Магнитное поле Земли – это настоящая загадка для ученых. Несмотря на то, что основным теориям его происхождения и механизма работы уже чуть больше века, полностью объяснить процессы внутри планеты пока не удается. Попробуем разобраться в неизведанном вместе.
Строение и характеристики магнитного поля Земли
Геомагнитное поле неоднородно. В зависимости от особенностей формирования и механизмов работы ученые выделяют 3 основные его части. Но каждая работает как часть единой системы – магнитосферы, неотделимо от других составляющих магнитного поля Земли.
Главное поле
Это поле, которое формируется в жидком железном внешнем ядре планеты и составляет около 90% его мощности. По сути можно представить всю планету, как огромный стержневой магнит с силовыми линиями, простирающимися в космос. Его ось проходит рядом с ядром и наклонена примерно на 10° по отношению к планетарной.
Там, где воображаемая линия выходит из Земли находятся полюса магнитного поля:
- Северный перемещается по территории Канады. С 2015 по 2020 годы его географическое положение установили на острове Эсмир.
- Южный «сбежал» с берегов Антарктиды возле станции «Восток» и постепенно продвигается по морю Моусона в Индийском океане к Австралии.
Учитывая, что источник поля жидкий и постоянно находится в движении, геомагнитные полюса сдвигаются примерно на 2 мм в секунду. Поэтому ежегодно Национальное агентство геопространственной разведки США (NOAA) публикует данные об изменениях. Последние правки в магнитную карту внесли в 16 декабря 2021 года.
Поля мировых аномалий
В отличие от обычного стержневого магнита, силовые линии вокруг планеты не распространяются идеально согласно математической модели диполя. Им «мешает» ряд аномалий, провоцирующих локальное изменение магнитного поля Земли.
Ученые делят их на 3 типа по площади:
- Местные. Это области площадью до 1000 км2. Они появляются из-за залежей магнитных пород, ударов молний, падений метеоритов. Отличаются минимальным влиянием на глобальную геомагнитную картину.
- Региональные. Их протяженность может составлять до 10000 км2. Это аномалии, связанные с намагниченностью кристаллического фундамента земной коры, извержениями базальтовых магматических пород при смещении тектонических плит. Создают сложные магнитные взаимодействия с главным полем в соответствии с принципом суперпозиции.
- Континентальные. Это аномалии площадью до 100000 км2. Они уже по сути являются миниверсиями основного поля планеты. Континентальные аномалии дипольны и формируются из-за завихрений течений во внешнем ядре.
Источники магнитных аномалий находятся на разной глубине. Поэтому их силовые линии взаимодействуют, пересекаются и накладываются, что только усложняет общую картину.
Внешнее магнитное поле
Электрические токи в ионосфере планеты также формируют постоянное магнитное поле Земли. Молекулы воздуха выше 100 км от поверхности ионизируются и превращаются в плазму. Поэтому данная часть магнитосферы также называется плазмосферой. Она удерживается главным полем планеты и выступает в роли щита от солнечной плазмы. Ее внешний слой располагается на удалении в 3 земных радиуса.
Магнитосфера планеты же распространяется дальше до области, которая называется магнитопаузой. В ней магнитное воздействие Солнца и Земли уравновешивается.
Заряженные частицы солнечного ветра обтекают магнитосферу, но часть их захватывается в области хвоста. Эти частицы формируют 2 радиационных пояса вокруг планеты: внутренний на высоте 500 км и внешний – на 10000 км. Когда частицы из радиационного пояса попадают в нижние слои атмосферы, появляются полярные сияния. Обычно это происходит только в области вокруг магнитных полюсов.
Характеристики поля
Обычно при исследовании и определении физических показателей магнитного поля Земли в отдельных точках используется трехмерная диаграмма.
Она формируется на основании данных о:
- Напряженности, измеряемой в Гауссах или микротеслах. Она уменьшается от полюсов к экватору. Также ученые обнаружили, что есть временной цикл изменений напряженности с шагом в 200 млн лет.
- Наклонение. Источник поля находится под землей. Поэтому и силовые линии не распространяются строго над поверхностью планеты. Ученые используют вертикальный угол для определения наклонения. На магнитном полюсе он равен 90°. На экваторе – 0°.
- Склонение. Это параметр, показывающий, куда и насколько смещен магнитный полюс по отношению к географическому.
Если же брать физические данные об индукции, напряженности и других показателях магнитного поля Земли, то обычно применяются усредненные показатели на конкретный год.
Так, по данным за 2015 год от NOAA:
Характеристики магнитного поля Земли
| Индукция (интенсивность) | 27-63 мкТл | |
| Напряженность | Экватор | 0,33 Э |
| Магнитный полюс | 0,67 Э | |
| В зоне аномалий | до 1,9 Э | |
| Дипольный момент | 7,72х1025 Гс·см³ | |
Природа магнитного поля Земли
Основную теорию, объясняющую формирования геомагнитного поля придумал в 1919 году ирландец Джозеф Лармор. Она предполагает, что причиной формирования поля является геодинамо. То есть процесс предположительно выглядит следующим образом.
