Maad kaitsev magnetkilp
Ülo Vaher
01.08.2009

Rahvusvahelise astronoomia aasta puhul sobib heita pilk Maast veidi kõrgemale ja kaugemale. Maa ja taevas on omavahel väga tihedalt seotud ja teadmised selle seotuse kohta kasvavad pidevalt, nii et järjest enam mõtleme neist kui ühtsest tervikust. Alles 50 aastat tagasi jõudis inimesteni mõiste „magnetosfäär”. See on Maad ümbritseva magnetvälja poolt hõivatud ulatuslik piirkond, mis samas on elusolenditele ka kaitsekilbiks surmatoovate kosmiliste kiirguste eest.

Magnetism on juba iidsetest aegadest olnud inimestele mõistatuslikuks ja müstiliseks nähtuseks. Umbes tuhat aastat tagasi avastasid hiinlased, et magnetnõel pöördub võimalusel alati põhja suunas. Inimestele tundus see lausa üleloomulik, sest erinevalt mitmetest looma-, linnu- ja kalaliikidest inimesed magnetvälja ei „näe” ega taju. Alles 400 aastat tagasi jõudis Inglise kuninganna Elizabeth I õuearst William Gilbert järeldusele, et ka Maa ise on üks hiigelsuur magnet, mis põhjustabki magnetnõela sellise käitumise. Varem oli seda püütud põhjendada Põhjanaela külgetõmbejõuga.
Tänu laevandusele ja sellega seotud navigatsiooni tähtsusele uuriti põhjalikult magnetnõela käitumist maakera erinevates paikades ja peagi avastati, et magnetnõel ei näita mitte täpselt põhjapooluse suunas, vaid kaldub teatava nurga võrra sellest kõrvale (deklinatsioon). Edasi selgus, et ka deklinatsioon on erinevates kohtades erinev.
Maa magnetvälja ja magnetisminähtuste uurimisse andsid suure panuse C. F. Gauss, kes leiutas selleks otstarbeks 1835. aastal magnetomeetri, ja A. von Humboldt, kes koostas viieköitelise entsüklopeedia „Kosmos”. Pandi tähele, et peale lokaalsete muutuste esinevad magnetväljas aeg-ajalt ka kiired, mõnest tunnist mõne päevani kestvad ajutised muutused, mille kohta Humboldt võttis kasutusele mõiste „magnettorm”. Tavalise inimese jaoks on see mõiste mõnevõrra desinformeeriv, sest analoogia põhjal tuule tekitatud tormiga võiks oletada magnetvälja tugevnemist, kuid magnettormi puhul on vastupidi tegu selle nõrgenemisega. Humboldti initsiatiivil hakati Briti impeeriumis ja Venemaa avarustel rajama magnetobservatooriumide võrku, millest paljud töötavad veel tänapäevalgi.
Magnetisminähtuse teaduslik seletus pärineb ajast, kui H. Ch. Oersted avastas 1820. a magnetismi seose elektriga. Selgus, et elekter ja magnetism on ühe nähtuse kaks erinevat avaldusvormi ning nad on lahutamatult seotud nagu Siiami kaksikud. See seos valati J. C. Maxwelli poolt tema kuulsasse võrranditesüsteemi, mis on jäänud elektriõpetuse alustesse tänaseni. Elektrivälja muutus indutseerib magnetvälja muutuse ning magnetvälja muutus omakorda indutseerib elektrivälja muutuse. See seos avaldub kõige selgemini elektromagnetlainete puhul – olgu selleks valgus või raadiolained.
