|
| |
| |
| |
Het Aardmagnetisme
door Prof. Dr. P.H. Roberts
REEDS vele eeuwen geleden raakte men algemeen vertrouwd met de eigenschap van het kompas immer dezelfde richting aan te wijzen. Deze wonderlijke eigenschap gaf aanleiding tot de meest uiteenlopende gissingen. Mettertijd echter ging men systematische waarnemingen doen. De analyse ervan toonde aan dat de magnetische kracht voor het grootste deel onder de oppervlakte der aarde lag. Ondanks alle vooruitgang echter, die onze kennis van de samenstelling van de aarde gedurende deze eeuw gemaakt heeft, is het mechanisme waarop het aardmagnetisme berust nog steeds onvoldoende verklaard en stelt ons bijgevolg voor een van de oudste onopgeloste wetenschappelijke problemen. In deze bijdrage zullen we trachten de opinies naar voren te brengen die er tegenwoordig algemeen op na gehouden worden, al zouden die in de toekomst drastische veranderingen kunnen ondergaan.
We hebben, ondanks het feit dat de aarde een diameter heeft van minder dan dertien duizend kilometer, al even weinig directe kennis van haar samenstelling, als een detective van een misdaad die hij opklaren wil. We moeten ons, evenals de detective, tevreden stellen met aanwijzingen en trachten er de meest waarschijnlijke verklaring voor te vinden. De vraag of het de ware uitleg is heeft geen zin, daar men er niet op antwoorden kan: een detective kan niet terugwandelen in de tijd om de begane misdaad te observeren en voor ons blijft het onmogelijk diep in de aarde door te dringen om het binnenste ervan te onderzoeken. Alles wat we, in ons geval, kunnen zeggen, is dat onze uitleg het best de vastgestelde feiten overeenbrengt met wat men, zich baserend op gecontroleerde laboratoriumproeven, theoretisch verwachten mag. Deze houding is eigen aan álle toegepaste wetenschappen, maar er moet toch in deze verhandeling sterker de nadruk op gelegd worden. Immers, het vraagstuk van het aardmagnetisme is zo ontstellend gebleken dat vele onwaarschijnlijke theorieën naar voren zijn gebracht en verdedigd op grond van de beschouwing dat de condities in het binnenste der aarde te extreem zijn om rechtmatig afleidingen toe te laten uit laboratoriumproeven, waardoor ze anders zouden uitgesloten worden. Ofschoon er wel wat te zeggen valt voor deze positie, zouden voorstanders van zulke stellingen tenminste enkele theoretische redenen mogen geven waarom de extreme condities binnen in de aarde meer pleiten voor hun systeem. Doen ze dit niet, dan kan men hun ideeën eerst dan een ernstige kans geven als meer waarschijnlijke theorieën onhoudbaar gebleken zijn.
| |
| |
Laten we de lezer even herinneren aan enige electromagnetische verschijnselen. De sterkte van een staafmagneet openbaart zich vooral op punten die liggen bij de uiteinden ervan en ‘polen’ genoemd worden. Deze trekken beide even sterk spelden en andere kleine stukjes ijzer aan, maar moeten toch wezenlijk verschillen, want als men de magneet ophangt als een kompasnaald, is het altijd hetzelfde eind dat naar het noorden wijst. Deze pool wordt de noordpool van de magneet geheten en de andere de zuidpool. Men kan gemakkelijk aantonen dat gelijknamige polen van twee verschillende magneten elkaar afstoten, terwijl ongelijknamige elkaar aantrekken. Vergelijken we nu de aarde, uit kracht van haar magnetische eigenschappen met een grote magneet, dan is dus haar magnetische noordpool gelegen aan de geografische zuidpool en omgekeerd.
