Slayt 1 - SABİS - Sakarya Üniversitesi
advertisement
YERKÜRE Prof. Dr. Murat UTKUCU Sakarya Üniversitesi, Jeofizik Mühendisliği Bölümü 24.2.2016 Murat UTKUCU 1 3. YERKÜRE Üzerinde yaşadığımız gezegen: Yerküre Hakkında en çok bilgi sahibi yaĢadığımız Yerküre‟dir. Yerküre, olduğumuz gezegen üzerinde atmosferi ve okyanusları ile, karmaĢık biyosferi ile, silisyumca zengin tortul, magmatik ve metamorfik kayaçlardan oluĢan kabuğu ile, bunun altında yer alan magnezyum silikat bileĢimli manto ve demirce zengin çekirdek ile kutuplarda buz kaplı geniĢ alanları, çölleri, ormanları, tundra, tatlı su gölleri, kömür ve petrol yatakları ile evrende farklı seçkin bir gezegendir. 24.2.2016 Murat UTKUCU 2 Yerküre’nin Atmosferi Yerküre‟nin atmosferi esas olarak Azot (%78) ve Oksijen (%21) gazlarından oluĢur. Bunların yanı sıra Karbondioksit, Argon, Ozon, su buharı gibi çok sayıda gaz atmosferin %1‟lik kısmını oluĢturur. Yerküre üzerindeki hayat atmosfer, güneĢ enerjisi ve Yer‟in manyetosferi tarafından desteklenir. Atmosfer GüneĢ‟den gelen enerjiyi tutar (emer), su ve diğer kimyasalların devinimini sağlar ve diğer elektrik ve manyetik güçlerle birlikte ılımlı bir iklim sağlar ve bizleri zararlı ıĢın ve cisimlerden korur. 24.2.2016 Murat UTKUCU 3 Atmosfer, yeryüzünden yukarıya doğru sıcaklık özellikleri, kimyasal bileĢim, hareket ve yoğunluklarıyla birbirinden ayırt edilebilen katmanlardan oluĢur. 24.2.2016 Murat UTKUCU 4 24.2.2016 Murat UTKUCU 5 1. Troposfer: Yeryüzeyinden baĢlayıp 8-14.5 km yüksekliklerine kadar uzanır. Atmosferin en yoğun katmanıdır ve sıcaklık bu katman içinde yukarılara gidildikçe 17 oC‟den -52 oC‟ye düĢer. Troposfer bir üst katman olan stratosfer ve kendisini stratosferden ayıran tropopaz (tropopause) adı verilen ince bir geçiĢ katmanı ile birlikte alt atmosferi oluĢturur. 24.2.2016 Murat UTKUCU 6 24.2.2016 Murat UTKUCU 7 2. Stratosfer: Troposferin üzerinde 50 km yüksekliğine kadar uzanır. Troposfere nazaran daha kuru ve daha az yoğundur. Ultraviyole ıĢınların emilmesi nedeniyle üst kısımlarına doğru sıcaklık göreceli olarak -3 oC‟ye yükselir. Ozon gazından (O3) oluĢan ince Ozon katmanı stratosferin üst kısmı içinde yer alır. Stratosfer bir üst katman olan mezosferden stratopaz (stratopause) adı verilen ince bir geçiĢ katmanı ile ayrılır. 24.2.2016 Murat UTKUCU 8 3. Mezosfer: 85 km yüksekliğe kadar uzanır. Sıcaklık bu katman içinde yukarılara çıkıldıkça -93 oC‟ye kadar düĢer. Üst katman iyonosferden ince mezopoz (mesopause) katmanı ile ayrılır. Bilim adamları atmosferin stratopoz, mezosfer ve mezopozdan oluĢan kısmını orta atmosfer olarak adlandırmıĢtır. 24.2.2016 Murat UTKUCU 9 24.2.2016 Murat UTKUCU 10 4. İyonosfer : – – 640 km yüksekliğe kadar uzanın ve çeĢitli gaz iyonlarından ve serbest elektronlardan oluĢan katmandır. Ġyonlar güneĢ ıĢığının atomlara çarpmasından ve bazı elektronları ayırtmasından oluĢur. Kutup ıĢıkları (aurora) (bk. bir önceki bölüm) iyonosferde meydana gelir. 5. Ekzosfer (Exosphere): – 24.2.2016 Yer atmosferinin en dıĢ katmanıdır. 640 ile 1280 km yükseklikleri arasında yer alır ve sıcaklık çok düĢüktür. Uzay ile yerküre atmosferi arasındaki geçiĢ zonudur. Murat UTKUCU 11 Termosfer : Termosfer, atmosferin bir sıcaklık sınıflamasıdır. Ekzosferi ve iyonosferin bir kısmını içerir ve mezosferin yukarısında iyonosfer içinde baĢlar. GüneĢ enerjisi nedeniyle Termosfer içinde yukarıya doğru sıcaklık devamlı yükselir ve 1727 oC‟ye kadar çıkabilir. Termosfer üst atmosfer olarak da adlandırılır. 