KUTUPLAR, MANYETOSFER VE UZAY HAVASI

Ahmet AYDOĞMUŞ [1]     

Dünyanın Manyetik Alanı

Dünyanın sıvı dış çekirdeği manyetik alan oluşumunda etkendir.  Sıvı madde içinde oluşan konveksiyonel akımlar ve  Dünyanın eksen hareketi nedeniyle oluşan çalkantı, elektrik akımı üretir (1).  Dış çekirdeğin alt ve üst yarısında zıt yönlü akıntı halkaları oluşur.  Akıntı halkalarınca taşınan iletken sıvı demir elektrik akımına neden olur (2).

Dünya manyetik alanının tamamına yakını sıvı dış çekirdekten kaynaklanan  elektrik akımı üretir, bu etki jeodinamo olarak adlandırılmaktadır. Jeodinamonun oluşturduğu manyetik alan kuzey ve güney olmak üzere iki  kutupludur. Kutupların yerleri uydulardan ve yerde yapılan gözlemlerle belirlenmektedir (3).

Dünyanın manto katmanından yükselen magma yeryüzüne çıktığında veya yer kabuğu içinde 700°C’ye kadar soğuduğunda demir bakımından zengin mineraller manyetik kuzeyi gösteren yönde katılaşır. Katılaşan magmatik kayaçlarda fosil manyetik kayıtlar oluşur. Kayaçların yaşı radyometrik olarak tarihlendirildiğinde  geçmişte var olmuş manyetik kuzey yönü tespit edilir. Geçmişten günümüze manyetik alan yönündeki sapmalardan ayrı olarak manyetik alan değerlerinde de değişimler görülmüştür. Son 200 yılda dünya manyetik alanı küresel ortalama değerden % 9 kadar azalmıştır (3). Manyetik alan değerleri yeryüzünün farklı kesimlerinde de farklılık gösterebilmektedir. Bilinen zayıf manyetik alan Güney Atlantik Anomalisi olarak adlandırılıyor. Afrika ve Güney Amerika arasındaki bu alan, belirlendiği 1950’lerden günümüze  % 6 kadar değer kaybetmiştir. Bunun nedeni tam belirlenemese de sıvı dış çekirdekten kaynaklanmış olabileceği düşünülmektedir (5). Avrupa Uzay Ajansı’nın fırlattığı uydular ve başka veriler ışığında bu anomalinin nedeni araştırılmaktadır. Manyetik alan, uyum sağlamış insan  için risk oluşturmasa da zayıflamış manyetosferi geçerek yeryüzüne kadar ulaşan iyonlaştırıcı radyasyonun neden olacağı sağlık riskleri söz konusu olabilmektedir. 

Görsel 1. Dünyanın Manyetik Alan Çizgileri
(https://scied.ucar.edu/learning-zone/sun-space-weather/earth-magnetosphere)

Yeryüzü manyetik alanının görünmez çizgileri, güney kutuptan çıkan ve kuzey kutba giden sürekli kapalı döngü halindedir. Birçok canlı türü, göçlerini manyetik alan çizgilerine uyarak gerçekleştirmektedir.  

Coğrafȋ ve Manyetik Kutup Noktaları

Yerküre dönme ekseninin yüzeydeki izi coğrafȋ kutupları oluşturur. Coğrafi kuzey kutup noktasının çok düşük değerde de olsa gezindiği belirlenmiştir. Gözlemler başladığından günümüze, Kuzey Amerika yönüne 12 metre kaymıştır. Bunun nedeni olarak da sıvı dış çekirdeğin içindeki  ve yeryüzündeki sularının hareketi gösterilmektedir. Yılda 17cm’den az olan bu kayma küresel  navigasyon  sistemlerinde dikkate alınması gereken bir olaydır (3).

