geomagnetismin abc-kirja

214 Pages·2009·4.26 MB·Finnish

by  Heikki Nevanlinna

RAPORTTEJA
RAPPORTER
REPORTS
2009:1
GEOMAGNETISMIN ABC-KIRJA
Heikki NevaNliNNa
ilmatieteen laitos iSBN 978-951-967-687-0
erik Palménin aukio 1, Helsinki iSSN 0782-6079
tel. [phone] Yliopistopaino
www.fmi.fi Helsinki 2009
RAPORTTEJA
RAPPORTER
REPORTS
2009:1
GEOMAGNETISMIN ABC-KIRJA
Heikki Nevanlinna
Ilmatieteen laitos
Meteorologiska Institutet
Finnish Meteorological Institute
Helsinki 2009
ISBN 978-951-967-687-0 (nid.)
ISBN 978-951-967-688-7 (pdf)
ISSN 0782-6079
Yliopistopaino
Helsinki 2009
Julkaisusarja: Raportteja 2009:1
Julkaisija Ilmatieteen laitos, ( Erik Palménin aukio 1)
PL 503, 00101 Helsinki Julkaisuaika 9.4.2009
Tekijä(t) Projektin nimi
Heikki Nevanlinna
Toimeksiantaja
Nimeke: Geomagnetismin ABC-kirja
Tiivistelmä
Tähän raporttiin on koottu perustietoa geomagnetismista, joka on Ilmatieteen laitoksen vanhin havainto- ja tutki-
muskohde. Esityksen sisältö perustuu pääosin julkaisun laatijan pitämiin luentoihin Helsingin yliopiston geofysii-
kan opetusohjelmassa 1980-luvulta lähtien. Mukana on aiheeseen liittyviä tuloksia Ilmatieteen laitoksessa
tehdyistä tutkimuksista ja havainnoista geomagnetismin alalta erityisesti Suomen alueelta.
Julkaisijayksikkö: Havaintopalvelut & Viestintä
Luokitus (UDK) Asiasanat: Geomagnetismi, geofysiikka,
avaruusilmasto
ISSN ja avainnimike: 0782-6079
ISBN: 978-951-967-687-0 (nid.), 978-951-967-688-7 (pdf) Kieli: Suomi
Myynti Sivumäärä: 204 Hinta
Ilmatieteen laitos / Kirjasto
PL 503, 00101 Helsinki Lisätietoja

Esipuhe
Tässä raportissa käsitellään geomagnetismin tieteellisiä perusteita ja sovelluksia.
Esillä on koko maapallon, mutta mukana ovat myös Suomen alueen magneettikentän
tarkastelut. Julkaisu on laajennettu laitos samaa aihepiiriä käsittelevästä raportista
"Perustietoa geomagnetismista" (NEVANLINNA, 2001a).
Risto Pirjola, Johannes Kultima (Sodankylän geofysiikan observatorio) ja Kari
Pajunpää ovat tehneet käsikirjoitukseen lukuisia korjauksia ja muutosehdotuksia.
Terttu Sallinen on tuottanut Suomen magneettiset kartat (Luku 6.2). Kaikesta tästä
avusta olen heille suuresti kiitollinen.
Helsingissä, Mikael Agricolan päivänä 9.4.2009
Heikki Nevanlinna

