Maan magneettiset navat

Magneettisten napojen liike kertoo planeettamme magneettikentän hitaasta muuttumisesta.

Magneettiset navat määritellään paikkoina, joissa magneettikenttä on pystysuorassa. Niitä on maapallolla kaksi: yksi kummankin maantieteellisen navan läheisyydessä.

Pohjoinen magneettinen napa on liikkunut viime vuosikymmeninä nopeasti. Se jätti Kanadan saariston viime vuosisadan lopulla ja etenee nyt Pohjoisella jäämerellä kohti Siperiaa, kuten alla olevasta kuvasta tarkemmin näkyy.

Eteläinen magneettinen napa liikkuu hitaammin. Päin vastoin kuin pohjoinen vastinparinsa, se on viime vuosisadalla etääntynyt maantieteellisestä navasta ja sijaitsee nyt Etelämanteren rannikon tuntumassa Australian eteläpuolella.

Pohjoisen magneettisen navan ja geomagneettisen navan liike vuodesta 1900 alkaen. Kuva: World Data Center for Geomagnetism, Kioton yliopisto. Linkin takaa löytyy myös vastaava kuva eteläisen pallonpuoliskon napojen liikkeestä.

Geomagneettiset navat

Maan magneettikenttä on perusmuodoltaan dipoli, eli samanlainen kuin sauvamagneetin kenttä. Se poikkeaa kuitenkin vähän täsmällisestä dipolista, ja magneettisten napojen vaellus johtuu juuri näiden poikkeamien muutoksesta.

Magneettikentän dipolikomponentin asentoa kuvaavat geomagneettiset navat. Ne määritellään seuraavasti: jos maapallon keskipisteeseen asetettaisiin magneettinen dipoli, jonka synnyttämä kenttä olisi mahdollisimman lähellä Maan todellista magneettikenttää mutta ilman epäsäännöllisyyksiä, niin tuon dipolin akseli leikkaisi maanpinnan geomagneettisilla navoilla.

Geomagneettiset navat ovat liikkuneet viimeisten sadan vuoden aikana vain hieman, mikä kertoo siitä, että magneettikentän dipolikomponentti on vakaampi kuin sen epäsäännöllisyydet. Dipolikomponentti määrää, minkä muotoisena Maan magneettikenttä levittäytyy kauemmas avaruuteen. Niinpä esimerkiksi revontulirenkaan keskipiste on geomagneettinen napa, ei magneettinen.

Pohjoinen ja eteläinen geomagneettinen napa sijaitsevat määritelmänsä perusteella aina täsmälleen vastakkaisilla puolilla maapalloa.

Miksi magneettiset navat liikkuvat?

Mikä sitten liikuttaa magneettisia napoja? Syynä ovat maapallon nesteytimen virtaukset, jotka muistuttavat maanpäällisten valtamerien merivirtoja. Nesteytimen tapauksessa meriveden tilalla on tulikuumaa sulaa rauta-nikkelilientä, jonka liikkeistä geomagneettinen kenttä syntyy ydinnesteeseen muodostuvan sähkövirran vaikutuksesta. Nämä sähkövirrat kiertävät ytimessä sellaista säännöllistä reittiä, että niiden tuottama magneettisuus havaitaanmaanpinnalla kaksinapaisena magneettikenttänä. Nesteytimen virtauksien ja magneettikentän sähkömagneettisissa vuorovaikutusprosesseissa magneettikenttä muuttuu koko ajan hitaasti mutta varmasti.

Näin siis magneettisten napojen liike ja yleensä magneettikentän muutokset maanpinnalla kertovat välillisesti nestytimessä tapahtuvista muutoksista. Tietoja tarvitaan tutkittaessa maapallon sisäosien geofysikaalisia ominaisuuksia ja niiden muutoksia. Magneettikentän sisäsyntyistä hidasta muutosta sanotaan sekulaarimuutokseksi, ja se pysyy vuodesta toiseen suunnilleen samana.

Maan magneettikentän vaihteluja seurataan jatkuvasti magnetometreillä geofysikaalisissa observatorioissa, joita maapallolla on toiminnassa noin 150. Suomessa niitä on kaksi: Ilmatieteen laitoksen Nurmijärven geofysiikan observatorio sekä Oulun yliopiston Sodankylän geofysiikan observatorio. Nurmijärven observatorio on toiminut yhtäjaksoisesti vuodesta 1953 lähtien. Itse asiassa koko Ilmatieteen laitos sai alkunsa geomagnetismista: laitos perustettiin vuonna 1838 magneettiseksi observatorioksi, jonka tehtäviin kuuluivat myös meteorologiset mittaukset.

Napojen nimeämisestä

Magneetilla on aina kaksi napaa, joita kutsutaan pohjois- ja etelänavaksi. Samantyyppiset navat hylkivät toisiaan ja erityyppiset vetävät toisiaan puoleensa. Jos asiaa tarkastellaan magneettikenttäviivojen avulla, niin magneetin ulkopuolella kenttä osoittaa aina kohti etelänapaa ja poispäin pohjoisnavasta.

