Maa magnetosfäär (2)

Maa magnetväli
Maakera magnetvälja tekitavad elektrivoolud Maa tuuma sularauast koosnevas väliskihis Maa keskmest 1200 kuni 3000 km kaugusel. Paleomagneetilised kirjed osutavad, et Maa magnetväli on eksisteerinud vähemalt kolm miljardit aastat. Maa magnetväli meenutab tavalise sirge magnetvarva välja ja on üldjoontes üsna sümmeetriline. Nagu magneeditud terasvarval, on ka maakeral magnetpoolused. Maakera magnetiline põhja- ja lõunapoolus ei ühti geograafiliste poolustega, vaid näiteks magnetiline põhjapoolus asub praegusel ajal Kanada põhjaosas. Kompassi põhjapoolus osutab punkti, mida nimetatakse magnetiliseks põhjapooluseks, lõunapoolus aga punkti, mida nimetatakse magnetiliseks lõunapooluseks. Pooluste asend muutub pidevalt, kuid üsna aeglaselt.
Tegelikult erineb maakera magnetväli siiski tublisti magnetvarva väljast, sest ta vormub päikesetuule survel . Päikesepoolsel küljel ehk päevapoolel on magnetväli sedavõrd sisse litsutud, et ulatub Maast eemale ainult 7-10 Maa raadiuse võrra. Vastas- ehk ööpoolel on väli pikaks veninud, moodustades mitmesaja Maa raadiuse pikkuse saba. Et Maa raadius on pisut alla 6400 kilomeetri, on Maa magnetväljal hiigelmõõtmed: selle suurim võimalik pikkus on tublisti üle miljoni kilomeetri.
Joonis 1: Päikesetuule mõju Maa magnetosfäärile
Kahe magneti samamärgiliste pooluste lähendamine teineteisele pole hõlpus, sest nad tõukuvad, nende magnetväljad ei saa teineteisega liituda. Maa ja planeetidevahelise magnetvälja puhul on olukord samasugune . Väljad ei saa teineteisega liituda, vaid Maa magnetväja piirkond, maakera magnetosfäär, moodustab planeetidevahelises magnetväljas õõnsuse. Seega on Maa magnetosfäär meid ümbritsev ilmaruumi piirkond, kus plasma käitumist juhib Maa magnetväli.
Ühtlasi varjestab magnetväli maakera päikesetuule eest ja osaleb sedasi elu võimaldamisel Maal. Kui magnetväli puuduks või oleks tegelikust nõrgem, puhuks päikesetuul Maa atmosfääri ja vesikonna ajapikku ilmaruumi. Nii on läinud näiteks Marsil, Maa naaberplaneedil, mille magnetväli on üpris nõrk.
Magnetosfäär ja planeetidevaheline magnetväli on üleni kokkupuutes. Mõlemad väljad painduvad üksteisele vastu. Piirkonnas, kus Maa magnetväli ja planeetidevaheline magnetväli on erisuunalised, võivad magnetväljad teineteisega liituda. Seda liitumist nimetatakse rekonnektsiooniks. Kui magnetväljad on liitunud, pääsevad päikesetuule osakesed magnetosfääri. Kõige tõhusamalt toimub liitumine magnetosfääri päevapoolel, kust pääseb sisse ka suurim hulk osakesi. Päevapoolel on Maa magnetväli suunatud põhja poole. Et võiksime näha kauneimaid ja eredaimaid virmalisi, peaks Maa asukohas planeetidevaheline väli olema suunatud lõuna poole. Kuid tegelikult ei ole magnetosfääri pakutav varjestus kunagi täielik ja väikeste kogustena lekib osakesi magnetosfääri koguaeg .
