Северный магнитный полюс Земли едет в Россию из Канады со средней скоростью примерно 55 км в год. Много это или мало, а также чем грозит простым трудящимся — давайте попробуем обстоятельно разобраться.
Откуда у Земли магнит
Возраст нашей планеты около 4,5 миллиардов лет, при этом ее геомагнитное поле явно существовало последние 3 миллиарда лет. Магнитное поле Земли неощутимо для человека, но тем не менее оно влияет на химические и биологические процессы, состояние человеческого организма, защищает биосферу от энергичных частиц из космоса и руководит миграционными процессами в животном мире. Также магнитное поле поддерживает технические системы навигации и спутниковой связи.
Магнитное поле нашей планеты ученые зовут геомагнитным, так как считают ответственными за его происхождение процессы, протекающие в геологических глубинах Земли. Есть модель динамо (другое название — геодинамо), которая удовлетворительно отвечает на фундаментальный вопрос — откуда вообще у нашего большого шарика магнит.
Согласно модели, внутри планеты находится хитроумный генератор. Он состоит из твердого внутреннего ядра, которое является энергетическим источником. Следующий элемент генератора — жидкое внешнее ядро, состоящее преимущественно из железа. Внутреннее ядро сильно горячее внешнего, поэтому образуются конвективные потоки — перемещения массы железа. Эти потоки закручиваются в спирали, так называемые столбы Тейлора, из-за того, что Земля вращается и на потоки железа действуют кориолисовы силы. Такая конфигурация создает самоподдерживающуюся систему. Конвективные токи текут в некотором начальном магнитном поле, создавая при этом свое собственное. Это добавочное поле усиливает первоначальное, за счет чего снова усиливается ток. Наращивание тока, бесспорно, небесконечно: рост тока провоцирует рост джоулевых потерь. В итоге наступает баланс потерь и притоков энергии. Такая система позволяет планете демонстрировать относительно устойчивое магнитное поле в течение тысячелетий.
Внутри планеты
Предположения модели геодинамо логичны. Для функционирования динамо-генератора необходимо наличие проводящей жидкости. Железо — самый распространенный элемент на планете, так почему бы ему не заполнять ее внутренности.
Для изучения внутреннего строения Земли, а также процессов, там происходящих, учеными используется в основном анализ сейсмических волн. Сейсмические волны — это упругие колебания, возникающие при землетрясениях и мощных взрывах. Существует несколько типов таких волн, один из них — объемные сейсмоволны — проникает внутрь Земли подобно рентгену и позволяет исследовать внутренности планеты.
Объемные сейсмоволны подразделяются на «быстрые» продольные P-волны (P, от англ. primary — первичные) и «медленные» поперечные S-волны (S, от англ. secondary — вторичные). Последние обладают весьма замечательным свойством: распространяются только в твердой среде. Упругие S-волны не проникают во внешнее ядро, то есть эта часть внутренности Земли жидкая. Проходя через границу раздела двух сред с различными физическими свойствами, сейсмоволна испытывает преломление, отражение и скачкообразное изменение скорости. Это и происходит на границе внутреннего и внешнего ядер, демонстрируя, что внутренняя часть должна быть твердой (или очень похожей на твердую).
Сейсмическая модель Земли. Красным показаны s-волны, синим — p-волны
Магнитные братья
Хотя не все «фишки» магнитного поведения Земли можно объяснить с помощью геодинамо, теория хорошо объясняет, почему, например, такая похожая на Землю Венера не имеет магнитного поля: в твердом ядре нет возможности генерации и поддержания конвективных токов.
В 2020 году NASA хочет отправить гамма-спектрометр на астероид Психея. Считается, что это ядро планеты земной группы, которое преимущественно состоит из металлов. Это будет еще один способ получить дополнительные сведения для проникновения в загадку земного ядра в общем и земного магнетизма в частности.
Приближенное и точное
Упрощенно поле Земли можно рассматривать как поле помещенного внутрь планеты огромного полосового магнита — или, говоря более строго, магнитного диполя, ось которого наклонена примерно на 11 градусов к географической оси планеты. Величина индукции магнитного поля на поверхности колеблется в пределах от 25 до 65 микротесла.
За эту как бы торчащую в земном шаре магнитную ось отвечает генератор магнитного поля в ядре — наше геодинамо. Однако в некоторых регионах Земли дипольного приближения недостаточно. Это так называемые области магнитных аномалий, которые формируются залежами магнитных материалов в материках и горных породах на глубине порядка 20–30 километров.