Elektromagnetilisel induktsioonil põhineb peaaegu kogu meie kaasaegne tehnika, alates elektrivooolugeneraatoritest ja elektrimootoritest kuni raadio, televisiooni, arvutustehnika ja meditsiinilise kompuutertomograafiani välja, kui nimetada vaid üksikuid sellest lõputust nimistust. Loomulikult võimaldas elektromagnetilise induktsiooni printsiip luua ka tundlikke ja täpseid magnetomeetreid, et mõõta Maa magnetvälja nii maapinnal, õhus kui viimased 50 aastat ka ümbritsevas kosmoses. Leiti, et Maa magnetväli on jämedalt võttes sarnane varbmagneti väljale tema kahe poolusega, mida ühendavad nähtamatud magnetjõujooned, mis väljuvad ühest (nimetati kokkuleppeliselt põhjapooluseks) ja suubuvad teise (nn lõunapoolusesse).

Muutlik on magnetvälja meel
Magnetväli on vektorväli, mis tähendab, et teda iseloomustab igas ruumipunktis nii suurus (seda kirjeldab vektori pikkus) kui ka mõju suund. Magnetvälja tugevamates kohtades (näiteks pooluste lähedal) on vastavalt ka magnetjõujoonte tihedus suurem. Põhjalikumate uurimuste tulemusena tehti kindlaks nii geograafilise põhjapooluse ligidal asuv magnetpoolus, mis magnetismi mõttes on tegelikult hoopis lõunapoolus, kui ka Antarktikas asuv magnetiline põhjapoolus. Kui magnetnõel riputada keskelt niidi otsa, siis põhjas asuva magnetpooluse kohal suundub magnetnõela põhja näitav ots vertikaalselt alla ning Antarktikas asuva pooluse kohal vertikaalselt üles.
Paljude aastate vältel tehtud mõõtmised aitasid teha avastuse, et Maa magnetpoolused ei püsi kindlalt paigas, vaid liiguvad aja jooksul mööda ebamäärast trajektoori umbes 15 km aastas. Seejuures pooluste liikumine toimub teineteisest sõltumatult ning selles ei ole leitud mingisugust seaduspära – see toimub üsna korrapäratult. Praegu on Maa magnetpooluste koordinaadid 82°42’N, 114°24’W ja 63°06’S, 137°30’E, seega nad ei ole täpselt antipoodid. Maa magnetvälja „telg” asetseb pöörlemistelje suhtes 11,3kraadise nurga all. Kuigi Maa magnetväli on üldjoontes dipoolse struktuuriga, esinevad selles mitmesugused lokaalsed kõrvalekalded-magnetanomaaliad. Nende vastu tunnevad suurt huvi geoloogid, sest need on tõhusateks abimeesteks uute rauamaagileiukohtade avastamisel, aga ka Maa geoloogilise ajaloo uurimisel. Nende uurimuste tulemusena avastati täiesti ootamatu tõsiasi, et Maa magnetpoolused on korduvalt oma asukohti vahetanud (jällegi üks magnetismi mõistatusi!). Üldse on viimase 76 miljoni aasta vältel toimunud 170 sellist pööret. Viimane magnetpooluste vahetumine (nn Brunhesi-Matuyama pööre) toimus ca 770 000 aastat tagasi. Enne pööramist magnetväli nõrgeneb, nõrgenemine järk-järgult kiireneb ning vahetus ise toimub seejärel geoloogilises mõistes suhteliselt kiiresti. Uuesti oma endise tugevuse saavutab magnetväli umbes 10 000 aasta jooksul.
Praegusel ajal toimub Maa magnetvälja keskmise tugevuse nõrgenemine umbes 5% ulatuses 100 aasta kohta, kuigi sellel on ka paikseid erinevusi. Näiteks Eesti kohal magnetväli praegusel ajal hoopis tugevneb. Lugejal võib muidugi tekkida küsimus, kuidas on õnnestunud mõõta Maa magnetvälja tugevust ja suunda, mis leidsid aset miljoneid aastaid tagasi? Selleks on kasutatud maakoort moodustavate laamade liikumist. Nimelt läbib Atlandi ookeani põhja kahe suure laama ühendusjoon, see on koht, kus laamad aeglaselt üksteisest eemalduvad, mistõttu nende vahelt väljub sula magma, mis jahtudes magneetub vastavalt sellel ajal seal valitsenud magnetväljale, piltlikult öeldes raiub need andmed endasse. Nende kivimite vanust oskavad geoloogid üsna hästi mõõta.

