Dünya'nın Manyetik Alanı (Manyetosfer)

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 60.000 kilometreye kadar kuyruk kısmı ise güneşten 300.000 kilometre (186.500 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 11^o ’ 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 0.3 ile 0.6 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 11,5^o lik bir açı yapar (dünyanın dönme ekseni dünyanın yörünge düzleminin normaliyle 23,5^o 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 100.000–1.000.000 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

Dünya'nın Manyetik Alanı (Manyetosfer)

Gezegenler	µ(A.m2)	Yüzeydeki B(µT)
Merkür	5x1019	0.35
Venüs	<1019	<0.01
Dünya	8x1022	30
Mars	1.5x1019	0.04
Jüpiter	1.6x1027	430
Satürn	4.7x1025	20
Uranüs	4.0x1024	30
Neptün	2.2x1024	20

Jale YILMAZKAYA SÜNGÜ

Kocaeli Üniversitesi
Fizik Bölümü
Yüksek Enerji ve Plazma Fiziği


Kaynaklar:

1) Physics, Volume 2. International Edition Halliday, David / Resnick, Robert / Krane,
Kenneth S. 5. Edition - April 2003, John Wiley & Sons 
2) http://www.wnas-astronomy.info/earthmagfield.html
3) http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/magnetic/magearth.html
4) http://www.starstore.com
5) http://www.biology-blog.com
6) http://www.northern-lights.no