С точки зрения математики, магнитное поле планеты можно представить в виде суммы гармоник — специальных функций. В этой сумме наиболее существенным будет как раз дипольное слагаемое. Вклад локальных аномалий описывается «высшими гармониками». Они представляют собой функции, быстро убывающие с расстоянием. Соответственно, на значение и конфигурацию поля вблизи поверхности Земли они влияют существенно. А вот на расстоянии тысяч километров от поверхности поле можно считать чисто дипольным: все процессы в магнитосфере уже будут подчиняться «упрощенной» модели.
[columns size=»2/3″ last=»false»]
Магнитное поле Земли в первом приближении описывается моделью магнитного диполя
[/columns]
Кто такой полюс
У магнитного полюса Земли есть два определения, которые оказываются двумя разными точками на карте. Обе можно абсолютно честно назвать полюсами.
Первое определение таково: полюс — это то место, где магнитная стрелка стоит вертикально. И на севере, и на юге есть такие места. Определение координат такой точки — дело экспериментальное.
Есть и второе определение полюса — такой полюс уже будет называться геомагнитным. Если взять ту самую дипольную стрелку, которую продуцирует геодинамо, и отметить точки, в которых эта стрелка пронзает земной шар — это и будут два геомагнитных полюса.
Точки, соответствующие разным определениям, не совпадают. А все из-за искажений, вызванных магнитными аномалиями. Эти же причины — вклад высших гармоник — ведут к несимметричному движению противоположных магнитных полюсов. Южный полюс движется со скоростью примерно 10 километров в год, сильно отставая от своего напарника.
Бегущий по волнам
Как прояснил нам Валерий Петров, заведующий отделом переменного магнитного поля Земли Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн имени Н. В. Пушкова РАН, перемещение Северного полюса из Канады в сторону Сибири наблюдают уже около 50 лет. Скорость достигла своего максимума 20–30 лет назад, а сейчас дрейф замедляется. Фактически полюс уже не «едет» в Сибирь, а свернул к Востоку, пошел вдоль побережья России.
«Обсуждая движение Северного полюса, следует понимать, что движется только магнитный полюс (где стрелка стоит вертикально). А полюс дипольный, или геомагнитный почти все 200 лет, которые мы его наблюдаем, где-то в пределах одного градуса перемещается — то есть практически стоит на месте, — поясняет Валерий Петров. — Этот пугающий дрейф полюса, о котором все говорят, может только влиять немножечко на навигацию в высоких широтах. То есть нужно почаще пересчитывать магнитные карты. Вот, в принципе, и весь эффект, который от этого движения полюса есть. А на карты в средних широтах это движение полюсов практически не влияет».
Север на юге
Учат в школе, что северный географический полюс соответствует южному магнитному полюсу, и наоборот. Важно не запутаться в терминах. В физике определено, что силовые линии выходят из северного полюс и входят в южный (это просто условность принятая учеными для обозначения полюсов). Реальные силовые линии магнитного поля Земли входят вблизи северного географического полюса, то есть на севере расположен южный полюс магнитного поля.
Но север не всегда был на юге. Явление, при котором Северный и Южный (магнитные) полюса менялись местами, не раз случались на Земле. Первое свидетельство перемагничивания было обнаружено во Франции в 1906 году, далее такие образцы уже находили по всему свету.
Сегодня ученые уже не спорят, имели ли место инверсии, или образцы приобретали противоположные намагниченности при каких-то других физико-химических явлениях. Магнитные полюса Земли действительно периодически меняются местами. Геологический анализ ферромагнитных минералов — магнетита, гематита, титаномагнетита — дает ученым возможность составить временную шкалу инверсий поля. Такие руды сохраняют ту намагниченность, которая была на планете во времена их формирования.
Магнитное поле внутри ядра Земли — компьютерное моделирокание. Источник: AUBERT ET AL./IPGP/CNRS PHOTO LIBRARY
Таким образом, результаты палеомагнитных исследований показывают, что инверсий в истории Земли было около семисот, происходят они нерегулярно, последняя случилась примерно 780 тысяч лет назад. По словам ученых, процесс переполюсовки может длиться не одно тысячелетие, и в этот период Земля крайне уязвима для внешнего космического излучения. Также было показано, что есть взаимосвязь между частотой смены полюсов и тектонической активностью планеты. Многие исследователи называют инверсию основной причиной смены флоры и фауны на планете. А самые смелые — даже причиной гибели динозавров и возникновения человека.
