Dünyanın merkezi tersine dönüyor. Çünkü dünya dev bir elektrik jenaratörü

Leeds Üniversitesi bize sürpriz yaptı ve Dünya’nın dış çekirdeğinin gezegenin tersine döndüğünü gösterdi. Evet, herkes gider Mersin’e, çekirdek döner tersine. İç çekirdek ise Dünya ile aynı yönde ama biraz daha hızlı dönüyor.

Dünyanın sıvı dış çekirdeğindeki erimiş demirin dalma-batma hareketleri çok güçlü elektrik akımları üretiyor ve bunlar da Dünya’nın güçlü manyetik alanını oluşturuyor. Manyetik alan aynı zamanda iç ve dış çekirdeğinin dönüşünü etkiliyor.

Leeds Üniversitesi Yer ve Çevrebilimleri Fakültesinden Dr. Philip Livermore olayı şöyle açıklıyor: Gezegenimizin “manyetik alanı, iç çekirdeği Doğuya doğru iterek Dünya’dan daha hızlı dönmesine neden oluyor. Aynı zamanda sıvı dış çekirdeği de ters yöne iterek Doğudan Batıya dönmesine yol açıyor.” Kısacası iç ve dış çekirdeğin torku farklı.

Dünya’nın merkezine yolculuk

Dünya’nın dönüş yönünü sormak kadar gereksiz bir şey olabilir mi diye düşünebilirsiniz: Dünya Batıdan Doğuya dönüyor ve Güneş de Doğudan doğuyor, Batıdan batıyor. Ancak uzay boşluğunda yukarı–aşağı, sağ–sol gibi kavramların anlamı olmadığı için soru o kadar basit değil.

Uzaya çıkıp Dünya’ya Kuzey Kutbundan baktığımızda, gezegenin “saatin ters yönünde” döndüğünü görüyoruz. Dünya’ya Güney Kutbundan baktığımız zaman da saat yönünde döndüğünü görüyoruz. Einstein’ın dediği gibi uzayda yönler göreli ve dönme yönü referans noktasına, yani bakış açısına göre değişiyor.

Dünya’nın içyapısı söz konusu olduğunda işler daha da karışıyor. Dünyanın içi katmanları farklı yönlerde dönüyor.

İç içe dönen küreler

Çünkü Yeryüzü basit bir kaya topu değil ve Asteroit Madenciliği yazısında anlattığım gibi dışta kabuk, altta manto tabakası ve nihayet dış çekirdek ile iç çekirdek olmak üzere Dünya’nın çok katmanlı bir içyapısı var. Üstelik bu katmanlar farklı hızlarda dönüyor.

Dünya’nın katı iç çekirdeği tıpkı gezegenimizin kabuğu gibi Batıdan Doğuya dönüyor. Ancak sıvı dış çekirdek Doğudan Batıya, yani Dünya’nın tersine dönüyor. İç ve dış çekirdeğin farklı hızlarda dönmesi, yani “senkron farkı” Dünya’nın manyetik alanını üretiyor.

Manyetik alanın marifetleri

Manyetik alan sadece pusulaların kuzeyi göstermesini sağlamakla, canlıları zararlı kozmik ışınlardan korumakla ve Dünya’yı saran bir güç kalkanı oluşturarak Güneş rüzgârının atmosferimizi aşındırmasını önlemekle kalmıyor.

Aynı zamanda geri besleme etkisi ile iç ve dış çekirdeğin dönüşünü de etkiliyor. Öyle ki dış çekirdeğin tersine dönmesi, manyetik alanın da tersine dönmesi sonucunu doğruyor. Böylece karşımıza tavuk mu yumurtadan, yoksa yumurta mı tavuktan çıkar gibi bir soru çıkıyor.

Dünya’nın manyetik alanının zamanla nasıl değiştiğini açıklamak için çekirdek ile manyetik alan arasındaki karşılıklı etkileşimi hesaba katmak gerekiyor. Bu etkileşim binlerce veya yüz binlerce yıllık zaman aralıklarında manyetik alanın bazen Dünya’nın tersine dönmesine ya da pusulaların bazen Güneyi göstermesine yol açıyor.

Leeds Üniversitesi, günümüzde dış çekirdeğin manyetik alan yüzünden ters yönde döndüğünü göstererek bu mekanizmayı açıkladı. Şimdi bu ilişkiye yakından göz atalım.

