Det skyddande magnetfältet

Redan under antiken var det känt att man ibland i mineralrika bergstrakter kunde finna mystiska tunga stenar som drog till sig järnföremål. Varför de betedde sig på det sättet visste ingen, och stenarna var ytterst sällsynta. Varför drog de bara till sig järn, och inte andra metaller, som koppar eller guld? Eftersom många av de mystiska stenarna kunde hittas i det grekiska landskapet Magnesien norr om Athen kallades de magneter.

En berömd kinesisk naturforskare vid namn Shen Kuo från nuvarande Hangzou fann på 1000-talet det första kommersiella användningsområdet för magneter: som navigationshjälpmedel. Om man lät en magnetisk sten flyta på en träbit eller i en bunke i en vattenspann vred sig magneten tills dess ena ände pekade mot norr och dess andra mot söder.

Shen Kuo var inte sen med att inse att vad vi i dag kallar kompassen var något som sjöfarare kunde utnyttja sig av för att bättre navigera på öppna havet. Att känna väderstrecken, även om varken land eller stjärnor syntes, dag och natt, i solsken och regn, var guld värt och kunde förhindra månget skeppsbrott. Snart vimlade Sydkinesiska sjön av kompassförsedda djonker.

Shen Kuo var en man med många strängar på sin lyra. Det sägs att han var först att upptäcka att polstjärnan faktiskt inte står rakt i norr, utan varje dygn ritar en liten cirkel en grad runt norra himmelspolen. Han insåg också att inte heller kompassen pekade rakt mot norr, utan någon eller några grader bredvid. Det fanns en missvisning som dessutom varierade mellan olika orter.

Liksom så många andra geniala naturforskare genom historien föll Shen Kuo med tiden offer för avundsjuka kollegers och konkurrenters intriger. Från att ha innehaft en hög position som astronom och rådgivare vid Song-kejsarens hov föll han i onåd. Sina sista år tillbringade han i ensamhet på sin lantegendom ”Drömbäcken”.

Här skrev han 1088 ett encyklopediskt bokverk där han beskrev samtidens uppfattningar om matematik, astronomi, tryckerikonst, fysik, kemi och mycket annat. Inte minst beskrev han kompassen.

Sitt verk gav han titeln ”Mengxi Bitan” vilket kan översättas med något i stil med ”Penseldiskussioner vid Drömbäcken” (på engelska ”Brush Essays from a Dream Brook”). Detta för att han i sitt arbete förde dialoger med sin kalligrafipensel och tuschflaska.

Några hundra år senare hade bruket av kompassen spritt sig även till Europa. Jaha, sa tidens lärde, en fritt upphängd magnet vill alltså rikta sig i nord-sydlig riktning (i alla fall nästan). Men varför det?

Den engelske naturforskaren William Gilbert beslöt sig för att ta reda på saken, och studerade vid 1500-talets slut systematiskt magnetstenarnas och magnetismens egenskaper.

Han fann att järnföremål själva blev magnetiska av magnetstenarna, och drog till sig ytterligare järn. Smidesjärn tappade sin magnetism när magneten togs bort, men kolhaltigt järn, stål alltså, kunde fås att bevara en del av den magnetiska kraften. Om man strök över en stålnål med en magnetsten kunde stålnålen bli permanent magnetisk och användas som kompassnål på det sätt som Shen Kuo beskrivit. Men det fanns andra egendomligheter.

Om man nu tog och sågade av stålnålen på mitten blev resultatet inte alls, som man hade kunnat tro, en nordmagnet och en sydmagnet. Nej, resultatet blev två stålnålar som vardera hade en nordpol i ena änden och en sydpol i den andra. Och inte nog med att en magnetisk nål vill vrida sig i nord-sydlig riktning. Den vill också, om den är fritt upphängd, ställa sig i vinkel mot horisontalplanet. Ju längre norrut man kommer desto mer vill nålen peka ner mot jordens innandöme.

Gilbert antog att detta måste bero på att själva jordklotet också är magnetiskt, och han gjorde det rimliga antagandet att jorden har en stor magnet i sitt inre, orienterad i nästan samma riktning som jordaxeln. Han åskådliggjorde sin teori genom att konstruera en ”Terrella”, en modell av jordklotet med en stavmagnet inuti, och visade hur en kompassnål ställde sig på samma sätt som på jorden.