24.2.2016 Murat UTKUCU 12 An altitude of 100 km is usually thought of as the boundary where our Earth ends and the emptiness of outer space begins. In fact the atmosphere extends much farther than that, into a region called the „ionosphere‟. A vanishingly thin scattering of oxygen atoms reaches to a few hundred kilometres, blending into an even thinner scattering of hydrogen atoms yet further beyond. Exposed to the full ultraviolet glare of the Sun, the electrons are stripped away from these atmospheric gases to produce plasma – an electrically conductive 'soup' of positively and negatively charged particles (ions and free-flying electrons). These insubstantial layers of gas and plasma are the interface between the Sun‟s electromagnetic energies and our planet‟s environment. The beguiling „Northern Lights‟ (and their Southern counterparts) are the beautiful side effects of the electromagnetic link to our Sun. The worldwide solar-driven wind results in the so-called Sq (solar quiet) current system in the E region of the Earth's ionosphere (100–130 km altitude). Resulting from this current is an electrostatic field directed E-W (dawn-dusk) in the equatorial day side of the ionosphere. At the magnetic dip equator, where the geomagnetic field is horizontal, this electric field results in an enhanced eastward current flow within ± 3 degrees of the magnetic equator, known as the equatorial electrojet.Ionosphere / Atmosphere 24.2.2016 Murat UTKUCU • The aurora borealis seen high in the Earth‟s ionosphere (credit: NASA) Electric currents created in sunward ionosphere (wikipedia). 13 • The Earth’s ionosphere and ground form a “waveguide” through which VLF radio signals can propagate or “bounce” around the Earth. The Earth’s ionosphere (wikipedia)” Image courtesy Morris Cohen, Stanford University 24.2.2016 Murat UTKUCU 14 First space worthy shuttle • • 24.2.2016 The Space Shuttle Columbia disaster occurred on February 1, 2003, when the Space Shuttle Columbia disintegrated over Texas stretching from Trophy Club to Tyler and into parts of Louisiana during re-entry into the Earth's atmosphere, resulting in the death of all seven crew members, shortly before it was scheduled to conclude its 28th mission, STS-107. The loss of Columbia was a result of damage sustained during launch when a piece of foam insulation the size of a small briefcase broke off the Space Shuttle external tank (the main propellant tank) under the aerodynamic forces of launch. The debris struck the leading edge of the left wing, damaging the Shuttle's thermal protection system (TPS), which protects it from heat generated with the atmosphere during re-entry. While Columbia was still in orbit, some engineers suspected damage, but NASA managers limited the investigation, on the grounds that little could be done even if problems were found.