Görsel 2. Coğrafȋ ve Manyetik Kutuplar
(https://www.geologyin.com/2017/06/earths-magnetic-field-is-about-to-flip.html)

Manyetik kutup noktaları daha hızlı kaymaktadır. Coğrafȋ ve manyetik kutuplar arasında 11.5 derecelik fark vardır (7).  Manyetik kuzey kutup noktasının yerini 1830’larda James Clark Ross keşfetmiştir. Yatay pusula yönünü takip ederek ibrenin dikey olarak yere yöneldiği nokta manyetik kutup noktası olarak tespit edilmiştir. 1831 yılından 2021 yılına kadar geçen sürede kuzey-kuzeybatı yönüne 1100 km kadar ilerlemiştir ve ilerleme devam etmektedir.  İlk belirlendiği zaman Kanada sınırları içinde iken 2018 yılında Tarih Değiştirme Çizgisini aşarak doğu yarımküreye geçmiştir (6). Güncel kuzey kutup noktasının 2020 yılındaki konumu bir hesaplama yöntemine göre 86.5 derece kuzey enlemi ve 164.04 derece doğu boylamında bulunmaktadır (4).

Manyetosfer

Dünya manyetik alanının oluşturduğu dünyayı çevreleyen uzay bölgesine manyetosfer denir. Canlılar için yaşanabilir ortama neden olan kuyruklu yıldız şeklinde koca bir balondur. Güneş rüzgârları nedeniyle manyetosferin güneşe bakan tarafı sıkışmaya neden olur.  Güneşe bakan gündüz   tarafında 6-10 Dünya yarıçapı kadar uzanan manyetosfer güneşe bakmayan gece tarafında 60 Dünya yarıçapı kadar, Ay yörüngesine dokunacak şekilde uzayan kuyruklu yıldız benzeri görüntü oluşturur (20).

Görsel 3. Dünyanın Manyetosferi
(https://www.physics.uu.se/research/astronomy-and-space-physics/research/planets/magnetospheres/)

Güneşten gelen enerji yüklü parçacıkların bir kısmı Dünya manyetik alan çizgilerini takip ederek kutuplar çevresine ulaşır bir kısmı da manyetosferin etrafından dolaştırılarak uzaklaştırılır. Kutuplar çevresinin yükseklerinde atmosfer gazlarıyla etkileşime girerek ışımaya neden olurlar. Oluşan ışıma Kuzey Kutup çevresinde aurora borealis-kuzey ışıkları, Güney Kutup çevresinde de Aurora australis-güney ışıkları olarak adlandırılırlar (7).  Güneşten çıkan yüksek enerjili parçacıklar manyetosfer tarafından engellenerek Van Allen Kuşaklarında dünyaya uzak bir alanda tutulur (3). Halka biçimli bu kuşağın iç bölgesi yerden 3 bin kilometre yukarıda, dış bölgeleri ise 15-20 bin kilometre kadar yukarıda yer almaktadır (8).

Manyetik Tersinme

Dünyanın jeodinamosu dört milyar yıldır çalışıyor (7). Dünyanın geçmişinde kutuplar birçok kez tersinmiş, kutupların yer değiştirmesi düzensiz zaman aralıklarında gerçekleşmiş ve tersinmeler arası çok uzun zaman alabilmiştir. Son tersinmenin günümüzden yaklaşık 780 bin yıl önce Brunhes-Matuyama’da gerçekleştiği belirleniyor (6). Dünya manyetosferini etkileyen en önemli olay kutupların tersinmesidir. Bu olayda Dünyanın kuzey ve güney kutupları yer değiştiriyor. Paleomanyetik kayıtlar  manyetik kutuplarının  son 83 milyon yılda 183 kez, son 160 milyon yılda en az birkaç yüz kez tersine döndüğünü gösteriyor (3).

Kutup tersinmelerinden farklı olarak jeomanyetik gezinmeler (geomagnetic excursions) de görülmüştür. Birkaç yüzyıldan birkaç on bin yıla kadar olan sürede kutup noktaları yerlerinden uzaklaşmış tekrar eski yerlerine dönmüşlerdir (3). Karadeniz’in güneydoğusundan alınan tortulardan elde edilen paleomanyetik kayıtlara göre yaklaşık 68.9 bin yıl ile 14.5 bin yıl aralığında kutup gezinmeleri belirlenir. Bunlar Norveç-Grönland Denizi,  Laschamps ve Mono Gölü gezinmeleri olarak adlandırılmışlardır (19).

