Alaskan ja Siperian välillä kulkee vuolas virta idästä länteen. Tämä erikoinen virta sijaitsee maan alla kolmentuhannen kilometrin syvyydessä eikä siinä loisku vesi vaan sula rauta.
Rautavirta on 540 kilometriä leveä, ja se liikkuu noin viisi metriä tunnissa eli 50 kilometriä vuodessa.
Tosin tahti on kiihtymässä, kertovat brittiläisen Leedsin yliopiston ja Tanskan teknillisen yliopiston tutkijat.
Virtaus etenee nyt kolme kertaa niin nopeasti kuin vain 15 vuotta sitten, ja se on nopeampi kuin mikään muu tunnettu maanalainen virtaus.
Yhdessä muiden havaintojen kanssa rautavirta viittaa vahvasti siihen, että maapallon ytimessä tapahtuu paljon enemmän kuin on oletettu.
Samalla se tarkoittaa sitä, että maapalloa ympäröivä magneettikenttä on nopeasti muuttumassa.
Magneettiset navat ovat ehkä vaihtamassa paikkaa. Sillä voi olla vakavia seurauksia.
Virtaava rauta suojaa Maata
Maapallon magneettikenttä saa alkunsa ytimen sulan ulkokerroksen liikkeistä. Metallin virtaukset synnyttävät sähkövirtaa, joka luo magneettikentän Maan ympärille. Magneettikenttä ohjaa esimerkiksi aurinkomyrskyissä vapautuvat säteilyhiukkaset Maan ohi. Ilman sitä vaarallinen säteily pääsisi Maan pinnalle.
Sula rauta jähmettyy ytimessä
Ytimen sulasta ulko-osasta virtaavametalli jähmettyy ytimen kiinteän sisäosan pintaan. Samalla vapautuu energiaa, joka luo ylös- ja alaspäin kulkevia virtauksia ulkoytimen sulaan rautaan. Virtaukset ovat samanlaisia kuin ne, joitamuodostuu kiehuvaan veteen.
Kiertoliike luo pyörteitä
Niin sanottu coriolisvoima, jonka Maan pyörimisliike aiheuttaa, saa pystysuorat sulan raudan virtaukset kiertymään vastakkaissuuntaisiksi pyörteiksi.
Navoilla suoja pettää
Sulan raudan pyörteet synnyttävät magneettikentän, joka suojaa Maata säteilyltä. Kosmiset säteilyhiukkaset pääsevät kuitenkin läpi navoilla, missä magneettikentän kenttäviivat kulkevat lähes pystysuoraan. Ilmakehään törmätessään hiukkaset saavat aikaan revontulia.
Maan suoja heikkenee
Rautavirta löydettiin Euroopan avaruusjärjestön Esan Swarm-satelliiteilla.
Satelliittikolmikko havaitsi poikkeamia Maan magneettikentässä.
Poikkeamat voivat ennustaa muutakin kuin maanalaisia metallivirtoja.
Maapallon magneettinen pohjoisnapa on kahdentuhannen viime vuoden aikana liikkunut edestakaisin maantieteellisen pohjoisnavan ympärillä noin 15 kilometrin vuosivauhtia.
Magneettikenttää tutkivat Esan Swarm-satelliitit lähetettiin Maata kiertävälle radalle venäläisen kantoraketin kyydissä vuonna 2013.
1860-luvun jälkeen Maan magneettikentän voimakkuus on heikentynyt noin kymmenesosan.
Tutkijoilla onkin kiire selvittää, miten magneettikenttä syntyy ja ennen kaikkea mitä tapahtuu, jos se vielä heikkenee tai jopa katoaa kokonaan.
Sen verran tiedetään, että magneettikenttä syntyy pääosin Maan ytimen sulassa ulko-osassa tapahtuvien virtauksien seurauksena.
Satelliittien havaitsema rautavirta on yksi näistä virtauksista, jotka pitävät ytimen dynamon käynnissä. Dynamo käy kuitenkin epätasaisesti.
Geologiset tutkimukset osoittavat, että magneettikenttä voi välillä kadota lähes kokonaan ja vaihtaa suuntaa niin, että kompassineula näyttääkin kohti etelää pohjoisen sijaan.
Satelliittikolmikko kartoittaa magneettikenttää
Swarm-satelliitiit Alpha, Bravo ja Charlie toimivat joukkueena.
Niiden tehtävänä on mitata Maan magneettikentän voimakkuus ja määrittää sen suunta.
Yhteistyössä kolme satelliittia tuottaa kymmenen kertaa tarkemmat mittaustulokset kuin yksi.
Jo muutamassa vuodessa Swarm-kolmikko on saanut selville muun muassa, että Siperian ja Alaskan alla Maan ulkoytimessä kulkee kasvava virta sulaa rautaa.
Toinen tärkeä havainto on se, miten ilmakehän yläosien virtaukset häiritsevät paikannussatelliitteja. Viime huhtikuussa Swarm rekisteröi yläilmakehässä 3 000-asteisia kaasuvirtauksia, jotka kulkivat 300 kilometriä tunnissa.
