Dünyanın Manyetik Alanı Nasıldır

Dünyanın Manyetik Alanı

Dünyanın Manyetik Alanları

Dünyanın Manyetik Alanı Kaçtır

Dünya’ nın manyetik alanı denizcilik, altın, gümüş ve petrol bulmak için yapılan araştırmalar ve haberleşme gibi uygulama alanlarına sahiptir Bu nedenle dünyanın manyetik alanının yüzeydeki ve yüzeyden uzaktaki büyüklüğü ve yönü yıllardır araştırma konusu olmuştur Manyetik alanın bir diğer etkisi de dünyayı saran Van Allen kuşakları ve “kuzey ışıkları” diye adlandırılan parlak ışıklardır


Tüm manyetik cisimler cismin kutupları arasında görünmeyen kuvvet çizgileri oluştururlar Bunları görünür yapmanın en kolay yolu bir kağıt parçası üzerine demir tozları serpmek ve kağıdın altına çubuk şeklinde bir mıknatıs yerleştirmekle mümkündür Demir tozları mıknatısın etrafında ve manyetik alan çizgileri boyunca kendi kendilerine sıralanırlar Basit bir ifadeyle, dünya iki kutuplu bir dipol gibi düşünülebilir Dünyanın manyetik alan çizgileri aynen bir çubuk mıknatısınki gibi kuzey ve güney manyetik kutupları arasında uzanır Yüklü parçacıklar bu alan çizgileri üzerinde tuzaklanarak manyetosferi oluştururlar




Dünyanın manyetik alan çizgileri bir çubuk mıknatısınki kadar simetrik değildir Yukarıdaki şekilde görüldüğü gibi güneşten akıp gelen alan çizgileri dünyanın manyetik kuyruğunu oluştururken, güneş rüzgarları alan çizgilerinin güneşe doğru sıkılaşmasına sebep olur Manyetosfer uzay boşluğunda güneşe doğru yaklaşık 80 km’ den 60000 kilometreye kadar kuyruk kısmı ise güneşten 300000 kilometre (186500 mil) uzağa kadar uzanır


Manyetik Alanın Yapısı


Manyetik alanın yapısını belirleyen alan çizgileri aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi basit bir çubuk mıknatısınkine benzer




Dünya’ nın manyetik alanı ve Van Allen radyasyon kuşakları


Manyetik alan eksenlerinin dünyanın dönme eksenine göre eğimli olduğu bilinmektedir Bu nedenle, kuzey kutbuyla manyetik kuzey kutbu birbiriyle çakışmaz ve gerçek yönü bulmak için dünyanın yüzeyi üzerinde pusulanın yönü belli bir miktar düzeltilmelidir


Van Allen Radyasyon Kuşakları


Manyetik alanın temel özelliği hareket eden elektrik yüklerine kuvvet uygulamasıdır Bu nedenle bir manyetik alan, elektron ve proton gibi yüklü parçacıkları alan çizgileri boyunca ileri ve geri spiral şeklinde hareket etmeye zorlayarak tuzaklayabilir Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi yüklü parçacıklar alan çizgilerinin birbirine yakın ve spirallerin sıkışık olduğu “ayna noktası” nda yansıtılır 1950’ lerin sonlarında yapılan uzay araştırmalarında dünyanın, Van Allen radyasyon kuşağı diye adlandırılan çok yoğun yüklü parçacıklardan oluşan iki bölgeyle kuşatıldığı keşfedildi




İç ve dış Van Allen kuşakları yukarıdaki şekilde gösterilmiştir Bu yüklü parçacıkların asıl kaynağı güneş rüzgarı denilen güneşten gelen parçacıklar sağanağıdır Kuzey ve güney ışıkları dünyanın manyetik alanı tarafından tuzaklanan bu yüklü parçacıklar tarafından oluşturulur






Dünya’ nın Manyetosferi


Güneş rüzgarı yaklaşık 400 km/s hızla güneşten dışarı doğru akan iyonize gazlardır ve güneşin yüzeyi üzerindeki aktivitelerin miktarına bağlı olarak şiddeti değişir Dünyanın manyetik alanı güneş rüzgarına karşı bir kalkan oluşturmuştur Güneş rüzgarı dünyanın manyetik alanı ile karşılaştığında aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi geriye doğru püskürtülür

Bu durumda şok dalgaları oluşur Bu şok dalgalarının arkasındaki boş uzayda dünyayı saran bölgeye manyetosfer denir Ancak güneş rüzgarları ile gelen bazı yüksek enerjili yüklü parçacıklar manyetosfere sızar ve bu yüklü parçacıklar Van Allen radyasyon kuşakları tarafından tuzaklanır




Manyetik Alanın Kökeni


Manyetik alanlar elektrik yüklerinin hareketiyle oluşur Örneğin, bir çubuk mıknatısın manyetik alanı mıknatıstaki negatif yüklü elektronların hareketi sonucunda oluşur Dünyanın manyetik alanının kökeni tam olarak anlaşılamamıştır Fakat demir ve nikel içeren sıvı metalik dış çekirdeğin dönmesi ve konvektif etkilerle oluşan elektrik akımlarıyla ilgili olduğu düşünülmektedir Bu mekanizma dinamo etkisi diye adlandırılır

