Смена полюсов Земли: периодичность, последствия. Земля будущего

У нашей планеты есть магнитное поле, которое можно наблюдать, например, с помощью компаса. Оно в основном образуется в очень горячем расплавленном ядре планеты и, вероятно, имелось большую часть времени существования Земли. Поле представляет собой диполь, т. е. у него есть один северный и один южный магнитный полюс. В них стрелка компаса будет указывать прямо вниз или вверх, соответственно. Это похоже на поле магнита на холодильник. Однако геомагнитное поле Земли претерпевает множество небольших изменений, что делает аналогию несостоятельной. В любом случае, можно сказать, что в настоящее время есть два полюса, наблюдаемые на поверхности планеты: один в северном полушарии и один в южном.

Инверсией геомагнитного поля называется процесс, при котором южный магнитный полюс превращается в северный, а тот, в свою очередь, становится южным. Интересно отметить, что магнитное поле может иногда подвергаться экскурсии, а не развороту. В этом случае оно претерпевает большое снижение его общей силы, то есть силы, которая перемещает стрелку компаса. Во время экскурсии поле не меняет своего направления, а восстанавливается с той же полярностью, то есть север остается севером и юг югом.

Как часто происходит смена полюсов Земли?

Как свидетельствует геологическая летопись, магнитное поле нашей планеты меняло полярность много раз. В этом можно убедиться по закономерностям, обнаруженным в вулканических породах, особенно извлеченных со дна океана. За последние 10 млн лет в среднем происходило 4 или 5 разворотов в миллион лет. В другие моменты истории нашей планеты, например, во время мелового периода, были более длительные периоды смены полюсов Земли. Их невозможно предсказать, и они не носят регулярный характер. Поэтому можно говорить только о среднем интервале инверсии.

Разворачивается ли магнитное поле Земли в настоящее время? Как это проверить?

Измерения геомагнитных характеристик нашей планеты проводились более или менее постоянно с 1840 года. Некоторые измерения даже датированы XVI веком, например, в Гринвиче (Лондон). Если посмотреть на тенденции изменения силы магнитного поля за этот период, то можно увидеть ее снижение. Проецирование данных вперед во времени дает нулевой дипольный момент через примерно 1500–1600 лет. Это является одной из причин того, почему некоторые считают, что поле может находиться на ранних стадиях инверсии. Из исследований намагниченности минералов в древних глиняных горшках известно, что во времена Древнего Рима оно было в два раза сильнее, чем сейчас.

Тем не менее, текущая сила поля не является особо низкой с точки зрения диапазона ее значений за последние 50 000 лет, а с момента, когда произошла последняя смена полюсов Земли, прошло почти 800 000 лет. Кроме того, принимая во внимание сказанное ранее об экскурсии, и зная о свойствах математических моделей, далеко не ясно, можно ли экстраполировать данные наблюдений на 1500 лет.

Как быстро происходит инверсия полюсов?

Полная запись истории хотя бы одного разворота отсутствует, поэтому все утверждения, которые можно сделать, в основном базируются на математических моделях и частично на ограниченных доказательствах, полученных из горных пород, которые сохранили отпечаток древнего магнитного поля со времени их формирования. Например, расчеты дают основание предположить, что полная смена полюсов Земли может занять от одной до нескольких тысяч лет. Это быстро по геологическим меркам, но медленно в масштабе человеческой жизни.

Что происходит во время разворота? Что мы видим на поверхности Земли?

Как уже было сказано выше, у нас имеются ограниченные данные геологических измерений о закономерностях изменения поля во время инверсии. Основываясь на моделях, рассчитанных на суперкомпьютерах, можно было бы ожидать гораздо более сложной структуры на поверхности планеты, при которой имеется не один южный и один северный магнитный полюс. Землю ожидает их «странствие» от своего нынешнего положения по направлению к экватору и через него. Общая напряженность поля в любой точке планеты может составить не более одной десятой ее значения в настоящее время.