[1] Murat UTKUCU 15 24.2.2016 Murat UTKUCU 16 • • • • A particularly difficult issue with flight at over Mach 3 is the high temperatures generated. As an aircraft moves through the air at supersonic speed, the air in front of the aircraft is compressed into a supersonic shock wave, and the energy generated by this heats the airframe. To address this problem, high-temperature materials were needed, and the airframe of the SR-71 was substantially made of titanium, obtained from the USSR at the height of the Cold War. Lockheed used many guises to prevent the Soviet government from knowing what the titanium was to be used for. In order to control costs, Lockheed used a more easily-worked alloy of titanium which softened at a lower temperature. Finished aircraft were painted a dark blue (almost black) to increase the emission of internal heat (since fuel was used as a heat sink for avionics cooling) and to act as camouflage against the night sky.[citation needed] Major portions of the upper and lower inboard wing skin of the SR-71 were corrugated, not smooth. The thermal expansion stresses of a smooth skin would have caused splitting or curling. By making the surface corrugated, the skin was allowed to expand vertically and horizontally without overstressing, which also increased longitudinal strength To allow for thermal expansion at the high operational temperatures, the fuselage panels were manufactured to fit only loosely on the ground. Proper alignment was only achieved when the airframe heated due to air resistance at high speeds, causing the airframe to expand several inches. Because of this, and the lack of a fuel sealing system that could handle the thermal expansion of the airframe at extreme temperatures, the aircraft would leak JP-7 jet fuel onto the runway before it took off. The aircraft would quickly make a short sprint, meant to warm up the airframe, and was then refueled in the air before departing on its mission. Cooling was carried out by cycling fuel behind the titanium surfaces at the front of the wings (chines). On landing after a mission the canopy temperature was over 300 °C (572 °F), too hot to approach. Non-fibrous asbestos with high heat tolerance was used in high-temperature areas.[19] Crews flying the SR-71 at 80,000 ft (24,000 m) faced two main survival problems: maintaining consciousness at high altitude, and surviving ejection. In addition, cruising at Mach 3.2 would heat the aircraft's external surface well above 500 °F (260 °C)[38] and the inside of the windshield to 250 °F (120 °C), so a robust coolant system was vital. This was achieved with an air conditioner, which used a heat exchanger to dump heat from the cockpit into the fuel prior to combustion. 24.2.2016 Murat UTKUCU 17 Yerkürenin iç yapısı ve katmanları Yerkabuğu 4 ana katmandan oluĢmaktadır. Bunlar yer yüzeyinden yerin merkezine doğru sırasıyla (1) yerkabuğu, (2)manto, (3) dıĢ çekirdek ve (4) iç çekirdektir. Bu katmanlar jeofizikle (deprem dalgalarının hız değişiminden seyahat zamanı, genlik ve tomografik analizlerinden) belirlenmiĢtir. 24.2.2016 Murat UTKUCU 18 YERKÜRE‟NĠN ĠÇ YAPISI • Deprem dalgası hızlarının (VP = P dalgası hızı, VS = S dalgası hızı) ve yoğunluğun (ρ) yer içinde derinlikle değiĢimi. 