Het aardmagnetisch veld is grillig en onbegrepen

1 dag geleden 2

Op kilometers diepte, onder onze voeten, veroorzaken vloeibare metalen een kracht die tot ver in de ruimte reikt. Die kracht voorkomt dat de atmosfeer afbrokkelt, geeft inzicht in hoe de aardplaten bewegen en wijst de weg. Wetenschappers kunnen de sporen ervan in gesteenten bestuderen en satellieten meten de sterkte, maar het aardmagnetisch veld blijft zo goed als onvoorspelbaar.

Het meest dramatische fenomeen is dat de polen kunnen omklappen: noord wordt zuid en andersom. Recent ontdekten geologen dat sommige omkeringen van het veld, die normaal gesproken zo’n tienduizend jaar duren, soms wel tachtigduizend jaar duurden. Tijdens die omkeringen was het magneetveld lange tijd zwak, schrijven de onderzoekers in Nature communications Earth and Environment. Door die verzwakking kon meer zonne-energie de aarde bereiken, met potentieel gevolgen voor het leven.

En eind vorig jaar bleek uit satellietmetingen dat de Zuid-Atlantische Anomalie, een notoir zwak deel van het aardmagnetisch veld, tussen 2014 en 2025 was uitgebreid tot een gebied zo groot als half Europa. Satellieten die door het gebied vliegen, worden blootgesteld aan meer elektromagnetisch geladen deeltjes vanaf de zon. Met mogelijk schade of storingen tot gevolg.

„Het onderzoek dat momenteel hot and happening is, is het begrijpen van het magnetische veld, waarom we het hebben zoals we het hebben,” zegt Anouk Beniest, geoloog en universitair docent aan de Vrije Universiteit (VU) in Amsterdam. „Hoe het magneetveld omdraait, waarom er nog steeds grote perioden zijn in onze geschiedenis waarin we geen omkeringen zien, waarom het zo fluctueert.”

Hoog tijd voor een deep dive in de feiten, vraagstukken en veranderlijkheid van het aardmagnetisch veld.

IHet aardmagnetisch veld

In een fort van bijna anderhalve eeuw oud, midden in de botanische tuinen van Utrecht, is het aardmagnetisch veld uitgeschakeld. In 1879 is Fort Hoofddijk gebouwd als onderdeel van de Nieuwe Hollandse Waterlinie, om buskruit op te slaan. Sinds 1963 gebruikt de Utrechtse universiteit het fort voor onderzoek in het enige paleomagnetische laboratorium van het land, waar gezocht wordt naar sporen van het vroegere magnetisch veld van de aarde. Lennart de Groot, universitair hoofddocent en onderzoeker paleomagnetisme aan de Universiteit Utrecht (UU), opent de deur met een pasje: „Ze waren zo bang voor vonken, dat nergens staal is gebruikt. Het is allemaal baksteen.” Het gebrek aan staal in de constructie maakt het ideaal voor onderzoek naar paleomagnetisme: hoe minder afleidend magnetisme, hoe beter.

De Groot pakt er in zijn werkkamer met uitzicht op de kale winterse tuin een schriftje en gekleurde pennen bij. „De aarde is, simpel gezegd, eigenlijk een reusachtige dipoolmagneet.” Met een magnetisch veld dat aan de polen twee keer zo sterk is als aan de evenaar. „En de straal van de aarde is, grofweg, 6.372 kilometer.” Onder de relatief dunne korst van de aarde, qua schaal ongeveer een A4’tje op een basketbal, zit de mantel, de buitenste helft van de aarde. Niet vloeibaar, maar over miljoenen jaren gezien stroomt het wel. „Magnetisch gezien niet zo ongelooflijk interessant”, aldus De Groot.

Op 3.000 kilometer onder onze voeten begint de kern, die uit twee delen bestaat: een vloeibare buitenkern en een vaste binnenkern. „De binnenkern is een vast balletje van vooral ijzer van zo’n 5.000 graden Celsius, de buitenkern een vloeibare massa van ijzer en nikkel.” Door de thermische gradiënt, het temperatuurverschil tussen het middelpunt en de buitenkant van de kern, stroomt de vloeibare buitenkern: het stijgt op.

Lucht- en waterstromen aan het aardoppervlak bewegen niet in een rechte lijn, maar buigen een beetje af. Dat komt doordat de draaiing van de aarde de corioliskracht veroorzaakt. Ook ín de aarde werkt die kracht. Het gesmolten ijzer draait en vormt een soort enorme spiralen, evenwijdig aan de aardas. Deze spiralende stromen wekken elektrische stromen op, die op hun beurt weer als een soort enorme dynamo een magnetisch veld creëren. Zo groot, dat het een kompasnaald op het aardoppervlak kan laten bewegen.