Kaikissa kolmessa satelliitissa on magneettikenttää mittaava magnetometri. Alpha ja Charlie kiertävät rinnakkain 450 kilometrin korkeudella Maan pinnasta. Ne ylittävät pohjois- ja etelänavan 6–9 kertaa vuorokaudessa.
Myös Bravon rata kulkee napojen yli, mutta se kulkee 80 kilometriä korkeammalla
Kaikki kolme satelliittia tarkastelevat magneettikenttää eri kulmasta. Siksi mittaukset ovat aiempia tarkempia. Niistä käy muun muassa ilmi, miten Maan ydin ja kuori vaikuttavat magneettikenttään.
Aasian alla virtaa rautaa
Swarm-satelliitit ovat kartoittaneet Maan magneettikentän tähänastista tarkemmin. Yksi keskeisistä havainnoista oli se, että Aasian alla sijaitsee sulasta raudasta koostuva virtaus, joka liikkuu idästä länteen ja voimistuu vuosi vuodelta. Virtaus paljastaa, että Maan ydin ja magneettikenttä ovat oletettua dynaamisempia.
Tutkijat eivät osaa sanoa varmasti, onko nyt meneillään napojen vaihdos, mutta se tiedetään, että navat ovat vaihtaneet paikkaa monta kertaa. Viimeksi näin kävi 780 000 vuotta sitten.
Vaihdosten tiheys vaihtelee, mutta keskimäärin niitä on ollut 370 000 vuoden välein.
Ihmiskunta ja nykytekniikka ovat monella tapaa riippuvaisia vahvasta ja vakaasta magneettikentästä.
Maahan kohdistuu avaruudesta jatkuva runsasenergiaisten hiukkasten pommitus, jonka magneettikenttä ohjaa Maan ohi.
Vain navoilla, missä magneettikentän kenttäviivat ovat lähes kohtisuorassa, hiukkaset tulevat yläilmakehään ja saavat siellä aikaan revontulia.
Jos magneettikenttä heikkenee esimerkiksi napojen vaihtuessa, myös suoja kosmisia hiukkasia vastaan heikkenee ja yhä enemmän säteilyhiukkasia pääsee Maan pinnalle asti.
Sen seurauksena tietokoneet laskisivat väärin, monet tekniset laitteet rikkoutuisivat, sähkönjakelu takkuaisi ja vakavat sairaudet yleistyisivät.
Satelliittien hienomekaniikkaa
Tähtikameran avulla satelliitti määrittää asentonsa avaruudessa, jotta magneettikentän suunta voidaan mitata mahdollisimman tarkasti.
Magnetometri määrittää magneettikentän suunnan.
Magnetometri, joka mittaa magneettikentän voimakkuuden, on pitkän varren päässä, jotta satelliitin elektroniset laitteet eivät vääristä mittaustulosta.
Laserreflektori mittaa etäisyyden Maan pintaan. Virhemarginaali on vain 2 senttiä.
GPS-antennit määrittävät satelliitin aseman ja ovat siksi tarpeen, jotta mittaus on mahdollisimman täsmällinen.
Syöpä iski neandertalilaisiin
Napojen vaihdoksen syytä ei vielä tarkkaan tiedetä. Yksi teoria menee niin, että 3 000–5 000 kilometrin syvyydessä syntyy alueita, joilla magneettikenttä on erisuuntainen kuin maapallon kenttä.
Tällainen alue tiedetään olevan muun muassa Etelä-Afrikan alla. Kun nämä alueet kasvavat kyllin laajoiksi, ne mullistavat koko planeetan magneettikentän.
Silloin Maan magneettikenttä voi syntyä uudestaan joko alkuperäisen suuntaisena tai navat vastakkaisilla paikoilla.
Jotta voi syntyä alueita, joilla on käänteinen paikallinen magneettikenttä, ulkoytimen virtauksien energian ja materian täytyy vaihdella.
Tietokonemallien perusteella tiedetään, että napojen vaihdosta ei tapahdu, jos Maan ydin on symmetrinen ja koostumukseltaan yhtenäinen.
Jos taas malliin lisätään epäjärjestystä ja epäsymmetrisyyttä, navat vaihtavat paikkaa.
Napojen vaihtuminen tuottaa kaaoksen
Kun maapallon magneettiset navat vaihtavat paikkaa, magneettikenttä hajoaa. Tietokonemallit osoittavat, että magneettikentän voimakkuus laskee kymmenesosaan ja syntyy useita pieniä paikallisia magneettikenttiä.
Silloin esimerkiksi suunnistaminen kompassin avulla on mahdotonta. Napojen kääntyminen kestää ainakin tuhat vuotta, mikä tosin geologian näkökulmasta on ohikiitävä hetki.
Tietokonemallien mukaan kiinteä ydin jää vanhan magneettikentän mukaiseksi.
Magneettikentässä on pohjois- ja etelänapa. Kenttäviivat kulkevat navoilta poispäin Maasta. 500 vuotta ennen napojen vaihtumista kenttäviivat alkavat muuttua.