Опасность для навигации

Без магнитного щита современные технологии будут больше подвержены риску воздействия солнечных бурь. Наиболее уязвимыми являются спутники. Они не рассчитаны выдерживать солнечные штормы в отсутствие магнитного поля. Так что, если спутники GPS прекратят работу, то все самолеты будут посажены на землю.

Конечно, в самолетах в качестве резервного средства есть компасы, но они, безусловно, не будут точными во время магнитного сдвига полюсов. Таким образом, даже самой возможности выхода из строя спутников GPS будет достаточно, чтобы посадить самолеты – в противном случае они могут потерять навигацию в ходе полета.

Суда столкнутся с теми же проблемами.

Озоновый слой

Ожидается, что во время инверсии магнитного поля Земли озоновый слой полностью исчезнет (и снова появится после этого). Крупные солнечные бури во время разворота могут вызвать истощение озонового слоя. Количество заболеваний раком кожи возрастет в 3 раза. Воздействие на все живые существа трудно предсказать, но также может иметь катастрофические последствия.

Смена магнитных полюсов Земли: последствия для энергосистем

В одном исследовании массивные солнечные бури были названы вероятной причиной полярной инверсии. В другом - виновником этого события станет глобальное потепление, а оно может быть вызвано повышенной активностью Солнца. Во время разворота зашиты магнитного поля не будет, и если произойдет солнечная буря, ситуация ухудшится еще больше. Жизнь на нашей планете не будет затронута в целом, и общества, которые не зависят от технологии, также будут в полном порядке. Но Земля будущего ужасно пострадает, если разворот произойдет быстро. Электрические сети перестанут функционировать (их может вывести их из строя большая солнечная буря, а инверсия повлияет намного больше). При отсутствии электричества не будет водоснабжения и канализации, заправочные станции перестанут работать, остановятся поставки продовольствия. Работоспособность аварийных служб окажется под вопросом, и они не смогут на что-то влиять. Погибнут миллионы, а миллиарды столкнутся с большими трудностями. Только те, кто заранее запасся пищей и водой, смогут справиться с ситуацией.

Опасность космического излучения

Наше геомагнитное поле отвечает за блокирование примерно 50% космических лучей. Поэтому при его отсутствии уровень космического излучения удвоится. Несмотря на то, что это приведет к увеличению мутаций, летальных последствий это иметь не будет. С другой стороны, одной из возможных причин сдвига полюсов является увеличение солнечной активности. Это может привести к увеличению числа заряженных частиц, достигающих нашей планеты. В таком случае Земля будущего подвергнется большой опасности.

Сохранится ли жизнь на нашей планете?

Природные катастрофы, катаклизмы маловероятны. Геомагнитное поле находится в области пространства, называемой магнитосферой, формируемой действием солнечного ветра. Магнитосфера отклоняет не все высокоэнергетические частицы, которые излучает Солнце с солнечным ветром и другие источники в Галактике. Иногда наше светило особенно активно, например, когда на нем много пятен, и оно может посылать облака частиц в направлении Земли. Во время таких солнечных вспышек и корональных выбросов массы, космонавтам на околоземной орбите, возможно, потребуется дополнительная защита, чтобы избежать более высоких доз радиации. Поэтому мы знаем, что магнитное поле нашей планеты обеспечивает лишь частичную, а не полную защиту от космического излучения. Кроме того, высокоэнергетические частицы могут даже ускоряться в магнитосфере.

На поверхности Земли атмосфера действует как дополнительный защитный слой, останавливающий все, кроме наиболее активного солнечного и галактического излучения. При отсутствии магнитного поля атмосфера будет по-прежнему поглощать большую часть излучения. Воздушная оболочка защищает нас так же эффективно, как слой бетона толщиной 4 м.

