25. oktober 2011

Jorda er ikke rund, og nord er ikke nord

Geofysiske målinger var en viktig del av det vitenskapelige arbeidet både på Nansens Framekspedisjon i Polhavet (1893-1896) og på Amundsens ekspedisjon med Gjøa gjennom Nordvestpassasjen (1903-1906). Her er historien om de to polarheltenes arbeid med magnetisme og tyngdekrefter.

Nansen, Amundsen og geologien

I anledning at vi i år markerer det offisielle Nansen-Amundsen-året trekker NGU frem Fridtjof Nansen og Roald Amundsens innsats innenfor geologien. Les mer...

 



I forkant av Framekspedisjonen skrev den daværende direktøren for NGU Hans H. Reusch i Morgenbladet 6. mars 1890 om jordmagnetismen:

"For kjendskabet til den spiller polaregnende med sine yederlige klimatforhold en betydelig rolle. Som bekjendt falder dog ikke den magnetiske nordpol sammen med jordens nordpol. Den magnetiske pol er et punkt etsteds ved Amerikas nordkyst, hvor magnetnaalen stiller sig lodret mod jordoverfladen. I nord for dette punkt vender den ende af magnetnaalen, som hos os peger mot nord (og som vi derfor kalder nordpol), mod syd. Det er af stor interesse at faa noget sikkert at vide om magnetens forhold ved selve den geografiske nordpol.”

Litt enkelt sagt kan jordens magnetfelt sees på som en N–S orientert stavmagnet i den innerste kjernen. Jordens normale magnetfelt forandrer seg langsomt over tid, og i dag ligger den magnetiske nordpol nord i Canada. De nyeste målingene viser at den er på vei over til Sibir. Nord på kompasset er derfor ikke helt det samme som nord på kartet.

(Artikkelen fortsetter under bildet)

Magnetisme_FramOBSERVATORIUM: Scott Hansens observatorium for magnetiske målinger ble bygget av isblokker i nærheten av Fram. Hundene ble brukt som trekkdyr. Da arbeidet var ferdig, ble et kranselag satt på toppen av ishytta for å markere at arbeidsfolket forventet påskjønning fra byggherren. Bildet er fra 22. september 1895. (Foto: Nasjonalbiblioteket, Billedsamlingen)Framekspedisjonen hadde med seg førsteklasses utstyr til målinger av jordmagnetismen, inkludert et spesiallaget instrument fra Deutsche Seewarte i Hamburg.

Målingene ble utført av Løytnant Scott Hansen. Utstyret ble først testet på nordkysten av Sibir i august 1893. De regulære målingene startet 7. oktober og strakte seg over hele det tidsrommet de lå innefrosset i isen fram til 8. juli 1896. Den første vinteren ble målingene utført i et telt ute på isen som var spesiallaget til dette formålet. Året etter fant de det mer hensiktsmessing og behagelig å bygge ei stor snøhytte der målingene ble foretatt. Resultatene av de magnetiske målingene ble senere sammenstilt og publisert av den norske geofysikeren Aksel S. Steen i 1901 som en egen del av The Norwegian North Polar Expedition 1893–1896 Scientific Results.

(Artikkelen fortsetter under bildet)

Tyngdekraft_FramIKKE KULERUND: Ikke en helt rund. Ved nøyaktige målinger av Jordens gravitasjonsfelt (geoiden) framstår den mer som en potet enn som en perfekt kule. Her i sterkt overdrevet skala! (Illustrasjon: GFZ Potsdam)Under Framekspedisjonen gjennomførte Scott Hansen også en hel serie tyngdemålinger, det vil si målinger av variasjoner i Jordens gravitasjonskraft. Alle masser utøver en tiltrekkende kraft på hverandre. Fordi Jorden har en enorm masse, er den "ekstra tiltrekkende". Hvis Jorden ikke roterte, og i tillegg var fullstendig kuleformet og homogen, ville vi ha samme tyngdekraft overalt på jordoverflaten. Det er ikke tilfelle. Fordi Jorden er flattrykt ved polene, vil vi, når vi står på Nordpolen, være 21 km nærmere Jordens tyngdepunkt (midten av jordkula) enn når vi står ved ekvator. Når vi i tillegg tar med sentrifugalkraften, har jordkloden større tyngdekraft på polene enn ved ekvator. Jorda er altså svakt ellipseformet, og diameteren fra Nordpolen til Sydpolen er som sagt om lag 42 kilometer mindre enn rundt ekvator.