Uzlaşmaz ikili: İç çekirdek ve dış çekirdek

Önce biraz rakam: Ay’ın kütlesinin yüzde 30’una sahip olan 2440 km kalınlığındaki iç çekirdeğin yoğunluğu suyun yoğunluğunun yaklaşık 13 katı. Dünya’nın büyük bir çekirdeği var. Öyle ki iç çekirdeğin çapı Ay’ın yüzde 70’i genişliğinde. Burada çok sert ve çok ağır bir demir topundan bahsediyoruz.

İç çekirdeğin bu kadar büyük, ağır ve yoğun olmasını merkezkaç kuvvetiyle birlikte düşündüğümüzde; Dünya’nın ekvatorda daha hızlı dönmesi gerektiği sonucuna varabilir ve dolayısıyla iç çekirdeğin de çok daha yavaş dönmesi gerektiğini düşünebiliriz. Gerçekten de Dünya’nın dönme hızı ekvatorda maksimum hıza ulaşarak saatte 1600 km’yi aşıyor. Buna rağmen iç çekirdek bir dönüşünü 1400 yılda tamamlamak yerine, Dünya’nın geri kalanından biraz daha hızlı dönüyor! Bunun birkaç nedeni var.

4 milyar yıl önce Dünya’ya çarpan Mars büyüklüğündeki bir gökcismi, Dünya’nın ve dolayısıyla çekirdeğin dönüş hızını artırmıştı. Ancak bu olay çekirdeğin yüksek hızda dönmesini tek başına açıklamaya yeterli değil. Çünkü hem Dünya o zamandan beri bir bütün halinde daha hızlı dönüyor, hem de gezegenimizin iç katmanları arasındaki sürtünme kuvvetinin iç çekirdeği 4 milyar içinde oldukça yavaşlatmış olması gerekiyor. Oysa Dünya’nın güçlü manyetik alanı iç çekirdeğin hızına hız katıyor.

İç çekirdek sen neden katısın?

İşte dış ve iç çekirdek arasındaki ilişki burada devreye giriyor. Demir-nikel iç çekirdeğin sıcaklığı yaklaşık 6000 derece. Bu hem demiri hem de nikeli eritmeye yeterli, ama yazının başından beri iç çekirdeğin “katı” olduğunu söylüyoruz. İç çekirdeğin katı olmasının nedeni, Dünya’nın üst katmanlarının toplam ağırlığının çekirdeği sıkıştırması, ezmesi ve çekirdek üzerinde muazzam bir basınç oluşturmasıdır.

Bu katmanlar çekirdeği soğuk dış uzaydan izole ederek Dünya’nın oluşmasından kalan başlangıç sıcaklığını korumasını sağlıyor. Öte yandan, çekirdeği ezerek sıcaklığı daha da artırıyor fakat bu sırada çekirdeğe muazzam bir basınç da uyguluyor. İç çekirdek yüksek basıncın etkisiyle 6000 derece sıcaklığa rağmen erimeden katı halde kalıyor.

Dünya’nın motor yağı

Dış çekirdeğin böyle bir imkanı yok. Dış çekirdeğin sıcaklığı da basıncın ve iç çekirdeğin sağladığı alttan ısıtmanın etkisiyle binlerce dereceyi aşıyor. Ancak dış çekirdeğin basıncı iç çekirdeğin basıncından daha düşük ölçüde ve bu basınç dış çekirdeği katı halde tutmaya yetmiyor. Sonuç olarak yine demir ve nikelden oluşan dış çekirdek sıvı halde kalıyor.

Sıvılar katılardan daha kolay hız değiştirdiği ve harekete daha az dirençli olduğu için sıvı dış çekirdek, iç çekirdek ile üstteki manto tabakası arasında “mekanik bir tampon bölge” oluşturuyor. Sıvı dış çekirdek, iç çekirdek üzerindeki sürtünme etkisini azaltıyor. Tıpkı araba motoru gibi iç çekirdeği yağlayarak sürtünme ile yavaşlamasını önlüyor. Böylece gezegenimizin manyetik alanının itici kuvveti iç çekirdeğin hızını daha da artırıyor!

