Северный полюс движется, и если он поменяется местами с Южным, жизнь на Земле ждут неприятности

Северный магнитный полюс быстро движется в сторону Сибири — но почему? Это загадка, но у процесса могут быть огромные последствия, и, чтобы ее решить, ученые создают модель ядра нашей планеты.

Можете ли вы определить, где находится Северный полюс? Почти наверняка нет. Даже если вы вооружитесь компасом, ошибиться легко. Если вы находитесь в Калифорнии, его стрелка может дать погрешность в 18 градусов.

«Надо это учитывать, даже если вы просто бродите по лесу — вместо того чтобы пойти прямо, вы можете взять влево», — объясняет Уильям Браун (William Brown) из Британской геологической службы.

И это вовсе не значит, что ваш компас дает сбои из-за причуд местного магнитного поля. Северный полюс вообще уже не тот, что раньше. В 1900 году он находился в Канаде. Век спустя он был около Гренландии. А в последние 18 лет он быстро движется на восток со скоростью примерно 40 километров в год и сейчас направляется к Сибири.

На этом странное поведение магнитного поля Земли не заканчивается. Периодически оно также меняет полярность: бывали времена, когда синяя стрелка компаса указывала на то, что мы сейчас называем югом. Даже сейчас под поверхностью Земли есть места, где она будет показывать не туда. Что же происходит? Разгадка этой тайны может иметь большое значение для наших технологий и вообще будущего планеты.

Чтобы разгадать ее должным образом, нам нужно было бы совершить путешествие в стиле Жюля Верна — к центру Земли, где находится источник магнитного поля. На практике это затруднительно. Вместо этого ученые-изобретатели ищут магниты, вросшие в нашу Землю миллиарды лет назад, и создают гигантские вращающиеся сферы из жидкого натрия. Все это может помочь нам лучше понять свою планету, избегать солнечных штормов и, возможно, правильно находить дорогу домой.

Северный полюс не один

Северный полюс не один. Есть, например, географический Северный полюс, который находится там, где ось вращения Земли пересекает ее поверхность. И есть Северный магнитный полюс, где магнитные линии Земли указывают вертикально вниз. Именно этот Северный полюс и двигается — как и его аналог с другой стороны планеты.

Южный магнитный полюс Земли находится не в центре Антарктиды, как можно было бы подумать. Он находится в море, неподалеку от Земли Виктории.

Много веков люди не представляли, как формируется магнитное поле. Теорию, которая оказалась верной, впервые сто лет назад высказал ирландский физик Джозеф Лармор (Joseph Larmor). Он предположил, что магнитное поле порождало турбулентное электрически заряженное вещество в центре Земли — геодинамо.

Есть все основания полагать, что Джозеф Лармор прав. Звуковые волны, пропущенные через Землю, показали, что у нее металлическое ядро, состоящее из двух частей. Внутреннее ядро, чья температура составляет 6 000 градусов Цельсия, немного горячее, чем поверхность Солнца, но оно остается твердым из-за колоссального давления. Внешняя часть ядра состоит из расплавленного железа.

Разница в температуре между внешним и внутренним ядрами означает, что жидкое вещество постоянно движется вокруг твердого, образуя конвекционные потоки. Горячий жидкий металл поднимается к внешнему краю ядра, где охлаждается и уплотняется, вновь опускаясь вниз. Он заполнен электронами, и они-то и создают магнитное поле.

Если бы движение жидкого вещества зависело только от конвекции, магнитное поле Земли было бы довольно простым явлением. Но вращение Земли толкает вещество в другом направлении с силой, зависящей от местонахождения в данный момент. Кроме того, изменяется вязкости металла в зависимости от его расстояния от внутреннего ядра. Все это приводит к образованию сложной системы мощных потоков во внешнем ядре, которые формируют беспорядочные магнитные линии.

Тысячи лет

Учитывая это, может показаться странным, что северный магнитный полюс не меняется еще быстрее, но на самом деле эти потоки движутся очень медленно.
 
«Когда мы говорим, что поток мощный, мы имеем в виду временной интервал в тысячи лет», — объясняет Гэри Глатцмайер (Gary Glatzmaier) из Калифорнийского университета в Санта-Круз.

Таким образом, перемещение полюсов можно объяснить этим медленным движением потоков вещества, но что будет дальше, неясно. Продолжит ли Северный магнитный полюс двигаться, и как далеко он может зайти? Может ли он развернуться на 180 градусов? Это важный вопрос. Между прочим, магнитное поле Земли отклоняет заряженные частицы солнечного ветра, которые в противном случае обрушились бы на нас, людей. Пока что никто не ожидает, что случится нечто радикальное, но если бы это действительно произошло, то обошлось бы нам очень дорого.