Ook het optreden van electrische stromen gaat gepaard met het verschijnen van magnetische krachten. De bijgevoegde tekening zal dit duidelijker maken. Deze is bedoeld om een verder punt in de discussie te illustreren, zodat we voor het ogenblik enkel hebben te letten op de draadwikkeling L. Veronderstel dat een electrische stroom er doorheen vloeit in de richting van de pijl. Het stel gebogen lijnen H duidt de richting aan die de noordpool van een kleine kompasnaald zou aanduiden zo die er op geplaatst werd. Men noemt ze ‘(magnetische) krachtlijnen’ en het magnetisme dat door de stroom wordt opgewekt noemt men het ‘(magnetisch) veld’ van de wikkeling. Op te merken valt dat, zo we de wikkeling vervangen door een kleine staafmagneet M in de uitgestippelde positie in het middelpunt van L, de krachtlijnen dezelfde algemene structuur hebben. Men kan werkelijk aantonen dat op grote
| |
| |
afstand van L de vorm van de krachtlijnen opgewekt door M niet onderscheiden zou kunnen worden van die opgewekt door L.
Een magneet krijgt zijn permanent magnetisme uit de kracht van de atomen waaruit hij samengesteld is. Elk atoom gedraagt zich als een kleine magneet uit oorzaak van de uiterst kleine electrische stroom geleverd door de omwentelende electronen (en eveneens door andere meer subtiele verschijnselen die buiten het onderwerp van dit artikel vallen). In ongemagnetiseerde stof wijst elk van de kleine atoommagneten in een lukrake richting en het netto-resultaat van de multi-biljoen atomen is nul. In gemagnetiseerde stof is een uitwendige factor er in geslaagd te bewerken dat meer atoommagneten zich in één richting verenigen dan in een andere. Gemiddeld wordt aldus langs deze voorkeurrichting, de as van de magneet, een globale magnetische kracht ontwikkeld. Wordt een gemagnetiseerde stof verhit boven een bepaalde temperatuur, die men haar ‘Curie-punt’ noemt, dan worden de atomen zo mobiel dat ze hun voorkeurrichting kwijt raken en de stof als geheel haar magnetisme verliest.
* * *
Wanneer men op zoek gaat naar de oorsprong van het aardmagnetisme, dan rijst als eerste idee op dat de aarde in haar geheel een permanente magneet is als een staafmagneet. Hoewel men deze mogelijkheid niet kan weerleggen, kan men toch aantonen dat ze uiterst onwaarschijnlijk is. Men heeft b.v. uit andere takken der geofysica kunnen afleiden dat op de meeste plaatsen binnen in de aarde een temperatuur heerst, hoger dan het Curie-punt van enige ons bekende stof op de oppervlakte der aarde. Aannemen dan dat de aarde een permanente magneet is, betekent dus kiezen tussen twee alternatieven. Ofwel moeten we de idee opgeven dat het binnenste der aarde zeer heet is. Ofwel moeten we veronderstellen dat onder de buitengewone druk die heerst in het inwendige der aarde, het Curie-punt klimmen kan boven de temperaturen die daar geacht worden te heersen. Geen van beide alternatieven is aanlokkelijk. Het eerste vereist dat men de meeste geofysische afleidingen zou opgeven. Het tweede heeft geen theoretische basis, en, hoewel men het bij de tegenwoordige stand der wetenschap niet weerleggen kan, kan men het evenmin verdedigen. Verder kan deze theorie in genen dele een verklaring geven voor het feit dat de magnetische en de geografische assen zo dicht bij elkaar liggen, tenzij dan als een spel van louter toeval. Andere theorieën, die we verderop in deze verhandeling zullen bespreken geven een goede verklaring waarom deze polen relatief dicht bij elkaar moeten liggen.