I tillegg til avstanden til Jordens massemiddelpunkt og jordrotasjonen er tyngdekraften avhengig av bergartenes geometri, beliggenhet og tetthet. Når vi måler tyngdekraften over en lett bergart, vil vi få mindre tyngde enn normalt for breddegraden fordi vi da har mindre masse like under observasjonspunktet. Over en malmforekomst eller bergart med stor tetthet observerer vi større tyngde enn normalt.

I årene før Framekspedisjonen var tyngdemålinger kommet høyt opp på dagsorden, og en rekke målinger var blitt utført rundt om på Jorden. Etter at han i 1901 hadde målt tyngdekraften over Atlanterhavet fra Hamburg til Rio de Janeiro og tilbake til Lisboa, ble O. Hecker anerkjent som den første som utførte tyngdemålinger til havs. Vitenskapshistorikeren Geir Hestmark påpeker i sin artikkel "Fridtjof Nansen and the geology of the Arctic" (1991) at denne æren heller bør tilfalle Sigurd Scott Hansen for hans målinger under Framekspedisjonen.

Jorda er som sagt ikke helt rund. Vår ellipseformete klode likner faktisk mer en potet. Kontinentene som stikker opp har ulik høyde, og noen steder er havets overflate trykket ned i vide forsenkninger som likner store dumper på jordoverflata. Avstanden fra havoverflata til jordas sentrum er altså ikke nøyaktig like stor over alt på den blå planeten vår. Fordi tettheten av bergartmassene i jordskorpen varierer fra sted til sted, vil gravitasjonskraften som virker på vannmassene også variere. Vannmassene er derfor ikke likelig fordelt på den ellipseformete jorda. Havnivået kan variere så mye som 85 m over, og 110 m under, den kalkulerte "gjennomsnittlige" jordellipsoiden.
 
Når Roald Amundsen i juni 1903 la ut å erobre Nordvestpassasjen, hadde han også et vitenskapelig mål med ekspedisjonen.  ”De videnskapelige instrumenter var det første jeg anskaffet mig. Så kom turen til fartøyet”, skrev han fire år senere sin populærvitenskapelige beretning om den tre år lange banebrytende ekspedisjonen med den lille sildejakta Gjøa. I tillegg til erobringen av selve Nordvestpassasjen, var undersøkelser av jordmagnetismen det andre hovedmålet med ekspedisjonen. Amundsen hadde vært i Tyskland på studieopphold og mente han var vel rustet for oppgaven. Amundsen fikk også støtte og veiledning fra fysikeren Aksel Steen, som noen år tidligere hadde sammenstilt og publisert resultatene fra de geofysiske målingene utført under Nansens Framekspedisjon (1893-96) over Polhavet.

Mot slutten av august 1903 hadde Gjøa nådd fram til Simpsonstredet, i et område nær den magnetiske nordpolen. De rigget seg til i en liten bukt på King Williams Land, døpte stedet Gjøahavn og bygget her et magnetisk observatorium. Den 1. mars dro Amundsen og tre av mannskapet ut for å lokalisere den magnetiske nordpolen som lå et eller annet sted på halvøya ved Boothia Felix. Vanskelige forhold med temperaturen under minus 61,7° C gjorde at turen ble kortvarig. De magnetiske målingene forsatte i Gjøahavn, med vekslende kvalitet og resultat, og etter hvert overlot Amundsen hele ansvaret til 2.maskinisten Gustav Juel Wiik, som også hadde vært i Tyskland og lært metodene ved det magnetiske observatorium i Potsdam. 

