Tema

När nordpolen blir sydpol

Då och då försvagas jordens magnetfält och de magnetiska polerna byter plats. Senast hände det för 780 000 år sedan. Snart är det dags igen för en polomkastning. Men det sker inte över en natt, så vi lär hinna rusta oss, menar forskare.

Människans hem är jorden, med bara atmosfären som en mycket tunn hinna mot rymdens ogästvänliga miljö. Men det finns något som skyddar både oss och atmosfären – jordens magnetfält. Utan detta skulle solvinden blåsa bort atmosfären. Men magnetfältet är inte stabilt. Då och då försvagas det och jordens magnetiska nord- och sydpol byter plats. Hur farlig är en sådan händelse för livet på vår planet? Och när händer det nästa gång?

Hög tid för polomkastning

I genomsnitt går det ungefär 200 000 år mellan varje polomkastning. Men fenomenet är synnerligen oregelbundet. Under kritatiden, när dinosaurierna dominerade på jorden, gick det 50 miljoner år utan en enda polomkastning. Den senaste inträffade för 780 000 år sedan. Det borde alltså vara hög tid för en ny polomkastning.

Magnetfältet skyddar jorden

Vår planet omges av ett magnetiskt kraftfält som består av kraftlinjer som går från magnetisk nordpol till magnetisk sydpol, nära de geografiska polerna. Det magnetiska fältet sträcker sig tiotusentals kilometer ut i rymden och bildar där magnetosfären.
När rymdåldern började kring 1950-talet upptäckte man att magnetfältets form påverkades utifrån, av solvinden – det vill säga en ström av elektriskt laddade partiklar från solen. Magnetosfärens form kan växla beroende på hur stark solvinden är. Den del som är vänd mot solen (på dagen) är något tillplattad medan den bortre delen blir mer utdragen som en svans på nattsidan.

Det jordmagnetiska fältets historia står skriven i bland annat havssediment och på vulkaner – något som forskarna har lärt sig tyda. Man har mätt magnetfältets riktning och intensitet på jordytan regelbundet sedan 1830-talet. Dessutom finns en serie observationsdata, baserade på gamla loggböcker från handelsfartyg, som sträcker sig ända bakåt till slutet av 1500-talet. Förutom astronomiska positionsbestämningar noterades också kompassavläsningar på fartygen.

Mineralet magnetit speglar magnetfältet

Men för att spå om polomkastningar förslår detta inte så långt. Däremot kan man spåra hur magnetfältet förändrats genom att studera magnetit – eller svartmalm – ett magnetiskt mineral som består av gråsvart järnoxid.

– Vulkaniska bergarter är rika på magnetit. När magman från vulkaner svalnar, och stelnar vid cirka 580 grader, ställer magnetitpartiklarna in sig efter det jordmagnetiska fältet, berättar kvartärgeologen Andreas Nilsson på Geocentrum vid Lunds universitet.

Utifrån magnetitpartiklarnas position i vulkaner och i havssediment, kan forskarna koppla magnetfältets riktning och styrka till en vis tidsperiod.

Så undersöks och dateras magnetsfältets riktning

Borrningar vid Rangitoto, en vulkan i havet utanför Auckland i Nya Zeeland, har lett till en 127 meter lång borrkärna med lavaflöden från mer än femtio olika utbrott – det senaste skedde för 550 år sedan. När forskarna har daterat utbrotten kan de studera de magnetiska avtrycken, det vill säga koppla magnetfältets riktning och styrka till en viss tidsperiod, utifrån magnetitpartiklarnas position.

– Även i marina avlagringar och sjösediment kan man se spåren av magnetfälten. Magnetit från magmatiska bergarter eroderas och transporteras ut i sjöar och hav. När det deponeras som sediment orienterar det sig efter magnetfältet, säger Andreas Nilsson på Geocentrum vid Lunds universitet.

– Därnere finns också bakterier som använder magnetism som ett slags djupmätare när de orienterar sig. De har magnetitkristaller ordnade som en stavmagnet. När bakterierna dör sjunker dessa magnetitstavar till bottnen, lägger sig efter magnetfältet och sedimenteras.

Isotoper

Datering med hjälp av radioaktiva isotoper, främst kol-14, beryllium-10 och klor-36, kan användas för att undersöka hur jordens magnetfält har förändrats. De här isotoperna uppstår när kosmisk strålning träffar atmosfären. När det jordmagnetiska fältet är svagt, och inte skyddar lika väl mot kosmisk strålning, bildas mer av dessa isotoper.