24.2.2016 Murat UTKUCU 20 Yerkabuğu (crust) Yerküre‟nin en dıĢ ve özellikleri en iyi bilinen katmanıdır. Kalınlığı 5 ile 70 km arasında değiĢmekte olup ortalama 33 km olarak kabul edilir. Kendi içinde Kıtasal ve okyanusal kabuk olarak 2 katmana ayrılır. Bu katmanlar yatay olmayıp çeĢitli coğrafik bölgelerde oldukça karmaĢıktır. Kıtasal kabuk granitik kayaçlardan oluĢmuĢtur. Kalınlığı 10 ile 70 km kalınlığı arasında değiĢir ve yoğunluğu ortalama 2.7 gr/cm3‟dür. Okyanusal kabuk incedir (5-10 km) ve bazaltik kayaçlardan oluĢur. Kıtasal kabuğa göre daha yoğundur (ortalama 3 gr/cm3). 24.2.2016 Murat UTKUCU 21 YERKABUĞUNU OLUġTURAN ELEMENTLER Element Yerkabuğu % Yerküre % Oksijen 46.6 29.5 Silisyum 27.7 15.2 Alüminyum 8.1 1.1 Demir 5.0 34.6 Kalsiyum 3.6 1.1 Sodyum 2.8 0.6 Potasyum 2.6 0.1 Magnezyum 2.1 12.7 ∑=%98.5 % 1.5 Au, Pl, Ag, Cu, S, Pb, Zn, Cr ve U gibi ekonomik değeri olan işletilebilir minerallerdir Ayrıca kıtasal kabuk daha yaĢlı kayaçları kapsamaktadır. Kıtasal kabuğun yaĢı 1500-3500 milyon yıla çıkabilirken okyanusal kabuk hiçbir yerde 200 milyon yıldan daha büyük yaĢ vermemektedir. Diğer yandan kıtasal kabuğun çok karmaĢık yapısı ve bileĢimine karĢılık okyanusal kabuk basit yapısı ve homojen/uniform bileĢimi ile karakteristiktir. Manto (Mantle) Kabuğun altında daha yoğun bileĢimi Fe, Mg ve silikatleri içeren peridotit grubu kayaçlardan oluĢmuĢ yaklaĢık 2895 km derinliğe kadar uzanan Manto yer almaktadır. Kabuk ile manto arsındaki süreksizlik ilk olarak 1909 yılında Hırvat bilim adamı Andrija Mohorovicic tarafından P dalgası varıĢlarından belirlenmiĢ ve Moho süreksizliği adını almıĢtır. Manto kendi içinde önce üst manto ve alt manto (mezosfer) olmak üzere 2 kısma ayrılır. 24.2.2016 Murat UTKUCU 23 Üst manto (Upper mantle) – Moho süreksizliğinden baĢlayıp 670-700 km derinliğe kadar uzanan üst manto içinde yoğunluk kabuk tabanında 3.3 gr/cm3 iken 700 km derinlikte 4.3 gr/cm3 değerine çıkar. – Üst kısmında Litosferik Manto ve Astenosfer adında iki katman ayırt edilir. Litosferik Manto (Lithospheric Mantle): – Okyanusal ve kıtasal kabuk altında 10 ile 200 km derinlikleri arasında uzanır. – Mekanik olarak katı (rijit) ve soğuktur. – Yerküre‟nin kabuğunu oluĢturan levhalar mantonun bu katmanıyla birlikte hareket ettiklerinden çoğunlukla kabukla mantonun en üst 150-200 km‟lik kısmı ile birlikte düĢünülür ve litosfer olarak adlandırılır. 24.2.2016 Murat UTKUCU 24 Astenosfer (Astenosphere): – Litosferik levhalar astenosfer olarak adlandırılan yumuĢak, akıcı, kolayca deforme olabilen ve yaklaĢık 200 km kalınlıktaki bir katma üzerinde kayarlar. – Bu katman sıvı değildir. Erime noktası yakınındaki kayaçlardan oluĢan bu katman düĢük sismik hızlara sahiptir. – Kısa bir zaman dilimi içinde katı ve uzan bir zaman dilimi içinde ise akıcı-viskos bir davranıĢ sergiler. 24.2.2016 Murat UTKUCU 25 Alt manto (upper mantle) veya Mezosfer 660 km derinliğinde artık manto akıcı değildir. 2900 km derinliğe kadar uzanan, litosfere göre daha az katı astenosfere göre de daha katı olan bu katman alt manto veya mezosfer adını alır. Gerek litosferik manto gerekse astenosfer ve mezosfer hepsi peridotit kompozisyonu içerirler, ancak mekanik özellikleri önemli farklılıklar gösterir. Yerbilimciler sık sık astenosfere iki dilim ekmek arasındaki jöle benzetmesini yaparlar. Burada dilim ekmekler de litosferik manto ve mezosfere benzetilir. 