Kuidas Maa sai endale magnetvälja
Mõistatuste mõistatuseks jääb ikkagi Maa magnetvälja tekke põhjus. Juba suur Einstein pidas seda kaasaja füüsika üheks keerulisemaks probleemiks. Kuigi Maa keskosa koosneb peamiselt rauast, mis on teatavasti väga hea magnetmaterjal, kaotab ka tema temperatuuril üle nn Curie punkti (1043 K) oma magnetilised omadused, sest temperatuur ulatub seal 2000–5000 Kelvinini. Peab toimima mingi protsess, mis pidevalt genereerib magnetvälja. Seda magnetohüdrodünaamilist nähtust, mille füüsikaline sisu on ülimalt keeruline, on kirjeldatud nn geodünamo teooria abil, mille põhiolemuseks on elektromagnetiline induktsioon nagu elektridünamoski. See protsess toimub Maa vedelas rauast ja niklist koosnevas ja elektrit hästi juhtivas välistuumas, mis ulatub tsentrist 1200–3500 km kaugusele. Mitmete füüsikaliste protsesside tõttu – nagu seda on Maa erinevate kihtide erinev pöörlemiskiirus, sellega kaasnevad Coriolise jõud ja temperatuuri erinevustest tingitud konvektsioon – tekivad välistuumas ringvoolud, mis genereerivad magnetvälja, mis omakorda kutsub esile ringvoolu. Lõppkokkuvõttes tekib ennast pidevalt taastootev „jätkusuutlik” elektromagnetiline induktsioon, mida kutsutakse ka alfa-omega protsessiks.
Tänapäeva superarvutitel on õnnestunud seda protsessi ka modelleerida. Teadlased G. Glatzmaier ja P. Roberts koostasid seda protsessi kirjeldavate keeruliste matemaatiliste võrrandsüsteemide lahendamiseks arvutiprogrammi ja lasid superarvutil CRAY C90 sellega töötada ligi aasta otsa, mille käigus simuleeriti maa sisemuses 40 000 aasta vältel toimuvaid protsesse. Üks kõige ootamatumaid tulemusi oli see, et arvuti suutis seejuures näidata ka magnetpooluste ümbervahetamist kui geodünamo loomulikku kaasnähtust.
Äsjakirjeldatud vedeltuumas toimiva geodünamo põhjustatud Maa peamagnetvälja kõrval on teisigi seda täiendavaid magnetvälja allikaid. Eeskätt on nendeks litosfääri 10–50 km paksuses pealmises kihis olevad mineraalid, peamiselt erineva titaanisisaldusega magnetiidid. Litosfääri magnetvälja on põhjalikult kaardistatud satelliitidele POGO, Magsat ja eriti CHAMPile paigutatud mitmesuguste magnetomeetrite abil.

Keerulised seosed
Magnetohüdrodünaamilised seaduspärasused tingivad selle, et igasuguses elektrit juhtivas keskkonnas kutsub selle liikumine esile ka magnetvälja. Seetõttu tekivad täiendavad magnetväljad ka ookeanide hoovuste ja loodete tõttu, sest nende vesi on lahustunud soolade tõttu hea elektrijuht. Hea elektrijuht on ka atmosfääri kohal (60–400 km) kõrguv ionosfäär, milles toimuvad tsirkulatsioonid genereerivad samuti magnetvälju. Kõik need väljad integreeruvad ja moodustavad Maad ümbritsevas ruumis keerulise ja ebapüsiva struktuuriga magnetosfääri, millele avaldab tugevat mõju Päike oma mitmesuguste kiirgustega, aga ka planeetidevaheline magnetväli. Nende toimel surutakse magnetosfäär Päikese-poolsel küljel kokku umbes 2 RE-ni (RE on Maa raadius; 6371 km), mis varjuküljel venib jällegi välja ning ulatub vähemalt 20 RE-ni.
