Jordas skjold går ned

Klodens magnetfelt blir svakere. Hvis det forsvinner helt, er jorda uten beskyttelse mot stråling fra verdensrommet – og mennesket blir truet som art. Ved hjelp av tre satellitter jobber forskere frenetisk for å forstå de kaotiske forholdene som skaper forsvarsverket.

Klodens magnetfelt blir svakere. Hvis det forsvinner helt, er jorda uten beskyttelse mot stråling fra verdensrommet – og mennesket blir truet som art. Ved hjelp av tre satellitter jobber forskere frenetisk for å forstå de kaotiske forholdene som skaper forsvarsverket.

Mellom Alaska og Sibir bukter en underjordisk elv seg av sted fra øst mot vest.

Men det er en elv som ikke ligner noe vi kjenner fra overflaten. Væsken er nemlig ikke vann, men flytende jern, som strømmer av sted 3000 kilometer under bakken.

Det flytende jernet i den 420 kilometer brede elven beveger seg opp mot fem meter i timen, altså 50 kilometer i året.

Ifølge fors­kere fra University of Leeds og Danmarks Tekniske Universitet stiger farten.

Dataene viser at elven nå beveger seg tre ganger raskere enn for bare 15 år siden og raskere enn noe annet i jordas indre.

Sammen med and­re spor støtter elven forskernes mistanke om at kjernen er mye mer dynamisk enn de trodde.

Det betyr at jordas livsviktige magnetfelt er under rask endring, og at en katastrofal polvending kan være nær forestående.

© Claus Lunau

Flytende jern beskytter jorda

Jordas magnetfelt oppstår i den ytre, flytende delen av planetens kjerne. Her skaper bevegelser i det flytende metallet elektriske strømninger som danner magnetfeltet. Uten feltet ville kloden vært forsvarsløs mot skadelige rompartikler som reiser med nesten lysets hastighet og blant annet blir skapt ved solstormer.

Flytende jern størkner i kjernen

Materiale fra jordas flytende ytre kjerne festes på overflaten til den indre faste kjernen. Prosessen frigir varme som skaper opp- og nedadgående strømninger i det flytende jernet i den ytre kjernen. Strømningene er av samme type som de som oppstår i vann like før det koker.

Rotasjon skaper virvelstrømmer

Det som ofte kalles corioliskraften, som blir skapt av jordas rotasjon, danner opp- og nedadgående strømninger av flytende jern til motsattroterende virvler.

Polene er utsatt

Jernets virvelbevegelser skaper et magnetfelt som beskytter jorda mot stråling. Bare ved den magnetiske nord- og sørpolen, der magnetfeltets feltlinjer står tett på loddrett, trenger energirike partikler fra rommet ned. Her kolliderer de med molekyler i lufta og skaper nord- og sørlys.

Klodens skjold mister styrke

Elven av jern ble oppdaget av de tre europeiske Swarm-satellittene, basert på observasjoner av variasjoner i magnetfeltet. Men variasjonene kan også på sikt være tegn på alvorlige problemer for planeten vår.

Forskerne vet at den magnetiske nordpolen de siste 2000 årene har danset omkring den geografiske nordpolen med opptil 15 kilometer i året.

De tre Swarm-satellittene er ni meter lange og ble sendt opp med en russisk rakett fra Plesetsk- kosmodromen i 2013.

© ESA

Siden 1860-tallet har styrken på magnetfeltet dessuten avtatt med om lag 10 prosent. Derfor har forskerne det travelt med å forsøke å finne ut hva det er som skaper feltet, og ikke minst konsekvensene for menneskeheten hvis det svekkes enda mer eller forsvinner helt.

Magnetfeltet oppstår først og fremst på grunn av strømmer i det ytre, flytende laget av kjernen. Elven av flytende jern som forskerne nettopp har oppdaget, er en del av de strømningene og med på å skape en selv- forsterkende dynamo.

Men dynamoen er ustabil. Geologene har påvist at magnetfeltet kan skifte retning, slik at et kompass vil peke mot sør i stedet for mot nord, eller til og med slukne.

Forskerne vet imidlertid ikke om vi er på vei mot en slik såkalt polvending.

© ESA/ATG Medialab

Trillingsatellitter skal kartlegge jordas magnetfelt

Swarm-konstellasjonen består av de tre satellittene Alpha, Bravo og Charlie, som sammen måler styrken og retningen av jordas magnetfelt.

Samarbeidet gjør målingene ti ganger mer presise enn med en enslig satellitt.

Etter bare noen få år i verdensrommet har Swarm levert data til flere banebrytende vitenskapelige oppdagelser.

Den største av dem er avsløringen av en voksende elv av flytende jern i jordas ytre kjerne under Alaska og Sibir.

Swarm har dessuten oppdaget hvordan uvær i jordas øvre atmosfære forårsaker feil og blackouter på GPS-nettverket.

I april oppdaget de en strøm av 3000 °C varme gasser 300 kilometer over jordas overflate.

Satellittene har magnetometre som måler jordas magnetfelt. To av dem, Alpha og Charlie, flyr side om side i 450 kilometers høyde i en bane som sender dem forbi både nord- og sørpolen hele 69 ganger i døgnet.