Твердое внутреннее ядро вырабатывает тепло за счет ядерной реакции распада. Затем жидкий железный внешний слой отводит тепло. Потоки закручиваются спиралями за счет силы Кориолиса и формируют так называемые столбы Тейлора – огромные спиралевидные течения внутри планеты.
Потоки внутри внешнего ядра создают трение и генерируют электрический ток, усиливая небольшое природное магнитное поле металлов. Это провоцирует усиление токов и выработку все большего количества тепла, пока процесс не стабилизируется.
Существует также версия, что магнитное поле формируется за счет вращения Земли на основе приливных сил. Но она менее распространена и основной в настоящее время считается теория геодинамо.
Изменения магнитного поля Земли
Ежегодно магнитные полюса постепенно сдвигаются. При этом согласно отчетам NOAA этот процесс ускоряется. Так вместо запланированного смещения с 2015 по 2018 годы на 5°, магнитные полюса сдвинулись на 8°.
Параллельно с этим происходит постепенное ускоряющееся ослабление поля. По данным научного журнала Scientific American в 20-м веке процесс шел со скоростью 5% в столетие. На 2014 год он ускорился в 10 раз до 5% за десятилетие.
Поклонники концов света тут же заявили, что все вокруг будет уничтожено, ведь вот-вот магнитные полюса поменяются местами, а поле исчезнет.
Среди наиболее популярных теорий катастроф можно выделить следующие:
- Солнечный ветер уничтожит всю электронику на планете. Сгорят даже провода. Технологический прогресс будет отброшен на 200 лет назад.
- Животные потеряют ориентиры и сойдут с ума. Для примера, перелетные птицы ориентируются на магнитные полюса при перелетах, а пчелы строят соты в соответствии с изолиниями.
- Все живое умрет из-за солнечной радиации. Альтернативный вариант – все потеряют память.
Однако согласно статье от НАСА, эти теории не имеют под собой основания. Во время смены полюсов магнитные потоки перепутаются и компасы действительно перестанут адекватно работать. Но защитное поле магнитосферы никуда не денется. Максимальное влияния на человеческую жизнь, которое окажет подобный процесс – возможность любоваться северным сиянием в самых разных точках на планете.
Смещение магнитных полюсов Земли
Это естественный и нерегулярный процесс для планеты, но он отражается на структуре геологических пород. Поэтому ученые смогли получить некоторые данные о его течении. Так за последние 83 млн лет магнитные полюса поменялись местами уже 184 раза. Периодичность разворотов различная, между событиями были обнаружены перерывы от 100 тыс. до 50 млн лет. В среднем на полную инверсию полюсов планета тратит от 2000 до 12000 лет.
Последняя инверсия названа событием Брунхеса-Матуямы. Она произошла 781000 лет назад и заняла по разным подсчетам от 100 до 22000 лет. Последнее неполное обращение (экскурсия) случилось не так давно – 42000 лет назад. Оно называется событием Лашампа и произошло как раз в последний Ледниковый период.
Ученые до сих пор не выработали единой теории, объясняющей как происходит смена полюсов и что ее вызывает.
На данный момент существует 3 версии изменений в работе магнитного поля Земли:
- Неорганизованное динамо. Согласно компьютерным моделям, столбы Тейлора могут случайно накладываться друг на друга и перепутываться. Это приводит к реорганизации потоков и смещению магнитных полюсов. Аналогичные процессы с итоговой инверсией магнитного поля регулярно наблюдаются на Солнце.
- Внешняя и внутренняя оппозиция. Дэвид Губбинс считает, что смена потоков внутри внешнего ядра вызывает экскурсии, а если подземная буря затронет и внутреннее ядро – инверсию магнитного поля и полную смену полюсов.
- Внешний драйвер. Американский ученый Ричард Мюллер считает, что инверсии и экскурсии нерегулярны, потому что вызываются внешними событиями. Он считает, что полюса смещаются из-за смены потоков во внешнем ядре, вызванной падением метеорита или тектоническими сдвигами. При этом оно всегда должно сопровождаться глобальными изменениями климата.
Последние научные данные указывают, что экскурсии и инверсии могут быть связаны с ледниковыми периодами и вымираниями живых существ. Но пока достоверной статистической информации нет. Для примера, в Новой Зеландии была обнаружена окаменелость дерева каури, которое как раз смогло успешно пережить событие Лашампа и ледниковый период.
Геомагнитные координаты (координаты Мак-Илвейна)
Систему придумал малоизвестный американский ученый Карл Мак-Илвейн (или Илвайн в некоторых источниках). Он предложил контролировать движения заряженных частиц в магнитном поле в соответствии с его индукцией и параметром Мак-Илвейна. Это помогает проводить анализ радиационных поясов вокруг планеты и обнаруживать новые скопления заряженных частиц.