24.2.2016 Murat UTKUCU 26 Dış çekirdek (outer core) 1913 yılında Beno Gutenberg isimli sismolog Yerküre‟nin merkezi yakınından geçen deprem dalgalarının hız ve yönlerinde belli bir derinlikte keskin bir değiĢim olduğunu göstermiĢtir. Bu derinlikten sonra P dalgaları yavaĢlamakta, genlikleri azalmakta ve deprem kaynağına 1050-140o uzaklıkları arasında bir P dalgası gölge zonu (P wave shadow zone) oluĢmaktadır. Daha da önemlisi S dalgası bu derinlikten sonra yayılmamaktadır. S dalgalarının yayılmaması dıĢ çekirdeğin çok önemli bir özelliğine yani sıvı olduğuna iĢaret etmektedir. 24.2.2016 Murat UTKUCU 27 Önemli bir süreksizliğe iĢaret eden bu derinlik Beno Gutenberg tarafından 2900 km olarak hesaplamıĢ ve Gutenberg süreksizliği olarak adlandırılmıĢtır. Gutenberg süreksizliği yerin çekirdeği ile mantosu arasındaki sınıra iĢaret etmektedir. DıĢ çekirdek erimiĢ halde demir (Fe) ve Nikel (Ni) malzemesinden oluĢmakatdır. DıĢ çekirdekteki konveksiyon akımlarının Yerküre‟nin kendi ekseni etrafında dönmesiyle olan etkileĢiminin yerin manyetik alanına neden olduğu ileri sürülmektedir. 24.2.2016 Murat UTKUCU 28 İç çekirdek (inner core) 1936 yılında Danimarka‟lı sismolog Inge Lehmann öncekilere göre daha hassas modern sismografların kayıtlarında P dalgası gölge zonu içinde daha once algılanamamıĢ sismik dalgaları fark etti. Bu dalgaların içinde P dalga hızının daha fazla olduğu olası bir iç çekirdeğin varlığıyla açıklanabileceğini ileri sürdü. Sonraki birkaç yıl içinde yapılan gözlemsel testler 5150 km derinliğinden yerin merkezine (ynı zamanda yerin yarı çapı olan 6371 km derinliğe) uzanan bir iç çekirdeğin varlığını kanıtlamıĢtır. Ġç çekirdek %85 demir ve %15 nikel bileĢiminden oluĢmaktadır. 24.2.2016 Murat UTKUCU 29 ÖZET Yerküre, içten dıĢa doğru yoğun katı iç çekirdek, sıvı dıĢ çekirdek, manto ve kabuktan oluĢur. Mantonun üst bölümleri eriyik halde, mumsu bir yapıdadır ve astenosfer olarak adlandırılır. Okyanusal ve kıtasal kabuk altında katı (rijit) ve soğuk litosferik manto yer alır. Yerküre‟nin kabuğunu oluĢturan levhalar mantonun bu katmanıyla birlikte hareket ettiklerinden bu iki katman birlikte litosfer olarak da adlandırılır. ĠnĢaat Mühendisliği uygulamaları burada ve yüzeyden itibaren 3 km ler arasında yer alır. Ama genelliklede ilk 10 metreler de uygulamalar sınırlı kalmaktadır. Bununla birlikte gerilmeleri belirleyebilmek, temeldeki kayaçların yayılmalarını, konumlarını ve özelliklerini belirleyebilmek için litosferin yapısı hakkında bilgi sahibi olmak gerekmektedir. 24.2.2016 Murat UTKUCU 31 24.2.2016 Murat UTKUCU 32 JEOMANYETĠZMA Prof. Dr. Murat UTKUCU Sakarya Üniversitesi, Jeofizik Mühendisliği Bölümü 24.2.2016 Murat UTKUCU 33 4. JEOMANYETİZMA Ġnsanoğlu çok eski çağlardan beri demir parçaları gibi bazı cisimleri çekme özelliği olan mıknatısları bilmektedir. MÖ 2600 yıllarında eski Çin‟lilerin mıknatıslanmayı bildiklerinden söz edilmekle birlikte bu konuda söylentilerin ötesinde, elde herhangi bir kanıt bulunmamaktadır. MÖ 6ncı yüzyılda eski Yunan‟lıların mıknatıslanmayı bildikleri kesindir. Ancak bu dönemlerde bir mıknatısın iki kutbunun bulunduğu ve coğrafi kuzeye yönelme özelliği olduğu bilinmemekteydi. Bunların yanısıra büyük bir mıknatıs gibi davranmakta olan Yerküre çevresinde bir manyetik alanın varlığı, bu alanın nedeni ve baĢlangıcı uzun yıllar araĢtırıcıların