Päikesel toimuvate suurte pursete korral välja paiskuva päikesetuulega ühes liikuv magnetväli on ebastabiilne. Selle tugevus ja suund on muutlikud, nii et see on vahetevahel suunatud lõunasse ja tõhus liitumine saab toimuda ka magnetosfääri päevapoolel. Kui päikesetuul on tihe ja kiire, ei tarvitse rekonnektsioon kesta kaua, selleks et magnetosfääri jõuaks küllalt osakesi, teisisõnu – toimuks magnetosfääri laadumine osakestega. Kui planeetidevaheline magnetväli on pikka aega lõunasse suunatud, kestab ka rekonnektsioon kaua. Siis laadub magnetosfäär kestvalt ja sellesse koguneb nii palju osakesi, et virmalised saavad hoogu, kuigi Päikesel polegi toimunud tugevat purset . Aktiivaladelt lähtunud päikesetuule-iilid koguvad eriti jõudu mitu päeva kestvate magnetväljahäirete ehk magnettormide ajal. Siis pääseb maakera magnetosfääri ohtrasti osakesi, mis tugevadavad sealseid elektrivoole. Need omakorda vähendavad magnetvälja tugevust, mida mõõdetakse maapinnal. Magnettormide ajal täheldatakse kõige laiemale levivaid ja kõige heledamaid virmalisi, mis võivad kesta ühtejärge mitu päeva.
Kuid päikesetuule osakesed ei saa otseselt ajendada võimsaid virmalisi, sest selleks ei piisa neil energiat. Enne peavad need osakesed magnetosfääri kogunema.
Magnetosfääri pääsenud ja sinna kogunenud osakesed ei jää paigale, vaid lähevad elektri- ja magnetväljast saadava emergia varal piki magnetvälja jõujooni liikvele. Tegelikult võib plasma liikumist magnetosfääris käsitleda üksikosakeste liikumise asemel nendest moodustunud pilve liikumisena. Suurem osa päikesetuule osakestest pääseb magnetosfääri selle päevapoolelt. Sealt kulgeb plasmapilv maakerast mööda magnetosfääri kaudu selle ööpoolele. Tegelikult liituvad magnetväljad mõnevõrra magnetosfääri ja planeetidevahelise välja puutepinnal, kuid ka sealt tulevad osakesed jõuavad lõpuks magnetosfääri ööpoolel olevasse sabasse. Niiviisi kogunevad osakesed suuremalt jaolt Maa ekvaatori tasandil olevasse plasmakihti, kus kogu magnetosfääri saba osakeste tihedus on suurim.
Kõik virmalisi tekitavad osakesed ei ole siiski pärit Päikeselt. Atmosfääri ülaosast hüppab pidevalt veidi osakesi magnetosfääri. Seal segunevad nad Päikeselt pärit osakestega, siirduvad vähehaaval magnetosfääri sabasse ja tekitavad soodsate eelduste korral virmalisi.
Magnetosfääri sabas, eriti plasmakihis, esineb tugevaid elektrivälju. Nende ja magnetväljade koostoimel hakkab sabasse kogunenud plasmapilv aegapidi kulgema Maa suunas. Ühtaegu osakeste pilve edasiliikumisega magnetosfääris jätkub ka nende liikumine piki magnetvälja jõujooni. Kui osake saabub sobivasse magnetosfäärialasse, hakkab ta piki jõujoont liikuma nii kiiresti, et tungib ionosfääri. Seda nähtust kutsutakse osakeste sajuks ehk pretsipitatsiooniks. Magnetosfäärist sadavate osakeste energia siirdub põrkumisel ionosfääri osakestele. Pisut hiljem vabastavad ionosfääri osakesed selle energia virmaliste valgusena . Piirkond, kus maakera magnetväli ohjab virmalisi ajendavaid magnetosfääri plasmakihi osakesi, moodustab kummagi magnetpooluse ümber ovaalse ala. Neid alasid kutsutakse virmaliste ovaalideks. Virmalised ilmuvadki ainult nende kohal. Olenevalt olukorrast muutuvad ovaali suurus ja asend tugevasti. Rahulikel perioodidel on ovaalid kitsad ja väikesed. Soome kohal asub rahuliku perioodi ovaal maa põhjaosas. Aktiivsusperioodil võib ovaal ulatuda Põhja-Soomest kaugele maa lõunaossa või tervenisti sinna nihkudagi. Kui aktiivsus palju ei muutu, püsivad ovaalid Päikese suhtes enam-vähem paigal. Et maakera pöörleb, muutub ovaalide asend maapinna suhtes ööpäeva jooksul. Näiteks Skandinaavias langeb rahuliku perioodi ovaal päeval Teravmägede kohale ja ööseks liigub Norra põhjarannikule. Päikesetuulest sadanud osakesed võivad saada lisaenergiat ka Maa magnetvälja ja planeetidevahelise magnetvälja liitumisest. Liitumisalal mõjuvad jõud annavad äsja magnetosfääri sisenenud osakestele sedavõrd energiat, et need suudavad ligilähedaselt sama teed mööda tungida ionosfääri. Siis võib näha nõrku päevapoole virmalisi, mis ühtlustavad virmalise ovaali. Nõnda võib näiteks keskpäeval imetleda päevapoolseid virmalisi Teravmägedel, kus mingil osal aastast valitseb ööpäev läbi polaaröö pimedus.
