Fizik2 yani Elektrik ve Manyetizma derslerinde ya da Elektromanyetik Teori’de genelde es geçilen Dünya’nın manyetik alanı aslında günümüz elektroniği için son derece önemli bir yere sahiptir. Gezegenimizin manyetik alanının Güneş kaynaklı jeomanyetik fırtınalarla olan ilişkisi ya da hâlâ kökenini tam olarak anlayamamış olmamız yüzünden bilim insanlarınca araştırılan günümüzün önemli konularından biridir. Bu yazımızda ise genel anlamda gezegenimizin manyetik alanını mercek altına alıyoruz.
Dünya’nın manyetik alanı ile ilgili ilk gözlemler 1840’lı yıllarda başlamış. Bugün ise gözlemevleri, uydular, uçaklar, gemiler ile belli aralıklarla Dünyamızın manyetik alanına ilişkin gözlemler yapılmaktadır. Tüm bu gözlemlerin amacı manyetik alanı üreten çekirdekteki değişim izlerini takip edebilmek.
Dünya’nın Manyetik Alanının Yapısı
Manyetik alanın yapısını tanımlayan alan çizgileri basit bir çubuk mıknatısınkine benzerdir yandaki şekilde gösterildiği gibi.
Manyetik alanın ekseni bilindiği gibi Dünya’nın dönme eksenine uyarak eğimli olarak hareket etmektedir. Böylece, Dünya’nın coğrafik kuzey kutbuyla kuzey manyetik kutbun yönü ile tanımlanan manyetik kuzey kutbu birbiriyle örtüşmemektedir. Aynı şekilde güney kutbu için de söylenebilir.
Van Allen Radyasyon Kuşakları
Manyetik alanların temel bir özelliği onların hareket eden elektriksel yüklerin üzerine kuvvet uygulamasıdır. Böylece, bir manyetik alan elektronlar, protonlar gibi yüklü parçacıkları tuzaklayabilir ve bu esnada, bu parçacıklar alan çizgileri boyunca ileri-geri spiral şeklinde hareket etmeye zorlanırlar.
Yandaki şekilde betimlendiği gibi, yüklü parçacıklar alan çizgilerinin birbirine yakın olduğu ayna noktalar yansıtılırlar ve spiraller daralarak sıkışır. İlk uzay keşfinin ilk meyvelerinden biri 1950’li yılların sonunda keşfedildi, bu keşfe göre Dünya Van Allen radyasyon kuşakları olarak tanımlanan yüklü parçacıkların özellikle yüksek konsantrasyona sahip olduğu iki bölge tarafından kuşatılmaktadır.
İç ve dış Van Allen kuşakları üstteki şekilde gösterilmiştir. Bu kuşaklarda tuzaklanan yüklü parçacıkların birincil kaynağı Güneş’ten yayılan parçacık akışı olan Güneş Rüzgarı’dır. Dünya’nın manyetik alanındaki bu Van Allen kuşaklarında tuzaklanan yüklü parçacıklar aurora olayından kuzey ve güney ışıklarından sorumludur. Aurora veya kutup ışıkları hakkındaki detaylı bilgiye “Kutup Işıkları ve Fiziği” isimli yazımızdan ulaşabilirsiniz.
21 Ekim 2003, İskoçya'dan Kuzey Işıkları. Image: Jim Henderson Photography
Dünya’nın Manyetik Alanının Kökeni
Manyetik alanlar elektriksel yüklerin hareketiyle oluşurlar. Örneğin, bir çubuk mıknatısın manyetik alanı mıknatıstaki negatif yüklü elektronların hareketi sonucunda oluşur. Dünya’nın manyetik alanının kökeni tamamen anlaşılmış değildir ama nikel ve demirden oluşan sıvı metalik dış çekirdeğin dönmesi ve konvektif etkilerin çiftlenmesi ile oluşan elektrik akımları ile ilgili olduğu düşünülmektedir. Bu mekanizma dinamo etkisi olarak adlandırılmaktadır. Dünya’nın manyetik alanı kendini uyaran dinamo süreci sayesinde sıvı olan dış çekirdeğinde üretilir. Yavaş hareket eden ergimiş demiri takip eden elektrik akımları manyetik alan üretir. Dünya’nın çekirdeğindeki kaynaklara ilave olarak Dünya’nın yüzeyinde gözlenen manyetik alan kabukta, iyonosfer ve manyetosferde kaynaklara sahiptir. Bu jeomanyetik alan yere ve zamana bağlı olarak düşük frekanslardan yüksek frekanslara farklılıklara sahiptir yer üzerinde.
