onze elektrische en elektronische infrastructuur. De huidige veldlijnen strekken zich uit in de ruimte tot meer dan 50 000 km ver. Bij het geheel of gedeeltelijk wegvallen van dat schild zullen satellieten komen bloot te staan aan een regen van geladen deeltjes en kosmische straling. En tijdens een periode met grote zonneactiviteit wordt het effect van de zonnestormen nog erger.

Communicatie- en gps-satellieten zullen worden verstoord en uitvallen. Elektrische distributielijnen en stroomvoorzieningen, zoals die vandaag zijn georganiseerd, zullen ook niet meer werken. Hierdoor valt voor honderden miljoenen mensen de stroom uit. Een uurtje zonder stroom wegens een lokaal defect vinden we reeds vervelend: geen verwarming, geen koelkast, geen licht, geen internet, geen communicatie, geen… Het zullen niet alleen de duiven zijn die de weg naar hun hok niet meer vinden.

Tijdens een omkering van het aardmagnetisch veld kan door de tijdelijke vermindering van het veld de ionosfeer extra geïoniseerd raken. Het is mogelijk dat daarbij de warmteverdeling in de atmosfeer verandert, wat tot klimaatverandering op het aardoppervlak kan leiden.

Verschuivingen van chemische evenwichten en stromingen in de atmosfeer kunnen de vorming van ozon beïnvloeden. Als de ozonlaag hierdoor dunner zou worden, zal meer schadelijke uv-straling het aardoppervlak bereiken. Ook zijn er aanwijzingen dat de kosmische straling de vorming van wolken beïnvloedt, wat tot een afkoeling of opwarming van het klimaat zou kunnen leiden.

Hoop doet leven

Wat precies het proces van een ompoling aanzwengelt is op vandaag nog altijd een beetje koffiedik kijken, dit ondanks de computersimulaties die men op het onderzoek heeft losgelaten. Als men de huidige evolutie van meetgegevens naar de toekomst extrapoleert, zal het nog zeker 4.000 à 5.000 jaar duren vooraleer men zich eventueel zorgen moet beginnen maken. We hebben dus nog tijd en ondertussen evolueert wetenschap en techniek, zo ook de mogelijkheden om te verwachten negatieve gevolgen te counteren.

Het tweepolige magnetisch veld fluctueert en schommelt reeds lange tijd zonder imminente neiging om te gaan ompolen. Maar het verleden leert ons dat het ooit zal gebeuren. Eerst chaotisch en daarna zal zich een nieuwe situatie stabiliseren, waarbij de naald van het kompas richting geografisch zuiden zal wijzen. En dat zullen we dan wel geweten hebben…

Enkele grootheden en cijfers

De magnetische flux is een natuurkundige grootheid die een maat is voor het aantal magnetische veldlijnen dat een oppervlak doorkruist. De SI-eenheid voor magnetische flux of magnetische stroom is weber [Wb] of voltseconde [V·s].

De sterkte van een magnetisch veld wordt uitgedrukt in tesla [T], de SI-eenheid van magnetische fluxdichtheid.
Zo varieert de sterkte van het aardmagnetisch veld tussen 30 en 70 µT.
In België bedraagt de veldsterkte ongeveer 48 µT.
Ter vergelijking: permanente magneten in luidsprekers bereiken een veldsterkte van 0,2 T, MRI-scanners in ziekenhuizen genereren 1,5 tot 7 T.

Tekst: Herman Schoups, 26/02/2018
Bron: Sky & Telescope maart 2018