Jeomanyetik Fırtına

Güneşten gezegenler arası ortama madde fırlatılmaktadır. Buna “koronal kütle atımı- coronal mass ejections” denilmektedir. Dünyaya yönelen yüklü parçacıklar manyetik alanımızı etkiler ve iyonosferde bozulmalara neden olur (14). Güneşten gelen parçacıklar ve beraberindeki manyetik etki dünyaya ulaşır (11).  Dünyaya ulaşma zamanı için uzay hava tahminleri yapılmaktadır.

Görsel 4. Koronal Kütle Atımı
(https://www.nasa.gov/content/goddard/what-is-a-coronal-mass-ejection/)

Güneş, çevresine plazma olarak ifade edilen proton ve elektronlar fırlatır. Buna güneş rüzgârları denilmektedir. Güneşteki farklı bölgeler farklı hız ve yoğunlukta rüzgâr üretir. Hızları ortalama değer olarak 500-800 kilometre /saniyedir. Güneş ışınları 8.5 dakika kadar sürede Dünyaya ulaşırken güneş rüzgârları 1- 4 gün kadar sürede ulaşmaktadır. Yüksek hızlı rüzgârlar jeomanyetik fırtınaya neden olurken düşük hızlı rüzgârlar sakin uzay havasına neden olmaktadır. Dünya için olumsuz sonuçlara neden olabilecek güneş rüzgârları ve uzay hava durumu sürekli izlenmektedir (18).

Uzay Havası

Uzay fiziği ve astronominin bir dalı olan uzay havası (space weather)  Dünyanın karasal havasından farklı bir kavramdır. İlk kez 1950’lerde kullanılan bu terim 1990’lı yıllarda yaygın olarak kullanılmaya başlandı (13).  Uzay havasının bileşenleri elektromanyetik enerji ve manyetik alandır. Uzay havasının renkli etkisi auroralar ise de teknoloji ve iletişim sistemleri de uzay havasından olumsuz etkilenir.  Olumsuz sonuçlar 11 yıllık güneş döngüsü süresi içerisinde her hangi bir zamanda yaşanabilir (14). Güneş aktivitesinin yoğun olduğu zamanlarda yoğun enerjili parçacıklar nedeniyle Dünya çevresindeki uydu sistemleri zarar görebilir, uydular bulundukları konumdan sürüklenebilir, GPS (uydu navigasyon sistemi) hataları yaşanabilir, yeryüzündeki elektronik haberleşme sistemlerinde sorunlar yaşanabilir (10).

Uzay havasını etkileri yerden 500-600 kilometre yüksekliğe kadar hissedilmektedir. Bu etkiler madencilik alanında aksamalara, göçmen kuşların yön bulma duyularında bozulmalara, iletişim araçlarında aksamalara, tren sinyalizasyonu ve uçak elektronik sistemlerinde sorunlar görülebilmektedir. Uzay havası uydular ve uydulardaki astronotlar için de risk taşımaktadır. 1999 Marmara depreminde ve başka deprem örneklerinde yerden 200-250 kilometre gibi yüksekliktekteki iyonosferde depremden 7-10 gün önce olağan dışı iniş-çıkışlar görülmüştür (15). Bu konu bilim insanların ilgi alanına girmiş görünmektedir.

Şiddetli uzay havası olaylarında elektrik hatlarında kesintiler, telsiz haberleşmelerinde bozulmalar, hava ve deniz taşımacılığında, kara ve demiryolu taşımacılığında sorunlar yaşanabilmektedir (14). Yüksek enerjili parçacıklar ve radyasyon atmosfer gazlarıyla etkileşime girerek atmosferin ısınıp  genleşmesi sonucu uyduların yörüngelerinden sapmaya neden olabilmektedir (16).  Şubat 2022’de bir firmanın haberleşme amaçlı fırlattığı 49 küçük uydunun 40 tanesi manyetik fırtına kaynaklı sorun nedeniyle yanarak devre dışı kaldı (17). Uyduların yörüngelerindeki sapma nedeniyle yılda birkaç kez  ayarlama yapılırken güneş etkinliği süresince 2-3 haftada bir ayarlama yapılmaktadır.

