Mi a mágneses mező szerepe a Földön? Mi történik, ha megváltozik?

A mágneses mező szó szerint létfontosságú része a Földünknek. A mágneses mező ugyanis az a láthatatlan pajzs, aminek híján a napszél kisöpörné az űrbe a légkör nagy részét.

Aki szeretné tudni, milyen hatással bírna a mágneses mező megszűnése, vessen néhány pillantást a Marsra.

Mi a mágneses mező fogalma?

A mágneses mező egy térbeli terület a mágnes, vagy elektromos töltés körül, amelyben mágneses erő érvényesül. A mágneses mezőt többféleképpen is meghatározhatjuk, kontextustól függően.

Legegyszerűbben kifejezve a mágneses mező egy emberi szemnek önmagában láthatatlan mező, amely mágneses erőt gyakorol a mágnesességre érzékeny anyagokra.

Másként megfogalmazva, mágneses mezőnek azt a láthatatlan területet nevezzük egy mágnes körül, amely képes egy másik mágneses vagy mágnesezhető tárgyat magához vonzani, vagy eltolni magától.

Hogyan jön létre a mágneses mező?

A mágneses mező alapvetően kétféle módon jöhet létre: egyrészt egy tárgy mágnessé válásával, másrészt egy elektromágnes bekapcsolásával.

A fő különbség a kétfajta mező között, hogy a mágnes körül lényegében állandó a mágneses mező, míg az elektromágnes esetében a feszültség megszüntetésével együtt a mező is eltűnik.

Mi az a mágnes?

A mágnes olyan tárgy, amely saját mágneses mezőt hoz létre, amely kölcsönhatásba lép más mágneses mezőkkel. A mágneseknek két pólusa van, egy északi és egy déli pólus.

Amikor a legtöbb ember a mágnesességre gondol, a két mágnes között tapasztalható mágneses erőre gondol. Habár ez jó megközelítés hétköznapi körülmények között, ám a mágnesesség valójában a kombinált elektromágneses erő egyik aspektusa.

Olyan fizikai jelenségekre utal, amelyek a mágnesek által okozott erőből erednek, olyan tárgyakból, amelyek más, mágnesezhető tárgyakat vonzó vagy taszító mezőt hoznak létre.

A mágneses mezőt a mágnes északi pólusánál kezdődő és a déli pólusnál végződő mezővonalak jelölik. A mágnesesség egy láthatatlan erő, amelyet a körülöttünk mindent alkotó atomokban lévő elektromos töltések mozgása okoz.

Mikor és kik fedezték fel a mágnest?

Ha hihetünk Pliniusnak, a római történetírónak, akkor a mágnest egy bizonyos Magnesz nevű krétai pásztor fedezte fel: a sztori szerint Magnesz az Ida-hegyen legeltette nyáját, amikor is egy kőhöz tapadt a pásztorbotja vas vége és a sarutalpának vasszögei.

Persze, Plinius is csak továbbadta a történetet a kövekről szóló értekezésében, hiszen ebben az időben a magnetitet még legfeljebb gyógyításra használták.

Azt, hogy a mágnesterápia mennyire hatékony, nem tisztünk vizsgálni, ugyanakkor az mindenképpen említésre méltó, hogy dokumentáltan már 4000 évvel ezelőtt használták gyógyászati praxisban, Kínában a mágnest.

A mágnes, mint navigációs eszköz feltalálása a kínaiakhoz kapcsolódik szintén. Tudjuk, hogy időszámításunk szerint 800 táján már használtak kezdetleges iránytűt, és a vikingek is felfedezték 1000 körül.

Mikor és kik fedezték fel a mágneses mezőt?

Habár manapság a két fogalom elválaszthatatlan egymástól, egykoron a mágnes kínai és viking használói nem sokat foglalkoztak azzal, egész pontosan hogyan is működik – vagy ha igen, nem maradt ránk feljegyzés arról, hogy felfedezték volna a mágneses mezőt.

Arra egészen a 13. századig kellett várni, ugyanis a mágneses mezők tanulmányozása 1269-ben kezdődött, amikor Petrus Peregrinus de Maricourt francia tudós vasból készült tűk alkalmazásával feltérképezte egy gömb alakú mágnes mágneses terét.