Magnetosfääri ehitust ja käitumist on edukalt uuritud viimased 50 aastat tänu kosmoseajastu tehnilistele võimalustele. Juba esimesed USA kosmoseuuringud satelliitide Explorer I ja Pioneer 3 abil tegid ootamatu avastuse – Maa magnetosfäär on endasse „vangistanud” kaks kiirgusvööndit, mida hakati avastaja nime järgi kutsuma Van Alleni vöönditeks. Neist seesmine asub 500–13 000 km kõrgusel Maast ja sisaldab suure energiaga (>10 MeV) prootoneid. Sellest kaugemal laiub teine, märksa ulatuslikum vöönd, mis koosneb peamiselt elektronidest. Aatomrelvastuse võidujooksu aastatel lõhati ka kosmoses vesinikupomme, mis tekitasid seal kunstlikke radiatsioonivööndeid, mis õnneks siiski mõne aja möödudes hajusid.
Päike on oma planeetidepere jõuline valitseja, millega kõik peavad arvestama. Oma olemuselt on ta nagu hiigelsuur tuumajaam, ainult erinevalt inimkätega ehitatutest puudub tema ümber kiirguskaitse sein, mistõttu ei kiirga ta üksnes soojust ja valgust, vaid ka mitmesuguseid elusloodust hävitavaid kiirgusi, nii elektromagnetilisi (gamma-, röntgen- ja UV-kiired) kui ka elektrilise laenguga korpuskulaarseid kiirgusi (peamiselt prootonid ja elektronid). Sellele kiirgusele on antud süütu nimi – päikesetuul, kuigi selle osakesed liiguvad hiigelsuurte kiirustega – 300–700 km/s, seega püssikuulist tuhat korda kiiremini. Kõige hullem on see, et need osakesed võivad elusorganismide rakkudesse sattudes lõhkuda selle õrnu struktuure, näiteks kromosoome, DNAd jt. Õnneks kaitseb meid ja teisi elusolendeid Maa magnetosfäär, mis tõrjub päikesetuult nagu kilp vaenlase nooli.
Kuid kahjuks ei ründa Päike meid siiski üksnes nooltesajuga, vaid võib saata meie suunas ka ülitugevaid plasmapomme, mille võimsus ületab Hirošimale heidetu sadu miljoneid kordi. Seda teevad Päikese krooni pursked (ingl k lühend CME), mille tagajärjel paisatakse kosmosesse miljardeid tonne Päikese plasmat. CMEde vastu võib Maa magnetkilp osutuda nõrgaks ja osa ohtlikust kiirgusest pääseb sellest läbi Maa magnetosfääri sisemusse, kus ta tekitab magnettorme, mis häirivad raadio- ja satelliitsidet ning kahjustavad telefoni- ja elektriliine. Näiteks 13. märtsil 1989. a viis tugev magnettorm rivist välja Quebeci elektrijaama pealiinid ning üheksaks tunniks jäid elektrita kuus miljonit elanikku. Üheks magnettormide teket soodustavaks tingimuseks on planeetidevahelise magnetvälja lõunasuund, mis destabiliseerib Maa põhjasuunalist magnetvälja. Sagedamini esinevaid magnetilisi subtorme võivad põhjustada magnetosfääri sabaosas toimuvad ümberpaigutumisprotsessid.
CMEd on muidugi kõige ohtlikumad kosmonautidele, kes lendavad väljapoole Maa magnetosfääri, näiteks Kuule või Marsile. Seepärast saadetakse Päikese lähedusse kosmosesonde, mis mõõdavad Päikese aktiivsust ja saadavad kiirguse ohtliku kasvu korral hoiatusteate ka kosmonautidele.
Magnettormide sageduse ja tugevuse kasvu on oodata 2011. aastal, mil Päike jõuab oma aktiivsustsükli järjekordsesse maksimumi.

Sarnased artiklid