Geomagnetismi. Luento Heikki Nevanlinna

Esitys aiheesta: "Geomagnetismi. Luento Heikki Nevanlinna"— Esityksen transkriptio:

1 Geomagnetismi. Luento 18.10.2005 Heikki Nevanlinna

2 MAGNEETTIKOMPASSI Kompassi keksittiin Kiinassa ennen vuotta 1000
Yleistyi Euroopassa 1100-luvulla Tunnetuin varhaisin käyttäjä oli Kolumbus Amerikan matkoillaan Moderni laivakompassi. Suunto 01/01/2019

3 LUONNONTIETEIDEN NOUSUKAUSI ALKOI 1500-LUVULLA
Kopernikus ( ) William Gilbert ( ) “De Magnete” 1600 Galilei ( ) Kepler ( ) Newton ( ) 01/01/2019

4 MAAPALLO ON MAGNEETTI Gilbert: “De Magnete” v. 1600
Maapallo on itsessään suuri magneetti, joka suunnistaa kompassit ja magneettineulat Tieteellinen geomagnetismi alkaa 01/01/2019

5

6 MAAPALLO ON SÄHKÖMAGNEETTI
Örstedin havainto (1820) siitä, että sähkövirta aiheuttaa magnetismia antoi uuden paradigman Maan magneettikentän ja sen vaihtelujen synnylle: kyseessä voisi olla auringon lämpösäteilyn aikaansaama lämpösähköinen efekti maapallon pinnalla: Auringon lämpösäteily – ilmakehän ja maanpinnan lämpötilan muutos – lämpösähköisiä virtoja – Maan magneettikentän vaihtelu 01/01/2019

7 THE MAGNETIC CRUSADE WORLD GEOMAGNETIC OBSERVATORIES 1844
Observatory Country Obs.period Observatory Country Obs.period Toronto Canada Nertschinsk Russia Prague Czech St.Petersburg Russia Helsinki Finland Tbilisi Russia Göttingen Germany The Cape München Germany of Good Hope S.Afr Bombay India Greenwich UK Dublin Ireland Makerstoun UK Oslo Norway Singapore UK Barnaul Russia Washington USA Ekatirenburg Russia Philadelphia USA Kazan Russia Total number 20 01/01/2019

8 GAUSS JA GEOMAGNETISMI
Kehitti ensimmäiset magnetometrit (1832) Magneettikentän globaalianalyysin perusteoria (1838) Göttingenin malli-observatorio: “Der magnetische Verein” ( ) Carl Friedrich Gauss 01/01/2019

9 GEOMAGNETISMI TULEE SUOMEEN
J. J. Nervander Väitöskirja sähkö-magnetismista 1829 Helsingin magneettisen observatorion ensimmäinen johtaja Observatoriosta kehittyi nykyinen Ilmatieteen laitos J. J. Nervander 01/01/2019

10 H.C. Örsted (1777-1851) MAAN MAGNEETTIKENTÄN DIPOLIMALLI JA LEVEYSASTE
Vuonna 1804 ranskalainen Jean Biot esitti teorian, missä Maan magneettikenttä yhtyy maapallon keskipisteeseen kuvitellun dipolimagneetin magneettikenttään. Biotin mallin mukaan dipolikentässä havaittu magneettikentän inklinaatio ja dipoliekvaattorin suhteen laskettu magneettinen leveysaste j riippuvat toisistaan siten, että (1) tan I = 2 tan j , mikä antaa yksinkertaisen yhteyden havaitun inklinaation ja magneettisen leveysasteen välille. Koska maantieteelliset navat ja vastaavat magneettiset navat eivät poikkea toisistaan paljon (< 11°), on alhaisilla maantieteellisillä leveysasteilla magneettinen leveysaste (j) ≈ maantiet.leveysaste (f). Tällöin on voimassa: (2) f = arctan(0.5 tan I) Esim. Helsingissä (f ≈ 60°N), missä I ≈ 73°3, antaa yo. yhtälö maantieteelliselle leveysasteelle likiarvon 58.9°. Biotin aikana, 1800-luvun alussa, uskottiin, että dipolimalli antaisi apukeinon leveysasteen määrittämiseen inklinaatiomittausten kautta ja siten apuvälineen navigoinnille valtameri-matkoilla. Uskottiin myös, että magneettikentän deklinaation ja pituusasteen välille olisi johdettavissa samanlainen yksinkertainen matemaattinen riippuvuussuhde kuin inklinaation ja leveysasteen välille oli saatu. Sellaista relaatiota ei kuitenkaan ole olemassa, vaan deklinaatio eri pituuspiireillä voi saada samoja arvoja, joten pituusaste ei määräydy deklinaation avulla yksikäsitteisesti. Näiden teorioiden todentamiseksi järjestettiin useita tutkimusretkikuntia mm. Etelä-Amerikkaan, joiden tehtävänä magneettisten mittausten lisäksi oli tietenkin tehdä monia muita geofysikaalisia, geodeettisia ja tähtitieteellisiä mittauksia. Ennen Biotin dipoliteoriaa 1700-luvun lopussa oletettiin, että ainoastaan inklinaatio riippuu leveysasteesta ja magneettikentän voimakkuus olisi kaikkialla vakio. Kuten ylläoleva esimerkki Helsingistä osoittaa, on virhe dipolimallista laskettuun leveysasteen ja todellisen paikkakoordinaatin välillä aivan liian suuri (> 100 km) käydäkseen navigaatiotietona, mutta kohtalaisen likiarvon yhtälö (2) antaa kuitenkin. H.C. Örsted ( ) 01/01/2019