Azokat a helyeket, ahol ezek a vonalak keresztezték egymást, „pólusoknak” nevezte el (a Föld pólusaira utalva), amelyekről később azt állította, hogy minden mágnes rendelkezik velük.

A 16. században William Gilbert, angol fizikus és természetfilozófus ismételte meg Peregrinus kísérletét. Tollából született meg az első tudományos értekezés a mágnesességről, „De Magnete” címen.

Gilbert nem kevesebbet állított, mint hogy a Föld egy hatalmas mágnes. Johannes Kepler Gilbert levelezőpartnere volt, és az ő ötlete nyomán vetette fel, hogy a bolygók mozgása mágneses erőkre vezethető vissza.

Aztán jött Newton, és mivel se az alma, se az ő feje nem volt mágneses, inkább gravitációs erővel magyarázta a jelenséget, alapjaiban változtatva meg a fizika tudományát.

Mikor és kik fedezték fel az elektromágnest?

Az elektromágnesesség felfedezése alapvetően a fizikában három jól ismert névhez kapcsolódik – a tényleges felfedezője iránti tiszteletből kapta a mágneses mező mértékegysége a CGS-rendszerben az oersted nevet. Jele: Oe.

A 19. századra jutott el a nyugati tudomány odáig, hogy az új felfedezések részben pontosították, részben megkérdőjelezték és felülírták a korábban elfogadott elméleteket.

A mágnesesség terén elsőként Hans Christian Ørsted, dán fizikus és kémikus fedezte fel 1819-ben, hogy egy réztekercsen átfolyó elektromos áram mágneses mezőt hoz létre maga körül.

1825-ben André-Marie Ampère a mágnesesség olyan modelljét dolgozta ki, amelyben ez az erő a mágneses töltés dipólusai helyett a folyamatosan áramló áramhurkoknak köszönhető.

Végül pár évre rá, 1831-ben Michael Faraday angol tudós mutatta ki, hogy a változó mágneses tér elektromos mezőt hoz létre – azaz felfedezte az elektromágneses indukciót, amelyet Faraday indukciós törvényének (más néven Faraday-törvénynek) hívunk.

Miért van mágneses mező a Föld körül?

A Föld mágneses mezeje, más néven geomágneses mező, az a mágneses mező, amely a Föld belsejéből az űrbe nyúlik ki, ahol kölcsönhatásba lép a napszéllel, a Napból származó töltött részecskék áramával.

A Föld mágneses mezeje ténylegesen több tízezer kilométerre terjed ki az űrbe – ezt a térséget nevezzük magnetoszférának. A Föld forgástengelyéhez képest nagyjából 11 fokkal megdöntött rúdmágneshez hasonlít.

Azt mindenki megtanulja az iskolában, hogy a Föld magja egy hatalmas, olvadt vasgolyó – amint azt is, hogy a vas mágnesezhető. Márpedig egy gigantikus mágnesgolyó az elég erőteljes mágneses mezővel bírna, igaz?

Csakhogy akad ezzel a képpel egy „kis” gond

A mágnesek nem minden hőfokon mágnesesek.

Az olvadt vas hőmérséklete magasabb a Curie-pontjánál, ami a vas esetében körülbelül 770 °C. Márpedig a Curie-hőmérséklet (T_c) felett a ferro- és ferrimágneses anyagok, mint amilyen a vas és a nikkel, elveszítik mágnesességüket és paramágnessé változnak.

Másként megfogalmazva, a Föld magja túl forró ahhoz, hogy mágneses legyen. A jelenséget a fizipedia.bme.hu oldalán látható videó mutatja be egészen szemléletesen.

A paramágnes szó persze nem azt jelenti, hogy valaki vonzza a félelmetes dolgokat – ezt a kifejezést Faraday alkotta meg még a 19. század során (a Curie-pontot pedig Pierre Curie fedezte fel 1895-ben).

De ha az olvadt vasmag nem mágneses, akkor hogyan lehet mágneses mezeje a Földnek?