uğraĢ alanı olmuĢtur. Bu yer manyetik alanının varlığı bir pusula ile kolayca ortaya konulabilir. Ġlk pusula denizcilerce 11nci yüzyıl içinde kullanılmaya baĢlanmıĢtır. Avrupalı gemicilerin 12nci yüzyılda kullanmaya baĢladıkları pusula 14ncü yüzyılda artık tüm gemilerde bulunuyordu 24.2.2016 Murat UTKUCU 34 Manyetik D ve I açılarının doğru olarak ölçülmeleri jeomagnetizma dalının doğuĢunda, ön geliĢmelerdir ve dalın doğuĢunu bir hekim olan William Gilbert (1540-1603) sağlamıĢtır. Bu bilim adamı Yerküre‟nin dev bir mıknatıs olduğunu belirtmiĢtir. Ġlk önemli manyetik sapma (D) açısı ölçümlerini Portekiz‟li denizci Castro yapmıĢtır. I eğim açısının enlemle değiĢtiğini ilk olarak Humbold göstermiĢtir. Gauss, manyetik alan Ģiddetini standart birimler cinsinden ilk olarak ifade etmiĢ ve 1839 yılında ilk olarak manyetik alanın küresel harmonik analizini yapmıĢtır. AraĢtırmalar yer manyetik alanının %99‟unun iletken sıvı çekirdekte akan ve kendi kendini besleyen elektrik akımlarınca oluĢturulduğunu göstermektedir. En akla yatkın teoriler kendi kendini besleyen magnetohidrodinamik dinamo temellidirler. 24.2.2016 Murat UTKUCU 35 Yerin manyetik alanı, eleman ve bileşenleri • Yer üzerinde herhangi bir yerde yer manyetik alanı (F) bir vektördür. Bu vektör ağırlık merkezinden geçen yatay bir eksen etrafında serbestçe dönebilen bir mıknatıs ibresinin NS mıknatıs uçları arasından geçen doğru ile çakıĢmıĢtır. Yer manyetik alanın bileĢenleri ve elemanları aĢağıdaki gibi tanımlanabilir. F toplam alan bileĢenini, H yatay bileĢeni (manyetik kuzey üzerinde bulunur), Z düĢey bileĢeni, X kuzey bileĢeni, Y doğu bileĢeni, D sapma (denklinasyon) açısını, I eğim (inklinasyon) açısını göstermektedir. 24.2.2016 Murat UTKUCU 36 Ġlk sayılan beĢ eleman Ģiddet elemanıdır, Oe ya da nT ya da γ ile ölçülürler. D ve I açıları derece cinsinden ölçülür. Adı geçen bu manyetik bileĢen veya elemanlar arasında X=H.cos D Y= Y.sin D H2= X2+ Y2 F2= H2+ Z2 Z= H.tan I tan D=Y/X F=H.secI=Z cosec I bağıntıları yazılabilir. D açısı coğrafi doğuya yönelik olduğu zaman (+) diğer durumlarda (-) olarak söylenir. I da mıknatıs ibresinin kuzey (N) kutbu yere yönelik olduğu zamnlar (+), diğer durumlarda (-) olarak ele alınır. 24.2.2016 Murat UTKUCU 37 Yer manyetik alanının yönü yarımkürede yerin içine doğru yarımkürede ise yerin doğrudur. Diğer bir ifadeyle yönü güney kutbundan kutbuna yöneliktir. Manyetik kutuplarda alan Ģiddeti 60000 nT, ekvatorda ise 30000 nT‟dır. Yer manyetik alanının gözlenen bu tür özellikleri Yerküre‟nin yaklaĢık olarak merkezinde yeraldığı düĢünülen bir dipol alanı ile aynıdır. Bu durum Yer‟in dönme ekseni ile çakıĢmıĢ bir manyetik dipolden (M) kaynaklanan manyetik alan yönlerinin gösterildiği ġekil 4.2‟den görülebilir. 24.2.2016 kuzey güney dıĢına alanın kuzey Yerin dönme ekseni (coğrafik kuzey ve güneyi birleĢtiren doğru) ile çakıĢık bir manyetik dipolden (M) kaynaklanan manyetik alanın yönünde yerin yüzeyinde enleme (λ) bağlı görülen değiĢim. Bu durum için sapma açısı her yerde D=0 derece olacaktır.38 Murat UTKUCU 24.2.2016 Murat UTKUCU 39 • Günümüzdeki jeomanyetik alanın özellikleri en iyi eĢmanyetik haritalarla gösterilebilir. 