Интересно, что не всегда после затухания происходит смена полярности. Известны так называемые экскурсы — когда после смещений и затуханий первоначальное поле восстанавливается.
По словам Валерия Петрова, как именно происходят инверсия и экскурсы, объяснить пока сложно. Основная проблема — конкретный механизм первоначального «запуска» динамо не до конца понятен. Неизвестно, откуда у Земли появилось затравочное поле. То ли что-то она «схватила» из космоса, то ли в процессе формирования планеты какие-то магнитные массы попали в ядро. А дальше получается так: как только маленький ток возник, он создал магнитное поле. Далее увеличение магнитного поля, увеличение тока, опять увеличение магнитного поля и опять увеличение тока. Это процесс с положительной обратной связью, а такие системы обладают неустойчивостью. Начиная с какого-то момента, с появления каких-то внешних условий (может быть, даже небольших), эта генерация может сорваться.
Ко всему прочему, не только конфигурация поля меняется, также ослабевает его значение. Наблюдения Европейского космического агентства показывают, что поле на планете ослабевает примерно на 20 нанотесла в год, что выливается в снижение на 5 процентов в столетие. Такое изменение неравномерно: из-за дрейфа конфигурации локально в каких-то областях поле может и вырасти, но в среднем его величина падает. Ученые считают, что быстрый дрейф полюсов в совокупности с общим снижением величины напряженности магнитного поля может свидетельствовать о грядущей инверсии полюсов. По словам Валерия Петрова, пара тысяч лет у нас все же еще есть в запасе.
Другие оптимистичные прогнозы ученых говорят о том, что прямой связи между глобальными катастрофами и вымираниями и инверсиями поля нет, у человечества есть достаточно времени и потенциала, чтобы подготовиться к переполюсовке и благополучно ее пережить.
Движение Северного магнитного полюса. © Nature
Геомагнитные рывки
Северный магнитный (который южный географический) полюс земли движется все время. Но не всегда с постоянной скоростью. Иногда в его перемещениях случаются резкие изменения — так называемые геомагнитные рывки.
Неравномерное изменение координат полюса заметили давно — явление описали еще в 1978 году. С тех пор ученые бились над разгадкой феномена.
Совсем недавно ученые из Франции и Дании создали компьютерную модель, которая довольно хорошо описывает рывки, наблюдаемые в последние 50 лет. Согласно модели, в центральной части ядра образуются магнитогиродинамические волны, которые замедляются и усиливаются на границе с мантией. Такая модель активности земного ядра поможет ученым более точно прогнозировать изменения магнитного поля планеты.
Геомагнитные рывки еще называют ускорениями изменения магнитного поля, так как математически во время рывков скачком изменяется вторая производная магнитного поля Земли (по аналогии с кинематическим ускорением — второй производной от координаты).
Магнитный мир
В начале 2019 года вышло внеочередное обновление Всемирной магнитной модели (World Magnetic Model, WMM). Хотя предыдущее, выпущенное в 2015-м, имело срок действия до 2020 года, модель необходимо было скорректировать из-за стремительного движения северного полюса.
Наряду с WMM мировые магнитные нужды описывает еще одна модель — Международное геомагнитное аналитическое поле (International Geomagnetic Reference Field, IGRF). Оба описания служат целям военных и транспортных ведомств, но не только: к WWM обращаются системы Android и iOS для корректировки магнитного склонения — угла между магнитным и географическим меридианом в определенной точке пространства, где находится телефон. Это как раз та величина, которая показывает, насколько географическая карта не совпадает с магнитной в конкретной точке.
В высоких широтах случаются самые сильные магнитные бури. Вдоль вертикально направленных силовых линий движутся энергичные частицы из космоса, создавая высокий уровень радиации. Поэтому, например, самолетам, летающим в Заполярье, важно облетать эти бури стороной, чтобы не подвергаться риску получить повышенную дозу радиации. Кроме того, орбиты спутников и МКС рассчитываются так, чтобы избегать этих зон. Сигнал GPS, проходящий по маршруту «устройство — спутник», пересекает ионосферу. В плохую «космическую погоду» возбужденная, с турбулентными потоками, она может рассеивать сигнал, приводя к ошибкам навигации порядка 100 м. Такая неточность катастрофична для садящихся вслепую самолетов.
То, что у нашей планеты есть достаточно устойчивый и возобновляемый источник магнитного поля — такое же чудо, как и возникновение жизни на ней. Глобальные изменения с магнитосферой земли случатся нескоро, а с локальными ученые умеют разбираться. Конец света отменяется, давайте работать.