Без последствий

Человеческие существа и их предки жили на Земле в течение нескольких миллионов лет, за которые произошло немало инверсий, и нет никакой очевидной корреляции между ними и развитием человечества. Точно так же время разворотов не совпадает с периодами вымирания видов, о чем свидетельствует геологическая история.

Некоторые животные, такие как голуби и киты, используют геомагнитное поле для навигации. Предполагая, что разворот занимает несколько тысяч лет, то есть длится многие поколения каждого вида, тогда эти животные могут хорошо адаптироваться к изменяющейся магнитной среде или развить другие методы навигации.

Более техническое описание

Источником магнитного поля является богатое железом жидкое внешнее ядро ​​Земли. Оно совершает сложные движения, являющиеся результатом конвекции тепла глубоко внутри ядра и вращения планеты. Движение жидкости непрерывно и никогда не останавливается, даже во время разворота. Оно может прекратиться только после исчерпания источника энергии. Тепло производится частично из-за преобразования жидкого ядра в твердое, расположенного в центре Земли. Этот процесс совершается непрерывно в течение миллиардов лет. В верхней части ядра, которая расположена в 3000 км ниже уровня поверхности под скалистой мантией, жидкость может перемещаться в горизонтальном направлении со скоростью десятков километров в год. Ее движение поперек существующих силовых линий производит электрические токи, а они, в свою очередь, генерируют магнитное поле. Этот процесс носит название адвекции. Для того, чтобы сбалансировать рост поля, и тем самым стабилизировать т. н. «геодинамо», необходима диффузия, при которой происходит «утечка» поля из ядра и его разрушение. В конечном счете, поток жидкости создает сложную картину магнитного поля на поверхности Земли со сложным изменением во времени.

Компьютерные расчеты

Моделирование геодинамо на суперкомпьютерах продемонстрировало сложный характер поля и его поведения с течением времени. Расчеты также показали инверсию полярности, когда происходит смена полюсов Земли. В таких симуляциях сила основного диполя ослабевает до 10% от нормального значения (но не до нуля), а существующие полюса могут странствовать по всему земному шару совместно с другими временными северными и южными полюсами.

Твердое железное внутреннее ядро ​​нашей планеты в этих моделях играет важную роль в управлении процессом разворота. Из-за своего твердого состояния оно ​​не может генерировать магнитное поле адвекцией, но любое поле, которое образуется в жидкости внешнего ядра может диффундировать, или распространяться во внутреннее. Адвекция во внешнем ядре, кажется, регулярно пытается инвертировать. Но пока поле, запертое во внутреннем ядре, ​​сначала не диффундирует, реальная смена магнитных полюсов Земли не произойдет. По существу, внутреннее ядро ​​сопротивляется диффузии любого «нового» поля и, возможно, только одна из каждых десяти попыток такого разворота является успешной.

Магнитные аномалии

Следует подчеркнуть, что, хотя эти результаты и являются увлекательными сами по себе, неизвестно, можно ли их отнести к реальной Земле. Тем не менее, у нас есть математические модели магнитного поля нашей планеты за последние 400 лет с ранними данными, основанными на наблюдениях моряков торгового и военно-морского флота. Их экстраполяция на внутреннюю структуру земного шара показывает рост с течением времени областей обратного потока на границе ядра и мантии. В этих точках стрелка компаса ориентирована, по сравнению с прилегающими районами, в противоположном направлении – внутрь или из ядра. Эти участки с обратным потоком в южной части Атлантического океана в первую очередь несут ответственность за ослабление главного поля. Они также отвечают за минимальную напряженность, называемую Бразильской магнитной аномалией, центр которой расположен под Южной Америкой. В этой области частицы с высокими энергиями могут приблизиться к Земле более близко, вызывая повышенный радиационный риск для спутников на низкой околоземной орбите.

Предстоит еще многое сделать для большего понимания свойств глубинного строения нашей планеты. Это мир, где значения давления и температуры аналогичны параметрам поверхности Солнца, и наше научное понимание достигает своего предела.