Maan pohjoisella magneettisella navalla magneettikentän suunta on alaspäin, joten se on fysikaalisilta ominaisuuksiltaan magneettinen etelänapa. Vastaavasti eteläisellä pallonpuoliskolla oleva napa on fysikaalisesti magneettinen pohjoisnapa. Maan magneettisista navoista puhuttaessa on kuitenkin tapana käyttää termejä etelä ja pohjoinen niiden maantieteellisessä merkityksessä, eli pohjoisella pallonpuoliskolla sijaitsevaa napaa kutsutaan pohjoiseksi. Näin on tehty tässäkin tekstissä. Maantieteellisen merkityksen korostamiseksi ja sekaannusten välttämiseksi emme puhu magneettisesta pohjois- ja etelänavasta, vaan pohjoisesta ja eteläisestä magneettisesta navasta.

Magneetin etelä- ja pohjoisnapojen nimeämiskäytäntö juontuu siitä, että kompassina käytettävän sauvamagneetin pohjoisnapa kääntyy (likimain) kohti maantieteellistä pohjoista.

Naparetkikuntien historiaa

Pohjoinen magneettinen napa löydettiin vuonna 1831. Sen paikansi skottilainen tutkimusmatkaaja James C. Ross etsiessään luoteisväylää Kanadan pohjoisessa saaristossa. Vastaava eteläinen napa löytyi vuosikymmentä myöhemmin Etelänapamantereen rannikolta Australian Tasmanian saaren eteläpuolelta, missä Rossin toinen retkikunta teki tutkimuksiaan.

Rossin löytämä pohjoinen magneettinapa sijaitsi Boothian niemimaalla paikassa 70,1 astetta pohjoista leveyttä (N) ja 96,9 astetta läntistä pituutta (W), eli suunnilleen yhtä pohjoisessa kuin Utsjoki Suomessa. Matkaa maantieteelliselle pohjoisnavalle oli sieltä siis yli 2000 km. Rossin jälkeen magneettinen napa sai olla kaikessa rauhassa vuosikymmeniä, kunnes kuuluisa norjalainen löytöretkeilijä R. Amundsen, luoteisväylän löytäjä, paikansi sen uudelleen vuonna 1904. Napa haarukoitiin paikkaan, joka poikkesi muutamia kymmeniä kilometrejä Rossin mittauksista.

Kolmannen kerran pohjoisella magneettinavalla käytiin vasta toisen maailmansodan jälkeen vuonna 1948. Tutkijoiden hämmästykseksi napa ei kuitenkaan sijainnut Rossin tai Amundsenin osoittamassa paikassa, vaan melkein 500 km pohjoisempana Walesin prinssin saarelta. Kanadan Geologian tutkimuskeskus, joka oli napamääritykset tehnyt, otti tehtäväkseen seurata tuon alati liikkeessä olevan navan retkiä.

Magneettisen navan liikkuma-alue Kanadan arktisessa saaristossa on kuitenkin ihmiselle sen verran vaikeakulkuista ja ilmastoltaan vihamielistä seutua, ettei sinne aivan joka vuosi kannata mennä. Magneettisia naparetkikuntia on varustettu suunnilleen kerran vuosikymmenessä vuosina 1962, 1973, 1984, 1994 ja viimeksi 2001. Magneettisella navalla kävi vuonna 1981 myös suomalainen retkikunta harjoittelemassa maantieteellisen pohjoisnavan valloitusta.

Nykyään magneettisten napojen liikkeitä voidaan seurata myös satelliittihavaintojen perusteella. Euroopan avaruusjärjestön Swarm-satelliitit ovat tuottaneet ennennäkemättömän tarkkaa tietoa Maan magneettikentän rakenteesta.

Eteläinen magneettinapa on ollut huomattavasti laiskempi liikkeissään kuin pohjoinen kumppaninsa. Tosin eteläisen navan ympäristö on vielä vaikeapääsyisempi kuin pohjoisen, joten siellä on käyty vain muutamia kertoja. Näin kaikkia eteläisen magneettinavan harharetkiä ei tunneta, mutta sekin on liikkeessä kaiken aikaa. Tutkijat otaksuvat, että molemmat navat liikkuvat pitkin ellipsimäistä rataa kiertoajan ollessa muutamia tuhansia vuosia. On voitu myös osoittaa, että välistä navat vaihtuvat, ts. pohjoisnapa muuttuu etelänavaksi ja päinvastoin. Tällainen vaihdos tapahtuu keskimäärin pari kertaa miljoonassa vuodessa, viimeksi n. 700 000 vuotta sitten. Muutostapahtuma kestää muutamia kymmeniä tuhansia vuosia, jona aikana Maan magneettikentässä voi olla useita napoja.