Ergimiş durumda oluşmuş kayaçlar bize katılaşma anındaki manyetik alanda hakkında bilgi verir. Böyle manyetik fosiller üzerine yapılan çalışmalar Dünya’nın manyetik alanın her milyonda bir tersine döndüğü yani kuzey kutbun güney kutba, güney kutbun da kuzey kutba şeklinde bir değiş-tokuşun gerçekleştiğini gösteriyor. Bu ise Dünya’nın manyetik alanının anlaşılmadığı detaylardan biridir.
Bir kayaç oluştuğunda, ortamın manyetik alanına (çekirdek tarafından oluşturulan alan gibi) paralel bir mıknatıslanmayı genellikle kazanır. Dünya üzerindeki çeşitli yerleşimlerden kayaç mıknatıslanmasının şiddetleri ve yönelimlerinin dikkatli analizlerinden eksensel dipol polaritesinin (kutup yönlerinin) geçmişte birkaç kez değiştiğinin farkına varılmış. Güney kutbun kuzey kutup ile değiş-tokuşu -ya da tam tersi- uzun dönemlik bir peryoda sahip. Örneğin günümüzde yüzyıl başına dipol momentinde %6’lık düşüş görülüyor ama bunun yeni bir kutuplardaki değiş-tokuşun işareti olup olmadığını söylemek zor.
Dünya’nın yüzeyine yakın bir bölgede manyetik alan Laplace denklemini karşılayan bir skaler potansiyelin negatif gradyentidir. Küresel koordinatlarda Laplace denkleminin bir çözümü küresel harmonik genleşme olarak adlandırılır ve bu genleşmenin parametreleri Gauss katsayıları olarak adlandırılır. Gauss katsayıları iç ve dış katsayılar olarak Dünya’nın içinde ve dışındaki üretilen manyetik alanın modellenmesinde kullanılırlar. Çekirdek ve kabuk manyetik alanların bir ayrımı mükemmel değildir her ikisi de iç alan olarak varsayılır. İç alan sık sık ana manyetik alan olarak adlandırılır.
İşte bu çekirdek ve kabuk manyetik alanları kapsayan ana manyetik alan sabitleri de çekirdekten üretilen alan değişimleri gibi zamanla değişir ve yaygın olarak bu değişimlerde küresel harmonik modeller kullanılır.
Dünya’nın Manyetosferi
Saatte 400 km hızla Güneş’ten kopup gelen iyonize olmuş (yüklü parçacıklardan oluşan) gazların akışına Güneş rüzgarı denir ve Güneş rüzgarının şiddeti Güneş’in aktivitesi ile doğrudan ilişkilidir. Güneş lekeleri, taç atımları gibi Güneş’in yüzeyindeki aktivitelerin miktarı arttıkça bu rüzgarın şiddetinin de arttığı bilinmektedir. Güneş rüzgarı Dünya’nın manyetik alanı ile karşılaştığında şekildeki gibi geri püskürtülür ve bu bir geminin baş tarafının su üzerinde oluşturduğu etkiye benzemektedir.
Güneş rüzgarının manyetosferle ilk teması “bow shock” denen şok dalgaları olarak adlandırılır, tıpkı şekildeki gibi. İşte manyetosfer bu şok dalgalarının arkasındaki Dünya’yı kuşatan uzayın kendisidir. Aslında manyetosfer, Güneş rüzgarının büyük ölçüde Dünya’ya girmesini önleyen ve Dünya’nın manyetik alanın baskın olduğu bir bölgeyi temsil eder. Ancak Güneş rüzgarıyla gelen bazı yüksek enerjili parçacıklar manyetosfere sızar ve bu sızan parçacıklar ise Van Allen radyasyon kuşaklarında tuzaklanan yüklü parçacıkların kaynağıdır.