Maar het is wel een heel ingewikkelde magneet, zoals te zien is aan de wisselende sterktes van het aardmagnetisch veld. Die variatie ontstaat door de stromingen in de buitenkern. De binnenkant van de aarde draagt bovendien voor 90 tot 95 procent bij aan het magnetisch veld dat aan de oppervlakte gemeten wordt. Ook lokale geologie aan de oppervlakte, met mogelijk gemagnetiseerd gesteente, speelt een rol, net als de activiteit van de zon.

Gemiddeld is de veldsterkte aan het aardoppervlak tussen de 30 en 60 microtesla: aan de polen is het sterker en kan het meer dan 65 microtesla zijn, rond de evenaar is het minder krachtig. Ter vergelijking: een koelkastmagneet heeft een sterkte van zo’n 5 millitesla: twee ordes van grootte sterker, maar vanwege de hoge dichtheid alleen zeer lokaal sterk.

De Groot onderzocht zelf de zogeheten Zuid-Atlantische Anomalie: een regio boven Zuid-Amerika en de Atlantische Oceaan waar het aardmagnetisch veld het zwakst is. „Het is daar nu 22 microtesla, daar hebben onze satellieten al last van.” Doordat het veld zwakker is, dringen meer geladen deeltjes door de atmosfeer. Deze ionen kunnen de elektronica van satellieten beschadigen of de signalen verstoren, met potentieel verkeerde metingen tot gevolg. „Maar we hebben op Fiji een veld gevonden dat 600 jaar geleden nog veel minder sterk was. Dat is niks op geologische tijdschalen.” Als het veld nu zo zwak zou worden, hebben we echt een probleem, technologisch, zegt De Groot.

IIDolende polen

Niet alleen per plek op aarde verschilt de veldsterkte, ook door de tijd heen verandert het. Zo dolen de polen rond. In 1900 lag de magnetische noordpool nog boven Canada. (De magnetische noordpool is strikt natuurkundig genomen eigenlijk de magnetische zuidpool is, omdat-ie de noordpool van een kompasnaald aantrekt. Maar om al te veel verwarring te voorkomen, laten we dat in dit artikel verder buiten beschouwing.) Maar hij is aan de wandel en ligt anno 2026 boven Siberië.

William Brown, geofysicus van de British Geological Survey (BGS), houdt de magnetische noordpool nauwlettend in de gaten, vertelt hij via een videoverbinding: „Hij beweegt momenteel met zo’n 30 tot 40 kilometer per jaar, wat behoorlijk snel is. De zuidpool beweegt lang niet zo snel, ongeveer 5 kilometer per jaar.” De processen in de buitenkern die de locatie van de noordpool bepalen, zijn momenteel een stuk veranderlijker dan die van de zuidpool. Maar ook van dag tot dag wiebelen de magnetische polen, doordat de aarde naar de zon toe en van de zon af kantelt. „In een ovale vorm”, legt Brown uit. „En zo kan hij kan tientallen kilometers per dag afleggen.”

Doordat de magnetische noordpool dus meestal niet overeenkomt met de geografische, wijst een kompas vaak ook niet precies het noorden aan. In Nederland is die zogeheten declinatie op dit moment zo’n twee graden oost: de magnetische noordpool ligt twee graden ten oosten van het geografische noorden. Maar vlieg je bijvoorbeeld over Groenland, dan kan het kompas wel zo’n dertig graden de verkeerde kant op wijzen.

Hoewel de meeste navigatie met gps gaat, is het magnetisch kompas ook nog altijd belangrijk voor schepen, vliegtuigen en auto’s – en niet alleen als back-up. Daarom maakt de BGS samen met de Amerikaanse National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) iedere vijf jaar een nieuw model, het World Magnetic Model (WMM), dat voorspelt hoe het aardmagnetisch veld verandert. „Daarvoor gebruiken we metingen van satellieten en stations op aarde van de afgelopen jaar. We passen ons beste model aan om te verklaren hoe het veld is veranderd en hoe het eruitziet, en vervolgens proberen we het een stukje vooruit in de tijd te extrapoleren. Maar we kunnen eigenlijk niet echt voorspellen hoe het magnetische veld gaat veranderen.”