Navanvaihdoksen aikana kenttäviivat kulkevat sattumanvaraisesti ja pohjois- ja etelänapoja on useita. 500 vuoden kuluttua magneettikenttä on taas järjestyksessä.
Napojen vaihdos kestää tuhannesta 20 000 vuoteen, mutta kehitys ei ole tasaista.
Maan magneettikenttä hajoaa moneksi pieneksi kentäksi, jolloin yhtä aikaa voi vaikuttaa useita magneettisia etelä- ja pohjoisnapoja.
Silloin suunnistaminen kompassin avulla on mahdotonta.
Sinä aikana, kun magneettiset navat vaihtavat paikkaa, magneettikenttä heikkenee yli 90 prosenttia.
Niinä vuosisatoina tai -tuhansina, jolloin kenttä on heikoimmillaan, maapallo altistuu voimakkaalle kosmiselle säteilylle. Tällainen vaihe on saattanut vaikuttaa ihmislajin kehitykseen.
Kiveen jää jälkiä napojen vaihtumisesta
Magma nousee merenpohjan keskiselänteissä kuoren läpi. Merenpohjassa magma jähmettyy ja sen magneettiset yhdisteet asettuvat magneettikentän suuntaisesti.
Magneettikentän navat vaihtavat paikkaa, ja uuden merenpohjan magneettiset yhdisteet asettuvat uuden kentän suuntaisesti.
Magneettikentän historian voi lukea merenpohjasta. Kun eri kiviainesten ikä on määritetty, niiden magneettisten yhdisteiden suunnasta voidaan nähdä, milloin magneettiset navat ovat vaihtaneet paikkaa.
Näin uskovat ranskalaiset Jean-Pierre Valet ja Hélène Valladas, jotka ovat tutkineet viime jääkauden aikana 41 000 vuotta sitten vallinnutta tilannetta.
Silloin neandertalinihmisten määrä Euroopassa romahti. Samaan aikaan tapahtui poikkeama magneettikentässä.
Tällaisen poikkeaman aikana navat voivat väliaikaisesti vaihtua, mutta sitten magneettikenttä palaa ennalleen.
Niin sanotun Laschampin geomagneettisen tapahtuman aikana magneettiset navat vaihtelivat edestakaisin 250 vuoden ajan ja magneettikenttä menetti 95 prosenttia voimakkuudestaan.
Tästä seurasi muun muassa, että Euroopan yläpuolella otsonikerros heikkeni ja Maan pinnalle pääsi entistä enemmän syöpää aiheuttavaa Auringon ultraviolettisäteilyä.
Timanttialasin kertoo Maan ytimen oloista
Timanttialasimessa on kaksi timanttia, jotka puristetaan toisiaan päin kärjet vastakkain. Kärkien väliin syntyvä satojen gigapascalien paine vastaa Maan ytimen olosuhteita. Kärkien välissä on mikroskooppisen pieni kappale rautaa. Se kuumennetaan lasersäteellä yli 5 000 asteeseen. Tällöin raudan kappaleesta lähtee voimakas röntgensäde, joka tuottaa alla olevalle levylle kuvion. Kuviosta voidaan päätellä, miten rauta käyttäytyy vastaavissa olosuhteissa Maan sisuksissa.
Lisääntynyt säteily ei yksinään selitä neandertalinihmisten katoamista, mutta Valet ja Valladas uskovat, että se heikensi heitä niin, että he eivät enää kestäneet jääkauden tuomaa rajua ilmastonmuutosta ja kilpailua nykyihmisten kanssa.
Ratkaisun hetki vuonna 2034
Valet'n ja Valladasin teorian tekee mielenkiintoiseksi se, että maapallon magneettikentän nykykehitys muistuttaa monella tapaa Laschampin tapahtuman alkua.
Magneettikentän voimakkuus laskee nopeasti, ja ulkoytimessä on syntymässä yhä isompia alueita, joilla magneettikentän suunta on vaihtunut. Ehkä jo muutaman vuosisadan kuluttua maapallon säteilysuoja on kadonnut.
Hiukkaspommitus lähes valon nopeudella
Säteilyvaara.
Maahan osuu jatkuvasti kosmista säteilyä. Se koostuu muun muassa runsasenergiaisista hiukkasista, jotka ovat peräisin supernovaräjähdyksistä. Hiukkaset kulkevat lähes valon nopeudella, mutta magneettikenttä pysäyttää niistä suurimman osan.
Voimakkuus.
Magneettikentän vahvuuden ilmaisee dipolimomentti, jonka yksikkö on ampeerineliömetri (Am2). Jääkaappimagneetin dipolimomentti voi olla 1 Am2. Maan magneettikentän voimakkuus on 8 x 1022 Am2.
Italialais-kiinalainen tutkijaryhmä on jopa laskenut, milloin tiedetään varmasti, ovatko navat vaihtumassa: vuonna 2034.
Jos Maan ytimessä tapahtunut magneettinen mullistus ei ole siihen mennessä lakannut, magneettikentän romahdus on väistämätön.
Jos aiomme välttää neandertalilaisten kohtalon, on jo korkea aika alkaa valmistautua säteilysuojan pettämiseen.