– Vi håller på att ta fram borrkärnor från is där vi hoppas kunna följa utvecklingen en och en halv miljon år bakåt i tiden. Den äldsta iskärna man hittills har undersökt är 800 000 år gammal, vilket betyder att vi har kunnat se hur magnetfältets intensitet gått ner till nära noll under den allra senaste omkastningen för 780 000 år sedan. Med hjälp av havssediment kan man se ännu längre bakåt i tiden, säger Raimund Muscheler på Geocentrum, Lunds universitet.

Så när kommer nästa polomkastning?

Det finns avvikelser i det jordmagnetiska fältet som ibland leder till spekulationer om att en polomkastning är nära förestående. Den ”sydatlantiska anomalin” är ett sådant fenomen. I ett stort område över Sydatlanten är magnetfältet mycket svagt och fortsätter att försvagas. Nere vid markytan är det normalt, men högre upp skyddar det inte när utbrott på solen leder till magnetiska stormar. Det har flera gånger lett till att rymdsatelliternas elektronik kommit i olag. Numera brukar man stänga ner elektroniken medan satelliterna korsar Sydatlanten i sina banor.

Normalt med avvikelser

– Somliga har hävdat att anomalin är början på en polomkastning. Det är fullt möjligt, säger Andreas Nilsson. Men jag arbetar med att sammanställa de data vi har om magnetfältet i numeriska modeller, och dessa visar att över en längre tid är sådana här avvikelser rätt normala. De kommer och går. Men vem vet?

En annan källa till oro har varit de magnetiska polernas vandringar. De magnetiska polerna överensstämmer inte helt med de geologiska. Dessutom förflyttar de sig några mil om året. Den magnetiska nordpolen befann sig i nordöstra Kanada men började 1990 röra sig allt snabbare ut över Ishavet i riktning mot Sibirien.

Den danska forskningssatelliten Örsted sköts upp 1999, utrustad med en magnetometer som mäter jordens magnetfält.

Felaktig bedömning

– De data den levererade om de magnetiska polerna ledde till spekulationer om att en polomkastning kunde vara nära förestående, kanske inom hundra eller hundrafemtio år, berättar professor Ian Snowball, expert på paleomagnetism vid Uppsala universitet.

Uppståndelsen kring detta berodde på att forskare hade gjort en felaktig bedömning av magnetfältets förändring av intensitet över tid. Mätning under ett så kort tidsspann säger inget om vare sig framtiden eller det förflutna. Nu vet man att magnetpolernas vandringar är normala och inte förebådar några omkastningar.

Polomkastning som kom av sig?

Möjligen började en polomkastning, som kom av sig, för 42 000 år sedan. Den kallas Den Laschampska Exkursionen efter Laschamps, en ort i franska Centralmassivet. Det var där man först upptäckte spåren efter denna dramatiska period. ”Exkursionen” syftar på att de magnetiska polerna började vandra i stor skala och att det till och med fanns flera poler samtidigt. Våra förfäder bör då ha kunnat se norrsken lite varstans, ett fenomen som uppstår när laddade partiklar från solen accelererar mot magnetiska nord- och sydpoler. Efter några tusen år återgick dock allt till utgångsläget. Det blev ingen omkastning den gången.

Så skapas jordens magnetfält

Jordens kärna är het och består av metaller i flytande form. Längst in där temperaturen och trycket är ännu högre är kärnan fast och består av nickel och järn. Den yttre flytande kärnan rör sig i förhållande till den inre kärnan. Denna söker göra sig av med värme vilket leder till så kallade konvektionsströmmar i ytterkärnan; det är dessa som skapar jordens magnetfält.

Styrkan hos magnetfältet vid jordytan varierar mellan mindre än 30 μTesla i bland annat Sydamerika och Sydafrika till mer än 60 μTesla i närheten av polerna, till exempel i norra Kanada, södra Australien och i delar av Sibirien.

Första gången styrkan hos jordens magnetfält mättes var 1835 av Carl Friedrich Gauss. Sedan dess har dess styrka klingat av med ungefär 15 procent.

En polomkastning är en långsam process som kan ta flera tusen år. Eftersom jorden under den perioden är mer exponerad för kosmisk strålning och plasma och laddade partiklar från utbrott på solen är det tänkbart att människor och andra livsformer tar skada.

Neanderthalmänniskorna dog ut ungefär samtidigt som den Laschampska Exkursionen. Somliga har velat se ett samband mellan dessa händelser. Den kosmiska strålningen slog sönder atmosfärens ozonlager vilket ledde till ökad UV-strålning. Sannolikt ökade då cancerfrekvensen bland neanderthalarna, som var mer ljushyllta än våra förfäder. Det är en fantasieggande teori, men ingen av de forskare forskning.se har talat med tror på den.