A Föld magja lényegében egy gigantikus elektromágnes

A Föld mágneses mezejét nem a vasmag (pontosabban olvadt vas és nikkel keveréke) mágnesessége okozza, hanem ezek konvekciós áramlásai, azaz hőáramlásai, amelyek elektromos áramlatokat hoznak létre: ezeket a konvekciós áramlatokat a magból kiszabaduló hő okozza. Ezt a természetes folyamatot nevezzük geodinamónak.

Ezek az áramlatok több száz kilométeres átmérővel bírnak, és óránként több ezer kilométeres sebességgel áramlanak, ahogy a Föld forog. Az erőteljes mágneses mező áthalad a földkérgen, és kiterjed a bolygó körüli űrbe is.

Mekkora erejű és kiterjedésű a Föld mágneses mezeje?

A geomágneses mező erejét alapvetően két tényező befolyásolja: a Föld forgási sebessége és a folyékony mag mérete. Ezek bármelyike lenne nagyobb, úgy a mágneses mező is erősebb volna.

A Föld mágneses terének nagysága a felszínen 25 és 65 μT (0,25 és 0,65 gauss) között mozog. Ez bőven elegendő ahhoz, hogy a Napból átlagosan érkező napszéltől megóvja a légkört és a felszínen élőket, ugyanakkor a kivételesen erős napkitörések már komolyabban károsíthatják mind a műholdakat, mind az elektromos hálózatokat.

A kiterjedése már más kérdés: az ugyanis végtelen. Minden mágneses mező a végtelenségig terjed, de a forrástól való távolsággal gyengül, így hétköznapi értelemben véve ténylegesen beszélhetünk véges kiterjedésről.

Mi az az elektromágnes?

Amikor egy huzal mágneses térben mozog, a mező áramot indukál a huzalban. Megfordítva, a mágneses mezőt egy mozgásban lévő elektromos töltés is létrehozhatja. Ez összhangban van Faraday indukciós törvényével, amely az elektromágnesek, elektromotorok és generátorok alapja.

Az egyenes vonalban, például egy egyenes dróton keresztül mozgó töltés által létrehozott mágneses mező spirálisan kering a drót körül. Ha a huzal hurokká alakul, a mező fánk vagy tórusz alakúvá válik. Ez a kettő fogalom lényegében csereszabatos, bár egy pékségben azért furán fognak nézni rád, ha egy lekváros tóruszt kérsz.

Ez a mágneses mező nagymértékben fokozható, ha egy ferromágneses fémmagot helyezünk a tekercs belsejébe.

Egy mágnes körüli tekercset is lehet változó frekvenciájú és amplitúdójú mintázatban mozgásra késztetni, hogy áramot indukáljunk egy tekercsben. Ez az alapja számos eszköznek, leginkább a mikrofonnak. A hang hatására a membrán a változó nyomáshullámokkal együtt ki-be mozog.

Mi a mágneses mező szerepe a Földön?

Ha ezt a cikket olvasod, tudhatod, részben a Földet körülvevő mágneses mezőnek köszönhetően teheted meg. Bolygónkon az értelmes élet elképzelhető ugyan geomágneses mező nélkül is, ám ennél hihetőbb sci-fi témákból szoktak könyvet írni.

Több bizonyíték (például ausztrál cirkonkristályok és párnabazalt paleomágneses vizsgálata) is azt mutatja, hogy a Föld mágneses mezeje már legalább 3,5 milliárd évvel ezelőtt is létezett. Az ausztrál cirkon apró szemcséi bizonyítékot rejtenek arra, hogy mágneses pajzsunk nagyon hamar a bolygó kialakulása után aktív volt.

A Föld mágneses terének erőssége és iránya sokat változott az évezredek során. A mágneses mező kialakulásának pontos idejének meghatározása segíthet a tudósoknak kideríteni, hogy kezdetben mi generálta azt.

Mióta létezik mágneses mező a Föld körül?

Felröppent ugyan a hír, hogy akár még korábban is kialakulhatott a geomágneses mező, de egy MIT által vezetett csoport arra a következtetésre jutott cirkonok vizsgálatával, hogy az általuk gyűjtött kristályok megbízhatatlanok az ősi mágneses mezők pontos meghatározása szempontjából.