Erimiş durumdan katılaşarak oluşan kayalar katılaşma anındaki manyetik alan hakkında bize bilgi verir Bu tip “manyetik fosiller” in incelenmesi dünyanın manyetik alanının her milyonda yıl tersine döndüğünü ( yani kuzey kutbu güneye, güney kutbu kuzeye) göstermiştir Fakat bu manyetik alanın anlaşılmadığı detaylardan biridir




Dünya’ nın Manyetik Alanı


Dünyanın manyetik alanı dünyanın dönme ekseni ile 11o ’ lik bir açı yapar Ancak demirin Curie sıcaklığı yaklaşık 770 oC ’ dir Dünyanın çekirdeği bu sıcaklıktan daha yüksektir ve bu yüzden demir manyetik değildir Bu durumda dünyanın manyetik alanının kaynağı nedir ?


Manyetik alan elektrik akımını çevreler, böylece dünyanın erimiş metalik çekirdeğinde dolanan elektrik akımının manyetik alanın kökeni olduğu tahmin edilmektedir Dünyanın yüzeyinde ölçülen manyetik alanın büyüklüğü ekvator yakınında yaklaşık 30µT ve kutuplarda yaklaşık 60µT’ dır Diğer deyişle dünya yüzeyinde manyetik alanın büyüklüğü 03 ile 06 Gauss arasında değişir


Dinamo Etkisi


“Dünya’ nın manyetik alanının kaynağı nedir ?” sorusunun cevabı basit değildir Mariner 2 ile yapılan araştırmalar sonucunda Venüs’ün çekirdeği demir içermesine rağmen bir manyetik alana sahip olmadığı anlaşılmıştır Venüs’ün 243 dünya günü olduğu ve dinamo etkisi yaratmak için çok yavaş olduğu bulunmuştur

Manyetik alanın oluşumunun dünyanın dönmesi ile ilişkili olduğu açıktır Çünkü Venüs ünde çekirdeğinde dünyanınki gibi demir bulunmaktadır, fakat dönme periyodu ölçülebilir bir manyetik alan oluşturmaz Manyetik alanın çekirdeğin büyük bir bölümünü oluşturan sıvı metalik demirin dönmesine bağlı olduğu sonucunu çıkarmak mantıklıdır Dönen iletken modeli bu olaya “dinamo etkisi” veya “jeodinamo” adlarını vermiştir


Gezegenlerin Manyetik Alanı


Birkaç yüzyıldır manyetik pusulalar denizcilikte kullanılmasına rağmen, 1600’ de Sir William Gilbert dünyanın coğrafik kutupları yakınında manyetik kutuplarıda olan devasa bir mıknatıs olduğunu öne sürene kadar pusulaların davranışları tam olarak bilinmiyordu Daha sonraki araştırmacılar uzaygemilerini kullanarak diğer gezegenlerin manyetik alanını inceledi ve dünyanın manyetik alan haritasını çıkardılar


Dünyanın manyetik alanı kabaca momenti µ=8x1022 J/T olan bir manyetik dipol gibi ele alınabilir Yüzeydeki alan ekvator yakınında 30µT’ dan kutuplar yakınında 30µT’ a kadarlık bir aralıktaki bir büyüklüğe sahiptir Bir dipolün eksen üzerindeki manyetik alanın bir elektrik dipolde olduğu gibi açıortay boyunca aynı uzaklıkta iki katıdır Dünyanın manyetik alanı için bu değerler beklenen değerlerle uyumludur


Dipolün ekseni dünyanın dönme ekseni ile yaklaşık 11,5o lik bir açı yapar (dünyanın dönme ekseni dünyanın yörünge düzleminin normaliyle 23,5o lik bir açı yapar Kuzey Kanada’ da bulunan kuzey manyetik kutbu diye adlandırdığımız şey aslında dünya dipolünün güney kutbudur Antartikada bulunan güney manyetik kutbu bir dipolün kuzey kutbu ile temsil edilir Çünkü B manyetik alan çizgileri oradan çıkar Yönü belirlemek için bir mıknatıs kullandığınızda kuzeyi işaret eden pusulanın ucu pusuladaki mıknatısın gerçek kuzey kutbudur O, dünyanın kuzey jeografik kutbu yakınındaki gerçek güney kutbuna doğru çekilir


Dünyanın manyetik alanı sadece denizcilikte değil, maden arama ve iletişimde de kullanım alanına sahiptir Bu nedenle uzun yıllardır uydular kullanılarak dünya yüzeyi üzerinde ve tam yüzeyde onun büyüklüğü ve yönü ölçülerek bu konuda oldukça detaylı çalışmalar yapılmaktadır Onun bir diğer etkisi de dünyayı saran Van Allen radyasyon kuşaklarıdır ve “kuzey ışıkları” diye adlandırılır