Dünya dev bir elektrik jeneratörü

Konumuzun dışına çıkmamak için fazla detaya girmek istemiyorum ama şunu belirtmemiz gerek: İç ve dış çekirdeğin dönme hızlarının farklı olması ve her ikisinin de elektriği ileten demir elementinden oluşması, aynı zamanda Dünya’nın manyetik alanını üreten enerjiyi sağlıyor. Sürtünme, dönüş yönü, dönüş hızı, sıcaklık, akışkanlık, konveksiyon akımları gibi birçok faktör bunda rol oynuyor.

Örneğin iç çekirdeğin yüzeyi her 1 milyar yılda 100 derece soğuyor. Dolayısıyla sıvı dış çekirdek de yavaş yavaş soğuyarak katılaşıyor. Bütün bu süreç sırasında iç çekirdekten dış çekirdeğe sürekli olarak 1 milyar amper şiddetinde elektrik akımı geçiyor. Bu akım iş ve dış çekirdek arasında gidip geliyor. İşte bu süreç hem Dünya’nın manyetik alanını yaratıyor, hem de dış çekirdeğin yavaş yavaş katılaşmasıyla birlikte iç ve dış çekirdeğin dönüşünü etkiliyor.

İşin ilginci dış çekirdek her yerde aynı hızla soğumuyor. Dünya’nın çekirdeğindeki manyetik alan çizgilerinin yüksek enerjisi nedeniyle bazen iç çekirdeğin katı yerleri eriyor, bazen de dış çekirdeğin daha önce katılaşan bölgeleri küçük ve süper sıcak demir göletleri halinde sıvılaşıyor. İç ve dış çekirdeğin dönüş hızının zaman içinde artması ya da yavaşlamasının ve dış çekirdeğin bazen tersine dönmesinin sebebi bu.

Ateş ve şimşekler

Halihazırda iç çekirdek ekvatordan biraz daha hızlı dönüyor. Sıvı dış çekirdek ise daha yavaş bir hızda Dünya’nın tersine dönüyor. Peki, iç ve dış çekirdek arasındaki dönüş hızı ile dönüş yönü farkı gezegenimizin manyetik alanını nasıl üretiyor? Bu süreç aslında yün kumaşa plastik sürterek statik elektrik üretmeye benzer bir şekilde işliyor. Kısacası, Dünyanın iç ve dış çekirdeği elektrik üreten dev bir jeneratör, bir tür doğal “dinamo” oluşturuyor!

Elektromanyetik alan yasalarına göre, elektrik akımlarını manyetik alana ve manyetik alanları elektriğe dönüştürebiliriz. Bunu göstermek için 19. yüzyılda Dünya’nın ilk elektrik jeneratörlerinden biri olan dinamo tasarımını ele alalım. Dinamonun “stator” olarak adlandırılan ve manyetik alan üreten sabit bir parçası var. Detaylar önemli değil, ama dinamonun öbür parçası bakır tel gibi iletken tellerle sarılı bir “rotor”dur.

Faraday Endüksiyon Yasasına göre, sabit bir manyetik alan içerisinde elektriği ileten tel sargılı bobinler döndürürsek (örneğin bakır tel sargılar) elektrik üretebiliriz. Bu noktada Dünya’yı da tersine çalışan bir dinamo gibi kabul edebiliriz: İkisi de elektriği iyi ileten büyük miktarda demir metali içeren iç ve dış çekirdek birbirine sürtünerek farklı hızlarda dönüyor. Bu süreç çekirdekte milyar amperlik elektrik akımları üretiyor ve bu akımlar da güçlü manyetik alanlar oluşturuyor. Aslında biz buna bisiklet dinamosundan aşinayız.

Dünya’nın manyetik alanı da tersine dönüyor

Dünya’nın farklı katmanlarının farklı sıcaklıkta olması, gezegenimizin içindeki erimiş kayaların dibe doğru dalma-batma hareketi gerçekleştirmesine neden oluyor. Manto tabakasının derinlerine batan magma zamanla tekrar kabuğa doğru yükseliyor. Magmanın kabuğa doğru yükselmesi gezegenimizde yanardağa püskürmeleri ve lav akıntılarına yol açıyor (Volkanik püskürmelerin tek sebebi bu değil. Kıtaların kayması başka bir sebep ama hepsi magmadaki dalgalanmalara bağlı).

