GÖRÜNMEZ KALKANLAR: MANYETİK ALANLAR

AstroNotlar’dan, merhaba! Bu hafta Güneş Sistemimiz’deki manyetik alanlar hakkında konuşacağız

Konuya başlamadan önce “manyetik alan” kavramının ne demek olduğundan bahsedelim.

Manyetik alan, vektörel bir büyüklüktür. Yani herhangi bir noktada yönü ve şiddeti ile tanımlanır. Hareket eden elektrik yükleri tarafından, zamanla değişen elektrik alanlardan veya temel parçacıklar tarafından üretilir. En basit tanımıyla, yüklü parçacıkların ivmeli hareketi manyetik alanları oluşturur.

Manyetik alanlar birçok yerde karşımıza çıkmaktadır. Dünyamız kendi manyetik alanını üretir ve bu manyetik alan pusulanın temel çalışma prensibini oluşturur. Manyetik alandan, elektrikle çalışan araçlarımızın elektrik motorlarında, yüksek hızlı trenlerde ve jeneratörlerde de faydalanmaktayız. Manyetik alan, bir mıknatısın “mıknatıssal” özelliklerini gösterebildiği alandır. Herhangi bir hareketli elektrik yükünün çevresindeki uzay bölgesi, elektrik alana ek olarak bir de manyetik alan içerir. Mıknatısın çevresinde oluşan ve varlıklarını demir tozu döktüğümüz zaman görebildiğimiz sanal çizgilere de, mıknatısın o bölgede oluşturduğu “manyetik alan çizgileri” denir ve bu manyetik alan çizgilerinin yönü her zaman kuzeyden (N) güneye (S) doğru olur. Dünyamız’ın manyetik alan çizgilerine de “Van Allen Kuşakları” adı verilmektedir.

Dünya’nın manyetik alanı, sıvı dış çekirdeğindeki konveksiyon akımları ile oluşmaktadır. Bu konveksiyon hareketlerinin de, Dünya’nın oluşumundan beri meydana geldiği düşünülmektedir. Konveksiyon hareketlerini ise basitçe tanımlayacak olursak, sıcaklık farkından dolayı maddenin yer değiştirmesi diyebiliriz. Kaynamaya başlayan bir su molekülünün su yüzeyine çıkıp, soğuduktan sonra tekrar dibe batması günlük hayatımızdaki konveksiyon hareketine bir örnektir. Yeryüzü çekirdeğinin içi katı, dışı sıvı demir termal hareketlerle kendi manyetik alanlarını oluşturur. Atomların düzenli bir şekilde yer değiştirmesi ve yönlendirmesi kalıcı mıknatıslanmaya neden olduğundan Dünya’nın kabuğunda kalıcı mıknatıslanma yaratır. Normalde manyetik alan hareket eden elektrik yüklerinin varlığında oluşur ve bu hareket olmazsa, yani elektrik yükleri kutuplar arasında hareket etmediği zaman manyetik alan da ortadan kalkar. Kalıcı mıknatıslanmada ise durum farklı bir biçimde atomlar sürekli hareket halinde olduğu için, Dünya’nın ve hatta çekirdeğin dönüşü durmadıkça, manyetik alan da yok olmaz. Dünya’yı, etrafı manyetik alanla çevrelenmiş büyük küresel bir mıknatıs gibi düşünebilirsiniz yani. Bu manyetik alana da biz “manyetosfer” adını veriyoruz.

Dünya’nın manyetik alanının oluşumu (Görsel: Vikipedi)

Dünya manyetik alanı basitçe, kuzey ve güney kutupları olan, merkezde yerleşmiş bir mıknatıs çubuk olarak da tanımlanabilir. Dünya’nın dönüş ekseni ile çubuğun ekseni arasında yaklaşık olarak 11 derece fark vardır. Bu kuzey ve güney coğrafi kutuplarla, manyetik kutupların üst üste gelmediğini bize gösterir. Herhangi bir noktadaki yer mıknatıssal alanı, ölçülen bileşen ve yön ile belirtilir. Yerin içindeki dev mıknatıs coğrafi kuzey-güney doğrultusuyla yaklaşık 11 – 15 derecelik bir açı yapacak şekilde konumlandığından, pusulamızın gösterdiği yön tam olarak coğrafi kuzey yönü olmayıp, 11 – 15 derece arasında bir sapma yapar.