Daar de eenvoudigste en meest voor de hand liggende theorie te
| |
| |
verwerpen is, moeten we de gegevens zorgvuldiger onderzoeken om onszelf meer elementen voor de oplossing aan de hand te doen. De magnetische metingen, doorgevoerd op de oppervlakte der aarde, tonen aan dat de krachtlijnen ruimtelijk hoegenaamd niet zo regelmatig zijn als die van een staafmagneet. Daarenboven vertonen zij tijdelijke veranderingen volgens perioden gaande van tien tot honderd jaar. Ze kunnen de vorm aannemen van een geleidelijk gedurende ongeveer twee honderd jaar versterken of verzwakken van de magnetische kracht over streken, uitgestrekt als een continent, waarna er dan in deze streken soms gedurende lange tijd weinig voorvalt, behalve dan, zoals over de hele oppervlakte der aarde, een geringe verschuiving van de hele krachtlijnenstructuur naar het westen toe. Het is duidelijk dat het aardmagnetisme in nauw verband moet gebracht worden met een of ander fenomeen binnen de aarde, dat een gelijke periodiciteit vertoont. Zoals een beroemd geomagneticus uit de negentiende eeuw, Christoffel Hansteen terecht zei: ‘De aarde spreekt over haar interne bewegingen door de stille stem van de magneetnaald’.
Om uit te maken welke de oorzaak is van de periodische verschijnselen in het magnetisch veld, moet men een fysisch proces vinden met gelijklopende tijdsorde. Daardoor worden al dadelijk geologische bewegingen uitgesloten, wier voltrekking miljoenen jaar vraagt en meteorologische veranderingen die geen dominerende periodes hebben die lang genoeg duren. De seismologie, de studie der aardbevingen, levert belangrijke aanduidingen voor de oplossing van dit probleem. Aardbevingen ontstaan op niveau's gelegen tussen het aardoppervlak en een diepte van ongeveer zevenhonderd kilometer. De elastische golven die er door voortgebracht worden, planten zich voort binnen de aarde en keren terug naar haar oppervlakte met gegevens over de stoffen die ze op hun weg ontmoetten. Er zijn ongeveer zeshonderd seismische stations zowat overal over de wereld en de rijke collectie opnamen, gedurende de laatste vijftig jaar verzameld en geanalyseerd, biedt de meest betrouwbare en uitgebreide gegevens welke men nu ter beschikking heeft omtrent de fysische samenstelling van het binnenste der aarde.
Elastische, zich in de stof voortplantende golven zijn tweeërlei: longitudinaal- (L) en transversaal- (T) lopende golven. Ruw gesproken wordt een L-golf voortgezet door een trilling van de partikels in de richting der voortplanting van de golf. Een bekend voorbeeld is het aanstoten van buffers van spoorwagens die, bij 't rangeren plotseling stilstaan. In een T-golf trillen de partikels in een richting, loodrecht gelegen op de voortplantingsrichting van de golf. Een voorbeeld hiervan is de golf die ontstaat in een gespannen snaar welke men aanslaat.
| |
| |
Elke stof kan golven voortplanten, maar vloeistoffen kunnen door hun beweeglijkheid geen T-golven doorgeven, daar de beweging van een partikel in één richting geen aanzienlijk effect heeft op andere, nabije partikels die loodrecht op deze richting liggen. De aardbevingen die het inwendige der aarde doorlopen tonen met overstelpende duidelijkheid dat er geen L-golven voortgeplant worden in regionen op een diepte van meer dan plus minus twee duizend negenhonderd kilometer. De onvermijdelijke conclusie is dat deze regionen, die men de ‘kern’ noemt, in vloeibare toestand zijn. De densiteit van deze kern kan men afleiden uit de snelheid waarmee de L-golven haar doorkruisen. Men heeft gevonden dat ze ongeveer tien keer groter is dan die van water en men neemt daarom aan dat zij voornamelijk bestaat uit gesmolten ijzer, samengeperst onder de buitengewone druk van de er op liggende mantel. Zo deze opinie juist is, zal de kern een goede electronische geleider zijn, en zullen er, zoals we reeds uitlegden, tevens magnetische velden ontstaan wanneer er electronische stromen zijn. Daarenboven is het logisch te veronderstellen dat, op welke manier deze stromen ook mogen ontstaan, variaties in de bewegingen van de kern ook fluctuaties met identische periode zullen veroorzaken in de magnetische velden, door hen verwekt. Verder kunnen theoretische redenen naar voren gebracht worden volgens welke de bewegingen in de kern in feite juist dezelfde periodiciteit moeten vertonen als die men waarneemt in de magnetische velden. Men heeft alles tot een samenhangend beeld kunnen verwerken, dat gedurende de laatste tien jaar algemene instemming heeft gevonden. Er is echter nog steeds onenigheid tussen geofysici omtrent het juiste mechanisme dat de electrische stromen in de kern opwekt.
* * *
In een electrische geleider die zich beweegt in een magnetisch veld ontstaat er een verschil van electrisch potentieel. Hiermee bedoelen we dat een electrische stroom er doorheen zal stromen van het punt met hoger potentieel naar dat met lager potentieel op voorwaarde dat de stroom op een of andere manier een gesloten kring kan vormen. Is die mogelijkheid er niet dan zal de stroom niet vloeien, al blijft er het potentieelverschil. Kijk b.v. eens naar de tekening. Zo de schijf D in de aangeduide richting ronddraait in het magnetisch veld H dat voortgebracht wordt door de magneet M, zal er een potentieelverschil ontstaan tussen het centrum C van de schijf en de rand daarvan. Zolang het sleepcontact S niet verbonden is met C zal er geen stroom ontstaan. Verbindt men deze twee punten door middel van de kromme draad en wikkeling L zoals aangeduid, dan zal er een stroom lopen door de schijf en L
| |
| |
volgen. Zoals we reeds zagen zal de stroom in L een magnetisch veld opwekken met dezelfde algemene gerichtheid als het veld opgewekt door M: met dezelfde gerichtheid dus als het veld dat de stroom zelf opwekt. In werkelijkheid kan men aantonen dat zo de schijf vlug genoeg draait, men de magneet M geheel kan missen. De stroom in de wikkeling wekt dan een magnetisch veld op dat op zijn beurt met de draaiende schijf samenwerkt om weer juist deze stroom in de wikkeling op te wekken. Daarom noemt men zo'n systeem een zelf-exciterende dynamo. Theoretisch is er een magnetische onevenwichtstoestand nodig om het proces te starten, maar in de praktijk maakt het systeem gebruik van het eerste het beste veld en versterkt het onmiddellijk. Het systeem is even onstabiel als een naald die op haar punt zou staan. Theoretisch kan de naald tot in 't oneindige op haar punt staan balanceren. In de praktijk zal de geringste storing het zwaartepunt van de naald uit zijn positie brengen en zal de naald onmiddellijk doen vallen. Vóór we 't omtrent de juist beschreven dynamo daarbij laten, moeten we nog eens bijzonder de nadruk leggen op één punt. De zelf-exciterende dynamo is essentieel onsymmetrisch. Veronderstel dat men de schijf D in de tegenovergestelde richting had doen wentelen of dat de wikkeling L in de tegenovergestelde richting rond haar middelpunt gewonden zijn zou. In dat geval had het systeem, verre van 't eerste 't beste veld te versterken, zich ertegen verzet daar de stroom, die in de wentelende schijf ontstaat, een tegengesteld veld zou opwekken.
Er zijn verscheidene factoren die bewegingen in de vloeibare kern der aarde kunnen doen ontstaan. Misschien is de belangrijkste de door radioactieve warmtebronnen veroorzaakte convectie, d.i. een stroming opgewekt door de temperatuurverschillen in de vloeibare stof, welke warmte en electriciteit opneemt en met zich meevoert. Hoe ze ook mogen ontstaan, steeds zal de wenteling van de aarde een dominerende invloed hebben op deze bewegingen, die dan ook sterk symmetrisch moeten liggen tegenover de as waarom de aarde draait. Men kan dus verwachten dat, zo het magnetisch veld der aarde opgewekt wordt door het systeem van een zelf-exciterende dynamo, analoog met dat wat we zojuist beschreven, het veld dezelfde symmetrie zal vertonen als de stroombewegingen en dat bijgevolg de geografische en de geomagnetische assen dicht bij elkaar zullen liggen.
Tegenwoordig valt het haast niet te betwijfelen dat het beeld dat zojuist werd geschetst, algemene instemming zou vinden, ware er niet een onopgeloste fundamentele theoretische moeilijkheid. Zoals we reeds opmerkten is de zelf-exciterende dynamo essentieel onsymmetrisch. Nu weet men door de seismologie dat de grens tussen de vloeibare kern en
| |
| |
het vaste hulsel van de aarde vrijwel sferisch is en aldus geen asymmetrie vertoont. Indien dus de kern van de aarde verondersteld wordt een zelf-exciterende dynamo te zijn, dan blijft er een belangrijke vraag over: ‘Kunnen de stromingen binnen in de kern dit tekort verhelpen en door hun asymmetrie het magnetisch veld schragen?’ Op dit ogenblik is deze vraag, ondanks ernstige inspanning, nog niet bevredigend beantwoord.
Een andere theorie, die bij geofysici wel enige instemming heeft gevonden, schrijft het ontstaan van het geomagnetisch veld toe aan thermo-electrische effecten. Indien twee draden uit verschillend materiaal met beide einden verbonden worden zodat ze een kring vormen en indien de ene verbinding op een hogere temperatuur gebracht wordt dan de andere, doorloopt een electrische stroom de kring en vormt een magnetisch veld erbuiten. Dit fenomeen noemt men ‘thermo-electrisch effect’. De aardmantel is voor 't grootste deel samengesteld uit silicaten en heeft aldus een samenstelling die sterk verschilt van die van de kern, welke, zoals we gezien hebben, waarschijnlijk vooral uit gesmolten ijzer bestaat. Zo de kern in convectietoestand is zullen daarenboven de regionen aan de rand van de kern waar de opstijgende stromen van de vloeistof opstoten, heter zijn dan de regionen waar de neerdalende stromen die rand verlaten om weer in de kern door de radio-activiteit verhit te worden. Aldus moeten er thermo-electrische stromen vloeien die meteen magnetische velden opwekken. Men kan aantonen dat deze velden helemaal binnen in de aarde liggen en aldus niet in staat zijn zonder meer het veld dat we op het aardoppervlak waarnemen te verklaren. Men veronderstelt daarom verder dat de bewegingen van de convectiestromingen in de vloeibare geleider samenwerken met de thermo-electrische velden om een tweede veld te verwekken dat het grote geomagnetische veld is. Om terug te keren tot de analogie van de reeds besproken eenvoudige dynamo: men kan zeggen dat de thermo-electrische velden het aanzet-effect hebben van de magneet M, wat dan door de schijf zelf wordt versterkt.
Wil men de twee standpunten samenvatten dan kan men zeggen dat de voorstanders van de thermo-electrische theorie negeren dat een lichaam dat zo symmetrisch is als de kern van de aarde, als een zelf-exciterende dynamo kan optreden en voorstellen dat het onontbeerlijk excitatie-mechanisme geleverd wordt door thermo-electrische stromen, door convectiestromingen opgewekt aan de rand van de kern. Voorstanders van de zelf-exciterende-dynamo-theorie, al geven ze dan toe dat tenminste een deel van het magnetisch veld der aarde moet opgewekt zijn op de manier voorgesteld in de thermo-electrische theorie, voeren redenen aan waarom dit aandeel waarschijnlijk klein is. Zij nege- | |
| |
ren de noodzakelijkheid beroep te doen op een excitatie-mechanisme en geloven dat het grootste deel van het magnetisch veld van de aarde zelf-geëxciteerd is.
Er is zeker grote belangstelling gekomen voor deze problemen gedurende de laatste tien jaar en het wetenschappelijk onderzoek op dit en aanverwante terreinen is tegenwoordig zeer actief. Naar alle waarschijnlijkheid zullen in de loop van de naaste tien jaar de geofysici uitmaken of er ene, en welke van de twee zo juist beschreven hoofd-theorieën dan houdbaar is. Ondertussen is het probleem een bron voor boeiende bespiegelingen.
|
|
Auteursrechtelijk beschermd