11 Missä ovat magneetiset navat
1800-luvulla vallalla oli yleinen käsitys siitä, että magneettinen napa on samalla magneettikentän maksimikohta kuten puhtaassa dipolikentässä on asianlaita. Siperiassa on laaja magneettikentän paikallinen maksimi, jota luultiin magneettiseksi navaksi. Kaikkiaan napoja ajateltiin olevan 4 Tanskalainen Hansteen teki 1820-luvulla tutkimusmatkoja Siperiaan navan löytämiseksi. James Rossin löydettyä oikeat magneettiset navat 1830-luvulla, vakiintui käsity maapallon magneettikentästä 2-napaisena dipolikenttänä H.C. Örsted ( ) 01/01/2019

12 Sähkömagnetismi - käänteentekevä keksintö
Sähkömagnetismi ilmiönä keksittiin v H.C. Örsted huomasi, että sähkövirta poikkeuttaa kompassineulan suunnastaan. Näin kaksi aikaisemmin toisistaan riippumattomana pidettyä luonnonvoimaa sähkö ja magnetismi ovatkin saman voiman, sähkömagnetismin, ilmentymiä Sähkömagnetismi oli 1800-luvun fysiikan tutkimuksen suurin saavutus ja koko fysiikan mullistavimpia keksintöjä kautta aikojen H.C. Örsted ( ) 01/01/2019

13 Sähkövirta (I) synnyttää magneettikentän (B) etäisyydelle (R)
Sähkömagnetismi tutkii sähköisten ja magneettisten ilmiöiden välisiä vuoro-vaikutuksia. Näkyvä valo, radio- ja TV-aallot ovat esimerkkejä sähkömagneettisista ilmiöistä. Magneettikenttä (B) synnyttää voimavaikutuksen kompassineulaan H.C. Örsted ( ) 01/01/2019

14 01/01/2019

15 Galvanometri - kaikkien sähkölaitteiden “kantaisä”
Kaikki sähköllä toimivat laitteet perustuvat sähkömagneettisiin ilmiöihin Yliopistolehti 3/2005 01/01/2019

16 Sähkömagnetismin sovellutuksia - perustutkimuksen hyötytuotteita
Örstedin koe 1820 H.C. Örsted ( ) 01/01/2019

17 GEOMAGNETISMI 1850-1900 Observatoriotoiminnat vakiintuvat
Instrumentointi kehittyy Havainto-ohjelmien tavoite selvittää: “Geomagnetic variations in space and time” Magneeettikentän transienttivaihtelujen yhteys auringon aktiivisuuteen (auringonpilkkuihin) Ei suuria edistyksiä magnetismin teoriassa 01/01/2019

18 GEOMAGNETISMI UMPIKUJASSA
EINSTEIN, 1905 “The problem of the origin of the Earth’s magnetic field is one of the five most important unsolved problems in physics.” SCHUSTER, 1912 “Difficulties which stand in the way of basing terrestrial magnetism on electric currents inside the Earth are insuperable” 01/01/2019

19 MAAN SYVÄRAKENNE SELVIÄÄ
Nesteydin 2900 km syvyydessä (GUTENBERG, 1914) Kiinteä sisäydin R = 1200 km (LEHMANN, 1936) 01/01/2019

20 SÄHKÖMAGNEETTINEN INDUKTIO SELITYKSENÄ
CHAPMAN, 1936: “A suggestion has been made that the telluric current system, instead of freely decaying, may be continu-ously maintained by electromagnetic induction; convective motion in the liquid core, might in con-juction with the magnetic field be able to induce electromotive forces such as would balance the resistance losses”. 01/01/2019

21 KINEMAATTINEN DYNAMOMALLI
01/01/2019

22 GEODYNAMO B magn.vuon tiheys, v nestevirtaus, s johtavuus
Eksponent Induktio vaimeneminen 01/01/2019

23 NESTEYTIMEN OSKILLAATIO (JERK)
Nopeat nykäykset (jerk) magneetti-kentän aikamuutok-sessa aiheutuvat nesteytimen oskillaa-tioista sisä- ja ulko-ytimen vuorovaiku-tuksissa 01/01/2019

24 MAGNEETTIKENTÄN ANOMALIOITA
01/01/2019

25 MAAN MAGNEETTI-KENTTÄ HEIKKENEE
01/01/2019

26 MAGNEETTIKENTTÄ JA MAAN PYÖRIMISLIIKKEEN HEILAHTELUT
Siniset pallot ja musta viiva: Dipolikentän vuotuinen muutos Punainen käyrä: Maapallon pyörähdysnopeuden heilahtelut (LOD = Length of Day) 01/01/2019

27 NAPAISUUSKÄÄNNÖKSEN SIMULOINTI
Aika etenee vasemmalta oikealle 3000 vuoden välein Ylärivi: B maanpinnalla Keskirivi: B Maan ytimessä Alarivi: Läpileikkaus kenttäviivoineen N- polariteetti (sininen) vaihtuu asteettain käänteiseksi S (punainen) 01/01/2019

28 KÄÄNTEISEN NAPAISUUDEN ALUEET KASVAVAT
Magneettikenttä ytimen pinnalla muodostuu laa-joista magneettivuon tihentymistä. Käänteisen napaisuuden alueet pohjoisella ja eteläisellä pallonpuolis-kolla ovat kasvamassa 01/01/2019