Dünya manyetosferi, “Güneş Rüzgarı” adı verilen Güneş kökenli hızlı parçacıkların oluşturduğu plazma akımının, saptırılarak engellendiği bölgedir. Manyetosferin en dışında, plazma akımının aniden yavaşlayarak hızının ses hızının altına indiği ve yön değiştirdiği bir şok dalgası gözlenir. Gezegene yaklaştıkça manyetik alanın etkisi giderek artar ve Güneş kökenli parçacıkların aşamayarak çevresinden dolaşmak zorunda kaldığı manyetopoz denilen bölge, manyetosferin sınırını belirleyen bölge rolündedir. Güneş etkinliğine göre gezegene uzaklığı değişen bu sınır, Güneş doğrultusunda Yer merkezinden yaklaşık 60.000 km uzaklıkta bulunur. Güneş rüzgarının deforme ettiği manyetik kuvvet çizgilerine uyumlu olarak, bu sınır yanlara doğru genişleyerek gezegenden uzaklaşır ve bir damla biçimini alarak gezegenin arkasında milyonlarca kilometre uzanan bir kuyruk oluşturur.

Space Earth GIF by NASA - Find & Share on GIPHY
Dünya manyetosferi ve Güneş’ten gelen Güneş Rüzgarı’na karşı tepkisi. GIF’te manyetopoz ve manyetokuyrukun hareketleri net bir şekilde görülmektedir. (Görsel: NASA)

Basitçe ifade etmek gerekirse manyetosfer, bir gezegenin manyetik alanının baskın olduğu bölgedir. Öte yandan, gezegenler arası uzaya Güneş’in manyetik alanı ve Güneş Rüzgarı hakimdir. Güçlü bir manyetik alan, yüksek enerjili parçacıkları saptırarak bir gezegeni güneş rüzgarından ve koronal kütle atımlarından koruyabilir. Merkür, Dünya, Jüpiter, Satürn, Uranüs ve Neptün’ün her biri, iç manyetik alanları nedeniyle içsel bir manyetosfere sahiptir. Öte yandan Venüs ve Mars, küresel bir manyetik alandan yoksundur; bu, Mars’ın güneş rüzgarlarının püskürmesi nedeniyle atmosferini kaybetmesinden sorumlu olabilir.

Eski yazılarımızdan birisi olan “Gökyüzündeki Tablolar: Auroralar” yayınımızda da Dünya’nın manyetik alanından da kısaca bahsetmiştik. Eğer okumadıysanız bu yazımızı da okumanızı ve podcastini dinlemenizi öneririz. 

İlk sıradaki gezegenimiz Merkür’den başlayalım o halde.

Güneş Sistemindeki Ay, Plüton gibi küçük nesnelerin çoğu, günümüzde birer manyetik alana sahip değildirler. Çünkü çekirdekleri katıdır ve bir dinamo üretemez. Merkür, Güneş’e olan yakınlığı nedeniyle hala sıvı bir dış çekirdeğe sahiptir. Güneş’e yakın olmak aynı zamanda Merkür’ün daha güçlü bir güneş rüzgar basıncını hissettiği anlamına da gelir. Merkür, Dünya’daki güneş rüzgarından yaklaşık 7 kat daha güçlü rüzgarlara maruz kalır. Dünya’nın yalnızca %1’i kadar manyetik alan üreten bir çekirdek ve savaşmak için güçlü bir güneş rüzgarı ile Merkür, yalnızca küçük bir manyetosferi koruyabilir. Merkür’ün manyetik alanı o kadar küçüktür ki, Dünya’nın içine tamamen sığabilir.