Yeryüzünde mıknatıslı kayalar bulunduğundan dünyanın manyetik alanının kaynağının geçici olarak mıknatıslanmış kayalardan oluşan bir çekirdeği olduğu düşünülür Ancak, bu doğru olmayabilir, çünkü çekirdeğin sıcaklığı birkaç bin derecedir, yani demirin Curie sıcaklığının çok üstündedir Bu nedenle dünyanın çekirdeğindeki demir ferromanyetik olamaz


Son birkaç yüzyıldır yapılan ölçümlerden kuzey manyetik kutup kuzey coğrafik kutba göre hareket eder ve jeolojik kayıtlardan kutupların birkaç yüzyıllık bir zaman skalasında ters döndüğünü biliyoruz (Hatta güneş sistemindeki dünyaya benzeyen bazı gezegenler manyetik alana sahip değildir, oysaki manyetik materyaller içermeyen diğer bazı gezegenlerin çok büyük manyetik alanlara sahiptirler) bu tip gözlemleri kalıcı mıknatıslanmaya sahip bir çekirdek kabulüne dayanarak açıklamak oldukça zordur


Dünyanın manyetikliğinin kaynağı tam olarak anlaşılamamış, muhtemelen bir çeşit dinamo etkisine sahip olduğu düşünülmüştür Elektriği kolayca ileten sıvı haldeki dış çekirdek mineraller içerir Küçük bir başlangıç manyetik alanı Faraday’ın indüksiyon kanununa göre bu hareket eden iletkende akımların oluşmasına sebep olur Bu akımlar manyetik alanı artırabilir ve bu artan alan gözlemlediğimiz dünyanın manyetik alanıdır Ancak bir manyetik alanda hareket eden bir iletkene bu frenleme kuvveti etkir Bu kuvvetin üstesinden gelmek için gereken ve çekirdeği hareket halinde tutan enerjinin kaynağı henüz bilinmemektedir


Dünya hem yön hemde alanın büyüklüğündeki değişiklikleri içerir Örneğin, eski çanak örnekleri dünyanın manyetik alanında mıknatıslanan küçük demir parçacıkları içerir Parçacıkların mıknatıslanma şiddetinden çanağın oluşma yeri ve zamanında dünyanın manyetik alanının şiddetini bulabiliriz Benzer orijinli jeolojik bulgular okyanus tabanında da mevcuttur Sıvı haldeki magma katılaştıkça demir parçacıkları mıknatıslanır Mıknatıslanan parçacıkların yönü dünyanın manyetik alanının yönünü gösterir Mıknatıslanma yönünden dünyanın kutuplarının oldukça düzenli bir şekilde tersine döndüğü anlaşılır Bu tersine dönme yaklaşık her 100000–1000000 yılda bir olur ve son zamanlarda ise sıklaşmıştır Bu tersine dönmenin sebebi ve ivmelenme oranı bilinmemekte, fakat tahminen bir şekilde dinamo etkisini içermektedir


Son yıllarda gezegenlerarası uzay araştırmaları gezegenlerin manyetik alanlarının büyüklüğü ve yönünü ölçebilmektedir Bu gözlemler manyetik alanların kaynağının dinamo mekanizması olduğunu doğrular Aşağıdaki tablo gezegenlerin yüzey manyetik alanları ve manyetik dipol momentlerinin değerlerini gösterir


Çekirdeği dünyanınkine çok benzeyen Venüs, çekirdeğin dönme hızı dinamo etkisini sürdürebilmek için çok yavaş olduğundan (her 244 dünya gününde bir kez) manyetik alana sahip değildir Dönme periyodu Dünyanınki ile hemen hemen aynı olan Marsın çekirdeği çok küçük olduğundan (bu bilgi Mars’ ın ölçülen ortalama yoğunluğundan elde edilmiştir), çok küçük bir alana sahiptir Dış gezegenler (Jüpiter ve gerisindekiler) çoğunlukla manyetik olmayan hidrojen ve helyum içerirler Ancak bu gezegenlerin merkezi yakınında, yüksek basınç ve sıcaklıklarda hidrojen ve helyum büyük elektriksel iletkenliğe sahip metaller gibi davranış gösterir ve dinamo etkisi sağlar

Jüpiter ve Uranüsün manyetik alan ekseni ve dönme ekseni aynı hizadadır Uranüsün dönme ekseninin hemen hemen onun yörünge düzlemine paralel olduğunu unutmayalım Maalesef gezegenler hakkındaki gözlemsel bilgilerimiz gezegen yakınlarında sadece bir veya birkaç günlük toplanan bilgilerle sınırlıdır Gezegenlerin diğer fiziksel özelliklerini ve jeolojik kayıtları inceleyebilirsek, onların mıknatıslanmalarının kökenini de büyük ölçüde öğrenmiş oluruz


Güneş Sistemindeki Manyetik Alanlar


Gezegenler

µ(Am2)

Yüzeydeki B(µT)


Merkür

5x1019

035


Venüs

<1019

<001


Dünya

8x1022

30


Mars

15x1019

004


Jüpiter

16x1027

430


Satürn

47x1025

20


Uranüs

40x1024

30


Neptün

22x1024

20