Чтобы попытаться предсказать будущее магнитного поля, есть смысл оглянуться назад. Когда породы с содержанием магнитных минералов подвергаются сильному нагреву, а потом снова остывают, они сохраняют в себе направление магнитных линий. «В некоторых кристаллах содержатся магнитные частицы, и они отлично регистрируют магнитное поле», — объясняет Джон Тардуно (John Tarduno) из Университета Рочестера в американском штате Нью-Йорк. Изучая эти кристаллы, можно получить представление о том, каким было магнитное поле Земли многие миллионы лет назад.

За 83 миллиона лет полюса менялись местами 183 раза

Полученные результаты свидетельствуют, что с течением времени магнитное поле Земли то ослабевало, то усиливалось, а иногда полюса даже менялись местами. Это происходило 183 раза за последние 83 миллиона лет. Последний раз это случилось 780 000 лет назад. Джон Тардуно с коллегами недавно проанализировали магнитные камни из Квебека возрастом 565 миллионов лет и констатировали, что в тот момент магнитное поле Земли было примерно в десять раз слабее, чем сейчас. Это самое низкое значение из когда-либо зарегистрированных. Тогда в течение 75 000 лет магнитное поле часто меняло направление и попеременно было то сильным, то слабым.

Это не только подтверждает, что магнитное поле меняется уже очень давно, но и дает нам больше информации об истории молодой Земли.

«Похоже, в определенный момент магнитное поле было на грани исчезновения», — замечает Джон Тардуно.

Если бы это произошло, едва ли на Земле появились бы сложные формы жизни. Без магнитного поля атмосферу разрушило бы солнечным ветром, а все живые существа подвергались бы воздействию жесткого излучения. Вопрос в том, что предотвратило катастрофу. Анализируя имеющиеся в этой области знания, Джон Тардуно считает, что это было формирование внутреннего твердого ядра Земли.

Похоже, что в тот момент все ядро Земли было жидким, но постепенно охлаждалось. Это замедлило скорость конвекционных потоков и ослабило магнитное поле. Но это же сделало возможным кристаллизацию внутренней части ядра. Более легкие вещества, такие как кремний и кислород переместились из твердой внутренней части во внешнюю. Благодаря этому внутренняя часть ядра стала очень плотной, и конвекционные потоки вновь стали мощнее.

«Когда начало формироваться внутреннее ядро, это дало новый источник энергии магнитному полю», — рассказывает Джон Тардуно.

Его исследования также показали, что на поверхности Земли от Зимбабве до Чили магнитное поле сейчас чрезвычайно слабое. Настолько слабое, что спутники, которые проходят над этой территорией, нуждаются в защите. Когда нет магнитного поля, формирующего своего рода экран, электроника спутников может выходить из строя под воздействием солнечного ветра. Джон Тардуно с коллегами обнаружили, что в одном месте вышеназванной области — под Южной Африкой на границе между мантией и ядром — магнитное поле фактически перевернуто. Синяя стрелка компаса там указывала бы на юг.
Полюса поменяются местами?

Заглядывая в прошлое, Джон Тардуно и его коллеги находят подобные нарушения в разных местах, стараясь понять, как они перемещаются.

«Мы хотим попробовать проследить связь некоторых таких нарушений с потоками в ядре», — рассказывает Джон Тардуно.

Они с коллегами, возможно, даже смогут понять, как и когда эти процессы приводили к регулярной смене полюсов.

«Иногда такие явления становятся настолько обширными, что это внезапно приводит к смене полюсов», — объясняет он.

И тут возникает вопрос: значит ли то, что сейчас происходит с Северным полюсом, что скоро полюса неизбежно поменяются местами?

Именно это, среди прочего, и пытается выяснить Гэри Глатцмайер. Для этого ученым приходится выходить за рамки исследований прошлого. Им надо создавать компьютерные модели магнитного поля, которые могут подсказать, как оно будет себя вести. Например, исходя из физических законов, действующих в отношении движущихся электропроводящих жидких веществ, оно может сформировать диполь, то есть форму с двумя противоположными плюсами. Благодаря этим моделям ученые могут наблюдать изменения силы поля с течением времени в разных местах. Они также видят блуждающие полюса и то, как они меняются местами. Это соответствует происходящему в реальном мире. Несколько месяцев назад ученым с помощью симуляции удалось воссоздать условия, имитирующие резкие «геомагнитные рывки», которые совершает Северный полюс, двигаясь на восток.

Все это впечатляет, но не полностью отражает то, что может происходить с реальным магнитным полем.

«Наши компьютерные модели сложны, но не настолько, насколько сложен реальный мир», — объясняет Гэри Глатцмайер.