Jelenleg nincs szilárd bizonyíték a 3,5 milliárd évvel ezelőtti időszakot megelőzően mágneses mezőre, és még ha volt is mező, nagyon nehéz lesz bizonyítékot találni rá.

Hogyan mutatható ki a mágneses mező?

A mágneses mező kimutatására több eszköz is rendelkezésre áll – minden attól függ, hogy mennyire akarunk pontos, tiszta és bármikor prezentálható kimutatást.

A képen is látható vasreszelékes módszer például remekül használható oktatáshoz, ugyanakkor meglehetősen furán venné ki magát, ha valaki több millió tonna vasreszeléket szórna a világűrbe, hogy szemléltesse vele a bolygó körüli mágneses mezőt!

A Föld magnetoszféráját akkor is érzékelni lehet, ha nem áll hozzá rendelkezésre műszer. Egyes állatok, kiváltképpen a költöző madarak vagy éppen a galambok, képesek érzékelni a mágneses erővonalakat és ezeket használják tájékozódásra.

Nem mellékesen, a Föld mágneses mezejének változása és a mágneses pólusok vándorlása valószínűleg elsőként ezeket a madarakat fogja érinteni hátrányosan.

Persze, madarakat még annyira nem érdemes az űrbe vinni a geomagnetoszféra kimutatására. Helyettük inkább műholdakat használunk.

Magyar kutatók tárhatják fel az egyik mágneses anomália okát

Viszonylag friss hír, hogy három magyar kutató, Kiss János, Szarka László és Prácser Ernő a tanulmányukban vizsgálják a kéreganomáliákat.

A Curie-hőmérsékleti fázisátalakulás geofizikai következményei című tanulmányukban a Curie-hőmérsékleten jelentkező fázisátalakulást ismertetik, illetve az ennek kísérőjeként megjelenő, rendkívüli módon megnőtt mágneses szuszceptibilitást (Hopkinson-effektust), mint a mélybeli mágneses és jól vezető kéreganomáliák egy lehetséges magyarázatát.

Az ilyen új felfedezések alapjaiban írhatják át azt, amit a világunkról tudunk. Például 2020-ban jelent meg egy tanulmány a Science Advances-ban a fiatal Hold mágneses mezejéről, ami a korai időkben védelmezte a bolygót a napszéltől – mikor a Föld még nem rendelkezett kellően erős magnetoszférával.

Az Apollo holdminták azt mutatják, hogy a Hold saját magnetoszférát hozott létre, amely ~4,25-2,5 milliárd évvel ezelőtt bírt kellő erővel.

A mágneses mező topológiai modellezések eredményei egy kritikus és eddig fel nem ismert feltételt mutattak be: a Föld és a Hold magnetoszférája együttesen védték a fiatal Földet és a lassan kialakuló légkörét.

Mit szükséges tudni a Föld mágneses pólusairól?

A legegyszerűbb úgy elképzelni a magnetoszféra tengelyét, mintha egy mágnesrudat helyeznénk rá a Földre, amely jelenleg a Föld forgástengelyéhez képest körülbelül 11 fokos szögben dől el. Ráadásul még a pólusai sem úgy állnak, ahogy egy iránytűre először nézve gondolnánk – és még vándorol is.

Ami bizonyos: 2015-ben az északi geomágneses pólus a kanadai Nunavutban található Ellesmere-szigeten volt.

A mágneses északi pólus valójában délen van

Ha egy pillanatra elgondolkodunk rajta, rájövünk, hogy a Föld északi féltekéjén a mágneses pólusnak déli polaritásúnak kell lennie.

Ezért az északi geomágneses pólus valójában a Föld mágneses terének déli pólusát jelenti, és fordítva, a déli geomágneses pólus a Föld mágneses terének északi pólusának felel meg.

Az északi féltekén az iránytű észak felé mutat, de Ez azért van így, mert az iránytű északi típusú mágnesességét a Föld déli típusú mágnesességének kell vonzania ahhoz, hogy „megkeresse” az északi pólust.

Milyen változásokon megy keresztül jelenleg a mágneses mező?