1945 yılı için yer manyetik alanı eğim açıları dağılımını gösteren kontur (izokilin=eĢ eğim açısı) haritası. + iĢaretleri manyetik kutupları göstermektedir 24.2.2016 Murat UTKUCU 40 Jeomanyetik ekvator (I=0 derece) coğrafik ekvatora yakın, eğim açıları kuzey yarıkürede pozitif ve güney yarım kürede negatiftir. Bu özelliklere sahip yer manyetik alanı kabaca yerin dönme ekseni (coğrafik kuzey (N) ve güneyi (S) birleĢtiren doğru ile çakıĢık) bir manyetik dipolden kaynaklanan manyetik alan ile aynı olmasına karĢın belirgin farklılıklarda söz konusudur. 24.2.2016 Murat UTKUCU 41 Manyetik kutuplar (ġekil 4.3‟de I=±90 derece olan yerler) dönme ekseni ile çakıĢık bir dipolün manyetik alanında beklendiği gibi coğrafik kutuplarla çakıĢık değildir. Bu nedenle dönme ekseni ile çakıĢık bir dipol modeli yeniden düzenlenmelidir. Manyetik dipol ġekil 4.4‟de gösterildiği gibi dönme ekseni ile bir açı yapmalıdır ki bu açı yukarıda tanımladığımız sapma açısına karĢılık gelmektedir. 24.2.2016 Murat UTKUCU 42 Dönme ekseni ile yaklaĢık 11.5 derece açı yapan bir manyetik dipol günümüz yer manyetik alanını en iyi tanımlar. Bu Ģekilde 11.5 derece‟lik bir sapmaya sahip dipolün ekseninin kuzey ve güney yarımkürelerde yeryüzüne izdüĢümleri manyetik kutuplar olacaktır. Ancak günümüzde gözlenen yer manyetik alanın kutupları dönme ekseni ile açı yapan bu dipolün kutuplarından azda olsa farklıdır. Çünkü yerin merkezinde bulunan bir dipolle tam anlamıyla açıklanamayacak kadar karmaĢıktır. Yine de 11.5 derece açı yapan dipolün manyetik alanı günümüzde gözlenen yer manyetik alanın yaklaĢık %90‟ını karĢılamaktadır. 24.2.2016 Murat UTKUCU 43 24.2.2016 Murat UTKUCU 44 Yer manyetik alanın zamana bağlı değişimleri Yer yüzeyinde yer manyetik alanın yönü ve büyüklüğü zamanla değiĢmektedir. Bu değiĢimler 1 ile 10^5 yıl peryotları arasında hakimdirler. Örnek olarak yerin merkezinde olduğu düĢünülen ve yerin manyetik alanına en iyi uyumu verecek konumdaki dipolün alanı ile gerçekte ölçülen alanın farkı haritalandığında kıtasal ölçekte kapanan “+” veya “-” anomaliler gözlenir. Dipol olmayan alan (nondipole field) bu tür haritalar yıldan yıla tekrarlanarak çizildiğinde anomali merkezlerinin yılda 0.4o meridyen batıya doğru kaydığı görülmüĢtür. 24.2.2016 Murat UTKUCU 45 • 1945 yılı için hazırlanmıĢ dipol olmayan yer manyetik alanı. Oklar yatay manyetik alan bileĢeninin yön ve büyüklüğünü göstermektedir. Konturlar dipol olmayan manyetik alanın düĢey bileĢenin dağılımını göstermektedir. Kalın siyah çizgiler 0 düĢey bileĢen konturlarını, siyah çizgiler pozitif düĢey bileĢen konturlarını (yere doğru) ve gri çizgiler negatif düĢey bileĢen konturlarını temsil etmektedir. Kontur aralığı 0.02 Oe‟dir. 24.2.2016 Murat UTKUCU 46 • Londra‟da MS 1600 yılının hemen öncesinde baĢlayan ölçümlerle manyetik alanın yön değiĢimleri görülebilir. • Görüldüğü gibi eğim açısında 66 derece ile 75 derece aralığında ve sapma açısında ise -25 derece ile 10 derece arasında önemli bir değiĢim söz konusudur. • Ġngiltere Greenwich‟de jeomanyetik alanın eğim (inclination) ve sapma (declination) açısının MS1600 yılı sonrasındaki değiĢimi. 