Сейчас нет компьютерных мощностей, которые могли бы обслуживать реалистичную модель магнитного поля.

«Структура потоков смещает и искажает существующее магнитное поле, создавая попутно дополнительные поля», — добавляет он.

Еще сложнее предсказать направление магнитного поля в определенном месте поверхности Земли. Модели геодинамо Земли не могут обеспечить точные данные, потому что концентрация магнитных пород воездействует на локальное магнитное поле и приводит к искажениям, из-за которых линии поля отклоняются от направления север-юг.

Шары из жидкого натрия

Возможно, будет полезной более осязаемая модель — физическая, а не компьютерная. Ни одна модель ядра Земли не впечатляет так, как шар из жидкого натрия, который включил в свои исследования Дэниэл Лэтроп (Daniel Lathrop) из Университета Мэриленда.

Любой учитель химии объяснит вам, что с таким металлом, как натрий, сложно иметь дело даже в небольших количествах. Он загорается, когда намокает — иногда самовозгорается даже просто при влажном воздухе. В школах его обычно хранят в масле.

А Дэниэл Лэтроп использует далеко не маленькие объемы натрия. Он работает с большой сферой из натрия, которую приводит в движение. Сферу диаметром в три метра помещают большой контейнер из нержавеющей стали. Все это весит 20 тонн. В центре сферы находится массивное металлическое ядро диаметром один метр. Оно может вращаться до 15 раз в секунду. В процессе этого 31 магнитометр измеряют порождаемое им магнитное поле. Поскольку ядро модели намного меньше, чем реальное ядро Земли, ученые в качестве компенсации берут более электропроводный металл, чем железо, и вращают его с большей скоростью. На полной скорости внешняя сфера может делать четыре оборота в секунду.

Вместе со своими сотрудниками Дэниэл Лэтроп доказал, что мощный поток жидкого металла создает магнитное поле. Это значит, что гипотеза Джозефа Лармора соответствует действительности. Однако до сих пор не удалось добиться спонтанного возникновения магнитного поля, как это, вероятно, произошло с магнитным полем Земли. Вместо этого ученые инициируют стартовую область, порождаемую всплесками натрия. Это многообещающе, но оставляет много вопросов: нельзя доказать, что магнитное поле Земли образовалось из-за всплесков электропроводящего вещества, а без уверенности в том, что модель отражает реальное положение дел, нельзя использовать ее для предсказаний изменений поля.

Возможно, опытам Дэниэла Лэтропа не хватает важного компонента. Ученые обнаружили слабое движение в металле, которое, похоже, вызывается прецессией. Это феномен, который можно наблюдать, например, когда вы смотрите на покачивающийся запущенный волчок. Ядро Земли, конечно же, тоже подвергается его влиянию, потому что на нем сказывается силы притяжения Луны в процессе вращения вокруг Солнца. Опыты Дэниэла Лэтропа не учитывают механизма, вызывающего прецессию. А слабые движения, которые он обнаружил в металле, вероятно, вызваны тем, что сама Земля во время эксперимента вращается.

Проект, который требует мужества

Возможно, лучше понять, что происходит, удастся благодаря новому усовершенствованному проекту, которым сейчас занимаются в Дрездене. В прошлом году ученые из лаборатории Центра им. Гельмгольца Дрезден-Россендорф рассчитали, что если бы натриевая сфера вращалась вокруг двух осей, то тогда она могла бы спонтанно порождать магнитное поле.
Практическая реализация этого проекта требует мужества, ведь надо создать цилиндр, заполненный восемью тоннами жидкого натрия. Цилиндр должен вращаться со скоростью десять оборотов в секунду вокруг своей продольной оси и один раз в секунду оборачиваться вокруг совершенно другой оси. Тут очень важна безопасность.

«У нас есть здание, предназначенное для опытов с жидким натрием, и само оборудование для испытаний размещается там же в защитных контейнерах», — рассказывает Андре Гизеке (André Giesecke) из Центра им. Гельмгольца Дрезден-Россендорф.

Но это удивительное исследование стоит того. Лучше поняв, как устроено магнитное поле Земли, мы сможем предотвратить большую опасность. Если мы, люди, поймем, по какому принципу изменяется поле, мы сможем принять меры, чтобы защитить электросеть от солнечных бурь, которые пробьются к нам, когда поле ослабнет, или не дать космическому излучению наносить вред людям. В худшем случае магнитное поле может исчезнуть вовсе, как это произошло примерно четыре миллиарда лет назад с Марсом. Земля станет меньше удерживать атмосферу и в конце концов окажется такой же необитаемой, как Марс. Может, это и естественно, что магнитное поле Земли ведет себя странно, а полюса движутся, но не стоит относиться к этому легкомысленно.