In 2019 moest het WMM een jaar eerder dan gepland aangepast worden; de noordpool veranderde sneller van positie dan verwacht. Wát de veranderingen in het aardmagnetisch veld drijft, is namelijk grotendeels wel bekend: voornamelijk de stromende buitenkern in het binnenste van de aarde. Maar hóé dat verandert, en wanneer, is voor de wetenschap nog altijd een raadsel.

Op de meeste plekken op aarde was de afwijking overigens verwaarloosbaar, zegt Brown. Met name op de noordpool was het verschil groot. Brown: „Het Amerikaanse leger is bijvoorbeeld zeer geïnteresseerd in navigatie in het Arctische gebied. Ze willen een zeer nauwkeurig model hebben, zodat ze precies weten waar alles zich bevindt. Maar voor de meeste mensen is navigatie in het Arctisch gebied niet zo belangrijk.”

IIIPaleomagnetisme

Lennart de Groot laat de laboratoria in het fort in Utrecht zien. Sleutels, telefoons en andere magnetische objecten moeten op zijn bureau blijven. Die verstoren de zorgvuldig gedemagnetiseerde ruimtes. De trap af en een lage gang door, de ruim twee meter lange geoloog moet bukken om zijn hoofd niet te stoten. In het eerste lab, een klein kamertje, staat een magnetometer. Daarmee meten ze het magnetisme in gesteente. Een dof, ritmisch gezoem vult de ruimte. De Groot: „Dat is de compressor die je hoort. We meten het magnetisme met sensoren die in vloeibaar helium hangen zodat ze supergeleidend zijn.”

Op een tafel staan brievenbakjes met genummerde stukjes steen, die De Groot of zijn collega’s zelf in het veld verzamelden. „Ze gaan eerst in deze ovens, om ze te demagnetiseren. Bosbranden zijn vaak een probleem, of transport met het vliegtuig. Dat verandert het magnetisme, dus dat moeten we eerst resetten.”

Als gesteente wordt gevormd, bijvoorbeeld op de oceaanbodem of bij een vulkaanuitbarsting, richten de magnetische mineralen zich namelijk naar het aardmagnetisch veld van dat moment. Maar wordt een steen daarna weer verhit, bijvoorbeeld door een bosbrand, dan verandert een deel van de magnetisatie. Door een steen weer naar diezelfde temperatuur te verwarmen in een oven, resetten ze dat. In de kamer is het aardmagnetisch veld uitgeschakeld, door staal op een speciale manier in de wanden, de vloer en het plafond te verwerken. „De stenen mogen de ruimte ook niet uit.”

In een andere ruimte is nog een magnetometer, die staat stil. Een plastic bakje met een stukje Chileens magma erin is vastgelopen in de grijparm. „Af en toe verslikt hij zich”, zegt De Groot terwijl hij het bakje bevrijdt, wat intikt op de computer en de machine weer begint te bewegen. Het grijparmpje pakt het volgende doosje en zet het op een kleine loopband. „Deze meet 24/7 het magnetisme.”

Het magnetisch veld is er al minstens drie miljard jaar, blijkt uit data uit gesteente uit die tijd. Wat er de anderhalf miljard jaar daarvoor de situatie op aarde was qua magnetisme, is op dit moment gissen: zulk oud gesteente is zeer zeldzaam. Het is al lang weer de aarde ingedoken, of zo ver vervormd dat magnetismemetingen inmiddels onmogelijk zijn. Maar dit veld verandert dus en keert eens in de zoveel tijd om.

„De magnetische deeltjes zijn opgelijnd met hoe het magnetisch veld ooit was, op het moment dat die steen stolde en een steen werd”, vertelt Anouk Beniest van de VU telefonisch. „Als je genoeg stratigrafie hebt, dus een heel pakket aan gesteentelagen op elkaar, dan kun je uit elk sample halen welke oriëntatie het magnetisch veld toen had. En dan krijg je een soort van geschiedenis: of het magnetisch veld was zoals het nu is, of dat het gedraaid was.”

In de jaren vijftig van de vorige eeuw hingen wetenschappers magnetometers, die in de Tweede Wereldoorlog gebruikt werden om onderzeeërs op te sporen, achter schepen om de oceaanbodem in kaart te brengen. De zeebodem bleek ‘gestreept’: het basalt, met het magnetische mineraal magnetiet, lag als een soort streepjescode met afwisselend normale (huidige) magnetisme en omgekeerd. En dat patroon spreidde zich symmetrisch uit vanaf de mid-oceanische ruggen. In de jaren zestig leidde deze onverwachte ontdekking tot de theorie van seafloor spreading: dat nieuwe oceanische korst gevormd wordt door vulkanische activiteit en langzaam van de rug wegschuift.