Det ble flere turer ukene som fulgte, og den 26. april nådde de den posisjonen James Cark Ross hadde fastslått som det magnetiske polpunktet på Boothia Felix nær Kapp Adelaide. Målingene de utførte viste at den magnetiske pol hadde flyttet seg nordover, og Amundsen ble dermed den første som beviste at de magnetiske polene flytter seg. De dro videre nordover for å finne de nye polpunktet. Ingen triviell oppgave, slik Ristvedt senere beskrev det: ”Vi kjørte og observerte, kjørte og observerte, og den flyttet seg. Om kvelden … kunne vi være ganske nær polen, trodde vi. Men neste morgen svinget nålen langt bort. Som regel pekte den utover isen, hvor hele polhavet sto på og laget en veldig isskuring opp mot land”.

(Artikkelen fortsetter under bildet)

GjøaUNDERVEGS: Gjøa på vei gjennom Nordvestpassasjen (Foto: Nasjonalbiblioteket; Billedsamlingen)I hele tre uker reiste Amundsen og Ristvedt opp og ned langs kysten av Boothia Felix på jakt etter den magnetiske nordpolen. Den 27. mai var de tilbake i Gjøahavn, hvor de ble i nesten to år. Først den 13. august 1905 dro videre. Fire dager senere var de gjennom til farvann som tidligere var gjennomseilt av andre, og den 26. august møtte de en amerikansk hvalfanger. Nordvestpassasjen var erobret. Amundsens ekspedisjon greide det som hadde vært en ettertraktet mål i flere tiår; å bli de første som seilte gjennom den nordvestlige sjøforbindelsen mellom Europa og Asia.

Over nyttår 1905 tok Gjøa fatt på sin tredje overvintring, nå ved King’s Point ved Mackenzie deltaet helt nordvest i Canada. Her ble de magnetiske og meteorologiske observasjonene tatt opp på nytt. Selv dro Amundsen med hundespann mer enn 1300 km tvers over Alaska til Eagle City for å telegrafere nyheten om triumfferden gjennom Nordvestpassasjen ut til den store verden. Gustav Juel Wiik, som nidkjær hadde tatt seg av de magnetiske målingene gjennom hele den lange vinteren, døde i slutten av mars, kun få uker etter at Amundsen var tilbake på Gjøa. Det magnetiske observatoriet ble bygd om til gravkammer for 28-åringen.

De jordmagnetiske målingene som ble innsamlet under Gjøaekspedisjonen ble liggende ubearbeidet i nærmere tjue år, og først publisert i 1930, to år etter Amundsens død. Det viktigste resultatet fra ekspedisjonen var at de fikk bevist at den magnetiske nordpolen ikke ligger fast, men flytter seg gjennom året og over år.

----------------------------------------------------------

Nansen, Amundsen og geologien

I anledning at vi i år markerer det offisielle Nansen-Amundsen-året trekker NGU frem Fridtjof Nansen og Roald Amundsens innsats innenfor geologien. Under Nansens Framekspedisjon 1893-96 sto geologiske undersøkelser og geofysiske målinger sentralt, og kom til å utgjøre hoveddeler av de vitenskapelige resultatene som ble publisert i de seks monumentale bindene "The Norwegian North Polar Expedition 1893–1896 Scientific Results".

Vitenskapelige undersøkelser var også hovedbegrunnelsen for Nansens ferd over Grønland noen år tidligere. Slike undersøkelser var også et viktig argument for Amundsens ekspedisjon med Gjøa gjennom Nordvestpassasjen i 1903-1906, mens erobringen av Sydpolen i desember 1911 nok må regnes som et nasjonalt kappløp snarere enn et vitenskapelig framskritt.

I en serie på tre artikler vil vi se noen av de vitenskapelige resultater som Nansens og Amundsens ekspedisjoner brakte med seg. Vi har valgt å fokusere på det geofaglige, hovedsakelig fordi de geofaglige resultatene ofte blir forbigått i stillhet når man omtaler om de to polarheltene.

De tre artiklene er:

Nansen og den norske strandflaten
Jorda er ikke rund, og nord er ikke nord – Om Amundsen, Nansen, magnetisme og tyngdekrefter
Nansen og Norges ytterste grense mot nord - Kartleggingen av Polhavet