MESSENGER Observations of Disappearing Dayside Magnetosphere Events at  Mercury - Slavin - 2019 - Journal of Geophysical Research: Space Physics -  Wiley Online Library
Merkür’ün manyetik alanı (Görsel: Messenger)

Bu zayıf manyetik alanı nasıl keşfettik? NASA’nın “Messenger” görevi, 2011-2015 yılları arasında Merkür’ün yörüngesinde dolandı. O sırada, manyetik alanı yüksek çözünürlükte haritaladı ve Merkür’ün manyetosferinin son derece dinamik olduğunu, Güneş’in parlamalarının insafına kaldığını gördü. Muhtemelen Messenger’ın en şaşırtıcı keşfi ise Merkür’ün küçülüyor olmasıdır!

ESA ve JAXA arasındaki ortak bir görev olan BepiColombo görevi ise hala Merkür yolunda ve 2025’te Merkür’e varacak. Merkür manyetosferinin alışılmadık özelliklerini daha iyi anlamak amacıyla Merkür etrafındaki yörüngesinde dönerken manyetik alanı ve yüzey tozunu ölçmek için bir dizi alet içeriyor. 

Sıradaki gezegenimiz, güzellik tanrıçası Venüs! Ne yazık ki Venüs’ün herhangi bir manyetik alanı bulunmaz. Bulunmamasının sebebi olarak da oldukça düşük olan rotasyon hızını öne sürülmektedir. Gezegenlerin kendi etrafındaki dönüş hızları ne kadar fazlaysa, iç yapılarındaki dinamo da o kadar aktif olmaktadır. Venüs’ün kendi etrafındaki bir tam turu yaklaşık 243 Dünya günü sürer. Bu sebeple bu gezegende herhangi bir manyetik alan bulunmamaktadır.

Research
Venüs’ün olmayan manyetik alanı (Görsel: Max Planck Institut für Sonnensystemforschung)

Mars’ta ise durumlar tabiri caizse arap saçına döner, çünkü Mars’ın manyetik alanı gerçekten de birbirine geçmiş spagettiler gibidir. Mars’ta Dünya gibi tüm gezegeni kapsayan bir manyetik alan bulunmaz, Mars’ın manyetik alanı iç içe geçmiş ve bölgesel olarak Mars yüzeyine dağılmış halde bulunmaktadır. Yakın geçmişte Mars yüzeyine gönderilen InSight uzay aracının son gönderdiği veriler de oldukça enteresan. Uzay aracının gönderdiği veriler, Mars’ın yüzeyindeki manyetik alanın günlük hatta saniyelik olarak değiştiğini bizlere gösteriyor. Araştırma ile ilgili makale Nature Geoscience’ın InSight’a ayrılmış özel sayısında Şubat 2020’de yayımlandı. Geçmişte Mars’ın yüzeyindeki manyetik alanlar ile ilgili en hassas tahminler, gezegenin etrafında dolanan uyduların topladığı verilere dayanıyor ve sadece 150 kilometre genişliğe sahip bölgelerdeki ortalama manyetik alanlar hakkında fikir veriyordu.

The case for life on Mars | THINKING SCI-FI
Mars’ın “spagetti” manyetik alanları (Görsel: NASA)

Doğrudan gezegenin yüzeyinde yapılan ölçümlerse çok daha küçük bölgelerdeki manyetik alanlar hakkında çok daha hassas sonuçları bizlere veriyor. InSight’ın topladığı veriler, aracın bulunduğu bölgedeki manyetik alanın daha önceleri tahmin edilenden on kat daha büyük olduğunu ve manyetik alanın kaynağının yakınlarda olduğunu da gösteriyor. Mars’ın milyarlarca yıl önce, Dünya gibi kalıcı bir manyetik alana sahip olduğu biliniyor. Bu manyetik alan, bilinmeyen bir sebeple yok olmadan önce, gezegendeki kayaçların mıknatıslanmasına sebep olmuştu. Yüzeye yakın genç kayaçlar, gezegenin antik manyetik alanı tarafından mıknatıslanmış olamayacağı için, InSight tarafından tespit edilen manyetik alanın ana kaynağının derinliği birkaç yüz metreyle on kilometre arasında değişen kayaçlar olduğu düşünülmektedir.

Sıradaki gezegenimiz Jüpiter’e geçelim.