I sin bok ”De Magnete” hävdade Gilbert att jordmagnetismen var en effekt av att jorden roterar. Detta var emellertid farliga tankar som gick stick i stäv med katolska kyrkans dogm om att jorden var orörlig och att det var solen och planeterna som kretsade runt jorden. Som tur var befann sig Gilbert i säkerhet i det protestantiska England, långt utom räckhåll för inkvisitionens långa armar. Gilberts bok spreds snart över hela Europa, och det sägs att Galileo Galilei nere i Florens läste den med stor förtjusning. Magnetismen verkade utgöra ytterligare ett bevis för den heliocentriska världsbilden.

Den vetenskapliga revolutionen var nu i full gång i hela Europa. Man experimenterade inte minst med statisk elektricitet och urladdningar. Sinnrika maskiner kunde laddas upp tills de sprutade våldsamma meterlånga blixtar omkring sig.

Vid 1700–talets slut gjorde en italienare vid namn Alessandro Volt en ny sensationell upptäckt. Han visade att det var möjligt att skapa en elektrisk strömkälla av en stapel bestående av par av plattor av olika metaller åtskilda av läskpapper indränkt med en svag syra. Voltas staplar gav en kontinuerlig ström, starkare ju fler plattor som ingick i stapeln. Kemister som Humphry Davy och Jacob Berzelius använde med framgång elektricitet från voltastaplar för att genomföra elektrolys och renframställa tidigare okända grundämnen som natrium och kalium.

En av dem som experimenterade med voltastaplar var en dansk naturforskare vid namn Hans Christian Örsted. En dag år 1820 när han råkade hålla en strömförande ledning över en fritt upphängd kompassnål upptäckte han att nålen vred sig ur sitt naturliga läge. I stället för att peka mot norr ställde den sig vinkelrätt mot strömledaren. Fanns det en koppling mellan magnetismen och den elektriska kraften?

Andra forskare upprepade snart Örsteds experiment. Den franske naturforskaren André-Marie Ampère upptäckte att man kunde linda en ledning till en spole och därigenom skapa en elektromagnet med i princip samma egenskaper som en permanent stavmagnet. I London märkte Michael Faraday att en strömpuls uppstod om en magnet rörde sig in i en spole.

Snart hade Faraday uppfunnit både generatorn och transformatorn och dessutom skapat embryot till den första elektriska motorn.

Det fanns uppenbarligen ett mycket intimt samband mellan magnetism och elektricitet. Detta samband formulerades matematiskt i fyra differentialekvationer av en snillrik bekant till Faraday, en herre vid namn James Clerk Maxwell i Edinburgh.

Maxwell räknade ut att ett oscillerande magnetfält skulle ge upphov till ett oscillerande elektriskt fält som i sin tur gav upphov till ett nytt magnetfält som i sin tur gav upphov till ett elektriskt fält etcetera. Resultatet skulle bli en elektromagnetisk vågrörelse som skulle fortplanta sig oerhört snabbt genom rymden. När Maxwell kalkylerade exakt hur snabbt de elektromagnetiska vågorna skulle fortplanta sig blev resultatet ljushastigheten.

Han insåg att ljuset är en elektromagnetisk våg. Och han insåg också att sådana vågor finns i olika längder, från det vi i dag kallar radiovågor (med kilometerlånga vågor) via synligt ljus (nanometervågor) till ultrakorta vågor, de vi kallar röntgen- och gammastrålning.

Men låt oss gå tillbaka en smula i tiden. Upptäckterna i början av 1800-talet hade gjort magnetismen till ett glödhett ämne inom fysikens frontlinje.

Den tyske äventyraren, upptäcktsresanden och naturforskaren Alexander von Humboldt lyckades på 1830-talet få matematikern Carl Friedrich Gauss att intressera sig för jordmagnetismen. Gauss konstruerade ett instrument som kunde användas till att både mäta riktning och styrka hos det jordmagnetiska fältet, något som gjorde att han fått ge namn åt en enhet för magnetisk fältstyrka.

Genom Gauss och Humboldts försorg organiserades ett nätverk av magnetiska mätstationer över hela Europa och långt bort i Sibirien. Nu fick man för första gången en bild av hur det jordmagnetiska fältet varierade med tiden lokalt och globalt i både riktning och styrka. Sjökort kunde nu förses med uppdaterade uppgifter om kompassens missvisning på olika orter, något som avsevärt förbättrade möjligheten till korrekt navigation på öppet hav.