Naast de noord-zuidrichtingen, leggen de stenen ook de richting van het aardmagnetisch veld in het verticale vlak vast: de magnetische inclinatie of dip. De veldlijnen van het aardmagnetisch veld wijzen op de magnetische polen namelijk verticaal de aarde in. Dit is de reden dat een kompas dicht bij de polen vrijwel waardeloos is: de verticale kracht is zo sterk, dat de richtkracht in het horizontale vlak er totaal van in de war raakt. Op de (magnetische) evenaar lopen de lijnen horizontaal. Met deze inclinatie kunnen wetenschappers dus achterhalen op welke breedtegraad een steen ooit gevormd is en hoe de aardplaten in de tussentijd dus bewogen hebben.

In het lab in Utrecht kan het magnetisme op heel kleine schaal gemeten worden met de Quantum Diamond Microscope. De huidige heeft een diamanten plaatje, waarmee ze op micrometerschaal het magnetisme kunnen testen. Over een paar maanden komt de nieuwe trots van het lab: een microscoop met een diamanten nááldje. De resolutie neemt dan toe tot enkele tientallen nanometers. Hiermee gaat De Groot onderzoek doen naar het magnetisme op korrelniveau in stenen. De Groot: „Dat is het leuke van mijn vak: vorige jaar stond ik met een omgebouwde kettingzaag op een berg in Chili, straks maak ik weer scans op een schaal van een paar nanometer.”

IVAfzwakken en omkeren

Het aardmagnetisch veld verandert door de tijd heen van sterkte en soms keert het zelfs helemaal om: de noordpool wordt de zuidpool en vice versa. In de afgelopen 1.500 jaar is het met ongeveer 20 procent afgenomen, aldus De Groot. „Maar het is nog steeds heel sterk.” Soms zaten er miljoenen jaren tussen een omkering, soms maar tienduizenden jaren. Een gemiddelde – eens in de 250.000 jaar – zegt dus niet veel. De laatste omkering was 780.000 jaar geleden.

Volgens William Brown van de British Geological Survey is een omkering niet te voorspellen: „Er lijkt geen vast patroon te zijn in het verzwakken en omkeren van het veld, soms wordt het eerst zwakker, soms eerst sterker”, zegt hij. „Er ligt 3.000 kilometer steen tussen ons en wat we proberen te bekijken, dus we krijgen maar een zeer beperkt beeld.”

Waarom de polen wisselen, is voor wetenschappers dan ook nog grotendeels een raadsel. Het gebeurt ook niet van het ene op het andere moment: gemiddeld in één tot tienduizend jaar, volgens recent onderzoek. Een omkering van noord en zuid klinkt misschien alarmerend, maar de periode ervoor kan juist meer problemen veroorzaken. Dan is het aardmagnetisch veld namelijk vaak een stuk zwakker dan normaal. En het magneetveld beschermt de aarde tegen ioniserende straling van de zonnewind: de stroom geladen deeltjes die de oppervlakte van de zon verlaat.

Wel 95 procent van de geladen deeltjes van de zon houdt het buiten de atmosfeer. Bij veel zonnewind kunnen die geladen deeltjes bij de polen dichterbij komen, met het noorder- of zuiderlicht tot gevolg. Bij een sterke storm is het poollicht zelfs in Nederland te zien, zoals afgelopen januari. Hadden we een minder sterk magnetisch veld, dan zou de zonnewind de atmosfeer aantasten en langzaam eroderen.

Mocht het veld dus drastisch verder verzwakken voor een omkering, dan kan dat problematisch zijn. „Vooral nu we zoveel technologie hebben waar we op vertrouwen”, zegt Brown. „Denk aan infrastructuur zoals elektriciteitsnetten, spoorlijnen of gaspijpleidingen, eigenlijk alles waarbij een heel lang stuk metaal in de grond is gestoken. Tijdens een zware magnetische storm kunnen er elektrische stromen ontstaan in de aardkorst, die vervolgens omhoog stromen naar alles wat we in de grond hebben aangesloten. Dat zou zeker een grote uitdaging vormen, maar voor het menselijk leven als geheel lijkt het geen al te ernstige gevolgen te hebben.”

Maar De Groot denkt dat een volgende omkering nog wel even op zich laat wachten: „Voordat het gaat omkeren, moet het veld nog veel zwakker worden. De afgelopen vijf omkeringen is het aardmagnetisch veld de vijftigduizend jaar voor de omkering nooit zo sterk geweest als het nu is.”

Lees het hele artikel