Uzay Havası Sorunlarından Örnekler

Ekim 1935, radyo yayınlarında yaşanan aksaklıklara Güneş patlamasının neden olduğu belirlendi. Mart 1940, kuzeydoğu Amerika’da enerji nakil hatlarındaki sorunlar Güneş patlamasıyla ilgili olarak görülmüştür. Eylül 1941, ABD Washington DC’de pusula yönünde  sapma ve telsiz haberleşmesinde sorunlar yaşanmıştır. Şubat1958, Kanada Toronto’da elektrik şebekesi devre dışı kalmıştır. Ağustos 1972, Kuzey yarımkürede elektrik hatları etkilendi. Mart 1989, Kanada Quebec elektrik kesintisi, Eylül 1989, bir Concorde uçağı güneş fırtınası sonucu radyasyon uyarısı verdi, Ocak 1994, Kanada haberleşme uydusu 5 ay süresince devre dışı kaldı. Temmuz 1998, Mars araştırmaları için tasarlanan Nozomi uzay aracı sorun nedeniyle Mars’a ulaşamadı. Ekim-Kasım 2003, güçlü bir manyetik fırtına sonucu yörüngedeki uydulardan bazıları kaybedildi (15).

Yararlanılan Kaynaklar:

1. Akoğlu, Alp., Manyetik Tersinme, Bilim ve Teknik Dergisi, Haziran 2004, sayı 439, s.34.
2. Altın, Vural., Dünyanın İç Yapısı, Bilim ve Teknoloji, Temmuz 2005, sayı 452, s. 93.
3. Buis, Alan., NASA’s Jet Propulsion Laboratory,https://climate.nasa.gov/news/3105/earths-magnetosphere-protecting-our-planet-from-harmful-space-energy/
4. Dünyanın çekirdeği nasıl bir manyetik alan oluşturur,https://www.usgs.gov/faqs/how-does-earths-core-generate-magnetic-field,
5. Jonathan, O’Callaghan., 2018,Dünyanın manyetik kutupları dönmeye başlayabilir, https://ec.europa.eu/research-and-innovation/en/horizon-magazine/earths-magnetic-poles-could-start-flip-what-happens-then
6. Ocak, Mahir., Manyetik Kutupların Geleceği, Bilim ve Teknik Dergisi, Haziran 2021, sayı 643. S. 54.
7. Tank, Sabri Bülent.,Söyleşi, https://haberler.boun.edu.tr/tr/haber/manyetik-kutuplar-artik-daha-hizli-yer-degistiriyor.
8. https://www.britannica.com/science/Van-Allen-radiation-belt
9. https://www.nasa.gov/topics/earth/features/2012-poleReversal.html
10. Soydugan, Faruk., Aktif Güneşli Günler, Bilim ve Teknik Dergisi, Eylül 2022, sayı 658, s.84.
11. https://astronomi.boun.edu.tr/gunes-dunya-ya-etkileri
12. https://www.usgs.gov/faqs/how-does-earths-core-generate-magnetic-field
13. https://tr.wikipedia.org/wiki/Uzay_havas%C4%B1
14. https://www.metoffice.gov.uk/weather/specialist-forecasts/space-weather
15. Tulunay, Yurdanur.,ODTÜ Havacılık ve Uzay Mühendisliği, https://e-dergi.tubitak.gov.tr/edergi/yazi.pdf;jsessionid=xLJPFpJHFcEIaSgRZxSZmq82?dergiKodu=4&cilt=42&sayi=642&sayfa=24&yaziid=28310
16. https://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/solar-superstorms-past-help-nasa-scientists-understand-risks-for-satellites-orbital-drag
17. Ocak, Mahir., Starlink Uyduları Jeomanyetik Fırtınaya Kapıldı, Bilim ve Teknik Dergisi,Mayıs 2022, sayı 654, s.8.
18. https://www.swpc.noaa.gov/phenomena/solar-wind 
19. https://doi.org/10.1029/2019JB019225
20. https://science.nasa.gov/heliophysics/focus-areas/magnetosphere-ionosphere
21. https://en.wikipedia.org/wiki/Space_weather
22. https://en.wikipedia.org/wiki/Interplanetary_magnetic_field
23. https://www.nasa.gov/mission_pages/sunearth/spaceweather/index.html#q3

[1] Emekli Coğrafya Öğretmeni