Bravo passerer også polene, men 80 kilometer høyere oppe, og endrer hele tiden banen i forhold til de to andre.

© ESA/ATG Medialab

Satellittene har hver sin vinkel til magnetfeltet. De er derfor mye mer presise enn forgjengerne, for de kan skille bedre mellom hva for eksempel jordas kjerne og skorpe bidrar til det samlede feltet.

© Claus Lunau

Elv av jern bruser under Asia

Swarm-satellittene har kartlagt jordens magnetfelt i større detaljgrad enn tidligere. En av de sentrale oppdagelsene er en elv av flytende jern som beveger seg fra øst mot vest under Asia og blir kraftigere for hvert år. Elven avslører at jordens kjerne og dermed magnetfeltet er langt mer
dynamisk enn antatt.

Men de vet at polene har byttet plass mange ganger i jordas levetid – forrige gang for 780 000 år siden. Frekvensen for polvendingene varierer, men de skjer i gjennomsnitt med 370 000 års mellomrom.

Et kraftig og stabilt magnetfelt er forutsetningen for sivilisasjonen. Jorda bombarderes hele tiden av energirike partikler fra verdensrommet. De frastøtes av magnet­feltet.

Bare i polområdene, der feltlinjene står mer eller mindre loddrett, kan partiklene slippe helt ned i den øvre atmosfæren, der de skaper nordlys.

Et svakere magnetfelt, på grunn av en polvending, vil bety et svakere skjold og dermed at flere partikler slipper gjennom forsvarsverket og når fram til jordas overflate.

Og konsekvensene er for- uroligende: kritiske feil i datamaskiner, ødelagt teknologi, problemer med strømforsyningen og, ikke minst, mange flere tilfeller av dødelige sykdommer.

© ESA/ATG Medialab

Satellittenes finmekanikk

Stjernekamera finner satellittens nøyaktige orientering i rommet slik at målingene av magnetfeltets retning blir så presise som mulig.

Magnetometer som måler retningen på magnetfeltet.

Magnetometeret som måler styrken på magnetfeltet, sitter langt unna resten av satellitten for å unngå magnetisk støy fra elektrisk utstyr.

Laserreflektor måler avstand til overflaten med en feilmargin på bare to centimeter.

GPS-antenner fastslår satellittens posisjon og er dermed avgjørende for presisjonen til de magnetiske målingene.

Neandertalerne ble rammet

Årsaken til polvendinger er fortsatt ikke kjent i detalj. Geologenes beste forslag er at det i 3000–5000 kilometers dybde er områder der feltet lokalt har den motsatte magnetiske retningen av det overordnede feltet.

Et slikt område finnes blant annet under Sør-Afrika. Blir disse områdene store nok, påvirkes det samlede magnetfeltet.

Herfra kan det gå to veier – enten gjenoppstår feltet i sin opprinnelige retning, eller så snur det på hodet og får til slutt den motsatte retningen.

Men for at områdene med motsatt magnetfelt skal oppstå, krever det variasjoner i strømmen av energi og materiale i den ytre kjernen.

Datasimuleringer av magnetfeltet viser at spontane polvendinger ikke kan oppstå i en ensartet og symmetrisk kjerne.

Men hvis vi tillater uorden og asymmetri i modellene, som elven av flytende jern er et eksempel på, oppstår polvendingene igjen og igjen.

Polvending skaper totalt magnetisk kaos

Under en polvending blir det rot i magnetfeltet. Simuleringer viser at styrken faller til under 10 prosent av det vi har i dag, og lokale magnetfelt vil gjøre for eksempel navigasjon med kompass umulig.

I geologisk sammenheng skjer en slik polvending på et øyeblikk, men modellene viser at det vil ta om lag 1000 år fr kollapsen starter til det igjen er på normal styrke, med motsatt fortegn.

Simuleringene viser også at den indre, faste kjernen klamrer seg til det opprinnelige feltet og motvirker prosessen.

© UC Santa Cruz

Under en polvending blir det rot i magnetfeltet. Simuleringer viser at styrken faller til under 10 prosent av det vi har i dag, og lokale magnetfelt vil gjøre for eksempel navigasjon med kompass umulig. I geologisk sammenheng skjer en slik polvending på et øyeblikk, men modellene viser at det vil ta om lag 1000 år fra kollapsen starter til det igjen er på normal styrke, med motsatt fortegn. Simuleringene viser også at den indre, faste kjernen klamrer seg til det opprinnelige feltet og motvirker prosessen.

© UC Santa Cruz

Under polvending er feltlinjene kaotiske. De peker i tilfeldige retninger, mens det oppstår flere nord- og sørpoler. Etter ytterligere 500 år er prosessen gjennomført.

Ifølge de geologiske dataene tar en fullstendig polvending mellom 1000 og 20 000 år, men den foregår ikke forsiktig og gradvis. I stedet går magnetfeltet i stykker og brytes opp i mange små felt.