Biraz da çaydanlıktaki kaynar suyun kabarmasına benzeyen bu olaya “konveksiyon” (taşınım) hareketi diyoruz. Dünya’nın kendi etrafında dönmesinden kaynaklanan Coriolis etkisi, dalma-batma hareketlerine, yani konveksiyon hareketlerine ek enerji katarak manyetik alanın şiddetinde ve yönünde tümüyle öngörülemez spontan değişikliklere yol açıyor. Şansımıza bunu gözümüzde canlandırmak kolay.

Dünya’yı elma gibi ikiye bölseydiniz, konveksiyon hareketinin, elma kesitinin kenarlarına benzeyen kıvrımlı madde akıntıları ve “güç alanı eğrileri” oluşturduğunu görürdünüz. İç ve dış çekirdekten oluşan “dinamonun” ürettiği elektrik akımları bu tür güç alanı eğrileri, bu tür manyetik alan çizgileri oluşturuyor.

Manyetik kutupların yer değiştirmesiyle karıştırmayalım

Dünyanın çekirdeğindeki erimiş demirin konveksiyon hareketleri çok güçlü elektrik akımları üretiyor ve bunlar da Dünya’nın güçlü manyetik alanını oluşturuyor. Dünya’nın dinamik içyapısı manyetik alanın kutuplarını da etkiliyor.

Kuzey ve Güney Kutupları 100 bin ila 1 milyon yıl içinde tersine dönüyor. Bu değişime de yukarıda anlattığımız karmaşık etkiler yol açıyor. Dünya’nın manyetik kutupları en son 780 bin yıl önce tersine dönmüştü.

Manyetik kutuplar tersine döndükten sonra, bu olayın sonlanması ve manyetik kutbun bugünkü gibi Kuzey Kutbuna geri dönmesi ise 1000 ila 10 bin yıl sürüyor. Ancak, bazı araştırmalar manyetik kutupların 41 bin yıl önce, son buzul çağında böyle bir salınım yaşadığını gösteriyor.

Dünya’nın manyetik alanındaki kaymayı Halley keşfetti

Klips ve Onlar grubunun 1986 yılında Eurovision’da 9. olmasını sağlayan Halley şarkısına esin kaynağı olan ve son olarak Dünyamızı o yıl ziyaret eden Halley kuyrukluyıldızını keşfeden Edmund Halley, manyetik alanın Batıya doğru kaydığını 1692 yılında gözlemlemişti. Son 40 yılın deprem verilerini inceleyerek Dünya’nın merkezinden geçen sarsıntıları araştıran Leeds Üniversitesi ise Dünya’nın manyetik alanının dış çekirdeğin tersine dönmesine nasıl yol açtığını gösterdi.

Leeds Üniversitesi bu mekanizmayı açıklamak için İsviçre Lugano’daki Ulusal Süper Bilgisayar Merkezi’nde bulunan Monte Rosa süper bilgisayarını kullanarak gelişmiş simülasyonlar yaptı. Yeni yöntemler kullanan bilim adamları, Dünya çekirdeğinin hareketlerini diğer jeoloji modellerinden 100 kat daha kesin olarak ölçebildiler.

Leeds araştırmacıları ellerindeki verileri diğer araştırma sonuçlarıyla birleştirdiklerinde Dünya’nın manyetik alanının dönüş hızı veya dönüş yönünün de sabit olmadığını buldular. Dış çekirdeğin dönüş yönü ve hızına bağlı olarak, manyetik alanın yönü ve hızı da değişiyordu.

Dış çekirdek ve manyetik alan bazen gezegenimizle aynı yönde dönüyor. Dünya kabuğundaki metalik kayalarda görülen manyetik alan izleri, dış çekirdeğin dönüş yönünün son 3000 yılda en az bir kez değişmiş olabileceğini gösteriyor. Evet bu gerçek bir yumurta mı tavuktan, tavuk mu yumurtadan hikayesi. 

(khosann.com)

Dünyanın merkezine yolculuk:

¹P.W. Livermore, R. Hollerbach and A. Jackson. Electromagnetically driven westward drift and inner-core superrotation in Earth’s core. PNAS, 2013 DOI: 10.1073/pnas.1307825110

Uzay ve dünya dışı yaşam konularında birbirinden dikkat çekici yayınlar www.SpaceExplorer.TV sitemizde