Afbeelding in de hoofding: visualisatie van het aardmagnetisch veld in interactie met het magnetische veld van de Zon. Bron: https://universemagazine.com/en/the-earths-magnetic-field-should-we-anticipate-issues-from-it/
Een kompas en een elektromagneet
Wie heeft als kind niet eens een kompas in handen gehad? Het bekijken van het naaldje dat zich ietwat aarzelend en spontaan naar het noorden ging richten was voor mij alleszins een memorabel moment van verwondering (zeker als ik ontdekte dat jer er gemakkelijk zelf eentje kon maken). Onze planeet heeft een onzichtbaar kenmerk dat overal ‘voelbaar’ is. Het gaat hier over het globaal magnetisch veld. Veel later leerde ik dat dit magnetisch veld van levensbelang is. Het beschermt het leven op Aarde tegen gevaarlijke straling van de Zon en andere kosmische straling. Het helpt bovendien vermijden dat de moleculen in onze atmosfeer gaan botsen met hoogenergetische zonnedeeltjes. Zulke botsingen geven sommige moleculen voldoende snelheid (en richting) om van de planeet te ontsnappen. We zullen later zien dat Mars op die manier het allergrootste deel van zijn atmosfeer is verloren. In het volgende item zullen we bekijken hoe uniek onze Aarde is met haar globaal magnetisch veld. Maar eerst stellen we de vraag: hoe kom je aan zo’n veld?
In de middelbare school leren we dat je een magneet kan maken door rond een ijzeren staaf een spoel te wikkelen met elektrisch geleidende draad. Vervolgens zet je elektrische stroom op die spoel, en hopla: je krijgt een sterke magneet op de ijzeren staaf. Als ik mij goed herinner werd er toen bij verteld dat de kern van de Aarde ook een magneet vormt volgens hetzelfde principe. De binnenkern is een vaste bol die vol met ijzer zit. De buitenkern bevat ook heel veel ijzer, maar is meer vloeibaar. Een ijzerrijke massa is een elektrische geleider, en bevat veel vrij bewegende ladingen (elektronen met lading -1), dus een ronddraaiende vloeibare ijzerkern is eigenlijk zoiets als een spoel waarin een elektrische stroom loopt. Dus zo moet de binnenkern dus wel hetzelfde zijn als de ijzeren staaf in ons schoollabo? Het klonk logisch, maar wanneer ik uit pure nieuwsgierigheid de zaak wat meer begon uit te diepen, bleek dit eenvoudige principe toch niet echt de juiste weergave van de feiten te zijn.
Een recept voor een planetair magnetisch veld
Ons planetair magnetisch veld is eigenlijk het totaal-effect van heel veel kleinere magnetische velden die allen in de vloeibare buitenkern van de Aarde ontstaan. En al de kleinere magneten kunnen ontstaan omdat de ijzerrijke massa in de buitenkern gedreven wordt door twee grote bewegingen: de opstijgende hetere ijzermassa van de ondergrens van de buitenkern naar de bovengrens met de mantel enerzijds, en de rotatie van de Aarde anderzijds. De combinatie van deze twee bewegingen veroorzaakt veel lokale kurketrekker-achtige stromen. De kern van zulke kurketrekker zal dan een plaatselijk magnetisch veld doen ontstaan. De meeste kurketrekkers liggen natuurlijk parallel met de aardas, aangezien de rotatie van de Aarde daar loodrecht op gebeurt. Daarom zal de som van al die plaatselijke magnetische velden een planetair veld geven waarvan de polen ongeveer naar de geografische polen wijzen.
De rotatie van de Aarde is één van de twee bewegingen die je nodig had om de kurketrekkers te vormen. De andere beweging is een stroming van de ondergrens naar de bovengrens van de buitenmantel (convectiecellen). Deze zijn aanwezig dankzij meerdere redenen:
- De binnenkern is minder snel afgekoeld sinds het ontstaan van de Aarde, en is dus heter dan de buitenkern. Daarom is de ondergrens van de buitenkern ook warmer dan erboven. De warmere materie die ertegen zit is dan ook lichter dan het iets koudere materiaal erboven.
- De vaste binnenkern groeit voortdurend aan. Aan de grens ervan is er een laag waar voortdurend nieuwe massa aan het stollen is. Bij de stolling komt warmte vrij.
- Bijkomend komt er in de kern veel warmte vrij door verval van radio-actief materiaal. Omdat bij de vorming van de aarde de zwaarste elementen naar het midden zinken, is er extra veel radioactieve materie.
- En tenslotte komt er bij de stolling relatief meer stoffen vrij die iets lichter zijn (zwavel, zuurstof, silicium), en het ijzer blijft relatief meer steken in de nieuwe grenslaag van de binnenkern. Daarom wordt de aangrenzende massa relatief lichter dan zijn omgeving, en gaat het dus ook opstijgen.
De Aarde: alweer precies goed
Het lijkt misschien nogal vanzelfsprekend dat elke planeet met een ijzerkern op die manier een magnetisch veld zou ontwikkelen. Maar dat is zeker niet het geval. We zullen in het volgende item (1.17) bekijken welke objecten in het Zonnestelsel ook nog een globaal magnetisch veld hebben.
Om het planetair magnetisch veld mogelijk te maken bij terrestrische planeten, moeten heel wat eigenschappen precies juist zitten:
- De chemische samenstelling van de binnenkern en de buitenkern moeten precies goed zijn zodat ze vast/vloeibaar zijn bij de heersende druk.
- De buitenkern moet voldoende groot zijn (in de hoogte) zodat er voldoende beweging van ijzerrijke stromen kan zijn
- De hoogte van de buitenkern verkleint met de jaren, dus er moet voldoende reserve zijn om het miljarden jaren vol te houden.
- De binnenkern groeit zodat warmte wordt afgegeven (stollingswarmte): niet te snel of de binnenkern zou de hele kern opslokken na verloop van tijd. En niet te traag, want anders is er te weinig opstijging van lichter materiaal, en gaat het systeem stilvallen. De snelheid hangt af van temperatuur, druk, en samenstelling.
- De planeet moet draaien rond zijn eigen as. Niet te snel, want dat geeft veel onvoorspelbaarheid en labiliteit, en niet te traag want dan is er geen ‘spoel’ effect meer, en dus geen kurketrekkers in de convectiecellen.
Bij gasplaneten en ijsreuzen is het niet helemaal hetzelfde. De elektrische geleidende materie zit daar niet in een ijzerkern, maar bijvoorbeeld in metallische water in de mantel. Maar we kijken hier specifiek naar terrestrische planeten zoals de Aarde, omdat het op zulke planeten is dat we in de toekomst eventueel leven hopen te vinden. De Aarde heeft in elk geval haar planetair veld overtuigend kunnen behouden tot hiertoe, en zal dat zeer waarschijnijk ook nog miljarden jaren blijven doen. Nog maar eens bravo dus voor onze planeet!