Kuid magnetosfäär võib tekitada ka probleeme. Neljal päeval igas kuus läbib Kuu Maa magnetvälja ning kuupind saab staatilise elektri laengu. Kord kuus möödub Maa kaaslane oma orbiidil läbi magnetvälja saba, mis on suunatud päikesest eemale ning selle saba keskel on laetud osakeste voog. Osakesed tekitavadki kuupinnal staatilise elektri, mida on kinnitanud ka jälgimistulemused NASA Lunar Prospectori nimeliselt kosmosejaamalt aastal 1998. Rutheford Appletoni nimelisest laboratooriumist doktor Mike Hapgoodi mudel pakub välja, et osakeste voog ei ole alati kindla tugevusega ning väli nõrgeneb ja tugevneb 18 aastase perioodiga. Selle põhjal arvab ta, et Apollo programmi ajal oli kiirgusväli väike ning on seda ka praegusel hetkel. Kõrghetk oli aga näiteks 90ndatel ning tõuseb jällegi peale 2012 aastat. USA, Venemaa, India ja Hiina on kõik lubanud saata mehitatud kosmosejaamad Kuu pinnale umbes 2020 aastaks - seega just selleks ajaks kui kuupind peaks olema täis staatilist elektrit. Probleemiks osutub see tõenäoliselt eeskätt kasutuselolevale elektroonikale ning kindlasti ei ole ohutu ka kuutolmu ettearvamatu käitumine. Hapgood selgitab, et staatiline elekter on üks vähem uuritud kosmoselennu ohte ning on väga oluline aru saada, kuidas sellised protsessid toimuvad, et oleks võimalik kosmose laevade projekteerijatel kasutada teaduslike uuringute tulemusi tulevaste kosmoseuurijate kaitsmiseks.
Päris negatiivset hoiakut aga kuu- uurijatel Maa magnetvälja suhtes arendama hakata küll ei tasu - mine tea, äkki üks päev meil seda enam ei ole? Tänasel päeval on Maa magnetväli umbes 10% nõrgem, kui see oli 1845. aasta, mil Carl Friedrich Gauss hakkas esimesena arvet pidama tema tugevuse kohta. Tuginedes tardunud laava uurimistele üle maailma on pakutud , et Maa magnetväli vahetab oma pooluseid intervalliga, mis ulatub kümnetest tuhandetest kuni mitmete miljonite aastateni (keskmiselt 250 tuhat aastat). Viimane selline sündmus, antud nimega Brunhes-Matuyama reversal, leidis teoorias aset 780 tuhat aastat tagasi. Kui osa vedelast rauast tardub sisetuuma külge vabanevad kergemad metallid ning seda soojusenergia arvelt - toimub jahtumine , mis põhjustab lisa elektrivoo. Sammuti mõjutab ka Maakera pöörlemine sulanud raua voolusid tehes neisse kurve, mis omakorda siis väänavad magnetvälja tekkekuju. Tavaliselt joonduvad uued magnetväljad olemasolevaga, kuid aeg-ajalt võivad tekkinud väljad võtta ka vastupidise suuna. Selline sündmuste kulg võib viia vana magnetvälja nõrgenemiseni ning uue välja kasvades võivad nad üksteist nullida. Maa magnetväli kukuks kokku ning siis, võib-olla, pöörduks ümber uue välja suunale. Pöördumisprotsess võib aega võtta aga mõnest sajast kuni paari tuhande aastani. Tõenäolisem on aga ikkagi see, et olemasolev väli taastab oma stabiilsuse ning midagi ei juhtu.