Biraz abartılı bir söylem olabilir, ancak gezegenbilimiyle ilgili çalışmalar yürüten biliminsanları Jüpiter’in manyetosferinin, Güneş Sistemi’ndeki en büyük yapı olduğunu söylemekten hoşlanıyorlar. İyi bir tanımlama cümlesi olarak, Jüpiter’in manyetosferini gece görebilseydik, Ay’dan iki – üç kat daha büyük olacağını söyleyebiliriz. Yani Jüpiter mevcut uzaklığında kalıyor, ama manyetosferi Ay’dan 2-3 kat büyük görünüyor olurdu. Jüpiter böylesine büyük bir manyetosfer yaratabilir çünkü Dünya’nın 20.000 katı manyetik alana sahiptir ve Dünya’daki basıncın yalnızca %4’ü kadar bir Güneş Rüzgarı basıncı hisseder.

Hisaki" Revealed the Effects of the Solar Wind Extend to within the Jovian  Magnetosphere | ISAS
Jüpiter’in manyetik alanı ve Io torus (Görsel: JAXA)

Jüpiter’in manyetosferinde, gezegenin kendisine yakın bir yerde iyonize kükürt ve oksijen atomlarından oluşan bir ortam vardır. Bu atomların kaynağı, volkanik olarak aktif olan ancak atmosferi olmayan en içteki Galileo uydusu olan İo’dur. İo’nun yanardağları saniyede bir ton sülfür dioksit salgılar ve bu da halka şeklinde Jüpiter’in yörüngesinde döner. Sülfür dioksit parçalanır ve ardından İo plazma torus bölgesinde bulunan oksijen, sülfür ve serbest atomlar iyonize edilir. 

Explore Space Science Activities
Jüpiter’in manyetik alanını görebilseydik (Görsel: ESA)

Jüpiter kendi ekseni etrafında bir turunu 10 saatte tamamlayarak inanılmaz derecede hızlı döner, ancak plazma buna ayak uyduramaz. Jüpiter, plazmayı bir elektrik akımı ağıyla birlikte çekmeye çalışır; bunların bir kısmı bir hat boyunca manyetik kuzey kutbundaki atmosfere yönlendirerek Güneş Sistemindeki en parlak auroraları oluşturur.

Jupiter GIF - Find on GIFER
Jüpiter’in manyetik alanı (Görsel: NASA)

Jüpiter’in manyetokuyruğu yaklaşık 5 AB’lik, ya da diğer bir deyişle Jüpiter-Güneş mesafesi kadar, Satürn’ün yörüngesine kadar uzanan büyük bir boyuta ulaşır! Satürn her yirmi yılda bir, bir ay boyunca normal Güneş Sistemi koşullarından tamamen farklı bir uzay ortamı olan Jüpiter’in manyetokuyruğundan geçer. Aslında, bu olay oldukça yakın bir zaman önce gerçekleşti bile.

Konu Satürn’den açılmışken, sıradaki gezegenimiz olan Satürn’e geçelim.

Satürn, tıpkı komşusu Jüpiter gibi Dünya’nınkinden 600 kat daha güçlü bir manyetosfere sahiptir. Cassini’nin Satürn’e yaptığı görev (2004-2017), Enceladus uydusunun, Satürn’ün manyetosferindeki plazmanın çoğunun kaynağı olduğunu keşfetti. Enceladus’un gayzerleri, her saniye yüzlerce kilogram su buharı pompalar ve bu, plazma ortamının büyük bir kısmı olmak üzere ayrıştırılır ve iyonize edilir.

Magnetosphere | Science – NASA Solar System Exploration
Satürn’ün manyetik alanı (Görsel: NASA)

Az önce bahsettiğim gibi, Satürn geride bıraktığımız Kasım ayında Jüpiter’in manyetokuyruğundan geçti. Bu süre zarfında Satürn, doğrudan güneş rüzgarına maruz kaldığına kıyasla normalden daha az plazma basıncı hissetti. Jüpiter’in manyetokuyruğu aslında Güneş Rüzgarı’ndan daha düşük bir iyon yoğunluğuna sahiptir. Kuyruk boyunca, Jüpiter’in manyetik alanı Güneş Rüzgarı’nın girmesini engeller, ancak Jüpiter’in kendisine yakın çok az sayıda plazma parçacığı kuyruk boyunca ilerleyerek plazma yoğunluğunu inanılmaz derecede düşük bırakır.