24.2.2016 Murat UTKUCU 47 2000 yılı için deklinasyon açısının dünya üzerinde dağılımı. Magnetik deklinasyon yerden yere göre ve zaman ile değiĢmektedir. Örnek olarak Maine‟de 20, Florida‟da 0 ve Texas‟da 10 derecedir. • Dolayısıyla ABD‟nin doğu kıyısını takip ederk Texas‟a gidecek bir gemi için bu yolculuk sırasında deklinasyon açısı 30 derece değiĢecektir. Yani yolculuğun baĢında ayarlanan bir pusulaya yolculuk boyunca herhangi bir değiĢiklik yapılmazsa yolculuğun sonunda 30 derece hataya sahip olacaktır. 24.2.2016 Murat UTKUCU 48 • Manyetik deklinasyon hesaplanan değiĢimleri. 24.2.2016 açısının 1590-1990 Murat UTKUCU yılları arasında 49 Dipol olmayan değiĢimler yaklaĢık 103 yıllık zaman dilimlerinde geliĢir, azalır ve Ģekil değiĢtirir. Dipol yer manyetik alanı da (yer yüzeyindeki manyetik alanın %90‟ı) yön ve büyüklük değiĢtirmektedir. Dipole ve dipol olmayan alanların değiĢimlerini birbirinden ayırmak için holosen volkanik kayaçların tarihsel, arkeomagnetik ve paleomagnetik manyetik ölçüm kayıtları incelenmiĢtir. Yerküre‟nin 8 bölgesinde 100 yıllık aralıklarla ortalama yer manyetik alan yönü belirlenmiĢtir. 24.2.2016 Murat UTKUCU 50 Bu bölgesel ortalamalardan belirlenen manyetik kutupların da ortalamaları alınarak geçen 2000 yıl boyunca 100 yıl aralıklarla ortalama manyetik kutuplar elde edilmiĢtir. Uygulanan bu süreç Yerküre üzerinde uzaysal bir ortalama sağladığından dipol olmayan alanın etkileri de ortalanmıĢ ve dolayısıyla belirgin olarak dipole alanın seküler değiĢimi elde edilmiĢtir. Görüldüğü gibi jeomanyetik kutup coğrafik kutup etrafında “kutupsal gezinti” olarak adlandırılan rastgele bir gezinti sergilemektedir. Bununla birlikte jeomanyetik kutbun ortalama konumu dönme ekseninden pek ayırt edilememektedir. Öyleyse, geçmiĢ 2000 yıl boyunca jeomanyetik alanın zaman içindeki ortalaması yerin dönme ekseni ile çakıĢık dipol ile tanımlanabilmektedir. Bu durum basitçe zaman içinde ortalaması alınmıĢ jeomanyetik alanın bir dönme ekseni ile çakıĢık dipol alanı olduğunu önermektedir. 24.2.2016 Murat UTKUCU 51 Jeomanyetik alandaki değiĢimlerin ele alındığı yukarıdaki zaman ölçeklerinden daha büyük zaman ölçeklerinde dipol manyetik alanda ters dönmeler (kuzey ve güney kutupların yer değiĢtirmesi) gözlenmiĢtir. Dipol alanın günümüzdeki durumu “normal polarite” ve geçmiĢte günümüzdekinin tersi durumları ise “ters polarite” olarak adlandırılmaktadır. Jeomanyetik ters dönme aralığı 104 ile 108 yıl arasında çok geniĢ bir zaman aralığını kapsamasına karĢın kısa aralıklı ters dönmeler daha yaygındır. 45 km/milyon yıl‟lık bir yarı yayılım zamanı için üretilen model anomali (altta) gözlenmiĢ anomaliye (üstte) en iyi uyumu vermektedir. 24.2.2016 Murat UTKUCU 52 Jeomanyetik dönmeleri. Murat UTKUCU 24.2.2016 alanın ters 53 • Polarite geçiĢleri 5000 yıl gibi göreceli olarak kısa zaman dilimlerinde meydana gelmekte jeolojik zamanlar içinde dağılımları rastgeledir. GeçmiĢ 5 milyon yıl içinde ters dönme aralığı ortalama 0.25 milyon yıldır. 24.2.2016 Murat UTKUCU 54 24.2.2016 Murat UTKUCU 55 Kayaçların oluĢtukları anda yer manyetik alanın etkisiyle kalıntı mıknatıslanma kazanmıĢ olmaları ve tarafımızdan bu mıknatıslanma vektörünün yönünün ve büyüklüğündeki değiĢimlerinin incelenmesi ile geçmiĢteki hem yer manyetik alanın davranıĢları ve hem de jeodinamik olaylar incelenebilmektedir. Jeomanyetizma da bu tür çalıĢmalar paleomanyetizma olarak adlandırılmaktadır. 24.2.2016 Murat UTKUCU 56 Gelecek ders görüĢmek üzere… TEġEKKÜRLER Dr. Murat UTKUCU