„Väli on muutnud oma suunda korduvalt juba minevikus ning Planeedil Maa pole elu siiamaani lakanud,” ütleb California Ülikooli Maa teadlane ning magnetvälja ekspert Gary Glatzmaier.
Magnetilise põhja- ja lõunapooluse vahel toimivad nähtamatud jõud, mille olemasolu on võimalik kompassi abil kindlaks teha. Inimene saab oma asendi kindlaksmääramisel seda seadet kasutada, ent tuleb välja, et ka loomadel on sarnased võimalused ning ka nemad kasutavad orienteerumisel Maa magnetvälja.
Teadlased arvavad , et niiviisi teevad näiteks vaalalised, millega võib seletada nende sattumist randadele ja rannikualadele, mis vaalade teele ette jäävad.
Maa magnetvälja abil orienteerumist kasutavad kõige sagedamini siiski ilmselt linnud . Pimedatel öödel pilvise taevaga, kui pole näha ei tähti ega maapealseid optilisi orientiire (näiteks mäestikke või jõgesid) ning ükski valgus neile teed ei näita, on nad siiski suutelised leidma ja püsima õigel suunal.
Keiserpingviinide paar läheb toitu hankides lahku ning rändab mööda lumiseid alasid ilma ühegi orientiirita kaugele, ent mõlemad linnud jõuavad lõpuks välja ühte ja samasse kohta. Kui aga nende ligiduses tekib kunstlik magnetväli, on nad eksinud ja segaduses.
Kõige põhjalikumalt on uuritud postituvide käitumist, kes on tuntud oma suurepärase orientatsiooni ja kodutee leidmise poolest isegi pika vahemaa tagant. Tuvide ajust on leitud rauda sisaldavaid hematiidikristalle, mis tõenäoliselt reageerivad Maa magnetväljale.
Maakera magnetvälja muutusi jälgitakse magnetomeetriga. On riistu nii kiirete kui ka aeglaste muutuste jälgimiseks.
Tänapäeval kasutatakse tihti terminit kosmoseilm. See kajastab Päikese aktiivsuse muutusi ja nende mõju maakera lähiskosmosele, magnetosfäärile, ionosfäärile ja meie igapäevaelule. Suured päikesepursked, mis võivad tekitada intensiivseid virmalisi, suudavad kahjustada sidesatelliite ja elektrijaotusvõrke. Nad võivad sundida isegi satelliite orbiidilt hälbima. Virmalistetormide ja osatormide aegu saabuvad Maa lähiskonda määratu suured energiahulgad, kuigi need jaotuvad laiale alale . Tähtis on teada, kuhu see energia siirdub ja kuidas see mõjutab magnetosfääri ja ionosfääri.
Tuginedes hangitud teadmistele, saaks ehk vältida ka nende magnetosfääriga seonduvate protsesside tülikaid tagajärgi.
Kasutatud kirjandus:
Chris Oxlande, Corinne Stockley ja Jane Wertheim „Usborne´i illustreeritud Füüsikaleksikon” lk 73
Jouni Jussila „Virmalised” lk 23-25; 29-33; 106-107
http://jaakkytt.wordpress.com/2007/04/20/maa-magnetvali/#comment-77
http://www.miksike.ee/docs/referaadid/orienteerumisoskus_evelin.ht m
6