Manyetokuyruk, güneş rüzgarındaki bir rüzgar tulumu gibi “kanat çırpar”, yani Satürn bu olay sırasında birçok kez içeri girip çıkar. Jonny Nichols liderliğindeki bir astronom ekibi şu anda Hubble Uzay Teleskobu’nu Satürn’ün UV aurorasını gözlemlemek için kullanıyor ve Chandra Uzay Teleskobuyla da X-ışını aurorasını gözlemlemek için benzer çabalar devam ediyor. Normalden daha az plazma varlığında, Satürn’ün manyetosferinin şişeceğini ve auroranın tipik modelini değiştireceğini teorize ediyorlar. Twitter’da yayınladıkları bir ön görsel mevcut ancak sonuçlar hala devam ediyor.

Resim
1981 yılında Voyager – 2 uzay aracının ölçmüş olduğu Güneş plazması değerleri. Plazma değerinin ani düştüğü işaretlenen bölgelerde uzay aracının Jüpiter’in magnetosferine giriş yaptığı düşünülmekte. Uzay aracı bu ölçümler alınırken Satürn’ün yakınlarında yer almaktaydı. (Görsel: Jonny Nichols)

Sırada devrilmiş bir varil gibi Güneş’in etrafında yuvarlanarak dönen gezegenimiz Uranüs var. Gezegenlerin çoğu orta derecede eksen eğikliklerine sahiptir ve manyetik kutupları geometrik kutuplarının yaklaşık 10º’si içinde yer alır. Uranüs bu iki kuralı da ihlal eder, hatta ihlal etmekle kalmayıp, yerle bir eder. Gezegen 98º’lik eksen eğikliğiyle ünlüdür ve manyetik ekseni 59º daha eğimlidir. Gündönümünün yakınında, Uranüs’ün kutbu yıllarca doğrudan Güneş’e baktığı zaman, manyetik alanı bir “yuvarlanma” modeli sergiler.

uranus-magnetic-field | Dr Guven
Uranüs ve “yuvarlanma” modeline sahip manyetik alanı (Görsel: NASA)

Manyetik kutup Güneş’i işaret ettiğinde, Güneş Rüzgarı parçacıkları zirvedeki açık manyetosfere kolayca akabilir. Diğer zamanlarda manyetosfer kapanır ve düşük Güneş Rüzgarı yoğunluğu parçacıkları kolayca saptırılır. Araştırmacılar, Uranüs’ün manyetosferini bir “açma / kapama düğmesi” olarak tanımlıyorlar.

Son gezegenimiz olan Neptün’e geçelim.

Gün geçmiyor ki bir gariplikle karşılaşmayalım. Neptün, Uranüs ile potansiyel olarak aynı şiddetli geçmişe sahip değil, 30º’lik mütevazı bir eksen eğikliğine sahiptir ve yine de garip bir manyetik alan yönelimi vardır. Neptün’ün manyetik alanı, dönüş eksenine göre 47º eğimlidir ve gezegenin merkezinden yarıçapının yaklaşık yarısı kadar dengelidir. Neptün’ün manyetik alanı gezegenin merkezinden oldukça uzaktır, bu da bizlere Neptün’ün oldukça asimetrik bir manyetosfere sahip olduğunu gösteriyor.

About Neptune - Blueflakes Snow Resort
Neptün ve asimetrik manyetik alanı (Görsel: NASA)

Uranüs ve Neptün manyetosferleri hakkında bildiklerimiz gerçekten çok ilginç. Peki biz bunları nasıl biliyoruz? Jüpiter ve Satürn yörüngesinde uzun süreler görev yapmış Galileo ve Cassini gibi uzay araçları sayesinde bildiklerimizin büyük çoğunluğunu öğrendik. Fakat insanlık olarak Uranüs ve Neptün yörüngesine herhangi bir uzay aracı yerleştirmedik. Uranüs ve Neptün’ün manyetosferleri hakkında şu anda mevcut olan tek doğrudan veri, hala inanılmaz keşifler sağlamaya devam eden ve 1980’lerde bu iki devasa gezegene “yakın geçiş” görevi yapmış olan Voyager 2 uzay aracından alınmıştır. Pek çok astronom, NASA’nın önümüzdeki on yıl içinde Buz Devlerine yapılacak bir görevi onaylamasını umuyor; bu, diğer birçok hedefin yanı sıra manyetosferlerini daha iyi anlamak için kapsamlı bir çaba da içerecek.