Dünya’nın Manyetik Alanı Neden Önemli?
Dünya’nın manyetik alanı denizcilik, taşımacılık ve navigasyon, uyduların işleyişi, jeomanyetik indüklü akımlar, jeofiziğin incelenmesi gibi başlıklar altında incelenebilir. 11. yüzyıldan kalma yazılarda pusulanın kullanımına dair bilgiler var ancak bu yazılardan 100 yıl sonra Avrupa’da pusulanın kullanımına dair ilk kanıtlar ortaya çıkar. Günümüzde Dünya’nın manyetik alanını tıpkı bir araç gibi kullanarak topografya haritaları, modern denizcilik grafikleri ve havacılık grafiklerinin hazırlandığını bilmek Dünya’nın manyetik alanının önemine dair bize ipuçları verebilir. Göçmen kuşların da göçlerini bu manyetik alana bağlı sürdürdükleri bilinenler arasında. Son zamanlarda gerçekleşen ciddi jeomanyetik fırtınalar da Dünya’nın manyetik alanını etkileyen dış bir etkendir. Örneğin 1989 yılının Mart ayında gerçekleşen şiddetli bir jeomanyetik fırtına sonucu Kanada’da 9 saat boyunca güç aktarım sistemleri kapalı kalmak zorunda kaldı. Çünkü bu jeomanyetik fırtınalarla birlikte indüklenen jeomanyetik akımlar insanoğlunun gelişmiş teknolojik sistemleri üzerinde ciddi derecede zararlı etkilere sahiptir. Dünya’nın manyetik alanı bu fırtınalara karşı bir yandan kalkan görevi görürken bu jeomanyetik indüklü akımlar nedeniyle modern teknolojik dünyamız için bir tehlike unsuru sayılabilir.
Bir jeomanyetik fırtına Dünyamıza yaklaştığında, atmosferimiz ısınma yüzünden genişler ve bu genişleme, uyduların bulunduğu irtifalara kadar sürer. Uydunun yörüngesi değişeilir ve bazen pahalı manevralar bu atmosfer genişlemesinden kaçmak için yapılmak zorunda kalınır. Uydular üzerine bir diğer etkisi jeomanyetik fırtına içerisindeki radyasyonun uydu içindeki elektronik devrelere vurması ve onları devre dışı bırakması olarak söylenebilir. Bu yüzden yörüngemizde uyduları bulunan gerek özel şirketler gerek devletler manyetik fırtınalara ilişkin tahmin sistemlerine büyük ilgi göstermektedirler. Yine bu noktada Dünya’nın manyetik alanı jeomanyetik fırtınalarla bağı yüzünden önemlidir teknolojik imkanlarla dolu dünyamız için.
Öyle olsun okuyucu, bitmiyor aslında bu yazı burada ; Dünya’nın manyetik alanına ilişkin çok şey var anlatılacak ve anlaşılması gereken. Yine de düşünün ki fizik diploması aldığımız bölümlerimiz aslında nihai amacımız olan gezegenimizi ve evrenimizi anlama yönünde bizleri yönlendirmiyor. Eğer öyle olsaydı demeye dilim varmıyor şimdi…
Gökhan Atmaca – facebook.com/anadoluca | twitter.com/kuarkatmaca
Nanoölçek Aygıtlar ve Taşıyıcı İletimi Grubu
Kaynaklar:
- http://csep10.phys.utk.edu/astr161/lect/earth/magnetic.html
- http://www.geomag.bgs.ac.uk/education/earthmag.html
-> Satürn gezegeninin manyetik alanına ilişkin bir haberimiz: http://www.kuark.org/2011/03/saturn%E2%80%99un-manyetik-alani/