Fåglar får svårt att navigera

Genom årmiljarderna har livet på jorden flera gånger hotats av massutdöende – inte minst när dinosaurierna dog ut för 65 miljoner år sedan, troligen till följd av ett meteoritnedslag. Man har dock inte kunnat se liknande samband mellan sådana händelser och polomkastningar. Men vad skulle kunna ha hänt under en kaotisk tid som den Laschampska Exkursionen med svagare magnetfält?

– Tja, fåglarna, som delvis navigerar med hjälp av jordens magnetfält, måste ha varit ganska förvirrade då, säger Susanne Åkesson, professor i evolutionär ekologi vid Lunds universitet. Men polomkastningar har säkert föregåtts av gradvisa förändringar i magnetfältet så att de haft tid att anpassa sig. Fåglar använder sig ju inte bara av ett ”magnetsinne” utan även av sol, stjärnhimmel, dofter, landkänningar och så vidare. De är mycket flexibla.

Fåglar kan avgöra solens läge genom att registrera hur ljuset är polariserat. Susanne Åkessons forskargrupp har visat att de med hjälp av det polariserade ljuset faktiskt kan kalibrera sin magnetkompass.

– Det är förvånande hur snabbt migrationsmönstret kan förändras. Vi har studerat svarthättor och taigasångare, arter där mönstret har ändrats på så kort tid som tio år!

Rymdvädret påverkar våra satelliter

Är människan lika flexibel? Vi har byggt upp en teknisk civilisation som är mycket sårbar för störningar från rymden. Det vet man på Institutet för rymdfysik i Kiruna, där det hålls ett vakande öga över ”rymdvädret”.

– I dessa tider av snabb digitalisering tycker jag vi är ganska aningslösa. Vid en mycket kraftig massutkastning av plasma från solkoronan kommer strålningen fram först och stör radiokommunikationerna. Sedan kommer högenergetiska partiklar som slår ut satelliter och gps-system. Till slut kommer plasmamolnet som leder till magnetisk storm. Det påverkar långa elektriska ledningar som till exempel våra högspänningsledningar, säger Urban Brändström, ansvarig för Institutets långsiktiga mätningar, bland annat av jordens magnetstrålning vid markytan.

Mer sårbara utan skyddande magnetfält

1989 slogs en transformator vid ett kärnkraftverk i Kanada ut och sex miljoner människor stod utan ström. Och vid den så kallade Halloweenstormen i Malmö 2003 blev 50 000 människor strömlösa. Långa pipelines med olja har också blivit strömförande och fattat eld på grund av magnetiska stormar.

Ett sådant solutbrott skulle förstås drabba oss ännu hårdare om det inträffar under en polomkastning när jordens magnetfält inte skyddar oss. Men det finns något annat som skyddar oss: tiden. Polomkastningar sker inte över en natt. Med sekler av teknisk utveckling bör vi vara väl rustade för en sådan omvälvning.

Text: Göran Frankel på uppdrag av forskning.se

Solvinden ger magnetiska stormar

Solvinden är en plasmavind, det vill säga ett flöde av laddade partiklar, främst elektroner och protoner, som ständigt skickas ut från solen i all riktningar, rakt genom solsystemet. Solen förlorar ungefär en miljon ton per sekund på grund av solvinden.

En synlig effekt av solvinden är polarskenet (norr- och sydsken), som får sin energi från solvinden. En störning i solvinden kan ge upphov till en geomagnetisk storm när den träffar magnetosfären, vilket i sin tur bland annat kan orsaka störningar på satelliter, problem i transformatorer och kraftledningsnät samt ökade strålningsnivåer för astronauter och flygbesättningar.

Solvindens hastigheten är ofta omkring 350 km/s, men kan variera mycket. Störningar i solvinden uppträder speciellt vid stora solutbrott, framför allt vid koronamassutkastningar och så kallade flarer.

Vid en mycket kraftig massutkastning av plasma från solkoronan kommer strålningen fram först och stör radiokommunikationerna. Sedan kommer högenergetiska partiklar som slår ut satelliter och gps-system. Till slut kommer plasmamolnet som leder till magnetisk storm. Den kraftigaste magnetiska storm som drabbat oss hittills inträffade 1898. Norrsken kunde ses så långt söderut som i Västindien och Rom. Telegrafer i Europa slutade fungera, telegrafister fick elektriska stötar och det slog gnistor om kablarna.

Vanligen upptäcks solutbrotten tre till fyra dygn innan plasmamolnet når jorden. NASA:s rymdsatellit ACE mäter hastighet och intensitet i solvinden av laddade partiklar. Om molnet är på väg rakt mot oss varnar ACE för en förestående magnetisk storm.

Vi finns där du är @forskningsnyhet

När nordpolen blir sydpol

 lästid ~ 10 min