NASA's Cosmos
Uranüs ve Neptün manyetosferlerinin karşılaştırılması (Görsel: NASA)

Ama yine de kolay olmasa gerek. Manyetosferlerin incelenmesi zordur çünkü doğrudan görüntülenemezler. UV gözlemleri, aurora gözlemleri gibi dolaylı gözlemleme yöntemleri bile kesin değildir ve düzensizdir. En büyük gelişmeler, uzay araçlarıyla yerinde ölçümlerden elde edildi: Van Allen Sondaları, Messenger, Galileo, Juno, Cassini, Voyager 2 ve diğerleri… NASA, ESA ve diğer uzay ajansları 2020’lerde ve sonrasında giderek daha fazla görev planladıkça, bu tür ölçümlerin Güneş Sistemi boyunca manyetosferik dinamikleri anlayışımızı geliştirmeye devam etmesini bekleyebiliriz.

Voyager 2 uzay aracı, 17 milyar kilometre uzaklıktaki yıldızlararası  bölgeye ulaştı - Sputnik Türkiye
Voyager – 2 uzay aracı, Güneş Sistemi sınırları dışına çıkmayı başaran iki uzay aracından biridir. (Görsel: NASA)

Yayınımızı bitirmeden önce bir de AstroNotların 2021 gelişmelerini yeniden hatırlatmak istiyoruz. Bildiğiniz gibi, 2021 itibariyle aylık takvimler yapmaya başladık. Ocak ayı takvimimiz ile telefon veya masaüstü arka planlarınızı şenlendirmek isterseniz sitemizi ziyaret edebilirsiniz. Ayrıca her ay takvimimizde Emre Erkunt tarafından çekilmiş farklı bir astrofotoğraf da yer alıyor! Poster şeklinde tasarladığımız bu takvimleri çıktı da alabilirsiniz. İkinci haberimiz ise yine yeni yapmaya başladığımız Kayıt Dışı bölümler! Yayınlarımızı kaydederken kayıt sırasında kırpılan ve eğlendiğimiz anlarımızı da dinleyicilerimizle buluşturmak istedik. Kayıt Dışı seslerimizi dinlemek için sosyal medyadan bizi takip etmeyi unutmayın!

astronotlar.space@gmail.com e-posta adresimize konuştuğumuz içeriklere dair düşüncelerinizi ve değinmemizi istediğiniz konuları yazabilir, bir kitap, link veya bilgi paylaşımında bulunabilirsiniz. Sosyal medya hesaplarımızı Instagram ve Twitter’dan “astro_notlar” olarak takibe almayı unutmayın! Facebook’tan vazgeçmem diyenler ise bizi AstroNotlar sayfasında bulabilirler. Gelecek hafta görüşünceye dek, gökyüzüne iyi bakın, hoşçakalın!

E-posta: astronotlar.space@gmail.com
Facebook: facebook.com/astronotlar.space
Instagram: instagram.com/astro_notlar
Twitter: twitter.com/astro_notlar
Anchor: anchor.fm/astronotlar

KAYNAKLAR VE GÖRSELLER

https://astrobites.org/2020/12/11/a-tour-of-solar-system-magnetospheres/

https://www.nature.com/articles/s41561-020-0537-x

https://bilimgenc.tubitak.gov.tr/makale/marsin-yuzeyinde-beklenenden-kat-daha-buyuk-manyetik-alan

https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetosphere

https://en.wikipedia.org/wiki/Earth%27s_magnetic_field

https://twitter.com/jonny_nichols/status/1267048188890025985

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.