Rögtön érdemes leszögezni, mielőtt bárki rettegve atombunker építésébe kezdene, hogy a geomagnetoszféra azóta változik folyamatosan, amióta létrejött.

Az Európai Űrügynökség (ESA) által 2013 novemberében indított, három műholdból álló Swarm konstelláció új betekintést nyújtott a Föld globális mágneses mezejének működésébe.

Az első képen a Föld mágneses terének átlagos erőssége a felszínen (nanoteslában mérve) 2014. január 1. és június 30. között, míg a másodikon a mező ugyanezen időszak alatt bekövetkezett változását láthatjuk.

Bár a második kép színei ugyanolyan élénkek, mint az elsőé, a legnagyobb változások plusz-mínusz 100 nanotesla erősségűek voltak egy 60 000 nanoteslát elérő mezőben.

Mi a változások oka? Mik lehetnek a következmények?

A változás legfőbb okai a Földben és a naprendszerben lezajló folyamatok, mint például a naptevékenységek.

„A naptevékenység ma már vitathatatlanul az egyik fontos meghatározója a globális klíma alakulásának, a Nap valós tevékenységének fontosságát a megelőző évszázadban aligha lehet túlbecsülni.” – olvasható a Geoelektromágnesség és a változó Föld című tanulmányban az MTA oldalán.

Ahogy a mag mozgása az idők során változik, az összetett geodinamikai feltételek is változnak a magon belül és a szilárd köpeny határán, ezáltal a mágneses mező térben és időben is ingadozik.

Ezek a magban lejátszódó dinamikus folyamatok kihatnak a bolygót körülvevő mágneses mezőre, létrehozva a mágneses pólusok dőlésszögének változását, azaz a mágneses pólusok elmozdulását, amelyek egy bizonyos idő múltával akár fel is cserélődhetnek.

Ezt nevezzük pólusváltásnak.

Tényleg „mindmeghalunk” egy pólusváltás során?

Manapság egyre többször hallani arról, hogy közeleg a pólusváltás, és ahogy megcserélődik a Föld geomágneses pólusai, eljön a világvége. Ez természetesen nem igaz – a történelem során többször is előfordult már.

Sokan keverik ugyanis a mágneses mező megszűnésével. Na, akkor tényleg bajban volnánk. A póluscsere így sem leányálom, rengeteg anomáliával, a meggyengült tér miatt a Napból érkező hatások erősebb következményeivel zajlik le.

A pólusváltás klímaváltozást okozna és súlyos gazdasági válságot, nem fajkihalást

Mindazonáltal ez meglehetősen távol áll a tömeges fajkihalástól! Ha igaz volna, hogy egy pólusváltás során kipusztul az emberiség, akkor már a közvetlen történelem előtti időkben véget ért volna az ember története.

A Föld mágneses pólusai ugyanis legutóbb 42 000 évvel ezelőtt cseréltek térfelet és ez hatalmas klímaváltozást okozott. Kipusztult az élővilág? Nem, másfelől igencsak nyomot hagyott a bioszférán a változás. A Laschamp eseménynek nevezett változás mintegy ezer évig tartott. A fordított fázis a mágneses tér erősségének helyreállásával járt együtt.

A geomágneses pólusmozgás évente akár fél szélességi fokot is kitehetett, ami azt jelenti, hogy földtörténeti léptékben valósággal száguldottak a pólusok.

Mi várható tehát, ha most élnénk át egy pólusváltást? Nos, az biztos, hogy károsan érintene mindent, ami elektronikus. Egy-egy napkitörés alkalmával masszív áramszünetek, telekommunikációs akadozás, gyakrabban meghibásodó műholdak mind jelentős gazdasági károkat okoznának és persze a mágneses tájolókat is elfelejthetnénk.

Bizonyosan lenne egy olyan időszak, amikor az UV sugárzás is megnövekszik, az éghajlat is igencsak kaotikussá válna és akadozna az internet – magyarán nem sokban különbözne egy átlag magyar hétköznaptól!

Dr. Rónay P. Tamás | Korábbi egyetemi oktató, szövegíró. Főként humán, illetve természettudományos cikkeket ír. Otthonosan mozog az okostechnológiák és megújuló erőforrások, zöld technológiák világában.