Fagstoff

Magnetiske variasjoner

Publisert: 28.09.2010, Oppdatert: 31.03.2015
  • Innbygg
  • Enkel visning
  • Lytt til tekst
  • Skriv ut

Når det gjelder variasjoner i jordas magnetfelt kan de deles inn i to hovedkategorier. For det første er det langtidsvariasjoner (10–106 år) som har sin årsak i jordas indre. Disse vil ikke bli diskutert her. Variasjoner som skyldes elektriske strømmer i den øvre atmosfære og/eller i det nære verdensrommet, er viktige i romfysikken. De sistnevnte strekker seg fra sekunder til en solflekkperiode.

 

Elektriske strømmer i den øvre atmosfæren og det nære verdensrommet gir følgende tre karakteristiske forstyrrelser ved jordoverflaten:

  • Døgnvariasjoner i BJ som skyldes bevegelser i luftlagene i den øvre atmosfæren.
  • Store forstyrrelser av magnetfeltet i polarområdene (dvs 10° til 35° fra magnetpolen), også kalt magnetiske substormer, som hovedsakelig skyldes intense elektriske strømmer i høydeområdet 100 til 150 km (kalt elektrojeten).
  • Magnetiske forstyrrelser som observeres samtidig over hele jorda kalles stormer. Magnetiske stormer oppstår i det nære verdensrommet etter en økning av aktiviteten på sola.

Daglige forstyrrelser

Døgnvariasjonene skyldes bevegelser i ionosfæren, spesielt i E-laget (95-150 km). Bevegelsene er forårsaket av ujevnt fordelt soloppvarming (en slags tidevannseffekt). De er størst om sommeren. Vi kaller denne effekten roligdagskurven Sq (S for sola og q for rolig, eng.: quiet). Sq-effektene er så små (typisk 10 nT) at en ofte ser bort fra dem. Hypotesen om den daglige gangen i magnetfeltet ble første gang nevnt i 1884. Det er også en annen, mindre effekt som følger månefasen. En detaljert analyse av magnetdataene er nødvendig for å bestemme månens bidrag i de daglige magnetiske forstyrrelsene.

Forstyrrelser i polarområdene

Store forstyrrelser i nordlyssonene, det vil si mellom 60° og 80° geomagnetisk bredde, skyldes kraftige elektriske strømmer i høydeområdet 100–150 km. Det var professor Birkeland som først påpekte at hovedkilden til disse magnetiske forstyrrelsene var elektriske strømmer i den øvre atmosfære. I polarområdene er ionisasjonsgraden, dvs. forholdet mellom antall ioniserte og antall nøytrale luftpartikler, i ionosfæren spesielt høy fordi atmosfæren her også bombarderes av elektroner og ioner. Denne partikkelstrømmen, som fører til nordlys og sørlys, gir også opphav til kraftige elektriske strømmer i dette høydeområdet. Disse strømmene vil gi forstyrrelser, typisk 100-1000 nT, i magnetfeltet. At magnetiske forstyrrelser faller sammen med sterk nordlysaktivitet ble påvist for over 100 år siden. Den elektriske strømtettheten, j (i A/m2) er gitt ved:

$$j = n_e \cdot q (v_i - v_e)$$

 

Triangulering av det elektriske strømsystemet ved hjelp av komponentene til magnetfeltutslaget.Triangulering av det elektriske strømsystemet ved hjelp av komponentene til magnetfeltutslaget.

Den øverste delen av figuren viser triangulering av det elektriske strømsystemet ved hjelp av magnetiske registreringer fra Bjørnøya og Tromsø. Nederst vises de magnetiske kraftlinjene omkring en horisontal leder med strømretning ut av figurplanet.

 

der ne er tettheten av frie ladninger, q er elementærladningen, vi og ve er hastigheten for ioner og elektroner. Den elektriske strømmen flyter i en høyde mellom 100 og 150 km. Strømmen flyter i øst-vest retning innenfor et begrenset område i magnetisk bredde, det som kalles nordlysovalen. Den totale strømstyrken kan overstige 1 million ( 106 ) ampere (A). Disse strømmene gir kraftige forstyrrelser i magnetfeltet målt ved bakken. Strømmene synes å være konsentrert som et nesten linjeformet strømelement langs en del av nordlyssonen. Kristian Birkeland studerte disse enklere stormer gjennom triangulering fra flere observatorier etter et prinsipp som er skissert i figuren. Strømstyrken er av størrelsesorden 106 – 107 A.

Typiske magnetfeltmålinger under nordlysutbrudd.Typiske magnetfeltmålinger under nordlysutbrudd.

Eksempelet viser H-komponentmålinger fra 19. september 1977.

I figuren over er vist eksempler på hvordan et nordlysutbrudd (magnetisk substorm), 19. september 1977, førte til forandringer i horisontalkomponenten til jordmagnetfeltet i Ny-Ålesund, Bjørnøya og Tromsø. Nederst er vist hvordan en magnetisk storm kan vende tilbake etter en eller flere solrotasjoner. Forstyrrelsene kan bli opp til 1000 – 2000 nT som er omkring 2–4 % av det totale felt på stedet, men forstyrrelser på 4 % er sjelden. Varigheten av slike magnetiske substormer er typisk noen titalls minutter til et par timer. Ved Andøya Space Center, som ligger sentralt i nordlyssonen, registreres en eller flere substormer nesten hver kveld/natt. Substormene er regionale og forekommer nesten alltid innenfor nordlysbeltene.

Magnetiske stormer

Til tider oppstår kraftige magnetiske stormer som observeres samtidig over hele verden. De skyldes elektriske strømmer i vårt nære verdensrom, spesielt en ringformet elektrisk strøm med sentrum nær ekvatorplanet i 3 til 7 jordradiers avstand. Effekten av denne ringstrømmen på bakken er derfor sterkest ved lavere breddegrader, det vil si nærmere ekvator. Varigheten av disse stormene er gjerne fra noen timer til maksimum to til tre dager. Enkelte kraftige stormer gjentar seg etter 27 og 54 dager. Det er derfor rimelig å anta at disse stormene er forbundet med aktive områder på sola, fordi vi vet at det samme område peker mot jorda med 27 dagers mellomrom. Den totale energi som blir frigjort i en magnetisk storm kan beløpe seg til en milliard kilowattimer, 109 til 1012 kWh.

Magnetisk stormMagnetisk storm

Typisk magnetisk storm sett i målinger av endringen av H-komponenten til magnetfeltet. Målingen er fra L’Aquila i Italia (Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia).