Mellem Alaska og Sibirien bugter en underjordisk flod sig afsted fra øst mod vest. Men det er en flod helt ulig noget, vi kender fra overfladen.
Væsken er nemlig ikke vand, men flydende jern, som strømmer afsted i 3000 kilometers dybde.
Det flydende jern i den 420 km brede flod bevæger sig op mod fem meter i timen eller 50 km om året. Ifølge forskere fra University of Leeds og Danmarks Tekniske Universitet stiger hastigheden.
Deres data viser, at floden nu bevæger sig tre gange hurtigere end for bare 15 år siden og hurtigere end noget andet i Jordens indre.
Sammen med andre spor understøtter floden forskernes mistanke om, at kernen er langt mere dynamisk end hidtil antaget.
Det betyder, at Jordens livsvigtige magnetfelt er under hastig forandring, og at en katastrofal såkaldt polvending kan være nært forestående.
Flydende jern beskytter Jorden
Jordens magnetfelt opstår i den ydre, flydende del af planetens kerne. Her skaber bevægelser i det flydende metal elektriske strømninger, som danner magnetfeltet. Uden feltet ville kloden være forsvarsløs mod skadelige rumpartikler, som rejser med lysets hastighed og bl.a. bliver skabt ved soludbrud.
Flydende jern størkner i kernen
Materiale fra Jordens flydende, ydre kerne størkner på overfladen af den indre faste kerne. Processen frigiver energi, som skaber op- og nedadgående strømninger i den ydre kernes flydende jern. Strømningerne er de samme som dem, der opstår i vand, lige før det koger.
Rotation skaber hvirvelstrømme
Den såkalde corioliskraft, skabt af Jordens rotation, tvister de op- og nedadgående strømninger af flydende jern til modsatroterende hvirvler.
Polerne er udsatte
Jernets hvirvelbevægelser skaber et magnetfelt, som beskytter Jorden mod stråling. Kun omkring den magnetiske nord- og sydpol, hvor magnetfeltets feltlinjer står tæt på lodret, trænger energirige partikler fra rummet ned. Her kolliderer de med luftens molekyler og skaber polarlys.
Klodens skjold taber styrke
Jernfloden blev opdaget af de tre europæiske Swarm-satellitter pga. variationer i magnetfeltet.
Men variationerne kan også på sigt være tegn på alvorlige problemer for vores planet. Forskerne ved, at den magnetiske nordpol de seneste 2000 år har danset omkring den geografiske nordpol med op til 15 km om året.
De tre europæiske Swarm-satellitter er ni meter lange og blev sendt op med en russisk raket fra Plesetsk-kosmodromen i 2013.
Siden 1860’erne er styrken af magnetfeltet desuden aftaget med ca. 10 pct. Derfor har forskerne travlt med at forstå, hvad der skaber feltet, og ikke mindst konsekvenserne for menneskeheden, hvis det svækkes yderligere eller helt forsvinder.
Magnetfeltet opstår primært pga. af strømme i det ydre, flydende lag af kernen. Floden af flydende jern, som forskerne netop har opdaget, er en del af de strømninger og med til at skabe en selvforstærkende dynamo. Men dynamoen er ustabil.
Geologerne har påvist, at magnetfeltet kan slukke næsten helt og skifte retning, så et kompas i stedet for at pege mod nord som nu ville pege mod syd.
Forskerne ved dog ikke, om vi er på vej mod en sådan såkaldt polvending.
Trillingesatellitter kortlægger Jordens magnetfelt
Swarm-konstellationen består af satellitterne Alpha, Bravo og Charlie, der sammen måler styrken og retningen af Jordens magnetfelt.
Samarbejdet gør målingerne ti gange mere præcise end med en enlig satellit. Efter blot få år i rummet har Swarm leveret data til flere banebrydende videnskabelige opdagelser.
Den største er afsløringen af en voksende flod af flydende jern i Jordens ydre kerne under Alaska og Sibirien.
Swarm har desuden opdaget, hvordan uvejr i Jordens øvre atmosfære forårsager fejl og blackout på GPS-netværket, og i april 2017 opdagede satellitterne en strøm af 3000 °C varme gasser 300 km over Jordens overflade.
Hver satellit er udstyret med magnetometre, som måler Jordens magnetfelt. To af dem, Alpha og Charlie, flyver side om side i 450 kilometers højde i et kredsløb, der sender dem forbi både nord- og sydpolen seks-ni gange i døgnet.
Bravo-satellitten befinder sig også i et polært kredsløb, men 80 km højere oppe, og ændrer løbende sin bane i forhold til de to andre.
Satellitterne har hver deres perspektiv på magnetfeltet. De er derfor langt mere præcise end deres forgængere, da de lettere kan adskille, hvor meget fx Jordens kerne og skorpe bidrager til det samlede felt.
Flod af jern bruser under asien
Swarm-satellitterne har kortlagt Jordens magnetfelt i større detaljegrad end tidligere. En af de centrale opdagelser er en flod af flydende jern, der
bevæger sig fra øst mod vest under Asien og bliver kraftigere for hvert år. Floden afslører, at Jordens kerne og dermed magnetfeltet er langt mere
dynamisk, end hidtil antaget.
Men de ved, at polerne har byttet plads flere gange i Jordens levetid – senest for 780.000 år siden. Frekvensen af polvendingerne varierer, men de sker i gennemsnit med 370.000 års mellemrum.
Et kraftigt og stabilt magnetfelt er forudsætningen for vores civilisation. Jorden bombarderes konstant af energirige partikler fra rummet, som afbøjes af magnetfeltet.
Kun i polområderne, hvor feltlinjerne står mere eller mindre lodret, kan partiklerne slippe helt ned i den øvre atmosfære, hvor de skaber polarlys.
Et svagere magnetfelt som følge af en polvending vil betyde et svagere rumskjold og dermed, at flere partikler slipper igennem forsvarsværket og når Jordens overflade.
Og konsekvenserne er foruroligende: kritiske fejl i computere, ødelagt teknologi, problemer med elforsyningen og, ikke mindst, flere tilfælde af alvorlige og dødbringende sygdomme.
Satellitternes finmekanik
Stjernekamera bestemmer detaljeret satellittens orientering i rummet, så målingerne af magnetfeltets retning bliver så præcise som mulige.
Magnetometer, som måler retningen af magnetfeltet
Magnetometeret, der måler styrken af magnetfeltet, sidder langt væk fra resten af satellitten for at undgå magnetisk støj fra elektriske kredsløb.
Laserreflektor måler afstanden til jordoverfladen med en fejlmargin på blot 2 cm.
GPS-antenner fastslår satellittens position og er dermed kritiske for præcisionen af de magnetiske målinger.
Neandertalerne blev ramt
Årsagen til polvendinger er endnu ikke kendt i detaljer. Geologernes bedste bud er, at områder opstår i 3000-5000 kilometers dybde, hvor feltet lokalt har den modsatte magnetiske retning af det overordnede felt.
Sådan et område findes bl.a. under Sydafrika. Bliver områderne store nok, påvirkes det samlede magnetfelt. Herfra kan det gå to veje – enten genopstår feltet i sin originale retning, eller også vender det på hovedet og får den modsatte retning.
Men for at områderne med modsat magnetfelt kan opstå, kræver det variationer i strømmen af energi og materiale i den ydre kerne.
Computersimuleringer af magnetfeltet viser, at spontane polvendinger ikke kan opstå i en ensartet og symmetrisk kerne.
Tillader simuleringerne derimod uorden og asymmetri, som floden af flydende jern er et eksempel på, opstår polvendingerne igen og igen.
Polskift skaber totalt magnetisk kaos
Under en polvending går magnetfeltet i kludder. Simuleringer viser, at styrken falder til under 10 pct. af den nuværende, og små, lokale magnetfelter opstår, som vil gøre fx navigation med kompas umulig. I geologisk sammenhæng sker polskift på et splitsekund, men computermodellerne viser, at det vil tage ca. 1000 år, fra feltet starter sit kollaps, til det er tilbage på normal styrke med modsat fortegn. Simuleringerne viser også, at den indre, faste kerne klamrer sig til det originale felt og stritter imod skiftet.
Et velordnet magnetfelt har én nordpol og én sydpol. Feltlinjerne peger ud af polområderne og væk fra jorden. 500 år inden et polskift begynder feltlinjerne at ændre sig.
Under et polskift er feltlinjerne kaotiske. De peger i tilfældige retninger, mens der opstår flere nord- og sydpoler. Efter yderligere 500 år er polskiftet gennemført.
Ifølge de geologiske data tager en fuldstændig polvending mellem 1000 og 20.000 år, men den foregår ikke gradvist og glat.
I stedet går magnetfeltet i stykker og bryder op i mange små felter. Konsekvensen af de mange småfelter er, at kloden har flere magnetiske nord- og sydpoler på én gang. Under de forhold er navigation med kompas komplet umulig.
I løbet af fasen, hvor polvendingen foregår, falder styrken af magnetfeltet med mere end 90 pct. I de århundreder eller årtusinder, hvor feltet er svagest, modtager kloden en stærkt forhøjet dosis stråling fra rummet. Og måske har det allerede påvirket menneskets udvikling.
Størknede magneter afslører skiftende poler
Magma stiger op langs oceanryggene, bl.a. midt ned gennem Atlanterhavet. Her størkner magmaen, og dens indhold af magnetiske mineraler orienterer sig efter magnetfeltet.
Magnetfeltet skifter, og nye magnetiske mineraler, som dannes fra den flydende magma, orienterer sig nu modsat af de tidligere.
Havbunden bliver et arkiv. Klippen dateres, og forskerne skaber en kalender, som afslører Jordens magnetiske polskift flere hundrede mio. år tilbage i tiden.
Det mener i hvert fald de to franske forskere Jean-Pierre Valet og Hélène Valladas. I deres undersøgelser stiller de skarpt på en periode under seneste istid for 41.000 år siden.
Her kollapsede populationen af menneskearten neandertaler i Europa – præcis samtidigt med en såkaldt geomagnetisk afvigelse.
Her udfører magnetfeltet de indledende øvelser til en polvending, og polerne kan endda kortvarigt bytte plads, men til sidst finder magnetfeltet tilbage til sin oprindelige retning.
Det var, præcis hvad der skete under den såkaldte Laschamp-hændelse. I godt 250 år skiftede nord- og sydpolen frem og tilbage, og styrken af magnetfeltet faldt med 95 pct., hvilket bl.a. medførte skader på ozonlaget over Europa, så mere skadelig og kræftfremkaldende ultraviolet stråling fra Solen ramte Jordens overflade.
Diamanter og røntgen åbner vindue til kernen
To diamanter presses så hårdt sammen, at de mellem deres spidser simulerer trykket på mange hundrede gigapascal i centrum af kloden. I ambolten, mellem de to diamantspidser, isolerer forskerne et mikroskopisk stykke jern. En laserstråle varmer jernet op til mere end 5000 °C. Jernkornet bryder en kraftig røntgenstråle, som så tegner et mønster på en plade. Mønsteret fra den brudte røntgenstråle afslører, hvordan jern opfører sig under de forhold, der hersker i Jordens kerne.
De ændrede strålingsforhold er ikke hele forklaringen på neandertalernes forsvinden. Men ifølge Valet og Valladas’ teori blev neandertalerne så svækkede, at de ikke kunne håndtere trykket fra istidens hurtige klimaskift og det moderne menneskes samtidige indmarch på kontinentet.
Afgørelsen falder i 2034
Med den viden i baghovedet er det interessant, at den nuværende udvikling i Jordens magnetfelt minder om begyndelsen på Laschamp-hændelsen.
Feltstyrken falder hurtigt, og områderne i den ydre kerne med modsat magnetisering vokser. I sidste ende kan vi altså om få århundreder opleve en periode, hvor Jordens skjold mod rummets stråling er næsten væk.
Farlige partikler rammer med lysets hastighed
Strålingsfare.
Jorden bombarderes konstant af kosmisk stråling, som bl.a. består af energirige partikler fra supernovaer. Partiklerne når frem til Jorden med tæt på lysets hastighed, men magnetfeltet stopper størstedelen og forhindrer dem i at gøre skade på jordoverfladen.
Styrke.
Magnetfeltets styrke måles ved det såkaldte dipolmoment, som måles i ampere-kvadratmeter (Am2). En kraftig køleskabsmagnet har et dipolmoment på ca. 1 Am2. Jordens nuværende dipolmoment er på 8 x 1022 Am2.
Italienske og kinesiske forskere har endda sat en frist på, hvornår vi med sikkerhed ved, om en polvending er på vej. Året er 2034.
Hvis ikke udviklingen i Jordens kerne på det tidspunkt er vendt, vil et kollaps af magnetfeltet være uundgåeligt.
Derfor bør vi allerede nu overveje, hvordan vi beskytter både os selv og vores sårbare teknologi og elforsyning. Vi skulle nødigt dele skæbne med neandertalerne.