Konsekvensen av de mange småfeltene er at kloden får flere magnetiske nord- og sørpoler på en gang. Under de forholdene er navigasjon med kompass helt umulig.

Når prosessen med polvending er i gang, faller styrken på magnetfeltet med mer enn 90 prosent.

I de århundrene eller årtusenene da feltet er svakest, mottar kloden en mye høyere dose stråling fra verdensrommet.

Og det har kanskje påvirket menneskets utvikling en gang allerede.

Forskerne vet at de magnetiske polene bytter plass med jevne mellomrom. I begynnelsen av 1900-tallet avslørte geologer at magnetiske jernforbindelser i gammel lava var størknet på en slik måte at magnetene pekte «feil vei». I basalt på havbunnen finnes det også magnetiske mineraler, og de kan forskerne bruke til å følge de skiftende polene gjennom flere hundre millioner år. Det er ikke noe mønster i når det skjer. I krittiden hadde feltet for eksempel sin nåværende retning i over 30 millioner år, mens det i andre perioder har skiftet flere ganger på bare 100 000 år.

© claus lunau

Magma stiger opp langs havryggene, blant annet ned gjennom Atlanterhavet. Her størkner den, og innholdet av magnetiske mineraler orienterer seg etter magnetfeltet.

© claus lunau

Magnetfeltet skifter, og nye magnetiske mineraler, som dannes fra den flytende magmaen, orienterer seg nå i motsatt retning.

© claus lunau

Havbunnen blir et arkiv. Bergartene kan dateres, og forskerne skaper en kalender for polvendinger flere hundre millioner år tilbake i tiden.

Det mener i hvert fall de to franske fors­kerne Jean-Pierre Valet og Hélène Valladas. De fokuserer på en periode under forrige istid, for 41 000 år siden. Da kollapset befolkningen av neandertalerne som holdt til i Europa – akkurat samtidig med et såkalt geomagnetisk avvik.

Da utfører magnetfeltet de innledende øvelsene til en polvending, og polene kan faktisk bytte plass i en kort periode, men til slutt finner magnetfeltet tilbake til sin opprinnelige retning.

Det var akkurat dette som skjedde under den såkalte Laschamp-hendelsen.

I vel 250 år skiftet nord- og sørpolen fram og tilbake, og styrken på magnetfeltet falt med 95 prosent, noe som blant annet førte til skader på ozon-laget over Europa, slik at mye mer skadelig og kreftframkallende ultrafiolett stråling fra sola traff jordas overflate.

© Claus Lunau

Diamanter og røntgen åpner vindu til kjernen

To diamanter presses så hardt sammen at det er et trykk på mange hundre gigapascal mellom spissene – omtrent som dypt inne i kloden.

I ambolten, mellom de to diamantspissene, isolerer forskere en mikroskopisk prøve av jern.

En laserstråle varmer opp jernet til mer enn 5000 °C. Jernkornet bryter en kraftig røntgenstråle, som så tegner et mønster på en plate.

Mønsteret fra den brutte røntgenstrålen avslører hvordan jern oppfører seg under de forholdene som hersker i jordas kjerne.

De nye strålingsforholdene er ikke hele forklaringen på neandertalernes forsvinning. Men ifølge Valet og Valladas ble neandertalerne så svekket at de ikke kunne håndtere presset fra raske klimaendringer, sammen med innmarsjen til det moderne mennesket på kontinentet.

Avgjørelsen faller i 2034

Med den kunnskapen i bakhodet er det interessant at den nåværende utviklingen i jordas magnetfelt minner om begynnelsen på Laschamp-hendelsen. Feltstyrken faller raskt, og områdene i den ytre kjernen med motsatt magnetisering vokser.

Til sjuende og sist kan vi altså om noen få århundrer oppleve en periode der jordas skjold mot verdensrommets stråling er nesten forsvunnet.

© ESA

farlige partikler treffer med lysets hastighet

Strålingsfare.

Jorda bombarderes hele tiden av kosmisk stråling, som blant annet består av protoner og elektroner fra for eksempel supernovaer. Partiklene treffer jorda med nesten lyshastighet, men magnetfeltet stopper det meste og hindrer dem i å gjøre skade.

Styrke.

Magnetfeltets styrke måles ved det såkalte dipolmomentet, som har enheten ampere-kvadratmeter (Am2). En kraftig kjøleskapsmagnet har et dipolmoment på om lag 1 Am2. Jordas dipolmoment er i dag på 8 x 1022 Am2.

Italienske og kinesiske forskere har satt en frist for når vi vet om en ny polvending er på vei: år 2034.

Hvis ikke utviklingen i kjernen har snudd da, vil en kollaps av magnetfeltet være uunngåelig.

Derfor bør vi allerede nå vurdere hvordan vi beskytter både oss selv, teknologien og strømforsyningen vår. Vi må med andre ord forsøke å unngå å ende opp som neandertalerne.

Manglende magnetfelt fører til kreft og datakaos

I de 1000 årene der de magnetiske polene bytter plass, vil magnetfeltet være svekket. Konsekvensene er ødelagt teknologi, dødelige sykdommer og dyr uten retningssans.