7
SISÄLLYSLUETTELO
Sivu
1 JOHDANTO 9
2 GEOMAGNETISMIN PERUSMÄÄRITELMIÄ 12
2.1. Magneettikenttä vektoreina 13
2.2 Magneettikentän vaihtelujen lähteet 15
3 MAAPALLON DIPOLIKENTTÄ 17
3.1 Aksiaalinen dipolimalli 18
3.2 Kallistettu keskeisdipoli 21
3.3 Epäkeskiset dipolit 24
4 MAGNEETTIKENTÄN MULTIPOLIESITYS 27
4.1 Magneettikentän keskiarvo 32
4.2 Kansainvälinen geomagneettinen referenssikenttä (IGRF) 35
4.3 Maapallon magneettiset kartat 38
5 DIPOLIKENTTÄ JA SEN AIKAMUUTOKSET 56
5.1 Dipolikenttä osana multipolimallia 56
5.2 Dipolikentän napaisuuden käännökset 62
5.3 Maapallon magneettiset navat 65
5.4 Magneettikentän ulkoiset lähteet multipoliesityksessä 71
5.5 Ulkoisen ja sisäisen osuuden erottaminen
magneettikentän havainnoista 73
6 ALUEELLISTA LAAJUTTA OLEVAT MAGNEETTIKENTÄN
MITTAUKSET JA MALLIT 75
6.1 Rajoitetun alueen magneettikentän mallit 77
6.2 Kalottiharmoninen malli ja Suomen magneettiset kartat 79
7 MAGNEETTIKENTÄN DEKLINAATION AIKAVAIHTELUT 92
7.1 Kompassi 92
7.2 Mihin kompassi osoittaa? 99
7.3 Kompassin erantolukemien hitaat muutokset 102
8 MAAPALLON MAGNEETTIKENTÄN SYNTYMEKANISMIT 106
8.1 Varhaisia teorioita 106
8.2 Sähkömagnetismi ja geomagnetismi 112
8.3 Geodynamo magneettikentän selittäjänä 114
8.4 Magneettikentän liike ytimessä 118
9 PLANEETTOJEN MAGNEETTIKENTISTÄ 122
8
10 MAGNEETTIKENTÄN MITTAAMISESTA 126
10.1 Magnetometrit 128
10.2 Observatoriomittaukset 133
11 GEOMAGNEETTINEN AVARUUSSÄÄ 141
11.1 Häiriöindeksit 142
11.2 Auringon aktivisuuden jaksollisuudet 145
11.3 Magneettisten myrskyjen esiintymistilastoja 147
11.4 Avaruussää ja ilmastonmuutos 154
11.5 Avaruussäähäiriöt ja indusoituneet sähkövirrat (GIC) 165
11.6 Avaruussään vaikutuksia eläinkunnassa 168
12 GEOMAGNETISMIN TUTKIMUKSEN ALKUVAIHEITA
SUOMESSA 169
12.1 Magneettisia mittauksia 1700- ja 1800-luvuilla 170
12.2 J.J. Nervander – Suomen geomagnetismin “isä” 172
12.3 Helsingin magneettinen observatorio 176
12.4 Sodankylän magneettisen observatorion perustaminen 180
12.5 Nurmijärven magneettisen observatorion perustaminen 184
13 GEOMAGNETISMIN HISTORIAN KRONOLOGIAA 1900-LUVUN
ALKUUN SAAKKA 187
LÄHDELUETTELO 190
9
1 JOHDANTO
Geomagnetismi tieteenalana ja oppiaineena kuuluu geofysiikan piiriin. Sen kohteena
ovat maapallon magneettiset ominaisuudet ja ilmiöt (Kuva 1.1). Geomagnetismi voi-
daan nähdä myös osana yleistä fysiikan tutkimusta, jolloin kyseessä on sähkömag-
netismia soveltavaa fysiikkaa maapallon olosuhteissa. Toisaalta geomagnetismi, sil-
loin kun sen kohteena ovat maapallon pintakerroksien magneettiset ainesosat, liittyy
läheisesti geologiaan maaperän rakennetutkimuksissa. Geomagnetismilla on yhtymä-
kohtia muihin geotieteisiin, esimerkiksi seismologiaan ja geodesiaan selvitettäessä
maapallon ydinosan (2900 km syvyydessä) fysikaalisia ominaisuuksia. Valtaosa
maapallon magneettikentästä aiheutuu nesteytimessä kiertävistä sähkövirroista, joiden
voimakkuus on giga-ampeerien luokkaa.
Geomagnetismi liittyy myös avaruustutkimukseen, koska maapallon ilmakehän
ylimmät kerrokset, ionosfääri ja magnetosfääri 100 km korkeudesta ylöspäin, synnyt-
tävät voimakkaita ja ajallisesti nopeasti vaihtelevia magneettikenttiä. Näiden avulla,
yhdessä monien muiden geofysikaalisten mittausten kanssa, pyritään selvittämään
maapallon lähiavaruuden sähköisiä ja magneettisia ilmiöitä kuten esimerkiksi revon-
tulien syntyä. Laajemmassa mielessä kyse on silloin aurinko-maa vuorovaikutuksien
tutkimuksesta, koska auringon oma magneettikenttä ja aurinkoperäiset hiukkaset
(aurinkotuuli) ja niiden vuorovaikutukset maapallon magnetosfäärin kanssa ovat
olennaisia tekijöitä revontulien ja monien muiden maapallon lähiavaruuden säh-
kömagneettisten ilmiöiden syntymisessä. Aihepiirin kokonaisuutta kutsutaan ava-
ruussääksi, kun tarkastellaan ilmiöitä, joiden kesto on muutamista tunneista päiviin,
avaruusilmastoksi tutkittaessa ilmiön hitaampia muutoksia vuosista vuosikymmeniin.
Geomagneettiset vaihtelut liittyvät myös ajankohtaiseen ilmastonmuutostutkimukseen
ja maapallon lämpötilaa nostattavan kasvihuoneilmiön voimistumiseen. Viimeaikaiset
tutkimustulokset ja auringon säteilyn satelliittimittaukset osoittavat, että maapallon
magneettikentän häiriöisyyden hitaat systemaattiset muutokset vuosikymmenien ai-
kana kertovat maapalloa lämmittävän auringon säteilyn pienistä heilahteluista, joilla
on oma osuutensa kasvihuoneilmiön muutoksien selitysmalleissa.