Den 1 september år 1859 satt den engelske astronomen Richard Carrington i sitt observatorium och observerade solskivan. Under de senaste dagarna hade nämligen ovanligt många solfläckar dykt upp. Plötsligt såg han ett starkt ljussken, en så kallad flare, från kanten av en särskilt stor fläck.

Carrington antecknade noga tiden för utbrottet och tecknade också av det hela. Dagen därpå inträffade våldsamma magnetiska fenomen över hela jorden. Skeppskompasser snurrade runt, telegraflinjer blev strömförande så telegrafremsor tog eld, det sprakade om master och höga torn och norrsken kunde ses långt ner i tropikerna.

Kraftiga störningar i det jordmagnetiska fältet kunde registreras av Gauss och Humboldts mätstationer runt om i världen. Magnetstormen 1859 kallas The Carrington Event och anses vara den kraftigaste störning av det jordmagnetiska fältet som skett i modern tid.

Först långt senare har astronomer och fysiker kunnat reda ut vad som egentligen hände: att jorden träffades av ett så kallat koronautkast. I dag vet man att en ström av laddade partiklar från solen, solvinden, ständigt duschar jorden och de andra planeterna i solsystemet.

När de laddade partiklarna möter det jordmagnetiska fältet avlänkas de emellertid. Detta är alldeles utmärkt, eftersom de annars skulle fungera ungefär som en sandbläster och blåsa bort inte bara jordens atmosfär utan också på sikt allt vatten i haven.

Det är också tack vare jordens magnetfält som vi skyddas mot allehanda livsfarlig joniserande strålning både utifrån kosmos och från solen. Det är väldig tur att jordens magnetfält finns, för annars hade det sett ut på jorden som på Mars. Mars hade en gång i tidernas begynnelse ett magnetfält, men det försvann för flera miljarder år sedan. Sedan dess har Mars varit en död planet.

Inte heller Venus eller månen har något magnetfält. Det har däremot Merkurius och alla de stora gasplaneterna. Och Jupiters stora månar.

I vanliga fall har det jordmagnetiska fältet inga problem med att hålla solvinden stången och skydda oss mot kosmisk strålning. Men om solaktiviteten är hög, med många solfläckar och magnetiska utbrott, kan magnetstormar som den 1859 uppstå. Och dagens samhälle är betydligt mer störningskänsligt än världen var då.

Under andra världskriget utvecklades ytterst känsliga instrument för att magnetiskt kunna upptäcka ubåtar. De här instrumenten kom till nytta efter kriget när forskarna började undersöka den svaga permanenta magnetismen hos basalten i havsbottnarna i Atlanten. Det visade sig att det fanns band med omväxlande normalt och polvänt fält parallella med den midatlantiska centralryggen, den eruptiva vulkaniska undervattensbergskedja där ny havsbotten växer fram ur jordens inre. Hur kunde det komma sig?

Svaret hade redan getts av geofysikerna Bernard Brunhes och Motonori Matuyama. Det jordmagnetiska fältet har bytt riktning då och då i det förflutna, i medeltal några gånger per miljon år. Kanske är det dags nu igen, för senast det hände var för 780 000 år sedan. Mätningar visar att fältstyrkan minskat med 20 procent under det senaste seklet. Vad händer om fältet plötsligt vänder?

Ingen vet, men uppenbarligen har livet på jorden överlevt hundratals polvändningar. Så så farligt kan det väl ändå inte vara? Eller? Hur som helst övervakar numera Esas Swarm-satelliter i detalj hur det jordmagnetiska fältet förändras. Exempelvis rör sig den magnetiska nordpolen sedan några decennier norrut från den kanadensiska arktiska övärlden mot den geografiska polen.

Och centrum för den sydatlantiska anomalin, det område på jorden där magnetfältet är som svagast, rör sig västerut och befinner sig nu över staden Ascención i Paraguay. Kommer rörelserna att fortsätta? Vi får se vad som händer i framtiden.

Men hur var det då egentligen med de där mystiska magnetiska stenarna som man ibland hittade i mineralrika bergstrakter? De består av järnmalm, magnetit, säger geologerna. Det troligaste är att de magnetiserats genom blixtnedslag.